欧亚大陆东缘存在一个巨型深断裂系统
——基于卫星重力的新发现
1 中国地质科学院矿产资源研究所，国土资源部成矿作用与资源评价重点实验室
2 国土资源部咨询研究中心
3 中国地质大学(北京)，地下信息探测技术与仪器教育部重点实验室
第一作者：黄宗理，高级工程师（研究员级），现从事地球物理与成矿研究。
通讯作者：严加永，研究员，主要从事深部矿产资源探测。
黄宗理等研究欧亚大陆东部地区的卫星重力场时，不仅发现剩余重力异常沿郯庐断裂带呈线状分布，还发现剩余重力异常在欧亚大陆东部边缘地区出现了一个彼此平行、间距相等的规则组合，并结合区域地质构造演化、反射地震、区域地球化学异常和数值模拟等方法和地质理论开展了进一步研究。
进一步研究发现，这些剩余重力异常在中国大陆上的部分与已知的地质断裂完全重合。地球深部探测专项（SinoProbe）反射地震探测结果，显示这些断裂下方存在Moho破裂，幔源物质上涌。
物探资料显示高密度的幔源物质上涌和深断裂之间存在密切联系，剩余重力异常显示出欧亚大陆东缘存在一个巨型深断裂系统，主断裂带南起中国广州向北延伸直至鄂霍次克海，绵延逾3000km。
采用数值方法模拟了断裂系统的形成过程，在菲律宾板块和太平洋板块近NW方向构造力的作用下，欧亚大陆东缘产生NNE向走滑断层，其东侧生成彼此平行，间距大体相等的派生断层。断层形成过程中，Moho破裂，大量地幔物质上涌，形成中国东部中生代以来的巨量火山岩浆活动，控制了内生金属矿床的分布。
这个断裂系统近代还在活动，导致了郯城8.5级大地震和长白山的火山喷发。
研究发现的欧亚大陆东部地区剩余重力异常分布规律客观存在，所显示的断裂构造具有继承性长期活动特点，这些断裂构造主要形成于华北克拉通与扬子板块汇聚过程，并在其后又受到西太平洋地区板块与欧亚板块斜向/多向汇聚作用的影响至今，在燕山期构造运动伸展阶段，这些断裂又复活新生，由压扭转为张扭，岩浆侵入成矿，喜山期还在活动。
黄宗理等研究成果具有重要意义，这些断裂构造对成矿作用和人类环境影响大，提出的巨型深断裂系统值得重视和进一步研究。此外，本研究还说明了另外一个问题，即卫星地球物理测量成果有巨大的开发应用潜力。
0 引言
由于重力测量可以提供大面积的宏观图像和深部地质体的信息，利用重力场研究区域地质构造的成果越来越多，如刘光鼎等(1997)根据重力场特征提出中国大陆具有“三横、两竖、两个三角”的宏观格架；滕吉文等(1982)给出了“中国地壳构造的基本轮廓”；马宗晋等(2006)使用重力水平梯度分析了中国大陆的地质构造；侯遵泽和杨文采(1997)使用重力场的小波变换研究中国的地壳构造；涂广红等(2006)使用剩余重磁异常研究东北地区的地质构造；路晓翠等(2012)用小波变换重力资料研究郯庐断裂等。在对重力场的研究中，一般认为布格重力异常是由Moho面起伏和地壳内部局部密度不均匀两种因素引起的。不同尺度的重力异常对应不同规模的地质体，区域重力异常主要反映了大尺度Moho面的起伏变化，而地壳内局部密度不均匀体则形成局部重力异常。
我们在研究欧亚大陆东部地区的卫星重力场时，对布格重力异常进行了区域场和局部重力异常的分离。发现在一定尺度的空间域滤波或一定频带宽度的频率域滤波后，得出的剩余重力异常在欧亚大陆东部边缘地区出现了一个彼此平行、间距相等的规则组合。进一步的研究发现，这些剩余重力异常在中国大陆上的部分与已知的地质断裂完全重合。
1 数据处理
