浑河断裂地球物理场特征及地震活动性

2020-05-20张鐘月万波彭虎田德欣

世界地质 2020年1期

张鐘月，万波，彭虎，田德欣

1.辽宁省地震局，沈阳 110034；2.辽宁省能源地质勘查开发研究院有限责任公司，沈阳 110024；3.浙江省有色金属地质勘查局，浙江绍兴 312000

0 引言

浑河断裂(密山—敦化断裂辽宁段)是郯庐断裂巨型构造带通过渤海、下辽河在沈阳西南产生分异后的又一主干分支断裂。在展布上，浑河断裂西起于沈阳西南，经抚顺、南杂木、清原延至草市南(英额门东)并与赤峰—开原断裂带交会、切割。断裂总体走向50°～80°，局部近东西，全长195 km[1]。浑河断裂由2～4条大致平行或斜列状排列的压扭性断裂及其次级分支断裂组成，主干断裂带的规模很大，破碎带宽度可达50～60 m，分支断裂间距1～2 km至10～20 km不等，断裂西段间距较大，向东段趋于减小，构造上表现为由多条分支断裂构成的断陷带。

浑河断裂在太古宙时期即已形成，至元古宙时形态特征趋于完整，是一条十分古老的断裂构造，断裂控制了太古宙—元古宙、中生代侏罗纪—白垩纪和新生代等不同时期地层的分布，并使这些地层遭到了不同程度的构造破坏。浑河断裂及其构造活动控制了现代浑河的地貌发育形态，在辽东山区形成了总体走向NEE至近EW向的直线状河流沟谷。

由于浑河断裂途经沈阳、抚顺多个重要城市，尤其抚顺地区长期的煤矿开采、地面沉陷、矿震及地裂缝等地质灾害频繁发生，加上浑河断裂本身的活动性对这些地质灾害的影响不明，因此对于浑河断裂的研究一直未间断。关于浑河断裂近期的活动性问题，存在着不同的认识，刘玉海[2]、佴磊[3]等认为它是一条活动性断裂带；赵广信[4]、王声喜[5]等则认为若非人类工程活动扰动，它是一条稳定的断裂带。一般来讲，深大断裂带有着不同的地球物理场特征显示[6--9]，地震活动与现代构造应力场、地球物理场有着一定的内在关系，因此从断裂地球物理场的角度出发研究地震一直未间断[10--16]。笔者通过分析浑河断裂地球物理场特征，结合前人的研究成果，以期深化认识断裂的活动性，为浑河断裂活动性的研究与评价提供依据。

1 区域地质背景

浑河断裂带太古宙—早元古代混合岩、混合花岗岩和太古宇变质岩系等结晶基底十分发育，断陷带及其附近地区还有较大范围的中生界、新生界等地层出露。另一方面，断裂带南北两侧结晶基底及中--上元古界地层的岩相、厚度分布截然不同，如北侧的中--上元古界属汎河型沉积建造类型，以碳酸盐岩为主，地层发育较为齐全，可见到长城系、蓟县系等出露；南侧的中--上元古界多属太子河型沉积建造类型，以碎屑岩为主，青白口系、震旦系地层发育较好。沿浑河断裂所形成的一连串断陷盆地控制了中生界侏罗—白垩系和新生界抚顺煤盆地等古近系煤系沉积，也控制了酸性、基性岩浆沿断裂的侵入--喷发活动。断裂在古生代、中生代和新生代以来发生过多期的构造活动，尤以中生代—新生代初期的活动最为强烈，古近纪末的逆冲活动将太古宙混合岩、混合花岗岩推覆于白垩系之上，又将白垩系推覆于古近系煤系之上，并在大部分地段产生了南、北两条主干断层以及与之相配套的次级SN向张性断裂和NW向、NE向扭性断裂。次级断裂在浑河断裂北盘的发育程度明显较南盘为好，体现了浑河断裂南、北主干分支活动性的差异(图1)。

2 浑河断裂的区域地球物理场特征

根据区域布格重力异常数据和航磁△T异常数据，绘制了浑河断裂沿线布格重力异常分布图(图2)和航磁异常分布图(图3)。综合以往地球物理资料显示浑河断裂的位置与地质构造判别的浑河断裂位置相吻合，浑河断裂两侧的地质体与地球物理场特征均有所差异。

