辽吉古裂谷部分地区深部地质结构特征

刘小杨 薛林福 刘正宏 姜 岩 李桐林

1)吉林大学地球科学学院，长春 130061

2)中国国土资源航空物探遥感中心，北京 100083

0 引言

辽吉裂谷位于辽宁省东部及吉林省东南部，东起辽宁盖县、向西经宽甸、桓仁进入集安、临江，过鸭绿江延伸至朝鲜境内，再向东止于日本海，宽40～80km，在中国境内长约400km。辽吉裂谷南北两侧为太古代地块，裂谷内主要发育了辽河群浪子山组、里尔峪组、高家峪组、大石桥组和盖县组，在吉林南部地区与辽河群相当的地层为吉安群和老龄群，依据原岩建造和含矿特征将其划分为3套不同岩系:浪子山组—里尔峪组构成了含硼岩系，高家峪组—大石桥组为含墨岩系，盖县组为高铝岩系。古元古代末期辽河群遭受强烈挤压变形，形成了形式多样的褶皱构造。在辽东地区发育了许多典型褶皱构造，如营口－草河口复向斜、虎皮峪背斜、翁泉沟背斜等(图1)。目前，已对辽吉裂谷开展了大量基础地质研究工作，主要包括辽吉裂谷的岩石建造、变形变质特征和构造演化等方面(李守义，1994)，这些工作主要集中在地表及浅层，对辽吉裂谷深部地质结构开展的研究工作还比较少，辽吉裂谷深部地质特征的认识对深入了解辽吉裂谷的构造性质、构造演化具有重要作用。有关辽吉裂谷构造性质的认识是一个长期争论的问题，对辽吉裂谷构造性质的认识主要包括:裂谷陆间造山带，其形成演化与弧－陆碰撞有关(张秋生，1988;李三忠，1997);主流观点认为辽吉古元古代构造带的构造性质为裂谷。本文采用裂谷带这一表述对辽吉古元古代构造带进行阐释。

目前，有关辽吉裂谷的3个深部地质问题有待进一步查明:1)辽吉裂谷边界特征，尤其是北部边界，如辽吉裂谷北部边界的位置、性质及深部地质情况和后期演化;2)辽吉裂谷的基底，主要包括基底组成、埋深等，辽吉裂谷中部是否存在太古代基底，是否存在洋壳等问题;3)辽吉裂谷的内部结构，包括深部褶皱构造发育情况，主要地质界面的深部展布情况和南北辽河群之间的关系等。本文将依据新获取的非震地球物理资料，对上述3个深部地质问题进行讨论。

1 非震地球物理新资料

由于缺乏深部地质资料，对辽吉裂谷的深部地质结构一直认识不清。为了揭示辽吉裂谷的深部地质结构，构建了辽吉裂谷三维地质结构模型。2012—2013年，吉林大学测制完成了9条重、磁、MT非震地球物理剖面，其中4条穿切了辽吉裂谷。高精度重力测量使用Burris型高精度重力仪，测量点距250m。高精度磁法测量使用的仪器为加拿大GEM公司GSM－19T微机质子磁力仪，磁测点与重力测点同点位。MT测量使用的仪器为加拿大凤凰公司V5－2000，点距为3～5km，获取了大量新资料。MT剖面测量记录时间＞12h，所获取的视电阻率曲线按照质量分级标准优良率达到95%以上(图2)，MT数据反演使用SCS2D平滑反演软件进行反演，在二维反演时首层厚度设为50m，比例系数为1.21，反演深度为10km，拟合效果良好，各测点拟合差基本＜5(图3)。

图2 Ⅲ测线13号点和Ⅰ测线22号点原始视电阻率曲线Fig.2 Original apparent resistivity curve at site No.13 along survey lineⅢ and site 22 on survey lineⅠ.

