夏玲燕, 林暢松, 李筱, 胡悅
(1.中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(北京)海洋學(xué)院,北京 100083; 2.中國(guó)自然資源航空物探遙感中心,北京 100083)
蓮花山斷裂帶是廣東境內(nèi)發(fā)育的一條NE向斷裂帶,為政和—大埔深大斷裂(又稱(chēng)麗水—海豐斷裂)南段,是華南陸域重要的地質(zhì)構(gòu)造分界線,普遍認(rèn)為是印支期的板塊縫合帶,代表古洋殼俯沖消亡的位置,同時(shí)也是古基底隆起區(qū)與晚中生代火山—沉積盆地的分界線[1-3]。自燕山期以來(lái)該斷裂帶活動(dòng)強(qiáng)烈,對(duì)廣東地區(qū)中新生代的構(gòu)造特征及地貌、地形有明顯的控制作用。多年來(lái)學(xué)者們采用地質(zhì)、地球物理等資料對(duì)其展布和性質(zhì)開(kāi)展了大量的研究,尤其是在南海海域的延伸進(jìn)行了探討。基于研究資料和研究側(cè)重點(diǎn)的不同,對(duì)于蓮花山斷裂在廣東及在相鄰海域的延伸位置等存在不同的認(rèn)識(shí)。部分學(xué)者認(rèn)為蓮花山斷裂向西南方向的延伸終止于入海口,并未延伸至海域[4-6]。部分學(xué)者認(rèn)為該斷裂延伸至南海北部,但是對(duì)于具體的延伸位置有不同的看法,郭令智等[7]將蓮花山斷裂帶由萬(wàn)山群島經(jīng)珠江口盆地至海南島東南海域; 張莉等[8]認(rèn)為此帶大致沿萬(wàn)山群島東南側(cè)經(jīng)珠江口盆地珠三坳陷延伸至瓊東南盆地,直至越南東部海岸; 王霄飛等[9]將此斷裂作為南海北部珠江口盆地與瓊東南盆地的分界; 熊盛青等[10]認(rèn)為該斷裂帶經(jīng)陽(yáng)江入海延伸至海南島北側(cè)。
作為海洋地質(zhì)專(zhuān)項(xiàng)重點(diǎn)研究海域,近年來(lái)中國(guó)自然資源航空物探遙感中心在華南沿海陸域及南海地區(qū)開(kāi)展了大面積高精度航磁調(diào)查和高分辨率遙感影像解譯,這為研究深大斷裂帶在陸域展布、是否在海域延伸以及具體延伸位置提供了良好的基礎(chǔ)。
本文充分發(fā)揮遙感和航磁多源數(shù)據(jù)優(yōu)勢(shì),以蓮花山斷裂帶作為研究對(duì)象,在陸域主要利用遙感影像對(duì)斷裂的構(gòu)造特征進(jìn)行解譯和分析,并結(jié)合重、磁和地質(zhì)資料進(jìn)行驗(yàn)證; 在海域主要采用1: 10萬(wàn)高精度航磁數(shù)據(jù)分析地殼深部結(jié)構(gòu),結(jié)合重力、地震等資料判斷蓮花山斷裂帶在海域的延伸。最終綜合遙感、磁力多源數(shù)據(jù)揭示蓮花山斷裂在廣東及相鄰海域的空間展布特點(diǎn),為廣東地質(zhì)災(zāi)害預(yù)防和南海北部油氣勘探提供依據(jù)。
蓮花山斷裂帶是政和—大埔斷裂帶南段,長(zhǎng)約350 km,是華南著名的深大斷裂帶,地貌上表現(xiàn)為地壘山系,具有多旋回活動(dòng)的基本特征。燕山運(yùn)動(dòng)和早期的地質(zhì)構(gòu)造運(yùn)動(dòng)在蓮花山斷裂帶表現(xiàn)為強(qiáng)烈的擠壓應(yīng)力,該斷裂帶在陸域表現(xiàn)為一條強(qiáng)烈的擠壓破碎帶,地表見(jiàn)由120多條NE,NEE,NW和EW向斷裂組成。早期沿?cái)嗔褞Оl(fā)生的塊斷運(yùn)動(dòng)使蓮花山塊斷上升,后期燕山運(yùn)動(dòng)使該斷裂帶發(fā)生強(qiáng)烈的熱動(dòng)力變質(zhì),喜山期運(yùn)動(dòng)進(jìn)一步疊加了新生代變形和動(dòng)力變質(zhì),并塑造了挽近時(shí)期的山貌[11]。