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“長(zhǎng)江深斷裂帶”的構(gòu)造性質(zhì):深地震反射證據(jù)

2015-05-12 00:58呂慶田劉振東董樹文嚴(yán)加永張永謙
地球物理學(xué)報(bào) 2015年12期
關(guān)鍵詞:斷裂帶剖面成礦

呂慶田, 劉振東, 董樹文, 嚴(yán)加永, 張永謙

1 中國(guó)地質(zhì)科學(xué)院地球物理地球化學(xué)勘查研究所,河北廊坊 0650002 中國(guó)地質(zhì)科學(xué)院地球深部探測(cè)中心, 北京 1000373 中國(guó)地質(zhì)科學(xué)院礦產(chǎn)資源研究所,國(guó)土資源部成礦作用與資源評(píng)價(jià)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 北京 100037

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“長(zhǎng)江深斷裂帶”的構(gòu)造性質(zhì):深地震反射證據(jù)

呂慶田1,2, 劉振東3, 董樹文2, 嚴(yán)加永3, 張永謙3

1 中國(guó)地質(zhì)科學(xué)院地球物理地球化學(xué)勘查研究所,河北廊坊 0650002 中國(guó)地質(zhì)科學(xué)院地球深部探測(cè)中心, 北京 1000373 中國(guó)地質(zhì)科學(xué)院礦產(chǎn)資源研究所,國(guó)土資源部成礦作用與資源評(píng)價(jià)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 北京 100037

長(zhǎng)江深斷裂帶自上世紀(jì)50年代提出以來,因其在區(qū)域控巖、控礦、工程地質(zhì)和災(zāi)害地質(zhì)研究中的重要意義,一直受到廣泛關(guān)注和研究,但由于缺乏深部資料,對(duì)長(zhǎng)江深斷裂帶的構(gòu)造性質(zhì)、空間展布眾說紛紜.本文通過分析穿過長(zhǎng)江河床及兩岸的六條深地震反射剖面,討論了長(zhǎng)江中下游成礦帶及長(zhǎng)江深斷裂帶的構(gòu)造性質(zhì)及演化,獲得如下認(rèn)識(shí): (1)長(zhǎng)江中下游成礦帶是燕山期的陸內(nèi)俯沖帶,上地殼發(fā)生強(qiáng)烈擠壓變形,以大型逆沖、疊瓦、褶皺和推覆構(gòu)造為特征;下地殼及巖石圈地幔俯沖或疊置到相鄰塊體之下,在寧蕪火山巖盆地和沿江凹陷下形成了“鱷魚嘴”構(gòu)造. (2)白堊紀(jì)以來,長(zhǎng)江深斷裂帶(CJF)由一系列拆離斷層組成,大致沿長(zhǎng)江河床分布.該斷裂帶在燕山期陸內(nèi)造山階段為一組逆沖斷裂,伸展垮塌階段反轉(zhuǎn)為正斷層或拆離斷層,同時(shí)控制了沿江凹陷的形成和演化.(3)陸內(nèi)俯沖或疊置導(dǎo)致地殼加厚、拆沉,引發(fā)大規(guī)模巖漿活動(dòng).“鱷魚嘴”構(gòu)造或是溝通深部巖漿向上遷移的主要通道,控制了沿江成礦巖漿巖的分布.正是這種特殊的深部過程和構(gòu)造特征,導(dǎo)致了燕山期長(zhǎng)江中下游地區(qū)的大規(guī)模成巖、成礦作用.

長(zhǎng)江深斷裂帶; 長(zhǎng)江中下游成礦帶; 深地震反射; 偏移剖面; 陸內(nèi)俯沖帶

1 引言

“長(zhǎng)江深斷裂帶”又稱“長(zhǎng)江大斷裂”或“長(zhǎng)江破碎帶”.最早提出該斷裂帶是在1958年,原地質(zhì)部航空物探大隊(duì)902隊(duì),根據(jù)武漢至鎮(zhèn)江段的航磁異常分析,認(rèn)為沿長(zhǎng)江河床方向存在一條區(qū)域性斷裂(或破裂帶)1)地質(zhì)部航測(cè)大隊(duì)902隊(duì),1958,長(zhǎng)江中下游地區(qū)T式(ACTM-25型)1956—1957年航空磁測(cè)總結(jié)報(bào)告..1965年,地質(zhì)部江蘇省地質(zhì)局2)地質(zhì)部江蘇省地質(zhì)局主編,1965,南京幅大地構(gòu)造說明書.基于上述資料,認(rèn)為由安慶經(jīng)蕪湖、南京至鎮(zhèn)江,沿長(zhǎng)江存在斷裂,并稱之為“長(zhǎng)江破碎帶”(或下?lián)P子破碎帶).隨后,在中國(guó)地質(zhì)科學(xué)院主編的《中國(guó)大地構(gòu)造基本特征》一書中,將其稱為“下?lián)P子破碎帶”;1970年,江蘇省重工業(yè)局區(qū)測(cè)隊(duì)完成的《1∶20萬區(qū)域地質(zhì)調(diào)查報(bào)告》(揚(yáng)州幅),將其稱為“長(zhǎng)江大斷裂”;1977年,安徽省地質(zhì)局區(qū)域地質(zhì)調(diào)查隊(duì)完成的《1∶20萬區(qū)域地質(zhì)調(diào)查報(bào)告》(南京幅)中也引用了“長(zhǎng)江破碎帶”這一名稱.