研究区地理位置见图la，经纬度范围为105°—145°E，20°—55°N。使用的卫星重力数据和地形数据源自美国全球卫星重力数据库，数据编制日期是2011年6月22日，数据网度1′x1′。经过对卫星数据的去噪滤波，中间层改正和地形改正后，得到研究区布格重力异常如图1b。
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图1 研究区地理位置图(a)、研究区布格重力异常图(b)、研究区区域重力异常图(c)和研究区剩余重力异常图(d)本文研究布格重力异常中的局部异常，重点是Moho附近小尺度变化引起的局部重力异常。为消除区域场的影响，分别采用空间域的滑动窗口滤波和频率域的高通滤波两种算法，空间域中逐次选择滤波窗口边长为14'、16'、18'、20'、22'、24'、26'，频率域中逐次选择滤波波长分别是100km、200km、300km、400km进行试验。最后确定采用空间域算法，滤波窗口大小确定为20'x20'(约相当于30kmx30km)。计算得到的区域重力异常如图1c和剩余重力异常如图1d。比较图1b、c、d三张重力图可见，剩余重力异常图1d已经有效地消除了区域场的影响。
为检验卫星重力异常的可靠性，任选四条剖面将从卫星数据计算出的剩余重力异常与使用地面测量重力数据计算出的剩余异常进行对比。从L1线、L3线、L4线和L5线卫星重力求取的剩余布格重力异常和地面重力求取的剩余异常对比结果(图2)，可以看出这两种方法得到的剩余重力异常吻合较好，说明使用卫星重力数据计算剩余重力异常是可行的，计算出的结果具有较高的可靠性。
2 剩余重力异常分布特征及其与地质断裂的对应关系
剩余重力异常在中国东部出现两条明显的北北东向的条带状异常(图3)，一条沿大兴安岭、太行山、武陵山一线，异常强度高规模大，近南北向的条带异常在华北地块北缘，以及扬子与华北地块交界处被东西向异常所截断，这一个剩余异常带对应的是中国东部著名的重力梯度带，马宗晋等(2006)认为这个重力梯度带反映了地壳的陡变，梯度带两侧地壳厚度变化达10km。
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第二个条带状异常南起广州，经南昌，南京，穿过长江，经山东半岛，过渤海湾，经沈阳，长春，哈尔滨，从佳木斯以北出境，沿黑龙江下游进入鄂霍次克海，绵延逾3000km。这个近南北向异常在中国东北，走向转为北东。异常东侧(含异常北段)共有9条走向北东的正异常，这九条异常彼此平行，两条异常之间的距离大体相等，异常向东伸向大陆边缘，9条异常构成一个奇妙的规则组合。平行①号近南北向主体异常做一条纵剖面AB，在剖面上剩余重力异常的规则分布规律表现得更加清楚(图4)。
图4 AB剖面的剩余重力异常
（红圈表示剩余重力异常编号）
将剩余重力异常图与中国主要断裂图叠合在一起，由图3可以看出：
①号重力异常南段与赣江断裂，中段与郯城庐江断裂，北段与依兰—舒兰断裂相对应；
②号重力异常与广州北东向断裂对应；
③号重力异常与邵武—河源断裂相对应；
④号重力异常与绍兴—萍乡，景德镇—宜丰断裂带相对应；
⑤号异常对应的长江下游隐伏断裂带
⑥号重力异常与扬子陆块北缘断裂带相对应；
⑦号重力异常与商南—荣成板块缝合带相对应；
⑧号重力异常与鸭绿江断裂相对应；
⑨号重力异常对应敦化—密山断裂。
