伸展作用下郯庐断裂带南段及邻区的地壳演化：来自接收函数的证据

Crustal Tectonic Evolution of Tanlu Fault Zone (Southern Segment) and Adjacent Areas under the Background of Extension:Evidences from Teleseismic Receiver Function

摘要

为了更加深入了解中生代白垩世以后大陆伸展对郯庐断裂带南段地壳结构和演化的影响.利用P波接收函数对郯庐断裂带南段及其邻区的地壳厚度、泊松比特征进行研究.H-κ结果显示研究区域内的下扬子板块地壳厚度相对于华北板块更薄，并且结构变化更加剧烈，大别山造山带和苏鲁造山带之间的郯庐断裂带所在区间的平均泊松比呈现出相对低值特征.P波接收函数叠后偏移结果显示郯庐断裂带下方的地壳表现为减薄形变，且断裂带两侧地壳向郯庐断裂带处发生减薄的倾角不同.结合区域地质演化背景，认为“非对称伸展”模型可以解释早白垩世伸展作用下郯庐断裂带南段及其邻区的地壳形变及演化特征.

关键词

接收函数 / 地壳形变 / 郯庐断裂带 / 白垩世大陆伸展 / 构造地质

Key words

receiver function / crustal deformation / Tanlu fault zone / Cretaceous continental extension / structural geology

0 引言

郯庐断裂带位于中国东部，是一条北北东走向且深切岩石圈的深大断裂带，它由多条次级断裂组成，其演化进程始终影响着华北板块东部和整个下扬子板块的构造、岩浆活动及成岩成矿.自三叠纪形成以后，郯庐断裂带经历了多期应力倒转，包括早期的转换走滑和左旋平移走滑运动（240~190 Ma）、中晚侏罗至早白垩世的挤压走滑运动（190~135 Ma）、早白垩世的巨型伸展运动（135~90 Ma）及晚白垩至早古新世的右旋走滑运动（90~50 Ma）（张岳桥和董树文，2008）.其中早白垩世的巨型伸展运动对郯庐断裂带的演化、发展起到了至关重要的作用.由于伊泽奈崎俯冲板块的后撤，东亚大陆的应力背景场随之发生转变，强烈的伸展作用不但使得岩石圈减薄超过120 km（Menzies et al.，1993；朱日祥等，2012），还导致板块多数深大断裂带发生活化、拆离，形成正断层，并促使沿断裂带的地垒、地堑及裂谷盆地的发育.同时这些断裂也为地幔物质上涌、岩浆上行提供了通道，导致板块内部活动性增强及地壳内岩性组分变化（郑永飞等，2018）.因此，白垩世郯庐断裂带的演化进程长期被视为热点地质问题，受到众多学者们的争相关注.前人通过对华北克拉通东部应力场的反演，指示出早白垩世区域应力方向为WNW-ESE向拉张.此外，研究表明白垩世强烈伸展活动与华北克拉通东部破坏峰期为同一时期（Zhu et al.，2012）.来自岩石学的证据显示白垩世郯庐断裂带及邻区的岩浆活动存在差异，不同区域内的强烈程度和时间特征差别很大，指示出区域岩石圈减薄具有非均一性（王薇等，2017）.

近些年，国内相关团队多次利用人工源和天然地震学方法对郯庐断裂带进行探测，获得了郯庐断裂带及邻区的地壳结构图像与速度结构特征，例如：Zhao et al.（2012）通过体波层析成像技术获得了中国东部深部速度结构，值得注意的是郯庐断裂带两侧表现出了明显的高低速分布异常，指示出中生代以后两大板块由于物质差异，导致对地质事件产生不同形变响应. Zhang et al.（2020）也发现郯庐断裂两侧存在明显的地壳速度异常，且断裂带不但控制区域速度异常，还导致了莫霍面的不连续. 顾勤平等（2020）利用背景噪声技术揭示出郯庐断裂带与大别-苏鲁造山带的内在联系. Li et al.（2020）通过密集台站获得了郯庐断裂带及邻区的S波速度结构，研究进一步说明了郯庐断裂带是深部向地表输送物质的有利通道. 郑洪伟等（2020a， 2020b）利用P波层析成像方法揭示了郯庐断裂带南段南北两端的长江中下游成矿带和苏鲁造山带深部结构特征. 此外利用接收函数方法对郯庐断裂带的研究同样取得了丰富的成果（李婷婷等，2020；Wei et al.， 2020；Hong et al.， 2021），然而这些研究成果普遍偏重于对更大尺度区域及断裂带邻区的深部结构进行研究，并未侧重于讨论特定时期的区域地壳结构演变，而本文旨在对白垩世大陆伸展作用下，地壳结构受强烈拉伸所产生的形态变化进行研究，并结合断裂带区域泊松比特征，解释了早白垩世大陆伸展背景下郯庐断裂带南段及其邻区的地壳演化模型.