由于該斷裂帶在區(qū)域構(gòu)造研究、控巖、控礦和重大工程建設(shè)方面的重要意義,在過去幾十年間,一直得到廣大地質(zhì)學(xué)家、礦床學(xué)家和工程地質(zhì)專家的關(guān)注和研究.工程地質(zhì)和地震地質(zhì)專家因沿江城市建設(shè)的需要,更多關(guān)注該斷裂帶從南京到鎮(zhèn)江和鎮(zhèn)江以東的延伸情況及活動(dòng)特征(秦大正等,1983;李起彤等,1984),在空間位置上,甚至直接將“長(zhǎng)江破碎帶”等同于“幕府山-焦山斷裂”(侯康明等,2007).礦床地質(zhì)學(xué)家則關(guān)注該斷裂帶的西段,認(rèn)為以長(zhǎng)江深斷裂為主干的帶狀網(wǎng)絡(luò)構(gòu)造系統(tǒng)控制了成礦帶的成巖、成礦作用(劉湘培等,1988;翟裕生等,1992);構(gòu)造地質(zhì)學(xué)家認(rèn)為整個(gè)長(zhǎng)江中下游地區(qū)為一褶皺-逆沖構(gòu)造帶,大致以長(zhǎng)江為界,江北呈現(xiàn)出由NW向SE運(yùn)動(dòng)的逆沖推覆構(gòu)造特征,江南則表現(xiàn)由SE向NW運(yùn)動(dòng)的逆沖推覆構(gòu)造特征,總體上形成對(duì)沖的構(gòu)造格局(張開均和施央申,1996;朱光等,1999;王鵬程等,2012).

關(guān)于“長(zhǎng)江深斷裂帶”的性質(zhì)眾說紛紜,有學(xué)者認(rèn)為它是自晚中生代以來的大陸裂谷帶(秦大正等,1983);也有學(xué)者認(rèn)為它是一條古老基底剪切帶,可能是由其南、北兩側(cè)有顯著差異的基底所代表的兩個(gè)不同地體拼貼而形成.平面上表現(xiàn)為近東西(北西西)和北東(北北東)方向兩組斷裂構(gòu)成的巨型“鋸齒狀”斷裂帶(劉湘培等,1988);還有學(xué)者認(rèn)為它是經(jīng)過長(zhǎng)時(shí)間發(fā)展,最后形成于中生代的具有深斷裂性質(zhì)的破碎帶(常印佛等,1991).在空間展布上,有學(xué)者認(rèn)為“長(zhǎng)江深斷裂”分別由懷寧—全椒斷裂南西段、桐城—銅陵斷裂的礬山—銅陵段和東流—馬鞍山斷裂的北東段而組成(唐永成等,1998).作者注意到,自從長(zhǎng)江深斷裂帶提出以來,由于缺乏深部直接探測(cè)數(shù)據(jù),不僅對(duì)該斷裂帶的構(gòu)造性質(zhì)存在爭(zhēng)議,而且對(duì)其空間展布和形成機(jī)制也存在諸多爭(zhēng)議和不確定性.

在深部探測(cè)專項(xiàng)(SinoProbe)、地質(zhì)調(diào)查項(xiàng)目和國(guó)家重點(diǎn)基金的資助下,作者自2009至2014年間,在長(zhǎng)江中下游多個(gè)地段開展了深地震反射探測(cè)研究,多條剖面完整地跨過了長(zhǎng)江深斷裂帶,這為研究該斷裂帶的結(jié)構(gòu)、性質(zhì)和演化提供了難得的機(jī)會(huì).本文利用這些深地震反射剖面,對(duì)長(zhǎng)江中下游地區(qū)的地殼結(jié)構(gòu)和變形進(jìn)行了分析,對(duì)“長(zhǎng)江深斷裂帶”的空間展布、構(gòu)造性質(zhì)進(jìn)行了推斷.文章最后還討論了長(zhǎng)江中下游成礦帶和“長(zhǎng)江深斷裂帶”的動(dòng)力學(xué)演化,以及其對(duì)成礦帶成巖、成礦的控制作用.

2 區(qū)域構(gòu)造地質(zhì)背景

長(zhǎng)江中下游成礦帶位于我國(guó)東部,是我國(guó)最重要的成礦帶之一.北西以襄樊—廣濟(jì)深斷裂、郯廬斷裂為界,南東以江南斷裂為界,總體上呈北西狹窄、北東寬闊的“V”字型形態(tài)(圖1,常印佛等,1991).構(gòu)造上,長(zhǎng)江中下游成礦帶屬于華南板塊的一部分,基底構(gòu)成復(fù)雜,區(qū)域上具有“一蓋多底”的特點(diǎn)(常印佛等,1996),從南到北可能有四種基底,即中元古代“江南式”基底,晚太古代至中元古代的“崆嶺—董嶺式”基底,中元古代的“神農(nóng)式”和新元古代“張八嶺式”基底.王文斌等(1996)基于區(qū)域中生代侵入巖中長(zhǎng)石的Pb同位素和Nd同位素模式年齡,認(rèn)為基底包含了幾個(gè)晚太古代-古元古代和中元古代塊體.

震旦紀(jì)之后全區(qū)形成了統(tǒng)一沉積蓋層.震旦系—志留系為穩(wěn)定的陸表海碳酸鹽巖、碎屑巖相沉積.加里東運(yùn)動(dòng)使區(qū)域隆升成陸,缺失下、中泥盆統(tǒng);海西期又開始接受沉積,形成了上泥盆統(tǒng)-下三疊統(tǒng)的碎屑巖、碳酸鹽巖和海陸交互含煤系建造,其間劇烈的升降運(yùn)動(dòng)形成了多個(gè)平行不整合面,造成下石炭統(tǒng)部分地層缺失.中三疊世受華南板塊與華北板塊碰撞的影響,區(qū)域構(gòu)造發(fā)生了重大變化,區(qū)域沉積環(huán)境從海洋逐漸轉(zhuǎn)向大陸環(huán)境.中三疊統(tǒng)下部普遍出現(xiàn)含膏鹽碳酸鹽巖沉積,之后開始大規(guī)模褶皺隆升,至中侏羅世發(fā)育陸相碎屑巖沉積(常印佛等,1996).

