郯庐断裂带中-南段周边断陷盆地的伸展率和沉降量 郯庐断裂带的地质演变
1.断陷盆地伸展率
盆地构造运动学特征主要表现在基底的水平伸展运动、垂直差异升降运动以及断块体掀斜和翘倾运动(漆家福等,1995),其中基底水平伸展运动为最主要的运动形式。地壳在水平方向的伸展变形强弱程度可以用伸展量E、伸展率e、伸展系数β和伸展速率v等参数来定量化表示。设剖面上地壳的原始长度为L0,经过时间为t(Ma)的伸展变形后,长度变为L1,则:
郯庐断裂带演化对两侧盆地石油地质条件的控制与影响
图3-5 合肥盆地主要东西向断层活动速率演变直方图
式中:E(伸展量)表示剖面上盆地基底(滑脱面之上的地壳)伸长的总量;e(伸展率)表示单位长度的基底的伸长量,常以百分数表示;v(伸展速率)表示单位基底长度在单位地质时间内的伸展长度,为方便起见,这里统一采用单位m/(Ma·km)。
(1)郯庐断裂带营潍段旁侧凹陷的伸展率
郯庐断裂带营潍段南部的潍北凹陷、青东凹陷、莱州湾凹陷和黄河口凹陷在古近纪主要是南北方向伸展(表3-2,表3-3,表3-4,图3-6),它们新生代的总伸展量为5.4~8.6km,伸展率为27.4%~30.2%,其中孔店组-沙河街组四段沉积时期伸展量占整个新生代伸展量的69.1%~95.0%,新近纪的伸展量占整个新生代伸展量3.6%~30.9%。从伸展速率看(图3-6),孔店组-沙河街组四段沉积时期的递进伸展速率为0.11~0.40km/Ma;沙河街组三段沉积时期,潍北凹陷伸展作用停止,其他三个凹陷的递进伸展速率为0.18~0.42km/Ma,黄河口凹陷最大;沙河街组二段、一段和东营组沉积时期的伸展速率整体偏低,为0~0.08km/Ma,但在新近纪的递进伸展速率又略有增大,0.02~0.14km/Ma。
位于断裂带北部的辽东湾中北地区(剖面号为LZ293,LZ255)浅层次地壳新生代伸展量为10.2~13.4km,伸展率为26%左右,伸展作用从沙河街组三段沉积时期开始,沙河街组三段和东营组沉积时期是该区伸展作用两个强烈发生时期,这两个时期的伸展量占整个新生代伸展量的86.8%~90.5%。从伸展速率看,沙河街组三段沉积时期最高,递进水平伸展速率为0.9~1.45km/Ma;其次是沙河街组一段、二段和东营组沉积时期,递进伸展速率为0~0.86km/Ma,新近纪伸展速率最低(0~0.06km/Ma)。
介于它们之间的渤中(渤中1070、过PL19-3、PL7-1-1剖面)和辽东湾南部(剖面号LZ102)地区,新生代具有多向伸展特征。新生代浅层次地壳总伸展量为2.4~12.3km,整个新生代伸展率为3.0%~23.0%,南北方向和近东西方向剖面伸展活动较为强烈,如渤中1070剖面和过PL7-1-1剖面,而北西—南东方向的剖面伸展程度弱,如LZ102。沙河街组三段和东营组沉积时期的伸展量占整个新生代伸展量的34.0%~61.1%,该值较辽东湾中北部地区的86.8%~90.5%明显偏低,相反新近纪伸展量占整个新生代伸展量的比率显著增加,达到5.1%~47.3%,反映新生代营潍断裂带构造活动自两端向中部迁移。伸展速率变化很大,如LZ102和过蓬莱19-3井剖面的整个新生代各地质时期的伸展速率都不超过0.17km/Ma,而渤中1070和过PL7-1-1井的剖面伸展速率较高,最高达到1.33km/Ma。总的来看,渤中和辽东湾南部地区沙河街组二段、一段沉积时期和新近纪的水平伸展速率明显较辽东湾地区、潍北-黄河口地区要高。
总之,渤海湾地区新生代伸展作用方向、主要发生时间和强度都是不同的,南段是南北方向伸展,伸展作用主要发生在孔店组—沙河街组三段沉积时期;中部渤中—辽东湾南部地区具有多向伸展特征,近东西方向和南北方向伸展作用最为强烈,主要伸展作用发生在沙三段至东营组沉积时期,特别是新近纪强烈伸展作用区别于其他地区;辽东湾中北部地区主要是北西—南东方向伸展,主要伸展活动发生在沙河街组三段和东营组沉积时期。
表3-2 郯庐断裂带营潍段典型剖面新生代伸展量数据表
表3-3 郯庐断裂带营潍段典型剖面新生代伸展率变化数据表
续表
图3-6 营潍段旁侧凹陷的伸展量、伸展率、伸展速率演变图
表3-4 郯庐断裂带营潍段典型剖面新生代伸展速率数据表
(2)济阳坳陷新生代伸展活动
根据两条剖面所处的构造位置、地震剖面的解释,对其进行了不同的构造演化阶段划分。对新近纪以前的每一构造演化阶段,运用平衡剖面原理进行了构造运动学分析、断裂发育及活动分析。
