岩石学报  2013, Vol. 29 Issue (3): 953-966   PDF    
中国东部NWW向活动断裂带构造特征:以张家口-蓬莱断裂带为例
索艳慧, 李三忠, 刘鑫, 戴黎明, 许立青, 王鹏程, 赵淑娟, 张丙坤     
中国海洋大学海洋地球科学学院,海底科学与探测技术教育部重点实验室,青岛 266100
摘要: 中国东部新构造期活动强烈,前人对该时期NE向构造已有很多研究,但NWW向构造研究程度较低。本文以张家口-蓬莱断裂带为例,从几何学、运动学、动力学及地震活动性四个方面对中国东部的NWW向活动断裂带进行了分析。结果表明,中国东部的NWW向活动断裂带具有左行走滑的运动性质,并控制了第四纪盆地左阶雁列的展布样式;NWW向活动断裂带是孕震断裂,诱发了多次地震活动。在动力学上,这些断裂带是板缘的不同段落变形在板内不同块体间响应调节的产物,且在周边板块的联合作用下,华北和华南南部NWW向断裂可能印度-欧亚板块碰撞的影响占主导,而东北和华南东部NWW向断裂可能太平洋板块俯冲的影响占主导。
关键词: 张家口-蓬莱断裂带     NWW向断裂     左形左阶     孕震构造     板缘     板内    
Structural characteristics of NWW-trending active fault zones in East China: A case study of the Zhangjiakou-Penglai Fault Zone
UO YanHui, LI SanZhong, LIU Xin, DAI LiMing, XU LiQing, WANG PengCheng, ZHAO ShuJuan, ZHANG BingKun     
College of Marine Geosciences, Ocean University of China, Key Lab of Submarine Geosciences and Exploration Techniques, Ministry of Education, Qingdao 266100, China
Abstract: The NE-trending fault zones in East China have been well known. However, the NWW-trending fault zones are poorly known. Especially these NWW-trending fault zones are characterized by neotectonic activities. Taking the Zhangjiakou-Penglai Fault Zone as an example, this paper carries out a detailed analysis of the NWW-trending active faults in geometry, kinematics, dynamics and earthquake activities. The results show that these NWW-trending faults are sinistral strike-slipping faults controlling some en echelon Quaternary pull-apart basins. These faults have triggered plenty of earthquakes as the seismogenic structures. All these structural features result from the differential activities in dynamics among the neighboring blocks as a response to the various deformations of different segments along the plate boundaries. Under the combining effect of the other surrounding plates around China, the NWW-trending faults in North China and the south part of South China are possibly dominated by the collision of the Indian Plate to the Eurasian Plate. However, the NWW-trending faults in Northeast China and the east part of South China are possibly dominated by the subduction of the Pacific Plate.
Key words: Zhangjiakou-Penglai Fault Zone     NWW-trending structures     Sinistral en echelon     Seismogenic faults     Plate boundary     Intra-plate    
1 引言

中国东部地质构造复杂,型式多样,具有长期的发育历史和复杂的演化过程。中国东部广大地区继中生代NNE-NE向主体断裂体系形成之后,于新生代以来发育了大量NW-NWW向压性(或压剪性) 及其伴生的张性、张剪性断裂体系,并共同组成NW-NWW向断裂构造体系(李祖武, 1983a, b1992)。NW-NWW断裂构造体系虽在中国东部普遍存在,但形迹不明显,总体弥散性分布,远不及NNE-NE向断裂构造体系连续、宏伟,从而一度不为人注意或未被充分认识。但其与地震、矿产、水文等的密切相关性使其越来越引起众多学者的重视(邵云惠,1980陈国达,1977陈洪禄,1984徐煜坚,1982胡健民等,2005)。据地震活动、地质构造、地貌和卫星影像等分析,自北向南识别出小兴安岭-佳木斯、白城-长白山、张家口-蓬莱、介休-新乡-溧阳、巴东-泉州-台湾、紫云-罗甸等重要的NW-NWW向断裂(图 1)。这些断裂具有多阶段成生性、多方向性、丛集成带性、分布近等距性、定向偏移性、结构面力学性质多变性、复杂分段性和活动多期性、继承性和新生性(叠加与改造)、与区域大地构造发展阶段的相关耦合性等特征(李祖武,1992徐杰等, 1996, 2003郝天珧等, 2002, 2003),特别是新构造期以来,其活动性非常明显。

