郯庐断裂带邻区主要断裂构造特征

在郯庐断裂带邻区发育有较多的大型断裂带(附图11),这些大型断裂共同作用对我国东部中、新生代盆地的发育演化具有重要影响。

1.太行山东麓断裂带

(1)断裂带的空间展布及分段特征

太行山东麓断裂带是太行山隆起区与渤海湾盆地区的构造分界线,由黄庄-高丽营、徐水、保定-石家庄、邯郸、汤东和汤西等十多条NE—NNE向断裂组成,总体呈NE—NNE向展布,全长约620km(图3-1)。太行山东麓断裂带除一系列NE—NNE向断裂外,还存在有南口-孙河、东垒子-涞水等一些北西向至近东西向断裂,它们对断裂带及其活动差异起到不同程度的分隔作用。大致以东垒子-涞水、隆尧和安阳南等断裂为界可分4段:

怀柔-涞水段(北段):由八宝山、黄庄-高丽营、顺义-良乡和南苑-通县4条断裂及其控制的北京凹陷组成。断裂走向NNE,倾角较大,约60°~70°,中生代开始发育,但中、新生代活动不强烈,北京凹陷的断陷幅度较小。

涞水-隆尧段(中北段):为保定-石家庄、徐水和晋县断裂及其控制的保定、石家庄、徐水和晋县凹陷。断裂走向北东,倾角很缓,约20°~40°,中生代开始发育,新生代活动非常强烈,是断裂带中水平拉张活动和垂直差异活动最强烈的地段。新生代断裂水平拉张断距有几至十几千米,保定-石家庄断裂北段水平拉张断距达17km;断裂的垂直断距有3~6km。

隆尧-安阳段(中南段)走向北北东,倾角较缓,为40°~60°,中生代开始发育。其南段与临漳断裂一起控制中、新生代的邯郸凹陷,北段控制了新生代的任县凹陷。断裂在中、新生代活动强度都不大,水平拉张断距和垂直断距均为1km左右。

安阳-新乡段(南段)走向NNE,倾角较缓,约40°~60°,中生代开始发育,新生代活动较强烈,水平拉张断距和垂直断距约2~3km。

(2)断裂带地球物理场及深部构造特征

关于太行山东麓断裂带的地球物理场及深部构造特征,王椿镛等(1994)对横穿保定-石家庄断裂和冀中坳陷南部的临城-巨鹿深地震反射剖面进行了研究,结果表明,在上、中地壳存在一低角度的滑脱构造,并认为其实际上就是保定-石家庄断裂,以平缓的倾角向东南下延到10~16km的深度,基本位于上地壳下部和中地壳顶部,在倾向上水平延伸距离有50km,表现为一条大型的拆离断裂(图3-1)。保定-石家庄断裂直接控制了石家庄凹陷,作为晋县和束鹿凹陷主边界断裂的晋县断裂和新河断裂,呈铲状反向下延而归并到拆离断裂,表明这几个凹陷的形成与保定-石家庄断裂拉张滑脱密切相关。保定-石家庄断裂北段、徐水和大兴断裂基本上都是发育于上地壳的拆离断裂,推测保定-石家庄断裂北段在倾向上水平延伸达70km。由此可见,冀中坳陷是由保定-石家庄、徐水和大兴等断裂拉张滑脱而于上地壳形成的伸展构造系统。

(3)断裂带形成演化及对渤海湾盆地的影响

太行山东麓断裂带是渤海湾盆地的西部边界断裂,其形成演化对渤海湾盆地西部具有重要影响,是冀中坳陷NNE向构造线形成的主要动力来源。太行山东麓断裂带的演化大致经历了形成期(J₃—K₁初走滑)、伸展期(K₁—E)和挽近期(N—Q)三个阶段。早白垩世华北东部在相对隆起的背景上发生裂陷作用,形成了太行山东麓的八宝山、保定-石家庄和邯郸等断裂,并沿断裂带东侧产生了一系列NNE向断陷盆地;晚白垩世华北地区普遍上升隆起,遭受剥蚀,绝大多数断陷盆地封闭消亡;古近纪,先存断裂重新开裂反转为正断裂,同时形成一些新断裂,控制了一系列不同级次断陷盆地的发育,经强烈拉张、拆离滑脱和相互贯通,进一步发展成为渤海湾裂陷盆地的西部边界;古近纪末—第四纪断裂活动趋于停止,盆地由断陷阶段进入坳陷阶段。

