魯西沂沭帶南緣深地震測(cè)深地殼速度結(jié)構(gòu)與地殼層結(jié)構(gòu)

魯西沂沭帶南緣深地震測(cè)深地殼速度結(jié)構(gòu)與地殼層結(jié)構(gòu)

一、不設(shè)置觀測(cè)系統(tǒng)的缺陷在月球地區(qū)，國(guó)家地震局地球物理勘探隊(duì)于1981年完成了從泗水到關(guān)節(jié)的深層地震勘探（sds）。在這次南陽(yáng)項(xiàng)目的實(shí)施中，采用了縱橫面和非縱橫面相結(jié)合的觀測(cè)方法，并配置了縱橫面和兩條非縱橫面勘探線（圖1）。沿沂沭斷裂帶布設(shè)的縱測(cè)線,南起江蘇省宿遷,向北經(jīng)新沂、郯城、臨沂至沂水縣高橋鎮(zhèn),全長(zhǎng)220公里,測(cè)點(diǎn)距為3—4公里,共布70個(gè)測(cè)點(diǎn),分別在測(cè)線兩端和中間布設(shè)了三個(gè)炮點(diǎn),組成簡(jiǎn)單的雙重相遇觀測(cè)系統(tǒng)。其中,除臨沂炮點(diǎn)南支測(cè)段受麥?zhǔn)諜C(jī)械影響,干擾大,記錄質(zhì)量較差外,其余全部可用于解釋。橫跨沂沭斷裂帶布設(shè)了兩條非縱反射測(cè)線:—是F—LH測(cè)線,西起費(fèi)縣梁丘鎮(zhèn),東至莒南縣海頭鎮(zhèn);二是F—YL測(cè)線,西起棗莊市峰城,東至連云港北。各條非縱測(cè)線長(zhǎng)均約150公里,測(cè)點(diǎn)距2—3公里,各布設(shè)70個(gè)測(cè)點(diǎn),并在每一條測(cè)線南、北兩側(cè)布設(shè)了兩個(gè)炮點(diǎn),炮線約為80公里。由于F—YL測(cè)線北側(cè)選不到井下激發(fā)炮點(diǎn),被迫采用坑炮激發(fā)方式,效果不好,因而實(shí)際只取得三條有效非縱反射剖面。本文的解釋方法,見(jiàn)文獻(xiàn)。二、=90公里周邊波場(chǎng)特征從宿遷—高橋測(cè)線的波形記錄中可以對(duì)比分析出下列主要波組(圖2):Pg波:表層和上層地殼內(nèi)弱梯度層的回折波,追蹤距離Δ=0—100公里,呈正走時(shí)曲線,但全線視速度變化比較強(qiáng)烈。Δ=100—150公里內(nèi)初至波的性質(zhì)可能比較復(fù)雜,目前尚未確定,初步認(rèn)為是由中層地殼反射波插入初至區(qū),或者是穿過(guò)中層地殼低速層后的回折波。P20波:上層地殼底面反射波,追蹤距Δ=40—90公里,振幅較弱,在Δ=90公里附近有與初至波置換現(xiàn)象,其有效速度為6.16—6.18公里/秒,全測(cè)線上比較穩(wěn)定。P30波:中層地殼反射波,追蹤距Δ=50—120公里,振幅較強(qiáng),存在插入初至區(qū)的現(xiàn)象。其有效速度為6.17—6.20公里/秒。P50波:下層地殼反射波,追蹤距Δ=60—120公里,振幅較弱,是下層地殼低速層頂面附近的反射波。其有效速度為6.32—6.35公里/秒。P60波:下層地殼低速層底面附近的反射波,振幅較強(qiáng),追蹤距Δ=60—150公里。其有效速度為6.30—6.36公里/秒。PN波:上地幔頂面附近弱速度梯度的回折波或首波,出現(xiàn)在距炮點(diǎn)150公里以遠(yuǎn)的初至區(qū),其視速度7.8—8.1公里/秒。PM波:莫霍面反射波,是記錄中優(yōu)勢(shì)強(qiáng)波,在Δ——90公里附近振幅最大,其綜合有效(平均)速度為6.46公里/秒,追綜距Δ=70—150公里。在更大的距離上似乎也能追蹤到PM波,但可能已屬于上地幔的回折波。由圖3可見(jiàn),PM波在Δ=150公里附近,視速度和振幅都有明顯變化,出現(xiàn)了第二個(gè)峰值,說(shuō)明震相有變化。