敦化-密山斷裂帶及周邊地區(qū)的航磁特征與深部構(gòu)造

王禹丹 張景發(fā) 田 甜

1)應(yīng)急管理部國(guó)家自然災(zāi)害防治研究院，北京 100085

2)中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(武漢)，武漢 430074

0 引言

敦化-密山斷裂帶是中國(guó)東部大型斷裂——郯廬斷裂帶在東北地區(qū)的分支，貫穿遼寧、吉林、黑龍江三省，該區(qū)域是中國(guó)東北地區(qū)中—小型盆地集中分布的區(qū)域，地殼結(jié)構(gòu)復(fù)雜。這些盆地主要由最初的大三江盆地經(jīng)過(guò)構(gòu)造運(yùn)動(dòng)分割而成(張興洲等，2010)。敦化-密山斷裂帶對(duì)盆地的演化和分布起著控制作用，該區(qū)域發(fā)育著中新生界碎屑巖建造和火山巖建造，是中國(guó)石油、天然氣等重要能源、資源的集中區(qū)。本文選取敦密斷裂帶及其周邊區(qū)域作為研究對(duì)象，主要利用航磁數(shù)據(jù)，對(duì)敦化-密山斷裂周邊區(qū)域的深部地質(zhì)構(gòu)造、敦化-密山斷裂的走向、分支及其與周邊斷裂的交切方式進(jìn)行研究，并結(jié)合前人的研究成果對(duì)該區(qū)域的孕震環(huán)境進(jìn)行分析。

許多學(xué)者已利用地球物理方法對(duì)東北地區(qū)的地質(zhì)構(gòu)造進(jìn)行過(guò)大量研究。江為為等(2006)利用小比例尺的重磁數(shù)據(jù)對(duì)東北地區(qū)的地殼構(gòu)造特征進(jìn)行了分析，并反演了莫霍面分布； 吳詠敬等(2012)基于布格重力異常資料對(duì)東北地區(qū)的構(gòu)造分區(qū)和深斷裂進(jìn)行了研究； 張鳳旭等(2010)利用小子域及改進(jìn)的三方向小子域?yàn)V波對(duì)東北地區(qū)的布格重力異常進(jìn)行了處理，精細(xì)劃分了東北地區(qū)的大地構(gòu)造單元； 孫幫民(2016)利用多種方法對(duì)東北地區(qū)的航磁數(shù)據(jù)進(jìn)行位場(chǎng)分離，并反演了東北地區(qū)的居里面深度； 郭惠瑩(2018)利用幾種界面反演方法基于東北地區(qū)的航磁數(shù)據(jù)對(duì)居里面進(jìn)行了反演。前人主要利用小比例尺重磁數(shù)據(jù)對(duì)整個(gè)東北區(qū)域進(jìn)行了研究，且主要集中于重力場(chǎng)方面，對(duì)該區(qū)域的研究仍不夠深入。本文將利用大比例尺航磁數(shù)據(jù)對(duì)敦化-密山斷裂帶及其周邊地區(qū)開(kāi)展多尺度、多層次的反演與分析，對(duì)該區(qū)域的航磁異常特點(diǎn)與地殼磁性結(jié)構(gòu)特征進(jìn)行研究，詳細(xì)分析該區(qū)域的深部構(gòu)造特征，深入研究其地殼結(jié)構(gòu)、斷裂構(gòu)造和基底構(gòu)造特點(diǎn)，為大地構(gòu)造研究和油氣資源評(píng)價(jià)與勘探提供地球物理資料。

圖 1 研究區(qū)域的構(gòu)造簡(jiǎn)圖Fig. 1 A schematic diagram of the regional tectonics of the study area.

1 區(qū)域構(gòu)造背景

本文研究區(qū)位于中亞造山帶，地處西伯利亞克拉通、華北克拉通和太平洋克拉通所影響的構(gòu)造區(qū)域內(nèi)，是經(jīng)過(guò)多次相互作用形成的疊加造山帶(周飛，2012)。區(qū)域范圍覆蓋了大部分佳木斯地塊、興凱地塊和小部分完達(dá)山地塊(圖 1)(曹成潤(rùn)等，2003)，佳木斯地塊內(nèi)部巖漿活動(dòng)劇烈，研究區(qū)覆蓋了樺南次隆、密山次隆、寶清坳陷及其周緣的中新生代盆地群，包括佳木斯盆地、勃利盆地、雙鴨盆地、雞西盆地和雙樺盆地等(孫明道，2013)； 興凱地塊以敦密斷裂帶為界，與佳木斯地塊、完達(dá)山結(jié)合帶相隔，該地塊涵蓋了虎林盆地的大部分區(qū)域，虎林盆地的基底由佳木斯地塊與興凱地塊共同構(gòu)成(高艷芝，2010)； 完達(dá)山地塊與佳木斯地塊以大和斷裂為界，前者于中生代受到大規(guī)模的構(gòu)造-巖漿活動(dòng)，由低緯度漂移過(guò)來(lái)，增生于佳木斯地塊的東側(cè)(萬(wàn)闊，2017)。