图3-1 渤海湾盆地岩石圈结构构造剖面

2.沧东断裂

(1)断裂带空间展布特征

沧东断裂北起河北宁河,向南经沧州、南皮、吴桥和山东德州,直至临清附近,总体走向NE30°左右,全长约350km。沧东断裂是渤海湾盆地黄骅坳陷与沧县隆起的分界断裂,同时对临清坳陷和衡水-邢台隆起也也起着重要的分隔作用。该断裂带的形成时期、构造形态、活动性质和强度直接影响着相邻构造单元的形成和发展。

(2)断裂带地球物及深部构造特征

在地球物场中,沧东断裂的北部显示布格重力异常和剩余重力异常梯度带,异常等值线平行断裂迹线展布,而在断裂南部,断裂两侧无明显重力异常反映,断裂迹线穿越等值线;在航磁△T异常中也有类似情况(陆克政,1999)。布格重力异常和剩余重力异常均是由地壳介质密度变化引起的,航磁△T异常是由磁性结晶基底的起伏引起的,这说明沧东断裂北部影响较深,断幅大。

在横穿沧东断裂北部的地壳上地幔速度结构剖面上(图3-1),沧县隆起和黄骅坳陷地壳分上、中、下三层,分层界面连续而无断错现象。黄骅坳陷上地壳厚度较小,为12km,沧县隆起和埕宁隆起的厚度较大,为16km,黄骅坳陷和沧县隆起之间中下地壳界面存在一挠曲,且上地壳底部和中地壳顶部发育有低速体(波速为6.10km/s);莫霍面在黄骅坳陷下比两侧沧县隆起和埕宁隆起高2~4km。值得注意的是,沧县隆起和黄骅坳陷虽然地壳速度结构总体相似,但上地壳速度结构明显不同,沧东断裂正是此速度结构的分界;中、下地壳速度结构横向连续。新生代沧东断裂在剖面中表现为上陡下缓的铲状形态,断面以极平缓的倾角延伸至10km深处,是一条发育于上地壳的大型拆离断裂,在倾向上水平延伸数十千米(高战武,2000)。在大同-海兴地壳上地幔速度结构剖面中(国家地震局地球物理勘探中心,1987),沧东断裂也显示出类似的特征。

(3)断裂带分段特征及其对相邻构造单元的控制作用

沧东断裂总体表现为正断层性质,但在不同区段其产状、发育历史和活动强度等存在较大差异,表现出明显的分段性,大致可分为南北两部分。

南部为德州至临清部分,长约100km。断裂呈线状分布,倾角较大,一般为65°~70°,断裂的垂直断距(落差)约2~3km,水平拉张断距(伸展量)15km左右,其控制了临清坳陷的德州和冠县两个凹陷,分别沉积了厚达2000m和4000m的古近系孔店组(Ek)、沙河街组(Es)和东营组(Ed)。

北部是指德州以北至河北宁河,是黄骅坳陷的西界断裂,大致以泊头和唐官屯为界,分为南、中、北三段。南段位于泊头与德州之间,断面呈铲状,倾向南东东,倾角较小,约30°~40°,垂直断距1~2km,水平拉张断距1km左右,其控制了南皮和东光两个凹陷,沉积地层包括孔店组和沙河街组,厚2000~3000m;中段位于泊头与唐官屯之间,平面上呈缓波状分布,断面为铲状,倾角较缓,为20°~30°,垂直断距6~7km,水平拉张断距7~10km,其控制了沧东凹陷的发育,沉积地层主要为孔店组和沙河街组,东营组很薄,古近系厚4000~5500m;北段是唐官屯以北的部分,断裂产状变化较大,平面上北北东和北西西两组断裂呈锯齿状排列,断面呈平面状和铲状,倾角约30°~40°,垂直断距3~5km,水平拉张断距3~4km,其控制了北塘和板桥凹陷的发育,孔店组地层最度较小,主要是沙河街组和东营组,分别厚约3000m和5000m。