斷裂帶內(nèi)廣泛發(fā)育糜棱巖帶、糜棱巖化帶、壓碎角礫巖帶和片理帶等。該斷裂還是一條重要的巖漿巖活動(dòng)帶(圖1),中生代以來(lái),尤其是中侏羅世以來(lái),中酸性巖漿發(fā)生了多次裂隙式多中心的間歇性噴發(fā)及巖漿侵位,沿?cái)嗔褞в?00多個(gè)侵入巖體。沿?cái)嗔褞в袦厝扇撼蓭Х植?,也有地震活?dòng)[12]。
圖1 廣東省蓮花山斷裂帶區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造簡(jiǎn)圖(據(jù)參考文獻(xiàn)[11]修改)Fig.1 Simplified regional tectonic map of the Lianhuashan fault zone in Guangdong Province
宏觀的地表信息可間接反映深部地質(zhì)特征,遙感影像因可直觀解讀地表地形、地貌而成為解讀區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造特征的重要依據(jù)。本文采用ETM+數(shù)據(jù)進(jìn)行斷裂構(gòu)造特征的解譯,ETM+影像單景面積大,分辨率適中,其波段組合的假彩色影像適合中小比例尺遙感地質(zhì)解譯。其波長(zhǎng)覆蓋可見(jiàn)光、近紅外、短波紅外和熱紅外等多個(gè)波譜范圍,具體參數(shù)見(jiàn)表1。 本文對(duì)所收集的ETM+數(shù)據(jù)進(jìn)行配準(zhǔn)、鑲嵌、增強(qiáng)、融合等處理,其中的增強(qiáng)采用B7(R),B4(G),B2(B)波段組合進(jìn)行假彩色合成,并與全色波段融合,最終得到15 m空間分辨率的多光譜彩色ETM+影像。
表1 Landsat7衛(wèi)星的ETM+波段特征Tab.1 Data features of Landsat ETM+
出露地表或隱伏的斷裂,往往都會(huì)因?yàn)閿嗔蜒诱剐螒B(tài)、活動(dòng)特征、兩側(cè)地貌等不同在遙感影像上顯示出各種標(biāo)志特征,它主要表現(xiàn)為標(biāo)志物的大小、幾何形態(tài)、色調(diào)深淺(灰階)、圖斑紋理結(jié)構(gòu)、微地貌類(lèi)型等[13-14],因此建立斷裂構(gòu)造帶的遙感解譯標(biāo)志是在遙感影像中識(shí)別斷裂構(gòu)造的重要環(huán)節(jié)。蓮花山斷裂帶為區(qū)域深大斷裂,對(duì)第三紀(jì)及第四紀(jì)的沉積有明顯的控制作用[15],造成斷裂帶兩側(cè)地形、地貌和地層巖性等有明顯差異。本文建立的解譯標(biāo)志包括色調(diào)標(biāo)志、圖斑紋理結(jié)構(gòu)標(biāo)志和微地貌類(lèi)型標(biāo)志。色調(diào)異常表現(xiàn)為色調(diào)線或帶、色調(diào)分界線、不同色暈類(lèi)型、環(huán)形色帶等。圖斑紋理特征一般為圖斑紋理分界線,主要取決于地表發(fā)育的水系切割類(lèi)型,而這些水系切割類(lèi)型又往往取決于下覆基巖性質(zhì)與斷裂構(gòu)造活動(dòng)狀況等。地貌上發(fā)育深切的“V”型、“U”型溝谷或弧形溝谷,中低山、平緩丘陵、錐狀山體、饅頭狀山峰、平直山脊線以及斷層三角面或斷層崖等也是判斷地質(zhì)構(gòu)造特征的標(biāo)志。