1)568测线伸展活动分析。位于济阳坳陷中部的568测线现今剖面总长度为147.16km。该剖面构造发育划分了五个阶段,即馆陶组沉积前、沙三沉积前、沙四沉积前及孔店组沉积前。馆陶组沉积以来,济阳坳陷进入盆地演化的坳陷沉降阶段,岩石圈拉张活动基本停止,所以这一阶段盆地伸展量和伸展率基本为0。沙三至东营组阶段伸展量9.14km,阶段伸展率6.62%,阶段平均伸展速率为3.36m·Ma-1·km-1;沙四段-孔店组阶段伸展量15.87km,阶段伸展率为13.01%,阶段平均伸展速率为5.91m·Ma-1·km-1;可以看出(表3-5),沙三段至东营组期间伸展量显著小于沙四段至孔店组期间的数值,伸展率后者是前者的接近一倍,伸展速率后者也显著快于前者。新生代沉积前原始剖面长度为122.15km,古近纪和新近纪期间伸展量25.01km,古近纪和新近纪总伸展率20.47%,古近记和新近纪内平均伸展速率为4.91m·Ma-1·km-1(图3-7)。
表3-5 济阳坳陷568测线的阶段伸展量、伸展率与伸展速率
图3-7 济阳坳陷568线阶段伸展量、伸展率和伸展速率对比图
通过对该剖面进行断层发育统计分析可知,Ek沉积前剖面上共有断层9条,Es3沉积前剖面上共有断层25条,Ng沉积前剖面上共有断层43条,现今剖面上共有断层44条,即Ek-Es4期间新发育16条断层,Es3-Ed期间新发育18条断层,Ng以来仅新发育1条断层。显而易见,Ek-Es4和Es3-Ed是济阳坳陷地壳拉张、断层发育的两个主要阶段。
2)济阳-昌潍58测线。58测线位于济阳坳陷南部,依次穿越临清坳陷东部、鲁西南隆起和昌潍坳陷,同时横穿郯庐断裂带。58测线全长291.0km,构造发育阶段共划分为五期:Ng-Qp、Es3-Ed、Es4、Ek及前新生代。依据剖面平衡恢复结果计算各阶段的伸展量、伸展率及阶段平均伸展速率(表3-6),可以看出,Ek阶段伸展量和伸展率最大,分别为11.03km和4.11%;Es3-Ed阶段次之,阶段伸展量和伸展率分别为7.69km和2.71%;Es4阶段伸展量和伸展率最小,分别为4.21km和1.51%,但该阶段的平均伸展速率是最大的,达5.03m·Ma-1·km-1。Ek和Es3-Ed阶段相比,前者的平均伸展速率大于后者,分别为2.17m·Ma-1·km-1和1.38m·Ma-1·km-1。58剖面古近-新近纪累积拉张量为22.93km,古近-新近系伸展率8.55%,古近-新近系平均伸展速率2.05m·Ma-1·km-1(图3-8)。
表3-6 济阳坳陷58测线的阶段伸展量、伸展率与伸展速率
图3-8 济阳坳陷L58线段伸展量、伸展率和伸展速率对比图
东西向的58剖面与南北向的568剖面同期对比,可以看出,各个演化阶段东西向的58剖面的伸展率均不足南北向568剖面的1/2,Es3-Ed、Es4-Ek和整个古近-新近系的伸展率,58剖面分别为2.71%、5.68%和8.55%,而568剖面则分别达到了6.62%、13.03%和20.47%。各阶段的平均伸展速率,南北向568剖面亦均大于东西向58剖面一倍以上,Es3-Ed、Es4-Ek和古近-新近系的平均伸展速率,568剖面分别为3.63m·Ma-1·km-1、5.91m·Ma-1·km-1和4.91m·Ma-1·km-1,58剖面仅分别为1.38m·Ma-1·km-1、2.58m·Ma-1·km-1和2.05m·Ma-1·km-1,前者分别是后者的2.62倍、2.29倍、2.40倍。由此可以说明,新生代期间,济阳坳陷南北向拉张强度显著大于东西向,这与济阳坳陷新生代地应力场分布相吻合。沙四段沉积期,区域上为北北西-南南东向强烈拉张,郯庐断裂带发生右行伸展走滑,从而造成济阳坳陷在南北向强烈伸展断陷。
由该剖面断层发育数量统计分析可知,Ek沉积前剖面上共有断层15条,Es4沉积前剖面上共有断层30条,Es3沉积前剖面上共有断层39条,Ng沉积前剖面上共有断层49条,现今剖面上共有断层49条,也就是说,Ek期新发育15条断层,Es4期新发育9条断层,Es3-Ed期间新发育10条断层,Ng以来没有新断层发育。由此可以看出,新生代期间该剖面所穿过地区地壳拉张强度、断层活动性是逐渐减弱的。
(3)伸展率的时空差异
不同地区伸展率的对比可以在剖面上清楚的识别。济阳坳陷L568剖面上(图3-9,图3-10),沙三段至东营组时期伸展量显著小于沙四段至孔店组期间的数值,伸展率后一阶段(13.01%)大于前一阶段(5.62%)接近一倍,伸展速率后一阶段(5.91m·Ma-1·km-1)也显著快于前一阶段(3.36m·Ma-1·km-1)。古近纪的伸展量(25.01km)和伸展率(20.47%)亦均大于中生代(12.55km和11.45%)约一倍,而伸展速率(4.91m·Ma-·km-1)则显著快于中生代,约是中生代(1.05m·Ma-1·km-1)的5倍。该剖面Ek+Es4与Es3+Ed相比,各项伸展参数具有明显差异,伸展率和伸展速率早期明显大于晚期,而断层数晚期大于早期。
图3-9 渤海湾盆地四条剖面不同阶段伸展速率对比图
图3-10 渤海湾盆地四条剖面不同阶段伸展率对比图