2 數(shù)據(jù)與方法

航磁異常主要是由地表及地下具有磁性的巖石和一些礦物的不均勻分布所產(chǎn)生，其從客觀上反映了研究區(qū)域內(nèi)地質(zhì)體的不均勻分布和區(qū)域構(gòu)造(斷裂等)及其深部基底等情況。航磁異常是不同深度和形態(tài)的地質(zhì)體引起的異常疊加，為了更加清晰地分析不同深度地殼結(jié)構(gòu)的異常，可對(duì)深部場(chǎng)與淺部場(chǎng)進(jìn)行場(chǎng)源分離。本文采用小波多尺度分解的方法進(jìn)行位場(chǎng)分離，以提取不同深度的異常特征。

小波多尺度分析是對(duì)重磁場(chǎng)進(jìn)行位場(chǎng)分離的有效方法，通過(guò)場(chǎng)源信號(hào)分離可提取出反映淺部場(chǎng)信息的高頻信號(hào)，生成小波細(xì)節(jié)圖，突出局部信息，進(jìn)而解析推測(cè)斷層深度、盆地基底深度等信息(侯遵澤等，1997)。二維小波多尺度分析表達(dá)式可簡(jiǎn)寫(xiě)為(Mallatetal.，1992)

Δg(x)=AjG+D1G+D2G+…+DjG

(1)

其中，AjG為小波逼近部分，DjG為小波高階細(xì)節(jié)部分。

本文收集了1︰25萬(wàn)航磁ΔT數(shù)據(jù)資料，并進(jìn)行數(shù)據(jù)矢量化、極化等預(yù)處理，網(wǎng)格采樣間隔為2.5km，經(jīng)位場(chǎng)分離后得到1～4階小波航磁逼近圖和細(xì)節(jié)圖。之后，首先計(jì)算實(shí)測(cè)平面航磁異常的徑向?qū)?shù)功率譜，然后利用對(duì)數(shù)功率譜回歸直線的斜率求得近似場(chǎng)源深度(Spectoretal.，1970)。計(jì)算得到研究區(qū)域內(nèi)1～4階細(xì)節(jié)場(chǎng)對(duì)應(yīng)的近似場(chǎng)源深度值見(jiàn)表1。

表 1 1～4階近似場(chǎng)源深度Table1 Approximate depth of field source of order 1～4

3 結(jié)果

3.1 原始航磁場(chǎng)特征

圖 2 原始航磁異常圖Fig. 2 Original aeromagnetic anomaly map.F1敦化-密山斷裂帶； F2大和斷裂帶； F3依蘭-伊通斷裂帶； F4富錦-小佳河斷裂帶； F5穆棱河斷裂帶； F6虎林河斷裂帶； F7同江斷裂帶； F8南北河-勃利斷裂帶； F9友誼鎮(zhèn)-七臺(tái)河-林口斷裂帶

高異常主要集中在盆地、坳陷附近，寶清過(guò)渡帶和勃利盆地呈現(xiàn)大面積高異常。 寶清坳陷從泥盆紀(jì)開(kāi)始為穩(wěn)定的淺海砂泥質(zhì)—碳酸鹽巖沉積，上泥盆統(tǒng)主要為中酸性火山巖及其凝灰?guī)r，晚古生代為陸棚、海陸交互相、火山巖、碎屑巖沉積； 勃利盆地在早白堊世就堆積了巨厚的火山巖，經(jīng)歷了燕山運(yùn)動(dòng)和喜山運(yùn)動(dòng)，同時(shí)基底火山巖噴發(fā)，形成船底山組玄武巖(韓春花等，2004)，因此該區(qū)域附近也呈現(xiàn)高異?，F(xiàn)象。雙樺盆地與佳木斯盆地呈現(xiàn)團(tuán)塊狀異常，雙樺火山沉積盆地內(nèi)受火山碎屑巖(姜迎久等，2019)、玄武巖(馬云龍，2015)影響，呈現(xiàn)出正、負(fù)跳變的強(qiáng)磁特征，盆地南部大面積出露玄武巖，呈現(xiàn)紊亂的磁場(chǎng)特征； 佳木斯盆地基底主要以花崗巖為主，表面有中生代末變質(zhì)巖出露(董曉偉，2007)。高異常區(qū)東側(cè)的敦化-密山斷裂和大和斷裂呈現(xiàn)串珠狀異常帶和線性異常帶，斷裂中有磁性巖漿分布或基性火山巖分布。依蘭-伊通斷裂帶為不同磁場(chǎng)區(qū)的分界線，深大斷裂使磁性基底抬升或下降，呈現(xiàn)出不同的磁異常。東南部為平穩(wěn)的正磁場(chǎng)區(qū)，大部分區(qū)域在0～150nT范圍內(nèi)，該區(qū)域?qū)儆谂d凱地塊，大部分被第四系覆蓋，屬虎林盆地范圍，盆地基底主要為花崗巖和變質(zhì)巖(梁琛岳等，2020)。高異常區(qū)東側(cè)出現(xiàn)的串珠狀異常帶和線性異常帶主要與敦化-密山斷裂和大和斷裂的分布有關(guān)，斷裂中有磁性巖漿或基性火山巖分布。

