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谁把郯庐断裂带切成3段?

已有 2009 次阅读 2021-3-14 13:26 |系统分类:论文交流

谁把郯庐断裂带切成3段?

梁光河

1 问题提出

郯庐断裂带是我国东部最重要的一条北北东向断裂带,其南端在长江的武穴附近,北到俄罗斯的锡霍特地体,长度约3000Km。但前期的地质填图发现,这条断裂带主断裂被切成3段,中间存在2个断点,一个断点位于安徽嘉山地区(图1a),另一个断点位于渤海湾地区(图1b)。是谁有力量把这条巨型断裂切开的?其成因机制是什么?从没有得到合理解释。本文从郯庐断裂成因机制入手,基于地质、地球物理证据说明其成因机制。大量的事实证据说明,印度板块的挤压导致的青藏高原持续隆升和东亚的边缘陆块裂解不但造成了郯庐断裂带新生代的大规模走滑运动,而且在新生代末期把这条巨型断裂切成3段。

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1 郯庐断裂框架 a是郯庐断裂中南段简图,b是郯庐断裂中段新构造简图。

2 郯庐断裂被切开的距离

   郯庐断裂真的被切开了吗?有没有可靠证据?地质图和地磁异常图给我们提供了相互印证的证据链,我们先看看中南段的断点区域详细地质情况和地球物理异常特征。图2中a是郯庐断裂中南段构造简图,b是a中红色方框内的地质图,c是该方框内的航磁垂向一阶导数异常图。航磁垂向一阶导数对断裂构造反映极为敏感可靠。无论从地质图还是航磁异常图都可以确认的确存在郯庐断裂被切断的情况,而且在东西方向被左旋错断约30Km。

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2 a是郯庐断裂中南段构造简图,ba中红色方框内的地质图,c是该方框内的航磁垂向一阶导数异常图。

        另一个断点是郯庐断裂带中段的渤海湾区域,这个地方位于渤海中,图3a是渤海湾地区地质图(据刘光鼎,1993修编),图3b是渤海湾地区航磁垂向一阶导数异常图。从该图可以看出,以郯庐断裂东支为参照系,在渤海湾区域郯庐断裂被张家口-渤海湾断裂带左旋错断约30Km。

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3 a是渤海湾地区地质图(据刘光鼎,1993修编),b是渤海湾地区航磁垂向一阶导数异常图。

张家口-渤海湾断裂带是我国北方最为重要的断裂带,在历史上这个断裂带区域发生多次8级左右地震,包括唐山大地震、北京大地震以及渤海海域的多个大震。唐山大地震是建国以来死亡人数最多的地震。过去对这个地震以及张家口-渤海湾断裂带的性质还存在很多争议和不确定性,张家口-渤海湾断裂带是一个中生代形成的断裂带,从这个图上可以看出,它南北方向很宽,包含多条断裂,新生代晚期该断裂带复活开始左旋走滑,走滑距离约30Km。事实上,和郯庐断裂带类似,张家口-渤海湾断裂带不同地方新生代走滑距离不一样,西段走滑距离小,东段渤海湾走滑距离最大,它整体上在新生代呈现一个扇形,西窄东宽,主要是受南北方向的拉伸力所致。事实上华北区域新生代整体都是南北伸展为主,东西伸展次之。主体伸展方向和郯庐断裂带方向一致,为北北东方向。

3 郯庐断裂成因机制

徐嘉炜(1984)的研究发现郯庐断裂在长江以南以塑性形变为主,地表脆性断裂不能与北部断裂相连。诸多新的地质和地球物理证据说明,这个断裂带的雏形形成于中生代(梁光河,2018),但仅仅局限于当时的中央造山带东段的苏鲁造山带中,以正断层特征出现。新生代郯庐断裂发生了大规模走滑,走滑距离从南向北逐渐增大,在渤海湾区域走滑约760Km。

为什么郯庐断裂东侧地块会发生走滑运动?这个受力机制简单地说就是“南推+北拉”。南部的推力来自于印度板块对杨子板块的挤压,在南部形成挤压推力,北拉的拉力来自于其东侧和北侧由于微陆块的裂解漂移形成的拉力。

郯庐断裂主要走滑活动形成在北侧的锡霍特地块拼合之前。新生代晚期锡霍特地块才从南往北漂移拼合到欧亚东缘,之后郯庐断裂又切断了锡霍特地块并走滑大约20 km。

还有很多专家对郯庐断裂大规模走滑形成于新生代表示怀疑,图4 是郯庐断裂南段形成过程示意图,左侧图说明郯庐断裂是中生代造山后走滑形成的,其中A代表造山期盆地和造山带的关系,黄色部分代表中生代盆地,这个盆地是合肥盆地和胶莱盆地,它们在白垩纪之前本是连在一起的,B是造山后大规模滑移后的特征,这个特征就是当前的合肥盆地和胶莱盆地的分布特征(如图2a所示)。右侧图说明郯庐断裂带不是同造山期形成,如果是同造山断裂,那么当前的合肥盆地和胶莱盆地应该是连在一起的,事实并不是这样的。

