渤海东南部NE向黄河口-庙西北新生断裂带的存在

渤海东南部NE向黄河口-庙西北新生断裂带的存在 渤海东南部NE向黄河口-庙西北新生断裂 带的存在 第29卷第4期 2007年12月 地震地质 SEISMOLOGYANDGEOLOGY Vo1.29,No.4 Dec.,2007 渤海东南部NE向黄河口一庙西北 新生断裂带的存在 徐杰张进周本刚吕悦军 陈国光计凤桔高祥林 1)中国地震局地质研究所,北京100029 2)中国地震局地壳应力研究所,北京100085 摘要根据中国海洋石油研究中心勘探研究院新取得的渤海明化镇组(N一N)和第四系底部 构造的资料,在从黄河口到长兴岛的NE向地带发育近600条断裂,其中NE—NEE走向的有近500 条,占断裂总数的83%,一般长5—20kin,最长40—50km.这组断裂有少数为NE--NEE向古近纪断 裂新活动的产物,其余是新形成的,它们总体组成宽约60km的NE向断裂带,具右旋走滑性质.该断 裂带不受古近纪断裂构造控制,属新近纪以来发育的新生断裂带.这一现象证实了以前推断的黄河 口一庙西北新生断裂带的存在. 关键词渤海东南部渤海7.4级地震明化镇组新生断裂带 中图分类号:P315.2文献标识码:A文章编号:0253—4967(2007)04—0845—10 O引言 一 般地说,当一个地区某一地质时期的构造动力学条件发生显着变化之后,其构造发育相 对于先存构造具有继承和新生的二重性,即既有利用或迁就先存构造继续活动或进一步发育的 构造,又有不受先存构造制约而新产生的构造,这也是盆地构造分析及构造地质学经久不息的 研究内容 (Ziegler,1989;Williamseta1.,1989;Cowardeta1.,1991;Hilleta1.,1995;Guimeraet a1.,1995).据此可将其分别称为继承活动构造和新生构造. 本文所指的新生断裂带,是在与现代区域构造应力状态基本相同的新构造阶段即新近纪和 第四纪(N—Q),不受先存断裂构造控制而新产生的断裂带.徐杰等(2001)在研究1969年渤 海7.4级地震区的地质构造和发震构造时,通过对地震,海区新近纪和第四纪地层的厚度分布 和变形程度及盆地基底构造等资料的对比和综合分析,推测渤海东南部正在发育1条NE走向 的黄河口一庙(岛群岛)西北新生断裂带,并认为它可能是渤海7.4级地震的发震构造. 最近,中国海洋石油研究中心勘探研究院在研究渤海中部新构造活动及深部动力过程对大 型油气系统形成的控制作用的过程中,取得了一些关于中新统上部一上新统(12,2.4MaBP) [收稿日期】2007—01—08收稿,2007—04—26改回. 【基金项目】国家自然科学基金(40238059)资助. 846地震地质29卷 和第四系底部构造的宝贵资料.这些资料明显反映出NE向黄河13一庙西北新生断裂带的存 在,证实了以前的推断.现根据有关资料分析草成本文,与同行专家讨论. lNE向新生断裂带的提出 1969年渤海7.4级地震发生在渤海湾盆地中段的东部.地震后,一些研究者根据主震震 源机制解和余震分布等资料的分析认为,其发震构造是NNE—NE向的营口一潍坊断裂带(郯 庐断裂带渤海段).2001年徐杰等利用渤海石油地质勘探和地震等方面的资料和研究成果,对 7.4级地震的发震构造进行了综合研究,提出了不同的看法.其理由是:1)从地震序列的震中 分布看,7.4级地震的主余震密集分布成走向N45.E左右的地震带,长50km(图1).