图 1 中国东部主要活动断裂及地震分布(据马杏垣等,1989修改) 1-小兴安岭-佳木斯断裂带; 2-白城-长白山断裂带; 3-张家口-蓬莱断裂带; 4-介休-新乡-溧阳断裂带; 5-巴东-泉州-台湾断裂带; 6-紫云-罗甸断裂带 Fig. 1 Active faults and earthquakes in East China (revised after Ma et al., 1989) 1-Xiaoxinganling-Jiamusi Fault Zone; 2-Baicheng-Changbaishan Fault Zone; 3-Zhangjiakou-Penglai Fault Zone; 4-Jiexiu-Xinxiang-Liyang Fault Zone; 5-Badong-Quanzhou-Taiwan Fault Zone; 6-Ziyun-Luodian Fault Zone

新构造期是始新世中期至渐新世印度板块与欧亚板块碰撞拼合之后,继续向北推进1500~2000km深入到亚洲大陆内部而导致非常复杂多样新构造变形的时期(Minster and Jordan, 1978Achache et al., 1984)。本文以张家口-蓬莱断裂带来研究新构造时期的NWW向活动断裂带,结合中国东部新生代构造演化背景,大致界定新构造期为新近纪和第四纪(徐杰等,2003)。张家口-蓬莱断裂带是我国华北地块一条规模巨大的NWW向活动断裂带。该断裂带西起张家口附近,向东南经北京、天津、渤海、山东半岛北缘,过威海到达黄海海域,总长度达700km以上,斜切华北地块,与NNE向的郯庐断裂带构成新生代渤海海域两个主要的活动构造带(李西双等,2009朱光等,2006徐杰等,1998)。张家口-蓬莱断裂带被划分为西段的陆域部分和东段的海域部分,陆域部分包括太行山以西的张家口-怀来段和华北平原北部的北京-天津段,海域部分包括位于渤海海域的渤海段和山东半岛北缘的蓬莱-威海段(高战武等,2001邓起东,2006)。就陆域部分,徐杰等(1997)尤惠川等(2008)周月玲和尤惠川(2010)等已经做了详细的研究;海域部分相对于陆域部分的研究程度较低,近年来李西双等(2009)王志才等(2006)邓起东等(2001, 2002)等也开展了大量工作。但是目前没有全面阐述该构造带的浅部和深部几何学和运动学等特征、演化和动力学背景,更没有通过一条重要NWW向构造带的解剖,来对比分析整个中国东部NWW向断裂体系的成因联系和大地构造背景及其科学意义。为此,本文围绕近年来在陆上和渤海海域开展的实际工作,对张家口-蓬莱断裂带的浅部、深部构造及控震特征进行探讨,并对比分析整个中国东部NWW向断裂的形成和演化。

2 区域地质背景

在大地构造上,张家口-蓬莱断裂带NWW向斜穿华北克拉通基底、中生代燕山造山带、新生代渤海湾盆地和郯庐断裂带等不同地质时代的二级构造单元。已有研究揭示,该断裂带两侧的构造格局、地球物理场明显不同,其西南侧的构造走向和各种地球物理场均沿NNE-NE向展布,东北侧的构造走向和各种地球物理场均为NEE-EW向(高战武等,2001郑炳华等,1981冯希杰,1988)。该断裂对其两侧的不同演化阶段沉积、岩浆活动和构造发育都起到了一定的控制作用,它不仅是渤海湾盆地内一条重要的构造转换带,还是我国大陆东部黄海-东海地区新生代裂陷盆地群内的重要构造转换带(郝天珧等,2003)。同时,张家口-蓬莱断裂带也是华北地震构造区中一条具相当规模的NWW向活动构造带(图 1)。该断裂带在构造区划、区域构造演化及地震活动等方面均具有重要的意义。

