华南及其相邻边缘海域一些重要断裂的地球物理证据_郝天珧

第17卷　第1期 地　球　物　理　学　进　展 Vol.17　No.1 2002年3月(13～23) PROG RESS　IN　GEOPHYSICS March　2002华南及其相邻边缘海域一些重要断裂的地球物理证据郝天珧　刘建华　宋海斌　胥　颐(中国科学院地质与地球物理研究所,北京,100101)[摘　要]　通过对华南及其相邻的边缘海域的布格重力异常和磁力数据的处理和分析,利用水平方向导数、小波变换及典型剖面反演的共同结果,在研究区中分辨出方向各异的主要断裂共39条.根据重磁异常特征并结合层析成像结果分析了研究区内断裂的分布与延伸,特别对红河断裂带等重要断裂进行了重点讨论,并探讨了它们的延伸及与周边各地质单元之间的关系.[关键词]　华南及相邻边缘海域;断裂;地球物理证据[中图分类号]　P738 [文献标识码]　A [文章编号]1004-2903(2002)01-0013-110　引　言华南及其相邻的边缘海域位于欧亚、菲律宾和印度洋三大板块的交汇地带,地质面貌和演化过程十分复杂,是研究中国大陆及中国边缘海形成演化的重要窗口.近年来的研究表明,喜马拉雅山造山带中的中生代构造和新生代构造均从红河口入海,经南海北部海域,穿过海南岛一带向NE方向延伸[1],因而引发了特提斯与太平洋板块运动相互关系的一系列研究与讨论.本文研究的范围包括了南海的一部分和部分东海.在此范围内,西太平洋花边构造发生一个巨大的转折(东海为NE向,在台湾附近转为近EW向,然后又转为NE向),三大板块的作用形迹十分清晰.区域内一些重要断裂的分布与延伸与该区的地球物理场特征、构造体系、基底性质及深部界面的起伏变化有着密切的关系,是研究边缘海岩石层结构和形成演化的重要组成部分.本文主要通过对研究区的布格重力异常数据和磁力数据的处理和分析,根据重磁异常特征和部分层析成像结果分析研究区内断裂的分布与延伸,进而探讨它们与周边各地质单元之间的关系.1　重磁数据的处理与信息提取采用的布格重力数据为经过墨卡托投影转换和抽稀所得到的20×20km的网格化数据(原始数据点距为10×10km),编制成中国边缘海研究区布格重力异常图(图1)作为基础图件.经过解析延拓、任意水平方向导数、正则化滤波分场处理、小波变换等,得到不同尺度重力场及有关断裂的信息.磁力数据是根据中国大陆磁力异常图、南海磁力异常图和中国北方海域磁力异常图经过墨卡托投影转换和抽稀所得到的20×20km的网格化数据,在此基础上形成磁力异常图作为研究的基础图件(图2).经过与地质资料对比分析,选择典型剖面,以地震资料建立初始模型,对该剖面进行重力、磁力正反演迭代拟合,最终得到各模块的密[收稿日期]　2001-12-13;　[修回日期]　2002-01-20.[基金项目]　国家重点基础研究发展规划项目(G2*******-01)和中国科学院知识创新工程项目(KZCX2-209-2).[作者简介]　郝天珧,女,1957年生,1982年毕业于长春地质学院.现为中国科学院地质与地球物理研究所研究员.主要从事海陆油气盆地综合地球物理研究.(Email:tyhao@)度、磁化率参数及分布.结合地震资料,作为认识研究区深部结构与断裂带延伸情况的参考.数据除常规处理外,主要采用正则化滤波、磁异常总梯度模计算、小波分析等方法.2　研究区的断裂研究2.1　断裂异常的提取图1　研究区布格重力异常图Fig .1　Bougeur gravity map of researchregion图2　研究区磁力异常图Fig .2　M agnetic map of research region ·14· 地　球　物　理　学　进　展 17卷研究断裂体系除了方向导数、解析延拓等常用的方法外,小波变换和多尺度分析方法在近年来因在去噪、提高分辨率、奇性检测和信号增强等方面的重要贡献也越来越多地用于地壳结构和断裂体系的研究中[2]①.