中朝板塊元古宙板內(nèi)地震帶與盆地格局

Intraplate Seismic Belt and Basin framework of Sino-Korean Plate in Proterozoic喬秀夫原文刊于《地學(xué)前緣》，2002年第9卷第3期，對(duì)1994年所提出的地震液化序列的B單元底部增加了液化角礫巖單元；圖2，圖3改換為彩色圖。地史中發(fā)生的強(qiáng)地震事件在地層中留下固定的記錄（圖1～圖3），這些記錄在區(qū)域上呈帶狀分布，代表地史中的地震帶。中朝板塊元古宙目前可識(shí)別出兩個(gè)板內(nèi)地震帶（圖5）。中元古代板內(nèi)地震帶（1700～1200 Ma）西起太行山北段，經(jīng)燕山山脈、遼寧西部，穿越遼河平原至遼寧北部的泛河流域分布，即燕山—泛河地震帶，現(xiàn)今呈NEE向延伸。新元古代震旦紀(jì)地震帶沿吉林南部、遼東半島、山東中部及蘇皖北部現(xiàn)今呈NNE走向分布，即古郯廬地震帶（650～600 Ma）。上述兩個(gè)板內(nèi)地震帶是元古宙不同時(shí)期超大陸裂解在板內(nèi)的響應(yīng)。中元古代與新元古代兩個(gè)不同方向的地震斷裂帶分別控制著兩個(gè)時(shí)期的盆地邊界。燕山泛河地震斷裂帶構(gòu)成中元古代海盆南界（指現(xiàn)在的位置），形成向北開(kāi)放的海域。古郯廬地震斷裂帶將中朝板塊裂解為華北塊體與膠遼朝塊體。古郯廬地震斷裂帶構(gòu)成震旦紀(jì)海域的邊界，震旦紀(jì)海盆通過(guò)朝鮮半島與當(dāng)時(shí)的外海相連接，華北塊體則為陸源剝蝕區(qū)。文內(nèi)四幅古地理圖（圖6～9）是以地震災(zāi)變思想為指導(dǎo)，以新的地層研究、對(duì)比為基礎(chǔ)編制的，側(cè)重反映了盆地的格局及其變化。根據(jù)地震、同沉積斷裂新的思路，可提供地質(zhì)學(xué)家重新認(rèn)識(shí)與解釋某些沉積礦床的成因，它們的成礦元素均來(lái)自地球深部而非地表風(fēng)化作用。文中編制的古地理圖將為這種解釋提供盆地與事件背景。1　軟沉積物中的地震液化記錄地史中發(fā)生的強(qiáng)地震事件在固結(jié)或未固結(jié)的沉積物中留下不同的記錄。在未固結(jié)的軟沉積物中主要表現(xiàn)為沉積物內(nèi)部的液化作用及由此而引起的一系列變形構(gòu)造。眾多地質(zhì)學(xué)家，地震學(xué)家及土建學(xué)家對(duì)沉積物中液化作用及形成的記錄進(jìn)行了系統(tǒng)的研究[1～11]。圖1碳酸鹽巖地震液化序列系依據(jù)筆者1994年所提出的序列[5]，在B單元底部增添了液化角礫巖單元，它是液化作用形成的液化脈切穿、擾動(dòng)軟沉積物使之原地破碎形成角礫巖，這種碳酸鹽角礫具有可拼合性。圖1液化序列概括了一次強(qiáng)地震瞬時(shí)過(guò)程中，在碳酸鹽軟沉積物中的災(zāi)變事件記錄，它提供了在碳酸鹽巖以及其他沉積巖中識(shí)別地震事件的基本標(biāo)志。在野外實(shí)際工作中，我們可在一個(gè)剖面中識(shí)別出圖1中所有的單元，但更多的情況則是某幾個(gè)單元的組合。圖1 碳酸鹽巖地層中的地震液化序列（據(jù)喬秀夫等，1994補(bǔ)充）圖2，圖3給出了遭受地震時(shí)，地層中在原地形成的事件單元以及共生單元組合（圖1中的A,B,C單元），它們均選自中朝板塊元古宙地層。2　地震時(shí)間分布與板內(nèi)地震帶圖4列出了1700～600 Ma中朝板塊板內(nèi)具強(qiáng)地震災(zāi)變記錄的27個(gè)巖組，這些地震記錄是筆者及其研究集體近10年來(lái)調(diào)查并進(jìn)行了不同程度的研究而確認(rèn)的。