3 浅部构造特征

张家口-蓬莱断裂带是由多条左阶雁列式断裂断续相连而组成的大型断裂密集带,总体呈NW-NWW向(图 2)。该断裂带与汾渭地堑盆地群、太行山东麓断裂、黄庄-高丽营和夏垫断裂、沧东断裂、营口-潍坊断裂带(郯庐断裂带渤海段) 和黄河口-聊城-兰考断裂、蓬莱-招远和桃村-东陡山断裂等几条NNE-NE向构造带交汇,形成NWW和NE向两组断裂相互交切的复杂组合关系,使断裂带出现鲜明的分段性,自NWW向SEE可分为四段:陆域的张北-怀来段、北京-天津段和海域的渤海段、蓬莱-威海段(徐杰等,1998),可能与黄海的NW向断裂相连(郝天珧等,2003)。

图 2 张家口-蓬莱断裂带与第四系分布 NW向:F1-张家口-蓬莱断裂带, 其主要次级断裂有:F1-1-张家口断裂; F1-2-洗马林断裂; F1-3-南口-孙河断裂; F1-4-宝坻-宁河断裂; F1-5-廊坊断裂; F1-6-沙西断裂; F1-7-沙南断裂; F1-8-埕北断裂.NE向:F2-延庆-蔚县断裂; F3-紫荆关断裂; F4-太行山东麓断裂; F5-夏垫断裂; F6-沧东断裂 Fig. 2 Quaternary basins controlled by the Zhangjikou-Penglai Fault Zone NW trending: F1-Zhangjikou-Penglai Fault Zone, secondary faults: F1-1-Zhangjikou Fault, F1-2-Ximalin Fault, F1-3-Nankou-Sunhe Fault, F1-4-Baodi-NInghe Fault, F1-5-Langfang Fault, F1-6-Shaxi Fault, F1-7-Shanan Fault, F1-8-Chengbei Fault. NE trending: F2-Yanqing-Weixian Fault; F3-Zijingguan Fault; F4-Taihangshan Fault; F5-Xiadian Fault; F6-Cangdong Fault
3.1 几何学特征

陆域部分,张家口-蓬莱断裂带控制了一系列第四纪盆地,这些盆地近菱形、呈左阶雁列式分布。据野外观察,张家口-蓬莱断裂带陆域段由NWW向和近EW向两组、多段断层组成(尤惠川等,2008),这些断裂多数构成花状构造,并具有正断兼左行走滑性质,限制或错断了早期NE向断层的生长(图 2)。

3.1.1 平面特征

张家口-蓬莱断裂带由一系列断续分布的NWW至近EW向断裂组成。其中NWW向构成断裂主体;近EW向长度较小,且多被NWW向限制或切割,为NWW向断层的连接构造;穿插于断裂带内的NE向断裂多与NWW向断裂呈大角度相交关系(图 2)。

从现今地貌上分析,NWW向断裂是分割该区的山脉、盆地和平原的地貌边界。从断裂对盆地发育的控制作用来看,NE向和NWW向断裂共同控制了第四纪盆地,如张家口盆地的东北边界受NWW向的张家口断裂控制,西北侧受NE向的张家口盆地西北缘断裂限定;有些盆地是以NE向断裂控制为主,NW向断裂次之,如怀来-涿鹿盆地的北缘断裂是盆地的主控边界断裂,而其西北缘断裂与前者一起控制了盆地的主体部分。同时,近EW向断裂对第四纪盆地的发育也有一定的控制作用,如宣化盆地南缘断裂对其所在的相应盆地发育起到了控制作用。但是,总体上EW向或NWW向断层将NE向断层切割成不连续的段落,表明NE向断裂形成较早,但不是第四纪盆地的主控边界,而只是控制第四系沉积空间的先存断层,后期也有活动,并控制地震及其余震的分布。断裂带海域段的次级断裂也控制了海域内的次级构造凸起和凹陷(李西双等,2009王洪聚等,2011)。