本文对布格重力异常、磁力异常数据进行各种处理,通过解释深部、浅部不同层次的异常,提取断裂信息.并在此基础上,参照研究区前人研究结果[3—14]②③④⑤,对区内一些较大型断裂的延伸和与周边构造单元之间的相互关系展开讨论,以便对该区的地质单元分布和断裂在海区的延伸情况有较为全面的认识⑥.图3　研究区布格重力数据135°水平方向导数结果Fig .3　Result of horizontal direction derivative (135°)of gravity data图3和图4是布格重力数据和磁力数据135°的水平方向导数结果图.图5是布格重力数据垂直梯度分布阴影图,图6是研究区莫霍深度分布图.通过各种结果的定性、定量分析,结合相关的地震资料,提取线性异常,并利用水平方向导数、小波变换及典型剖面反演的共同结果⑥,分辨出方向各异的主要断裂共39条(图7).图中可见:NE 向断裂为区内最主要分布方向.从统计结果看,NE —NNE 方向占46%,为本区的优势构造方向.2.2　研究区重要断裂的地球物理场特征与分布表1给出了研究区内39条断裂中一些主要断裂带的名称、位置、分布和地球物理场特征.重点讨论红河断裂带、冲绳海槽盆地西缘断裂带和扬子与华南的结合带.2.2.1　红河断裂带是一条重要的断裂带.作为欧亚与印支板块的边界结合带,多年来倍受关注.许多学者从不同角度对该断裂带进行了观测和研究.如认为它在历史上曾经是一条规模巨大的左行走滑断裂[7].也有从地形、地球物理证据角度论证它在海区的延伸问题[15].从重磁数据和处理结果来看,该断裂带为一系列明显的重磁异常.在重力图上,该断裂在陆区·15·1期 郝天珧　等:华南及其相邻边缘海域一些重要断裂的地球物理证据 ①②③④⑤⑥郝天珧,王君恒,姚长利,等.中国边缘海重点地区地球物理场特征及深部结构的综合研究.中国科学院地质与地球物理研究所,2001.刘光鼎,王谦身,吴向红,等.东海盆地分析和演化及其与天然气生成、运移、聚集的关系.中国科学院地质与地球物理研究所,1994.刘光鼎,江为为,郝天珧,等.中国主要盆地地球物理场.中国科学院地质与地球物理研究所,1998.刘光鼎,郝天珧,武传真,等.中国东部盆地地质结构机器与油气的关系.中国科学院地质与地球物理研究所,1995.宋海斌.南海基底构造格架及张裂大陆边缘的综合地球物理研究.中国科学院地质与地球物理研究所,1998.管志宁,郝天珧,张明华,等.区域地球物理战役详查-综合地球物理探测隐伏矿研究.中国地质大学,1998.并不明显,仅仅所起局部异常沿NW 向发生小的转折.这主要是由于十万大山走向的影响而造成的.但在小波转换结果图上有所反映⑥.特别是进入海区后,该断裂带的北侧,优势等值线延伸方向为NE 向,南侧则转变为近SN 和NNW 向.在重力垂直梯度图和0°方向导数阴影图上都有迹象表明它穿越了其它构造线⑥.磁力异常图上,它表现为一系列的零值图4　研究区磁力数据135°水平方向导数图Fig .4　Result of horizontal direction derivative (135°)of magneticdata图5　研究区布格重力值垂直梯度图Fig .5　Gravity vertical gradient result map·16· 地　球　物　理　学　进　展 17卷图6　研究区莫霍深度分布图Fig .6　Bistribution of Moho depth in researchregion图7　研究区断裂分布图Fig .7　Distribution of main faults in research region线的延伸方向.