某些文獻(xiàn)最近大量報(bào)道的地震事件巖組尚未列入圖4中。中元古代（1800～1000 Ma）的1700～1200 Ma期間是一個(gè)近500 Ma的地震長(zhǎng)周期，在這個(gè)長(zhǎng)周期中有5個(gè)地震活躍期（圖4中①～⑤）。約1200～850 Ma為無(wú)地震或少地震的長(zhǎng)周期。約630～540 Ma為第二個(gè)長(zhǎng)周期，近80 Ma的時(shí)期內(nèi)有4個(gè)地震活躍期。從中元古代到新元古代每個(gè)地震長(zhǎng)周期的時(shí)限縮短，而每個(gè)地震長(zhǎng)周期中地震活躍期則更加密集，活躍期之間平靜期更加縮短。圖2 碳酸鹽巖中的地震液化記錄a—液化泥晶脈（盲脈）與層內(nèi)微斷層，圖1中A單元與C單元（遼寧大連市金石灘海岸，震旦系興民村組）；b—地震液化泥晶脈在層面及垂直于層面的表現(xiàn)，它呈現(xiàn)板狀體，圖1中A單元（遼寧省瓦房店市小島山震旦系營(yíng)城子組）；c—地裂縫及粒序斷層，圖1中C單元（遼寧省大連市金石灘海岸），圖的中部呈Y字形斷裂為地裂縫，鉛筆處為當(dāng)時(shí)的古地面，可清楚看到古地面上新的碳酸鹽沉積物向下貫入地裂縫，地裂縫的下方為兩行密集的微斷層（粒序斷層）；d—液化碳酸鹽角礫巖，圖1中B單元（遼寧省旅順龍頭尾）圖3 地層中的地震液化記錄a—北京昌平區(qū)十三陵，長(zhǎng)城系串嶺溝組頁(yè)巖中彎曲的液化砂巖脈（據(jù)宋天銳）；b—北京十三陵串嶺溝組中地震引起的液化卷曲變形；c—液化泥晶脈，脈向上層面及下層面兩個(gè)方向流動(dòng)穿刺紋層，迫使紋層圍繞脈的兩端彎曲，黑色比例棒1cm，圖1中A單元（河南省嵩山青白口系何窯組，標(biāo)本由高林志采集）；d—深色液化泥晶脈（箭頭所指），與深色泥晶薄層相連通，由深色薄層液化形成直立的泥晶脈，泥晶脈又為層內(nèi)斷層（粒序斷層）錯(cuò)碎，表明為液化作用后期巖層縮水，體積收縮的結(jié)果，圖1中A單元及C單元（江蘇徐州銅山縣震旦系九頂山組）；e—層內(nèi)正斷層（圖1中C單元），箭頭所指為上盤移動(dòng)方向，直立彎曲的液化泥晶脈（圖1中A單元）為上升盤，這張照片表明：地震引起的泄水作用形成直立的液化泥晶脈（盲脈），液化作用停止后，沉積物由于失水體積收縮，迫使泥晶脈彎曲，隨之發(fā)生層內(nèi)錯(cuò)斷（安徽宿縣金山寨村震旦系望山組）；f—液化泥晶脈（盲脈）在巖層兩個(gè)斷面的表現(xiàn)，呈板狀體（金山寨望山組）圖4 中朝板塊元古宙板內(nèi)強(qiáng)地震事件巖組第二個(gè)地震長(zhǎng)周期中，特別是晚震旦世4個(gè)地震活躍期（圖4中⑦～⑩），可能是Rodinia超大陸從800 Ma開(kāi)始裂解（breaking up），至震旦紀(jì)達(dá)到裂解高潮時(shí)在中朝板塊板內(nèi)的響應(yīng)[12]。王鴻禎提出地史中曾5次出現(xiàn)聯(lián)合古陸，P-1950 Ma,P-1450 Ma為中元古代中的兩個(gè)聯(lián)合大陸[13]，圖4中串嶺溝組時(shí)期及高于莊組時(shí)期的地震事件，很可能是中元古代不同時(shí)期聯(lián)合古陸裂解在板內(nèi)的響應(yīng)。中元古代與新元古代的強(qiáng)地震分布于中朝板塊內(nèi)部的不同地區(qū)，中元古代地震事件位于燕山—遼寧北部泛河流域（圖5），構(gòu)成中元古代燕山—泛河板內(nèi)地震帶。現(xiàn)今呈NNE走向的新元古代地震帶大體沿現(xiàn)今郯廬斷裂帶分布，即震旦紀(jì)古郯廬帶[5,6,14]。這兩個(gè)板內(nèi)地震帶分別控制了中、新元古代海域邊界與古盆地格局。