從航空重力看郯廬斷裂系(渤海)及其圍區構造幾何學特征

李文勇, 周堅鑫, 熊盛青, 郭志宏, 徐劍春, 周錫華, 安戰鋒, 李 冰, 羅 鋒

中國國土資源航空物探遙感中心, 北京 100083

從航空重力看郯廬斷裂系(渤海)及其圍區構造幾何學特征

李文勇, 周堅鑫, 熊盛青, 郭志宏, 徐劍春, 周錫華, 安戰鋒, 李 冰, 羅 鋒

中國國土資源航空物探遙感中心, 北京 100083

本文以我國首次試驗的渤海西、南部海陸結合帶航空重力測量資料為依據, 探討了郯廬斷裂在渤海西、南部海域的空間展布及其圍區的構造幾何學特征。研究表明, (1)渤海南部和西部兩個明顯的 NNE向重力異常梯級帶屬于區域不同重力場的分界線, 分別是郯廬斷裂帶東支斷裂(主干斷裂)和西支斷裂的反映; (2)郯廬主斷裂東側主要發育NE-NNE向重力異常梯級帶, 西側呈現NW向、NE-NNE向、近EW向重力異常梯級帶相互交錯的面貌, 反映了東、西兩側不同的斷裂構造格局; (3)重力異常小區與異常梯級帶的不同組合, 反映了拉張、壓縮、扭動三類構造樣式; (4)不同的重力異常區、亞區、小區, 反映了不同的沉積構造特征, 分別對應不同的構造單元。

航空重力; 構造幾何學; 郯廬斷裂系; 渤海圍區

為了獲取地球重力場信息, 尤其是海陸結合帶和其它復雜地區, 為我國基礎地質研究和礦產資源尋找等服務, 2006年我國引進了用于地質調查的國際先進的航空重力測量系統, 并首先在渤海西、南部海陸結合地帶進行了1:20萬測量試驗, 獲得了高質量的原始重力數據資料, 不僅為我國今后的航空重力測量打下了基礎, 而且為該區的地質研究提供了新的技術方法。

航空重力信息可用于多種目標的基礎地質研究和礦產資源預測, 如何利用獲取的航空重力數據進行構造幾何學研究, 進而為區域構造演化、構造控礦預測等提供依據, 是本次引進航空重力測量系統的一個基礎且重要的任務之一。郯廬斷裂系是我國東部有重要影響的深大斷裂構造體系, 多年來有眾多學者進行了關注和研究, 并取得了豐富的成果和認識(許志琴等，1982；馬杏垣等, 1983; 陳丕基, 1988;徐嘉煒等, 1992; 徐錫偉等, 1994; 陳發景, 1996; 萬天豐等, 1996; Zhu et al., 1997; Gilder et al., 1999; 王小鳳等, 2000; 朱光等, 2001; 喬秀夫等, 2002;施煒等，2003；董樹文等，2009); 其研究工作主要是基于地面重、磁資料以及地質填圖、巖石學、地質年代學等方面。渤海灣盆地是受控于郯廬斷裂系的重要含油氣盆地, 不僅進行過大量的地面勘探工作,而且有許多研究工作(胡朝元, 1982; 趙重遠, 1984;吳振明等, 1985; 劉訓, 1988; 田在藝, 1990; 李鵬舉等, 1995; 漆家福等, 1995; 李軍等, 1998; 吳興寧等, 2000; 鄧運華, 2002; 翟光明等, 2002; 賈志斌等, 2003; 漆家福等, 2003)。限于海域資料的缺乏、老資料的不完整或可信度等影響, 以往對郯廬斷裂系構造幾何學的研究主要側重于陸區范圍, 對渤海海域的推斷缺乏直接或充分的地球物理資料或存在空白區。本文以航空重力測量獲取的最新數據資料為依據, 充分結合該區的航磁資料, 對郯廬斷裂系在渤海海域南部和西部的構造幾何學特征進行分析, 以提高對該區段郯廬斷裂的研究認識程度。

1 郯廬主斷裂及其分支斷裂

從航空布格重力(圖1)可以看出, 郯廬斷裂系對應一系列平行或斜列的NNE向重力異常梯級帶, 說明該斷裂系由一系列斷裂所組成, 其空間展布總體表現為NNE向。其中, 斷裂系的東支所反映的航空布格重力異常尤為明顯, 應屬于郯廬主斷裂(F1); 西支所對應的重力異常也比較突出, 應屬于該斷裂系的西部邊界斷裂(F5)。

