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長江中下游寧蕪火山巖盆地深部結構特征
——來自反射地震的認識*

2014-03-14 03:43梁鋒呂慶田嚴加永劉振東
巖石學報 2014年4期
關鍵詞:火山巖巖漿盆地

梁鋒 呂慶田 嚴加永 劉振東

中國地質科學院礦產資源研究所,國土資源部成礦作用和資源評價重點實驗室,北京 100037

1 引言

圖1 寧蕪礦集區地形及化極磁異常圖Fig.1 Ningwu ore-concentrated area topography and magnetic anomaly of reduction to the pole map

長江中下游成礦帶位于中國中東部,是中國最重要的銅鐵多金屬資源產地之一(圖1)。在構造位置上長江中下游成礦帶位于揚子板塊北緣,華北板塊和秦嶺-大別造山帶南側,該區自晉寧期以來,經歷了古生代蓋層沉積和中生代板內變形階段,受特提斯構造域、古太平洋構造域和深部殼幔作用過程復合形成的中生代轉換構造背景所控制,長期的構造作用、巖漿活動和成礦作用形成了斷隆區和斷凹區的次級構造格局及豐富多樣的鐵、銅、金多金屬礦床組合(常印佛等,1991;翟裕生等,1992;唐永成等,1998;Pan and Dong,1999;Maoetal., 2006;Zhouetal., 2007,2008;周濤發等,2008),金屬礦床共計有200余處,礦床類型多樣,由7個各具特點的礦集區組成,自西向東依次為鄂東南、九瑞、安慶-貴池、銅陵、廬樅、寧蕪和寧鎮礦集區。其中,廬樅和寧蕪礦集區位于斷陷型火山盆地內(斷凹區),以玢巖型鐵礦化為主;銅陵、安慶-貴池、九瑞和寧鎮礦集區位于隆起區(斷隆區),以矽卡巖-斑巖型銅金礦化為主;鄂東南礦集區則具有斷隆區和斷凹區的過渡性質,以矽卡巖型鐵、銅、金礦化為主。

為實現我國礦產資源可持續供給,加強深部成礦理論研究,拓展資源勘查深度,向深部索取資源是重要途徑。開展重要成礦帶、礦集區的深部探測綜合研究不僅可以揭示成礦帶、礦集區深部精細結構、物質組成和構造演化過程,提高對成礦深部過程的認識,還可以直接或間接圈定控礦地質體的深部延伸,甚至直接發現隱伏礦體,為深部找礦工作部署提供重要依據。近年來,長江中下游地區主要礦集區深部探測研究取得了重要進展。銅陵礦集區開展的反射地震試驗研究,清晰地厘定了銅陵深部精細結構和主要含礦層位“五通組”的空間分布,初步結果為開展深部成礦預測指明了方向,增強了使用地震技術研究成礦規律和探測深部控礦層的信心(董樹文等,2010;呂慶田等,2002,2003,2004,2007,2010; Lüetal., 2013)。學者們也對長江中下游廬樅礦集區的深部結構和控礦特征進行了深入的研究,不僅探明了深部結構框架和主要斷裂系統,而且也從成礦學角度進行了詳細的分析,為找礦及長江中下游深部動力學認識提供了證據(董樹文,2010;劉金凱等,2010;盧占武等,2010;侯賀晟等,2010;呂慶田等,2010;嚴加永等,2014)。為了詳細地分析廬樅礦集區深部動力學、結構框架及成礦特征,呂慶田于2013給出了5條呈網狀布設的反射地震探測結果,并建立了深部動力學過程及廬樅火山巖盆地清晰的三維結構框架,結合以往地震剖面及地質研究成果,對廬樅火山巖盆地進行了全面的分析(Lüetal., 2013)。這些認識豐富了對長江中下游成礦帶深部成礦動力學過程的認識,深化了陸內成礦理論。

本文以長江中下游寧蕪火山巖盆地深部結構特征為研究對象,結合該區地質特征,利用三條反射地震剖面探測結果初步厘定了寧蕪火山巖盆地的深部結構框架、斷裂系統及巖漿巖空間展布特征,為探討寧蕪火山巖盆地,乃至長江中下游成礦帶金屬礦床的時空分布特征及其地球動力學背景提供了新的證據。

2 地質背景

長江中下游寧蕪中生代陸相繼承式火山巖盆地位于南京市(寧)和蕪湖市(蕪)之間,東起于方山-南陵斷裂,西臨長江,南、北分別以蕪湖斷裂和南京-湖熟斷裂為界,呈北北東向展布,長約60km,寬約20km,火山巖出露面積約1000km2(寧蕪研究項目編寫小組,1978;薛懷民,1987)(圖1、圖2)。從圖1的地形特征及化極磁異常也可看出寧蕪火山巖盆地的火山巖出露范圍及主要斷裂系統的空間展布特征(一般磁異常的梯度帶即是斷裂所在位置)。其大地構造位置處于下揚子東北部,北部與華北板塊相望,是沿江構造-巖漿-成礦帶內眾多火山巖盆地的一個典型代表(圖1)。盆地邊界長期受活動深斷裂控制,內部的斷裂主要為NNE、EW及NW向三組,構成寧蕪盆地的構造骨架(寧蕪研究項目編寫小組,1978)。其中NNE向斷裂大多呈25°~35°方向延伸,控制了盆地內火山巖和次火山巖的分布,而EW及NW向斷裂大多呈300°~330°方向延伸,切割火山巖系地層和NNE向斷裂(圖2)(薛懷民和陶奎元,1989;王德滋等,1996;邢鳳鳴,1996;王元龍等,2001;馬芳等,2006;范裕等,2011)?;鹕絿姲l、潛火山侵入體沿NNE向展布,中心多位于NNE向基底斷裂與其它方向斷裂的交匯部位。

