敦化-密山断裂带及周边地区的航磁特征与深部构造

2022-06-10王禹丹张景发

地震地质 2022年2期

王禹丹张景发田甜

1)应急管理部国家自然灾害防治研究院，北京 100085

2)中国地质大学(武汉)，武汉 430074

0 引言

敦化-密山断裂带是中国东部大型断裂——郯庐断裂带在东北地区的分支，贯穿辽宁、吉林、黑龙江三省，该区域是中国东北地区中—小型盆地集中分布的区域，地壳结构复杂。这些盆地主要由最初的大三江盆地经过构造运动分割而成(张兴洲等，2010)。敦化-密山断裂带对盆地的演化和分布起着控制作用，该区域发育着中新生界碎屑岩建造和火山岩建造，是中国石油、天然气等重要能源、资源的集中区。本文选取敦密断裂带及其周边区域作为研究对象，主要利用航磁数据，对敦化-密山断裂周边区域的深部地质构造、敦化-密山断裂的走向、分支及其与周边断裂的交切方式进行研究，并结合前人的研究成果对该区域的孕震环境进行分析。

许多学者已利用地球物理方法对东北地区的地质构造进行过大量研究。江为为等(2006)利用小比例尺的重磁数据对东北地区的地壳构造特征进行了分析，并反演了莫霍面分布；吴咏敬等(2012)基于布格重力异常资料对东北地区的构造分区和深断裂进行了研究；张凤旭等(2010)利用小子域及改进的三方向小子域滤波对东北地区的布格重力异常进行了处理，精细划分了东北地区的大地构造单元；孙帮民(2016)利用多种方法对东北地区的航磁数据进行位场分离，并反演了东北地区的居里面深度；郭惠莹(2018)利用几种界面反演方法基于东北地区的航磁数据对居里面进行了反演。前人主要利用小比例尺重磁数据对整个东北区域进行了研究，且主要集中于重力场方面，对该区域的研究仍不够深入。本文将利用大比例尺航磁数据对敦化-密山断裂带及其周边地区开展多尺度、多层次的反演与分析，对该区域的航磁异常特点与地壳磁性结构特征进行研究，详细分析该区域的深部构造特征，深入研究其地壳结构、断裂构造和基底构造特点，为大地构造研究和油气资源评价与勘探提供地球物理资料。

图 1 研究区域的构造简图Fig. 1 A schematic diagram of the regional tectonics of the study area.

1 区域构造背景

本文研究区位于中亚造山带，地处西伯利亚克拉通、华北克拉通和太平洋克拉通所影响的构造区域内，是经过多次相互作用形成的叠加造山带(周飞，2012)。区域范围覆盖了大部分佳木斯地块、兴凯地块和小部分完达山地块(图 1)(曹成润等，2003)，佳木斯地块内部岩浆活动剧烈，研究区覆盖了桦南次隆、密山次隆、宝清坳陷及其周缘的中新生代盆地群，包括佳木斯盆地、勃利盆地、双鸭盆地、鸡西盆地和双桦盆地等(孙明道，2013)；兴凯地块以敦密断裂带为界，与佳木斯地块、完达山结合带相隔，该地块涵盖了虎林盆地的大部分区域，虎林盆地的基底由佳木斯地块与兴凯地块共同构成(高艳芝，2010)；完达山地块与佳木斯地块以大和断裂为界，前者于中生代受到大规模的构造-岩浆活动，由低纬度漂移过来，增生于佳木斯地块的东侧(万阔，2017)。

2 数据与方法

航磁异常主要是由地表及地下具有磁性的岩石和一些矿物的不均匀分布所产生，其从客观上反映了研究区域内地质体的不均匀分布和区域构造(断裂等)及其深部基底等情况。航磁异常是不同深度和形态的地质体引起的异常叠加，为了更加清晰地分析不同深度地壳结构的异常，可对深部场与浅部场进行场源分离。本文采用小波多尺度分解的方法进行位场分离，以提取不同深度的异常特征。

小波多尺度分析是对重磁场进行位场分离的有效方法，通过场源信号分离可提取出反映浅部场信息的高频信号，生成小波细节图，突出局部信息，进而解析推测断层深度、盆地基底深度等信息(侯遵泽等，1997)。二维小波多尺度分析表达式可简写为(Mallatetal.，1992)

Δg(x)=AjG+D1G+D2G+…+DjG

(1)

其中，AjG为小波逼近部分，DjG为小波高阶细节部分。

本文收集了1︰25万航磁ΔT数据资料，并进行数据矢量化、极化等预处理，网格采样间隔为2.5km，经位场分离后得到1～4阶小波航磁逼近图和细节图。之后，首先计算实测平面航磁异常的径向对数功率谱，然后利用对数功率谱回归直线的斜率求得近似场源深度(Spectoretal.，1970)。计算得到研究区域内1～4阶细节场对应的近似场源深度值见表1。

