江苏省深部地质作用及其对资源环境的制约

张大莲，潘明宝，李向前，盛君，关艺晓

（江苏省地质调查研究院，江苏·南京 210018）

深部的地质作用决定了地球上各类资源的发育和分布，也决定了主要的地质环境。湖海赋存于沉积盆地的上面，而沉积盆地的起源与演化受地壳运动与壳幔相互作用控制。地幔热流上涌对于湖海的水温与生物繁衍关系十分密切。天然气田常受底部深断裂带控制，而这些断裂带构成了地球内部向地表放气的通道。金属矿产多半是来自地幔的金属元素通过岩浆活动在上地壳表层的富集，而地幔减薄诱发岩浆活动；至于金刚石等则直接来自地幔，全部是壳幔相互作用的结果[1]。

所有的矿产资源均与深部地质作用有关，大陆内生成矿作用的驱动力来自新生的热地幔物质或再活化深部陆壳物质注入浅部陆壳诱发成矿。最基本的深部过程是，岩石圈巨大减薄—增厚作用是一个被扰动的非正常状态的岩石圈—软流圈系统，它产生岩浆—流体活动，萃取并迁移深部有用金属元素进入浅部，在该系统演化晚期和末期将从形成的巨大岩浆—流体—成矿子系统中产生成矿作用[2]。

因此，几乎所有的资源和古今地质地貌环境均与深部地质作用联系紧密。深部物质与能量交换的地球动力学过程，引起了地球表面的地貌变化、剥蚀和沉积作用，以及地震、滑坡等自然灾害，控制了化石能源或地热等自然资源的分布，是理解成山、成盆、成岩、成矿和成灾等过程成因的核心[3]。本文结合江苏省及邻区一些具有代表性的自然资源和环境地质情况，探讨深部地质作用对其的形成与制约，为资源环境的分布影响提供一些岩石圈级别的启示。

1 地质背景

江苏省地跨华北陆块区、苏鲁造山带（秦岭造山带东段）、扬子陆块区三大地质构造单元（图1），地质背景复杂，地质内容丰富[4]。各单元的地质构造发展历史、岩浆活动和矿产的形成存在明显的差异。

郯庐断裂带以西为华北陆块南缘，以太古界泰山（岩）群作为基底为特征，构造、岩浆岩和矿产属华北型；区内地层发育较完整，出露较齐全，上太古界泰山（岩）群组成基底，缺失下至中元古界，上元古界至古生界组成盖层沉积，与基底不整合接触，中生界与第三系主要为断陷盆地沉积，各时代地层间呈整合或假整合关系。

郯庐断裂带和淮阴—响水断裂带之间为苏鲁造山变质带南缘，区内地层发育具一老一新的特点，主要由新太古界—元古界变质地层和中新生界地层组成。变质地层主要由新太古界—古元古界东海岩群、中元古界锦屏岩群、张八岭岩群、中新元古界云台岩群、震旦系石桥岩组组成，这些地层共同组成了区内的变质基底。变质地层、变质作用和矿产特征等可与大别—秦—祁—昆造山带相对比。区内缺失古生界至侏罗系地层，局部断陷盆地中自白垩系开始沉积有中新界地层。

淮阴—响水断裂南东为扬子陆块区，区内属下扬子陆块与江南过渡带，基底组成、盖层沉积、岩浆活动、构造型式、矿产分布都有别于上述两地区，以扬子型为特征。区内地层发育较完整，出露较齐全，中元古界埤城（岩）群组成基底，新元古界至古生界（缺志留系上统至泥盆系中统）组成盖层沉积，与基底不整合接触，侏罗系与新近系主要为断陷盆地沉积，各时代地层间呈整合或假整合关系。苏北地区发育中新生代以来盆山构造，宁镇至苏州一带印支期构造发育褶断构造，燕山期则以火山—断陷作用为特征。江南断裂将扬子陆块区进一步划分为苏皖前陆盆地和下扬子被动陆缘。