这些新获取的非震地球物理资料为揭示辽吉裂谷的深部地质结构提供了重要依据。在这些资料的基础上，针对上述辽吉裂谷存在的3个深部地质问题，开展了辽吉裂谷深部地质结构研究。

2 辽吉裂谷北部边界特征

根据辽河群的分布范围，以往认为，辽吉裂谷的北部边界位于鞍山—本溪市—本溪县一线，并根据辽河群岩石组合的差异，认为以营口－草河口复向斜轴为界将辽河群的分布分为南辽河群和北辽河群2个区域，南北两区辽河群里尔峪组及高家峪组具有明显不同的岩石组合特征，辽河群主要属滨浅海相建造，营口－草河口复向斜北翼里尔峪组属中酸性火山－沉积岩建造，南翼属含硼、铁矿中酸性火山－沉积岩建造。北翼高家峪组属浅海相含碳酸盐岩富碳陆源黏土沉积岩建造;南翼高家峪组属滨海－浅海相含碳酸盐岩富碳陆源碎屑－黏土岩沉积建造。北区为“冒地槽”建造，南区为“优地槽”建造(辽宁省区域地质志，1989)。

图3 Ⅰ测线8、25、28和29号点TM模式视电阻率曲线拟合图Fig.3 Curve fitting plots of apparent resistivity of TM mode measured at site 8，25，28 and 29 along lineⅠ.

目前对南、北辽河群的分界位置也存在不同认识，有人认为南、北辽河群的分界位置是营口－草河口复向斜轴，该认识的主要依据是营口－草河口复向斜南北两翼岩相存在差异，但具体界线尚不明确;也有人认为南、北辽河群的分区边界为海城－草河口断裂，主要依据为营口－草河口断裂是一个规模较大的具有构造单元分割的断裂。

穿过辽吉裂谷北部边界地区的多条MT剖面揭示出辽吉裂谷北部边界十分复杂，这种复杂性是后期构造作用及岩浆活动改造的结果。

非震地球物理剖面Ⅰ和Ⅱ(SN向)穿过了辽吉裂谷，从MT剖面上可以发现，在连山关岩体南侧存在一个明显的南倾构造界面(图4)，从剖面上可以看出，连山关岩体及以北地区主要表现为高阻特征(图4，测点1～12)，具有龙岗地块的高阻电性结构特征，连山关以南地区出现相对低阻的辽河群电性结构特征(图4，测点12～30)，二者之间存在一个明显向南倾斜的地质界面。地表资料显示，连山关岩体与辽河群之间为压性断裂关系，在最新的1/25万丹东幅地质图上，二者之间的关系为基底韧性拆离断层。

该构造界面向东延伸到赛马地区，在龙岗地块与辽吉裂谷之间发育了规模巨大的连山关岩体。连山关岩体是一个长轴呈EW向的规模巨大的燕山期花岗岩侵入体，推测是沿龙岗地块与辽吉裂谷的构造边界发育的。穿过连山关岩体的MT剖面揭示连山关岩体以南地区的电阻率较低，具有辽河群的电性结构特征。连山关以北地区具有龙岗地块电性结构特征。

图4 大地电磁测深剖面ⅡFig.4 Magnetotelluric sounding profileⅡ.

3 辽吉裂谷北部边界性质

目前辽吉裂谷的北部边界主要是根据古元古界的出露与分布情况划定的，至于辽吉裂谷真正构造意义上的裂谷边界还不十分清楚。辽吉裂谷的边界应当包括2种类型:一种是古地理意义上的裂谷边界，另一种是构造意义上的裂谷边界。

在本溪市—本溪县一线发育的古元古界分布的北部边界代表了古地理意义上的裂谷边界，该界线以北地区，零星出露辽河群浪子山组。大台沟铁矿钻探结果表明，新元古界－古生界盖层之下存在厚度为233～735m的辽河群浪子山组，主要由硅化大理岩和绿泥绢云石英片岩组成(洪秀伟等，2010)，浪子山底部见古风化壳，发育底砾岩。根据辽河群的出露范围及钻探结果，辽河群的北部分布范围位于本溪市—本溪县一线，该界线为辽吉裂谷的古地理边界。根据MT剖面在连山关—赛马一线发育明显的南倾构造界面表明，该构造界面对辽河群的发育具有明显控制作用，在连山关—赛马一线以南地区，辽河群发育齐全、厚度大，在该线以北地区主要发育了浪子山组。因此，推断该构造界面控制了辽吉裂谷北部的构造边界，相当于控制裂谷盆地的控盆边界断裂。以草河口复向斜轴为界线的南、北辽河群岩相的差异，实际上是由辽吉裂谷构造边界向裂谷盆地内部相变的结果，在所谓南、北辽河群之间并不存在一个明显的地质界线。

