郯庐断裂带中段东西两侧地壳结构差异及构造意义研究*

林吉焱 嘉世旭 段永红 刘保金

(中国地震局地球物理勘探中心，郑州 450002)

郯庐断裂带中段东西两侧地壳结构差异及构造意义研究*

林吉焱1)嘉世旭1)段永红1)刘保金1)

(中国地震局地球物理勘探中心，郑州 450002)

郯庐断裂带中段的东西两侧是两个截然不同的地质构造单元，西侧属于华北板块的鲁西隆起区，东侧属于扬子板块的苏鲁块体。从两大板块开始碰撞一直到后期的地壳强烈改造，鲁西隆起与苏鲁地块在地壳结构上存在明显的差异。本文利用反射率方法对深地震测深宽角折射/反射记录进行模拟计算，得到两个块体的一维地壳速度结构模型。通过比较发现，鲁西隆起区的莫霍深度比苏鲁块体的莫霍深度深7 km，而苏鲁块体的平均地壳速度仅有5.94 km/s，比鲁西隆起区的平均速度6.34 km/s要低许多，这与苏鲁块体岩石圈后期经历的强烈改造有较大关系。扬子板块与华北板块的相互作用，经历了俯冲、强烈碰撞挤压、再到后期折返、岩浆底侵以及郯庐断裂在中生代经历的巨大左行平移等过程，这都是地壳后期改造的原因。

郯庐断裂;鲁西隆起;苏鲁隆起;深地震测深;地壳结构

郯庐断裂带位于中国的东部，从黑龙江向南绵延到江西，是中国乃至亚洲最著名的一条深大断裂。按照地理位置，可分为北段、中段和南段。本次研究区属于郯庐断裂的中段。

国内学者通过对郯庐断裂带两盘构造形变和应力场的比较，分析了断裂带的形成与演化过程，提出断裂带经历了1次以走滑为主、两次以正断层为主、3次以逆断层活动为主的断裂活动［1－2］;华北与扬子板块的碰撞拼接是郯庐断裂带形成的构造背景，断裂带自中生代形成以来，经历了长期、复杂的演化过程。经过多年的研究［3－9］，郯庐断裂带中生代形成时经历过巨大的左行平移已成为共识，其中最大左行走滑断距约430 km。

本文通过对鲁西隆起区和苏鲁块体两次人工地震爆破资料的研究，采用人工源深地震测深处理方法，分析了来自地壳不同深度的地震波震相特征。采用反射率方法计算理论地震图，得到了鲁西隆起区和苏鲁块体的地壳速度模型。通过比较两个区域的地壳结构特征，分析了断裂带两侧的深部构造背景，为郯庐断裂带地壳结构研究提供依据。

1 研究区分块地质概况

研究区位于华北与扬子两大板块的交接地带，华北板块东部的鲁西隆起以及扬子板块北部的苏鲁块体分布于郯庐断裂带两侧。研究表明［10－12］，在约240～220 Ma前扬子板块向北深俯冲到华北板块之下，与华北地块开始拼接，经历了先俯冲、再折返、后上隆的构造运动阶段。

鲁西地块位于华北克拉通东部，具体位于兰考-聊城断裂及盐山断裂以东，郯庐断裂以西，新生代渤海盆地以南，中新生代合肥盆地以北。鲁西地区地壳介质为规则的层状速度结构，速度由浅至深逐渐递增，而横向变化不大，显示为稳定的构造单元。

苏鲁隆起以郯庐断裂为西界，北达烟台-五莲断裂，南至嘉山-响水断裂。它是华北板块与扬子板块的交接带，其形成与两大板块之间碰撞俯冲运动有关，强烈的碰撞挤压，包括之后折返，使得这一地区形成了罕见的高压、超高压变质带(UHPM)，是世界上研究陆-陆碰撞俯冲和壳幔作用的最佳场所之

一［13］。

20 世纪80年代，中国地震局参加编制全球地学断面(GGT)计划，完成了江苏响水至内蒙古满都拉地学断面。该断面的江苏灌南-山东肥城段跨过郯庐断裂段［14］，测线位置与文中的测线位置大致相当。结果显示，鲁西块体地壳均匀成层，介质速度随深度加深稳定增加，地壳平均速度高(6.3 km/s)，总厚度在 33 ～34 km［15－16］;结果还显示，从郯庐断裂带向东地壳厚度迅速减薄，从33 km减到29 km，再向东进入黄海海域。该地学断面虽然比较早就给出了郯庐断裂带两侧的结构特征，但是受当时仪器和其他条件限制，还有一定的不足，如接收点距偏大、仪器精度低等。2007年，聊城-连云港宽角反射地震剖面揭示了鲁西地区较为详细的地壳结构，发现地壳平均速度较正常值偏高，且壳内有两个近直立的高速体，可能与壳幔物质交换及大陆增生的深部过程有关［17］。该剖面很好地反映了郯庐断裂西侧鲁西隆起的地壳结构，但是由于剖面长度的限制，并没有给出郯庐断裂东侧的地壳结构特征。