济阳坳陷L58测线中Ek阶段伸展量(11.03km)和伸展率(4.11%)最大,Es3-Ed(7.69km,2.71%)阶段次之,Es4阶段伸展量(4.21km)和伸展率(1.51%)最小,但该阶段的平均伸展速率(5.03m·Ma-1·km-1)却是最大的。Ek+Es4和Es3+Ed相比,前者的平均伸展速率(2.58m·Ma-1·km-1)大于后者(1.38m·Ma-1·km-1)。
鲁西隆起LN90-151测线中平均伸展率(5.03%)要比渤海湾盆地内各个坳陷(15%~40%)小得多。尽管鲁西隆起区与渤海湾盆地中新生代共同处于整个中国东部岩石圈强烈伸展的大地构造背景之下,但由于鲁西地块岩石圈相对冷而坚硬,致使该地区中、新生代时期仅发生了相对比较微弱的基底裂陷活动。
临清坳陷馆陶凸起至鲁西隆起LQ-421测线与济阳坳陷L568测线相对比,古近纪阶段的地壳平均伸展率(分别为17.82%和20.47%)、伸展系数(1.18和1.2)以及伸展速率(4.27和4.91)三项参数,数值大小均接近,显示具有较大的拉张强度和一致的变化规律,但由这两条测线中生代的伸展参数对比可以看出,济阳坳陷中生代地壳拉张强度要大于临清坳陷东部。
济阳坳陷内NE向剖面伸展率在孔店-沙四期明显高于北西向剖面(图3-11),这与前文中NW向断层在该时期的活动速率最大相对应。
2.断陷盆地沉降量
(1)营潍断裂带古近纪沉降量分析
按照地层回剥思路分析求出古埋藏深度是分析构造沉降量的常规方法,然后进一步根据均衡原理消除沉积负荷造成的沉降量,就可以得到凹陷的构造沉积量。上述计算过程是按照Watts等(1976)提出的根据现今地层厚度计算沉积量方法编制的构造沉降史模拟软件计算的,计算过程中没有考虑湖盆水体重量和全球海平面升降因素对构造沉降量的影响,也没有考虑局部地层的剥蚀厚度。最终得到的各新生代沉积凹陷的构造沉降量曲线见图3-12。
从营潍断裂带新生代沉积凹陷埋藏史、构造沉降史曲线、沉积速率数据(表3-7)可以得到以下认识:
1)营潍断裂带新生代沉积凹陷形成时代有明显不同,断裂带南段的潍北凹陷、青东凹陷、莱州湾凹陷和黄河口凹陷在孔店组至沙四段沉积时已经形成,中部的渤中凹陷和渤东凹陷和北段的辽中凹陷形成于沙三段沉积时期,辽东凹陷直到渐新世才成为独立的凹陷单元。新生代盆地演化分为古近纪裂陷和新近纪后裂陷两个主要阶段,前者为构造沉降阶段,后者为热沉降阶段,但是各凹陷不同演化阶段的沉积速率和构造沉降速率有较大的差别(表3-7)。
图3-11 济阳坳陷北东、北西向剖面伸展率对比图
图3-12 郯庐断裂带营潍段新生代沉积凹陷构造沉降史曲线
表3-7 郯庐断裂带营潍段新生代沉积凹陷沉积速率数据
2)在沉积速率方面,孔店组-沙河街组四段沉积时期,营潍断裂带的沉积主要分布在断裂带南段,沉积速率为55.25~355.58m/Ma,自南向北沉积速率总体呈降低趋势。沙河街组三段沉积时期沉积速率最大,达到391.04~773.09m/Ma,以黄河口凹陷和辽中凹陷最大,而位于中部的渤中凹陷和渤东凹陷相对较小,为471.68~491.11m/Ma。沙河街组二段至一段沉积时期沉积速率除渤中凹陷、渤东凹陷达到500m/Ma,其他介于75.68~157.67m/Ma之间。东营组沉积时期沉积速率为111.24~482.67m/Ma,渤中凹陷最大。新近纪馆陶组沉积时期沉积速率为28.22~297.56m/Ma,明化镇组沉积时期为25.17~143.77m/Ma,黄河口凹陷、渤中凹陷和渤东凹陷沉积速率最大,其两侧均迅速变小。第四纪沉积速率为50~250m/Ma。平均来看,沙河街组三段沉积时期沉积速率最高,达到547m/Ma;沙河街组二段至一段、东营组、孔店组-沙河街组四段和第四系沉积时期其次,平均为165~241m/Ma;新近纪最低,为83~110m/Ma。
3)在构造沉降速率方面,孔店组-沙河街组四段沉积时期,构造沉降速率为31~190m/Ma,潍北凹陷最高。沙河街组三段沉积时期,构造沉降速率为36~456m/Ma,黄河口和辽中凹陷最高;沙河街组二段-一段沉积时期,构造沉降速率为28~204m/Ma,渤中和渤东凹陷最高;东营组沉积时期,为36~186m/Ma,渤中凹陷最高;新近纪为12~110m/Ma,渤中和渤东凹陷最高。平均而言,沙河街组三段和第四系沉积时期构造沉降速率最高,其次是孔店组-沙河街组四段、沙河街组二段-一段和东营组沉积时期,最低的是新近纪馆陶组和明化镇组沉积时期。