图1 江苏省大地构造Fig.1 The tectonic map of Jiangsu Province

2 深部地质作用与自然资源

自然资源是指自然界中人类可以直接获得用于生产和生活的物质，包括各种金属、非金属矿产，石油、天然气燃料等不可更新资源以及生物、水、土地等可更新资源，同时还包括风力、太阳能等可再生资源。绝大部分自然资源来自地球本身，而地球深部更是孕育资源和能源的原生场所，是万物生存的物质和能量基础。地球深部的地质作用直接或间接的影响着浅部自然资源的分布状态，越是深部地质作用强烈的地区，自然资源越容易富集。江苏省三大地质构造板块边缘是深部地质构造活动强烈地带，省内的大部分自然资源都分布在板块边缘及其边界效应范围内。苏鲁造山带、长江中下游成矿带、苏北盆地等作为自然资源相对集中地区必然有着复杂的深部地质作用过程。

2.1 苏鲁及邻区的壳幔作用与沉积盆地

盆地是在一定地质时期里，在比较均一的构造环境中，由来自一个或数个物源的沉积物充填而成。盆地的发生、发展是在一定的构造背景下进行的，不同的构造背景决定了不同的盆地类型[5-6]。苏鲁及邻区自震旦以来在不同构造背景上先后发育了多种类型的原型盆地，这些盆地在其形成演化过程中相互叠加、改造，就呈现出现今“数世同堂”的复合型盆地（图2）。苏鲁及邻区以中、新生代盆地为主，叠合于古生代地层或盆地之上，主要发育有三个盆地群：

图2 苏鲁及邻区沉积盆地分布Fig.2 The distribution of sedimentary basins in Sulu and its adjacent areas

第一个盆地群为长江中下游盆地群，包括宁芜、溧水、溧阳盆地等。晚侏罗世以后，苏鲁及邻区的构造发展主要受控于古太平洋板块向东亚大陆的俯冲。在古太平洋板块斜向俯冲下，郯庐断裂等为主的北北东—北东向断裂系统发生左移走滑，原先一些北西，北东向的先成断裂均发生不同程度的张扭性或压扭性活动，区内总体处于受挤压的构造背景中，深度的剪切切割，使一些破裂地带软流圈表面减压隆升，导致大规模的岩浆上涌，在低坳地区堆积发育为火山岩盆地。

第二个为苏北一南黄海南部盆地群，是苏北地区主要的油气储藏盆地，包括溱潼、高邮凹陷，南黄海南部盆地等。它是一个中生代发育起来的以新生代沉积为主要沉积实体的盆地群[7]。晚侏罗世—早白垩世，苏北发育走滑火山断陷盆地，形成机制与第一个盆地群类似。晚白垩世以来，苏鲁及邻区动力学背景发生了巨大转变，太平洋板块逐渐由西北转为相西正面俯冲于东亚板块之下，同时青藏块体从北东方向强烈挤压作用于东亚板块，这种东、西方向的双向挤压应力迫使中国东部岩石圈块体遭受北西—南东方向的强烈拉伸，同时亦迫使软流圈底劈上升的对流作用往北西和南东方向发展，最终形成了近北西向延长的近椭圆形软流圈隆起，软流圈隆起必然导致岩石圈上隆，伸展减薄，产生岩石圈深断裂和裂谷的扩张，诱发岩浆大量喷溢，最终形成大陆裂谷性盆地叠加于晚侏罗世—早白垩世断陷盆地之上。

第三个为嘉山—南黄海北部盆地群，沿嘉山一响水裂谷带北东方向展布，包括洪泽湖盆地、淮阴—涟水盆地、南黄海北部盆地等。它们依然是晚白垩世以来的裂谷作用产生的，裂谷作用对盆地的沉积与油气生成起到控制作用。当然，是否有油气圈闭和储层还需要更加细致的工作。

还有一些沉积盆地是直接分布于印支期造山带古老变质基底之上，包括苏北个别凹陷、沐阳盆地等。这些盆地面积较小，下方又缺失古生代沉积地层，不利于大型油气田的生成与储存。但是，由于中国东部岩石圈减薄与大陆裂谷作用，仍然有一定的油气前景。