區(qū)域構(gòu)造格局主要受兩次構(gòu)造運(yùn)動(dòng)影響,一次是印支期的華南板塊與華北板塊的碰撞造山,另一次是發(fā)生在中、晚侏羅紀(jì)(燕山期)的陸內(nèi)造山.后者使區(qū)域構(gòu)造體制發(fā)生了重大變革,由近東西向的陸-陸碰撞構(gòu)造體制轉(zhuǎn)換為北東向的俯沖構(gòu)造體制(董樹文等,2007;張?jiān)罉虻龋?009;徐先兵等,2009).燕山期的陸內(nèi)構(gòu)造運(yùn)動(dòng)對(duì)長(zhǎng)江中下游地區(qū)產(chǎn)生廣泛影響,沿廣濟(jì)—襄樊?dāng)嗔?,大別山南側(cè)三疊紀(jì)的藍(lán)片巖高壓變質(zhì)帶逆沖在中侏羅系之上(董樹文等,2005);反射地震剖面揭示這條斷裂深切地殼和上地幔,表現(xiàn)了晚侏羅世陸內(nèi)造山的特征(Dong et al.,2004).Lü et al.(2015a)認(rèn)為燕山期的陸內(nèi)構(gòu)造運(yùn)動(dòng)是一期持續(xù)時(shí)間短、強(qiáng)度很大的陸內(nèi)造山運(yùn)動(dòng),它不僅徹底改造了印支期形成的構(gòu)造格架,還在長(zhǎng)江中下游地區(qū)導(dǎo)致陸內(nèi)俯沖和大規(guī)模巖漿活動(dòng).正是由于強(qiáng)烈的陸內(nèi)造山和隨后的快速伸展垮塌,形成了長(zhǎng)江中下游成礦帶“隆”、“凹”相間的構(gòu)造格局,發(fā)生了豐富多彩的成巖、成礦作用.隆起區(qū)(如銅陵、寧鎮(zhèn)、貴池等礦集區(qū))發(fā)育一套高鉀鈣堿性巖石系列,形成了以矽卡巖-斑巖型銅、鐵、金礦床為主的成礦系統(tǒng);凹陷區(qū)(如寧蕪、廬樅等礦集區(qū))發(fā)育了一套橄欖安粗巖巖石系列,形成了以“玢巖”鐵、硫礦床為主的成礦系統(tǒng)(常印佛等,1991;唐永成等,1998;周濤發(fā)等,2008).

沿江地區(qū)由于伸展盆地和第四系覆蓋,大部分地區(qū)的變形構(gòu)造不清.但從出露地層的變形特征看,無論是元古-古生界海相地層,還是晚三疊世-中侏羅世的陸相地層,都遭受了強(qiáng)烈的NW向擠壓變形,發(fā)育大規(guī)模的逆沖和疊瓦構(gòu)造,強(qiáng)烈改造了三疊紀(jì)前陸地層,顯示陸內(nèi)造山的痕跡.大致以長(zhǎng)江為界,江北以由NW向SE運(yùn)動(dòng)的逆沖推覆構(gòu)造為特征,江南則以由SE向NW運(yùn)動(dòng)的逆沖推覆構(gòu)造為特征,總體上構(gòu)成對(duì)沖的構(gòu)造格局(朱光等,1999).

3 反射地震數(shù)據(jù)

3.1 反射地震數(shù)據(jù)采集

近年,作者利用國(guó)家深部探測(cè)專項(xiàng)(SinoProbe)、地質(zhì)調(diào)查項(xiàng)目和國(guó)家自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目在長(zhǎng)江中下游地區(qū)進(jìn)行了多尺度、多層次的綜合地球物理探測(cè)(呂慶田等,2014;Lü et al., 2015b).其中在成礦帶和礦集區(qū)尺度上,部署了多條深地震反射和高分辨率地震反射剖面.成礦帶尺度上的深地震反射以地殼結(jié)構(gòu)為主要探測(cè)目標(biāo),采取跨越成礦帶不同構(gòu)造單元的“廊帶式”探測(cè)方案;礦集區(qū)尺度上的高分辨率地震反射以上地殼精細(xì)結(jié)構(gòu)為主要探測(cè)目標(biāo),兼顧地殼深層信息,采取多條剖面交叉部署的探測(cè)方案.兩個(gè)尺度上的探測(cè)在采集參數(shù)上略有差異,如激發(fā)井深、藥量和檢波器間距等(詳見呂慶田等,2014).作者從這些剖面中選擇6條跨越、或部分跨越長(zhǎng)江及兩岸基巖的反射地震剖面或剖面的一部分,作為本研究的基礎(chǔ)數(shù)據(jù),剖面位置見圖1,它們分別是跨越寧蕪礦集區(qū)的NW-11-01和NW-11-03剖面片段,廬樅礦集區(qū)與銅陵礦集區(qū)的LZ-09-02和TL-11-01剖面,以及長(zhǎng)江中下游中段的DB-12-01和DB-12-02剖面(圖1).

圖1 長(zhǎng)江中下游地區(qū)地質(zhì)簡(jiǎn)圖及深地震反射剖面位置圖(據(jù)Lü et al., 2015a修改)

反射地震數(shù)據(jù)分別采集于2009年11月至2014年間,分別由中石化西南石油局云南物探公司和中石化河南石油勘探局地球物理勘探公司完成,均使用法國(guó)生產(chǎn)的SN428XL數(shù)字地震儀,具體采集參數(shù)參見呂慶田等(2014)文章的詳細(xì)介紹.由于經(jīng)費(fèi)限制,長(zhǎng)江中下游中段的兩條剖面DB-12-01和DB-12-02,檢波距和炮間距分別變更為50 m和250 m,加上該剖面遇到江面較寬、水網(wǎng)發(fā)育,造成覆蓋次數(shù)明顯降低,信噪比較差(見后面討論).

由于沿剖面巖性變化較大,造成激發(fā)和接收十分困難.為此,作者在數(shù)據(jù)采集中分別采用了多種措施以提高地震資料的品質(zhì).比如,根據(jù)不同地震地質(zhì)條件逐點(diǎn)設(shè)計(jì)激發(fā)因素,有利于提高單炮品質(zhì)的一致性;結(jié)晶巖區(qū)采用“軸向不耦合激發(fā)、寬頻接收”(陳明春等,2015)和“鉆后下藥、滯后激發(fā)”等措施,既增加了激發(fā)下傳能量,又有效地保護(hù)了高頻成分,拓寬了有效信號(hào)頻帶,提高了地震資料的信噪比和分辨率.作者還在LZ-09-02和TL-11-01剖面上采用“寬線接收”,有效提高了疊加次數(shù)和信噪比.通過這些措施的實(shí)施,在地震地質(zhì)條件復(fù)雜的結(jié)晶巖地區(qū)獲得了相對(duì)高品質(zhì)的深地震反射數(shù)據(jù).