9条重力异常中，有8条在中国大陆境内都和已知断裂吻合得较好，只有⑤号异常目前没有已知断裂与之对应。⑤号异常从南京沿长江入海。已有人根据该区各种地球物理信息，指出长江下游至泰州为一隐伏深断裂带（暂称为长江下游隐伏断裂）。石油地质工作也已在⑤号异常海域部分发现了一组断裂。
3 剩余重力异常的地球物理解释
引起重力异常的根本原因是地下存在着高密度物体，9条重力异常与已知断裂的严格对应说明在这些断裂下方有高密度物体沿着断裂分布。问题在于这种绵延数千千米的条带状高密度物体是什么？SinoProbe-02专项最近完成的东北和华南两条深地震反射剖面测量，获得了包含Moho面的地壳的精细图像，给出了对重力异常的解释结果。
图5是切过依兰—舒兰断裂的反射地震图像与剩余异常剖面L1，在双程走时12秒附近连续的Moho反射波界面十分清晰，但在依兰—舒兰断裂下方，原来连续的Moho面出现破裂，Moho在破裂处隐隐形成一个直径约3秒(9km)的椭圆，向上隆起约4km，其上方出现一系列复杂波形一直贯穿到地表，构成一个垂直的花状构造，从Moho直到地面依兰—舒兰断裂。地震图像清晰地描绘出依兰—舒兰断裂切穿了地壳，断裂下方的Moho破裂上隆，密度较大的幔源物质由破裂处上涌进入地壳，在地壳内形成幔源和壳幔混合的岩浆岩岩体，隆起的Moho和高密度的基性岩浆岩体产生了剩余重力异常。理论计算表明，Moho隆起1km可产生约3mGal重力异常，隆起的Moho和高密度岩浆岩体沿断裂走向分布，形成与已知断裂严格对应的条带状剩余重力异常。地震图像中的花冠状断裂则是走滑断层的典型表现。图5 穿过依兰一舒兰断裂的剩余重力剖面(a)与反射地震图像(b)
图6是切过敦化—密山断裂的地震图像与剩余异常剖面L2，图7是切过赣江断裂的地震图像与剩余异常剖面L3。地震图像的特点和依兰一舒兰断裂完全相同，说明敦化—密山断裂和赣江断裂也是切穿地壳的深断裂，深断裂下的Moho破裂，幔源物质上涌形成了剩余重力异常，典型的花状构造表示这两条断层也是走滑断层。图6 穿过敦化一密山断裂的剩余重力剖面(a)与反射地震图像(b)
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图7 穿过赣江断裂的剩余重力剖面(a)与反射地震图像(b)①号异常中段目前还没有深达Moho面的反射地震资料，史大年等(2012)对切过⑤号异常做的人工地震宽角反射/折射测量，横穿过郯庐断裂和长江下游隐伏断裂，地震测量结果在断裂下方Moho有约4km的隆起。朱日祥等(2010)在渤海湾附近做过多条人工地震宽角反射/折射测量，有两条剖面分别切过依兰—舒兰断裂南端和郯庐断裂山东段，在这些断裂下方，地震也测出Moho有明显的隆起和幔源物质上涌。虽然人工地震宽角反射/折射不能提供如同反射地震那样清晰的地壳结构图像，但断裂下方存在Moho破裂、局部隆起以及幔源物质上涌是清楚的。地震测量揭示出剩余重力异常和断裂之间的内在联系：断裂切穿Moho，Moho破裂隆起，幔源物质上涌，形成剩余重力异常，剩余重力异常和深断裂是密切相关的统一体，故可以根据剩余重力异常确定深断裂。目前已知的断裂都是根据地面地质工作确定的，只能在陆地上划定，也很难了解断裂的深度。而卫星可以在陆域和海域以相同网度和精度进行重力测量，由此计算出的剩余重力异常能够追踪断裂的延伸，判断断裂的深度，给出陆域和海域里断裂的全貌，弥补地面地质工作的不足。