从1970 年起,渤海东南部的地震仍主要沿7.4级地震的余震带分布,且进一步往NE方向扩展,构成长 约170km的地震带(图1,2).1597年7级地震也位于此带中.2)在综合分析有关7.4级地震 震源机制解的多家研究结果及其与主,余震震源分布关系的基础上,确定主震震源断层的走向 为N45.E左右,倾向sE,倾角约80.,具左旋走滑性质,埋藏于海底之下15,34km的深度范围. 3)对比分析渤海东南部的古近系与新近系一第四系的厚度分布资料,古近系沙河街组和东营组 明显受NNE走向的渤中和渤东凹陷及近EW向的黄河13凹陷控制;而新近纪以来的地层虽在 各凹陷中有不同程度的增厚,但总体上大致沿黄河13至长兴岛的NE向地带,地层厚度出现急 剧变化.同时,此带也是渤海地区新构造变形最强烈的地带.4)地震带,7.4级地震的 震源断 层及新地层的厚度陡变带和强烈变形带空间分布的一致性表明,渤海东南部存在1条新近纪以 来活动的N45.E走向的地壳剪切破裂带,亦即黄河13一庙西北断裂带.5)该断裂带虽利用了 一 些古近纪发育的NE—NEE向断裂,但总体上不受古近纪盆地构造控制,并斜穿营13一潍坊 断裂带分布,故推测它是一条新生断裂带.该断裂带是1969年7.4级地震的发震构造. 2区域新构造发育的主要地质条件 渤海所在的渤海湾盆地乃至华北断块区,新构造运动以块断活动方式为主,仅有局部地区 或部位出现与此活动相关的褶皱作用.对于新构造变形,由于新构造应力场与古近纪的构造应 力场明显不同,所以在新构造应力场作用下,除了出现先存断裂复活及其在新近系和第四系中 形成新的褶皱和断裂外,还会有受新构造应力场初始应力作用而新产生的褶皱和断裂,即不受 先存构造控制而新产生的构造.因此,古近纪盆地构造和变化了的新构造应力场,是渤海湾盆 地区新构造发育的2个重要的地质条件. 2.1古近纪盆地构造的发育概况 渤海湾盆地是在中生代构造基础上经新生代裂陷作用发育而成的一个大型裂陷盆地,其构 造演化经历了古近纪断陷或裂陷(rifting)和新近纪以来的拗陷或后裂陷(post-rifting)2个主要 阶级. 断陷阶段中,地壳在NW—SE向水平拉张作用下沿一些先存的NNE—NEE向区域 性断裂 裂离,解体,同时形成一系列的新断裂,它们多为铲状和平面状形态,控制了断陷盆地(凹陷或地 堑)的发育.这些凹陷往往成带(群)分布,相应组成一个个古近纪的坳陷,如济阳,黄骅,渤中 和辽河一辽东湾等坳陷,其间常以隆起相隔,从而构成多凹多凸,多坳多隆的复式盆一岭构造系 统.凹陷中堆积的古近系一般厚3000,4000m,渤中凹陷厚5000余米. 4期徐杰等:渤海东南部NE向黄河口一庙西北新生断裂带的存在847 ll9.120~121. <, 秦皇岛,,一f_? 滦县厂. z厂 00昌黎/ 乐亭0 , 次一 ? —, / ,,—一 {厂厂一一 囫I ,.\'Fio/'?庙n囫2 / 群 岛 囫3 1 囫 黄河口\一,每团s一团6\一/—,,]r/.. km 图l渤海7.4级地震发震构造分析图(徐杰等,2001) FlMapofcausativestructuresoftheMs=7.4Bohaiearthquake(XuJineta1.,2001). 1主震震源机制解的A节面;2余震分布区;3Mt---3地震(1970--2006年)分布带;4上更新统上部(距今22ka)底界面的 NE向洼陷;5主要的盆地基底断裂;6古近纪断陷盆地(凹陷):?渤中凹陷,?渤东凹陷,?庙西凹陷,?黄河El凹陷, ?莱北凹陷,?羊角沟凹陷;F.