基本上在其南侧为负异常,北侧为正异常.莫霍深度分布图上,该断裂带在海南岛的西部和南部,沿断裂带等值线做NW 向的延伸.一直可以追索到15°N 附近.有与中沙南断裂带相连的趋势.在莫霍深度分布图上,沿该断裂,原来沿NE 向分布的等值线突然转为NW 向分布,发生很明显的方向折转.推断中沙南断裂带应是红河断裂的东延部分.特别·17·1期 郝天珧　等:华南及其相邻边缘海域一些重要断裂的地球物理证据 是沿断裂带有大量的基性、超基性岩分布,还有蛇绿岩套、混杂岩、花岗岩、强动力变质岩分布,表明这是一条压剪性、长期活动的断裂,而且延伸进入了南海并向东南方向继续延伸.2.2.2　冲绳海槽盆地西缘断裂带是一条切割深度很大的断裂带.它沿冲绳海槽盆地的西缘向南延伸.走向NE,即而近E W,然后再转为NE,一直到达台湾都兰以东海面,呈弧型,总延伸长度上千公里,是东海断裂体系中的一条重要构造.在重力场上表现为密集的梯度带,向上延拓后仍然十分清晰.在水平方向导数结果图上为线形异常.垂直梯度的结果也很清楚.磁力数据在该断裂通过地区虽然不全,但在有数据的部位,这条弯曲的弧型构造十分清晰.该地区的三维地震速度成像结果也反映出在琉球岛弧处出现了两条俯冲高速带⑦,其中的一条对应于冲绳海槽盆地西缘断裂带.从层析成像结果的剖面上看出这条构造带的深度在北侧大于南侧,同时剖面上呈弧状.这与重磁的结果是一致的.表1　研究区一些主要断裂的地球物理场特征Table1　Geophysical field feature of main faults in research region 断　裂　名　称断裂编号与位置地　球　物　理　场　特　征南澳断裂带1.NE-NEE向分布.长度大于500km在福建、广东沿海一带分布.在重力异常图上表现为异常梯度带.磁力异常则是一系列的小型异常成定向排列.这一线温泉呈现带状,地震活动活跃.莲花山断裂带2.NE-NNE向.从杭州一带向丽水、南平、大埔一线延伸.重力异常垂直梯度图上表现的较为清晰,特别是在上延一定高度之后,线性异常表现的更为明显.磁力异常图上比较凌乱.这一带有大量的温泉分布,地震活跃.合浦断裂带5.NNE向延伸.自江西的乐安一带南延到广东的合浦一带,然后转为NE向延伸.全长达上千km.位于重力异常的梯度带或等值线的转折处.方向导数的阴影图上为线性异常.磁性异常为一系列小型圈闭成NE向定向排列.在方向导数的成像结果图上,该断裂两侧的局部异常圈闭的连通受到构造带的阻隔.特别是垂直梯度结果的阴影图上,这条断裂带的延伸十分稳定,连续性好.在上延5km之后,异常延伸方向很清晰.断裂具有一定的深度.红河断裂8.走向NW.延伸1100km,宽约20～50km.沿元江、红河展布,向东南经莺歌海进入南海.入海后一直向东,可能与35号的中沙南断裂相连接.为一系列明显的重磁异常.在重力图上,进入海区后,该断裂带的北侧,优势等值线延伸方向为NE向,但在其南侧,则转变为近SN和NN W向.在重力垂直梯度和方向导数阴影图上都有迹象表明它穿越了其它的构造线.这是一条压剪性、长期活动的断裂.是华南块体与印支块体的缝合线.磁力异常图上,它表现为一系列的零值线的延伸方向.基本上在其南侧为负异常,北侧为正异常.莫霍深度分布图上,该断裂带在海南岛的西部和南部,沿断裂带等值线做NW向的拉长.一直可以追索到15°N附近.有与中沙南断裂带相连的趋势.沿断裂带有大量的基性、超基性岩分布,还有蛇绿岩套、混杂岩、花岗岩、强动力变质岩分布.·18· 地　球　物　理　学　进　展 17卷⑦刘建华,胥颐,等.中国边缘海及其相邻陆区岩石层结构特征.