沉積地層主要由三疊系中上三疊統至侏羅系中侏羅統組成,以斷裂與鄰區為界,分布有三疊系黃馬青組(T3h)及侏羅系象山群(J1-2xn)等地層。盆地內上覆火山巖系為中生代燕山期巖漿活動在盆地內形成的大量橄欖安粗巖系火山巖組合,火山巖由老至新分為龍王山、大王山、姑山和娘娘山四組(寧蕪研究項目編寫小組,1978),各組之間均為噴發不整合接觸,構成4個火山巖旋回(圖2)。各旋回的火山活動均由爆發相開始,此后溢流相逐漸增多,最后以火山沉積相結束,噴發方式由裂隙-中心式向典型的中心式噴發演化?;鹕綆r類由熔巖、碎屑熔巖、火山碎屑巖及次火山巖組成,火山碎屑巖的總量高于熔巖類。寧蕪盆地內的主要侵入巖為閃長玢巖,巖體出露面積0.01km2到10km2不等,明顯受NNE、EW及NW向深部隱伏斷裂控制,與盆地內玢巖型鐵礦床關系密切。區域的重磁資料及礦區的鉆孔結果表明(寧蕪研究項目編寫小組,1978;楊振威等,2012),地表成群的小巖體在深部可能彼此相連或部分相連。寧蕪盆地中段局部地區地表出露花崗巖體,大多呈小巖體產出,經過鉆探和物探證實,它們在深部也是連成一片,并切穿早期形成的閃長玢巖(林剛等,2010)。

寧蕪火山巖盆地內大型鐵礦床包括梅山礦床、凹山礦床、陶村礦床、和尚橋礦床、白象山礦床、和睦山礦床和姑山礦床。產出部位主要有3種:①產于火山巖中;②產于潛火山巖體及其附近火山巖層中;③產于潛火山巖體與前火山巖系沉積巖接觸帶中。主要的礦床類型包括:①火山沉積層狀礦床(如龍旗山鐵礦);②潛火山巖體與圍巖接觸帶上下的脈狀充填礦床(如梅山鐵礦和姑山主礦體);③潛火山巖體中的細脈浸染狀礦床(如陶村、吉山鐵礦);④潛火山巖體上部及其與熔巖及火山碎屑巖接觸帶附近的脈狀偉晶狀礦床(如凹山鐵礦);⑤火山巖中熱液充填脈狀礦床(如龍虎山鐵礦);⑥潛火山巖體與前火山巖系的沉積巖層接觸帶中的充填礦床(如鳳凰山鐵礦和鐘九鐵礦)(馬芳等,2006)。

3 采集和處理

本次野外共布設了三條反射地震測線NW01、NW02及NW03(圖2)。除了NW02整條測線布設于寧蕪火山巖盆地內以外,其它兩條測線都是途徑研究區范圍。結合本文研究目的,截取了NW01剖面所屬的寧蕪火山巖盆地部分,其CDP范圍為5900~8000(CDP間距為20m)。NW03走向大致平行于NW01,截取范圍為CDP6500~9179(CDP間距為10m)。野外采集工作由中國石化集團西南石油局云南物探公司于2011年6月完成,歷時3個多月。野外使用Sercel公司的428XL地震儀器進行接收。主要采集參數見表1。

考慮到寧蕪火山巖盆地地下結構復雜多變且地表起伏較大的實際情況,在處理過程中,進行了針對性的處理方法和處理流程試驗, 通過試驗研究制定了合理的處理流程, 選用了有效的處理模塊和參數,從而獲得了能夠清晰反映寧蕪火山巖盆地深部結構特征的疊前時間偏移剖面??偨Y整個處理過程,主要存在以下三方面的難點:干擾嚴重,信噪分離難;靜校正問題復雜;巖性變化大及地質結構復雜導致不能獲得準確的速度場。針對以上三方面的問題,分別采取了疊前多域噪聲壓制;非線性層析反演靜校正;詳細分析不同地段巖性變化特征及建立該區的初步地質模型,并收集該區的巖石物性特征來保證速度場的準確性。具體處理流程見圖3。

表1采集參數表

Table 1 Acquisition parameters

屬性名稱NW01NW02NW03測線方位NW?SENNE?SSWNW?SE測線長度42km56.3km27.1km接收道數720720720最大偏移距14.44km7.2km7.2km炮間距80m80m80m激發類型炸藥炸藥炸藥覆蓋次數609090道間距40m20m20mCDP間距20m10m10m接收長度24s16s16s采樣率2ms2ms2ms檢波器頻率10Hz10Hz10Hz檢波器組合12單串12單串12單串激發井深24~30m8~18m8~18m藥量20~24kg6~14kg6~14kg

圖3 處理流程Fig.3 Processing workflow

4 剖面解釋

構造是控制區域總的地質特征和演化歷史的主導因素,探測深部結構與構造特征及其組合樣式,是探討深部成礦作用過程的重要手段之一。寧蕪中生代斷陷型火山巖盆地地質條件復雜,經歷了多次構造事件作用,而在火山巖盆地深部揭示不同構造層次及盆地結構形態則至關重要。本文所展示的這三條高分辨反射地震疊前時間偏移剖面,最長的NW02線(56.3km)位于寧蕪火山巖盆地的南東部,呈北東-南西向展布。其它兩條NW01(42km)和NW03線(27.1km)分別布設于寧蕪火山巖盆地的中部和南部邊緣,均呈北西-南東向展布(圖2)。剖面解釋結果分別見圖4(NW01)、圖5(NW02)及圖6(NW03)。為了更加清楚地反映和對比地下結構特征,也給出了測線交叉處的剖面圖7(NW01和NW02交叉圖)和圖8(NW02和NW03交叉圖)及三條剖面的下地殼反射特征圖(圖9)。這三條反射地震疊前時間偏移剖面詳盡地展現出了以往地質事件遺留下來的地質構造信息,本文結合其它物探方法的認識及該區的地質特征,對這三條地震疊前時間偏移剖面結果進行了全面的分析和解釋,獲得了符合地質、地震剖面結構特征的較為合理的結果。初步揭示了寧蕪火山巖盆地的內部結構框架,這一結果為寧蕪火山巖盆地的深部結構認識及該區深部礦產資源預測提供了有利證據。