蓮花山斷裂帶在遙感影像圖上束狀線性特征清晰顯著,主體呈NE向線性隆起,斷裂帶兩側(cè)色調(diào)差異明顯,邊界平直,是規(guī)模較大的斷裂??傮w地貌特征為南北兩條主斷裂夾持的頂部呈尖棱狀山脈,沿?cái)嗔褞С0l(fā)育NE向直線型河流,兩側(cè)為低丘和平原,體現(xiàn)了燕山期強(qiáng)烈的地殼運(yùn)動(dòng)形成典型的塊斷造山。在廣東省東南部發(fā)育著2支NE-SW向主干斷裂,北支的主斷裂沿五華、龍村、惠陽(yáng)、深圳、珠江口沒(méi)入南海,南支的主斷裂自豐順、揭西、海豐沒(méi)入南海(圖2(a)),2條主干斷裂夾持多條NE,NEE向規(guī)模較小的次級(jí)斷裂,常被NW向斷裂錯(cuò)斷,在揭西、豐順、惠東幾處規(guī)模較大的NW向走滑斷裂錯(cuò)段山脊,斷距達(dá)十幾km,伴隨有“L”型河流發(fā)育。由于植被覆蓋稠密,蓮花山脈呈綠色,地貌上東部發(fā)育深切“V”型溝谷,沿?cái)嗔寻l(fā)育有直立陡崖或斷層三角面,西部地勢(shì)略平坦,但至海域萬(wàn)山島、伶仃島等島嶼仍呈NE向條帶狀正地形,說(shuō)明燕山期劇烈的地殼運(yùn)動(dòng)劇烈導(dǎo)致斷裂帶隆起,抬升幅度自東向西逐漸變緩。航磁異常圖上,該束狀線性隆起帶對(duì)應(yīng)近似平行的兩條NE走向,寬約20 km的磁異常線性梯度帶,沿西南方向向海域延伸。該斷裂帶為不同磁場(chǎng)特征的分界線,斷裂帶西北側(cè)為正負(fù)變化磁場(chǎng)背景場(chǎng)中發(fā)育NE向串珠狀磁異常,其東南側(cè)為平靜負(fù)背景場(chǎng)中發(fā)育團(tuán)塊狀正磁異常帶,往東部變成雜亂且磁性高的尖刺狀磁異常。在重力場(chǎng)圖上,斷裂帶西北側(cè)主要為NE向重力異常,東南側(cè)為NEE向重力異常,上延10 km這種界限特征依然很明顯[8],反映斷裂切割深度較大。東莞東部野外地質(zhì)調(diào)查發(fā)現(xiàn),NE向斷層斷至基底,后期擠壓推覆使斷層上盤(pán)前寒武變質(zhì)塊體直接覆蓋在中生代沉積砂巖之上(圖3),重、磁資料和野外調(diào)查驗(yàn)證了遙感解譯的正確性。
(a) 蓮花山斷裂帶地質(zhì)解譯(b) B7(R),B4(G),B2(B)假彩色合成影像
圖2廣東蓮花山斷裂帶ETM+影像及線環(huán)構(gòu)造遙感解譯簡(jiǎn)圖
Fig.2ETM+imageandremotesensinginterpretationoflinearandcircularstructuresfortheLianhuashanfaultzoneinGuangdongProvince
圖3 蓮花山北部主干斷裂野外照片F(xiàn)ig.3 Field photo of the north main branch of Lianhuashan fault
蓮花山斷裂帶在燕山期活動(dòng)強(qiáng)烈,中生代發(fā)生多次的巖漿的侵入和間歇性的噴發(fā),沿?cái)嗔褞Т笠?guī)模發(fā)育中酸性巖漿巖和火山巖[16]。在遙感影像圖上可見(jiàn)多個(gè)圓形或近似環(huán)形影像,其內(nèi)發(fā)育放射狀洼地,在地貌上表現(xiàn)為孤立的近似圓形凸起山峰或漏斗狀凹坑,推斷為火山機(jī)構(gòu)。斷裂帶內(nèi)大面積分布中酸性侵入巖和中性—中基性火山巖,侵入巖主要為花崗閃長(zhǎng)巖、二長(zhǎng)花崗巖等,火山巖多為英安巖、安山巖[17-18]。在遙感影像上侵入巖體呈深褐色調(diào),邊界清晰,周?chē)脖徊话l(fā)育。