辽东断裂,F2辽中断裂,F3渤中1号断裂,F.PL7—1断裂,Fs渤中2号断裂,F6渤东1 号断裂,F,渤东2号断裂,F8庙西1号断裂,F9庙西2号断裂,F.o庙西3号断裂,F..渤南1号断裂,F-2渤南2号断裂, F.3BZ28断裂,Fl4BZ23断裂,Fl5BZ34断裂,Fl6渤中29号断裂,Fl7KL3断裂,Fl8黄北断裂.Fl9黄河El断裂,F20垦东断 裂,F2.垦北断裂,F22莱北断裂,F23蓬莱1号断裂,F2.龙El断裂 渤海7.4级地震区位于渤中坳陷和济阳坳陷的交接地带,亦为营口一潍坊断裂带和NW向 北京一蓬莱断裂带(张家口一蓬莱断裂带位于盆地中的部分)交会的地区,故构造相当复杂. 存在NNE,NE—NEE,Nw一近NW向等多组断裂,其中NNE—NE向的渤中1号和PL7—1断裂 及Nw—NE向的渤南1号断裂控制了渤中凹陷,NNE向的渤东1号断裂控制了渤东凹陷, NE—Ew向的黄北断裂控制了黄河121凹陷(图1),此外还有与凹陷相邻的渤南,渤东和庙西等 凸起(地垒).它们总体构成了该区新构造发育的构造基础. 848地震地质29卷 119.120"121" , 一 , , 秦皇岛一一 O 滦县 00昌骜, 长其岛 .,0O 乐亭0 … 一 .妫 r一,…大连,,, . . , 一 ◎ . .E三三]明化镇组断裂 co3~M<4 0:04~M<5 O5~M<6 6~M<7一 o?舨s黄河口I\ 蓐.0(,0一,2... m 0 图2渤海东部新近纪一第四纪断裂和地震震中分布图 Fig.2DistributionofNeogene—QuaternaryfaultsandepicentersineasternBohai 到拗陷阶段渤海湾盆地整体沉降,在古近纪盆一岭构造之上叠置发育了统一的大型坳陷盆 地,其中一般堆积有厚1000,1500m的新近系和第四系,渤中凹陷中最厚达4000余米.这是 新构造变形的主要载体. 2.2区域新构造应力状态和基本构造格局 已有研究表明,渤海湾盆地构造发育的2个阶级,其动力条件和应力状态截然不同.古近 纪是深部软流圈物质热隆起并侧向流变导致岩石圈伸展裂陷的过程(马杏垣等,1983;徐杰, 1986;漆家福等,1995;陆克政等,1997;邓起东等,2001).其构造应力场的压应力轴近于直 立,张应力轴为Nw—sN向,近水平,具裂谷应力场的特征(徐杰,1986;徐杰等,1998,2000). 受此应力场作用,在地壳上部形成了由一系列NNE—NEE走向缓倾铲状和平面状正断裂及其 控制的断陷盆地组成的伸展构造系统. 新近纪和第四纪,盆地区具有热收缩和重力调整引起的整体沉降.与此同时,由于盆地所 在的华北断块区处于青藏高原断块区内部块体被挤出往NE推挤(国家地震局"鄂尔多斯周缘 4期徐杰等:渤海东南部NE向黄河口一庙西北新生断裂带的存在849119.l20o121. , 秦皇岛Q—? 滦县厂上, 00昌黎/ 乐亭0—/ . 刎一 / ,1一卫/ 一/ /\,厂, ,Jt' 1 / [:]主要盆地基底断裂 1E明化镇组断裂一 黄河1:3\一丝\一,//—一\]:f,o...4.0kin 图3渤海东部盆地基底断裂和明化镇组断裂分布图 Fig.3DistributionoffaultsinbasementandMinghuazhenFormationineasternBohai 明化镇组断裂据中国海洋石油研究中心勘探研究院2004年资料 活动断裂系"课题组,1988;汪一鹏,2001)和太平洋板块向NWW俯冲的两侧受压的构造环境, 且这种侧向挤压作用日益增强并占据了主导地位,从而形成了NEE—SWW向水平挤压的区域 构造应力场(徐杰,1986;徐杰等,1999a).