依照剩余重力异常与断裂的对应关系，可将在中国大陆上地质已经划定的断裂沿剩余重力异常向中国境外和海域自然延伸，把已知的断裂补充完整。①号异常北段对应的依兰—舒兰断裂带，从剩余重力异常看应向北延伸出境，沿黑龙江下游进入鄂霍次克海。①号异常从南端的广州到北端进入鄂霍次克海，整体是连续的，说明①号异常所对应的赣江断裂带，郯庐断裂带，依兰—舒兰断裂带，从南到北整体上是连续的。这个连续的断裂带在卫星地形图上也可清晰识别。②、③、④号三条重力异常对应的广州北东向断裂、邵武—河源断裂、绍兴—萍乡和景德镇—宜丰断裂均位于中国华夏地块之内，对这一地区的构造存在较多的不同认识。从重力异常看，以①号异常南段的赣江断裂为界，②、③、④三条异常与①号异常南段的赣江断裂一起构成了一个与西侧不同的系统。前人也已发现赣江断裂东西两侧晚中生代火山岩的分布是不同的。该区还分布着一系列平行于海岸线的断裂，从重力异常看它们和②、③、④号异常对应的深断裂也不是一个系统，而且没有切穿地壳。④号异常对应的绍兴—萍乡，景德镇—宜春断裂带，⑤号异常对应的长江下游隐伏断裂带，⑥号异常对应的扬子陆块北缘断裂带，⑦号异常对应的商南—荣成板块缝合带应当向东延伸进入大海，直至大陆边缘。⑧号异常对应的鸭绿江断裂的主体应在沿辽东半岛海岸线的海里，断裂的东段沿中朝边界并穿过长白山火山地区。综合以上地质已经划定的断裂和根据剩余重力异常对已知断裂的追踪补充，可以看出欧亚大陆东部边缘有一条南起广州北至鄂霍次克海的深断裂带，断裂带的东侧，沿北东方向自南向北依次排列着广州北东向断裂、邵武—河源断裂、绍兴—萍乡和景德镇—宜丰断裂、长江下游隐伏断裂、扬子陆块北缘断裂，商南—荣成板块缝合带、鸭绿江断裂、敦化—密山断裂、依兰—舒兰断裂。这些断裂彼此平行，间距大体相等(300km)，向东延伸至欧亚大陆边缘。北东向断裂与郯庐断裂和赣江断裂一起构成一个巨型深断裂系统。将欧亚大陆作为一个整体，西部稳定不变，东部边缘考虑为自由边界，根据Critical Coulomb Wedge theory，采用经典的剖面上的棱柱体模型。模型参数以及示意图如图8。
底部为滑脱层，推力施加在左侧的块体边缘，不考虑块体以及滑脱面上的内聚力，取地壳的平均密度为ρ=2900kg/m3。根据实际地质体，模型的外部边界的控制参数如下：南北向力的作用下，先生成了广州北东向的断裂，随着继续向北推挤，相继形成了邵武—河源断裂、绍兴—萍乡和景德镇—宜丰断裂、推测的长江下游隐伏断裂、扬子陆块北缘断裂，商南—荣成缝合带的再次激活，鸭绿江断裂，随后断层在后盘的近端再次激活，然后在前缘再次生成敦化—密山断裂以及最后一个依兰—舒兰断裂的北段，断层形成过程见图9。图9 断层形成过程的数值模拟示意图
数值模拟还给出了断裂的间距和每条断裂平移的距离。图10中的G点表示南北向断裂与北东向断裂交汇点的位置，由此可见这9条近北东方向断层以等间距排列，间距约为300km，各条断层自南向北逐渐位移，华南移动的较少，到商南—荣成板块缝合带时移动约550km，到依兰—舒兰断裂北端时移动约900km。![]()