3.2 地震反射數(shù)據(jù)處理

雖然采取了各種措施有效提高了地震數(shù)據(jù)采集的品質(zhì),但由于沿江地區(qū)人口眾多、工業(yè)發(fā)達(dá),工業(yè)噪聲、交通干擾、礦業(yè)活動(dòng)等對(duì)數(shù)據(jù)質(zhì)量產(chǎn)生嚴(yán)重影響,這是后續(xù)數(shù)據(jù)處理中需要特別關(guān)注的問題之一.除了噪聲外,深地震反射的數(shù)據(jù)處理還面臨更多挑戰(zhàn),主要包括:(1)、地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜,不均勻性強(qiáng),一般很難滿足水平層狀介質(zhì)條件;(2)、地形條件復(fù)雜,剖面多穿過山區(qū),除了采集施工困難外,炮點(diǎn)和檢波點(diǎn)不在同一水平面上;(3)、地表地震地質(zhì)條件多變,激發(fā)可能在不同巖性中實(shí)現(xiàn),造成單炮之間一致性較差;近地表速度變化較大,獲取準(zhǔn)確的靜校正速度十分困難;(4)探測(cè)深度大,目標(biāo)層反射信息弱.因此,深地震反射數(shù)據(jù)處理要求更加精細(xì),每一步都要求反復(fù)試驗(yàn),不僅是不同方法的試驗(yàn),還包括參數(shù)的選擇試驗(yàn)等.

數(shù)據(jù)處理使用CGG、OMEGA、Promax和部分自行開發(fā)的軟件進(jìn)行.在對(duì)野外數(shù)據(jù)質(zhì)量進(jìn)行分析的基礎(chǔ)上,認(rèn)為影響資料處理質(zhì)量的主要問題有:靜校正、信噪比低、頻率問題、不同激發(fā)條件造成的資料振幅、相位不一致問題、低降速層造成的地震子波拉伸畸變、偏移及參數(shù)選擇等.針對(duì)上述問題,對(duì)幾個(gè)關(guān)鍵處理環(huán)節(jié)采取了針對(duì)性的技術(shù).包括:層析靜校、多域聯(lián)合去噪、地表一致性預(yù)測(cè)反褶積、DMO和疊前時(shí)間偏移等.經(jīng)過反復(fù)的方法選擇和參數(shù)測(cè)試,形成了適合長(zhǎng)江中下游地區(qū)深地震反射的處理流程,詳細(xì)描述見Lü等(2013).主要處理步驟包括:靜校正、幾何補(bǔ)償、多域去噪、反褶積、速度分析、剩余靜校、DMO、疊加和偏移.為便于清楚識(shí)別反射地震相的空間特征,作者使用Li等(1997)提出的句法模式識(shí)別方法,將疊前時(shí)間偏移剖面轉(zhuǎn)換為反射線條圖,供地質(zhì)解釋之用.

4 沿江地區(qū)的地殼結(jié)構(gòu)與變形

根據(jù)反射同相軸的密度、形態(tài)、傾向、連續(xù)性和相互之間的交叉關(guān)系,可將長(zhǎng)江中下游地區(qū)的反射地殼結(jié)構(gòu)大致分為三層(Lü et al., 2013, 2015a):反射密集多變的上地殼(0~4.0 s),反射密集、大尺度變形的中地殼(4.0~7.0 s)和反射相對(duì)稀疏、以傾斜反射為主的下地殼(7.0~11.0 s TWT).上地殼與中下地殼之間存在明顯的滑脫層,上地殼的變形基本上都發(fā)生在此面以上,與中地殼變形存在明顯解耦.中、下地殼之間雖然很難看到明顯的界線,但二者之間明顯的反射差異可以推測(cè)存在一個(gè)物性變化界面,使中、下地殼在變形過程中解耦,這個(gè)界面大致與地殼的脆型到韌性的轉(zhuǎn)換界面對(duì)應(yīng),約21km(張國(guó)民等,2002).根據(jù)華南區(qū)域地層、構(gòu)造地質(zhì)及巖性特征研究(朱光等, 1999; Yan et al., 2003; Xiao and He, 2005)和對(duì)上地殼構(gòu)造層的分析(唐永成等,1998),區(qū)域滑脫層可能存在于古元古與中元古之間、中元古與震旦系之間的構(gòu)造界面,以及早寒武系、古早志留系頁巖層.Lü等(2013)認(rèn)為,上、中地殼之間的滑脫層主要發(fā)生在震旦系粉砂巖和頁巖層,局部可能發(fā)生在早志留系頁巖層.下面分別討論各層的精細(xì)結(jié)構(gòu)和變形特征.

4.1 上地殼結(jié)構(gòu)與變形

穿過馬鞍山的NW-11-01剖面是信噪比較高的剖面,從CDP點(diǎn)5000到10000之間的結(jié)構(gòu)特征代表了長(zhǎng)江中下游地區(qū)上地殼結(jié)構(gòu)的總體面貌.可以看到,在河床沉積之下上地殼呈現(xiàn)蜿蜒起伏的“波浪”式反射結(jié)構(gòu),反射清晰、橫向可追蹤對(duì)比.比如從沿江凹陷到寧蕪火山巖盆地(CDP5500至6900),出現(xiàn)完整的“波浪”式反射(圖2、圖3),“波長(zhǎng)”寬約18~20 km.長(zhǎng)江河床對(duì)應(yīng)“波谷”,深可達(dá)6 km(TWT 3 s,按盆地平均速度4 km·s-1計(jì)算).仔細(xì)觀察“波谷”區(qū)的反射,反射同相軸三處被明顯錯(cuò)斷(圖3),至少可以識(shí)別出三組斷裂,這三組斷裂形成半個(gè)“花狀”結(jié)構(gòu),在深部交匯在一起.作者認(rèn)為這三組斷裂是長(zhǎng)江深斷裂帶的主要組成部分,將其命名為CJF1、CJF2、CJF3.值得注意的是,這三組斷裂至少在上地殼沒有形成明顯的反射,以垂直錯(cuò)斷多組反射同相軸為特征,并一直延伸到中地殼,交匯于中地殼的巨型傾斜剪切帶(圖3中MT-1).