1 数据及处理

利用安徽、江苏地区37个宽频带地震台站连续3年观测的地震波形资料开展本次研究，这些地震台站较好地覆盖了江苏与安徽境内郯庐断裂带南段及其邻区，如图1a所示，研究区域内的主要构造单元包括华北板块、下扬子板块以及大别山和苏鲁造山带，沿郯庐断裂带两侧主要发育有合肥盆地苏北盆地、长江中下游成矿带等拉伸断陷盆地或裂谷（图1b）. 筛选震级大于Ms5级，震中距为30°~90°的地震数据，图1c显示，地震震中主要位于环太平洋地震带西部以及喜马拉雅地震带附近.

挑选出P波震相清晰的波形数据，截取P波前10 s至P波后80 s的数据用于P波接收函数的提取.对筛选后的数据完成去均值、去倾斜等预处理，利用拐角频率范围0.02~2 Hz的二级Butterworth带通滤波器对数据进行滤波，并将处理后的ENZ分量数据旋转至RTZ坐标系中.采用时间域反褶积（Ligorría and Ammon，1999）提取径向分量的接收函数（图2），设置Gaussian参数为2.5，迭代次数200次.再次视检数据，最终筛选1795条径向接收函数参与后续计算.由图2可见：AH.CHZ按照各自方位角顺序进行排列（图2b，2c），接收函数数量均足以满足叠加后结果具有较高的可信度，且从图2b中可以清晰辨别Ps转换波及PsPs和PpSs+PsPs多次波信号，保证了叠加后的波形可有效压制噪声干扰，增强有效信号（图2a，2b）.

利用H-κ方法（Zhu et al.，2000）计算了所有地震台站位置的地壳厚度及纵、横波速比（κ），并进一步求出泊松比（ \sigma = \mathrm{0.5} \times \left[\mathrm{1}-\mathrm{1}/\left({\kappa }^{\mathrm{2}}-\mathrm{1}\right)\right]）（Christenswen，1996）. 计算结果如表1所示.采用曲面网格插值算法绘制了苏皖地区的地壳厚度与泊松比分布图（图3）.H-κ方法的参数设置如下：P波平均速度被设定6.0 km/s， Ps，PpPs以及PpSs＋PsPs的权重分别为0.7、0.2和0.1.

选取6个台站（AH.HNA、AH.DYN、AH.CHZ、JS.NJ、JS.ZJ、JS.JJ）组成一条近东西向的测线，如图4a所示，其方位角为100°，长度约400 km.这条测线形成的剖面近垂直切过郯庐断裂带南段，从华北板块淮南地区，经过郯庐断裂带，进入下扬子板块直至江苏靖江地区.利用基于波动方程的P波接收函数叠后偏移成像方法（Chen et al.，2005）对测线位置的莫霍面进行了成像.在偏移成像中，考虑到沉积层的影响，修正了浅部地壳速度模型，加入了一层V _p=5.8 km/s，V _s=3.0 km/s的沉积层，深部模型仍然使用IASP91速度模型.图4a反应的是每个台站的接收函数在地下35 km处及更深的穿透点投影，投影点的数量及分布保证了接收函数叠加后可以有效反应图4a剖面（黄线）的地壳结构.为了提高成像的可靠性，补充了2008~2010年这6个台所接收到的地震事件，最终共有770条P波径向接收函数用于叠后偏移成像，并设置每个剖分网格内最少接收函数为20条（图4b）.通过时间域CCP叠加和深度域波场反向延拓完成叠后偏移成像（图4c），截止频率设为0.01~1.20 Hz.

2 结果

由表1，图3可知，以郯庐断裂带南段为界，华北板块一侧安徽西北部的华北平原和中部的合肥盆地的地壳厚度基本一致，定远丘陵山地（AH.DYN）及附近的淮北（AH.HBE）、淮南（AH.HNA）的地壳厚度相对略厚，达到33.5~36.0 km.大别山造山带所在的两个台站（AH.FZL、AH.JZA）位置的地壳厚度大于35 km，由于大别山地区两个台站靠近造山带北缘，因此其结果不能等同于大别山最深的地壳厚度.除大别造山带外，郯庐断裂带西侧华北板块内各台站对应的地壳厚度（标准差为1.64）差别较小.位于大别造山带和华南褶皱系之间的长江中下游成矿带（AH.ANQ、AH.TOL）地壳厚度为33~34 km，芜宁盆地及周边（AH.MAS、JS.NJ、JS.LIS、JS.GC）的地壳厚度为30~32 km.苏鲁造山带与苏北盆地交汇的区域（JS.GUY、JS.HUA、JS.SY）地壳厚度显著变薄，最薄只有25 km，位于下扬子前陆的苏南中部地区（JS.JJ）存在一个地壳明显增厚的区域（36.4 km），该厚度值与前人利用重力场反演得到的结果相近（Zhao et al.，2020），同样计算研究区域内下扬子板块地壳厚度标准差为2.48，表明其具有更明显的形变特征.泊松比特征总体表现为与地壳厚度具有一定的对应关系，且扬子板块的平均泊松比（0.258）略大于华北板块（0.249），总体呈现出中酸性特征.江苏地区除了东部靠近黄海的区域表现为低值特征，其他地方以高值特征为主，且苏北盆地是研究区域内地壳最薄且泊松比最大的区域. 安徽地区除了存在一个覆盖于郯庐断裂带南段的非等轴椭球型的低值区外，其他地方以高值分布特征为主（图3）.

