郯庐断裂带渤海段与沂沭断裂带衔接关系

徐盛林,张交东,周新桂,丁伟翠,李　冰,毕彩芹,王玉芳,任凤楼,黄　松,胡卫剑

郯庐断裂带渤海段与沂沭断裂带衔接关系

徐盛林1,2,张交东2,周新桂3,丁伟翠2,李冰2,毕彩芹3,王玉芳3,任凤楼4,黄松5,胡卫剑5

(1.中国地质大学,北京100083；2.中国地质科学院,北京100037；3.中国地质调查局油气资源调查中心,北京100029；4.中国石化胜利油田地质科学研究院,山东东营257015；5.中国科学院地质与地球物理研究所,北京100029)

以郯庐断裂带渤海段和沂沭断裂带的衔接点潍北凹陷为切入点,依据高精度大地电磁和地震剖面,解析了潍北凹陷的多条断裂,并结合地层发育等特征,研究渤海段中生代断裂活动及其与沂沭断裂带的构造关系。研究认为这些断裂可能属于不同的断裂体系。在潍北凹陷解析出的郯西 (Fa)和郯东 (Fb)两条断裂为古近纪正断裂系,呈现上陡下缓的勺状形态,消失在中地壳,切割部位较浅,主要控制新生界沉积。新生代正断裂系下部发育有6条显著的中生代断裂 (F1—F6),为中生代伸展断裂系,其中东 (F6)、西 (F1)两条断裂的断裂面整体近直立,切穿深部的下地壳,并向下继续延伸,与中间4条断裂共同控制中生界沉积。结合区域地质背景和重磁延拓等资料,推断其向南分别与沂沭断裂带西支鄌郚—葛沟断裂和东支昌邑—大店断裂相衔接,向北伸入渤海湾盆地深部,并对浅部古近纪正断裂系的形成演化具有明显的约束作用。

郯庐断裂带渤海段;沂沭断裂带;中生代;断裂体系;构造关系

0　引言

郯庐断裂带是中国乃至亚洲东部的一条巨型断裂带,自1957年通过航磁异常发现以来,一直是国内外地质学者的研究热点。在中国境内,它南起湖北广济,经安徽庐江、山东郯城,贯穿渤海海域,向北过沈阳后分为东支的密山—抚顺断裂带和西支的依兰—伊通断裂带,全长约2400 km。郯庐断裂带作为一条重要的构造活动边界,在不同历史时期表现出走滑、伸展和挤压等分期活动特点[1～4],在平面展布上整体为缓 “S”型,具有明显的分段性[5～7],由南到北依次划分为南段、中段和北段,渤海段归为中段。

郯庐断裂带在陆地区段的出露程度较好,中生代断裂研究程度相对较高,并取得了丰硕的研究成果[1,8～13]。而渤海段受海水覆盖等条件制约,成果多集中于新生代[14～16],中生代断裂活动的研究相对滞后。由于渤海段新生代构造活动的强烈改造,现今的地质构造特征难以追寻中生代断裂活动踪迹,深部断裂的一些基本问题尚不清楚,如:渤海段中生代是否发生过明显的断裂活动?其展布范围在哪里?这些中生代断裂与沂沭断裂带是如何衔接的?中生代和新生代的断裂活动具有怎样的构造关系?因此,明确郯庐断裂带渤海段中生代断裂活动及其与沂沭断裂带的构造关系,将为郯庐断裂带构造演化研究提供一条新的思路,对深化渤海湾盆地演化动力学背景具有重要的意义。