3　中朝板塊中、新元古代盆地格局同沉積斷裂構(gòu)造、火成巖活動(dòng)及伴隨的強(qiáng)地震帶構(gòu)成了中元古代的盆地邊界，新元古代隨著地震帶的位置變化，海域及盆地邊界也相應(yīng)變化。3.1　中元古代早期（相當(dāng)于早長(zhǎng)城世）盆地格局（圖6）長(zhǎng)城紀(jì)早期海域位于板塊的北部。南部及東、西部廣大地域?yàn)榍治g區(qū)。古地理最明顯特征是高山聳立，高山之間為由斷層控制的裂陷谷地，即燕山裂陷槽（aulacogen）。圖5 中朝板塊元古宙板內(nèi)地震帶（據(jù)喬秀夫等，1999修正）NCB—華北塊體；JLKB—膠遼朝塊體；YSTF—黃海轉(zhuǎn)換斷層（中生代）密云—平泉—凌源與灤縣—撫寧—建昌兩條同沉積斷裂控制的狹長(zhǎng)谷地構(gòu)成裂陷槽的軸部，沿著谷地（靠密云—興隆—平泉—凌源斷裂一側(cè)）為河流沉積（常州溝組下部礫巖、砂巖），谷地兩側(cè)為沖積扇、洪積扇[15]。燕山裂陷谷地被與之斜交的多條平行的同沉積斷裂（具轉(zhuǎn)換斷裂性質(zhì)）截切。沿谷地邊界斷裂及斜切轉(zhuǎn)換斷層是強(qiáng)地震分布區(qū)[15]。早長(zhǎng)城世地震分布除與斷裂伴生外，并與火成巖活動(dòng)密切相關(guān)[16]。常州溝組上部砂巖及串嶺溝組為代表的晚期海侵越過(guò)密云—興隆—平泉—凌源斷裂超覆于裂陷槽的肩部，至赤城—北票以北（內(nèi)蒙地軸）與外海相連接。灤縣—建昌地震斷裂則構(gòu)成海域的南部邊界（指現(xiàn)在地理位置）。新的研究表明： “內(nèi)蒙地軸”由古元古界及中元古界變質(zhì)地層組成[17]，并未構(gòu)成盆地的北部隆起區(qū)，解決了長(zhǎng)期困擾地質(zhì)學(xué)家的關(guān)于中元古代海盆地與外海連通的問(wèn)題。串嶺溝組沿燕山裂陷槽軸部為障壁深水黑色泥質(zhì)沉積，而在肩部則為典型淺海沉積。盆地西北部著名的串嶺溝組中鮞狀，腎狀赤鐵礦（宣龍式鐵礦），實(shí)際是由藻顆粒及疊層石吸附鐵質(zhì)形成。有關(guān)鐵質(zhì)來(lái)源過(guò)去均解釋為陸源搬運(yùn)至淺海海岸帶形成。如圖6所示，串嶺溝組海域向北與外海相連，北部無(wú)陸源物供應(yīng)；其西部（山西，河北東部）基底巖石（太古宇，古元古界）風(fēng)化殼并不十分發(fā)育，鐵質(zhì)來(lái)源并不充分，作為穩(wěn)定的鐵元素實(shí)際很難向海域遷移。在宣龍式鐵礦的頂、底板層位中有多個(gè)由砂巖脈及泥質(zhì)脈組成的震積巖，宣龍鐵礦盆地側(cè)邊為赤城—密云—灤縣同沉積斷裂。斷裂及伴生的地震均表明這里是地球深部物質(zhì)十分活躍的地區(qū)，鐵元素來(lái)源于深部，至地表被藻類吸附形成富鐵沉積。為什么在串溝組沉積的廣闊海岸帶，只有宣化龍關(guān)地區(qū)形成有經(jīng)濟(jì)價(jià)值鐵礦層，用鐵元素來(lái)源于深部可能合理地解釋了目前的地質(zhì)記錄。圖6 中朝板塊早長(zhǎng)城世（1800～1600Ma）古地理格局1—侵蝕區(qū)；2—同沉積斷裂；3—與同沉積斷裂伴生的地震事件（震積巖分布區(qū)）；4—河流（砂巖、長(zhǎng)石石英砂巖）；5—河流流向；6—濱海含鐵沉積區(qū)（宣龍式疊層石赤鐵礦）；7—海侵超覆區(qū)（含砂頁(yè)巖與極薄層砂巖互層）；8—開(kāi)闊海較深水沉積；①燕山裂隙槽；YSTF—黃海轉(zhuǎn)換斷層（中生代后期）山西呂梁山地區(qū)漢高山砂巖、小兩嶺安山巖及晉南、豫西的西陽(yáng)河群、熊耳群歷來(lái)作為中元古代早期的巖組。最近在熊耳群中獲得單顆粒鋯石U-Pb年齡1.95 Ga，認(rèn)為熊耳群為古元古界[18]。