2.1 重力场特征

浑河断裂及其附近的布格重力解译图(图2)可以看出，浑河断裂展布区重力场负值区域面积较大，只有处在下辽河区域的沈阳及其附近表现为重力正值，其中沈阳西部地区幅值为最高，以高值区为中心，沿浑河断裂向NEE方向总体逐渐减低。

浑河断裂西侧从新民屯附近开始至沈阳、抚顺交界一段主要为正异常，NW侧等值线较为密集，SE侧等值线较为稀疏，表明主要受到了偏西部的NNE向断裂构造(即依兰—伊通断裂)影响，因而形成了NNE向的线状强梯度带，该异常梯度在于洪区附近形成一个大的正异常圈闭，区域中心正异常值最高可以达到(20～25)×10-5m/s2，异常等值线呈NE走向，异常值向周围逐渐递减，显示沿梯度带地壳厚度和介质密度结构具有显著的横向变化，与地下太古宇结晶基底的起伏形态基本相符。另一方面，该段的正异常范围沿着浑河断裂可一直延伸至抚顺李石寨附近，而在深井子—李石寨一带存在明显的正、负异常界限，该界限走向NNE，异常值变化为(0～6)×10-5m/s2，异常界限可能反映了深部构造形态或地质构造发育的差异性。

图3 浑河断裂沿线航磁异常分布图Fig.3 Distribution map of aeromagnetic anomalies along Hunhe fault

抚顺李石附近延至抚顺东的前甸、章党一带, 为一个异常值在(-12～-2)×10-5m/s2之间的小范围负异常梯度带。该带北部铁岭以南附近，经新台子直至沈北新区构成一重力正异常梯级带，强度较大，等值线密集，重力值多在(8～14)×10-5m/s2之间，局部地段幅值可达18×10-5m/s2，呈多个圈闭的正异常，形态极不规则，向SW方向正异常值趋于增大。该正异常梯度变化可能反映了深部赤峰—开原断裂带与依兰—伊通断裂的构造组合特征，而依兰—伊通断裂在这一地段的活动性和主导作用可能较强。

浑河断裂东侧章党附近向NEE延伸至南杂木、红透山、清原及英额门地区，为一条NEE向的重力异常梯度带，南口前以南存在一个负异常圈闭，为浑河断裂的重力场最低值-35×10-5m/s2。断裂北侧负异常变化较平缓，南侧出现一些线性梯度带、异常轴折断和等值线同向扭曲等畸变特征线，反映浑河断裂南侧地质构造条件比较复杂，发育有断裂构造或有明显的岩性变化，这与浑河断裂南侧有苏子河断裂发育,且断裂对区域地层分布具有控制作用的认识一致。

2.2 磁场特征

浑河断裂展布区磁场与重力场相似，整体背景场为负值，异常带总体走向为NE。断裂附近存在明显的不规则正、负跳动，幅值忽大忽小，峰值钝、锐程度不一，地磁场很不规则，在复杂的背景中还夹有两条NE向的正磁异常带，磁性体的复杂变化表明这里是一个正、负磁场异常相互交替的多变场。浑河断裂西北部新民、铁岭附近存在着一个比较大的正异常区，穿插有少量的负异常，正异常区中心的异常值可达到近500 nT，应为中二叠世二长花岗岩(中等磁性)、早白垩世花岗斑岩(中等磁性)等引起的。

沈阳附近在深井子、沙岭地区有两个负异常中心，在大面积负磁场的背景下，这一地段还零星穿插着少量的正异常，等值线亦呈NE向延伸。以浑河断裂为界，抚顺以南以正异常为主，磁场异常变化范围在(-200～400)nT之间，变化较大，至本溪—大台沟地区异常值可达到600 nT以上，向边缘逐渐变低，调查研究显示这种异常变化主要与附近赋存的鞍山式磁铁矿有关。浑河断裂以北为负异常区，异常变化范围在(-100～-400)nT之间。