它不同于古近纪构造应力场.在此应力场的作用 下,渤海湾盆地在古近纪构造的基础上,发育了继承和新生2种类型的走滑活动断裂带,前者如 右旋走滑的NE向的营口一潍坊断裂带北段(徐杰等,1999b)和左旋走滑的NW向的北京一蓬 莱断裂带(徐杰等,1998)等,后者有右旋走滑的NE向唐山一河间一磁县断裂带(徐杰等, 1996).NE和NW走向的走滑断裂带一起构成了渤海湾盆地区地壳的共轭剪切破裂格局(徐 杰等,1999a,2002). 850地震地质29卷 3渤海东南部新构造变形的特征 最近中海石油研究中心勘探研究院编制出了渤海明化镇组(N一N)底界构造图和第四系 底界构造图.这2张图中都以断裂构造极其发育为主要特征,且2张图的断裂彼此相应,分布 情况完全相同,表明是新构造活动在上,下2套地层中形成的构造形迹,且明化镇组的断裂构造 具穿透性.因此,这里仅以明化镇组中的断裂构造来讨论新构造变形的特征. 3.1断裂构造分组 渤海明化镇组断裂构造十分发育.在渤海东南部黄河口至长兴岛的NE向地带,初步统计 有断裂近600条,多具有正断至走滑性质,基本分为NE—NEE,NNE和NW向3组.在该地带 以南则以近EW向断裂为主;之北是营口一潍坊断裂北段的NE向辽中和辽东断裂及其两侧羽 状排列的伴生断裂(图3). 在上述NE向地带,以NE—NEE向断裂数量最多,有近500条,约占总数的83%,一般长 5,20km,最长4O,50km;NNE向断裂有5O多条,一般长5,15km,最长20km左右;NW向断 裂有4O多条,一般长5,15km,最长约20km. 3.2古近系先存断裂新活动产生的断裂 在黄河口至长兴岛的NE向地带,古近系中主要存在NE—NEE,NNE和NW向3组断裂 (图1,3).其中,于新构造时期复活且在明化镇组中产生新断裂的主要是NE—NEE向断裂,如 渤东2号,PL7—1,庙西1号北段,庙西2号,渤南1号和渤南2号等断裂(图3),它们再活动时 在明化镇组形成的断裂连续性较好,规模较大,长40,50km,有些如PL7—1和庙西2号断裂右 旋走滑活动时还在断裂两侧产生了羽状伴生断裂.而NNE向断裂,如组成营口一潍坊断裂带 南段的BZ28,BZ34,KL3和蓬莱1号等断裂,在古近系中发育较好,但到明化镇组则往往被一些 NE—NEE向和近EW向的断裂分割得断断续续(图3).NW向的渤中29号断裂在明化镇组中 已变得不大清晰. 3.3与古近系先存断裂无关的断裂 发育于古近系的先存断裂除上述断裂外,还有一些断裂在明化镇组中未出现相应的构造形 迹,如NNE走向的渤中1号断裂南段,渤东1号断裂,庙西1号断裂南段,以及NW向的渤中2 号断裂等.这表明它们在新构造时期没有复活或活动十分微弱.然而,在这些断裂上面覆盖的 明化镇组中却发育了一系列的NE—NEE向断裂. 此外,在古近系断裂不发育的地方,其上覆明化镇组中亦发育有许多的NE—NEE向断裂. 3.4大量断裂密集组成的NE向断裂带 由上述可见,明化镇组在黄河口一长兴岛的NE向地带发育的近600条断裂中,有近500条 是NE—NEE走向的;而在此走向的断裂中,除少数是先存的古近纪NE—NEE向断 裂新活动形 成的外,其余基本上与先存断裂无关或是在无先存断裂的地方新形成的.它们密集分布组成1 条断裂带,总体走向N45.E左右,宽约60km.据明化镇组中NE向的PL7—1和庙西2号等断 裂与其两侧羽状伴生断裂的组合关系推测,断裂带具有右旋走滑特征.