因此，呂梁—陜?cè)ト媪严莶踇19]有可能為古元古代裂陷槽，則中元古代盆地只限于中朝板塊北部。3.2　晚長(zhǎng)城世—薊縣紀(jì)（1600～1000Ma）盆地格局（圖7）圖7主要反映1600～1200 Ma，即大紅峪組至霧迷山組沉積時(shí)期古地理，海域仍位于中朝板塊北部。長(zhǎng)城紀(jì)早期的斷裂仍控制盆地格局，深水碳酸鹽巖位于由斷裂控制的裂陷槽軸部。燕山裂陷槽向東延伸至遼北泛河流域。有地震記錄的最高層位為霧迷山組（燕山）及遼北泛河群虎頭嶺組，1200 Ma之后伸展作用結(jié)束，裂陷槽停止發(fā)展。中元古代中期（1600～1200 Ma）是一個(gè)充滿火山爆發(fā)、頻繁發(fā)生地震及斷裂活動(dòng)的海盆地[12,20,21]。沿裂陷槽軸部密云—興隆—平泉斷裂分布的黃鐵礦—鉛鋅硫化物礦帶（高板河鉛礦）及鐵嶺泛河流域的關(guān)門山鉛鋅礦，其成因均與沿海底斷裂來(lái)自深部噴出的富金屬的熱水或噴氣相關(guān)聯(lián)[22]。1600～1200 Ma強(qiáng)地震活躍時(shí)期也是一個(gè)造礦期。圖7 中朝板塊晚長(zhǎng)城世—薊縣紀(jì)（1600～1000Ma）古地理格局1—侵蝕區(qū)；2—同沉積斷裂及與其伴生的地震事件（大紅峪組，高于莊組，霧迷山組及泛河群震積巖分布區(qū)）；3—火山噴發(fā)（大紅峪組富鉀粗面巖）；4—火山噴氣孔（鐵嶺組灰?guī)r中）；5—鉛鋅硫化物礦帶（燕山高于莊組高板河鉛鋅礦與遼北泛河流域關(guān)門山組鉛鋅礦）；6—潮坪帶（疊層石、藻席灰?guī)r、白云巖）；7—較深水沉積區(qū)（高于莊組灰?guī)r）；8一開(kāi)闊廣海沉積；①燕山—泛河裂陷槽；YSTF—黃海轉(zhuǎn)換斷層（中生代后期）3.3　青白口紀(jì)（1000～800Ma）盆地格局（圖8)1000Ma很可能是全球超大陸（Rodinia）形成時(shí)期。中朝板塊主體經(jīng)過(guò)芹峪上升（1000～900Ma）長(zhǎng)期剝蝕[23～25]，已完全準(zhǔn)平原化，海水淹沒(méi)了大部分地區(qū)，整個(gè)青白口紀(jì)盆地為極淺水海盆。除遼北鐵嶺泛河流域會(huì)試屯群于北溝組，太子河流域南芬組及豫西有地震記錄外（圖4），整個(gè)盆地很少地震及構(gòu)造活動(dòng)，也無(wú)火山爆發(fā)痕跡。板塊南部（豫西）青白口紀(jì)盆地從1000Ma開(kāi)始發(fā)展，為典型潮坪沉積；板塊北部盆地則從900Ma開(kāi)始，與北部開(kāi)闊海有陸地障壁，形成內(nèi)陸海。內(nèi)陸海通過(guò)遼東半島、朝鮮半島北部與當(dāng)時(shí)的外海連通，其地形很類似于今天的渤海。這種障壁環(huán)境可能是青白口統(tǒng)下馬嶺組黑色層形成的古地理背景。圖8 中朝板塊青白口紀(jì)（1000～800Ma）古地理格局（Rodinia古大陸上沉積）1—侵蝕區(qū)；2—同沉積斷裂及其伴生的地震事件（泛河會(huì)試屯群下部，太子河南芬組及豫西何窯組震積巖）；3—青白口紀(jì)潮坪為主沉積區(qū)（砂巖、頁(yè)巖、疊層石灰?guī)r）；4～6：晚青白口世濱海淺海沉積區(qū)；4—晚青白口世早期相對(duì)障壁海（下馬嶺組黑色頁(yè)巖），后期淺海（龍山組石英砂巖，景兒峪組泥晶灰?guī)r）；5—晚青白口世中后期海侵超覆區(qū)（龍山組，景兒峪組及相當(dāng)層位）；6—晚青白口世早期陸相盆地（山區(qū)河流為主）：①永寧盆地，②步云山盆地，③旅大盆地，④葦沙河盆地；7—開(kāi)闊海沉積區(qū)；YSTF—黃海轉(zhuǎn)換斷層（中生代后期）3.4　震旦紀(jì)（630～540Ma）盆地格局（圖9）中朝板塊從800 Ma開(kāi)始，整體上升，缺失南華紀(jì)（800～680 Ma）與早震旦世沉積（圖4），震旦紀(jì)盆地格局發(fā)生根本性變化，即古郯廬斷裂地震帶產(chǎn)生，古郯廬斷裂將中朝板塊分隔為華北塊體（NCB）與膠遼朝塊體（JLKB）。