章党至南杂木地区航磁ΔT整体表现为负场，形态分布较为规则，磁场强度一般为(-200～-100)nT，范围广、变化平稳、分布均匀、起伏不大，基本上可以认为是平静场，其与重力场的平稳变化基本上是对应的。南杂木以东至清原、英额门东一线的航磁异常等值线的展布形态起伏略大，负异常的绝对幅值则明显增大，浑河断裂对磁场分布的控制作用有所增强。由英额门继续往东进入浑河断裂、赤峰—开原断裂的交会区，磁场形态特征趋于复杂化，等值线形态多变，方向性在以NEE向为主的基础上还具有NWW向的变化趋势；区域磁场逐渐由负异常场过渡到正异常场，磁场变化范围在(-300～400)nT之间，研究认为浑河断裂及其控制发育的弱磁性晚太古宙花岗质片麻岩可能对航磁负异常具有一定的影响。根据航磁异常分布，在英额门存在1个负异常中心，而它的南、北和东3个方向分别存在相应的3个正异常中心，这反映了NEE向浑河断裂所控制的中二叠世—中白垩世侵入岩和火山机构发育的格局；比较分析还确认，在清原南部附近存在有2个正异常约为200 nT的圈闭区，这也可能与当地元古代辽河群的鞍山式磁铁矿有关。

2.3 浑河断裂地球物理场差异性分析和讨论

已有研究认为，海相、陆相地层岩石磁性一般较弱，火山沉积特别是中生代火山碎屑岩等磁性却强、弱极不均匀，多形成跳跃式磁异常场。研究区岩(矿)石磁性差异较大，由于太古宇结晶基底的磁化率一般较大，并且富含大量鞍山式磁铁矿地层，其分布区磁场具有较大的背景场。另外，碳酸盐岩、碎屑岩等沉积建造地层多属弱磁或非磁性岩石，形成低缓的负磁场。所以总体上来看，浑河断裂北侧的磁场要比南侧的磁场低。

沿浑河断裂的重力场、磁场分布总体上比较均匀，NEE方向性稳定，变化比较平缓，但在断裂的端部重力场、磁场发生明显的变化，断裂带内部存在着局部的变化。如在大民屯(凹陷)边缘和刘二堡—新民屯一带等重力梯度变化较大，而章党、南杂木和英额门地区重力主要为负值，等值线稀疏，这反映了浑河断裂太古宇结晶基底的起伏、岩性变化及其对地球物理场的影响。在沈阳东部与抚顺盆地之间、抚顺盆地东端和南杂木等地重力场、磁场存在正负转换、梯度发生变化及断裂两侧场强发生变化等情况，但变化幅度远较断裂东、西两端弱。

总体来看，浑河断裂所在区域的重磁场具有明显的分区性，沿浑河断裂的重力场、磁场分布随着深、浅部地层岩性发育的差异而有所变化。因浑河断裂附近其他断裂构造发育较差，浑河断裂的主导作用比较显著，断裂对深、浅部岩性分布的控制作用明显，所以沿浑河断裂的重力场、磁场分布基本上反映了地质构造背景以及断裂的活动特征。

3 浑河断裂地球物理场与深部构造

研究结果表明，辽东地区深部重力异常带走向呈NE向或NNE方向，显示该地区规模较大的NE向构造控制着整体的深部构造形态。除了辽东山区向下辽河平原的过渡区存在明显的重力异常梯度带以外，其他地区重力等值线的变化比较平缓。

跨浑河断裂(沈阳段、抚顺段)及依兰—伊通断裂的NW向深地震反射探测结果显示，在浑河断裂和依兰—伊通断裂之间构造部位、上地壳内部深度约18 km以浅的范围内，依兰—伊通断裂作为主干断裂规模最大、切割最深，同样作为主干断裂的浑河断裂在深部表现为 3条呈“Y”字型分布的断裂组，并向下交会到依兰—伊通断裂上，两条主干断裂之间则发育有若干条面状或铲状的次级正断裂(图4、表1)。剖面NW侧上地壳上部还可划分出由断裂控制的两个凹陷区和两个基岩隆起区，北部凹陷区深度1～2 km，可能属于大民屯凹陷的北延，南部凹陷区则而为沈阳凹陷。在下地壳上部深度约18～25 km之间有岩浆侵入地带，莫霍面及下地壳内部存在上地幔物质上涌、岩浆侵入的通道。同时，布设于沈阳、抚顺之间的这一探测剖面还显示，在地壳和上地幔的分界附近具有反射叠层结构，壳幔界面深度自NW向SE变深，从29 km增大至31 km，壳幔过渡带厚度约4～5 km。