从图4c可以看出，接收函数偏移测线对应的剖面中（图4c），莫霍面表现为清晰且强烈的正振幅震相界面，分布在25~40 km深度范围内.华北平原安徽淮南地区（AH.HNA）莫霍面埋深相对较深，剖面向东延伸，莫霍面埋深逐渐变浅（AH.DYN），经过郯庐断裂带进入扬子板块（AH.CHZ、JS.NJ、JS.ZJ），莫霍面呈现出过渡带特征，且其深度又由浅逐渐变深直至靖江地区（JS.JJ）.整体来看，以郯庐断裂带两侧的莫霍面深度在断裂带经过处的都表现为变浅，区别在于华北板块一侧莫霍面变浅的倾角较大，扬子板块一侧莫霍面变浅的倾角较小，具有明显的非对称形态.

将H-κ得到的地壳结果投影到图4c中，莫霍面深度的数值整体略微大于偏移得到的成像结果，反映出H-κ得到的是壳幔过渡带的底界面，但在形态特征上都具有较好的对应关系. 值得注意的是这条测线避开了苏鲁-大别两个高压-超高压变质带，尽管演化过程中，测线所经区域也曾出现过近垂直于断裂带方向的挤压运动，但郯庐断裂带形成后，挤压作用对垂直于测线方向上的影响相对于伸展运动造成的影响较小，因而剖面的成像结果可以较好的体现出剧烈的伸展作用遗留的演化痕迹.

3 讨论

3.1　郯庐断裂带南段两侧板块地壳结构差异特征

造成下扬子板块江苏地区地壳厚度变化剧烈的可能原因主要有3个方面：首先，下白垩世中后期，郯庐断裂带的左行走滑与弱伸展活动相继发生（徐曦等，2015；Zhu et al.，2017），新生代开始，郯庐断裂带又经历了多期反复的挤压、伸展、走滑，这种应力作用，导致地壳叠加或递进变形；其次，苏鲁造山带高压变质带的折返及去山根作用对地壳的破坏（Li et al.，2013）；最后，华北板块与扬子板块存在不同的冷却模式.有证据显示，扬子板块冷却时间更长（Wang et al.，2014），关于新生代岩浆源区和近地表玄武岩分布的记录可以反映（邱志力，2009），白垩世之后郯庐断裂带东侧的下扬子板块具有剧烈的岩浆活动，并引发地壳物质组分和物理性质改造.

3.2　白垩世伸展作用下郯庐断裂带南段泊松比特征

大别-苏鲁两个造山带之间存在一个明显的近南北走向、非等轴区域泊松比值低区（σ<0.24），空间上对应郯庐断裂带（南段）所在区间（图3，表1）.相关研究表明，低泊松比区域内的侵入岩侵位时间发生在127~103 Ma之间（牛漫兰等，2008），在此期间，岩浆的地球化学性质发生了显著的改变.早期和中早期侵入岩表现为埃达克岩的性质（图5a），这类岩石指示出其来自深部的石榴子石稳定残留相源区.中晚期和晚期，侵入岩逐渐过渡成A型花岗岩类，这种类型花岗岩的形成具有“非造山”“碱性”和“无水”的特征，通常可用来指示出岩浆源区深度较浅，其最可能的形成来源是下地壳源区的部分熔融（Bonin，2007；Castillo，2012）.这种侵入岩由前期的埃达克质岩石过渡到后期的A型花岗岩，说明岩浆源区是逐渐变浅的，暗示在古太平洋板块回撤产生的岩石圈的强烈伸展效应下，岩石圈在大型的断裂处持续减薄，使软流圈顶面不断抬升.地壳在这种强烈的拉伸作用下，使得岩浆源区对应的等温面也持续上升（图5b）（牛漫兰等，2010）.与之同时，地壳结构也发生显著变化，下地壳相对于上地壳和上地幔经常表现为塑性变形，随着地壳整体厚度的减小，铁镁质下地壳将比长英质的上地壳发生了更加显著的减薄，最终造成了断裂带下方的地壳平均泊松比相较邻区表现为低值.