經(jīng)野外查證惠東縣黃埠鎮(zhèn)周?chē)雎洞竺娣e沿NE向斷裂侵入的巖體(圖4(a)),巖性為灰白色微?!?xì)粒角閃二長(zhǎng)花崗巖(圖4(b)),與遙感影像圖上深紅褐色色調(diào)影像位置完全吻合(圖5),證明了解譯的正確性。從影像圖中發(fā)現(xiàn)沿蓮花山斷裂帶,東部深紅褐色調(diào)影像出現(xiàn)頻率和面積大于西部,與野外地質(zhì)調(diào)查花崗巖出露規(guī)律明顯具有一致性,說(shuō)明沿蓮花山斷裂帶自西向東巖漿活動(dòng)逐漸增強(qiáng)?;洊|大面積出露為白堊紀(jì)花崗巖,形成年代晚于粵西,花崗巖巖性多為灰白色中?!?xì)粒二長(zhǎng)花崗巖,巖石中暗色礦物含量明顯增多,磁性比西部強(qiáng),磁化率達(dá)1 000~3 000×10-5SI,在磁場(chǎng)圖上表現(xiàn)為串珠狀磁異常。
(a) 蓮花山斷裂黃埠鎮(zhèn)段巖漿巖侵入野外照片(b) 花崗巖野外照片
圖4蓮花山斷裂帶巖漿巖侵入野外照片
Fig.4FieldphotoofLianhuashanfaultandrockinstrusion
圖5 黃埠鎮(zhèn)花崗巖遙感影像特征Fig.5 Granite remote sensing image features of Huangpu Town
實(shí)踐證明磁測(cè)方法是有效識(shí)別斷裂,特別是深大斷裂的地球物理方法之一,斷裂構(gòu)造一般發(fā)生在性質(zhì)、結(jié)構(gòu)不同的地質(zhì)體邊界線附近,此外地質(zhì)體在經(jīng)受斷裂作用以后,在斷裂兩側(cè)的地質(zhì)體常發(fā)生空間位置上的變動(dòng),斷裂帶附近的物質(zhì)結(jié)構(gòu)也往往發(fā)生變化。這些地質(zhì)體結(jié)構(gòu)、物質(zhì)和空間位置上的變化較容易被磁法測(cè)量所記錄,最常見(jiàn)的就是產(chǎn)生磁性的降低而形成的負(fù)異常帶; 當(dāng)具磁性物質(zhì)(主要指巖漿活動(dòng))沿?cái)嗔亚秩耄瑒t會(huì)形成帶狀或者串珠狀正異常區(qū); 在斷裂兩盤(pán)地質(zhì)體發(fā)生水平位移時(shí),經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)磁異常的錯(cuò)動(dòng)。此外還有最為常見(jiàn)的磁場(chǎng)梯度帶,也是斷裂的主要表現(xiàn)形式之一。
本文海域磁力資料采用中國(guó)自然資源航空物探遙感中心歷年實(shí)測(cè)航磁數(shù)據(jù),經(jīng)正常場(chǎng)改正、調(diào)平和網(wǎng)格拼接,最終形成網(wǎng)格間距為1 km×1 km磁力異常數(shù)據(jù)(圖6)。為消除低緯度地區(qū)斜磁化影響,更好地突出磁性體和地質(zhì)體間的對(duì)應(yīng)關(guān)系,采用全變傾角化極方法對(duì)網(wǎng)格數(shù)據(jù)進(jìn)行了化極處理(圖7)。
圖6 南海北部及鄰區(qū)原始磁異常圖Fig.6 Magnetic anomaly of the northern South China Sea and neighboring areas
圖7 南海北部及鄰區(qū)化極磁異常圖Fig.7 RTP magnetic anomaly of the northern South China Sea and neighboring areas