总体上,古近纪是沧东断裂的主要活动期,先存断裂重新活动变为正断层,直接控制黄骅坳陷西界和临清坳陷有关断陷盆地,此时沧东断裂东盘(上盘)下降,自北而南形成北塘、板桥、沧东、南皮、东光、德州和冠县等凹陷,古近系沉积厚度约2000~6000m,而西盘则相对抬升为沧县隆起,其上缺失古近系。凹陷绝大多数为半地堑,多为NE至NEE走向。自新近纪起,渤海湾盆地由古近纪断陷阶段进入坳陷阶段(后裂陷阶段),盆地整体下沉,在古近纪盆-岭构造之上叠置发育了统一的大型坳陷盆地,此时,沧东断裂的活动性甚弱,并被新近系和第四系覆盖,成为隐伏断裂。

3.兰聊断裂

(1)断裂空间展布特征

兰聊断裂是渤海湾盆地南部的重要断裂带,南起河南兰考,经范县-聊城-禹城-济阳一线沿北北东向延伸,终止于山东广饶,长约500km,宽5~10km,是分割临清坳陷与鲁西南隆起的边界断裂,也是临清坳陷的一级控盆断裂(图3-2),如东濮凹陷整体就是由兰聊断裂控制的大型半地堑。

(2)断裂分段特征及控盆作用

兰聊断裂在不同区段其产状、发育历史和活动强度等存在一定差异,表现出明显的分段性。它以NWW向范县-大名断裂为界分为南北两部分:

北部分布在范县-聊城-禹城-齐河一带,长约260km,又称齐河-广饶断裂。断裂由南向北其走向逐渐向东偏转,略呈向北凸出的弧形,倾向也由NWW向转为NW向,断层倾角上陡下缓,为24°~77°。Tg层最大落差达5800m,最小落差为2350m,水平拉张断距最大为4800m,最小为1500m(周章保,1999)。在平面上一些地带呈现分支,多数分为二到三支。总体有以下规律:单条断层时断面陡倾,上部倾角较陡,达60°~70°,单条断层的断距也较大;而在断层分支处,断层断面倾角较缓,多为30°~50°,每条断层的断距也不大,断层呈断阶组成断层带。这些断阶往往可形成大的断块,组成二台阶。关于兰聊断裂北部的活动,据汪新文等(1999)的研究,其在不同时期活动强度有所不同。在孔店组—沙四段时期(Ek-Es₄)时期活动强度最大,分段性活动特点明显:大致以侯营、莘县为界又可分为北、中、南三个区段,分别控制了三个半地堑的形成。北区段活动强度最大,断层落差1000~1700m,断层活动速率(V_f值)在181~309m/Ma之间,中南段活动强度较小,总体具有北强南弱、北深南浅特点;沙三段时期(Es₃期)断层的活动强度很小,断层落差和断层活动速率绝大多数分别低于500m/Ma和57m/Ma,基本上不控制半地堑的形成,断层也不具有分段性;沙二段—东营期(Es₂-Ed期)断层的活动性和分段性较前期有所增强,形成了三个半地堑,但总体上活动强度也较小;Ek-Es₄期的断距与Es₂-Ed期的断距具有镜像性,即Ek-sE4时期的断距较大的地方在sE₂-Ed时期断距较小,反之亦反,反映出兰聊断裂北部不同时期的构造迁移特点。