4.1 NW01

NW01反射地震剖面全長42km,走向南東-北西(圖2)。從橫向來看,可將NW01反射疊前時間偏移剖面分為三個構造單元(圖4):長江斷裂帶北西凹陷帶?斷陷型寧蕪火山巖盆地;方山-南陵斷裂南東部的滑脫帶。

圖4 NW01反射地震疊前時間偏移剖面(a)及解釋結果(b)圖b背景為線條圖.F1、F2:寧蕪火山巖盆地南、北邊界斷裂;BCF:盆中基底斷裂(梅山-東山斷裂);K-Q:白堊系到第四系地層;T-J:三疊系到侏羅系地層;S-T:志留系到三疊系地層;Pt-S:元古代到志留系地層;TWT:雙程旅行時;De:志留系滑脫面;CDP:共深度點Fig.4 NW01 seismic reflection migration profile (a) and interpretation result (b)Background of Fig.4b is a skeleton map of Fig.4a. F1, F2: southern and northern boundary fault of Ningwu volcanic basin; BCF: central basement fault of Ning-Wu basin (Meishan-Dongshan fault); K-Q: Cretaceous-Quaternary stratum; T-J: Triassic-Jurassic stratum; S-T: Silurian-Triassic stratum; Pt-S: Proterozoic era-Silurian stratum; TWT: two way traveltime; De: Silurian decollement; CDP: common depth point

從反射特征分析來看,在NW01CDP6200到6350之間,存在一個明顯的深斷裂——長江斷裂帶?傾向北西,一直延伸到剖面底部,錯斷了其經過的各時代地層,造成北西部的地層相對下移。再往南東方向來看,夾于方山-南陵斷裂和長江斷裂帶之間的部分即為斷陷型寧蕪火山巖盆地,盆地中間深,兩邊逐漸變淺,最深處大約為1.2s(TWT:雙程旅行時)左右。盆地左右兩邊存在具正斷層性質的F1和F2斷裂,分別控制著寧蕪火山巖盆地的北西和南東邊緣。F1斷裂傾向北西,向下延伸深度大約為2s(平均速度為4km/s的話,深度大約為4km左右),止于CDP6800下方位置。該斷裂地表出露有早白堊世細中粒石英二長巖,周圍展布有大王山組紫紅及雜色凝灰質砂巖、泥巖及安山、粗面質火山噴發巖和龍王山組安山質、粗安質火山角礫巖、角礫凝灰巖、沉火山角礫巖,輝石安山巖、角閃安山巖、安山質集塊角礫火山巖。寧蕪盆地火山噴發序列特征表明,F1斷裂應是控制寧蕪中生代火山巖盆地南東部龍王山和大王山火山噴發旋回的主干斷裂。與F1斷裂相對應的F2斷裂傾向南東,向下延伸深度大約為4.5km左右,止于CDP6650下方位置,地表出露有早白堊世石英二長巖、斑狀石英二長巖及假白榴石斑巖巖體,巖體周圍展布有娘娘山和姑山組并層的凝灰質砂巖、石英安山巖、粗安巖、粗面巖等火山巖和大王山組沉火山角礫巖、凝灰質粉砂巖、頁巖、泥巖,安山巖、粗安巖、集塊角礫巖、角礫熔巖等火山巖。進一步分析反射剖面波組特征,可見寧蕪火山巖盆地下方存在一個地殼級別的斷裂BCF(這兒被稱為盆中基底斷裂),與F1和F2斷裂匯聚于CDP6800下方。結合下地殼層狀反射體的存在(圖9)及BCF斷裂周圍反射特征不明顯的特征,本文認為盆中基地斷裂兩側的稀疏反射區即是寧蕪火山巖盆地下部的巖漿房位置(圖4),這一認識與NW02線下部巖漿房的認識相統一。區域的重磁資料及礦區的鉆孔結果也表明(寧蕪研究項目編寫小組,1978;林剛等, 2010),地表成群的小巖體在深部可能彼此相連或部分相連。

圖5 NW02反射地震疊前時間偏移剖面(a)及解釋結果(b)圖b的背景為線條圖.K:白堊系地層;J-Q:侏羅系到第四系地層;T-J:三疊系到侏羅系地層;S-T:志留系到三疊系地層;Pt-S:元古代到志留系地層;SBF:南基底斷裂;F3:斷裂;TWT:雙程旅行時;De:志留系滑脫面;CDP:共深度點Fig.5 NW02 seismic reflection migration profile (a) and interpretation result (b)Background of Fig.5b is a skeleton map of Fig.5a. K: Cretaceous stratum;J-Q: Jurassic-Quaternary stratum; T-J: Triassic-Jurassic stratum; S-T: Silurian-Triassic stratum; Pt-S: Proterozoic era-Silurian stratum; SBF: south basement fault; F3:fault; TWT: two way traveltime; De: Silurian decollement; CDP: common depth point