还有人认为新生代晚期郯庐断裂是右旋走滑,这个解释是不对的,那是对地震勘探资料的误读。渤海湾中渤南低凸起和埕北低凸起被郯庐断裂带西带错开,均表现为左旋走滑的特征。这些都是确凿的证据证明新生代以来郯庐断裂一直是左旋走滑,当前仍然是这样。

这说明,无论是郯庐断裂还是张家口-渤海断裂带新生代以来都是左旋走滑断裂,事实上整个中国东部新生代都是左旋走滑环境,唐山地震也应该是左旋走滑断裂引起的,以前得出唐山地震的发震断裂为右旋走滑断裂是不对的,那是对地表断裂的误读,仅仅通过一行树木的错断特征就认定其为右旋走滑是错误的,那是没有正确理解表层断裂的成因机制,浅表层断裂大多数是面波扭动引起的,它们与深层发震断裂完全不同。

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4 郯庐断裂形成过程示意图,左侧图说明郯庐断裂是造山后走滑形成的,右侧图说明同造山期形成的特征。

郯庐断裂带的形成不但和印度欧亚碰撞形成的挤出构造有关,而且也和东亚陆缘裂解密切相关。新生代初期随着印度欧亚碰撞,从南往北,印支地块、华南陆块和华北陆块像一层层抽屉一样往东(南)方向被挤出。中生代晚期中国东部整体处于造山后的伸展阶段,在当时的中国东部南北走向的造山带基础上发育了一系列正断裂,并形成了较小规模的沉积盆地。这些正断裂是新生代陆缘裂解的基础,日本和朝鲜半岛就是在这个时期大规模裂解并漂移到当前位置的(梁光河,2020)。日本和朝鲜半岛未裂离漂移前是中国东部的造山带高原断块。朝鲜半岛的裂解漂移对郯庐断裂大规模走滑运动影响很大。图5是中国华北新生代活动构造与朝鲜半岛裂解漂移简图,其中F1 和F2断裂控制了中国东部主要新生代沉积盆地的南边界,F2断裂是著名的江南断裂,该断裂在地形地貌图上清晰可辨(图5a中白色箭头所示)。F3控制了中国东部主要新生代沉积盆地的北边界。而F4是著名的郯庐断裂带,它中间在两个地方被切断。F5是宝鸡-蚌埠断裂,它位于秦岭大别山的北缘,将中国东部分为华北和华南。F6是张家口-渤海湾断裂带,F7是太行山断裂带。图5b中给出了朝鲜半岛在中生代末期的地块复原图。红色箭头表示不同的运动方向和速率。

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5 中国华北新生代活动构造与朝鲜半岛裂解漂移简图,a是地形地貌图,b是主要断裂带。

这个新生代主要活动断裂解释是否能够得到地质证据的支持?图6给出了中国华北新生代活动构造解释的对比图,图中a是地形地貌图,b是地质图,可见这些断裂的解释符合地质特征。

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6中国华北新生代活动构造对比图,a是地形地貌图,b是地质图。

这个新生代主要活动断裂解释是否能够得到地球物理证据的支持?图7a是磁异常图,7b是航磁垂向一阶导数图,从该图可以看出,在磁异常图上不清楚的断裂带,在航磁垂向一阶导数图上清晰可辨。磁异常图支持上面的断裂带的解释。

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7 a是磁异常图,b是航磁垂向一阶导数图

4 郯庐断裂被切断的成因机制

中国东部新生代沉积盆地的沉积历史都是相似的,无论南海北部沉积盆地还是东海、黄海以及渤海湾,都是65-24 Ma为断陷期,24 Ma之后为沉降期。这说明它们是受到同一系统力形成的。

郯庐断裂带被从两个地方切断是否能够得到当前GPS测量数据的支持?图8是中国东部在欧亚参考框架下的GPS速度场测量结果,图中左侧是中国东部GPS速度测量结果,右侧是方框区域GPS速度东西方向分量,其中的黑线代表平均速度分量。这个测量说明,当前华南地块相对于华北平原向东运动速度快了大约3mm/yr,其分界线在大别山北侧。而华北平原比北侧的阿穆尔地块向东运动速度也快了大约3mm/yr,其分界线在张家口-渤海湾断裂带。

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8 左侧是中国东部GPS速度测量,右侧是方框区域GPS速度东西方向分量(据Zhang et al.,2018修编)。