兰聊断裂南部分布在范县-兰考一带,长约250km,走向北东15°~20°,倾向NWW,断面上陡下缓呈犁状,古近纪最大总断距达7000m,是分割东濮凹陷与鲁西南隆起的边界断裂,也是东濮凹陷的一级控盆断裂,控制了东濮凹陷的形成与演化,由于其强烈活动,使东濮凹陷在宏观上表现为东断西超,地层东倾的半地堑结构。兰聊断裂南部在不同地段、不同时期发育有所不同:在沙四期已开始较强烈活动,在北、中、南各明显控制了三个半地堑,即濮城、前梨园和葛岗集半地堑(图3-2)。葛岗集洼陷最为发育,断层附近最大沉降幅度可达1500m,最大活动速率达338m/Ma,但与兰聊断裂北部该时期相比,大部分地段活动强度远不及北部(周章保1999);沙三期是兰聊断裂南部的最强烈活动期,由于兰聊断裂的活动对凹陷有强烈的控制作用,因此,该时期也是东濮凹陷的主裂陷期和扩张期,充填的地层厚度占古近系厚度的60%以上,地层分布范围也迅速扩大。以白庙横向凸起为界形成南北两大沉积中心,断层最大垂直断距和活动速率均可分别达到4300m和620m/Ma。这与兰聊断裂北段活动强度很小,断层不具有分段性,基本不控制半地堑等特征形成了强烈的反差;沙二至沙一期断裂活动强度开始减弱,但与北部相比,断层的垂直断距和活动速率依然很大,最大分别可达1777m和355m/Ma(汪新文1999)。该期半地堑与分隔半地堑的凸起沉降幅度差明显减少,即断层系活动的分段性特征明显减弱,作为统一的断层系的特征开始出现,半地堑数量减少,合并的趋势增强。从总体上看整个E_s3期活动是最强的,E_s2-E_s1期相对较弱。东营期兰聊断裂南部活动强度急剧减弱或基本停止。

图3-2 兰聊断裂构造特征简图

(3)断裂的演化阶段

晚侏罗世末-早白垩世,中国东部大陆边缘发生左旋剪切作用,形成兰聊断裂的雏形。早白垩世中期-古近纪初,华北断块区整体抬升遭受剥蚀并逐渐均夷而准平原化。古近纪,太行山东麓断裂带、兰聊断裂等先存断裂重新开裂并控制了一系列不同级次断陷盆地的发育。兰聊断裂裂开的强度为北强南弱。

沙三段时期兰聊断裂发生明显的差异断裂,断裂南部处于强烈拉张状态,此时断层的水平拉张量和垂直差异升降量都很大,下降盘沉积地层厚达4000m,向南北均变薄,并形成濮城、前梨园、葛岗集和固阳等几个深湖区,成为该区主要的生油洼陷。洼陷区沿兰聊断裂呈串珠状分布一系列水下扇状体,形成丰富的深层气藏(张亚敏,2000)。而北部活动强度很小,基本不控制半地堑的形成。

渐新世,随着区域拉张应力的逐渐减少,兰聊断裂的垂直差异升降幅度变小,湖盆发生萎缩、变浅。东营组末期,本区整体抬升,造成古近系与新近系成为区域角度不整合接触。

4.太行山南-丰沛断裂

断裂带分布在济源-焦作-新乡-兰考-商丘-丰县-沛县一线,全长约450km,其东端被郯庐断裂所截断,前人将其称之为济源-黄口断裂或封丘-丰沛断裂。断裂带是华北地台两种不同方向构造线的分界线(附图11),分界线以北的汾渭地堑、太行山东麓断裂、沧东断裂以及兰聊断裂等均呈NE-NNE向,由这些断裂带分割和控制的冀中-汤阴盆地带、沧县-内黄隆起带、黄骅-临清-东濮盆地带、沙垒田-埕宁隆起带也均呈NE—NNE向展布。分界线以南的商-丹、勉-略缝合带和一系列中新生代逆冲推覆带均呈NWW向,由这些断裂带分割和控制的周口、合肥、信阳、南襄盆地等一系列中小盆地群的构造线方向也呈NWW—EW向。因此,太行山南-丰沛断裂不但是华北地台两种不同方向构造线的分界线,也是渤海湾盆地与鲁西南隆起区与南华北盆地群、徐淮断隆之间的分界线。归根结底是燕山、秦岭-大别两个不同造山带影响区域的分界线,所以断裂特征及形成机制的研究具有重要的理论及现实意义。