表1 浑河断裂沈阳段区域浅部断裂特征一览表

Table 1 Characteristics of shallow faults in Shenyang section of Hunhe fault

断裂名称倾向特征深度/kmF2F3F5F6F9F14NWSENWSENWSE凹陷区②东界凹陷区②西界凹陷区②东界浑河断陷西界位于基岩隆起带位于基岩隆起带7.018.05.54.014.04.0

图4 沈阳—抚顺间NW向深地震反射剖面[17--18]Fig.4 NW deep seismic reflection profile between Shenyang and Fushun

由区域地壳厚度图(图5)可以看出，抚顺至清原一带地壳厚度比较稳定，沿抚顺、本溪、海城和盖州一线有地壳厚度突变带，海城地区最为明显，显示了其地震区深部构造的复杂性，浑河断裂的沈阳段也处在突变带上，历史上的地震也多处在这些突变带上，显示了深部构造与地震的相关性。

图5 区域地壳厚度图[17--18]Fig.5 Thickness of regional crust

4 浑河断裂地球物理场与地震活动性

沿浑河断裂带及周缘地震记载较少，近些年也仅在抚顺地区时有小的地震活动记录，但该区沉降、滑坡和地裂缝等地质灾害时有发生。为探清这些地质灾害原因，不同专家学者从形变分析、地质调查等不同角度对抚顺地区构造稳定性做了研究[5,19--21]，学者们大体认为浑河断裂自晚更新世以来活动并不显著，现今的断裂活化效应是由于大量的人类采煤活动造成的[5]。

据有记载的历史地震迄今为止，浑河断裂附近发生的最大一次破坏性地震是1765年沈阳发生的5 1/2级地震。万波等[22]认为与浑河断裂交汇的长白乡—观音阁断裂是此次地震的发震构造，沈阳鼻状凸起上规模最大的北东向长白乡—观音阁断裂在5 km±或更大的深度上归并到浑河断裂上，形成断裂构造在深部的复合交叉格局。这一特殊构造格局有利于地震能量的积累和释放，在该区一般发生中等强度的地震，发生更大地震的可能性较小。

抚顺城区段浑河断裂带附近现今矿震活动频繁, 卢良玉等[23]研究发现数处跨断裂形变测量结果显示断裂两侧的水平和垂直运动显示出的拉张、沉陷与断裂关系密切，其运动速率均在每年十几毫米以上(个别可达300 mm/a)。佴磊[3]通过清原地震台自1976 年以来对浑河断裂的变形观测分析，认为浑河断裂具有明显的活动特性。由于抚顺的采煤区正好处在浑河断裂附近，市区以及市区东部大型的大伙房水库均坐落于浑河断陷带上，故它们都可能因构造运动而引起不良物理地质作用的出现。

浑河断裂所处的辽东—张广才岭上升隆起区内，目前尚没有5级以上地震的记录。尽管如此，断裂构造的活动并不是孤立的，在构造应力场作用下，其间具有明显的相互关联性和制约性，只是由于应力条件和地壳介质的差异，断裂构造的活动特征有所不同，具体表现在地震活动空间分布上，沿断裂构造及其构造交会部位常常会形成地震活动的条带状、网络状和团簇状空间分布图象，这实际上就反映了区域性活动深断裂及其共轭构造之间活动的差异性及其联动特征[3]。

综合浑河断裂的重磁场梯度带来看，重磁异常带主要集中在沈阳—抚顺附近，而浑河断裂上有记录的最大地震正好位于这一重磁异常带上。近些年浑河断裂带上频发的矿震、沉降等地质灾害也多发生在抚顺的重磁异常带上。这些地质灾害是否仅仅由采煤活动引起，与浑河断裂活动性是否有关，同时这些地质灾害是否反过来影响浑河断裂的活动性？这些问题都应当引起对浑河断裂活动性研究的重视，加强浑河断裂活动性监测与研究仍是地震地质工作的重点。