4)对比各凹陷的埋藏史曲线和构造沉降量曲线大致可以分为4类:第一种类型以潍北、青东凹陷为代表,新生代构造沉降史曲线为三段型,第一段为孔店组-沙河街组四段沉积时期,构造沉降曲线斜率较大,沉降速率大,达到0.190mm/a,沉降迅速。第二段为沙河街组三段—东营组沉积时期,构造沉降曲线平缓抬升或缓慢下降,代表盆地缓慢沉积或遭受轻度剥蚀。第一、第二段的构造沉降史曲线组合类型代表了拉分盆地的构造沉降史曲线特征,这主要是由于拉分盆地一般较窄,伸展裂陷阶段冷得较快,缺乏紧跟裂陷期后的热沉降阶段。第三段为新近纪又开始较大幅度沉降,但斜率明显小于第一阶段,沉降速率仅为0.012~0.072mm/a,代表坳陷期热沉降阶段,该段代表整个渤海湾盆地的热沉降阶段。辽东凹陷也属于此种类型。第二种类型是以辽东湾地区的辽中凹陷为代表,主要由四段组成,沙河街组三段和东营组沉积时期是两个快速的沉降阶段,构造沉降速率为0.110~0.457mm/a。中间平缓过渡段构造沉降速率为0.026mm/a。新近纪以来构造沉降速率为0.020mm/a。该曲线类型为裂陷盆地的构造沉降史曲线特征,陡段代表裂陷阶段构造沉降,缓段代表坳陷阶段构造沉降。第三种类型是以渤中、渤东凹陷为代表,自沙河街组三段开始形成以来,持续沉降,沉降速率较大,平均达到0.143mm/a,构造沉降曲线可以分为两段,24Ma前平均沉降速率达到0.223mm/a,以后平均沉降速率变缓,为0.078mm/a。第四种类型以莱北凹陷和黄河口凹陷为代表,凹陷形成为孔店组沉积时期,但是孔店组—沙河街组四段沉积时期构造沉降速率较小,直到沙河街组三段沉积时期构造沉降速率明显加大,黄河口凹陷的达到0.335mm/a。沙河街组二段开始直至明化镇组沉积时期,构造沉降速率变缓,平均为0.038mm/a。该种类型实际上是第一和第二种类型的叠加。
上述分析表明,营潍断裂带新生代沉积凹陷裂陷阶段和后裂陷阶段的沉积速率、构造沉降速率、埋藏史特征均有较大不同,新生代不同凹陷沉积速率、构造沉降速率、埋藏史特征差异也很大,反映断裂带古近纪以来构造演化的阶段性和横向上自两侧向中部迁移特征。
(2)研究区古近纪沉降量对比分析
将渤海湾盆地各坳陷分阶段沉积速率(图3-13)、构造沉降速率(图3-14)和构造沉降量(图3-15)进行对比,可以显示它们空间上的变化规律及其与郯庐断裂带的关系。
图3-13 渤海湾盆地各坳陷分阶段沉积速率对比图
在沉积速率方面(图3-13),古近纪时期较大的沉积速率出现在黄骅坳陷、辽东坳陷、渤中坳陷和济阳坳陷,也就是主要出现在渤海湾盆地东侧的郯庐断裂带上及其附近。但各坳陷出现最大沉积速率的阶段是有差异的。若分阶段对比看,在各个阶段最大沉积速率主要是发生在郯庐断裂带内及其旁侧,如孔店期发生在昌潍坳陷和济阳坳陷;沙四期发生在渤中坳陷和济阳坳陷;沙三期除黄骅坳陷外为辽东、渤中和济阳坳陷;沙一期除黄骅坳陷外为渤中和辽东陷;东营期为辽东和渤中坳陷。但在整体沉积速率较弱的沙二期,较大沉积速率就发生在远离郯庐断裂带的临清、黄骅和冀中坳陷。这显示古近纪渤海湾盆地断陷期间,郯庐断裂带内及其旁侧沉积速率都较大,显然该巨型断裂带对此具有明显的控制作用。
图3-14 渤海湾盆地各坳陷分阶段沉降速率对比图
图3-15 渤海湾盆地各坳陷分阶段构造沉降量对比图
由渤海湾盆地各坳陷构造沉降速率对比图可见(图3-14),各阶段的最大构造沉降速率主要是出现在郯庐断裂带上及其旁侧,如孔店期的昌潍与济阳坳陷,沙四期的渤中与济阳坳陷,沙三期的辽东与渤中坳陷、沙一期的渤中与辽东坳陷以及东营期的辽东与渤中坳陷。
纵观古近纪渤海湾盆地各坳陷累计构造沉降量可见(图3-15),显然郯庐断裂带内及旁侧的渤中、济阳、辽东与昌潍坳陷构造沉降量较大,其他坳陷则相对较小。对比各坳陷的构造沉降量曲线(图3-15),显然郯庐断裂带上及旁侧的济阳、渤中、辽东及昌潍坳陷在古近纪的构造沉降量较大,而远离郯庐断裂带的临清与冀中坳陷构造沉降量较小,黄骅坳陷介于其间。这皆明显指示作为巨型构造带的郯庐断裂带是断陷活动中的强活动带,控制着强断陷带发育其内或其旁侧。这主要是由于郯庐断裂带对岩石圈的破坏,使其在伸展活动中成为强活动带。
新近纪以来,构造沉降量在各坳陷差别较大(表3-8)。从北往南,构造沉降量逐渐减小,渤中坳陷最大达1100m,依次是黄骅坳陷歧口凹陷800m,济阳坳陷东营凹陷450m,昌潍坳陷潍北凹陷600m,临清坳陷600m。特别是在明化镇沉积时期以来,各坳陷的差别更大。渤中坳陷在馆陶组沉积期间的构造沉降量最大,为850m;其次是冀中坳陷的饶阳凹陷;而在明化镇期以后的时间内,济阳坳陷沉降了不到100m,黄骅坳陷则沉降了530m左右。这种现今的持续下沉将一方面将导致现今地温梯度比济阳坳陷低,另一方面,也会对古近系烃源岩的演化造成较大的影响。昌潍坳陷在东营构造运动造成的抬升量最大,导致了最终的沉降量最小。
合肥盆地的构造沉降/抬升特征与渤海湾地区有明显的差异,其古近纪构造沉降量远小于渤海湾地区,在古近纪以来以构造抬升为主。
尽管上述各坳陷的构造沉降史还受到各自控盆断裂的影响(如潍北凹陷受其北部的古城-潍河断裂活动的影响较大),甚至控盆断裂的影响有时起主要作用。但是,从构造沉降史及构造沉降量的研究可以反映出郯庐断裂在宏观上对其两侧坳陷构造演化的控制作用。正是由于古近纪以来构造演化(沉降量)的差别,导致了各坳陷烃源岩成烃演化的差异。
图3-16 渤海湾盆地各坳陷新生代构造沉降曲线对比图