圖2 NW-11-01深地震反射偏移剖面片段(a)、地質(zhì)圖(b)及地質(zhì)解釋圖(c)

NW-11-01剖面CDP點(diǎn)從7100到8500之間(圖2),呈現(xiàn)出不對(duì)稱的“波谷”式反射,寬約28 km,在其下方可以清楚看到一個(gè)完整的逆沖地塊(見圖2中F).在F地塊的左側(cè)有一組清晰的、向上“逆沖”的反射,一直可以追蹤到地表,但在上地殼反射逐漸消失,造成上地殼反射同相軸錯(cuò)斷.作者將這組斷裂命名為主逆沖斷裂(Major thrust fault, MTF),它至少由兩組斷裂組成,分別為MTF1和MTF2.MTF與相鄰中地殼的傾斜剪切構(gòu)造(MT-1)及CJF構(gòu)成兩組清晰的巨型逆沖斷裂,從地表一直延伸到中地殼,并與下地殼的大尺度、長(zhǎng)距離“斜坡(ramp)”構(gòu)造組成地殼級(jí)“鱷魚嘴”構(gòu)造(圖2).沿剖面繼續(xù)向東,CDP點(diǎn)從9000到10100,又呈現(xiàn)“波峰”式反射,寬約22 km(圖2中G);在“波谷”和“波峰”之間存在局部的斷裂和沖斷構(gòu)造,造成反射同相軸不連續(xù)或錯(cuò)斷.總體上,上地殼蓋層變形以大尺度變形為特征,形成了地殼尺度的褶皺(背斜和向斜)、逆沖或疊瓦.

在寧蕪南側(cè)的NW-11-03剖面片段上(圖4),上地殼的變形樣式?jīng)]有變化,同樣表現(xiàn)出“波浪”式反射特征,寬度約20 km,“波谷”深度達(dá)3.5 s(約10.5 km,按地殼平均速度6.0 km·s-1計(jì)算),褶皺“振幅”較NW-11-01剖面更大.同樣道理,根據(jù)反射同相軸錯(cuò)斷情況,可以識(shí)別出長(zhǎng)江深斷裂帶的位置和垂向延伸情況(圖4).與NW-11-01剖面不同,長(zhǎng)江深斷裂帶(CJF)在這條剖面上斷層面傾向發(fā)生了變化,與MTF呈“對(duì)沖”狀態(tài),二者之間的中地殼物質(zhì)卷入到上地殼的變形中,形成巨型“背斜”構(gòu)造.但仍可看到MTF與下地殼的傾斜反射構(gòu)成“鱷魚嘴”形態(tài).兩條相距不足100 km的剖面上,長(zhǎng)江深斷裂帶中上地殼變形出現(xiàn)了明顯變化,可能的解釋是:(1)構(gòu)造變形的區(qū)域不均勻性.伸展階段變形相對(duì)較弱,仍保留了完整的擠壓構(gòu)造形態(tài);或(2)斷裂帶的構(gòu)造演化過程隨位置而變化,造成深斷裂帶的樣式隨空間而變化.如果是這樣,可以推測(cè)兩條剖面之間或存在一條較大的NW-SE向斷裂.

銅陵南側(cè)的TL-11-01剖面(圖5)是另外一條信噪比較高的剖面.上地殼“波浪”式褶皺和斷裂構(gòu)造形態(tài)十分清楚,可以準(zhǔn)確識(shí)別出沿江凹陷的構(gòu)造輪廓和隱伏在其下的長(zhǎng)江深斷裂帶的位置和形態(tài),它們呈現(xiàn)出滑脫面之上犁式拆離斷層的特點(diǎn),并對(duì)沿江凹陷的形成與演化起到控制作用.廬樅LZ-09-02剖面的東南段(圖6),展示出長(zhǎng)江深斷裂帶逆沖-推覆構(gòu)造的精細(xì)形態(tài),形成了標(biāo)準(zhǔn)的雙重構(gòu)造(Duplex),并展示了逆沖-推覆與廬樅斷陷盆地之間的構(gòu)造關(guān)系,古生代-中生代地層沿此構(gòu)造被逆沖推覆到長(zhǎng)江西岸,區(qū)域上形成沿江重力高值帶.

長(zhǎng)江中下游中段的兩條剖面DB-12-01和DB-12-02(圖7,圖8),上地殼表現(xiàn)出大致相同的反射特征和構(gòu)造形態(tài),但在上地殼細(xì)結(jié)構(gòu)上有所差異,褶皺似乎變得更加緊閉(圖8).由于這兩條剖面的疊加次數(shù)較低,加上河床較寬,偏移剖面信噪比明顯低于其它剖面.盡管如此,仍可大致識(shí)別出“波峰”與“波谷”的大致形態(tài),以及長(zhǎng)江深斷裂帶(CJF)和主逆沖斷裂帶(MTF)的位置.

4.2 中、下地殼結(jié)構(gòu)與變形

中地殼深度大約在12 km到21 km之間(從4.0到7.0 s TWT),是地殼從脆性變形到塑性變形的過渡帶,在變形過程中起到承上啟下的作用.中地殼變形總體以大尺度、塊狀變形為特點(diǎn),與上地殼變形呈不耦合狀態(tài).比如NW-11-01剖面CDP點(diǎn)7100到8100之間(圖2),上地殼呈現(xiàn)不對(duì)稱向斜構(gòu)造,而中地殼則為逆沖相關(guān)背斜構(gòu)造;CDP點(diǎn)9000到10100之間,上地殼為大尺度背斜構(gòu)造,中地殼為傾向NW的多級(jí)疊瓦構(gòu)造.這種不耦合特征在TL-12-01、DB-12-01和DB-12-02剖面都可以看到,只是變形方式略有差異.但也有例外,如在NW-11-03剖面CDP點(diǎn)6000到8000之間,中地殼的基底變形與上地殼基本同步,都表現(xiàn)為擠壓背景下的“背斜”構(gòu)造.

相對(duì)于上地殼而言,中地殼變形更多以大尺度、塊體整體變形為特征,如在NW-11-01剖面上出現(xiàn)菱形塊體E、F、H等,這些塊體之間往往出現(xiàn)巨型剪切帶(圖2).這些特征在NW-11-03、DB-12-01和DB-12-02剖面上也十分明顯.相對(duì)于下地殼的反射,中地殼反射樣式更加多樣,既有反映擠壓變形的逆沖、疊瓦和雙重構(gòu)造,也有反映伸展的“脹縮”(pinch-and-well)和“香腸”構(gòu)造,與下地殼相對(duì)單一的流動(dòng)變形形成鮮明對(duì)照.