2.2 苏鲁及邻区的壳幔作用与金属成矿效应

研究认为成矿作用必然有流体参与，且大部分金属矿床，尤其是内生金属矿床都不同程度带有深部物质参与成矿的证据，因而成矿作用与深部流体密切相关[8]。流体是指盆地基底以下的流体，包括地幔流体和深部地壳流体。地幔流体具有大量的物质富集，也有稳定的热源供给，这种深部流体一旦参与壳幔相互作用，并有一定的构造条件运移交换，就更有利于形成超大型矿床和矿带。苏鲁及邻区中生代早期华北板块与扬子板块之间的大陆深俯冲及其后的岩石圈巨厚减薄和壳幔相互作用导致大规模的岩浆活动，对超大型矿床的形成起了“引擎”作用。

苏鲁地区东部大规模成矿，有其深刻的深部地质过程背景，最主要的是在侏罗纪末一早白垩世初，太平洋板块向欧亚大陆深俯冲，致使郯庐断裂带发生左行走滑运动，加上周边地质体的综合作用使地幔对流和岩石圈状态失去平衡，在岩石圈幔内薄弱带及岩石圈深断裂（如郯庐断裂带）中部出现地幔流体上涌，高热流物质导致富集岩石圈地幔楔部分熔融形成岩浆，幔源岩浆部分与地壳重熔的岩浆混合形成花岗闪长岩，部分岩浆在地表喷发形成侏罗纪火山岩。由于幔隆作用使深部流体沿郯庐断裂大规模上涌并发生深部去K、Si和挥发份作用，幔源岩浆上升至地表后发生脱气作用，脱气后的岩浆上升过程中发生结晶分异作用并就位形成各种脉岩；脱气作用形成的流体与广泛淋滤围岩的大气降水混合、发生交换与反应，在有利的构造位置成矿。

2.3 苏鲁及邻区的壳幔作用与超高压变质矿产

苏鲁造山带因出露含柯石英、金刚石包体的超高压变质榴辉岩，受到国际地学界的广泛关注。该造山带的超高压变质岩是扬子板块俯冲于华北板块之下大于100km的深处，经超高压变质作用之后又很快折返出露于地表。与超高压变质作用有关的矿产包括金刚石、金红石与铬铁矿等。金刚石与金红石是从地幔快速上升到地表的矿物，主要赋存于榴辉岩中，在苏鲁超高压变质带内分布广泛。铬铁矿主要存在于超镁铁岩石中，可能与碰撞造山期的岩浆侵位有关。

2.4 长江中下游地区的深部地质作用及其成矿模式

长江中下游成矿带，包括宁镇、宁芜、铜陵、庐枞、安庆、贵池、九瑞、鄂东南7个矿集区以及超过200种多金属矿种，对中国东部经济的发展有举足轻重的地位。宁镇、宁芜矿集区位于江苏省南部，是省内著名的矿产地[9]。成矿主要源自140～125Ma的早白垩纪的矽卡岩、斑岩等类型火成岩。在如此狭窄的区域内发生如此大规模的金属聚集，深部必然发生了较为强烈的岩浆活动和相对复杂的动力学过程。

关于长江中下游地区成矿的深部动力学机制主要有大陆伸展、板块俯冲和岩石圈拆沉等三种模式。大部分研究的结果更倾向于支持拆沉模式[10]，已有的深地震速度结构剖面显示拆沉的岩石圈已下沉至上地幔底部，那么岩石圈拆沉之前应该是靠近地表并处于增厚阶段。长江中下游地区的类埃达克岩石的存在为地壳增厚提供了有力证据。不仅如此，在晚三叠世—早侏罗世，由于受到古太平洋板块北西向挤压力作用，华南板块的东北部产生强烈的大陆挤压形变并导致下扬子地区的岩石圈逐渐增厚。约在早侏罗世—早白垩世，华北块体与华南块体发生相反方向的旋转，大陆由挤压向拉张转换，导致增厚的岩石圈发生拆沉。岩石圈的拆沉可能又引起软流圈物质的上涌和地壳的隆升。上涌的软流圈物质发生减压熔融，底侵在壳幔边界和下地壳中。随着底侵作用的增强，下地壳温度增高并发生部分熔融，熔融的岩浆通过早期形成的断裂上侵，导致了长江中下游地区爆发大规模的岩浆活动，并伴随着大规模成矿作用[11]。