蓮花山斷裂為深大斷裂,為突出區(qū)域背景場(chǎng)特征,在對(duì)原始磁場(chǎng)數(shù)據(jù)進(jìn)行化極的基礎(chǔ)上,還采用快速傅里葉變換算法,在頻率域進(jìn)行了向上延拓處理。經(jīng)過(guò)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn),向上延拓10 km的磁場(chǎng)特征(圖8)基本上能較更好地反映區(qū)域深部地質(zhì)構(gòu)造特征,有利于圈定深大斷裂的構(gòu)造位置。
圖8 南海北部及鄰區(qū)化極上延10 km磁異常圖Fig.8 Upward continuation of RTP magnetic anomaly(height 10 km)of the northern South China Sea and neighboring areas
從化極圖上來(lái)看,蓮花山斷裂帶自廣東入海呈NE向展布,表現(xiàn)為一條明顯的強(qiáng)磁異常梯度帶,異常強(qiáng)度為100~300 nT,上延10 km后依然顯示清晰。對(duì)該異常帶進(jìn)行深度計(jì)算,異常源深度達(dá)2~3 km,鉆井均見(jiàn)到花崗巖和火山巖,反映在海域該斷裂帶巖漿活動(dòng)依然十分強(qiáng)烈。與陸域相比蓮花山斷裂帶在海域磁異常梯度變化更加劇烈,達(dá)50 nT/km,且沿西南方向逐漸變緩。根據(jù)化極磁異常梯度帶走向可以看出,沿陸域延伸至海域的南北兩條主干斷裂被多組NW向斷裂錯(cuò)段,北部斷裂自深圳、澳門(mén)南入海沿西南向延伸至珠江口盆地北部,截至于NW向神弧—一統(tǒng)暗沙斷裂。南部斷裂自海豐、香港南穿過(guò)珠江口盆地、西沙海槽延伸至海南島東南部。從原始磁場(chǎng)圖上看,斷裂帶兩側(cè)磁場(chǎng)面貌明顯不同,西部為劇烈變化的正負(fù)磁異常區(qū),發(fā)育有NE和NW向串珠狀磁異常帶,與雷瓊地區(qū)正負(fù)交替雜亂的磁場(chǎng)面貌相同,東部為平靜的負(fù)磁異常區(qū),基本反映出珠江口盆地坳陷的展布形態(tài)。
珠江口盆地是在伸展性大陸邊緣上發(fā)育的以新生代沉積為主的大型沉積盆地,蓮花山斷裂帶是南海北部重要的斷裂帶,在早古生代加里東期已具雛形,印支—燕山期、喜山期均有活動(dòng),對(duì)盆地的構(gòu)造格局有重要影響[16-17]。斷裂兩側(cè)磁場(chǎng)特征的明顯差異表明兩側(cè)的基底性質(zhì)不同,斷裂西北側(cè)異常幅度較大,寬度較小,反映了磁性基底隆起的磁場(chǎng)特征。東南側(cè)異常幅度較小,寬度相對(duì)較大表明磁性基底下降明顯,尤其存在較多的區(qū)域負(fù)異常所反映的凹陷(恩平凹陷、西江凹陷)和次級(jí)凹陷。通過(guò)對(duì)磁性基底的深度計(jì)算,斷裂兩側(cè)深度相差3~4 km(圖9),從地震剖面圖也可看出斷裂兩側(cè)基底深度有巨大落差(圖10)。斷裂西北側(cè)的隆起區(qū)侵入巖發(fā)育,多表現(xiàn)為較強(qiáng)的磁異常帶,這些異常帶在該斷裂附近多被截止或明顯減弱,表明斷裂對(duì)深源巖漿活動(dòng)有明顯的控制作用。該斷裂對(duì)NEE向斷裂構(gòu)造控制明顯,在盆地北部多條NEE東向斷裂在該斷裂附近終止,表明該斷裂切割較深,對(duì)深部構(gòu)造有較強(qiáng)的控制作用。綜合上述分析,蓮花山斷裂對(duì)盆地的構(gòu)造格局有控制作用,是珠江口盆地一級(jí)控盆深斷裂。
圖9 珠江口盆地磁性基底深度圖Fig.9 Magnetic basement distribution of the Pearl River Mouth Basin