1.1 郯廬主斷裂

郯廬主斷裂(東支)(F1)反映的航空布格重力異常特征主要包括四個方面: ①對應于梯度大、走向NNE、縱穿中部的布格重力線性密集梯級帶(圖 1),說明斷面傾角大、斷層兩側密度差異大等特征; ②對應于特征迥然有別的兩個重力異常區的分界線(圖 1), 東側為總體升高的正值異常區, 西側為總體降低的負值異常區, 這一特征在布格重力上延 5km等值線圖上尤為清楚(圖 2), 且位置變化不大, 反映該斷裂切割深度較大、產狀較陡、兩盤密度差異顯著、屬于不同時代的地層; ③對應于航空布格重力315°方向導數的條帶狀極小值點連線(圖 3a); ④對應于特征十分明顯的水平總梯度模量極大值線性帶(NNE向)(圖3b)。

郯廬主斷裂(東支)(F1)在航磁異常上也有明顯的反映: ①對應于特征不同的兩個磁場的分界線(圖4), 東側為膠東正負變化劇烈跳動磁場區, 西側為渤海正負變化寬緩磁場區, 若從測區周圍的大區域磁場看, 東側總體為負磁異常區, 西側總體為正磁異常區, 反映了該斷裂規模較大、兩側具有不同的基底性質。②對應于明顯的NNE向串珠狀線性異常帶, 這一特征在航磁異常化極圖及其垂向一導圖上均有表現(圖 5), 反映斷面較陡, 切割深度大, 是巖漿上涌通道。

圖1 航空布格重力異常及主要斷裂解釋圖Fig. 1 Interpretation map of airborne Bouguer gravity anomalies and main faults

圖2 航空布格重力上延5km等值線圖Fig. 2 Contour map of upward continuation of 5km for airborne Bouguer gravity

圖3 郯廬東支斷裂(F1)在方向導數圖與水平梯度模圖的顯示Fig. 3 Directional derivative and horizontal gradient of east Tanlu fault (F1)

圖4 航磁(ΔΤ)化極異常圖Fig. 4 Reduction to the pole for aeromagnetic anomaly(ΔΤ)

除此之外, 從航空布格重力圖和航磁化極圖還可看出, 郯廬主斷裂(F1)兩側的其它各種重、磁異常均在延伸到該斷裂對應的梯級帶部位中止或消失, 再次說明該斷裂是一個規模巨大的分劃性主干構造。

航空重力 2765測線反演擬合所得的斷裂落差約3700 m(圖6), 斷面傾向NWW, 斷面傾角大于65°,斷裂西側新生界厚度大于4000 m, 并有中生界發育,斷裂東側中、新生界均不發育, 反映該斷裂是一個西側(上盤)下降、東側(下盤)相對上升、在剖面上具有正斷層性質的大型斷裂, 主要活動時期是中、新生代, 在新生代發生了規模較大的伸展運動。

圖5 郯廬東支斷裂(F1)在航磁異常圖的顯示Fig. 5 Aeromagnetic anomaly of east Tanlu fault(F1)

圖6 郯廬東支斷裂(F1)布格重力異常反演剖面(2765測線)Fig. 6 Inverse profile(No. 2765 survey line)of airborne Bouguer gravity anomaly of east Tanlu fault (F1)

1.2 郯廬西支斷裂

郯廬西支斷裂(F5)在航空布格重力上具有明顯的特征: ①對應于走向NNE的布格重力線性梯級帶(圖1); ②對應于特征不同的重力異常亞區的分界線(圖 1), 東側總體為重力降低異常亞區, 西側總體為重力升高異常亞區。在航磁異常上主要表現為: 特征不同的兩個磁場的分界線(圖4), 東側總體為負磁異常區, 西側總體為正磁異常區, 反映了斷裂兩側基底性質和深度具有重大差異。

2 郯廬主斷裂兩側不同的構造格架

從圖1可以看出, 郯廬主斷裂(F1)兩側發育的重力梯級帶走向明顯不同。東側主要發育NE-NNE向重力梯級帶, 西側呈現NW向、NE-NNE向、近EW向重力異常梯級帶相互交錯的面貌, 反映了東、西兩側不同的斷裂構造格局及形成演化。