2 郯庐断裂带中段两侧地壳结构差异

研究区的两次深地震测深爆破sp8和sp2分别位于鲁西地块和苏鲁地块的边缘。sp8炮位于山东省宁阳县瓷窑镇大周村，sp2炮位于江苏省阜宁县羊寨镇苏水村。其中，sp8炮向东南方向接收，有效信号距离约300 km(图1);sp2炮向西北方向接收，有效信号距离约250 km(图2)。全剖面接收点距1～2 km，其中，在郯庐断裂附近150 km范围内点距为1 km，属于高精度测量。

2.1 震相分析

sp2炮和sp8炮的主要震相包括结晶基底回折波Pg、Moho界面反射波PmP、上地幔顶部折射波Pn以及结晶地壳内部反射波P1、P2、P3。图1和图2分别标出了几组震相的位置。

Pg震相是来源于结晶基底上部及上地壳顶部的回折波，在均匀成层的地壳结构中随炮检距加大视速度缓慢增加。Pg波折合到时主要受结晶基底速度及其以上沉积盖层厚度的影响，沉积盖层越厚，相应的到时越滞后。

壳内反射震相P1、P2、P3都属于壳内的反射震相，P1波是紧随Pg波后的一组反射震相，而P2和P3则是出现在P1之后，它们的追踪距离随区域不同变化较大，一般在50～150 km范围内。壳内反射震相在不同地区不尽相同，有些区域可能有很多组反射震相，而有些区域可能只有1、2组反射震相。图1和图2中，壳内反射震相走时平稳，呈弱反射特征。

PmP是Moho界面的反射波或临界距离外的回折波，在地震测深剖面中的振幅通常最强，最容易识别，可靠度也最高。sp8时间剖面(图1)中PmP震相清晰、振幅较强，显示了壳幔边界的一级间断面特征。PmP折合走时在炮检距180～190 km超前折合零线，视速度约为6.6 km/s;sp2(图2)中PmP震相清晰、波形简单，显示了莫霍面上、下较明显的速度差异。PmP震相可以追踪到230～240 km，折合走时未超前折合零线，视速度约为6.4 km/s;在Pg走时无明显变化的前提下，苏鲁块体的PmP相对鲁西隆起的PmP到时滞后，暗示苏鲁隆起结晶地壳底部和Moho界面的强烈改造(图3)。

图1 sp8炮实测资料和理论地震图拟合(TLF为郯庐断裂带的位置)Fig.1 Measured data and fitted theoretical seismogram of sp8(TLF means location of Tanlu fault zone)

图2 sp2炮实测资料和理论地震图拟合(TLF为郯庐断裂带的位置)Fig.2 Measured data and fitted theoretical seismogram of sp2(TLF means location of Tanlu fault zone)

Pn震相是来自上地幔顶部的弱折射波，由于视速度高、稳定，一般在炮检距170～180 km以外可作为初至波被识别。在鲁西隆起区Pn追踪距离250～270 km，视速度为8.1～8.2 km/s;在苏鲁地块可追踪到250 km左右，视速度约7.8～8.1 km/s。

2.2 鲁西隆起地壳结构特征

图1中的人工地震测深记录截面显示，这一区域Pg震相清晰，折合到时0.15～0.4 s，追踪距离80～100 km，视速度随炮检距增加 6.0 ～6.2 km/s，显示了上部地壳稳定的速度结构特征;壳内反射震相走时平稳，呈弱反射特征;莫霍面反射波PmP震相清晰、振幅较强，显示壳幔边界的一级间断面特征。PmP折合走时在炮检距180～190 km超前折合零线，视速度约为6.6 km/s;上地幔顶部的折射Pn震相也比较清晰，追踪距离250～270 km，视速度为8.1 ～8.2 km/s。

利用反射率方法对实测记录的各震相走时及振幅进行拟合(图1)，得到反映鲁西隆起区地壳结构的一维平均模型(图3)。结果显示，鲁西隆起区结晶基底埋深约2 km，沉积盖层速度为5.0～5.2 km/s;上地壳厚约 24.5 km，平均速度约 6.18 km/s;下地壳厚度10.5 km、平均速度约6.76 km/s;地壳厚度35 km，平均速度6.34 km/s。这些特征与文献［14－17］的结果基本一致，显示这一地区相对稳定，或受后期地质改造不明显的构造特征。

图3 鲁西地块和苏鲁造山带地壳结构对比Fig.3 Comparison of crustal structure of Luxi Block with Sulu Orogen

2.3 苏鲁造山带地壳结构特征

图2中深地震测深记录界面显示，Pg波在苏北盆地边缘和苏鲁造山带的追踪距离约80 km，折合到时约0.7 ～1.1 s，视速度随炮检距增加 5.8 ～6.2 km/s，显示稳定的上部地壳特征;PmP震相清晰、波形简单，显示莫霍面上、下较明显的速度差异。PmP震相可以追踪到230～240 km，折合走时未超前折合零线，视速度约为6.4 km/s;上地幔顶部折射Pn震相比较清晰，可追踪到250 km左右，视速度约7.8 ～8.1 km/s。