表3-8 各坳陷新近纪时期构造沉降量模拟表
沂沭断裂带的研究历史及主要观点~
国内对沂沭断裂构造带的研究者甚多,研究程度较高,但尚存在长期争论的问题。
(一)早前期对沂沭断裂带的认识
有资料记录最早对沂沭断裂带进行调查的是德国人李希霍芬(1898),当时他对山东进行地质调查,第一个描述了山东的重要断裂构造,指出“山东的山地由自北向南沿着潍河断层分为两个地质和山岳形态不同的部分”,并在其编制的构造图上标出了断裂带的位置。1923年,中国学者谭锡畴在调查山东中、新生代地层时于莒县境内首次记述了沂沭断裂带的踪迹,“莒县溪谷之西,有一南北向之正断层,仰侧为古生代前期及太古宙地层,俯侧为青山层王氏系及二叠、石炭纪煤系,断距不大”。李捷(1929)在编制1∶100万南京、开封幅地质图说明书时描绘出沂沭断裂带沿沂河、沭河谷地发育,北接潍河的北北东向地层系所构成的“两堑夹一垒”基本结构形态。翁文灏(1930)在其著作中将李希霍芬的潍河断层称为山东潍河断裂带,并指出该断裂为一地震中心。李四光教授在1948年已提出此断裂带的存在,他说:“横过山东从南边沂水到北边的潍县有一强烈的破碎带,这个破碎带显示出新华夏系挤压的特点”。同时他还第一次指出,该断裂带向北延入辽东半岛,向南延入江苏北部。该断裂与北北西向和北东东向二组扭裂面具有成生联系,其形成时代为白垩纪。张文佑(1957)认为有一北北东向断裂带沿潍河、沭河、沂河谷地伸展,大别山东端的倾没可能与它有关。徐嘉炜(1956)在调查江淮之间的区域构造时,指出介于张八岭地轴与淮河地台及鲁东地盾与鲁西隆起之间存在一条北北东向的巨大断裂带,穿过安徽、江苏、山东三省,命名为“安江山深断裂”,1957年将其改称“皖苏鲁深断裂”。
(二)中期认识
1957年,地质部航测大队904队进行大规模航空磁测时发现,山东郯城至安徽庐江一带,有一条十分醒目的航磁正异常带,第一次将之命名为郯城-庐江深大断裂带。1980年在山东潍坊举行了郯庐断裂带的专题学术讨论会,学者们各抒己见,他们的许多观点、分歧均刊登在1984年的《构造地质论丛》第3号中。此后对该断裂带的性质、演化及动力学机制的研究,引起中外学者的极大兴趣和关注。后来的研究主要涉及沂沭断裂带的体系归属(邓乃恭,1982)、水平断距的大小、断裂带所表现出的大陆裂谷特点及地体边界的表征和沂沭断裂带形成的时代等一些重要的问题。20世纪80年代以来,对于郯庐断裂带的研究不断深入,针对该断裂带的研究已举行过多次学术讨论会,对其形成时代、运动方式、活动特点等的研究已出版很多的专著和专辑,有200余篇论文从各种角度论证了此断裂带的形成、演化和活动特征。
环文林等对郯-庐断裂提出了3个重要演化阶段(环文林、时振梁、鄢家全,1982),并与太平洋板块运动相联系。第一阶段,中侏罗世晚期—早白垩世(120Ma),库拉板块消亡,中国东部处于压扭应力场;第二阶段,晚白垩世—古近纪(约90Ma),太平洋脊消减,出现伸展开张的构造环境;第三阶段,新近纪-第四纪(40Ma),太平洋板块消减,中国东部出现右旋剪切应力场,总的来看,太平洋板块运动对中国东部大陆地质作用影响的主要时期基本一致,郯-庐断裂在上述主导应力作用下发生平移、推覆、张裂。万天丰划分出四个运动阶段,时间为135～52Ma(万天丰,1994),包括了太平洋板块运动主要时期和郯-庐断裂的主要活动期。
(三)深入研究及争鸣阶段
概括起来,对郯庐断裂带(沂沭断裂带)的研究存在6种不同的观点与认识(图1-7-6)。
徐嘉炜最早研究郯-庐断裂及其平移性质,他认为郯庐断裂带是西北环太平洋边缘大陆内测的大型平移断层,其动力背景是太平洋板块向大陆板块的斜向运动,主平移时代为晚侏罗—早白垩世(140～110Ma),最大平移距达740km(徐嘉炜等,1984、1985、1992、1993),随后他又发表多篇论文及专著,进一步阐述他的这一独到见解。他认为郯-庐断裂三叠纪开始活动,晚侏罗纪晚期构造变动达到高潮,以挤压条件下的巨大左行平移为主要特征,白垩纪至古近纪转为张裂断陷,新近纪又受到新的挤压,伴以小幅度的右行平移,这种断裂性质上的转变与太平洋板块相对运动方向的改变有关,郯-庐断裂带是滨西北太平洋区大陆内缘的大型剪切滑动带。另一种观点为“地缝合线—边界线转换断层带作为华北与华南板块的缝合线”(周导之等 ,1980)。第三种是转换断层模式,认为郯庐断裂的形成与华北和扬子陆块沿秦岭-大别造山带碰撞有关(李春昱,1975;OKayetal.,1992),这一转换断层活动时限为晚古生代—中生代,延续到侏罗纪;张国伟(1998、2002)认为郯庐断裂带是中国东部最大的陆内转换断层;张宝政(1993)亦认为郯庐断裂具转换断层之特征。