黄河口一庙西北地震带 与该断裂带分布一致(图2). 该带与下伏古近系中的先存断裂似成"立交桥"式结构,出现上下不同层次构造,结构的非 耦合性. 4期徐杰等:渤海东南部NE向黄河口一庙西北新生断裂带的存在85l 4讨论 渤海东南部分布的NE向黄河口一庙西北地震带(图2)是一条现代地壳脆性破裂带.与 之分布一致的新近系一第四系厚度剧变带,尤其是明化镇组和第四系底部发育的NE向断裂带 (图2),从新构造方面不仅证明了该地壳破裂带的存在,而且反映了其新近纪以来的强烈活动 性.断裂带不受古近纪盆地构造控制,而且斜穿营口一潍坊断裂带分布,故为新生断裂带. 从断裂构造发育的动力学条件看,断裂的形成可分2类,一类是在新构造应力场作用下先 存断裂再活动形成的断裂;另一类是受新构造应力场的初始应力作用而新产生的断裂(钟嘉猫 等,1983),即不受或没有先存断裂制约而产生的断裂.先存断裂复活的应力条件,主要是受 作用于断裂面上的压应力方位决定的(钟嘉猎等,1983).总的说来,主压应力与断裂 面夹 角<45.,先存断裂易滑动或复活;若夹角>45.则断裂不易滑动或不活动. 分析渤海明化镇组的构造,断裂的总体分布图像和构造分区格局与用有限单元法数值模拟 计算的渤海地区现代构造应力场(陈国光等,2004)的压应力轨迹分布图像和构造应力分区非 常吻合.这表明明化镇组断裂发育的构造应力场与现代构造应力场基本一致,为N60.E—Ew 向水平挤压应力场.在此应力场的作用下,NE—NEE向先存断裂与压应力的夹角<45.,易滑 动而复活,产生相应的新断裂;NNE向先存断裂与压应力的夹角>45.,则不易活动,难以产生 新的断裂.此外,该地带以NE—NEE向断裂活动为主,与之具共轭关系的NW向先存断裂的 活动则被抑制.这些说明了明化镇组断裂发育与先存各组断裂之间的力学关系.在新构造应 力场中,N45.E大致代表了1组最大剪切方向,因此,黄河口一庙西北断裂带是受新构造应力场 初始剪切作用而新产生的走滑断裂带,即新生断裂带.与之近于平行分布的NE向唐山一河 间一磁县新生断裂带(徐杰等,1996)具有同样的力学条件. 新生断裂带发育时间短暂,处于地壳破裂的初始阶级,故单条断裂规模小,长度不大,连续 性差,但数量很多,密集分布成1条具有相当宽度的破裂带.这与先存断裂如营口一潍坊断裂 带北段的辽东和辽中断裂复活形成的连续分布且宽度窄的断裂(图3)截然不同.所以,从断裂 构造的力学成因分析亦可得出黄河口一庙西北断裂带是1条新生构造带.它向SW可能斜穿 济阳坳陷延伸到临邑,高唐一带. 本项工作得到马宗晋院士及中国海上油气公司的龚再升总地质师,蔡东升和张功 成高级工 程师的指教和帮助,并与他们进行过有益的讨论,在此一并致谢. 参考文献 陈国光,徐杰,马宗晋,等.2004.渤海盆地现代构造应力场与强震活动[J].地 震,26(4):396--403. 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KeywordssoutheasternBohai,BohaiMs7.4earthquake,MinghuazhenFormation,newlyge nera— tedfalJ1tzone [作者简介】徐杰,男,1943年生,1967年毕业于南京大学地质系大地构造专业,1986年在中国科技大学研究 生院获得博士学位,研究员,博士生导师,主要从事新构造,地震构造和石油地质等研究,电话: O10—62009154.E—mail:JFJ09@126.com.