表 1 1～4阶近似场源深度Table1 Approximate depth of field source of order 1～4

3 结果

3.1 原始航磁场特征

图 2 原始航磁异常图Fig. 2 Original aeromagnetic anomaly map.F1敦化-密山断裂带； F2大和断裂带； F3依兰-伊通断裂带； F4富锦-小佳河断裂带； F5穆棱河断裂带； F6虎林河断裂带； F7同江断裂带； F8南北河-勃利断裂带； F9友谊镇-七台河-林口断裂带

高异常主要集中在盆地、坳陷附近，宝清过渡带和勃利盆地呈现大面积高异常。宝清坳陷从泥盆纪开始为稳定的浅海砂泥质—碳酸盐岩沉积，上泥盆统主要为中酸性火山岩及其凝灰岩，晚古生代为陆棚、海陆交互相、火山岩、碎屑岩沉积；勃利盆地在早白垩世就堆积了巨厚的火山岩，经历了燕山运动和喜山运动，同时基底火山岩喷发，形成船底山组玄武岩(韩春花等，2004)，因此该区域附近也呈现高异常现象。双桦盆地与佳木斯盆地呈现团块状异常，双桦火山沉积盆地内受火山碎屑岩(姜迎久等，2019)、玄武岩(马云龙，2015)影响，呈现出正、负跳变的强磁特征，盆地南部大面积出露玄武岩，呈现紊乱的磁场特征；佳木斯盆地基底主要以花岗岩为主，表面有中生代末变质岩出露(董晓伟，2007)。高异常区东侧的敦化-密山断裂和大和断裂呈现串珠状异常带和线性异常带，断裂中有磁性岩浆分布或基性火山岩分布。依兰-伊通断裂带为不同磁场区的分界线，深大断裂使磁性基底抬升或下降，呈现出不同的磁异常。东南部为平稳的正磁场区，大部分区域在0～150nT范围内，该区域属于兴凯地块，大部分被第四系覆盖，属虎林盆地范围，盆地基底主要为花岗岩和变质岩(梁琛岳等，2020)。高异常区东侧出现的串珠状异常带和线性异常带主要与敦化-密山断裂和大和断裂的分布有关，断裂中有磁性岩浆或基性火山岩分布。

该区域的航磁异常特征表现为以下几个方面： 1)深大断裂造成了基底抬升或下降，呈现高、低异常分区，磁性岩浆岩侵入断裂中，产生线性或串珠状异常； 2)由于岩浆活动的影响，研究区内的盆地沉积着基性或超基性岩，出现了大面积块状高异常区域。

3.2 区域不同深度的构造特征

利用小波多尺度分析方法可以分解出反映深部异常的低频信息和反映浅部异常的高频信息，它们分别反映了区域场和局部场对应的航磁异常信息。对研究区的航磁数据进行小波多尺度分解后，得到了工作区航磁异常1～4阶逼近图和1～4阶细节图，本文仅介绍反映地壳磁性结构的细节场特征。

图 3 1阶小波细节图Fig. 3 The detailed diagram of the first-order wavelet.

图 4 2阶小波细节图Fig. 4 The detailed diagram of the second-order wavelet.

4阶小波细节图(图 6)在3阶细节图的基础上展现出一幅更清晰的分布图像，反映了磁性基底的异常信息，特征明显的断裂仅剩敦化-密山断裂，说明该断裂切穿深度较深，对该区域影响较大。

图 6 4阶小波细节图Fig. 6 Detailed view of 4th order wavelet.

4 讨论

4.1 断裂的深部构造特征

敦化-密山断裂是郯庐断裂带在东北地区的一条重要的分支断裂，其延伸远、影响范围大，在航磁小波细节图上表现为相互平行的几条NE向展布的异常条带。在上地壳内该断裂的航磁异常以串珠状高异常和线性高异常为主，主要原因为断裂浅层侵入了基性或超基性岩浆岩；在中地壳断裂表现为不同航磁特征区域的分界线；在下地壳中，敦化-密山断裂切穿较深地层，并切割磁性基底，4阶细节场的近似场源深度为20～23km，此时断裂依然为不同磁场的界限。由此可看出，敦化-密山断裂的深度较深，对该区域航磁的影响范围较大，可从上地壳至下地壳。

大和断裂位于研究区的中部，呈NNE向展布，北侧延伸出区外，区内长约170km，该断裂的航磁特征较为明显：在中上地壳表现为不同特征磁场区的分界线，断裂西侧为以弱磁背景为主、局部叠加SN向升高的磁异常；东侧以弱正磁背景场为主，局部叠加NE、NNE向磁异常。该断裂的下地壳异常信息不明显。

穆棱河-虎林断裂(带)位于研究区的东南部，是由2条宽10～20km的平行断裂组成的地堑构造。敦化-密山断裂的走向在靠近虎林盆地的位置发生了改变，形成NEE向分支，长约230km，西南及东北两端均延伸出测区外。该断裂是区内切割较深、特征明显的一级断裂之一，也是佳木斯地块和兴凯地块2个二级构造单元的分界线。穆棱河断裂在中上地壳主要表现为不同特征磁场的分界线，下地壳异常不明显。敦化-密山断裂的分支——虎林断裂在中上地壳中表现为线性异常，而在中下地壳断裂异常消失，反映了该断裂规模较小、切穿深度较浅的特点。