3.1.2 剖面特征

已有研究表明,陆域段组成张家口-蓬莱断裂带内的NWW向断裂虽走向趋于一致,但倾向却不尽相同,或倾向SW或倾向NE,表现出走滑断层的“丝带效应”;该组断层倾角较陡,多数近于直立,剖面上呈花状或铲形,推断具有走滑性质。陆域段NE向断层在盆地西侧多为东倾,盆地东侧多为西倾,多被NWW向或近EW向断层即张家口-蓬莱断裂带限制或错断,剖面上表现为多米诺式或花状构造。海域段,海域浅层地震资料揭示,各次级断裂通常由数条规模更小的、倾向相同或相反的断裂组成,主断裂倾向SSW或NNE,剖面视倾角直立,局部发育花状构造。可见,张家口断裂带总体表现为一条NWW走向的高角度走滑断层。

NWW向断层:以北京市宣化区贾家营镇双印子村砖厂内山体观察为例,山体中冲沟发育,冲沟总体走向310°。山体主体岩性为土黄色第四系马兰黄土,夹杂浅色钙质结核层。以此钙质结核层为标志层,冲沟两侧钙质结核层倾向相反且不连续,剖面两侧向中部沉积层明显发生节节下掉。故推测沿此冲沟发育一活动断层,该断层剖面上具有花状构造的特征;标志层总体倾向NWW,且断裂北东盘标志层相对于断裂南西盘的标志层明显发生了抬升,故推测该活动断层具有左行走滑的性质(图 3)。

图 3 北京市宣化区贾家营镇东砖厂剖面的NWW向花状断裂(GPS:N40°37.604′,E115°16.271′) Fig. 3 Geological section in the Jiajiaying Town, Xuanhua District, Beijing showing NWW flower-like faults

NE向断层:以山西省天镇县北瓦窑堡村北S201公路旁的观察为例,上覆土黄色的第四系马兰黄土,下伏基岩为浅红色条带状太古宙长英质片麻岩,二者为角度不整合接触,不整合界面上发育厚层的砾石层。NE向多米诺式正断层发育,局部见似花状构造,断层产状和基岩内节理产状一致。山坡上第四系砾石层有明显错断,推测这些NE向断层可能是控盆的走滑断层,且盆地形成后仍有活动,并切割马兰黄土,为活动断层(图 4)。

图 4 山西省天镇县北瓦窑堡村北S201公路旁露头的NE向多米诺式断裂(GPS:N40°33.103′,E114°06.952′) Fig. 4 Geological section in the north of the Wayaobao Village, Tianzhen County, Shanxi showing NE domino-style faults

不同走向断层的交切关系:从河北省曲阳县西北定龙收费站旁建设矿场所开挖的地质剖面观察可见,下伏奥陶系为中厚层灰色白云岩夹燧石条带,上覆第四系红色离石黄土和土黄色马兰黄土,剖面中不同走向的断裂发育,其中NNE向断裂控制了离石黄土的分布,断层面擦痕明显,断层产状280°∠67°,擦痕产状216°∠60°,据擦痕和手感推断为右行正走滑;该断层被NWW向断裂左行错段,NWW向断裂规模较大,断裂带出露部分宽达100多米,由多条近于直立的走滑断层组成(图 5)。

图 5 河北曲阳县定龙收费站剖面:不同走向断层的交切关系(GPS:N38°41.723′,E114°38.245′) Fig. 5 Geological section in the Dinglong Toll Station, Quyang County, Hebei showing cross-cutting relations of faults of different trending
3.2 运动学特征

GPS观测结果表明,华北平原正经历着整体的向东运动,但是张家口-渤海断裂带以南向东运动的速率为2~4mm/a,比其以北快;华北平原的北边界,即张家口-蓬莱断裂带,具有明显的左旋走滑分量(张培震等, 2002, 2005牛之俊等,2005)。现今GPS测量结果也表明,该断裂带北部的运动速率相对其南部较慢,也表现出左行调节华北地块内部不同次级构造单元的作用(图 6)。郭良迁等(2007)通过计算张家口-蓬莱断裂带陆域段的运动速率和应变率推断该带陆域段西部为张性活动段,东部为压性活动段,但总体也表现为左行走滑的特征。野外地层错断特征、断层面手感和阶步或反阶步、擦痕和保存的典型冲沟错动等现象揭示,组成张家口-蓬莱断裂带陆域段的NWW向活动断层多表现为左行走滑的性质,NE向断层为正断且具有右行走滑分量;而近EW向断层长度较小,以正断性质为主(周月玲和尤惠川,2010)。