最近研究成果表明，南辽河群沉积作用发生在距今2 035～1 885Ma，物源主要是古元古代花岗岩、同期火山岩(距今2 036～2 317Ma)，以及新太古代花岗岩(距今2 406～2 546Ma)，后者与区域太古代基底花岗质岩石和变质表壳岩系中锆石年龄结果一致，古老结晶基底为辽河群提供了重要物源(孟恩等，2013)。所以，南辽河群下部里尔峪组形成于大陆边缘伸展构造环境中，而不是形成于岛弧构造环境中。

4 辽吉裂谷的内部结构特征

辽吉裂谷的内部结构是指在地表及裂谷基底之间的深度范围内辽吉裂谷地下主要地质界面的空间展布及主要地质体之间的相互关系。辽吉裂谷内部发育了上万m厚的岩石建造，辽吉裂谷内部主要发育含硼岩系(浪子山－里尔峪组)、含墨岩系(高家峪组—大石桥组)、高铝岩系(盖县组)。由于遭受吕梁运动的挤压作用，辽河群遭受强烈挤压变形，辽吉裂谷内部是由一系列复式褶皱组成的。

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印支－燕山期的侵入作用很大程度上改变了辽吉裂谷的原始内部结构。使辽河群以残块形式散布在辽吉裂谷带中。辽吉裂谷带内主要地质体包括2种辽河群残块花岗岩体。

辽吉裂谷变质岩系表现为相对低阻、重力异常相对较高的特征，盖县组电阻率相对较高，与其下地层具有一定可分性，MT剖面提供了辽吉裂谷深部地质结构的图像。

4.1 辽吉裂谷的深部褶皱变形特征

辽吉裂谷辽河群发生了强烈褶皱变形，形成了紧闭线型褶皱、穹窿型褶皱等。根据地表地质资料推断辽吉裂谷内地层强烈褶皱变形，形成复式褶皱构造，自北向南主要为塔子岭－草河口复向斜、虎皮峪－红石砬子复背斜、盖县－岫岩古楼子复向斜等。

塔子岭－草河口复向斜保存良好。根据地表地质资料构建的三维地质模型揭示出草河口的复式向斜特征，MT二维反演结果也揭示出了一个清晰的复式向斜，该复式向斜内部进一步包括2个向斜构造(图6)。辽吉裂谷中充填的古元古界变质岩系最大厚度＞10km。此次研究主要涉及到虎皮峪背斜东段，辽河群被中生代花岗岩大面积侵入，残留辽河群底部深度＞10km。

4.2 辽河群与花岗质侵入体的关系

辽河群主要发育在塔子岭—草河口、岫岩、宽甸等地区，花岗岩体与辽河群之间存在着多种关系。花岗质侵入体与辽河群的关系主要存在侵入、覆盖、包裹等关系，这种关系使辽吉裂谷带内的地质结构十分复杂。

侵入体是指花岗岩体以岩株等形式侵入，在剖面上表现为2种形式:一种呈柱状，岩体底部深度较大，如岩体R3(晚三叠世二长花岗岩)、R4(早侏罗世二长花岗岩)、R5(燕山期侵入体)、R7(燕山期侵入体);另一种呈团块状，如岩体R6(古元古代斜长花岗杂岩)。覆盖关系是指花岗岩体覆盖在辽河群之上，如岩体R1(古元古代片麻状中细粒黑云母二长花岗岩)覆盖在辽河群之上(图7)。包裹关系是指辽河群的残留块体包裹在花岗岩体之中。