在寧蕪火山巖盆地的下地殼位置,存在傾向北西及平坦的層狀反射體,且有錯斷Moho面的趨勢(圖9)。關于下地殼疊層狀反射問題,Meissner and Brown (1991)、Meissner and Mooney (1992)和Sadowiaketal.(1991)對歐洲和北美大陸的深反射地震特征進行了較為全面的總結,并提出了大陸地殼的幾種最常見的反射地震結構類型。他們認為下地殼疊層狀反射或近水平反射層,往往伴有上地殼的透明性(反射不明顯或者無反射),且這一特征主要出現于年輕的伸展構造區或造山后伸展崩落區,與長江中下游中生代經歷構造體制轉換的構造背景相一致(常印佛等,1991;翟裕生等,1992;唐永成等,1998;李文達等,1998;董樹文等,2007;宋傳中等,2011)。然而,下地殼疊層狀反射體的認識有很多,可能是鐵鎂質巖漿底侵的反映(Warneretal., 1990; Prattetal., 1993),也可能是熔融巖漿體(Jarchowetal., 1993),或韌性剪切帶和塑性流體(Brown and Juhlin, 2005),或流體填充的多孔隙異常帶(Hyndman, 1988)的反映,總之,很難厘定其反射成因,除非這些反射可以追蹤到地表,因為 地表的地質結構是已知的(Meissner and Mooney, 1992)。盡管答案很多,但結合該區下部Moho面具不連續性和世界上其它火山巖區下地殼存在的層狀反射層(Jarchowetal., 1993; Prattetal., 1993; Mandler and Clowes, 1997, 1998; Ross and Eaton, 1997)的解釋結果及長江中下游的構造演化規律來看,這種層狀反射最有可能是鐵鎂質巖漿底侵后固化于下地殼的產物(許繼峰等,2001;王強等,2001;呂慶田等,2004)。地表可見的大范圍火山物質及侵入體也是這些深部巖漿房進一步演化的結果。其次,從區域地質特征來看,中生代末期,區域構造機制從晚侏羅的轉換擠壓向早白堊紀的伸展作用轉變,可能是古太平洋板塊向北西方向俯沖角度變化的結果(Zhou and Li, 2000; Zhuetal., 2010),也可能是巖石圈拆離所造成的(張旗等,2001;朱光等,2008),從而導致幔源巖漿上侵到下地殼,在殼幔邊界處就位。這兩個過程有可能將底侵的巖漿拉長,產生水平流動或者橫向剪切。后者可以排除,因為在巖漿作用時期沒有剪切事件發生。在伸展機制下,最大應力場方向是垂向的,底侵的巖漿流體沿著已存在的斷裂或者地殼薄弱區水平流動成為可能,當流體慢慢的積累,在一定的溫度和壓力下,沿著近垂直的地殼薄弱區向上運移,就位并補充中地殼的巖漿房,同時,中地殼的巖漿房彼此相連接形成了一個橫向展布的大的巖漿帶。隨后巖漿分異并萃取出低密度的流體,在合適的條件下,爆發出地表,形成火山巖或就位于淺部區域形成侵入體(Sandrinetal., 2009)。當低密度物質被萃取出來后,密度較高的巖漿物質留在原地固結形成強的波阻抗界面,從而在地震反射剖面上可見強反射層的存在。后期的伸展作用可能將已形成的巖漿體拉斷且變平坦,上地殼不連續和透明的地震反射特征就是淺部巖漿房所形成的侵入體和噴出物的反映。結合以上的認識及盆中基底斷裂周圍的透明反射特征,可推測出寧蕪火山巖盆地的巖漿演化過程,巖漿首先沿著深部基底主干斷裂——盆中基底斷裂就位于寧蕪火山巖盆地下方,隨后就位的巖漿沿著活動的F1和F2斷裂及其分支斷裂上侵,發生了火山噴發及沉積作用,同時巖漿慢慢冷卻而在盆地深部形成了侵入巖體。

圖6 NW03反射地震疊前時間偏移剖面(a)及解釋結果(b)圖b的背景為線條圖.F4:白象山-姑山斷裂;J-Q: 侏羅系-第四系地層;T:三疊系地層 S-P:志留系到二疊系地層;Pt-S:元古代到志留系地層;TWT:雙程旅行時;De:志留系滑脫面;CDP:共深度點Fig.6 NW03 seismic reflection migration profile (a) and interpretation result (b) Background of Fig.6b is a skeleton map of Fig.6a. F4: Baixiangshan-Gushan fault; J-Q: Jurassic-Quaternary stratum;T: Triassic stratum; S-P: Silurian-Permian stratum; Pt-S: Proterozoic era-Silurian stratum; TWT: two way traveltime; De: Silurian decollement; CDP: common depth point

從NW01反射疊前時間偏移剖面的整體特征來看,又可分為明顯的上下兩部分,中間為區域滑脫面De所分割,結合長江中下游沉積蓋層序列的巖性特征,推測最可能形成滑脫層的是早志留系頁巖層,早寒武系黑色頁巖層,震旦粉砂巖和頁巖層及其從脆性到韌性轉變的地殼過渡帶(Zhuetal., 1999)。根據NW01剖面上下反射變形差異、順層剪切及滑脫特征,結合區域構造和巖層演變規律,可以推斷,該滑脫面應位于志留系石英砂巖、長石石英砂巖、頁巖、泥灰巖中。其形成于擠壓機制下,隨后又在伸展構造作用下被激活(Listeretal., 1986),這一解釋和區域地質觀測結果相一致(Hildeetal., 1976;李文達等,1998;Lüetal., 2013)。從CDP7250向南東直到剖面的末端,即為方山-南陵斷裂南東部的滑脫帶。區域性的方山-南陵斷裂,傾向南東,向下延伸與區域滑脫面De重合,且南東向地層順層滑脫同時兼具逆沖特征,表明該斷裂是一個具有正逆斷層兩種性質的深斷裂,主要以滑脫性質為主。