該區(qū)域的航磁異常特征表現(xiàn)為以下幾個(gè)方面： 1)深大斷裂造成了基底抬升或下降，呈現(xiàn)高、低異常分區(qū)，磁性巖漿巖侵入斷裂中，產(chǎn)生線性或串珠狀異常； 2)由于巖漿活動(dòng)的影響，研究區(qū)內(nèi)的盆地沉積著基性或超基性巖，出現(xiàn)了大面積塊狀高異常區(qū)域。

3.2 區(qū)域不同深度的構(gòu)造特征

利用小波多尺度分析方法可以分解出反映深部異常的低頻信息和反映淺部異常的高頻信息，它們分別反映了區(qū)域場(chǎng)和局部場(chǎng)對(duì)應(yīng)的航磁異常信息。對(duì)研究區(qū)的航磁數(shù)據(jù)進(jìn)行小波多尺度分解后，得到了工作區(qū)航磁異常1～4階逼近圖和1～4階細(xì)節(jié)圖，本文僅介紹反映地殼磁性結(jié)構(gòu)的細(xì)節(jié)場(chǎng)特征。

圖 3 1階小波細(xì)節(jié)圖Fig. 3 The detailed diagram of the first-order wavelet.

圖 4 2階小波細(xì)節(jié)圖Fig. 4 The detailed diagram of the second-order wavelet.

4階小波細(xì)節(jié)圖(圖 6)在3階細(xì)節(jié)圖的基礎(chǔ)上展現(xiàn)出一幅更清晰的分布圖像，反映了磁性基底的異常信息，特征明顯的斷裂僅剩敦化-密山斷裂，說(shuō)明該斷裂切穿深度較深，對(duì)該區(qū)域影響較大。

圖 6 4階小波細(xì)節(jié)圖Fig. 6 Detailed view of 4th order wavelet.

4 討論

4.1 斷裂的深部構(gòu)造特征

敦化-密山斷裂是郯廬斷裂帶在東北地區(qū)的一條重要的分支斷裂，其延伸遠(yuǎn)、影響范圍大，在航磁小波細(xì)節(jié)圖上表現(xiàn)為相互平行的幾條NE向展布的異常條帶。在上地殼內(nèi)該斷裂的航磁異常以串珠狀高異常和線性高異常為主，主要原因?yàn)閿嗔褱\層侵入了基性或超基性巖漿巖； 在中地殼斷裂表現(xiàn)為不同航磁特征區(qū)域的分界線； 在下地殼中，敦化-密山斷裂切穿較深地層，并切割磁性基底，4階細(xì)節(jié)場(chǎng)的近似場(chǎng)源深度為20～23km，此時(shí)斷裂依然為不同磁場(chǎng)的界限。由此可看出，敦化-密山斷裂的深度較深，對(duì)該區(qū)域航磁的影響范圍較大，可從上地殼至下地殼。

大和斷裂位于研究區(qū)的中部，呈NNE向展布，北側(cè)延伸出區(qū)外，區(qū)內(nèi)長(zhǎng)約170km，該斷裂的航磁特征較為明顯： 在中上地殼表現(xiàn)為不同特征磁場(chǎng)區(qū)的分界線，斷裂西側(cè)為以弱磁背景為主、局部疊加SN向升高的磁異常； 東側(cè)以弱正磁背景場(chǎng)為主，局部疊加NE、NNE向磁異常。該斷裂的下地殼異常信息不明顯。