晚震旦世海域主要位于古郯廬斷裂之東（指現(xiàn)今位置），而華北塊體的主體部分則作為其陸源區(qū)。古郯廬斷裂控制了膠遼朝海盆地界線，華北塊體的晚震旦世沉積僅分布于其南部邊緣。統(tǒng)一的中朝板塊從630 Ma開(kāi)始裂解為兩個(gè)塊體，沿裂解帶強(qiáng)地震頻繁發(fā)生及基性巖墻（床）侵位[12,26,27]，這種盆地格局可解釋為Rodinia超大陸裂解在中朝板塊的板內(nèi)響應(yīng)。揚(yáng)子板塊南華紀(jì)南沱期冰川消融后，導(dǎo)致震旦紀(jì)海平面上升才淹沒(méi)了中朝板塊的膠遼朝塊體與華北塊體的南部邊緣。中朝板塊在Rodinia古大陸再造圖中模式2（張世紅，2000），膠遼朝塊體緊鄰大洋裂開(kāi)的一側(cè)（圖10），震且紀(jì)海盆通過(guò)朝鮮半島與當(dāng)時(shí)的外海相連，而華北塊體則為其陸源區(qū)。圖9震旦紀(jì)古地理盆地格局與古地磁研究的結(jié)果相一致[28]。圖9 中朝板塊震旦紀(jì)（630～540Ma）古地理格局（Rodinia裂解期格局）1—侵蝕區(qū)；2—同沉積斷裂；3—與斷裂伴生的地震事件（震積巖）；4—淺海（下部為碎屑巖墊板，上部為海侵碳酸鹽巖上超）；5—山岳冰川－冰海沉積（上震旦統(tǒng)頂部羅圈組）；6—開(kāi)闊海沉積區(qū)；PTLF—古郯廬斷裂；NCB—華北塊體；JLKB—膠遼朝塊體；YSTF—黃海轉(zhuǎn)換斷層（中生代）4　結(jié)語(yǔ)中朝板塊元古宙盆地邊界由地震斷裂帶控制（圖6～9），是本文對(duì)盆地形成的動(dòng)力作用解釋。盆地格局有兩個(gè)重要轉(zhuǎn)換期：一為青白口紀(jì)，由中元古代板塊北部向北開(kāi)放的海域，廣大南部地區(qū)為侵蝕區(qū)轉(zhuǎn)變?yōu)榘鍓K北部、東部及南部均有沉積。震旦紀(jì)為第二個(gè)轉(zhuǎn)折時(shí)期，海域主要在板塊東部（膠遼朝塊體）及華北塊體南部邊緣，是一個(gè)向東開(kāi)放（指現(xiàn)今方位）的海域，而華北塊體為陸源區(qū)。古郯廬地震斷裂帶構(gòu)成震旦紀(jì)盆地的邊界，它的全球構(gòu)造意義是Rodinia裂解在板內(nèi)的響應(yīng)。圖10 630Ma（震旦紀(jì)）中朝板塊在Rodinia古大陸再造中的位置（據(jù)張世紅，2000)[28]中朝板塊1800 Ma固結(jié)，經(jīng)歷3次內(nèi)部裂解：1700 Ma,1400 Ma,630 Ma。始自震旦紀(jì)結(jié)束于晚石炭世早期的裂解期[12,14]，中朝板塊實(shí)際被分割為兩個(gè)塊體，塊體之間的界線為古郯廬帶。晚中生代沿古郯廬斷裂重新裂開(kāi)形成晚中生代以來(lái)的板內(nèi)裂谷盆地。因此，郯廬斷裂帶兩側(cè)地質(zhì)體的不連續(xù)是兩個(gè)不同塊體上不同地質(zhì)作用演化的結(jié)果，不必用郯廬斷裂巨大平移來(lái)解釋。參考文獻(xiàn)[1]PLINT A G.Liquefaction,fluidization and erosional structures associated with bituminous sands of the Bracklesham 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