P6波:出現(xiàn)在PN波與PM波之間的續(xù)至區(qū)內(nèi),振幅較強(qiáng)并有與P60反射波相切或置換的現(xiàn)象,且線性度好,視速度為7.0公里/秒,故認(rèn)為是下層地殼下部高梯度層的回折波,或者是高梯度層頂面的首波。三、地殼二維速度結(jié)構(gòu)的性質(zhì)1.地殼平均速度:沿沂沭斷裂帶的地殼平均速度(有效速度)V(PM)橫向變化是比較大的(表1),總的趨向是北高南低。此外,本區(qū)地殼平均速度明顯比華北平原地區(qū)高。這是由于本區(qū)缺失或極少有新生界沉積層所致。為證明這一點(diǎn),我們利用魯西PM波資料進(jìn)行淺層(中、新生界地層)校正后,求得地殼平均速度為6.43公里/秒,這與本區(qū)綜合地殼平均速度6.46公里/秒十分接近。應(yīng)當(dāng)指出,從國(guó)家地震局地球物理勘探大隊(duì)重新解釋的泗水—連云港剖面結(jié)果來(lái)看,在臨沂附近的地殼平均速度明顯比我們所得的結(jié)果偏低,即只有6.3公里/秒左右。我們認(rèn)為主要原因有:首先可能存在速度橫向不均勻性,即沿沂沭帶方向與垂直沂沭帶方向地殼速度是不均勻的;其次可能由于二維速度結(jié)構(gòu)反演擬合的多解性所致。但從整個(gè)地殼速度—深度結(jié)構(gòu)來(lái)看,兩者是比較相似的(圖4)。2.上層地殼速度結(jié)構(gòu):上層地殼主要包括沉積巖系和結(jié)晶基底變質(zhì)巖系,速度隨深度而增加。沉積巖系,由南向北有減薄的趨向,其速度為4.8—5.7公里/秒,厚度0—4公里;變質(zhì)巖系的速度為5.8—6.3公里/秒,其速度等值線在臨沂附近有上隆現(xiàn)象(圖4a),與泗水—連云港剖面在臨沂附近的速度等值線上隆現(xiàn)象是一致的(圖4b)。因此,以往認(rèn)為臨沂重力高是上地幔隆起的反映,現(xiàn)在看來(lái)主要是由上地殼的速度(密度)偏高引起的。3.中層地殼速度結(jié)構(gòu):該層速度為6.2—6.7公里/秒,厚度為10—12公里,一般認(rèn)為相當(dāng)于硅鋁質(zhì)層。在該層內(nèi)部,在河陽(yáng)以南至少存在一層低速層(圖4b中有二層),但從河陽(yáng)以北的高橋炮點(diǎn)資料反演結(jié)果看不出有此低速層存在。由此看來(lái),殼內(nèi)低速層不一定是連續(xù)的,可能存在強(qiáng)烈的橫向變化。4.下層地殼速度結(jié)構(gòu):該層速度為6.2—7.8公里/秒,厚度10公里左右,一般認(rèn)為相當(dāng)于硅鎂質(zhì)層。在郯城以北,該層內(nèi)也存在一個(gè)低速層,但在郯城以南此低速層消失。下層地殼的下部存在正向高梯度層,其速度為7.0—7.8公里/秒,P6波可能是該梯度層的回折波,也可能是該梯度層頂面的首波。上地幔頂面附近的首波PN的速度為8.0公里/秒。四、監(jiān)測(cè)層后地殼層間位錯(cuò)1.地殼斷裂特征:沂沭帶地殼深斷裂呈現(xiàn)出明顯的分段性(圖5)。新沂以北,地殼深斷裂與地表斷裂一樣,仍有四條斷裂組成,都切割了莫霍面,且西側(cè)兩條地殼深斷裂東傾,東側(cè)兩條直立,形成上寬下窄斗形地殼斷裂帶。新沂以南,地殼斷裂不很明顯。沿沂沭帶地殼破裂程度具有由北向南逐步減弱的特征。河陽(yáng)附近(圖5a),得不到沂沭帶內(nèi)的地殼中間層反射波,莫霍面反射波也不很清晰,說(shuō)明地殼破裂程度較高。郯城附近(圖5b),仍能得到走時(shí)差變化較大的莫霍面反射波和地殼中間層反射波。這說(shuō)明地殼雖有破裂,但破裂程度不是很高,新沂以南(圖5c—e),沂沭帶內(nèi)的地殼破裂程度明顯減弱。此外,在郯城附近,沂沭帶東地塹的兩條斷裂(F1,F2)相對(duì)于其深部的地殼斷裂,存在向西位錯(cuò)約6公里的層間位錯(cuò)現(xiàn)象。