穆棱河-虎林?jǐn)嗔?帶)位于研究區(qū)的東南部，是由2條寬10～20km的平行斷裂組成的地塹構(gòu)造。敦化-密山斷裂的走向在靠近虎林盆地的位置發(fā)生了改變，形成NEE向分支，長(zhǎng)約230km，西南及東北兩端均延伸出測(cè)區(qū)外。該斷裂是區(qū)內(nèi)切割較深、特征明顯的一級(jí)斷裂之一，也是佳木斯地塊和興凱地塊2個(gè)二級(jí)構(gòu)造單元的分界線。穆棱河斷裂在中上地殼主要表現(xiàn)為不同特征磁場(chǎng)的分界線，下地殼異常不明顯。敦化-密山斷裂的分支——虎林?jǐn)嗔言谥猩系貧ぶ斜憩F(xiàn)為線性異常，而在中下地殼斷裂異常消失，反映了該斷裂規(guī)模較小、切穿深度較淺的特點(diǎn)。

虎林河斷裂為敦化-密山斷裂靠近虎林盆地的NEE向分支，大和斷裂為敦化-密山斷裂帶的NNE向分支。由原始航磁異常圖可看出，穆棱河斷裂切穿了敦化-密山斷裂，穆棱河斷裂在原始航磁圖中表現(xiàn)為線性異常，在上地殼線性異常更明顯，在中上地殼中切穿現(xiàn)象不明顯，表明穆棱河斷裂與敦化-密山斷裂在地殼淺層交切； 同樣，富錦-小佳河斷裂也在地殼淺層切穿了大和斷裂北部。虎林河斷裂作為大和斷裂的NEE向的分支，斷裂深度小于敦化-密山斷裂，在下地殼中已不再明顯。大和斷裂與敦化-密山斷裂屬于研究區(qū)域內(nèi)的深大斷裂，在不同時(shí)期對(duì)構(gòu)造的形成和發(fā)展具有一定的控制作用。

4.2 居里面反演

居里面是指磁性礦物在一定溫度下從有磁性轉(zhuǎn)變?yōu)闊o(wú)磁性的居里(點(diǎn))等溫度面，是磁性層的下界面，反映的是巖石圈的熱狀態(tài)，而非確定的地質(zhì)構(gòu)造面(熊盛青等，2016)。申寧華等曾指出居里面的埋深深度對(duì)油氣資源的保護(hù)有影響(1)申寧華，李春華，張貴賓，等，1985，用下?lián)P子航磁資料計(jì)算居里等溫面，長(zhǎng)春地質(zhì)學(xué)院1985年科學(xué)研究報(bào)告年鑒。，因此反演居里面的深度對(duì)該區(qū)域的研究也具有很大意義。

本文采用Parker法(Parker，1973)反演了該區(qū)域磁性層的下界面，得到該區(qū)域的居里面深度，反演結(jié)果如圖 7 所示。由結(jié)果可知，區(qū)域內(nèi)的居里面分布受到了敦化-密山斷裂帶的影響，敦化-密山斷裂帶表現(xiàn)為居里面不同深度的分界線，研究區(qū)內(nèi)居里面的整體埋深為22.3～29.9km，雖然與孫幫民(2016)在東北地區(qū)得到的反演結(jié)果19.5～31km相比，后者的居里面埋深變化更具有一致性，但本文在小范圍內(nèi)反演的居里面結(jié)果更為精確，更能突出本區(qū)域的特點(diǎn)。

圖 7 居里面反演結(jié)果圖Fig. 7 The inversion result map of Curie surface.數(shù)據(jù)為2008年1月—2020年7月的地震點(diǎn)，來(lái)自國(guó)家地震科學(xué)數(shù)據(jù)中心

由反演結(jié)果可以看出，該區(qū)的居里面深度自NW向SE呈現(xiàn)“淺—深”的變化趨勢(shì)，最深處位于虎林縣南、敦化-密山斷裂帶東側(cè)，埋深為26～34km?；⒘峙璧厥侵?、新生代斷陷-坳陷盆地，該區(qū)域分布有穆棱河坳陷、虎林河坳陷和興凱湖坳陷，虎林盆地是敦化-密山斷裂在晚中生代與新生代時(shí)期走滑過(guò)程中拉開(kāi)成盆、擠壓蓋層變形的結(jié)果，經(jīng)歷了2次沉降成盆與2次反轉(zhuǎn)、改造過(guò)程(曹成潤(rùn)等，2001)，該地區(qū)的地殼厚度較大(張慧，2012)，有效地阻止了來(lái)自地幔的熱流擴(kuò)散，因而形成了居里面下凹區(qū)。敦化-密山斷裂帶位于居里面深度高、低分界線處，且敦化-密山斷裂與虎林盆地的形成有密切聯(lián)系，居里面的分布在某種程度上受到了敦化-密山斷裂的控制和影響，該斷裂已經(jīng)下切至居里面深度，成為了區(qū)域的一條深大斷裂帶。勃利盆地與北部三江盆地為居里面隆起區(qū)，敦化-密山斷裂帶作為深部斷裂為熱流提供了通道，而熱流的擴(kuò)散導(dǎo)致了居里面的隆起。