虎林河断裂为敦化-密山断裂靠近虎林盆地的NEE向分支，大和断裂为敦化-密山断裂带的NNE向分支。由原始航磁异常图可看出，穆棱河断裂切穿了敦化-密山断裂，穆棱河断裂在原始航磁图中表现为线性异常，在上地壳线性异常更明显，在中上地壳中切穿现象不明显，表明穆棱河断裂与敦化-密山断裂在地壳浅层交切；同样，富锦-小佳河断裂也在地壳浅层切穿了大和断裂北部。虎林河断裂作为大和断裂的NEE向的分支，断裂深度小于敦化-密山断裂，在下地壳中已不再明显。大和断裂与敦化-密山断裂属于研究区域内的深大断裂，在不同时期对构造的形成和发展具有一定的控制作用。

4.2 居里面反演

居里面是指磁性矿物在一定温度下从有磁性转变为无磁性的居里(点)等温度面，是磁性层的下界面，反映的是岩石圈的热状态，而非确定的地质构造面(熊盛青等，2016)。申宁华等曾指出居里面的埋深深度对油气资源的保护有影响(1)申宁华，李春华，张贵宾，等，1985，用下扬子航磁资料计算居里等温面，长春地质学院1985年科学研究报告年鉴。，因此反演居里面的深度对该区域的研究也具有很大意义。

本文采用Parker法(Parker，1973)反演了该区域磁性层的下界面，得到该区域的居里面深度，反演结果如图 7 所示。由结果可知，区域内的居里面分布受到了敦化-密山断裂带的影响，敦化-密山断裂带表现为居里面不同深度的分界线，研究区内居里面的整体埋深为22.3～29.9km，虽然与孙帮民(2016)在东北地区得到的反演结果19.5～31km相比，后者的居里面埋深变化更具有一致性，但本文在小范围内反演的居里面结果更为精确，更能突出本区域的特点。

图 7 居里面反演结果图Fig. 7 The inversion result map of Curie surface.数据为2008年1月—2020年7月的地震点，来自国家地震科学数据中心

由反演结果可以看出，该区的居里面深度自NW向SE呈现“浅—深”的变化趋势，最深处位于虎林县南、敦化-密山断裂带东侧，埋深为26～34km。虎林盆地是中、新生代断陷-坳陷盆地，该区域分布有穆棱河坳陷、虎林河坳陷和兴凯湖坳陷，虎林盆地是敦化-密山断裂在晚中生代与新生代时期走滑过程中拉开成盆、挤压盖层变形的结果，经历了2次沉降成盆与2次反转、改造过程(曹成润等，2001)，该地区的地壳厚度较大(张慧，2012)，有效地阻止了来自地幔的热流扩散，因而形成了居里面下凹区。敦化-密山断裂带位于居里面深度高、低分界线处，且敦化-密山断裂与虎林盆地的形成有密切联系，居里面的分布在某种程度上受到了敦化-密山断裂的控制和影响，该断裂已经下切至居里面深度，成为了区域的一条深大断裂带。勃利盆地与北部三江盆地为居里面隆起区，敦化-密山断裂带作为深部断裂为热流提供了通道，而热流的扩散导致了居里面的隆起。

4.3 孕震环境分析

地震震中主要在研究区域NW方向沿依兰-伊通断裂带周边密集分布，而在敦化-密山断裂带及大和断裂带附近分布较少，整体呈条带性分布，同时也具有不均匀性，西北部小地震频度高于区域内其他部位。由图 7 可看出，在敦化-密山断裂带附近，小地震主要集中于密山次隆以南，敦化-密山断裂带北段区域的地震发生频率较低，较为稳定。前人对该区域的重力场有过深入研究，该区在黑龙江省属于莫霍面隆起区，莫霍面深30～32.5km，由于太平洋板块的俯冲作用导致该区的莫霍面分布不均匀，依兰-伊通断裂带对莫霍面的影响较大，松辽盆地靠近依兰-伊通断裂带的区域莫霍面突然加深，出现陡变带，敦化-密山断裂带则表现不明显(李春先等，2013)。依兰-伊通断裂带深抵莫霍面，地震活动区内的莫霍面往往表现出隆起形态，壳幔局部变形、隆起为应力的集聚提供了可能，同时深大断裂的存在为物质运移提供了通道。该区域内地震活动水平整体较低，活动性强的区域主要集中在依兰-伊通断裂带附近，在鸡西地区附近也有小地震聚集，主要受牡丹江断裂以及南北河断裂的影响。敦化-密山断裂对居里面分布影响较大，也影响了几大构造单元的形成，未来应多关注断裂周边及断裂交切处的稳定性。