1　地质简况

郯庐断裂带渤海段纵贯渤海 (见图1),其南端起自山东潍坊,穿过潍北、莱州湾、渤中、辽东湾,北达辽宁沈阳,海域延伸长度约400 km,整体上为一个北北东向的断裂带系[6,13,15],空间展布呈现 “三段、两支”特征。以秦皇岛—旅顺断裂和张家口—蓬莱断裂为界,渤南凸起及其以南的莱州湾地区为南段,渤南凸起至渤东凸起地区为中段,渤东凸起及其以北的辽东湾地区为北段[5～6,17～19]。两支分别为东支和西支:东支断裂带自潍北凹陷东部断裂,向北依次经过渤东凸起东部边界和辽东凸起东部边界,进入辽宁地区；西支断裂带由潍北凹陷西部断裂,向北依次经过渤东凸起西部边界和辽西凸起西部边界,进入辽宁地区[15,19]。郯庐断裂带渤海段发育在稳定的华北克拉通内部,基底主要由古老的太古界和元古界变质岩系构成,上部覆盖古生界、中生界和新生界,其中寒武—奥陶系和石炭—二叠系两套地层主要分布在渤海段的以西地区,而在渤海段以东地区则不发育；上覆的上侏罗—下白垩统主要发育在各隆起周围地区；由于新生代强烈的构造作用,该区段的新生界沉积厚度差异较大。

沂沭断裂带与渤海段相连 (见图1),南端起自安徽省嘉山,经江苏进入山东郯城,北达山东潍坊,延伸长度约260 km,宽度20～30 km。野外断裂特征明显[20～22],整体上为一北北东向断裂系,自西向东主要有鄌郚—葛沟、沂水—汤头、安丘—莒县、昌邑—大店4条大致平行的主干断裂,呈 “两堑夹一垒”的构造格局。由于早白垩世发生强烈的伸展活动,沂沭断裂带发育有大量的断陷盆地[23],沿断裂带分布有中生代的碱性火山岩、喷出岩和新生代的超基性侵入岩、玄武岩。地貌以丘陵山地为主,东侧为苏鲁造山带和胶莱凹陷区,西侧为鲁西隆起和徐宿弧状构造,主要填充了白垩纪以来的火山碎屑沉积岩,向南与中、新生代嘉山盆地相连,向北与潍北凹陷相接。

2　断裂剖面构造体系特征

由于郯庐断裂带渤海段受秦皇岛—旅顺、张家口—蓬莱两条大断裂的影响和新生代强烈的构造作用,浅部断裂发育极其密集,单条断裂带的延伸规模较小,方向变化较大,主干断裂不显著,难以体现中生代断裂活动踪迹,与沂沭断裂带的衔接关系不清晰。潍北凹陷位于沂沭断裂带和郯庐断裂带渤海段之间,是连接两者的理想纽带,故本文着重通过对渤海段潍北凹陷高密度电法数据和反射地震剖面特征的研究,结合已有的地质资料,分析其深部断裂结构特征,探索与沂沭断裂带的衔接关系。

图1　郯庐断裂带渤海段及沂沭断裂带地质图 (据文献[1～2,11]修改)Fig.1　A geological map showing the Bohai segment fault and Yishu fault zone

通过郯庐断裂带渤海段大地电磁剖面图 (见图2a),可以清楚地观察到渤海段在地壳各部位存在明显的电性差异,总体呈现高、低阻相间。沿剖面自西向东将该区划分为3个构造单元,依次对应鲁西隆起区、郯庐断裂带渤海段的潍北凹陷、鲁东隆起区的胶北隆起。鲁西隆起区整体表现为中、低阻体相间,电性变化较为明显,主要为中生界和太古界结晶基底的反映；潍北凹陷表现为低阻体,主要为中生界和新生界的反映；鲁东隆起表现为高阻体,主要为前中生界和岩浆岩的反映。反射地震剖面图 (见图2b)中的Fa、Fb两条断裂切割部位较浅,呈现上陡、下缓的勺状形态,消失在中地壳,结合区域地质背景和地层发育情况(见图2c),认为Fa、Fb分别与郯西断裂和郯东断裂[24]相对应,为古近纪正断裂系。F1—F6是一系列深部断裂,其高、低阻界面显示这些断裂带整体近直立,位于新生代正断裂系下部。其中F1和F6是2条新发现的深大断裂,切穿深部的下地壳,并向下继续延伸,中间4条断裂 (F2—F5)切割较浅,但是它们共同控制浅部中生界沉积,结合区域地质背景和地层发育情况 (见图2c),认为这些断裂为中生代伸展断裂系,推断其形成于晚中生代中国东部区域性伸展背景下。