3.3　白垩世伸展作用下郯庐断裂带南段地壳减薄特征

早白垩世随着伊泽奈崎板块的回撤，之前增厚的东亚大陆岩石圈发生破坏、减薄.当华北克拉通东部减薄达到峰值时，郯庐断裂带也转变为强烈的伸展活动，在拉张及减压环境下，深大断裂作为地壳的薄弱带，易成为深部物质运移和壳幔相互作用的核心地带.伸展机制可能导致断裂带内及附近软流圈不断抬升， 致使等温线也随之升高， 其进而加剧壳幔作用. 有研究表明，这种由于强烈拉伸造成的等温面抬升现象不仅仅存在于郯庐断裂带南段，郯庐断裂带沂沭段在该时期也呈现出同样的表现，并对后期的成矿作用产生影响（石文杰，2014）.

研究表明，郯庐断裂带两侧的华北板块与扬子板块在地震波速度（Sun and Kennett，2016；Lei et al.，2020；Zhang et al.，2020）、重磁异常（Zhao et al.，2020）等其它地球物特征上都具有明显的差异.此外，前人通过反演白垩世中国东部地区应力方向发现，早白垩世中早期郯庐断裂带的主应力伸展方向为WNW-ESE，该方向近乎垂直于郯庐断裂带走向，表现为强烈的地壳伸展作用，之后伸展方向逐渐发生顺时针旋转，至晚白垩世-古近纪，主应力方向已经旋转至N-S向，并表现为相对较弱的地壳伸展作用（朱光等，2018），本文认为，华北和扬子板块在这种伸展应力方向和大小的改变中，由于不同板块间的物性差异，造成了对应力的响应也不尽相同，这极有可能是导致白垩世沿郯庐断裂带南段地壳发生非对称伸展的最直接原因.

3.4　非对称伸展模型

综合本次郯庐断裂带南段地壳结构成像结果与地质学信息，本文认为，白垩世伸展作用下郯庐断裂带及其邻区的地壳薄化过程可以很好的被嵇少丞提出的“非对称伸展模型”（嵇少丞等，2009）解释（图5）.在大陆伸展背景下，郯庐断裂带作为岩浆上行通道和地壳薄化的核心地带，断裂带下方的地壳也在断裂带处发生减薄.随着减薄形变和等温线的抬升，导致断裂带下方地壳内铁镁质含量持续降低，最终沿断裂带区间的地壳逐渐表现为泊松比低值分布的特征.同时，由于伸展应力的方向和大小发生转变，以及两侧地壳在物理性质上存在差异，最终使得断裂两侧地壳演化出了非对称的伸展的结构.这些特征很好被本次研究得到的泊松比和偏移成像结果所反应（图3，图4c）.

4 结论

本文利用提取自37个宽频固定台的接收函数获得了郯庐断裂带南段及邻区地壳结构与泊松比.H-κ结果显示郯庐断裂带两侧的地壳结构具有明显差异性，断裂带东侧的下扬子板块地壳厚度更薄，但厚度变化更剧烈.本文将造成这种差异性质的原因归结为多期的应力叠加作用，苏鲁造山带的去山根作用以及板块间的不同冷却模式.此外，H-κ结果还显示出位于苏鲁-大别造山带之间的郯庐断裂带区间内存在一个覆盖断裂带的南北走向、非等轴泊松比低值区.该低值区与接收函数偏移成像中郯庐断裂带地壳减薄特征相对应，这两方面证据共同支撑了白垩世大陆伸展背景下，区域地壳沿巨型断裂带发生减薄.由于这种减薄特征在偏塑形的下地壳体现得更加明显，导致地壳内铁镁质含量的降低，使得沿着断裂带处的地壳平均泊松比相较于邻区表现为低值特征.

偏移成像的结果同时还揭示郯庐断裂带两侧的莫霍面以不同的倾角向郯庐断裂带发生减薄，且结构上表现为明显的不对称性.本文认为这种非对称性主要由白垩世地壳伸展应力发生顺时针旋转，不同板块由于物性差异造成自身对应力的响应不同导致.

据此，本文认为“非对称伸展模型”可以解释了早白垩世伸展作用下郯庐断裂带南段及其邻区的地壳演化，并对进一步理解郯庐断裂带的形成、演化及其对矿产资源分布的控制作用具有重要意义.

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基金资助

国家自然科学基金(41764006)

江西省自然科学基金(20202BABL201027)

“核资源与环境”国家重点实验室自主基金(Z1903)

江西省研究生创新专项资金项目(YC2021-B159)