下地殼(7.0~11.0 s,TWT)反射出現(xiàn)兩種模式,一是單斜模式,二是“對(duì)沖”模式.典型的單斜模式出現(xiàn)在NW-11-01剖面上,下地殼出現(xiàn)多組NW傾斜的強(qiáng)反射.從茅山斷裂開始,這些強(qiáng)反射從中地殼一直延伸到寧蕪盆地的上地幔(圖2),并導(dǎo)致寧蕪火山巖盆地和長(zhǎng)江深斷裂帶之下Moho面多處錯(cuò)斷.這些NW傾斜的反射與NE傾斜的MTF反射和CJF反射相交于中地殼,構(gòu)成地殼異常的“鱷魚嘴”構(gòu)造,反映出在擠壓過程中地殼內(nèi)部發(fā)生了拆離、解耦變形.中、下地殼出現(xiàn)拆離的深度位于中、下地殼的分界(約21 km,TWT 7.0 s),這一深度位于中國(guó)東部現(xiàn)今地震震源深度底界(19.0 km)之下約2.0 km(張國(guó)民等,2002),應(yīng)該是地殼內(nèi)部剛性強(qiáng)度最小的深度,物質(zhì)處于塑性流動(dòng)狀態(tài).

另外一種模式是“對(duì)沖”模式,在NW-11-03和TL-11-01剖面表現(xiàn)得非常清楚,大致以長(zhǎng)江深斷裂為界,西側(cè)的下地殼反射向南東(SE)傾斜,東側(cè)的下地殼反射向北西(NW)傾斜,形成負(fù)向“對(duì)沖”形態(tài).下地殼的反射有多種成因,如基性-超基性巖底侵(e.g. Warner, 1990; Pratt et al., 1993)形成的波組抗差異;局部熔融的巖漿體(e.g. Jarchow et al., 1993),流動(dòng)變形引起的剪切帶(e.g.Brown and Juhlin, 2006)和流體圈閉層(Hyndman, 1988).除非下地殼反射延伸到地表,一般很難判斷下地殼反射的性質(zhì)和成因(Mooney and Meissner, 1992),要結(jié)合區(qū)域構(gòu)造演化、地表巖漿活動(dòng)等其它地質(zhì)證據(jù)進(jìn)行綜合判斷.本文發(fā)現(xiàn)的下地殼反射,具有水平延伸距離長(zhǎng),垂向跨度大(從中地殼一直延伸到上地幔)等特點(diǎn),很難用基性巖漿底侵、局部熔融、流體等成因解釋,作者認(rèn)為這些下地殼反射由剪切帶引起,反映了下地殼和巖石圈發(fā)生陸內(nèi)俯沖的深部過程(Lü et al. 2015a).而在寧蕪火山巖盆地下地殼出現(xiàn)的另一組水平反射則是由基性巖漿底侵引起的.下地殼的單斜反射模式和“對(duì)沖”模式,可以解釋為同一動(dòng)力學(xué)過程中相鄰兩地塊下地殼的不同變形方式,“對(duì)沖”構(gòu)造或反映相向俯沖或“負(fù)向”擠壓增厚.

圖6 LZ-09-02深地震反射偏移剖面東南段(a)及地質(zhì)解釋圖(b)

圖7 DB-12-01深地震反射偏移剖面片段(a)及地質(zhì)解釋圖(b)

圖8 DB-12-02深地震反射偏移剖面片段(a)及地質(zhì)解釋圖(b)

Moho反射在所有剖面上清晰可見,最淺處雙程走時(shí)(TWT)不到10.0 s,最深處不到12 s(TWT),大致對(duì)應(yīng)深度在29.0 km至35 km之間(時(shí)深轉(zhuǎn)換速度按6 km·s-1).銅陵TL-11-01線以北Moho面普遍較淺,而江南隆起和大別造山帶Moho逐漸加深(見圖7、8).Moho面結(jié)構(gòu)總體比較單一,除了在寧蕪盆地和長(zhǎng)江河床之下有錯(cuò)斷外(圖2),基本處于緩慢變化,表明后期伸展作用對(duì)Moho面進(jìn)行了強(qiáng)烈改造.在NW-11-03、TL-11-01和DB-12-01剖面上,還可以看到Moho的“對(duì)沖”結(jié)構(gòu),仍然保留有俯沖階段的變形痕跡.

5 關(guān)于“長(zhǎng)江深斷裂帶”的討論

深地震反射剖面可以看出,沿長(zhǎng)江河床一線確實(shí)存在一組地殼級(jí)的斷裂帶,作者將其主干斷裂定義為長(zhǎng)江深斷裂(CJF);緊鄰長(zhǎng)江深斷裂帶東側(cè),存在另外一組地殼級(jí)的斷裂帶,作者將其定義為主逆沖斷裂帶(MTF).這兩組斷裂帶與下地殼的單斜構(gòu)造、負(fù)向“對(duì)沖”構(gòu)造,構(gòu)成了長(zhǎng)江中下游地區(qū)特殊的“鱷魚嘴”構(gòu)造,反映了一種獨(dú)特的陸內(nèi)動(dòng)力學(xué)過程,即“陸內(nèi)俯沖過程”.