2.5 岩石圈减薄与地热形成分布

江苏省位于地幔隆起区，岩石圈相对于周边地区较薄，厚度仅80～100km，局部（苏鲁造山带）可达120km；明显小于华北板块（＞120km）和江南隆起带（100～140km）[12]。软流圈顶界埋深普遍偏高，发育了众多软流底辟。软流圈底辟上涌，能够造成岩石圈底部膨胀，引起浅部地壳处于拉张环境，从而形成自下而上的张裂系统。软流圈的物质在上涌过程中伴随一定规模的减压熔融，温度进一步升高，深部的热流或热液通过断裂系统扩散至地壳及地表，在有利部位容易形成地热异常及各类金属矿产。

从江苏及邻区软流圈顶面埋深图（图3）可以看出，软流圈底劈（厚度小于80km）均发育在软流圈隆起区内，根据其形态分类，有点状底劈和线状底劈两种类型。点状底劈平面上呈椭圆状， 底劈中心分别位于盐城和南通—上海一带。线状底劈位于主要沿郯庐断裂带分布，位于郯城—嘉山一带。地幔上隆，地壳减薄，热流值普遍增高，因此容易形成盆地型地热。

图3 江苏及邻区软流圈顶界埋深Fig.3 The top boundary depth of asthenosphere beneath Jiangsu and its adjacent areas

另外，江苏处于中国东部沿海高热流地热异常区，其成因与太平洋板块对欧亚板块的俯冲作用有关，是与俯冲带有关的软流圈上拱的结果。苏北盆地又是江苏高热流集中分布区，属于裂谷型盆地，是地幔上隆、地壳减薄而发生的断陷，大地热流及地温梯度相对皆较高，有利于松散层的地热水增温蓄热成为地热资源[13-15]。

3 深部地质作用与灾害地质

地质灾害是环境地质的重要构成内容，是指地质作用为主要原因引起的自然灾害、因为地质运动或自然地理条件变化造成的环境破坏过程。岩石圈结构主要是通过构造运动对地质环境产生影响的，主要表现为对壳表层新构造运动、活动断裂、活动盆地起直接控制作用，控制地震带的空间展布，制约环境地质分区格局，和滑坡、崩塌、泥石流、地面沉降、地裂缝等地质灾害易发区的分布格局具有空间对应关系。深部地质作用的研究成果对深入研究地质环境特征具有重要意义。

3.1 深部地质作用与地震

江苏是我国东部地区中强地震活动水平比较高的省份，也是地震致灾较为严重的省份，历史上曾经多次发生中强地震，是国家确定的全国24个地震重点监视防御区之一。该区由于人口稠密、城镇密集，经济比较发达，社会财富比较集中，一旦发生中强地震灾害，其造成的损失将远远大于中西部地区，其可能造成的损失和影响不可低估[16-17]。因此研究地震成因与影响范围是一项关乎民生的大工程。

地质和地球物理的研究表明，地震的孕育、形成及发生过程与地壳运动有着极为密切的内在联系。统计表明95%以上的地震为构造地震，也就是说现代地壳运动的活跃区往往就是地震的危险区和多发区。据研究认为深部构造控制了江苏省地震分布的区域性和条带性[18-20]。呈现条带状分布的地震活动区多与深断裂活动有关。另外重力均衡异常也与地震活动密切相关，重力失衡区是地震潜能较大的活动区。茅山地区、南黄海海域和苏北地区都是重力失衡区，地震活动较活跃；郯庐断裂带也是重力失衡区，向北延伸的地段有地震背景，但是在江苏并未发生过大震。总体来说，地壳深部结构和构造变化越大，重力均衡偏差也变化急剧，地震的活动性就越高。