我國(guó)不少地球物理學(xué)家和地質(zhì)學(xué)家根據(jù)地殼內(nèi)有低速層或低阻層的探測(cè)結(jié)果,推測(cè)地殼層之間可能存在層間位錯(cuò),在此以深、淺斷裂的位錯(cuò)標(biāo)志初步證實(shí)了這種推測(cè)。但這一層間位錯(cuò)現(xiàn)象主要不是全新世地殼活動(dòng)的產(chǎn)物,可能與郯城馬陵山王氏組地層褶隆同期形成。2.地殼層形變特征由圖4a可見(jiàn),沿沂沭帶各地殼層是比較平緩的,上地幔頂面雖略有北傾的趨向,但不存在明顯的上隆或凹陷。由圖4b和圖5可見(jiàn),沂沭帶及其兩側(cè)附近的地殼層有明顯的形變,且普遍表現(xiàn)為向下拗曲的特征。從拗曲的程度來(lái)看,郯城—臨沂段最為強(qiáng)烈,該段南、北明顯減弱,還存在沂沭帶西側(cè)的地殼層形變程度大于東側(cè),下部地殼層形變大于上部的特征。值得指出,地殼層形變最強(qiáng)的地段正是發(fā)現(xiàn)深、淺斷裂有位錯(cuò)的地段,也是沂沭斷裂帶寬度變得最窄、東地塹沉積層出現(xiàn)褶隆、有第四紀(jì)逆掩斷層存在的地段,又是1668年級(jí)郯城地震斷層及全新世古地震斷層分布的地段。由此看來(lái),上述地殼斷裂和地殼層形變特征不僅是客觀存在的,而且這種特殊的構(gòu)造環(huán)境與魯南地區(qū)地震強(qiáng)度大、頻度低,中、小地震少的地震特征有著密切關(guān)系。五、沂蒙地區(qū)地殼構(gòu)造由上述深地震測(cè)深結(jié)果可以看出,沂沭地震構(gòu)造帶的地殼構(gòu)造與華北平原區(qū)地震構(gòu)造帶有著明顯差異,這主要表現(xiàn)在:1.華北平原區(qū)地震構(gòu)造帶與上地幔的隆起密切相關(guān),地震往往發(fā)生在上地幔隆起附近或斜坡帶上;而沂沭地震構(gòu)造帶的上地幔為窄長(zhǎng)的凹陷帶。而且,前者的地震斷層表現(xiàn)為張扭走滑特征,后者的地震斷層據(jù)古地震研究為壓扭走滑特征,8級(jí)左右的大震在上地幔和地殼層凹陷最強(qiáng)烈的地段發(fā)生。2.華北平原區(qū)的地震構(gòu)造帶的地殼破裂程度不高。雖有超殼斷裂存在,但斷裂的間距一般在50公里以上;而沂沭地震構(gòu)造帶至少在新沂以北有四條超殼斷裂存在,其間距只有5—10公里,呈現(xiàn)出地殼破裂程度相當(dāng)高,而且據(jù)古地震研究,8級(jí)左右的地震斷層都分布在沂沭帶的東地塹內(nèi),即說(shuō)明大地震的發(fā)生與東側(cè)兩條超殼斷裂有關(guān),而與西側(cè)兩條超殼斷裂無(wú)關(guān)。由沂沭地震構(gòu)造帶與眾不同的地殼構(gòu)造及其地震特征。不能不提出如下兩個(gè)問(wèn)題:第一,上地幔和地殼層向下拗曲是如何形成的,它與地震斷層具有壓扭走滑特征是否是一種必然的聯(lián)系;第二,在地殼破裂程度相當(dāng)高的條件下,如何會(huì)積累類似級(jí)地震的能量,而且只在東側(cè)兩條超殼斷裂上積累能量。我們認(rèn)為,要合理解釋上述兩個(gè)問(wèn)題,應(yīng)從巖漿沿沂沭地殼斷裂大量侵入、噴發(fā)與冷卻過(guò)程及地應(yīng)力狀態(tài)的變化來(lái)探討。首先,根據(jù)青山組火山巖和第三紀(jì)玄武巖主要分布在湯頭—郯城段西側(cè)的事實(shí),我們可以認(rèn)為在形成沂沭古裂谷過(guò)程中,在河陽(yáng)以南,新沂以北的地殼斷裂切割最深,張裂最大,尤其是西側(cè)兩條斷裂,巖漿主要沿著這兩條斷裂侵入、噴發(fā),使該段的地殼軟化,尤其是靠西側(cè)的地殼軟化更甚。之后,隨著沂沭裂谷的消亡,巖漿自上而下的冷卻和固結(jié),首先在上地殼逐漸變硬,中、下地殼的塑性程度仍相當(dāng)大。當(dāng)新第三紀(jì)