上世紀(jì)70年代,Oxburgh(1972)在研究東阿爾卑斯時(shí)已經(jīng)注意到這種構(gòu)造形態(tài),被撕裂的巖石圈上地殼遠(yuǎn)距離推覆,形成異地地體(稱為“巖片”,flakes);與之相應(yīng)的下地殼和巖石圈地幔沉入到地幔中.DEKORP Research Group et al.(1990)在總結(jié)德國(guó)大陸深地震反射計(jì)劃(DECORP)成果時(shí)發(fā)現(xiàn),“鱷魚嘴”構(gòu)造作為一種典型的造山帶反射模式,不僅出現(xiàn)在歐洲的華力西(Variscan)造山帶,還出現(xiàn)在更為年輕的阿爾卑斯(Alps)、比利牛斯(Pyrenees)(Roure et al., 1989)造山帶中.讓人更為驚奇的是在北美大陸內(nèi)部白堊紀(jì)的拉拉米(Laramide)造山帶和古老的格林維爾(Greenville)造山帶中也出現(xiàn)這種構(gòu)造(Brown et al., 1986).越來越多的證據(jù)表明,“鱷魚嘴”構(gòu)造的形成與大陸地殼的強(qiáng)烈擠壓和碰撞造山密不可分,但不是所有強(qiáng)烈擠壓都會(huì)發(fā)生“鱷魚嘴”構(gòu)造,從大陸的剛性強(qiáng)度分析,地殼內(nèi)部的滑脫帶(拆離帶)是殼內(nèi)的薄弱帶,為發(fā)生“鱷魚嘴”構(gòu)造的先決條件,這些“薄弱帶”在破裂過程中又被“強(qiáng)化”,形成富含空隙、水的軟弱帶,在地震上形成很好的反射.

“鱷魚嘴”構(gòu)造會(huì)受到后期構(gòu)造運(yùn)動(dòng)的改造,在下地殼熱、伸展剪切作用下,“下鄂”構(gòu)造會(huì)受到破壞或改造,尤其是在造山帶伸展跨塌階段,造成下地殼結(jié)構(gòu)、尤其是Moho結(jié)構(gòu)的再調(diào)整與平衡(Klemperer et al., 1986),這也就是為什么,除了在穩(wěn)定的克拉通內(nèi)部和穩(wěn)定的造山帶,很少發(fā)現(xiàn)巖石圈上地幔的反射.

實(shí)際上,很早就有作者注意到,長(zhǎng)江中下游地區(qū)可能出現(xiàn)上、下地殼拆離的現(xiàn)象(即‘鱷魚嘴’構(gòu)造).Li (1994)在研究華南與華北碰撞構(gòu)造時(shí)提出了“地殼拆離”模式(Crustal Detachment Model),他認(rèn)為中三疊世開始華南板塊與華北板塊碰撞,華南板塊上、下地殼在兩板塊碰撞過程中拆離,上地殼逆沖在華北板塊上,向北推覆了400多公里,而下地殼在南京(東西向)附近俯沖到華北的地殼之下.仔細(xì)對(duì)比Li(1994)的模式與本文的“陸內(nèi)俯沖帶”模式,二者有很大不同:

(1) 時(shí)間不同.Li(1994)強(qiáng)調(diào)華南板塊上、下地殼拆離發(fā)生在印支期華南板塊與華北板塊的陸陸碰撞;而本文則認(rèn)為,“鱷魚嘴”構(gòu)造形成于燕山期的陸內(nèi)造山,原因可能與古太平洋板塊的擠壓應(yīng)力的遠(yuǎn)程效應(yīng)有關(guān).印支期的陸陸碰撞造山和燕山期的陸內(nèi)造山是兩期性質(zhì)不同的造山運(yùn)動(dòng)(Lü et al.,2015).

(2) 性質(zhì)不同.前者的模式仍是發(fā)生在兩大板塊的邊界,而本文的模式是發(fā)生在大陸內(nèi)部塊體之間,類似于北美大陸內(nèi)部白堊紀(jì)的拉拉米(Laramide)造山帶的巨型地殼逆沖構(gòu)造,它離板塊邊界有近千公里(Brewer et al., 1980).當(dāng)然二者有沒有關(guān)系,或者前者是否為后者創(chuàng)造了先決條件,需要更多的資料加以驗(yàn)證.

作者注意到,在寧蕪火山巖盆地下地殼上部,還有一組水平反射,范圍僅限于寧蕪火山巖盆地范圍,反映了后期伸展運(yùn)動(dòng)的存在;加上廣泛發(fā)育在長(zhǎng)江中下游地區(qū)的凹陷盆地,可以推測(cè)在“鱷魚嘴”構(gòu)造形成后,整個(gè)地區(qū)又發(fā)生了伸展和構(gòu)造垮塌.從以上對(duì)沿江地區(qū)構(gòu)造的分析和地震剖面的解譯,作者大致將長(zhǎng)江深斷裂帶的構(gòu)造演化分解為兩個(gè)階段:

(1) 擠壓造山期階段.燕山期或受古太平洋板塊的NW向擠壓,華南板塊發(fā)生了廣發(fā)的地殼大規(guī)模變形,上地殼形成了大規(guī)模沖斷、疊瓦和雙重構(gòu)造;在揚(yáng)子與華北板塊邊界附近的長(zhǎng)江中下游地區(qū),由于古老的華北克拉通的強(qiáng)烈阻攔,大致沿長(zhǎng)江一線發(fā)生小規(guī)模造山運(yùn)動(dòng),上地殼形成由若干巨型逆沖和逆沖相關(guān)褶皺組成的推覆構(gòu)造帶,下地殼和巖石圈地幔俯沖到相鄰塊體巖石圈之下、或疊瓦增厚.這時(shí)的長(zhǎng)江深斷裂或是其中一條或幾條逆沖斷裂.

(2) 伸展垮塌階段.隨著區(qū)域構(gòu)造體制從擠壓到伸展(大致發(fā)生在早白堊世),沿江造山帶開始垮塌,增厚的“山根”拆沉,軟流圈上隆,引發(fā)進(jìn)一步的伸展和巖漿活動(dòng).擠壓階段的逆沖構(gòu)造反轉(zhuǎn)為正斷層,長(zhǎng)江深斷裂帶(CJF)控制了沿江凹陷的形成與演化,主逆沖斷裂帶(MTF)及其它逆沖斷裂也成為溝通巖漿從深部到地表的主要通道.