有研究者利用重力资料探讨下扬子区（苏南）地壳构造与地震分布，认为区内深部构造在总体上控制了浅部构造，构造走向大体以北东向为主。区内茅山深大断裂两侧深部构造与历史地震分布有一定的联系，是本区地震最活跃的深断裂带。茅山断裂带与江都—扬中断陷的交汇部位是区内历史地震多发地带，亦是近期最应加强监视的地区[21-23]。

目前记录到的江苏及邻区地震事件震源深度主要分布在5～20km范围内的中上地壳，平均震源深度为12.3km。中、上地壳呈现为弹性或近似弹性，其破坏形式以脆性破裂为主，正是孕震过程中弹性积累和能量最终以突发失稳方式释放而发生地震的基本环境条件。另外，震源深度整体呈现自东向西，从海域向陆域逐渐加深的变化特征，与江苏及邻区地壳由西向东逐渐减薄，莫霍面由东向西逐渐加深的特征相近[24]。

另外，江苏及邻区的地震具有成丛活动的特点[25]。江苏及邻区地震的成丛活动与台湾地区7级以上强震有一定的呼应关系，多发生在台湾地区7级以上强震前后。从大区域来看，我国地震活动受太平洋板块向西挤压和印度洋板块向北和北东方向挤压的联合作用。台湾地区位于我国大陆东南，地处环太平洋地震西带，受菲律宾板块和欧亚板块的推挤作用强烈，成为我国地震频度最高、强度最大的地区，从华北、华东至华南到台湾地区的应力场的主压应力轴方向大体上是NEE向或NWW向来看，华北、华南以及包括江苏在内的华东地区地震活动可能与台湾地区具有共同的板块驱动力源。在这种驱动力增强，台湾地区7级以上强震开始孕育的同时，在一个较大范围内出现地震应力场增强和调整，从而在一些薄弱的或应力灵敏区域发生显著地震活动和震群活动。因此，江苏及邻区震群活动的成丛发生不是偶然的，某种程度上可能受到台湾地区强震孕育的影响和控制。

众多学者从不同的研究角度出发，探讨了深部地质作用对地震活动性的控制关系。地震只是地表遭到破坏的表象，其形成过程离不开深部地质结构构造的变化，因此，岩石圈和地壳深部结构探测、深部过程的研究，也是地震等地质灾害监测和预报的理论性基础。

3.2 深部地质作用与地裂缝及地面沉降

江苏省内地势低平，水网发育，区内与地质环境相关的地质灾害频发，主要以地面沉降和地裂缝的发育危害最大[26]。

而该类地质环境的恶化、地质灾害的发生不仅与人类为了发展经济而对地下水资源的无序、过量开采所产生的破坏作用有关，更与客观存在的地质背景条件（基岩面起伏特征、基岩岩性、古埋藏阶地、第四系地层结构的差异、含水层的结构特征等）密切相关，其中基底结构与叠加的中新代陆内断陷盆地(地堑-地垒构造)是控制该类地质灾害的重要内在因素。不同类型地质灾害的形成机制，是不同影响因素，在不同地区、不同的地质背景条件下共同作用的结果。

江苏地堑-地垒构造形成于早白垩世，可划分为二期：早白垩世中期-古新世为多期拉张盆岭构造形成阶段；新近纪—第四纪为拉张裂谷断陷。早白垩世以来，江苏地区处于环太平洋构造体系域拉张应力环境下，区域内北东向与北西向断裂构造发育，并控制发育了大量地堑地垒构造，地垒部位由于长期隆升，缺失中新生界沉积，形成基底隆起，地堑构造由于长期下陷，中新生界陆相碎屑岩快速堆积，并持续活动至上新世，形成一套白垩纪以来巨厚的类磨拉石沉积物，区域上形成基底凹陷。控制地堑地垒构造主体断裂呈北东走向，该类断裂大多是前期压性断裂构造的活化，活化的断裂性质以正滑和斜滑为主。但同期或后期北西向断裂构造也控制了地堑地垒构造的分布，或切割破坏了地堑地垒构造的连续展布。这种基底结构与中新代地堑-地垒构造不同控制了区域基岩面的强烈起伏、古埋藏阶地巨大落差，也导致了区域不同基底基岩岩性和第四系地层结构的悬殊差异等，成为地面沉降和地裂缝发生、发育的最本质控制因素。