中国科学院地质与地球物理研究所,2001.续表断　裂　名　称断裂编号与位置地　球　物　理　场　特　征东南沿海构造带10.北起台湾海峡,以NE向延伸至海南岛的万宁一带.在万宁一带与九所-陵水断裂带相交.重力异常为密集的带状异常.延拓的结果为密集的梯度带.异常值在0～20mGal左右.在垂直梯度和水平方向导数阴影图中为明显的线形异常带.连续性好.磁力异常图上,该构造带阻隔了一系列小型异常圈闭的贯通.磁性异常为一系列小型的异常成串珠状定向排列.延拓的结果是小型圈闭的梯度带连线位置与该断裂带十分吻合.特别是在135°水平方向导数结果图上,该断裂带的延伸踪迹十分清晰.稳定性好.南宁-郴州-上饶-江山绍兴断裂带12.为NE向延伸的断裂带,东段是著名的江绍断裂,向西南过武夷山的北侧朝郴洲方向延伸.郴洲之后继续向西南,过大瑶山南端一直向十万大山附近展布.后与红河断裂相交汇.成为华南块体与扬子块体的分界.重力异常图上表现为沿重力梯度带的边缘延伸.与-40～-60mGal的等值线延伸方向基本一致.在垂直梯度阴影图上和方向导数结果图上行迹较为明显,还阻断了一些其他的构造线.磁异常表现为宽缓的磁力异常和密集的小型磁异常圈闭的分界线.在断裂的西北侧,异常的优势方向不清,宽缓平滑;在其东南侧则表现为一系列密集的小型圈闭,成串珠状NE优势方向分布.断裂两侧异常面貌有很大的差别.特别是在135°水平方向导数结果图上表现的最为清晰.可以清晰地看到断裂的延伸.江绍断裂带的两侧存在明显的速度差异.它的西北地区地震波速度明显低于断裂带东南的闽西南地区[5].在屯溪-温州的重力实测剖面上,江绍断裂带穿过的位置是明显的梯度带,梯度值在龙游-西口一带为1～1.5mGal.扬子块体部分,重力异常起伏变化较多、变化幅度也较大.而华南块体部分,重力场起伏变化较小和较为低缓[16].冲绳海槽盆地东缘断裂带13.位于冲绳海槽盆地的东缘,呈NE向延伸.北起北纬30°,东经130°附近,南界可达绿岛以东海面.布格重力异常为连续的带状异常.延拓后为明显的梯度带.90°水平方向导数结果图上为连续性很好的异常带⑥.磁力异常只有冲绳岛以北地区有数据存在,为断续的串珠状小型异常沿NE向展布.冲绳海槽盆地西缘断裂带14.沿冲绳海槽盆地的西缘向南延伸.走向NE,即而近EW,然后再转为NE,一直可以到达台湾都兰以东海面,呈弧型.总延伸长度上千km.在重力场上为密集的梯度带,向上延拓后仍然十分清晰.在方向导数结果图上为线性异常.垂直梯度的结果虽然不如方向导数结果清晰,但也可以追索到它的存在⑥.磁力数据在该断裂通过地区虽然不全,但是无论是上延的结果图上,还是在水平方向导数结果图上都可以在有数据的部位发现它的存在.这条弯曲的弧型构造十分清晰.琉球海沟构造带15.基本沿琉球海沟分布.向北越出研究区的北界,继续以NNE向向北延伸.向南逐渐转为NE、NEE向,一直延伸到东经123°、北纬23°附近.是块体的结合带.在布格重力异常图上是一条十分明显的梯度带.等值线十分密集,在200～350mGal之间变化.走向NE向.向北延伸越出了研究区的边界.向南接近台湾岛附近时,等值线开始出现弯曲,逐渐向近EW向和NEE向转变.在上延20、30km的结果图上,仍然可以找到这条异常梯度带的存在⑥.它表明,这是一条切割很深的构造,引起异常的地质体来自于深部.在水平方向导数图象上,它是一条明显的梯度带.在垂直梯度图上,它是延伸方向清晰的线性异常带.特别是垂直梯度结果,该线形构造所反映的异常稳定,成像清晰,不为别的异常干扰.小波在专换结果直至3阶⑥,仍然十分清晰.·19·1期 郝天珧　等:华南及其相邻边缘海域一些重要断裂的地球物理证据 续表断　裂　名　称断裂编号与位置地　球　物　理　场　特　征红水河断裂带20.