6 結(jié)論

通過對(duì)多條跨越長(zhǎng)江河床及兩側(cè)的深地震反射剖面的地質(zhì)解釋、分析和對(duì)比,作者對(duì)長(zhǎng)江深斷裂帶及長(zhǎng)江中下游成礦帶的構(gòu)造性質(zhì)進(jìn)行了研究,得出以下結(jié)論:

(1) 長(zhǎng)江中下游成礦帶構(gòu)造上是一個(gè)燕山期形成的陸內(nèi)俯沖帶,上地殼發(fā)生強(qiáng)烈擠壓變形,下地殼和巖石圈地幔發(fā)生陸內(nèi)俯沖,形成了類似于碰撞板塊邊緣的“鱷魚嘴”構(gòu)造,即中上地殼發(fā)生向上逆沖、推覆,一個(gè)塊體的上地殼逆沖到相鄰塊體之上;下地殼和巖石圈地幔俯沖沉入到相鄰塊體巖石圈之下.在隨后的區(qū)域伸展構(gòu)造變形期,造山帶垮塌,沿“陸內(nèi)俯沖帶”發(fā)生了大規(guī)模、強(qiáng)烈的巖漿活動(dòng),大量幔源物質(zhì)沿MTF和CJF侵入到上地殼,控制了區(qū)域巖漿和成礦帶的分布.

(2) “長(zhǎng)江深斷裂帶”是“陸內(nèi)俯沖帶”中一個(gè)地殼級(jí)斷裂帶,由若干深斷裂組成,經(jīng)歷了從逆沖到正斷層的轉(zhuǎn)換.在燕山期擠壓變形階段,長(zhǎng)江深斷裂帶表現(xiàn)為由若干逆沖斷裂組成的構(gòu)造帶.在早白堊紀(jì)伸展變形階段,長(zhǎng)江深斷裂帶反轉(zhuǎn)為區(qū)域正斷層帶,控制了沿江凹陷的形成和演化,在局部地段控制了巖漿巖的分布.

致謝 感謝國(guó)土資源部科技司、中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局科外部、中國(guó)地質(zhì)科學(xué)院和深部探測(cè)專項(xiàng)辦公室有關(guān)領(lǐng)導(dǎo)對(duì)本研究的大力支持.數(shù)據(jù)采集得到了安徽省國(guó)土資源廳、安徽省地礦局、安徽省地調(diào)院、江蘇省國(guó)土廳及沿線地方各級(jí)政府的大力支持和協(xié)助.吉林大學(xué)的董世學(xué)教授和一些研究生參與了野外采集質(zhì)量監(jiān)控工作;北京派特森科技發(fā)展有限公司的薛愛民、李兵高工參與了數(shù)據(jù)處理,對(duì)他們的支持和辛勤工作表示感謝和致敬.還要感謝滕吉文院士、高銳院士、于晟研究員、王椿鏞研究員、劉啟元研究員、盧民杰研究員、于長(zhǎng)青研究員等專家,他們多次參與野外地震數(shù)據(jù)采集的招投標(biāo)、野外質(zhì)量檢查和驗(yàn)收等工作,對(duì)取得高質(zhì)量的數(shù)據(jù)起到了重要作用.

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(本文編輯 劉少華)

The nature of Yangtze River deep fault zone: Evidence from deep seismic data

Lü Qing-Tian1,2, LIU Zhen-Dong3, DONG Shu-Wen2, YAN Jia-Yong3, ZHANG Yong-Qian3

1InstituteofGeophysicalandGeochemicalExploration,ChineseAcademyofGeologicalSciences,HebeiLangfang065000,China2ChinaDeepExplorationCenter—SinoProbeCenter,ChineseAcademyofGeologicalSciences,Beijing100037,China3MLRKeyLaboratoryofMetallogenyandMineralAssessment,InstituteofMineralResources,ChineseAcademyofGeologicalSciences,Beijing100037,China

Due to its significance both in petro-genesis, metallogenesis, and engineer and environmental geology, the Yangtze River Deep Fault Zone has been the focus of studies since it was first proposed in the fifties of last century. For lacking of deep geophysical data, however, there is little consensus regarding the nature and spatial extension of the fault zone. Using the data from six deep seismic reflection profiles that stride over Yangtze River bed, the authors analysed the crustal structure, deformation and evolution of the middle and lower Yangtze River area and the Yangtze deep fault zone.Results based on the interpretation of deep seismic data include: (1) the middle and lower metallogenic belt is an intro-continental subduction zone formed during Yanshanian period, the middle and upper crust were strongly deformed, and characterized by a series of mega-thrust,nappe and thrust-related folds; the lower crust and lithosphere mantle was subducted or stacked beneath the adjacent block, forming a crustal “crocodile” structure beneath the Ningwu volcanic area and along-River depression; (2) since the Cretaceous, the Yangtze River fault zone consist of series of detachments, which extends approximately along the Yangtze River bed. In the compressional regime, the fault zone might be a group of thrust fault, and inversed to normal faults or detachments while the tectonic regime shifted from compression to extension, and thus control the formation and evolution of along-River depression; (3) the intro-continental subduction or crustal stacking lead to the thickening and thus delamination of the crustal root, which induce a large scale magmatism.The “crocodile” structure might have played a major role in channeling deep magma to the upper crust, controlling the distribution of along-River igneous rock. Just because of this special deep process and structure, a large scale magmatism and related metallogenesis occurred in the middle and lower Yangtze River region during the Yanshanian period.

Yangtze River deep fault zone; Middle and lower Yangtze metallogenic belt; Deep seismic reflection; Migrated seismic section; Intro-continental subduction zone

國(guó)家地質(zhì)調(diào)查項(xiàng)目(1212011220243,1212011220244),國(guó)家“深部探測(cè)技術(shù)與實(shí)驗(yàn)研究”專項(xiàng)第3項(xiàng)目(SinoProbe-03)和國(guó)家自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目(40930418)聯(lián)合資助.

呂慶田,男,1964年生,研究員,博士生導(dǎo)師,主要從事資源深部探測(cè)和金屬礦勘查技術(shù)方法研究.E-mail:lqt@cags.ac.cn

10.6038/cjg20151202.

10.6038/cjg20151202

P541,P315

2015-07-17,2015-09-19收修定稿

呂慶田, 劉振東, 董樹文等. 2015. “長(zhǎng)江深斷裂帶”的構(gòu)造性質(zhì):深地震反射證據(jù).地球物理學(xué)報(bào),58(12):4344-4359,

Lü Q T, Liu Z D, Dong S W, et al. 2015. The nature of Yangtze River deep fault zone: Evidence from deep seismic data.ChineseJ.Geophys. (in Chinese),58(12):4344-4359,doi:10.6038/cjg20151202.

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