图2　郯庐断裂带渤海段地质-地球物理综合剖面图Fig.2　Geological-geophysical profiles of the Bohai segment fault

3　渤海段深部断裂展布踪迹及其与沂沭断裂带的关系

沂沭断裂带是郯庐断裂带最早研究的主要区段之一,其主要认识基本得到广大研究者的认同[19～23,25]。已有的地质资料表明,沂沭断裂带自西向东依次为鄌郚—葛沟、沂水—汤头、安丘—莒县、昌邑—大店4条大致平行的中生代主干断裂,划分为苏村地堑、汞丹山地垒、莒县地堑3个构造单元,整体上呈现 “两堑夹一垒”的构造格局 (见图1)。这4条主干断裂以高角度切穿深部的下地壳,并向下继续延伸。在其浅部沿主干断裂发育有一系列近于平行的次级断裂,形成复杂的堑垒构造。结合地质剖面 (见图3)特征分析认为,这些断裂同属于晚中生代伸展断裂系,共同控制沂沭断裂带中生界的沉积。

图3　沂沭断裂带中段地质剖面图 (据国家地震地质研究所,1987)Fig.3　Geological profile of the middle Yishu fault belt

以往的研究认为潍北凹陷的郯西 (Fa)和郯东 (Fb)两条断裂带 (见图2)与沂沭断裂带相衔接[24],但是根据上述沂沭断裂带和郯庐断裂带渤海段地质-地球物理综合剖面图的解译分析,发现这两段断裂带除展布方向相似外,它们的形成时代、力学性质和切割深度等特征均存在显著差异,属于不同的断裂体系,因此本文不建议将这两段断裂带衔接到一起。然而在渤海段新发现的F1、F6两条断裂带却与沂沭断裂带西支鄌郚—葛沟断裂和东支昌邑—大店断裂有着极其相似的特征,两者平面上的构造线均为北北东向,剖面上都近直立、切穿下地壳,表现为地堑—半地堑结构,同属于晚中生代伸展断裂系,故认为郯庐断裂带渤海段F1、F6两条断裂带分别与沂沭断裂带西支鄌郚—葛沟断裂和东支昌邑—大店断裂相衔接。郯庐断裂带渤海段南段上延10 km重力异常图 (见图4)显示,潍北凹陷两侧边界依然呈现明显的线性梯度带,与新发现的F1、F6两条断裂带相对应,并向西南延伸,与沂沭断裂带相连,进一步证实了上述推断。

受浅部复杂构造体的影响,郯庐断裂带渤海段局部航磁异常变化显著,严重干扰对深部断裂的研究。为突出地壳深部断裂特征,便于追踪其向南的展布踪迹,对航磁数据进行了上延处理。结合渤海段中生代活动断裂的特征,分别作上延5 km、10 km和20 km处理 (见图5)。未作上延处理的航磁异常图 (见图5a)显示,渤海段浅部构造体发育复杂,方向变化较大,主干断裂发育不显著；随着上延处理的加大,浅部复杂地质体的影响逐渐消除,使得深部格局简单明了,构造格架清晰可见 (见图5b—5d)。渤海段航磁异常在东西方向上具有明显的分带性,自潍北—渤中向南,有一条整体呈北北东向的航磁异常梯度带,推断此处深部存在一条沿此方向展布的断裂带。结合郯庐断裂带渤海段在潍北凹陷的断裂剖面特征(见图2)和已有的地质资料,认为该处深部断裂与郯庐断裂带渤海段位置相对应,可能为中生代断裂带。因此,认为郯庐断裂带渤海段深部断裂以潍北凹陷为中心,向南分别与沂沭断裂带西支鄌郚—葛沟断裂和东支昌邑—大店断裂衔接,向北深入渤海湾盆地深部。