断续延伸很长的NW向的断裂.自广东的茂名附近基本沿红水河向NW方向延伸,一直可以追索到贵州声的安顺一带.在布格重力异常上不很突出.只有在水平方向导数阴影图上才可以发现它断续延伸的踪迹⑥.磁异常为一系列小型异常圈闭的分界线,在其西南为负异常,在其东北为正异常.磁异常的水平方向导数结果阴影图上可以看到一系列NE 向延伸的线性异常在本断裂带处出现了错动.玉里断裂带22.在台湾岛的东海岸附近,近SN 向延伸.这是在重力异常上比较明显的的一条异常梯度带.NNE -近SN 向延伸,垂直梯度结果为线性异常带.中建岛断裂带25.在中建岛附近以NW向向永乐群岛的西南方向延伸.沿该断裂带,是磁力异常的正负交界带,异常沿该构造带呈现局部的沿N W 方向延长,与断裂带的延伸方向一致.特别是在磁力135°的水平方向导数图象上,这条断裂位于一个明显的分界带上.在它NE 方向,磁异常为一系列的小型的局部圈闭异常,在它SW方向,磁异常表现为宽缓的大面积异常,断裂两侧的磁场面貌有很大的区别;重力异常特征上也有反映.九龙江断裂带26.自台湾岛的鹅銮鼻一带向厦门延伸,然后沿九龙江继续延伸.NW -NWW .布格重力异常表现为NE 向延伸的等值线的突然折断.135°的方向导数结果上则表现为错断了一系列NE 向延伸的构造带.磁异常在东南沿海一带十分清晰,方向导数结果也同样表现为NE 向构造带的错动和扭断.西沙海槽南断裂34.近EW 向分布.分布于西沙海槽的南缘.东部可达双峰海山附近.全长近300km .倾向向北,对新生代裂谷的形成起着重要的作用.重磁数据反映的都很明显.延拓后的结果和方向导数结构都清晰地勾画出该断裂的存在.中沙南断裂35.NW 向的断裂.沿中沙群岛的南缘分布一直延伸到西沙群岛的南部海域,似与红河断裂贯通.主要反映在135°的磁异常水平方向导数图象上.十分明显.在阴影图上也很清晰.在莫霍深度分布图上,沿该断裂,原来沿NE 向分布的等值线突然转为NW 向分布,发生很明显的方向折转.推断该断裂带应是红河断裂的东延部分.马尼拉海沟断裂38.近SN 向的弧型断裂.北起台湾南部海域,过北吕宋海槽的西部,沿马尼拉海沟延伸,向南穿越了研究区南界.密集的重力异常梯度带.延拓图和方向导数结果图上都很明显.磁异常135°方向导数结果图象上可以看到该断裂的弯曲延伸情况和它读一些局部异常的错动.阴影图反映的更加明显.在莫霍深度分布图上也是地壳厚度发生急剧变化的梯度带.吕宋海槽断裂40.主要沿西吕宋海槽的延伸方向分布.南界也穿出了本研究区.布格重力异常SN 向的线性异常.方向导数的阴影结果为延伸稳定的线形异常.磁异常结果表现为NE 向的异常被错断.2.2.3　江绍断裂带.在中国华南东部地区,存在有若干条平行作NE 向分布的断裂带.江绍断裂带是其中最重要的断裂构造之一.它是扬子与华南块体的结合带,这一点无论从地质还·20· 地　球　物　理　学　进　展 17卷是地球物理证据上,认识都较一致.东南岩石圈的测量结果也证实,江山—绍兴带有明显的异常[5,16].但该带向西的延伸情况,有许多种认识.张文佑先生等认为是沿绍兴—江山,铅山—宜春,雪峰山—九万大山东南侧的岩石圈断裂为界[17];刘光鼎先生等则认为以绍兴—江山—上饶—吉安—郴州—梧州一线为界[1].任纪舜等提出的分界线在局部地段向北有所弯曲[18].本文提出的划分界限基本与文献[1]的划分界限相一致,但对郴州以西南部分的界限进行了补充.认为:郴州西南应沿十万大山一线向西南方向延伸,直至与红河断裂带相交汇.该断裂带在重力异常图上表现为沿重力梯度带的边缘延伸.与-40～-60mGal 的等值线延伸方向基本一致.在垂直梯度阴影图上和方向导数结果图上形迹更为明显,还阻断了其它一些构造线的延伸.