图10 G点位置图张理刚等(1993)根据岩石中铅的同位素数据的差异，将中国东部大陆划分为不同的地块，他称其为不同的地球化学省(图11)，对比地球化学图和剩余重力异常图可见，根据地球化学数据划出的地块分界和根据地球物理资料划分的断裂位置十分一致，以①号南北向重力异常为界，东西两侧的地球化学分界在走向，形态上完全不同，说明东西两侧的地球化学差异很大。在东侧，②、④、⑥、⑦、⑧号剩余重力异常的位置和地球化学省的边界几近完全重合。地球化学和地球物理从不同的角度说明了同样一个地质事实：中国东部存在一个巨型深断裂系统，组成断裂系统的各条断裂之间有着深刻的内在联系，表现在物理上则是Moho面的局部隆起和规则重力异常分布，表现在化学上则是由于深部物质上涌造成的化学元素的分区差异，以及化学分区边界与物理划分边界的一致性。黄宗理和严加永(2011)根据矿床密集分布地区的形状将中国金属矿成矿带分为线状成矿带和面状成矿区两类(图12)。线状成矿带长度可达上千km，宽度只有50km至100km，面状成矿区则比线状成矿带宽得多。线状成矿带多处于板块边界或缝合带上，地质上表现为深大断裂，有条带状剩余重力异常存在。面状成矿区主要分布在在中国东部的东北，山东，华南等地。为什么会产生面状成矿区，当时不太清楚。从本文分析来看，其实中国东部的几个面状成矿区本质上就是一个——由九条断裂组成的中国东部巨型深断裂系统。就每一条断裂而言，其地质地球物理背景和线状成矿带是相同的，成矿问题的实质都是断裂切穿地壳，深部幔源物质上涌，提供了成矿的物质源和能量源，物理上表现为Moho隆起和重磁异常，地质上表现为断裂和岩体控矿。因为各条断裂相距不远，几条断裂的综合作用，就表现为面状成矿区了。①号北段和⑨号异常组成东北成矿区，①号中段和⑦号异常组成山东成矿区，②到⑤号异常组成长江中下游和华南成矿区。目前已经在⑦号异常带发现了山东巨型金矿带，⑤号异常带上发现了著名的长江中下游成矿带，④号异常带上发现了德兴等巨型铜矿，在③号异常带发现了紫金铜金矿集区。最近在依兰—舒兰断裂和敦密断裂控制的东北小兴安岭地区，发现了一系列大型钼矿和钨矿，在油气勘查中也有很重要的新发现。从找矿角度看，这9条异常都应当重视，尤其是在异常的交会部位更值得关注。常印佛和邓晋福(2013)提出，从大别到台湾存在3个隆起区和3个凹陷区，依次为大别隆起，下扬子凹陷，江南隆起，浙赣凹陷，武夷隆起，永梅凹陷，三条凹陷区中火成岩以幔源物质为主，形成了一套亲幔元素组合，控制了区内大型铁铜金矿集区。对照本文可见，下扬子凹陷对应⑤号剩余重力异常异常，浙赣凹陷对应④号重力异常，永梅凹陷大体与②号③号重力异常的东段相对应。三隆三凹的本质其实是巨型深断裂系统在江南部分的反映。根据数值模拟可以给出断裂系统的形成模型：已经拼合为整体的欧亚大陆，在中生代时受到菲律宾板块和太平洋板块近NNE方向构造力的作用，其东部边缘地区首先沿薄弱地区断开，赣江断裂被重新激活，断裂东部地块向北滑移，进而形成郯庐断裂和依兰—舒兰断裂，构成一条纵贯南北的走滑断层带。处于自由状态的断层带东盘，在由南向北滑动中递次产生一系列派生断层，派生断层彼此平行，间距大约等于300km。在东盘整体向北移动的过程中，发生过多期次的挤压和伸展的交替过程，造成大量地幔物质沿断裂带上涌，形成中国东部中生代以来的巨量火山岩浆活动。目前一般认为郯庐断裂向北穿过渤海进入了东北，但是否向南穿过长江则看法不一。本文依据地球物理探测的卫星重力和深部地震资料，认为郯庐断裂是九条断裂组成的巨型深断裂系统的一部分，从整体分析长江以南的赣江等断裂也属于这个系统。数值模拟显示(图10)在商南—荣成板块缝合带处，地块向北平移约550km，在鸭绿江断裂带处移动约650km，敦密断裂处向北平移了约900km。