第四种为碰撞嵌入模式(Yinetal.,1993),基于郯庐断裂带的左行平移和朝鲜半岛沃川带、Honam剪切带右行平移运动学特征,认为郯庐和Honam剪切带之间的苏北、胶南及朝鲜的京畿—沃川带是华南板块北侧不规则被动边缘向北突出的一块,存在于碰撞前,嵌入碰撞时代为早二叠世晚期至晚三叠世与早侏罗世。第五种模式认为它是我国东部一个独立的巨型构造体系,称更新华夏系,形成于燕山运动晚期(马杏垣,1961、1963;邓乃恭,1984;李树靖等,1985)。第六种模式认为郯庐断裂带是我国东部规模最大的一条白垩—新近纪的后地台型古裂谷带(许志琴,1980),并划分出北、中、南三段,各段的基本特征、构造组合类型、沉降幅度、水平扩张量、火山活动、深部构造及地质发展史有所不同,但有一点是共同的,均十分明显地表现为先张后压的双重构造特征,后期的挤压应力作用取代于拉伸作用。高维明等(1980)认为沂沭断裂带是典型的大陆裂谷带,是在中生代左旋平移基础上,经历了白垩纪强烈横向扩张阶段和第三纪以来的消亡挤压阶段而形成的。
图1-7-6 郯庐断裂带构造模式图
(a)转换断层模式(据Zhang等,1984);(b)缝合线模式(据Gilder等,1999);(c)嵌入模式(据Yin等,1993);(d)撕裂断层;(e)枢纽断层模式(据Chang,1996);(f)陆内平移模式(据Xu等,1994)
王小凤等在《郯庐断裂带》一书中认为:郯庐断裂的形成发轫于南北地块拼合带的向南突出部位,而下地壳物质的北北东向左行韧性剪切流动则是其启动机制,然后逐步向浅部和向北扩展。这一平面上自南向北分段递进的生长迁移机制,得到了相应沉积盆地和岩浆活动年代学资料的支持,也解释了中南段的缩短率和位移量明显大于北段的事实。同时根据不同层次变形域的特征,提出了沿滑脱面上层对下层做S(SS)E向滑动的多层滑移模式,反映了陆内大型走滑断裂带由深到浅的应力应变传递方式。通过断裂两侧地壳缩短资料的判断,得出了郯庐中南段累积最大位移量为300km的结论。同时将郯庐左行剪切走滑断裂发育历史划分为6个时期、4个变形阶段,较全面地重现了从特提斯体制向太平洋体制的复杂历史转化过程,也在相当程度上反映了我国东部大陆边缘的动力学特征。
李洪奎(2009)将沂沭断裂带的演化划分为4个阶段:①诞生阶段(J1);②左行平移阶段(J2-K1);③张扭性裂谷阶段(K1-K2);④挤压断块运动阶段(E-Q)。
1.诞生阶段
关于沂沭断裂的早期活动,前人论述颇多,有人依据汞丹山地垒上发育的大量韧性变形带,认为沂沭断裂是始于前寒武纪的继承性长寿断裂,有人依据土门群的分布特征认为沂沭断裂控制土门群,至少从青白口纪即开始活动。多数人基于沂沭断裂对晚侏罗世以后的地质建造控制明显及沂沭断裂切错了印支期强烈活动的大别-苏鲁造山带等特征认为,沂沭断裂作为浅表层次脆性断裂的初始活动时间不会早于中生代。
在鲁西平邑盆地,晚侏罗世三台组不整合沉积在同位素地质年龄为189～164Ma的东西向铜石杂岩体之上,在蒙阴盆地则有坊子组含煤线建造,是该盆地最早的沉积建造。因此,三台组形成前,岩体肯定抬升了几千米并遭受风化剥蚀,这种差异运动无疑是坊子组建造形成过程中引起的。坊子组的时代为早侏罗世末至中侏罗世,这样鲁西地区在经历了60Ma左右没有建造到开始沉积的转变,不会是偶然的。因此,可以认为沂沭带诞生于早侏罗世末。
2.左行平移阶段
沂沭带在诞生或活化之时即已开始了左行剪切运动。从中侏罗世到早白垩世的莱阳群形成,其剪切平移是持续的并逐渐增强的。在此期间,沂沭带活动和演化的连续性和不均衡性都表现了出来。
淄博期的坊子组形成时,沂沭带的平移是持续发展的,主要形成一套含煤碎屑沉积;三台组则为一套红色砂砾岩、黏土岩、灰绿色长石石英砂岩建造,主要显示浅水、近源或干旱环境下物理风化为主的沉积。这种变化无疑是构造活动的反映,可以解释为沂沭带平移所致。从坊子组的建造局限、三台组分布较广泛,盆地规模的扩展则是沂沭带平移加快的表现。
莱阳期是沂沭带左行平移的高潮期,该期在沂沭带内形成了许多巨型的构造形迹。如带内的土门群至古生界的断片、牵引褶皱;汞丹山地垒上的压扭性盆地;沂沭带东部中楼、莒南、临沭、甚至胶莱盆地的形成;沂沭带西侧的盆地最大限度地扩展,并以湖泊相为主。
从沂沭带两侧盆地建造特征对比分析,沂沭带的活动和演化是持续加强的。沂沭带内没有莱阳群的沉积,反映当时处于压扭隆起状态;沂沭带东侧近带处的中楼盆地莱阳群厚达6000m,以湖泊相沉积为主,普遍含火山岩、火山碎屑岩,并以酸性岩为主,见有海相碳酸盐夹层,为深水快速堆积;胶莱盆地则为粗—细—粗的建造层序,上部出现火山物质,并由少到多,不含火山熔岩,由山麓洪积相、河流相→湖泊相→河流相(冲洪积相);沂沭带西侧的盆地下部不含火山物质上部火山物质由少到多,顶部以火山物质为主,由西向东靠近沂沭带,相同层位火山物质增多。由此表明,莱阳期的建造特征反映了沂沭带的演化特征,即沂沭带是在平移的过程中逐渐下切的。
经过莱阳期的演化,沂沭带的四条剪切断裂同时形成,断裂切割逐渐深达下地壳,由于压扭机制,晚期初具“堑垒”结构。