利用反射率方法对实测记录的各震相走时及振幅进行拟合(图2)，得到反映鲁西隆起区地壳结构的一维平均模型(图3)。结果显示，郯庐断裂中段的东侧即苏鲁造山带地区，结晶基底埋深约2.5 km，沉积盖层速度3.0 ～5.0 km/s;上地壳厚约20.5 km，平均速度约 5.79 km/s;下地壳厚度7.5 km，平均速度6.40 km/s;地壳总厚度28 km，平均速度5.94 km/s。较薄的地壳厚度、较低的地壳平均速度［18］和低速层的存在，揭示郯庐断裂中段东南方向的苏鲁造山带经历了较强烈的后期改造过程。

2.4 鲁西隆起区与苏鲁造山带地壳结构特征对比

图3为鲁西隆起和苏鲁块体的一维平均模型，分别计算了上、下地壳的厚度和平均速度。对比分析，郯庐断裂中段东西两侧在地壳结构上存在较大的差异:鲁西地块沉积盖层厚约2 km，速度5.0～5.2 km/s，显示鲁西隆起区基岩露头的高速岩性结构特征;苏鲁造山带基底埋深约2.5 km，盖层速度3.0 ～5.0 km/s，明显比鲁西隆起区低，显示苏鲁造山带新生代沉积特征;对于上地壳，苏鲁造山带较鲁西地块在厚度上小3.5 km，平均速度也稍低，不过总体上差异不大;就中地壳而言，两地块厚度差异不大，苏鲁造山带6.22 km/s的平均速度明显低于鲁西地块6.47 km/s的平均速度;对于下地壳，两个地块有很大的不同，鲁西地块下地壳平均速度约6.76 km/s，而苏鲁造山带下地壳平均速度只有6.40 km/s，这与两个地质单元所经历的岩石圈后期强烈改造过程有较大关系。就整个地壳而言，苏鲁造山带莫霍深度比鲁西地块浅了约7 km，平均速度5.94 km/s也比鲁西地块的平均速度6.34 km/s低了许多。大量研究结果表明［19－20］，苏鲁造山带的形成是扬子地块向华北地块俯冲的结果，强烈的碰撞挤压和后期受到深部物质挤压然后折返的过程，在形成高压-超高压变质带的同时，对于整个地壳的改造作用也是巨大的。

3 结论

1)采用一维的正演计算方法，可以得到不同块体内部的结构特征。通过比较深地震测深方法得到的郯庐断裂中段东西两侧两个块体的一维地壳结构，揭示了鲁西隆起和苏鲁造山带在地壳结构上的明显差异，并结合大地构造演化作出解释。

2)图1的PmP震相清晰、振幅较强，在续至区没有明显的高振幅信号;但是图2中在140～180 km范围内，PmP震相的续至区存在较明显的高振幅信号，这使得PmP震相看起来不像图1中的PmP那么清晰，也使得PmP的能量看起来比较分散。这与郯庐断裂带东侧下地壳受改造形成的楔形反射体或者岩浆底侵有较大的关系。

3)一维地壳速度模型是近似的地壳平均速度模型，它可能无法给出地下某些局部的详细信息，但直观地反映了研究区两大不同构造单元在整个地壳尺度上的差异。这充分说明，在研究不同大地构造单元的性质或演变时，一维的地壳速度模型是一种非常有效的方法，也是构建二维地壳速度结构模型的基础。

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DIFFERENCES OF CRUSTAL STRUCTURES AND TECTONIC SIGNIFICANCE ON BOTH SIDES OF CENTRAL TANLU FAULT ZONE

Lin Jiyan1)，Jia Shixu1)，Duan Yonghong1)and Liu Baojin1)
(Geophysical Exploration Center，CEA，Zhengzhou 450002)

There are two distinct tectonic units on both sides of central Tanlu fault zone.The west sides of Tanlu fault belongs to Luxi uplift of Huabei plate，while the east sides of it belongs to Sulu block of Yangzi plate.There are obvious differences between Luxi uplift and Sulu block，which was derived from two blocks’collision and strong reformation of crust at the later geologic period.The1-D velocity models of the two blocks were obtained，using reflectivity methods and simulated calculation of deep seimic sounding wide angle reflection and refraction profiles.By The contrast analysis，show the Moho depth of Luxi uplift is deeper than that of Sulu block by 7 km，while the average velocity of crust in Sulu block is only 5.94 km/s，which is much lower than the average velocity of Luxi uplift(6.34 km/s).This is related to late strong reformation of the lithosphere in Sulu block.The collision of Yangzi and Huabei plate，subduction of the plate，strongly compression，exhumation and magma underplating.lead to this strong reformation of the crust.

Tanlu fault;Luxi uplift;Sulu uplift;DSS;crustal structure

P315.2

A

1671-5942(2014)05-0050-05

2013-09-01

国家自然科学基金项目(91014006，41174052);中国地震局地震科技星火计划项目(XH14066Y);中国地震局地球物理勘探中心项目(RCEG201402)。

林吉焱，男，1985年生，硕士，工程师，主要从事深地震测深资料处理和解释、深部地球物理研究。E－mail:lin_jiyan@163.com。