徐嘉玮等(1980)通过对郯庐断裂东西两侧地块的时代对比，得出的商南—荣成缝合带、鸭绿江断裂带的地块平移的距离分别也是500km和700km左右，说明数值模拟结果是正确的。敦密断裂的平移距离目前还没有得到观测数据证实。根据数值模拟结果，地块在东北长距离的移动，将会产生如逆冲、地块叠合等一系列复杂的地质现象，这对最近在小兴安岭地区火山岩下发现油气显示，对敦密断裂和依兰舒兰断裂之间残存的老地块的来源等问题，也许都可以提出新的思路。按照数值模拟的结果，9条断裂由南向北形成时代依次变新。一般认为大的断裂都是长期、多次构造活动的累积结果。目前的地质研究认为赣江断裂形式于古生代，活跃于侏罗纪到白垩纪。郯庐断裂开始形成于三叠纪244~209Ma，依兰—舒兰断裂和敦化—密山断裂形成于中侏罗世170~180Ma。和数值模拟的结果总体一致。当然整个断裂系统的形成演化过程及其动力学问题还需要更多地质工作的验证。（1）卫星重力测量提供了包含陆域和海域统一网度和精度的重力异常，对卫星布格重力异常进行分离后，发现隐藏在区域异常背后的剩余重力异常呈现出规则分布的异常组合现象：一条南北向异常贯穿整个中国大陆东部，在南北向异常东侧，派生出9条北东向异常，向东伸向大海，这9条异常彼此平行，间隔相等，与南北向异常共同构成一个统一的系统。（2）高精度反射地震测量结果表明，剩余重力异常是深断裂下方Moho破裂、幔源物质上涌造成的，深断裂、Moho隆起和剩余重力异常三者密切相关，可根据重力异常对原来只在陆地上划定的断裂向海域和境外追踪补充，补充完整后的断裂组合显示中国东部存在一个巨型深断裂系统：主断裂近南北向，南起广州，跨长江，过渤海，北出中国国境，沿黑龙江下游入鄂霍次克海。断裂北段和东侧共有9条北东向断裂，北东向断裂彼此平行，间隔大致相等，向东延伸至大陆边缘，断裂都是切穿Moho面的深断裂。（3）采用计算机数值模拟了巨型深断裂系统的形成过程，模拟表明欧亚板块东缘，在中生代时受到水平方向力的作用，沿近南北向产生走滑断裂，断裂东盘自南向北滑动，主断裂的东侧生成一系列派生断层，派生断层基本平行，间距大体等于300km。每条断裂都切穿了地壳，地幔物质上涌，形成整个中国东部的巨型火山岩浆活动。（4）巨型深断裂系统控制着中国东部金属矿产的分布，构成东北、山东、华南三个面状成矿区。9条异常上已经找到巨量金属矿产，深入分析9条异常及相互关系可以发现，这里仍然存在着巨大的找矿潜力。（5）巨型深断裂系统在近代还有活动，发生过1668年的郯城8.5级大地震、海城1975年7.3级地震、长白山的火山喷发等。巨型深断裂系统地处太平洋板块的西岸，与太平洋东岸的圣安德烈斯断层遥相呼应，但远比其宏大。由于中国人口最密集，经济最发达的地区都处在这个巨型断裂系统之上，需予以高度关注。致谢：感谢中国地质科学院地质研究所高锐研究员、熊小松副研究员，中国地质科学院矿产资源研究所史大年研究员提供的地震测量资料，感谢中国地质科学院董树文研究员，中国地质大学(北京)姚长利教授对本文写作的支持和帮助，感谢中国地质科学院矿产资源研究所汪杰硕士协助绘制了大部分插图，感谢两位匿名审稿人提出的建设性意见。![]()
原文来源：地球学报. [J]. 2016年1月第37卷第1期: 25-34------------往期精彩回顾-------------郯庐断裂带起源与大陆斜向汇聚
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