图 6 中国大陆及邻区现今构造变形背景场的水平分量(据张培震等,2002修改) Fig. 6 Horizontal component of plates and crustal blocks around China by GPS measurement (revised after Zhang et al., 2002)

此外,根据燕山南麓自北向南流动的河流都向东直角拐弯反映的断裂带左旋水平错动(丁国瑜和卢演俦,1983)、北西向震源断层面为左旋走滑(徐杰等,1998)、渤海湾盆地新近纪以来的三大沉降中心(武清凹陷、歧口凹陷和渤中凹陷) 沿断裂带斜列分布的方式(徐杰等,1985徐杰,1986)、渤海地区断裂的组合形式(徐杰,1986漆家福和陈发景,1995) 等资料,也证明了张家口-蓬莱断裂带自新近纪以来具有左旋走滑的活动性质(图 6)。

前人在张家口-蓬莱断裂带附近采集了一些断层泥、花岗岩和砂岩等样品,分别做ESR、锆石测年和磷灰石裂变径迹定年,根据实测数据来判断断层不同区段的活动时序、迁移规律和活动强度,从而分析断裂的生长规律。虽然目前对张家口-蓬莱断裂带年代学研究精度较差,但基本确定陆域段为晚更新世断层,最新活动年代为距今17.1~21.9ka (朱德瑜等,2000;冉勇康等,2001;高战武等,2001);尤惠川等(2008)也做了相关研究,推断张家口-蓬莱断裂带陆域段的最新活动时代为晚更新世中晚期至全新世;此外,在大同盆地中NWW向串珠状展布的第四纪火山口,也表明整个构造带在第四纪期间是活动(赖晓玲等,2006)。至海域段,高精度浅剖剖面揭示,海域各次级断裂的最新活动时代为晚更新世末期至全新世初期,并具有相同的活动趋势,还可能具有走向滑移分量(李西双等, 2009, 2010王洪聚等,2011)。根据野外地质观察判断,三组断裂的主要交切关系为:NWW向限制或左行错移NE和近EW向,且近EW向又被NE向限制或右行错移;但局部地区可见NWW向断层的右行走滑和NE向断层的左行走滑。可见,组成张家口-蓬莱断裂带各次级断层的先后活动顺序依次为:近EW向、NE向、NWW向。

综合表明,张家口-蓬莱断裂带总体表现为一条NWW走向的具有左旋走滑性质的活动断层,主体段落的最新活动时代可能持续到全新世;各次级断层中近EW向活动最早,其次为NE向右行走滑,NWW向左行走滑最晚。

4 深部构造特征

在华北区域地球物理场(重力、航磁等) 上,张家口-蓬莱断裂带表现为一条明显的NWW向扰动带(高战武等,2001),并向SE延伸入渤海海域至山东半岛北部。该断裂带两侧的构造格局、地球物理场明显不同,其西南侧的构造走向和各种地球物理场均沿NNE至NE方向展布,而其东北侧的构造走向和各种地球物理场均为NEE至近EW向。

在不同重要界面的深度变化上,该构造带的南北也存在差异(图 7)。人工地震界面C2面(深度15~18km) 显示了NWW向北高南低的陡变带,根据这些等深线平面上可划分多条断裂,断距较小;而人工地震界面C3面(深度22~26km) 和Moho面(深度33~42km) 等深线异常相对比较简单,据等深线可划分出的断裂越来越少,但断距越来越大,显示也更为明显(张先康等,1998)。可见,莫霍面附近确实存在NWW向构造带,该构造带自深而浅由莫霍面上升到人工地震界面C2面,由于断裂的分叉生长性,断层的总断距被平均到各分支断层中,在浅部的异常效果变得分散和微弱。根据这些深部地球物理探测资料,说明该断裂带不仅是一条岩石圈级别的构造带,而且是一条花状构造带。