3.张扭性裂谷阶段
青山群八亩地组形成期为类裂谷的火山作用阶段,大盛群和王氏群形成期为沉积阶段(裂谷阶段)。
由于莱阳期平移过程中断裂持续下切,青山期断裂切割已深达下地壳,导致地幔隆起,驱动沂沭带横向扩张,大规模火山喷发,形成了青山期一次最广泛的中基性火山岩及火山碎屑岩建造。根据同位素地质年龄,这套火山岩变化在100～129Ma之间,多集中在110～120Ma间,为早白垩中晚期。
在八亩地组形成期,由于地幔隆起,火山作用使沂沭带左行走滑机制受到影响,但并没有改变其左行走滑的趋势,只是变为以差异升降为主。整个沂沭带没有明显变宽,因此,有人将其划归火山穹隆形—细缝形火山作用。
火山作用之后,沂沭带下部地壳由于火山喷发,产生断陷,在火山岩台地基础上形成了地堑内的拉分盆地,进入大盛—王氏期。从拉分盆地的建造分析,由于火山作用后物源丰富,建造特征表现为浅水、近源、快速堆积的特点。地堑盆地也快速沉降,沂沭带的活动则表现为同沉积断裂。在马站盆地大盛群中部出现了补偿性沉积,安丘-莒县盆地则不明显,表明沂沭带东地堑盆地物源丰富。在大盛群的建造中,局部夹有安山质玄武岩、粗面玄武岩等,表明此时沿断裂仍有火山活动,断裂深切达上地幔。
在大盛—王氏期,区域应力场以张扭为主,左行平移幅度进一步减小,马站盆地两侧的位移量不会大于其长度的一半,安丘-莒县盆地则可能有较大的位移。
4.挤压断块运动阶段
新生代以来,沂沭断裂带进入挤压隆起阶段。该期沂沭带的活动时伴随微弱的左行平移,导致沂沭断裂带活动的几个激发期。这在盆地建造上表现最为明显。
官庄期早期大致相当于古新世末或始新世初,沂沭断裂带经历一次强烈的挤压活动激发期。在该带以西,主要形成一套河流相为主的冲洪积粗碎屑建造;沂沭断裂带内汞丹山地垒上,由于近东西向挤压导致的引张形成了早期的五图群沉积;沂沭断裂带内及其以东则表现为结束了王氏群的建造,龙口盆地发育了相应古近纪沉积,盆地建造也进入稳定的细碎屑湖泊相沉积。形成含有石膏,岩盐、自然硫等矿产的咸化湖相沉积;开阔水域的济阳盆地则有油页岩,油气、煤等矿产生成;北部五图一带含矿建造特征与济阳盆地相似,而中部沂源盆地则由于隆起的幅度大,仅保留下来官庄群的早期粗碎屑沉积。反映沂沭断裂带活动对水系的控制。官庄期晚期沂沭断裂带挤压活动再次出现激发期,形成官庄群上部粗碎屑岩建造。中新世玄武岩喷发后差异升降明显,受济阳盆地沉降影响又有整体抬升。结束了沂沭断裂带内及其两侧地块上的盆地建造。而北部的济阳盆地则有较大幅度的沉降。该期沂沭带活动的构造形迹主要为带内地层的挤压褶皱,尤以大盛群、王氏群表现最强,构造岩则为由大盛群、王氏群岩石形成的弱固结构造透镜体及断层泥。
新近纪的临朐期沂沭断裂带活动有两个激发期,在持续发展期沉积了山旺组硅藻土矿,而大部分地区则表现为玄武岩间夹有较薄的松散砂砾石层堆积。新近纪与古近纪时相比,沂沭带的活动有明显衰弱的趋势,如临朐期玄武岩主要分布在沂沭断裂带附近的北部区段,而古近纪的大部分盆地没有发育,并且基本限制在沂沭断裂带东界断裂以西,玄武岩喷发主要为中心式,都表明在沂沭断裂带作为一个整体,其活动影响范围逐渐减小,并表现为纵向差异。从沂源、临朐、昌乐三个新生代活动明显的盆地建造特征分析,这种变化趋势更加明显。
中新世至上新世,沂沭断裂带仍维持断块运动状态,整个沂沭断裂带及其两侧表现为隆起,直至第四纪。沂沭带内各组成断裂带上的断层泥,为各期挤压的综合产物。其间某些区段可能有相应的沉积建造,但也为这持续隆起过程中的风化剥蚀作用所抹去。如在胶南隆起区,第四纪的沉积物中可出现中新世的孢粉组合。
第四纪以来,沂沭断裂带的活动主要表现为晚更新世晚期的激发期,表现为地堑盆地内叠加了全新世的几个盆地,大盛群由于挤压隆起,推覆在晚更新世以前的松散堆积物之上,中新世玄武岩被错断,局部逆冲,第四纪沉积物内产生断面,地震活动频繁,小震不断,大震时现,温泉分布等。
概括起来,沂沭断裂带从启动到现在,经历了燕山运动和喜马拉雅运动两个阶段的演化,在燕山阶段,沂沭带早期以剪切平移为主,后期以张扭为主,伴以火山及沉积。实际上,燕山运动的特征也是断层运动过程。喜马拉雅阶段则以挤压为主,兼有微弱左行平移,沂沭断裂带主体区段为挤压隆起,只是局部有沉积建造。沂沭断裂带内及两侧地区表现特征不一,总体表现为活动性由强到弱,影响范围逐渐减小。并表现出活动强度和方式的纵向差异,南部区段以隆升为主,北部则形成断陷—凹陷盆地。
第三纪以来的浅部挤压活动与深部过程郯庐断裂带晚第三纪以来持续遭受着挤压,使前期大规模的断陷盆地抬升、消亡,近代还是中国东部最大的地震活动带.断裂带所遭受的近WE向的挤压,是西太平洋弧后扩张和印度板块向北碰撞中的构造挤出作用产生的区域动力.断裂带在新生代挤压活动中切入上地幔,出现了地幔剪切、地幔交代、部分熔融等深部过程,最终形成了挤压背景下的陆内断裂带大规模的玄武岩喷发.