郯廬主斷裂(F1)以東主要發育 NE-NNE向斷裂,且主要表現為對侏羅-白堊紀沉積的控制作用, 斷裂上盤中生界厚度明顯大于下盤, 說明該斷裂的形成時代應為侏羅-白堊紀或侏羅-白堊紀之前。

郯廬主斷裂(F1)以西主要發育NE-NNE向、NW向、近EW向三組斷裂。三組斷裂相互交叉、彼此切錯或相互限制, 構成了復雜的構造體系, 并控制著中、新生代沉積作用, 從而形成了隆(凸)坳(凹)相間或鑲嵌的斷塊構造格局。正是這些斷裂之間的相互切割及由此形成的斷塊格局, 才使得布格重力異常顯示為高、低相間或鑲嵌的面貌。近EW向斷裂相對不太發育, 數量較少, 且主要局限分布于遠離郯廬主斷裂(F1)以西的西部; 從斷裂形式和控制沉積的角度看, 近 EW 向斷裂基本屬于侏羅紀形成、后期發生繼承性活動的正斷層, 對中、新生代沉積具有明顯的控制作用, 斷裂上盤的中生界厚度明顯大于下盤, 且上盤發育的巨厚古近紀沉積與下盤缺失古近紀沉積形成了鮮明的對比。NE-NNE向斷裂數量多, 分布廣, 各種級別均有發育, 其中規模較大的斷裂集中分布于郯廬主斷裂(F1)與郯廬西支斷裂(F5)之間的渤海海區; 受該組斷裂的控制, 斷裂上盤不僅發育中生界, 而且形成了巨厚的新生代沉積,而斷裂下盤中、新生界不發育或發育較差, 由此說明, 該組斷裂的形成時代應為侏羅-白堊紀或侏羅-白堊紀之前, 在古近紀時期又發生強烈的伸展運動。NW向斷裂比較發育, 規模不一, 其數量僅次于NE-NNE向斷裂; 根據NW向斷裂與其它方向斷裂的切錯關系和切錯位移以及斷裂兩盤的地層發育情況等, 認為該組斷裂應屬于古近紀時期形成的平移-正斷層; 以 F7斷裂為例, 斷裂兩盤的中生界和新近系厚度變化甚微, 但古近系厚度顯著有別, 上盤(西南側)古近系厚度明顯大于下盤(東北側)(圖7), 說明該斷裂在中生代時期尚未活動, 古近紀時期才開始活動并十分強烈(上盤下降、下盤相對上升), 在新近紀時期又趨于停止。

3 構造樣式類型及其識別

構造樣式是指在特定應力場作用下形成的構造幾何形態, 是同一期構造變形或同一應力作用下所產生的構造的總和。一定的構造樣式通常引起一定的重力異常及其組合; 反之, 某種重力異常及其組合常常反映一定的構造樣式, 這就是本次利用布格重力異常研究構造樣式的地球物理基礎。

圖7 F7斷裂布格重力異常反演剖面(7090測線)Fig. 7 Inverse profile(No. 7090 survey line) of airborne Bouguer gravity anomaly of fault F7

結合地球動力學背景和應力場特征等, 本文將識別的構造樣式劃分為三類, 即拉張構造樣式、壓縮構造樣式以及扭動構造樣式。

3.1 拉張構造樣式

拉張構造樣式是在拉張應力場作用下形成的構造表現形式, 它主要通過正斷層及其組合表現出來。拉張構造樣式在測區最為普遍, 主要有以下兩種基本表現形式:

① 單斷型樣式: 平面上, 布格重力異常表現為一側線性梯級帶和寬緩重力低異常的組合, 且寬緩重力低異常的幅值向另一側逐漸變大; 剖面上表現為一側發育主干斷裂, 另一側不發育或無明顯斷裂的簸箕狀。如東營凹陷(圖8), 其北側發育的近東西向主體斷裂(F16)明顯控制了該凹陷的形成, 反映了以近南北向拉張為主的構造應力場的作用。

② 雙斷型樣式: 平面上, 布格重力異常表現為兩側線性梯級帶和中部寬緩重力低異常的組合; 剖面上表現為兩側發育對傾的主干斷裂, 中部為巨厚沉積的凹陷。如埕北凹陷(圖9), 反映了北東－南西方向的拉張應力場的作用。