我们把该平均速度分量观测结果与上述断裂带解释结果进行对比(图9a和9b),该图清楚地显示,郯庐断裂被切断的区域正是这两个速度分界线,一个位于张家口-渤海湾断裂带上,另一个位于大别山北侧的断裂带上。这说明郯庐断裂带是被不同速度的地块运动所切断的。郯庐断裂大规模走滑发生在65-24 Ma,而24Ma之后运动速度减缓,特别是锡霍特地体从南部向北漂移拼贴在中国东北之后,相当于从北端堵住了郯庐断裂带东侧的走滑运动,使其运动速度大大放慢。推测锡霍特地体拼贴在中国东北的时间在新生代晚期,大约在5Ma左右。这个时期,印度持续向北运动造成华南华北仍在挤出,由于挤出速度不同,地块之间发生差异走滑剪切运动,使得郯庐断裂带被截为3段。图9c说明,新生代随着印度俯冲到欧亚大陆板块之下,造成了青藏高原的隆升。印度大陆板块叠置在欧亚大陆之下形成了双地壳层结构,印度的俯冲相当于抬升了欧亚大陆的莫霍面。这样就在中国东西方向上的诸多地块之下的莫霍面上形成了一个从西往东逐渐降低的斜坡。

在重力顺坡下滑作用下,伴随着青藏高原地壳流的挤出作用,青藏高原、四川盆地克拉通地块、秦岭造山带地块、华北地块和朝鲜半岛地块发生了速度不一的往东蠕动,四川盆地克拉通地块由于基底扎的比较深,阻力比较大,运动速度相对比较小,因此在其西南侧与青藏高原接触区域与快速运动的青藏高原地块组合发生了挤压碰撞,而华北地块运动速度相对于秦岭造山带地块快一点,因此撕开了位于秦岭造山带边缘的南襄盆地,而朝鲜半岛运动速度比华北地块更快,因此拉开并撕出了渤海和黄海并拉开了华北盆地。这个运动过程也造成了中国地形东低西高的三个台阶。在这些断裂活动区也产生了不同级别的地震,地震的震源深度区间也是西深东浅。

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9 a是地形地貌图,bGPS速度测量东西方向分量,c是挤出+漂移动力机制示意图,d是郯庐断裂被切断机制示意图。

5 讨论

关于郯庐断裂被截断的时间,可以从这些地块的差异走滑速率进行估计。华南比华北向东移动速度快了约3mm/yr,意味着需要10Ma才能断开30Km。华北比北侧的阿穆尔地块也一样快了3mm/yr,意味着也需要同样的时间,其实不然,这个挤出过程肯定是先快后慢,推测5Ma这个速度差更大,可能比现在快两倍。推测大约从5Ma开始切断郯庐断裂。按照平均速度差6mm/yr计算,大约5Ma就可以切开30Km。这个时间和锡霍特拼贴在中国东北的时间也是5Ma一致,也就是说在锡霍特地块堵住郯庐断裂北端的情况下,这些地块间的东西方向差异走滑运动才得到显现,这个时候渤海湾表现为左旋挤压环境。因此渤海湾地区的构造环境演化可以分为三个阶段:(1)65-24 Ma为断陷期,(2)24-5Ma为沉降期,(3)5Ma至今为挤压沉降期。

这个新的解释方案,不但能够合理解释渤海湾盆地、南华北盆地的成因机制,而且也能合理解释南襄盆地和江汉盆地的成因。传统上对南襄盆地的成因,用弧后盆地成因机制非常难以解释,因为该盆地距离日本东部的太平洋俯冲带约2500Km,当前全球没有发现类似距离俯冲带如此遥远的弧后盆地。而且南襄盆地位于坚固的秦岭大别上造山带中间,什么力量可能把它撕裂?只有巨大的地质构造运动才可能,推测南襄盆地的成因是:中生代晚期的伸展构造首先形成了盆地原型,新生代的大规模裂解形成了盆地主体的巨厚沉积。

6 小结

(1) 中国中东部新生代构造运动成因机制是“挤出+漂移”,印度欧亚碰撞造成的挤出主要体现在中西部,而中东部地块向东漂移速度的差异造成了中国东部的陆缘裂解。

(2) 郯庐断裂带大规模走滑运动主要发生在65-24Ma,5Ma之后由于锡霍特地体的堵截,走滑运动速度大大减慢。5Ma至今印度持续向北俯冲,仍在缓慢挤出华北、华南地块,它们被挤出过程的速度差,造成了前期形成的郯庐断裂带被从中间截断。

(3) 郯庐断裂带原型形成于中生代的中央造山带,其成因机制是“后推+前拉”模式。

参考文献:

徐嘉炜.郯城-庐江平移断裂系统[J]. 构造地质论丛, 1984, (3):18-22.

梁光河.郯庐断裂带的几个关键问题探讨[J]. 黄金科学技术, 2018,26(5): 543-558.

梁光河.从东海和南海北部盆地群演化探讨日本大陆板块的形成过程[J].地学前缘, 2020, 27(1): 244-259.

刘光鼎 . 中国海区及邻域地质地球物理图集[M]. 北京: 科学出版社, 1993.

Zhang, Y. G., Zheng, W. J., Wang, Y. J., Zhang, D. L., Tian, Y. T., Wang, M., et al. (2018). Contemporary deformation of the North China plain from global positioning system data. Geophysical Research Letters, 45, 1851– 1859. https://doi.org/10.1002/2017GL076599




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