從以上分析來看,控制寧蕪火山巖盆地火山-巖漿活動的北東和南西邊界斷裂并非人們經常認為的兩大基底深斷裂:方山-南陵斷裂和長江斷裂帶。從剖面反射波組及表層出露的侵入巖體特征,可追蹤出兩個傾向相反的上地殼斷裂F1和F2及地殼級BCF(盆中基底斷裂)控制著火山巖盆地基底形態及北西和南東方向火山-巖漿活動的空間展布形態。

4.2 NW02

NW02剖面長度56.3km,走向南南西-北北東。測線南南西方向起自寧蕪火山巖盆地的南西邊緣,經過寧蕪火山巖盆地的東部,止于盆地的北部邊緣(圖2)。根據反射地震疊前時間偏移剖面和地質特征,可以將寧蕪火山巖盆地以馬鞍山-薛津斷裂為界分為兩個大的區塊(圖5):南南西隆起區和北北東凹陷區。首先來看南南西隆起區,從NW02疊前時間偏移剖面來看,白象山-護河斷裂(首次發現的斷裂)很可能是一個平行于NW03線且處于其南南西方向不遠處的不明深斷裂,傾向北北東,向下延伸到剖面底部。白象山-護河斷裂南南西方向相對于北北東方向,存在明顯的抬升,這個可以從CDP1000到1400范圍內出露的下侏羅統鐘山組地層看出,其巖性為灰白色、中粒巖屑石英砂巖及灰、細粒石英砂巖、砂質頁巖、炭質頁巖和煤層,底為含礫砂巖或礫巖,而白象山-護河斷裂北北東方向主要為第四系沉積物及白堊系火成巖地層(圖2)。

圖7 NW01和NW02剖面交叉圖K:白堊系地層;T-J:三疊到侏羅系地層;S-T:志留到三疊系地層;Pt-S:元古到志留系地層;TWT:雙程旅行時;De:志留系滑脫面;CDP:共深度點Fig.7 NW01 and NW02 intersection profileK: Cretaceous stratum; T-J: Triassic-Jurassic stratum; S-T: Silurian-Triassic stratum; Pt-S: Proterozoic era-Silurian stratum; TWT: two way traveltime; De: Silurian decollement; CDP: common depth point

圖8 NW02和NW03剖面交叉圖J-Q:侏羅到第四系地層;T:三疊系地層;S-T:志留到三疊系地層;S-P:志留到二疊系地層;Pt-S:元古到志留系地層;TWT:雙程旅行時;De:志留系滑脫面;CDP:共深度點Fig.8 NW02 and NW03 intersection profileJ-Q: Jurassic-Quaternary stratum; T: Triassic stratum; S-T: Silurian-Triassic stratum;S-P: Silurian-Permian stratum; Pt-S: Proterozoic era-Silurian stratum; TWT: two way traveltime; De: Silurian decollement; CDP: common depth point

在剖面南南西方向存在一個小型斷裂F3,具正斷層性質,錯斷了下部滑脫面De的同時也控制著其左方小型凹陷盆地的北北東邊緣。從地震疊前時間偏移剖面來看,剖面最左邊的小盆地呈現雙層結構特征,并且有向南南西方向滑脫的趨勢,可能與70~40Ma北西-南東及北西方向的大別山區在45±10Ma的伸展作用有關(Grimmeretal., 2002)。依據波組特征分析,在馬鞍山-薛津斷裂和白象山-護河斷裂之間的下部位置(即CDP2101到2801下部位置),存在一個南南西傾的SBF斷裂(這兒被稱為南基地斷裂),向下延伸至CDP2101下方位置,與白象山-護河斷裂對接。結合從中地殼直到下地殼的強反射波組及上地殼的透明反射特征來看,白象山-護河斷裂和南基地斷裂應為寧蕪火山巖盆地南部的主要火山-巖漿通道。另外,在南基地斷裂北北東方向3s到4s之間存在一個透明反射區,這種透明反射最有可能是一個展布于寧蕪火山巖盆地下方的呈隆起狀的中地殼巖漿房,為寧蕪火山巖盆地火山-巖漿活動提供著補給,同時為流體活動供給著熱源,這一認識很好的解釋了寧蕪盆地廣泛發育的火成巖類巖石。

在馬鞍山-薛津斷裂北北東部(即CDP2801到剖面末端范圍下方位置)存在一個明顯的凹陷區。從反射波組特征來看,馬鞍山-薛津斷裂是一個低角度的拆離斷層,與深部的志留系滑脫面De會合于CDP3501下方3s位置處,組成了一個從地表一直延伸到中地殼的巨型滑脫面,導致從CDP2801到剖面末端的下部地層整體向北北東方向滑脫。

圖9 寧蕪反射地震剖面下地殼及Moho面反射特征圖9a的CDP間距為20m;b和c都為10m.TWT:雙程旅行時;De:志留系滑脫面;CDP:共深度點;Moho:莫霍面Fig.9 Refletors under lower crust and Moho features of Ning-Wu three seismic reflection profilesCDP spacing of Fig.9a is 20m, of Fig.9b and Fig.9c is 10m. TWT: two way traveltime; De: Silurian decollement; CDP: common depth point; Moho: Mohorovicic discontinuity