4.3 孕震環(huán)境分析

地震震中主要在研究區(qū)域NW方向沿依蘭-伊通斷裂帶周邊密集分布，而在敦化-密山斷裂帶及大和斷裂帶附近分布較少，整體呈條帶性分布，同時(shí)也具有不均勻性，西北部小地震頻度高于區(qū)域內(nèi)其他部位。由圖 7 可看出，在敦化-密山斷裂帶附近，小地震主要集中于密山次隆以南，敦化-密山斷裂帶北段區(qū)域的地震發(fā)生頻率較低，較為穩(wěn)定。前人對(duì)該區(qū)域的重力場(chǎng)有過(guò)深入研究，該區(qū)在黑龍江省屬于莫霍面隆起區(qū)，莫霍面深30～32.5km，由于太平洋板塊的俯沖作用導(dǎo)致該區(qū)的莫霍面分布不均勻，依蘭-伊通斷裂帶對(duì)莫霍面的影響較大，松遼盆地靠近依蘭-伊通斷裂帶的區(qū)域莫霍面突然加深，出現(xiàn)陡變帶，敦化-密山斷裂帶則表現(xiàn)不明顯(李春先等，2013)。依蘭-伊通斷裂帶深抵莫霍面，地震活動(dòng)區(qū)內(nèi)的莫霍面往往表現(xiàn)出隆起形態(tài)，殼幔局部變形、隆起為應(yīng)力的集聚提供了可能，同時(shí)深大斷裂的存在為物質(zhì)運(yùn)移提供了通道。該區(qū)域內(nèi)地震活動(dòng)水平整體較低，活動(dòng)性強(qiáng)的區(qū)域主要集中在依蘭-伊通斷裂帶附近，在雞西地區(qū)附近也有小地震聚集，主要受牡丹江斷裂以及南北河斷裂的影響。敦化-密山斷裂對(duì)居里面分布影響較大，也影響了幾大構(gòu)造單元的形成，未來(lái)應(yīng)多關(guān)注斷裂周邊及斷裂交切處的穩(wěn)定性。

5 總結(jié)

本文主要對(duì)敦化-密山斷裂帶及其周邊區(qū)域進(jìn)行了多尺度航磁特征分析，利用小波多尺度分析法對(duì)航磁數(shù)據(jù)進(jìn)行分解，得到1～4階小波細(xì)節(jié)圖，據(jù)此分析了區(qū)域幾大斷裂在地殼淺層及深層的分布特點(diǎn)和交切關(guān)系，并用Parker法反演了該區(qū)域磁性層的下界面，得到了該區(qū)域的居里面深度。經(jīng)分析得到以下結(jié)論：

(2)通過(guò)小波細(xì)節(jié)圖與功率譜法計(jì)算近似場(chǎng)源深度，可知區(qū)域有3條深大斷裂，即敦化-密山斷裂、大和斷裂和依蘭-伊通斷裂。而虎林河斷裂、穆棱河斷裂、富錦-小佳河斷裂、南北河-勃利斷裂僅切穿了淺層地殼，穆棱河斷裂與敦化-密山斷裂、大和斷裂與富錦-小佳河斷裂僅在淺層地殼交切。

(3)區(qū)域的居里面埋深為22.3～29.9km，埋深最大的區(qū)域位于虎林縣南側(cè)，該區(qū)是由板塊俯沖擠壓而形成的坳陷盆地，敦化-密山斷裂帶對(duì)居里面形態(tài)有控制作用。

(4)區(qū)域內(nèi)地震活動(dòng)性整體較低，活動(dòng)性較高的地區(qū)主要位于深抵莫霍面的依蘭-伊通斷裂帶附近，隆起的殼幔為應(yīng)力的集聚提供了可能，未來(lái)應(yīng)多關(guān)注斷裂帶周邊及斷裂交切處地殼的活動(dòng)性。

致謝審稿專家對(duì)本文的修改和完善提出了寶貴的意見(jiàn)，在此表示衷心感謝！