图 7 张家口-蓬莱断裂带邻区人工地震界面深度图(左图据张先康等,1994修改) A.为C2界面15~18km; B为C3界面22~26km; C为莫霍面 Fig. 7 Seismic surfaces of different depths of the Zhangjiakou-Penglai Fault Zone and its adjacent areas (left map revised after Zhang et al., 1998) A. is C2: 15~18km; B. is C3: 22~26km; C. Moho

该深部异常揭示出深部的单一主断裂向浅部分叉为多条断层,导致在浅层地壳(深度小于10km) 或第四系中都没有形成统一的单一贯穿性断层,对应的浅部构造带控制的第四纪沉降中心的排列样式也呈NW向,总体构成左阶断裂带,形成了一系列第四纪拉分盆地。因此结合浅部构造特征,张先康等(1998)认为张家口-蓬莱断裂系的地壳深部20km以上主体也具有左旋走滑特征。

总之,这条岩石圈断裂是一条晚第四纪活动的左旋走滑断裂带,该断裂带在地表并不是一条连续的断裂带,而是由20余条不连续的NW走向的次级断裂所组成的复杂断裂带,断裂带最大宽度可达60~80km (图 2)。

5 地震活动性

地震是现代地壳运动的一种重要表现形式,是断裂活动的直接反应,大多数地震的发生与断层(尤其是活动断层) 有着密切的关系,特别是和板缘的俯冲-碰撞带有关。然而,华北地区现今处于板块内部,却以强烈的新构造运动、众多的板内地震和多发的破坏性地震著称。而且地震活动成群成带发育,清晰地表现出与区域性NE向和NWW向构造相关的“井”字形分布形态,条带状分布明显,表明了华北地区的地震活动与深、浅部断裂构造的密切关联性(李乐等,2007)。经研究,华北地区的地震多发生在地壳的中上部、脆性的上地壳与韧性的下地壳相交的脆-韧性转换带中,可能存在局域构造块体运动变形和深部构造动力作用的两种不同地震构造成因(李乐等,2007徐锡伟等,2002)。

张家口-蓬莱断裂带作为华北地区一条重要的NWW向构造带,该带地震活动频繁,是中强地震的多发区,在多条次级断裂上发生大地震。自有历史记载以来,共发生6级以上地震6次:公元294年延庆6级、1337年怀来6.5级、1484年延庆6.75级、1628年怀安6.25级、1720年沙城6.5级和1998年张北6.2级。通过震源机制解参数分析,这些地震大多数的发震机制均为走滑型(马文涛等,2004),与张家口-蓬莱断裂带左行走滑的运动性质密切相关,同时也是断裂带南北不同构造块体之间差异运动的结果(徐锡伟等,1994)。这些地震多为NE向断裂与NWW向断裂的交汇部位,无疑,就NE向断裂还是NWW向断裂控制了地震引发了争论。

高战武等(2001)认为NE、NWW向断裂同时为孕震构造,但发震构造为NE向断裂,而且NWW向断裂与NE向断裂相互制约,沿断裂带分布的第四纪盆地发育受NE向断裂和NWW向断裂共同控制。但是,沿该NWW向断裂带西段限制的NE向断裂开挖探槽,揭露了大量的古地震事件,如延庆-矾山盆地西北缘断裂共揭露古地震事件16次,怀来-涿鹿盆地西北缘断裂13次,而NWW向断裂上揭露的古地震事件相对较少。这说明了NE向断裂比NW向断裂发震频率高,且NE向断裂的地震强度较大,所以是发震断裂,而不是地震孕育的断裂。唐方头等(2004)也通过跨断层测量资料研究,认为华北地块NE向断裂的活动速率与地震活跃情况呈反相关关系,NWW向断裂活动速率与地震活跃情况正相关,可见华北地块现今强震活动的孕育主要受NWW走向断裂的控制。