從構造地質學角度分析可知,一般情況下,在碰撞擠壓及伸展作用強烈的地區,地殼深部的滑動面的一部分或大部分可能向上延伸,與近地表的逆沖推覆構造過渡結合。上面的反射特征和這個認識相一致,同時也證明了構造地質學認識的正確性。另外,該部分整體具有薄皮構造的特征,即沉積蓋層在基底上滑脫變形,基底沒有同時卷入變形。蓋層變形的褶皺-逆沖帶終止于一條巨大的滑脫面De上,蓋層變形與基底構成顯著的構造不協調關系?;撁嫔喜康寞B瓦構造、褶皺及馬鞍山-薛津斷裂南南西和北北東方向地層出露特征(南南西侏羅系地層廣泛分布,而北北東方向主要以白堊系火山巖為主)表明,該部分具有俯沖和滑脫兩種構造性質,即具有擠壓和伸展作用交替出現的構造背景,這一認識與中生代古太平洋板塊變方向向長江中下游俯沖有關(孫衛東等,2008;Liuetal., 2010;Sunetal., 2010)。結合地震剖面總體反射波組和表層地質特征來看,寧蕪火山巖盆地下部隱伏的南基地斷裂(SBF)、白象山-護河斷裂、馬鞍山-薛津斷裂及盆中斷裂是控制寧蕪火山巖盆地火山-巖漿向上運移的主干巖漿通道。在白堊紀伸展機制作用背景下(常印佛等,1991;唐永成等,1998;呂慶田等,2004;周濤發等,2007, 2008, 2010),巖漿沿著南基地斷裂(SBF)和盆中斷裂分期次的向上運移,首先形成外圍的龍王山組火成巖,隨后為大王山,姑山和娘娘山組火成巖(寧蕪研究項目編寫小組,1978)。其中以龍王山組和大王山組為主,占了整個盆地內火山巖出露面積的90% 以上,為一套偏堿性的中基性巖石組合,目前多傾向于認為屬于橄欖玄粗巖系列(王德滋等,1996)。另外,結合志留系滑脫面De的空間展布特征,推測侏羅系-三疊系界面到志留系滑脫面De之間的部分應為志留系到三疊系的沉積地層,由于沒有表層巖性出露且反射結構復雜,所以不能詳細地分清其內部各時代地層在空間的展布形態。

4.3 NW03

NW03反射疊前時間偏移剖面走向北西-南東,全長27.1km,展布于寧蕪火山巖盆地的南部邊緣(圖2)。 從整個疊前時間偏移剖面反射特征來看,該部分由一個明顯的背斜構造及兩個基底斷裂所控制(圖6)。背斜軸部位于CDP7260處,走向北東-南西?;纂[伏斷裂F4(這兒稱為白象山-姑山斷裂)剛好位于該背斜的軸部,錯斷了其所經過的地層。根據收集到的鉆孔信息及表層地質特征(寧蕪研究項目編寫小組,1978),清楚地厘定出了侏羅系及三疊系地層的空間展布形態。

F4斷裂及其北西方向最為明顯的特征是侏羅系及三疊系地層從CDP7620往北西方向逐漸變深,從其形態來看,應屬寧蕪向斜的一部分。這一結構特征表明,軸部呈北北東-南南西向的寧蕪向斜在盆地南部變為了北東-南西向展布,這種向斜軸部的突變是該區中生代北西向應力作用的結果。從長江中下游構造應力場演變規律來看,這種北西向應力是晚中生代古太平洋板塊向華南板塊俯沖的結果(吳利仁,1985;Maruyamaetal., 1997;汪洋等,2004;Lingetal., 2009)。而寧蕪向斜軸部方向的變化最直接的原因可能是馬鞍山-薛津斷裂具有走滑性質,在北西向應力作用期,馬鞍山-薛津斷裂北東部向北西方向滑移,而南西部相對于北東部向南東方向運動,從而造成寧蕪向斜軸部發生了錯段,表明馬鞍山-薛津斷裂不僅是一個低角度的基底拆離斷層,而且也是一個區域性走滑斷層。白象山-姑山斷裂傾向北西,周圍反射稀疏,甚至透明(無明顯反射),結合表層出露的呈北東-南西向展布的閃長玢巖體的形態及姑山組火山巖來看,該斷裂應是控制寧蕪火山巖盆地南部火山-巖漿活動的主干斷裂。白象山-姑山斷裂與白象山-護河斷裂及F3基底小型斷裂(圖5)組成一網狀斷裂系統,一起控制著寧蕪火山巖盆地南部地區的盆地形態和晚中生代火山-巖漿活動。白象山-姑山斷裂南東方向侏羅系和三疊系地層的空間展布形態和其北西方向的地層特征差異不大,明顯的區別是區域性志留系滑脫面引起地層整體向北西方向滑脫,從而造成南東部地層相對抬升和北西相對凹陷的構造格局。其次,該部分中部的方山-南陵斷裂與NW01反射疊前時間偏移剖面上該斷裂的性質及特征相同,造成了各時代地層向南東方向下滑。

從整個NW03反射地震疊前時間偏移剖面來看,基本可以厘定侏羅系及三疊系地層的大體厚度、深度及空間展布形態。然而,CDP7620下放呈拱形特征的波組樣式值得深入分析,結合下地殼反射特征(圖9c)及區域上對該區地球動力學背景的認識,本文認為這種波組特征應是巖漿底侵作用的結果(王強等2001;張旗等,2001;呂慶田等,2004;朱光等,2008)。