圖10 珠江口盆地蓮花山斷裂構(gòu)造特征圖(位置見(jiàn)圖9中測(cè)線A-A′)Fig.10 Characteristics of the Lianhuashan fault of the Pearl River Mouth Basin(for the location,see Fig.9)
本文利用遙感和航磁數(shù)據(jù)等多源數(shù)據(jù)對(duì)蓮花山斷裂在廣東陸域及南海海域的延伸進(jìn)行了研究,充分發(fā)揮遙感影像和航磁等資料不同研究資料的優(yōu)勢(shì),對(duì)蓮花山斷裂帶對(duì)地表地貌的控制和對(duì)深部地質(zhì)構(gòu)造的影響展開(kāi)分析。在陸域采用ETM+遙感影像解譯了蓮花山斷裂帶的幾何分布、花崗巖侵入和地貌構(gòu)造等特點(diǎn),并結(jié)合重磁資料及野外調(diào)查加以驗(yàn)證。在海域使用最新高精度大比例尺航磁資料進(jìn)行深部地質(zhì)構(gòu)造解析,厘定了蓮花山斷裂南北兩條主干斷裂在南海的延伸以及對(duì)南海北部珠江口盆地的地質(zhì)構(gòu)造特征的影響。
1)ETM+遙感影像顯示,蓮花山斷裂帶在廣東地區(qū)總體呈NE向束裝線性影像帶,具有明顯的線性特征和色調(diào)差異,自大埔縣經(jīng)蓮花山山脈分為南北兩支幾乎平行的主干斷裂,并朝西南方向延伸入海,其間分布多條NE,NEE和NW向次級(jí)斷裂。斷裂帶主體為呈尖棱狀山脈,兩側(cè)為低丘和平原,沿?cái)嗔褞С0l(fā)育NE向直線型河,受NW向走滑斷裂影響,山脊常被錯(cuò)斷并伴隨形成“L”型河流。東部多發(fā)育深切的“V”型溝谷、直立陡崖或斷層三角面,西部地勢(shì)略平坦,總體呈東陡西緩。
2)遙感ETM+B7(R),B4(G),B2(B)影像上,呈綠色隆起山脈中夾雜大小不一的深紅褐色團(tuán)塊狀斑狀紋理,推斷為燕山期花崗巖侵入巖體。深紅褐色影像發(fā)育和出露面積明顯東部大于西部,說(shuō)明沿蓮花山斷裂帶自西向東燕山期巖漿侵入逐漸增強(qiáng)。
3)磁場(chǎng)特征顯示,蓮花山斷裂帶自廣東呈NE向入南海顯示為強(qiáng)磁異常梯度帶,北支斷裂延伸至珠江口盆地北側(cè),南支斷裂穿過(guò)珠江口盆地直至海南島東南側(cè),其間被多條NW向斷裂錯(cuò)段。斷裂兩側(cè)磁場(chǎng)面貌差異明顯,西北側(cè)類(lèi)似于雷瓊地區(qū)正負(fù)交替雜亂的磁場(chǎng)特征,東南側(cè)為基本反映珠江口盆地面貌的負(fù)背景場(chǎng)。與斷裂帶對(duì)應(yīng)的磁異常梯度帶變化劇烈,通過(guò)磁異常深度計(jì)算和鉆井驗(yàn)證,蓮花山斷裂帶在海域巖漿活動(dòng)依然強(qiáng)烈,沿?cái)嗔褞秩霂r和火山巖十分發(fā)育。
4)蓮花山斷裂對(duì)珠江口盆地的構(gòu)造格局有重要影響,其一表現(xiàn)在斷裂兩側(cè)基底性質(zhì)不同,從磁異常特征來(lái)看斷裂西北側(cè)反映了基底隆起,東南側(cè)基底下降明顯,斷裂兩側(cè)磁性基底深度相差3~4 km,東南側(cè)區(qū)域負(fù)異??梢钥闯鏊从车陌枷菡共夹螒B(tài); 其二表現(xiàn)在斷裂西北側(cè)的隆起區(qū)發(fā)育的侵入巖在蓮花山斷裂附近多被截止或明顯減弱,表明斷裂對(duì)深源巖漿活動(dòng)有明顯的控制作用,同時(shí)該斷裂對(duì)盆地北部NEE向斷裂構(gòu)造控制明顯。充分說(shuō)明該斷裂是切割較深,對(duì)深部構(gòu)造有較強(qiáng)的控制作用,是珠江口盆地一級(jí)控盆深斷裂。
志謝: 感謝研究過(guò)程中中國(guó)自然資源航空物探遙感中心段朋教授、陳玲高工和付長(zhǎng)亮高工給予的技術(shù)指導(dǎo)和幫助!