由等烈度线、地震地表破裂带、余震分布、震源机制解等多种资料综合分析,1976年唐山7.8级地震的发震断裂是NE向唐山断裂(刘国栋和刘昌铨,1982),1969年渤海7.4级地震为NE向断裂(张四昌和刁桂苓,1995),1679年三河-平谷8级地震为NE向新夏垫断裂(向宏发等,1988),它们均以右旋走滑为主;1976年汉沽6.2级和宁河6.9级、1977年汉沽6.2级地震的发震断裂是NE向蓟运河断裂,1998年张北-尚义6.2级地震的发震断层可能为NE向大满-前黑沙土断裂,而NNW向庙东营-大营滩断裂是孕震构造的重要组成部分(徐锡伟等,1998),同时在唐山地震和渤海地震前出现的小震沿张家口-蓬莱构造带展布的现象,也是NWW向断裂是孕震构造的有力证据。这可能与区域构造应力状态和断裂活动习性有关。

6 动力学机制分析

一般来说,中国东部大兴安岭-太行山-武陵山重力梯度带是一个重要的从地表到深部的重力、磁力等地球物理异常带和地质-地貌上的动力学异常带,有人认为该带是印度楔入欧亚板块造成的东亚三角形地貌的东界,动力学上必然和印度楔入欧亚板块有关(李三忠等,2010);还有人认为华北平原发育的张家口-蓬莱等NWW向断裂带和东亚大陆边缘普遍存在的NW或NWW向断裂带具有一致性,与太平洋板块的俯冲密切相关。但实际上,张家口-蓬莱等NW向断裂带也切割大兴安岭-太行山-武陵山重力梯度带等,因此,难以完全将其成因归结为单一动力学起源,在其成因动力学上还存在分歧。

从平面上分析,华北地区新生代遭受了相当强烈的拉张作用,但华北平原和其西部的汾渭地堑部分的断层活动有明显的差别:西部逆断活动性质的断层少于东部;西部断裂带的垂直形变速率大,中、东部小。郭良迁等(2003)也认为西部汾渭地堑、河套断陷带和渭河断陷带的裂陷作用大于东部的郯庐断裂带、霍山断裂带和北京地区等;而汾渭地堑主要是新近纪-第四纪以来的断陷活动,且浅部的构造动力西部大于东部,可见东部太平洋对华北地块西部地区的影响还是有限的,但同样处于在中国东部的华南地块东部,因受新生代台湾造山带的强烈造山影响较大,更可能与太平洋板块密切相关。

从剖面上分析,张红艳等(2009)研究认为张家口-蓬莱断裂陆段地壳构造应力场的应力结构比较单一,均为走滑型。其第二主应力轴基本直立,最大和最小主应力轴均接近水平,构造应力表现为水平作用,因而,NWW向断裂不可能与与太平洋俯冲相关的第四纪地幔柱等(邓晋福等,1996) 深部过程相关。这种动力背景必然和浅部周边板块板缘的活动有关,该区应力主轴方向从西北端至东南端呈顺时针旋转趋势,表明板内在响应板缘作用过程中,板内相邻块体之间这种差异旋转必然导致划分这些块体间的NWW向断裂带为左行走滑作用(图 8)。同时,在不同深度上(图 7),张家口-蓬莱断裂带上部左阶左行的NWW向断裂带向深部合并为一条断裂,这种断裂由深向浅的分叉过程必然要求深部为右行走滑来调节。而且这种上下走滑方向的相反性,必然由15~22km深处的脆韧性转换带来协调。而这个界面正是绝大多数的地震震源界面,震源机制解也证明上部左行为主,该因素导致了张家口-蓬莱断裂带必然成为华北地区一条重要的NWW向地震活动带。

图 8 张家口-蓬莱断裂带邻区现今板内块体的运动及深部层析成像结果(上图据马杏垣等,1989补充;下图据Zhao,2009解释) Fig. 8 The present-day intra-blocks' movement and topography of the Zhangjiakou-Penglai Fault Zone and its adjacent areas (above map revised after Ma et al., 1989; below map revised after Zhao, 2009)