5 討論

厘定寧蕪火山巖盆地的深部結果特征,對長江中下游成礦帶意義重大。依據三條反射地震剖面的反射波組特征,可將寧蕪火山巖盆地的深部結構概括為:一面兩褶定框架,斷裂巖漿改結構(一面:滑脫面De;兩褶:寧蕪北部的向斜和南部的背斜)。志留系砂頁巖中的滑脫面De將構造形態差異明顯的上下兩部分并置于一起,上部變形劇烈,而下部變形相對不是那么明顯(Lüetal., 2013)。本文判斷該滑脫面De是以巖石圈的多級滑脫圈層體系為依據(馬立成,2009)。淺層次層圈結構和組成易于觀察,界面性質易于確定,而深層次的層圈及其界面一般不能直接被觀察。長期以來,人們對這些界面究竟是物性的、物態的,還是構造的,曾經有不同看法。然而經過長期的地質和地球物理綜合分析發現,測得的大多數界面是構造性質的,其中多數界面是滑動面或拆離面。這些滑動面的一部分或大部分可能向上延伸,與近地表的逆沖推覆構造過渡結合。分析滑脫面的一般方法和特征是:界面的結構構造特征、構造巖的組成和變形,以及界面上下變形的差異,是鑒定界面存在及產出深度、性質、構造屬性的基本標志;順層剪切常常引起順層重復或切削,造成地層厚度增減;剖面上常常表現為地層的局部重復或不均勻缺失;沉積巖石圈中的滑脫面主要局限于不整合面、巖性(巖系)界面、高塑性層、高空隙壓帶。依據長江中下游沉積蓋層序列的巖性特征,最可能形成滑脫層的是早志留系頁巖層,早寒武系黑色頁巖層,震旦粉砂巖和頁巖層及其從脆性到韌性轉變的地殼過渡帶(Zhuetal., 1999;Lüetal., 2013)。本文根據三條剖面上下反射波組差異、剪切和滑脫性質,及區域自晉寧期以來經歷了古生代穩定蓋層沉積階段和中生代板內構造變形階段的特征(寧蕪研究項目編寫小組,1978;常印佛等1991;翟裕生等,1992;唐永成等,1998),推斷該滑脫面位于志留系石英砂巖、長石石英砂巖、頁巖、泥灰巖中。從區域的構造背景和反射波組特征來看,滑脫面De的活動時間應同步于中生代的構造變形。方山-南陵斷裂,馬鞍山-薛津斷裂及盆中斷裂在深部幾乎都止于該滑脫面De,同時也有錯段該面的趨勢。以此來看,滑脫面De具有多期次的特征,這個與中生代構造機制轉換相符合(常印佛等,1991;翟裕生等,1992;唐永成等,1998;Hilde,1976;任紀舜等,1999;李文達等,1998;董樹文等,2007;宋傳中等,2011)。

NW01和NW03剖面中部位置分別可見一向斜和一背斜,決定著寧蕪火山巖盆地的基本框架。依據兩條剖面向斜和背斜的空間展布位置,推測寧蕪向斜軸部在南段發生了轉折,這種轉折只可能是北西向應力或南東向應力作用的結果,而北西向應力只可能來自于古太平洋板塊俯沖作用(吳利仁等,1985;Maruyamaetal., 1997;汪洋等,2004;Sunetal., 2007;孫衛東等,2008;Lingetal., 2009;Liuetal., 2010),南東向應力則來自于大別山前陸的制約作用(董樹文和邱瑞龍,1993;李曙光等,2001;侯增謙等,2004;Maoetal., 2006)。然而,華北和華南板塊于中生代早期反‘L’斜向碰撞(Yin and Nie, 1993)和其后的反彈回撤可以很好的解釋郯廬斷裂的走滑性(Zhao and Coe, 1987;呂慶田等,2004),但不能很好地解釋發育于長江中下游地區的豐富的褶皺群及展布于華南板塊東部邊緣的具分帶性的火成巖帶(周新民和李武顯,2000; Zhou and Li, 2000),因此,本文更傾向于認為這種軸部的轉折是古太平洋板塊向華南板塊多期次俯沖的結果。過去人們一直認為,長江斷裂帶和方山-南陵斷裂控制著寧蕪火山巖盆地的北西和南東邊界及火山巖漿活動(寧蕪研究項目編寫小組,1978),然而,NW01剖面反射波組和表層出露的侵入巖體及火山巖的空間分布規律表明,直接控制寧蕪火山巖盆地的北西和南東邊界斷裂應為F1和F2斷裂(圖4),F1和F2斷裂匯聚處的透明反射也表明了深部巖漿房的存在,故而可以很好地解釋寧蕪火山盆地的巖漿通道和盆地的凹陷特征。另外,本文試圖嘗試否定長江斷裂帶的存在性。依據三條地震剖面解釋結果及下地殼的反射波組特征,可以排除具有區域性質的長江斷裂帶的存在,但證據又不夠充分。理由如下:本文所展示的NW01和NW03剖面并未明顯看到具有深達下地殼的長江斷裂帶的波組特征,盡管NW01剖面CDP6200下方反射波組有錯段關系,但在NW03剖面則不存在這一特征,所以也不能肯定地說,存在于NW01剖面的斷裂即為人們常說的長江斷裂帶。其次,長江中下游成礦帶深反射地震剖面結果上,從來未能發現有明顯特征的位于長江附近的具有深斷裂特征的斷層(董樹文等,2010;Lüetal., 2013)。最為重要的是,下地殼層狀反射體和上地殼透明反射位置的空間展布特征也排除了長江附近存在深斷裂的可能性。至于長江斷裂帶到底存在與否,可能還需要其它方面的證據給予支持。