③ 壘塹型樣式: 它是由若干個前兩種樣式的組合。平面上, 布格重力異常表現為一系列近于平行的線性梯級帶與其間所夾持的寬緩帶狀重力高、低異常的組合; 剖面上表現為受斷裂控制的若干個相間展布的凸、凹單元。如測區西部相間分布的埕寧隆起、車鎮凹陷、義和莊凸起、沾化凹陷、陳家莊凸起、東營凹陷等(圖10), 反映了近南北向的強烈拉張作用。

圖8 單斷型構造樣式(東營凹陷)Fig. 8 Single-fault structural style(Dongying sag)

圖9 雙斷型構造樣式(埕北凹陷)Fig. 9 Double-fault structural style(Chengbei sag)

3.2 壓縮構造樣式

壓縮構造樣式是在擠壓應力作用下所形成的構造表現形式, 它主要通過褶皺、逆斷層等形式表現出來。這類構造樣式主要發育在測區東南部的基底構造層, 在航空布格重力異常和航磁異常上表現為一系列等值線彎曲或扭曲, 其對應一系列褶皺構造或壓(扭)性逆斷層(如F68、F70、F71、F72等)(圖11), 基本反映了北西－南東方向的擠壓作用。

3.3 扭動構造樣式

扭動構造與走滑斷裂是地殼水平運動的重要表現。根據以往研究成果, 郯廬斷裂具有長距離的走滑運動, 故扭動構造樣式在測區顯得尤為重要。總體而言, 測區扭動構造樣式在平面上主要表現為雁列式。

雁列式構造樣式是指沿著某一線性帶排列、彼此近于平行、軸向與主線性帶的夾角相近的一系列構造的組合。位于測區中部且夾持于F1與F5斷裂之間的F30、F33、F37、F38、F40等斷裂, 其走向基本為NE-NNE向, 組合面貌基本屬于雁列式(圖 1), 這些斷裂的形成應與F1、F32、F39、F5斷裂的左行平移走滑運動密切相關, 是左行平移走滑運動產生的張扭性構造應力場作用的結果。這再次佐證了郯廬斷裂的左行平移走滑性質。

圖10 壘塹型構造樣式(測區西部)Fig. 10 Horst-graben structural style(east part of the surveyed area)

圖11 壓縮構造樣式(測區東南部)Fig. 11 Compressional structural style(southeast part of the surveyed area)

需要指出, 扭動構造樣式往往與拉張構造樣式、壓縮構造樣式具有內在的聯系。因為純粹的走向剪切作用實際上并不存在, 而且常常是斜向的,其力學性質亦表現為張扭性或壓扭性, 故形成的扭動構造樣式往往兼具拉張或壓縮特點, 但這里所指的扭動構造樣式應以走向剪切運動為主, 拉張或壓縮運動居于次要地位。

4 與以往認識的區別

郯廬斷裂中段又稱為沂沭斷裂帶。長期以來,多數地質學家認為, 郯廬斷裂中段的陸區部分由四條大致平行的主干斷裂組成(徐嘉煒等, 1992; 陳發景, 1996; 萬天豐等, 1996; Zhu et al., 1997; 王小鳳等, 2000; 朱光等, 2001), 自東而西分別為昌邑—大店斷裂、安丘—莒縣斷裂、沂水— 湯頭斷裂和鄌鄌—葛溝斷裂, 由于四條主干斷裂的切割, 形成了中央為地壘、兩側為地塹的“二塹夾一壘”構造形式。在渤海海域, 由于缺乏地質-地球物理資料, 以往僅簡單推斷為由兩條斷裂組成(圖12)。

本次航空重力調查資料顯示, 郯廬斷裂系在渤海南部由一條主斷裂和數條分支斷裂組成(圖 12),“二塹夾一壘”構造格局不復存在。東支為主斷裂(F1), 主斷面西傾, 是膠遼地塊與華北地塊的分界斷裂。西支為郯廬斷裂系的西部邊界斷裂(F5), 斷面東傾, 但斷裂在東營陸區消失。中部發育的 F32、F39斷裂近于在一條直線上, 但二者傾向相反, 在向南延伸至海陸結合帶附近消失; F20斷裂西傾, 雖與西支斷裂(F5)對傾, 構成一個小凹陷, 但斷裂延伸距離較小; 除此之外, 尚發育一系列與主斷裂斜交的分支斷裂。