据应力性状和力源特征分析,中国大陆现今的构造应力场可以划分为东部应力区(包括东北-华北应力区和华南应力区) 和西部应力区(包括新疆应力区和青藏高原应力区)。二者大概以大兴安岭-太行山-武陵山重力梯度带为界(李三忠等, 2010, 2011),前者主要受控于太平洋板块和菲律宾板块的联合作用,表现为NEE-SWW向的挤压;后者主要受印度板块向欧亚板块的碰撞作用的影响,表现为近NS-NNE向的挤压(谢富仁等,2004)。实际上,张家口-蓬莱断裂带横跨东、西两个应力区,受控于西部印度板块和东部太平洋板块的联合作用,新构造期间可能东部受太平洋板块NEE-SWW向弱挤压作用,而西部受印度板块NS-NNE向的挤压作用较强。但前述分析表明,动力学上华北西部的新近纪断陷作用明显大于东部,而华北西部远离西太平洋俯冲带,且西太平洋俯冲作用强烈影响的断陷区域主要位于新近纪以来的冲绳海槽等弧后区域,由此推断华北西部受印度板块的影响占主导(图 8)。

虽然现有的磷灰石裂变径迹资料表明,大兴安岭-太行山-武陵山重力梯度带现今的地形地貌是65Ma以后分阶段隆升形成的。此时印度和欧亚板块并未发生碰撞,因而古近纪华北东部的断陷活动大于西部必然是太平洋板块的远程效应。但从新近纪分析,华北西部新近纪-第四纪断陷活动强于东部;而华北东部主要表现为一系列NWW向走滑断层,断陷活动相对较弱,而以热沉降为主,表现为弱挤压或弱拉张状态,且特别表现为大兴安岭-太行山-武陵山重力梯度带也不是一条统一的构造带,而是自北向南被一系列等间距的NWW向断裂带,如小兴安岭-佳木斯、白城-长白山、张家口-蓬莱、介休-新乡-溧阳、巴东-泉州-台湾、紫云-罗甸等断裂带所分割。沿这些断裂带多数发育10~13Ma左右的玄武岩,局部有串珠状第四纪火山喷发,同时,这些断裂带同样是现今的地震活跃带(图 2),震源机制解研究揭示其都具有左行走滑的特点,因而这些断裂带动力学上具有一致性,并表明这些断裂带自中中新世以来就始终在活动。从中中新世以来重要构造事件的时间对比和地震关联性对比分析,似乎表明西太平洋俯冲带附近的地震与华北平原的地震关联明显,而渭河地堑的地震和青藏高原更为密切,可见大兴安岭-太行山-武陵山重力梯度带是中国东西部动力学交锋的地带,明显受控于中国周边板块的动力学作用。由于西太平洋俯冲带新近纪以来主要在向东“被动”后撤(图 8剖面,李三忠等,2010),因而推断印度板块向欧亚大陆的碰撞可能是造成华北这种NWW向断裂构造发育的主要因素,但不能否认太平洋板块向欧亚大陆的俯冲和挤压是华南东部NWW向断裂构造发育的主要因素。

7 结论

通过以上研究,总体可以得出以下四点认识:

(1) 张家口-蓬莱断裂带是中国东部NWW向活动断裂带的缩影,具有代表性。类似的断裂自北向南还有小兴安岭-佳木斯、白城-长白山、介休-新乡-溧阳、巴东-泉州-台湾和紫云-罗甸断裂带。这些NWW向断裂带在几何学、运动学和动力学方面具有相似的特征。

(2) 张家口-蓬莱断裂带是一条NWW向具有左行走滑性质的活动断层,它控制了一系列第四纪盆地左阶雁列的展布样式。同时它也是一条地震活动带。其他NWW向断裂带也非常相似。

(3) 张家口-蓬莱断裂带是孕震断裂,沿该带主要是一些低于4级的密集地震,而真正控制6~8级地震的是介于NWW向断裂之间的NE向断裂。其他NWW向断裂带也非常相似。

(4) 动力学背景上,张家口-蓬莱断裂带虽然是横切板内的重要构造带,但它和周边板块的板缘活动密切相关,是板缘不同段落变形在板内不同块体间响应调节的产物。其动力学机制主要与印度-澳大利亚与欧亚板块碰撞有关,但也不能排除太平洋板块俯冲的影响,是两种动力的综合体现。其他NWW向断裂带也处于相同的大地构造背景下,动力学上总体具有可比性,但局部具有独特性和差异性。

致谢 非常感谢朱光教授的建设性建议和仔细审阅。本文大部分图件使用GMT (Wessel and Smith, 1995) 绘制。
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