郯庐断裂带中-南段周边断陷盆地的伸展率和沉降量
答：郯庐断裂带营潍段南部的潍北凹陷、青东凹陷、莱州湾凹陷和黄河口凹陷在古近纪主要是南北方向伸展(表3-2,表3-3,表3-4,图3-6),它们新生代的总伸展量为5.4~8.6km,伸展率为27.4%~30.2%,其中孔店组-沙河街组四段沉积时期伸展量占整个新生代伸展量的69.1%~95.0%,新近纪的伸展量占整个新生代伸展量3.6%~30....
郯庐断裂带中-南段周边断陷盆地控盆断裂的活动速率
答：在古近纪期间,合肥盆地中部的肥中与蜀山断裂也出现了向东断陷活动强的现象,同样指示了郯庐断裂带的影响。由于表明,合肥盆地东部受郯庐断裂带的影响,在早白垩世与古近纪期间伸展活动明显较强,成为盆地的沉降中心。而合肥盆地南部的六安断裂,可能由于大别造山带后造山伸展的影响,在断裂带中部的断陷活动...
郯庐断裂带旁侧盆地分布格局及影响因素
答：受郯庐断裂带走滑活动的影响,在苏北盆地和胶莱盆地内部,主要控盆断裂、凹陷和凸起均呈NE走向(图3-17)。同时,由于郯庐断裂带的走滑拉分作用的强度变化,使盆地东、西部之间在拉张量(率)、断陷规模及沉降速率等方面均存在明显的差异,如苏北盆地在紧邻郯庐断裂带的盆地西部凹陷往往表现出拉张作用强、沉...
早白垩世期间区域拉张应力场
答：在郯庐断裂带周边,主要的早白垩世断陷盆地有松辽盆地、沂沭断裂带内的盆地、胶莱盆地、合肥盆地等。郯庐断裂带中-南段及其邻区在早白垩世经历了两个裂陷阶段,分别为早白垩世早期的莱阳期和早白垩世中-晚期的青山期。莱阳期区域主拉应力方向为NWW—SEE向(附图42),郯庐断裂带沂沭段东侧发育胶莱盆...
烃源岩分布规律
答：黄骅坳陷下白垩统为河流相红色碎屑沉积,约300m,主要分布在南皮、歧口—板桥一带。 胶莱盆地内下白垩统主要烃源岩层系为逍仙庄段和水南段。逍仙庄段地层分布局限,仅见于诸城凹陷、莱阳凹陷及牟平-即墨断裂带,莱阳凹陷中为灰黑色页岩,在山前店一带厚度约100m,而在诸城凹陷皇华店地区岩性为灰黑色、黄绿色泥岩...
郯庐断裂带对盆地沉积的控制与影响
答：在此右行走滑拉分的控制下,渤海湾盆地内在古近纪从早至晚沉积中心呈现为自南向北、自西向东的有规律迁移(附图28),也使沉积中心最终向着郯庐断裂带所在的海域内迁移。在渤海海域内,郯庐断裂带由早到晚断陷活动中心是逐渐沿着断裂带向中部(渤中凹陷)迁移,反映了该断裂带内部沿走向方向上断陷活动不均...
古近纪断陷盆地
答：古近纪末,苏北盆地内发生了三垛运动,表现为区域性的挤压作用,结束了该区张性断陷盆地演化阶段,进入到坳陷演化阶段,形成了新近纪-第四纪大型坳陷盆地。 古近纪的拉张活动使周口盆地内老断裂复活,断陷分割强烈,周口盆地复又进入断陷活动期。自北向南划分为向南突出呈弧形展布的“三凹两凸”:北部凹陷带为南断北...
郯庐断裂带中-南段晚白垩世-古近纪区域拉张应力场
答：正是由于太平洋板块转变成高角度正向俯冲,使中国东部大陆下出现了软流圈上涌、岩石圈减薄(Zhou & Li,2000),从而造成了大规模的断陷发生及郯庐断裂带转变成伸展活动。晚白垩世-古近纪,郯庐断裂带及其周边地区的区域应力场为NNW—SSE向主拉应力(附图45)。郯庐断裂带沂沭段内及其东侧的胶莱盆地内沉...
盆地地层残留厚度分布规律
答：并且主要分布于渤海海域(附图25),最大残留厚度可达3500m以上。7.新近系沉积 郯庐断裂带中-南段周边,新近系的沉积出现在断陷盆地后期的坳陷型盆地内,为披盖式沉积。由附图26可见,新近系沉积主要分布于渤海湾盆地、苏北盆地与周口盆地,其中在渤海海域内沉积最厚,可达4000m以上。
郯庐断裂带与合肥盆地的断裂-沉积响应
答：在断陷活动期间,由于郯庐断裂带的强烈伸展运动,进一步加深了盆地东部的下陷,所以合肥盆地总体上呈现东深西浅的格局。 合肥盆地基底是由大别山北部印支期前陆变形期定形的。盆地近东西向的信阳-舒城断裂、六安断裂、蜀山断裂、肥中断裂、耿集断裂、寿县-定远断裂在印支期都为南倾的大型逆冲断裂。它们的逆冲活动及其...