5 辽吉裂谷基底组成

对基底组成的认识决定了对辽吉裂谷构造性质及构造演化的认识，目前对辽吉裂谷基底组成的认识争论较大，主要有2种观点:一种观点认为辽吉裂谷的基底为太古代变质基底，主要依据为辽吉裂谷北部的基底为太古代变质岩系;另一种观点认为辽吉裂谷的基底存在洋壳，部分地区存在太古代变质基底，主要依据为在辽吉裂谷中央带未见太古代变质岩系，以前太古代花岗岩被新的同位素测年资料证实为中生代花岗岩，一些学者认为辽吉裂谷带中所发育的基性岩墙为洋壳成分。

根据野外地质研究、区域地球物理资料及实测非震地球物理剖面，辽吉裂谷的基底组成主要有2种类型:一种是由太古代表壳岩(表壳岩又称上壳岩，是由沉积岩和火山岩经区域变质作用形成的变质岩的统称。由于其原岩是在地表条件下形成，故称为表壳岩)及太古代花岗岩组成的变质基底，主要发育在连山关—赛马一线以北地区;另一种是主要由古元古代花岗岩及太古代花岗岩所构成的基底，主要发育在连山关—赛马一线以南地区。

在连山关—赛马一线以北地区，野外露头表明辽河群以不整合形式覆盖在太古代表壳岩及太古代花岗岩之上(图4)(赵丽君等，2011)，在本溪大台沟地区的钻孔资料揭示在辽河群中钻遇了太古代BIF型铁矿，这表明在辽吉裂谷北部地区的基底为太古代变质岩系。MT剖面揭示该地区的基底属太古代变质基底。

图7 大地电磁测深剖面ⅣFig.7 Magnetotelluric sounding profileⅣ.

在连山关—赛马一线以南的岫岩等地区发育由条痕状二长花岗岩、花岗闪长岩和花岗岩组成的辽吉古元古代花岗岩简称为辽吉花岗岩(翟安民，2005)，辽吉花岗岩主要发育在由辽河群构成的背斜核部，与里尔峪组紧密相关。由此可见，在辽吉裂谷的许多地方，辽河群之下广泛发育辽吉花岗岩。野外观察表明，里尔峪组浅粒岩的岩貌特征与花岗岩类似(图8)，揭示辽河群遭受了强烈热作用，在辽吉裂谷回返造山过程中，辽吉花岗岩处于一种高热状态，随辽河群发生一定程度的褶皱变形，一些地区可能发生部分重熔，并向上侵入到高家峪组中。

从区域重力异常图上可以看出，辽吉花岗岩出露区，重力异常较古元古界出露区重力异常低。重力向上延拓结果表明，辽吉裂谷深部存在低密度体，推测这些高阻－低密度体主要为花岗质岩石。在研究区东侧邻区宽甸地区古元古界厚度较小，已完成的重力－MT联合反演结果表明，在古元古界之下发育密度较低、电阻率较高的地质体，推测这些高阻－低密度地质体为花岗质岩石的反映。由此推测连山关—赛马一线以南地区，辽吉裂谷的基底为古元古代花岗岩及太古代花岗岩所构成的基底。

6 结论

(1)新获取的非震地球物理资料支持辽吉古元古代裂谷的构造具裂谷性质。

图8 虎皮峪地区辽河群里尔峪组浅粒岩特征Fig.8 Characteristics of leptite in Lieryu Formation，Liaohe Group of Hupiyu area.

(2)辽吉裂谷的北部边界为一条南倾构造界面或岩体侵入带，该带为辽吉古裂谷的北部构造分界带，推测为辽吉古裂谷发育时期控制辽吉古裂谷的控盆断裂。在本溪市—本溪县一线的辽河群分布区应为辽吉裂谷的古地理边界。

(3)辽吉裂谷内部结构主要表现为一系列复式褶皱，印支－燕山期花岗岩大面积侵入辽吉裂谷带，使辽河群的三维地质结构表现为残块。辽吉裂谷深部表现为复向斜或复背斜，辽河群底界埋深可达10km以上。

(4)辽吉裂谷基底为古元古代重熔型花岗岩。

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