磁异常特征为宽缓的磁力异常和密集的小型磁异常圈闭的分界线.在断裂的西北侧,异常的优势方向不清,宽缓平滑;在其东南侧则表现为一系列密集的小型圈闭,成串珠状NE 优势方向分布.断裂两侧异常面貌有很大的差别.特别是在135°、90°水平方向导数结果图上表现的最为清晰.可以清晰地看到断裂的延伸.江绍断裂带的两侧存在明显的速度差异.它在西北地区的地震波速度明显低于断裂带东南的闽西南地区[5].在屯溪—温州的重力实测剖面上,江绍断裂带穿过的位置是明显的梯度带,梯度值在龙游—西口一带为1～1.5m Gal (图8).扬子块体部分,重力异常起伏变化较多、变化幅度也较大.而华南块体部分,重力场起伏变化较小和较为低缓[16].图8　屯溪—温州重力剖面上反映的江绍断裂带Fig .8　Jiangshao fault belt in Tunxi -wenzhou gravity profile3　结　论3.1　华南及其相邻的边缘海区的断裂以NE -NNE 向为优势方向.大部分断裂的延伸长度很大,很多有迭加的现象,是多次活动的产物.3.2　红河断裂带进入海区后的确向东南方向继续延伸,在海区可以发现重磁异常的证据.·21·1期 郝天珧　等:华南及其相邻边缘海域一些重要断裂的地球物理证据 断裂带两侧重磁场特征的差异表明它们应分属于不同的地质单元.断裂经过海南岛南部之后,与中沙南断裂带相连的迹象很明显,因而推断中沙南断裂带是红河断裂东延的一部分.如果该推断正确的话,红河断裂不但入海延伸到15°N附近,而且还保持原由的方向继续向东南方向延伸.在中央海盆的南部,也应该发现它的踪迹.3.3　层析成像结果表明的琉球岛弧双高速带中靠近西侧的一条与重磁异常反映的线形异常位置一致,应是冲绳海槽盆地西缘断裂带的反映.断裂带的切割深度较大,有的部位可达近200km,但在不同的位置切割深度有所变化.断裂带的倾角从北到南也很不一致,反映出凸凹不平的断面特征.3.4　重磁异常反映了江绍断裂向西沿上饶—郴州—南宁(十万大山)继续延伸的证据.这条断裂应是扬子块体与华南块体的分界线.分界线两侧的地球物理场特征有很大差异.致谢:本文得到刘光鼎院士的热情指教,王谦身研究员为本文提供了屯溪-温州的重力观测数据,杨文采研究员、侯遵泽教授无偿提供了小波变换程序,向他们表示真诚的谢意!参考文献[1]　刘光鼎主编.中国海区及邻域地质地球物理图集[M].北京:科学出版社,1993.[2]　杨文采,施志群,侯遵泽,程振炎.离散小波变换与重力多种分解[J].地球物理学报,2001,44(4):805～811.[3]　陈邦彦,王公念.南海北部陆缘的重力边缘效应[A].见:地球物理学报编辑委员会编:八十年代中国地球物理学进展-纪念傅承义教授八十寿辰[M].北京:学术书刊出版社,1989.[4]　金祥龙,高金耀.西太平洋卫星测高重力场与地球动力学特征[J].海洋地质与第四纪地质.2001,21(1),1～6.[5]　刘建华,吴华,刘福田.华南及其海域三维速度分布特征与岩石层结构[J].地球物理学报,1996,39(4):483～492.[6]　赵金海.海洋地壳结构探测技术在东海的试验[J].中国地球物理学会2001年年刊,2001,193.[7]　任纪舜,金小赤.红河断裂的新观察[J].地质论评,1996,42(5):439～442.[8]　范小林,殷勇.华南地区地壳波速结构的构造地质意义[J].华南地震,1991,11(4):1～6.[9]　姚伯初,曹维军,陈艺中,等.南海北部陆缘东部的地壳结构[J].地球物理学报,1994,37(1):27～35. 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