图4　郯庐断裂带渤海段南段上延10 km重力异常图Fig.4　The map of gravity anomaly extension 10 km of the south Bohai segment fault

4　渤海段中、新生代断裂的构造关系

郯庐断裂带历经多次强烈的构造运动,演化时间和空间跨度大,断裂格局十分复杂,渤海段不同区段断裂带的发育情况、几何形态和断裂结构都有明显的差异。其浅部地质构造极其复杂,断裂极其发育,沿主断裂发育有一系列横向不连续、规模小、特征不同的伸展断裂构造[26]。渤海湾盆地东部新生代主断裂为近东西向,北断南超,且多为铲式断裂,而且单条延伸范围较小、方向多有变化,一般消失于中地壳,其构造形变主要集中在上地壳。在辽中、辽东和莱州湾等地区浅部地层中发育有大量规模较小的负花状构造系[1,27],横向上表现为一系列分支断裂依附于主干断裂向两侧发散的正断裂系,纵向上表现为众多分支断裂依存在近垂直的主干断裂上,向外撒开。这些负花状构造在浅部倾角较缓,向下变陡,垂直断距较小,代表渤海段新生代发生明显的伸展变形。渤中地区发育有滚动背斜[27],其规模相对较小,主要发育在主断裂带的上盘,呈不对称状,靠近断裂带的一翼较陡,远离断裂带的一翼较缓,由于受后期强烈的构造作用,被大量的断层切割。辽中凹陷发育反转构造带[6,18],主要由辽中凹陷中央一条规模巨大的陡倾走滑断裂引起凹陷中地层反转导致。

在发育规模、延伸方向和断层产状等方面,潍北凹陷浅部断裂与上述众多新生代断裂有所差异,但都属于上地壳尺度的新生代正断裂系。而这些正断裂系的出现与深部断裂带之间是否有着制约-响应关系呢?结合郯庐断裂带渤海段地质-地球物理综合剖面图 (见图2)不难看出,这些浅部构造确实与深部近直立的断裂带拥有良好的对应关系。郯庐断裂带两侧的鲁西隆起区和鲁东隆起区深部无近直立的伸展断裂系,浅部则未发育明显的正断裂系,而渤海段断裂带深部存在近直立的伸展断裂系,浅部则对应发育有正断裂系,故认为这些深部的中生代构造制约浅部新生代正断裂系的演化。结合区域地质背景,中国东部在晚中生代总体呈南东—北西向拉张状态,岩石圈发生大规模的伸展减薄活动,渤海段产生近直立的伸展断裂系,形成地堑—半地堑构造,为新生代的构造演化和地层沉积奠定了基础。在新生代区域性构造过程中,先期存在的中生代断裂作为控制断裂,在其基础上发育一系列新生代正断裂,构成现今的浅部正断裂系。

图5　郯庐断裂带渤海段航磁异常图Fig.5　Aeromagnetic anomaly map of the Bohai segment fault

5　结论

本文主要以郯庐断裂带渤海段与沂沭断裂带的衔接关系为关键点,依据高精度大地电磁和地震资料,辅以重磁异常数据,结合已有的地质资料,通过对潍北凹陷断裂剖面特征及重磁异常上延处理结果的分析,明确了郯庐断裂带渤海段中生代断裂活动位置与展布方向,探索了该段深、浅构造的制约-响应关系。

高精度大地电磁和地震剖面显示,潍北凹陷发育有多条主断裂,可将其分为古近纪正断裂系和中生代伸展断裂系,其中Fa、Fb两条断裂属古近纪正断裂系,呈现上陡、下缓的勺状形态,消失在中地壳,切割部位较浅,主要控制新生界沉积。F1、F6两条断裂为中生代伸展断裂系,位于新生代正断裂系下部,断裂面整体近直立,切穿深部的下地壳,并向下继续延伸,主要控制中生界沉积。