苏锡常地区及苏北沿海平原区是地面沉降最为严重的地区。截至2018年，省内累计沉降量大于200mm以上的地区已超过10000km2，占江苏省土地面积的10%左右。虽然可以肯定地面沉降是大范围过量开采地下水引发的严重地质灾害，但其形成的内在因素决定于基底构造的继承性差异沉降运动，这种差异性沉降运动对本区第四纪沉积一直发挥着主导作用[27]。它不仅塑造了前第四纪末的古地貌格架，而且还以持续缓慢沉降影响本区，致使苏锡常地区地面高程不断降低，由地势较高的山丘谷地向高亢平原进而演化成滨海、湖沼洼地平原，这是主导区内第四系沉积环境发生重大转变的重要影响因素[28]。

研究长江口地区（含江苏东南沿海地区）地面沉降的深部动力学机制表明菲律宾洋壳向欧亚大陆的俯冲导致的地幔对流是控制中国东部沿海地区晚新生代以来构造作用的主导因素，是长江口地区地面沉降的主要深部动力学机制[29]。由于地幔对流和青藏高原挤压共同作用导致的地壳热流值的差异是长江口地区西部隆升、东部沉降且向东沉降速度增大的直接驱动力。

此外，在地面沉降严重地段，由于各种影响因素的复杂性，地面沉降不均匀发生，又由此可以引发地裂缝灾害。因此，不论是从板块构造活动引起的广泛影响的角度出发，还是以中新生代陆内盆地演化对地面沉降的控制作用为据，都表明了地面沉降等地质灾害的发生与深部地质作用密切相关。

4 结论

随着深部探测技术的突飞猛进，深部探测结果为我们了解深部地质作用提供了更为可靠的证据，使我们对深部过程研究和资源环境形成的深部背景分析有了更多的进展。本文从深部地质作用与资源环境关系的角度出发，总结了江苏省深部地质作用对自然资源和环境地质的影响与制约。

（1）江苏省地跨华北陆块区、苏鲁造山带、扬子陆块区三大地质构造单元，地质背景复杂，地质内容丰富。这些构造板块的边缘是深部地质活动强烈地带，省内的大部分自然资源都分布在板块边缘及其边界效应范围内。越是深部地质作用强烈的地区，自然资源越容易富集。例如：苏鲁及邻区的沉积盆地分布与深部地质构造演化密切相关；苏鲁及邻区的金属矿产、超高压矿产除了与构造演化相关之外，还受深部流体运移的构造环境制约；长江中下游地区成矿的深部动力学机制可能为岩石圈拆沉模式；江苏省地热异常区其成因与太平洋板块对欧亚板块的俯冲作用有关，是与俯冲带有关的软流圈上拱的结果。

（2）岩石圈结构构造直接或间接地控制着地震带的空间展布，制约环境地质的分区格局，对滑坡、崩塌、泥石流、地面沉降、地裂缝等地质灾害易发区的分布格局具有空间对应关系。因此，深部地质作用的研究成果对深入研究地质环境特征具有重要意义。江苏省深部构造控制了区内地震分布的区域性和条带性，地震活动受太平洋板块向西挤压和印度洋板块向北和北东方向挤压的联合作用。江苏省地质灾害主要以地面沉降和地裂缝的发育危害最大。苏锡常地区及苏北沿海平原区是地面沉降最为严重的地区。地面沉降形成的内在因素决定于基底构造的继承性差异沉降运动，菲律宾洋壳向欧亚大陆俯冲导致的地幔对流和青藏高原挤压共同作用导致的地壳热流值的差异是区内西部隆升、东部沉降且向东沉降速度增大的直接驱动力。

自然资源的分布、地质灾害的形成离不开深部地质作用的影响，因此，岩石圈和地壳深部结构探测、深部过程研究是资源环境勘查的理论性基础。

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