值得重點提及, 本次發現了一個新的凹陷單元—萊南凹陷(圖 12), 它位于渤海南部的海陸結合帶—萊州灣地區, 凹陷東側是控制凹陷發育的郯廬主體斷裂(F1), 北、西、南側也均以斷裂為邊界, 但斷裂規模較小, 凹陷面積約788 km2。該凹陷以往推斷為凸起, 劃歸于萊南凸起。該凹陷在重、磁場上分別對應重力低異常和負磁異常(圖 1、圖 4), 外圍被重力高異常所環繞; 反演結果表明, 平面上基底頂界面起伏較大, 東部深度最大, 西部和南部深度中等, 中北部是一個次級凸起; 垂向上, 中生界構造層厚度較小, 新生界構造層厚度較大且變化較大,約1500~3600 m(圖13)。

圖12 航空重力與以往推斷郯廬斷裂對比圖Fig. 12 Comparison of Tanlu faults between airborne gravity and previous interpretation

圖13 萊南凹陷航空布格重力擬合剖面(2500測線)Fig. 13 Fitting profile(No. 2360 survey line)of airborne Bouguer gravity anomaly of Lainan sag

5 結論

(1) 將航空重力測量引進并應用于我國的地質調查與基礎地質研究, 為我國海陸結合帶勘探空白區的地質研究提供了有效的手段, 對許多長期迷惑或推斷的地質難題的解決具有重要意義。

(2) 利用航空重力資料分析了郯廬斷裂系在渤海南部的空間幾何形態, 確定了郯廬主斷裂和西支斷裂的具體位置, 填補了以往研究工作中郯廬斷裂系在該區的具體分布問題。郯廬斷裂系(渤海段)是由一系列斷裂組成的復雜構造帶, 其東支為郯廬主斷裂, 西支構成該斷裂系的西部邊界, 二者之間發育斷裂構造及其控制的中新生代斷陷; 該斷裂系不僅具有走滑扭動性質, 而且具有明顯的拉張特征。

(3) 利用航空重力資料識別解釋了構造樣式和構造單元, 新發現萊南凹陷, 并對其它構造單元進行了不同程度的修正, 對該區今后的基礎地質研究和油氣資源勘探等必將產生積極的影響。

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Tectonic Geometry of Tan-lu Faults in the Bohai Sea and Its Adjacent Areas Viewed from Airborne Gravity

LI Wen-yong, ZHOU Jian-xin, XIONG Sheng-qing, GUO Zhi-hong, XU Jian-chun, ZHOU Xi-hua, AN Zhan-feng, LI Bing, LUO Feng
China Aero Geophysical Survey and Remote Sensing Center for Land and Resources, Beijing 100083

Based on the airborne gravimetric data obtained from the first test in China, the authors studied the tectonic geometry of the Tanlu faults in the onshore-offshore transitional area of the western and southern part of the Bohai Sea and its adjacent areas. As a result, some conclusions have been reached: (1)the two obvious NNE-trending gravity anomaly gradient belts in the southern and western parts of the Bohai Sea are the dividing lines of different regional gravity fields, which respectively correspond to the east Tanlu fault(dominant fault)and the west Tanlu fault; (2)there are mainly the NE-NNE striking gravity anomaly gradient belts on the east side of the Tanlu fault, and the intercrossed NW, NE-NNE and near EW-striking gravity anomaly gradient belts on the west side of the Tanlu fault, which show different structural frameworks on the east side and the west side; (3)different assemblages of gravity anomaly blocks and gradient belts reflect three types of structural styles, namely, stretching, compression and torsion; (4)different gravity anomaly areas, subareas and blocks reflect different sedimentary-structural characteristics, which correspond to different structural units.

airborne gravimetry; tectonic geometry; Tanlu faults; Bohai Sea and adjacent areas

P631.125; P542.3

A

1006-3021(2010)04-549-08

本文由國家重大科技攻關專項(編號: GZH200200301)資助。

2010-02-26; 改回日期: 2010-04-13。

李文勇, 男, 1966年生。博士, 教授級高工。主要從事構造地質與地球物理等研究工作。E-mail: liwy66@163.com。