对潍北凹陷新发现的两条深部断裂 (F1、F6)的形成时代、空间位置、断裂特征等进行分析后认为,两条断裂分别与沂沭断裂带西支鄌郚—葛沟断裂和东支昌邑—大店断裂相衔接,并通过郯庐断裂带渤海段南段的重力异常特征的分析加以验证。经过上延处理的航磁异常资料显示郯庐断裂带渤海段深部断裂带以潍北—渤中为中心,向南沿北北东向展布,穿过潍北凹陷,与沂沭断裂带连接为一体。

郯庐断裂带渤海段深部和浅部断裂带在形成时代、结构特征、发育规模等方面具有明显的差异,深部中生代伸展断裂系对浅部新生代正断裂系具有明显的约束作用。由于F1—F6六条近直立的中生代断裂的先期存在,新生代的构造演化过程中浅部构造主要沿着这些深大断裂带发生伸展变形,最终形成现今的浅部正断裂系。

中、新生代郯庐断裂带渤海段不但具有明显不同的内部结构和断裂体系,而且其活动位置、波及范围等也明显不同。虽然本文深、浅部断裂系不能完全代表渤海段所有的深、浅部构造特征,但可为融合不同区段断裂特征,解决分歧提供一条新的学术探索思路。

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RELATIONSHIP BETWEEN BOHAI SEGMENT OF TANLU FAULT ZONE AND YISHU FAULT ZONE

XU Sheng-lin1,2,ZhANG Jiao-dong2,ZHOU Xin-gui3,DING Wei-cui2,LI Bing2, BI Cai-qin3,WANG Yu-fang3,REN Feng-lou4,HUANG Song5,HU Wei-jian5
(1.China University of Geosciences,Beijing 100083,China；2.Chinese Academy of Geological Sciences,Beijing 100037,China；3.Oil&Gas Survey,China Geology Survey,Beijing 100029,China；4.Geological Scientific Research Institute SINOPEC Shengli Oilfield Company,Dongying 257015,China；5.Institute of Geology and Geophysics,Chinese Academy of Sciences,Bejing 100029,China)

Based on the high-precision magnetotelluric and seismic profiles,we analyzed several fractures of Weibei hollow which was the connection point of Bohai segment Fault and Yishu Fault Belt.Furthermore,integrated with stratum forming characters,we found these fractures might belong to different fault systems.We analyzed that the fault Fa and Fb were Paleogene normal faults corresponded with the west fault and east fault of the Tan-Lu fault zone.They showed steep or gentle spoon shaped morphology and disappeared in the middle crust.They controlled Cenozoic sedimentation and the cutting site was relatively shallow.Under the Cenozoic normal fault system, there were some Mesozoic faults which was called extensional fault system.The fault F1 and F6 whose fracture surface were overall suberect control Mesozoic sedimentation with other four faults. And their cutting site was relatively deep and extending downward.Integrated with regional tectonic background and Gravity-Magnetic anomaly data,we concluded that the fault F1 and F6 connected southward with Tangwu-Gegou fault and Changyi-Dadian fault and extended northward into the deep part of Bohai Bay Basin.At the same time,these Mesozoic faults constrained clearly the formation and evolution of the shallow Paleogene fault system.

Bohai segment of Tanlu fault zone；Yishu fault zone；Mesozoic；fault system；tectonic relationship

P548

A

1006-6616(2016)01-0056-10

2015-10-17

国家自然科学基金面上项目 (D0206-41372123)；全国油气资源战略选区调查与评价项目 (1211301208023-2)

徐盛林 (1991-),男,硕士研究生,构造地质学专业。E-mail:xushenglindizhi@163.com

张交东 (1968-),男,教授级高级工程师,博士,主要从事深部地质和地球物理综合研究。E-mail: dzyzjd@163.com