中生代中末期的斷裂和巖漿活動對一面兩褶結構框架進行了深刻改造,然而斷裂和巖漿活動的地球動力學背景一直未能統一,觀點來自于各個學科,有些學者認為是地幔上隆和長江斷裂帶的控制作用(常印佛等,1991),板內斷塊巖漿活動帶(翟裕生等,1992;秦克章等,1999;鄧軍等,2006),大陸邊緣環境向陸內斷塊環境的過渡轉換及約135Ma以后的伸展拉張(周濤發等,2008),板內裂谷帶(邢鳳鳴等,1999),也有學者認為是與古太平洋板塊俯沖作用(吳利仁等,1985;Maruyamaetal., 1997;汪洋等,2004;Sunetal., 2007;孫衛東等,2008;Lingetal., 2009;Liuetal., 2010),巖石圈伸展(Li and Li, 2007)或拆沉、底侵作用等深部動力學過程(張旗等,2001;許繼峰等,2001;王強等,2001;呂慶田等,2004; Lüetal., 2013),大別山前陸環境的制約作用(董樹文等,1993;李曙光等,2001;侯增謙等,2004;Maoetal., 2006)有關。依據三條反射地震剖面的反射波組和下地殼的反射體及幾個主要斷裂的正逆性特征,本文更傾向于認為該區的深部結構和火山巖漿及斷裂構造是古太平洋板塊俯沖和拆沉底侵深部動力學過程聯合作用的結果。

上面闡述了長江斷裂帶的存在性問題及方山-南陵斷裂和滑脫面的關系特征,下來主要就新發現的深部斷裂,尤其是馬鞍山-薛津斷裂(圖5)進行必要的討論,馬鞍山-薛津斷裂最為明顯的特征是將寧蕪火山巖盆地以南北方向一分為二,南西部表層主要以侏羅系地層為主,而北東方向則出露大面積的白堊系火成巖。疊瓦狀構造的存在及滑脫面上下變形的差異性表明馬鞍山-薛津斷裂具有正逆性,且滑脫面與馬鞍山-薛津斷裂沒有明顯的錯段特征,從而推測馬鞍山-薛津斷裂活動應早于滑脫面最后一期運動。然而,與其說是馬鞍山-薛津斷裂導致了其北東部地層整體向下滑移,還不如說是志留系滑脫面De在中生代的再次活動,導致了該斷裂北東部的巖層整體下滑,從而造成了馬鞍山-薛津斷裂北東高而南西低的構造格局。

斷裂系統的空間展布格局控制著寧蕪火山巖盆地巖漿巖的空間分布規律。通過本次反射地震探測,清楚的厘定出了寧蕪火山巖盆地的主要斷裂系統:長江斷裂帶?、方山-南陵斷裂、馬鞍山-薛津斷裂、白象山-護河斷裂、梅山-東山斷裂(盆中基底斷裂BCF)、盆中斷裂、白象山-姑山斷裂及盆地北西和南東邊界斷裂——F1和F2斷裂,這些斷裂及其子系統一起控制著寧蕪火山巖盆地火成巖的空間展布?;鹕?巖漿的演化特征可概括為:在中生代末期,區域構造機制從晚侏羅的轉換擠壓向早白堊紀的伸展作用轉變,導致幔源巖漿上侵到下地殼,在殼幔邊界處就位(圖9),隨后底侵的鐵鎂質巖漿被拉長,產生水平流動,在伸展機制下,最大應力場方向是垂向的,底侵的巖漿流體沿著已存在的斷裂或者地殼薄弱區水平流動成為可能。當流體慢慢積累,在一定的溫度和壓力下,巖漿沿著近垂直的地殼薄弱區(梅山-東山斷裂)向上運移,就位并補充中地殼的巖漿房,同時,中地殼的巖漿房彼此相連接形成了一個橫向展布的大巖漿帶(圖5),隨后巖漿分異并萃取出低密度的流體,沿著活動的馬鞍山-薛津斷裂、白象山-護河斷裂、盆中斷裂、白象山-姑山斷裂和盆地北西和南東邊界斷裂——F1和F2斷裂及其各斷裂的分支斷裂系統上侵,發生了火山噴發及沉積作用,在寧蕪火山巖盆地凹地首先形成了龍王山、大王山和姑山旋回的安山質火山巖,隨后是娘娘山旋回的以白榴石響巖和藍方石響巖為主的堿性火山巖,同時在不同的火山-巖漿活動過程中,形成了展布于寧蕪火山巖盆地淺部區域的侵入體,像凹山巖體、陶村巖體、和尚橋巖體、東山巖體、白象山巖體、和睦山巖體及姑山巖體(圖2)。當低密度物質被萃取出來后,密度較高的巖漿物質留在原地固結形成強的波阻抗界面,從而在地震反射剖面上可以看到強反射面的存在(圖5、圖9)。后期的伸展作用可能將已形成的巖漿體拉斷或變平坦(圖9)。上地殼的透明反射特征就是淺部巖漿房所形成的侵入體和噴出物的反應(圖4、圖5、圖6)。

6 結論

本文依據三條反射地震疊前時間偏移剖面和區域地質特征大體厘定了寧蕪火山巖盆地的深部結構特征,并闡述了這些特征可能造成的原因,為深部資源評價及區域動力學分析提供了證據。由于知識面的局限性問題,可能有些問題分析不到位,敬請各位同仁提出異議。獲得的主要結論如下:

(1)一面兩褶的大框架確定了寧蕪火山巖盆地的基本結構特征。

(2)控制寧蕪火山巖盆地火山-巖漿活動的北東和南西邊界斷裂并非人們經常認為的兩大基底深斷裂:方山-南陵斷裂和長江斷裂帶,而是北西向F1和南東向F2斷裂。

(3)寧蕪火山巖盆地以馬鞍山-薛津斷裂為界向北北東方向滑脫,造成了盆地南西高北東低的隆凹構造格局。

(4)連成一體的巖漿巖體展布于寧蕪火山巖盆地下方。

(5)隱伏于寧蕪火山巖盆地深部的控制深部巖漿活動的盆中基底斷裂BCF是該區深部重要的主干斷裂,控制著深部巖漿巖的空間展布格局。

致謝感謝中國石化集團西南石油局云南物探公司所采集的高質量反射地震數據;感謝北京派特森科技發展有限公司薛愛民研究員及李興峰工程師給予的幫助。

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