(1)断裂带产状特征

断裂带总体呈NWW向展布,是由南北两条主干断裂所组成,每条主干断裂又是由一系列产状不同的断层组合而成,其走向从西到东依次为EW或NEE向(太行山南断层和邙山北断层)、NWW向(封丘断层-仪封断层或龙虎寺-商丘断层)、近EW向(丰沛断层)和NEE向(户北断层),构成了一个锯齿状的断裂带。断裂带又被NE—NNE向和NW向断裂所分割。

(2)断裂带的地球物理特征

在湖北随州至内蒙古喀喇沁旗地学断面(国家地震局,1992)和上海奉贤-内蒙古阿拉善左旗地学断面(国家地震局,1991)中,出现一个以郑州为中心的地球物理变异带。变异带的一个重要特征是莫霍面隆起,其顶部埋深为30km,属于华北大陆最高点。莫霍面向东、西、南、北四面下倾。变异带另一个特征是软流圈顶面上拱,在太行山南部断裂之下软流圈顶面埋深仅有70km。这种地球物理变异带可能是形成太行山南-丰沛断裂带的深部原因。地震速度结构和大地电磁测深结果还显示出太行山南麓断裂是一条向南缓倾的大型铲式断裂,断裂深切到莫霍面,因此,这是一条重要的壳断裂。

(3)断裂带形成演化及地球动力学机制

关于断裂带的形成时期目前存在较大争议,一般认为在古近纪之前,该区存在近EW向展布的断裂,但这期断裂仅断续分布在一些断陷盆地当中,并没有全区贯通。古近纪时期发生了一次强烈的同沉积断陷作用,波及范围广泛,使早白垩世晚期的断层重新活动并相互贯通,形成了统一的太行山南-丰沛锯齿状断裂带。在断裂带的控制下,形成了济源、中牟、民权、黄口和四户古近纪断陷盆地。在潼关-鲁山-阜阳-淮阳断裂带以北的地区也分布一系列近东西向展布的古近纪张性断裂,它与太行山南-丰沛断裂共同组成了一条宽达150km的东西向断裂带。

太行山南-丰沛断裂是不同构造背景相互叠加的产物。南华北地区和燕山地区在印支、燕山早中期以南北向的挤压推覆作用为主,古近纪时期由于华北克拉通的破坏,造成了区域拉张环境,故形成了以太行山南-丰沛断裂为北界,以潼关-鲁山-阜阳-蚌埠断裂带为南界宽达150km的东西向延展的古近纪拉张断裂带。

此外,在郯庐断裂邻区还存在许多其他大断裂,如牟即断裂、海泗断裂、嘉山-响水断裂等,其形成演化对研究区内中、新生代盆地的发育也具有重要控制作用。

通过对郯庐断裂带邻区大型断裂带的地质、地球物理及活动特征的研究,结合秦岭-大别造山带逆冲推覆构造演化特征(张国伟等,1995),表明研究区内中、新生代断裂构造活动迁移现象十分明显。秦岭-大别造山带逆冲推覆作用的强度在印支-燕山早期表现出南强北弱、东强西弱趋势;燕山晚期-喜马拉雅早期则相反,表现出北强南弱、西强东弱的构造特征;燕山造山带中的断裂在印支-燕山期具有从早至晚从EW向→NE向→NNE向明显的偏转迁移规律,郯庐断裂带的活动及其对盆地的控制作用具有由早到晚由南向北迁移规律。