遼吉古裂谷部分地區(qū)深部地質(zhì)結(jié)構(gòu)特征

劉小楊 薛林福 劉正宏 姜 巖 李桐林

1)吉林大學(xué)地球科學(xué)學(xué)院，長(zhǎng)春 130061

2)中國(guó)國(guó)土資源航空物探遙感中心，北京 100083

0 引言

遼吉裂谷位于遼寧省東部及吉林省東南部，東起遼寧蓋縣、向西經(jīng)寬甸、桓仁進(jìn)入集安、臨江，過(guò)鴨綠江延伸至朝鮮境內(nèi)，再向東止于日本海，寬40～80km，在中國(guó)境內(nèi)長(zhǎng)約400km。遼吉裂谷南北兩側(cè)為太古代地塊，裂谷內(nèi)主要發(fā)育了遼河群浪子山組、里爾峪組、高家峪組、大石橋組和蓋縣組，在吉林南部地區(qū)與遼河群相當(dāng)?shù)牡貙訛榧踩汉屠淆g群，依據(jù)原巖建造和含礦特征將其劃分為3套不同巖系:浪子山組—里爾峪組構(gòu)成了含硼巖系，高家峪組—大石橋組為含墨巖系，蓋縣組為高鋁巖系。古元古代末期遼河群遭受強(qiáng)烈擠壓變形，形成了形式多樣的褶皺構(gòu)造。在遼東地區(qū)發(fā)育了許多典型褶皺構(gòu)造，如營(yíng)口－草河口復(fù)向斜、虎皮峪背斜、翁泉溝背斜等(圖1)。目前，已對(duì)遼吉裂谷開(kāi)展了大量基礎(chǔ)地質(zhì)研究工作，主要包括遼吉裂谷的巖石建造、變形變質(zhì)特征和構(gòu)造演化等方面(李守義，1994)，這些工作主要集中在地表及淺層，對(duì)遼吉裂谷深部地質(zhì)結(jié)構(gòu)開(kāi)展的研究工作還比較少，遼吉裂谷深部地質(zhì)特征的認(rèn)識(shí)對(duì)深入了解遼吉裂谷的構(gòu)造性質(zhì)、構(gòu)造演化具有重要作用。有關(guān)遼吉裂谷構(gòu)造性質(zhì)的認(rèn)識(shí)是一個(gè)長(zhǎng)期爭(zhēng)論的問(wèn)題，對(duì)遼吉裂谷構(gòu)造性質(zhì)的認(rèn)識(shí)主要包括:裂谷陸間造山帶，其形成演化與弧－陸碰撞有關(guān)(張秋生，1988;李三忠，1997);主流觀點(diǎn)認(rèn)為遼吉古元古代構(gòu)造帶的構(gòu)造性質(zhì)為裂谷。本文采用裂谷帶這一表述對(duì)遼吉古元古代構(gòu)造帶進(jìn)行闡釋。

目前，有關(guān)遼吉裂谷的3個(gè)深部地質(zhì)問(wèn)題有待進(jìn)一步查明:1)遼吉裂谷邊界特征，尤其是北部邊界，如遼吉裂谷北部邊界的位置、性質(zhì)及深部地質(zhì)情況和后期演化;2)遼吉裂谷的基底，主要包括基底組成、埋深等，遼吉裂谷中部是否存在太古代基底，是否存在洋殼等問(wèn)題;3)遼吉裂谷的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，包括深部褶皺構(gòu)造發(fā)育情況，主要地質(zhì)界面的深部展布情況和南北遼河群之間的關(guān)系等。本文將依據(jù)新獲取的非震地球物理資料，對(duì)上述3個(gè)深部地質(zhì)問(wèn)題進(jìn)行討論。

1 非震地球物理新資料

由于缺乏深部地質(zhì)資料，對(duì)遼吉裂谷的深部地質(zhì)結(jié)構(gòu)一直認(rèn)識(shí)不清。為了揭示遼吉裂谷的深部地質(zhì)結(jié)構(gòu)，構(gòu)建了遼吉裂谷三維地質(zhì)結(jié)構(gòu)模型。2012—2013年，吉林大學(xué)測(cè)制完成了9條重、磁、MT非震地球物理剖面，其中4條穿切了遼吉裂谷。高精度重力測(cè)量使用Burris型高精度重力儀，測(cè)量點(diǎn)距250m。高精度磁法測(cè)量使用的儀器為加拿大GEM公司GSM－19T微機(jī)質(zhì)子磁力儀，磁測(cè)點(diǎn)與重力測(cè)點(diǎn)同點(diǎn)位。MT測(cè)量使用的儀器為加拿大鳳凰公司V5－2000，點(diǎn)距為3～5km，獲取了大量新資料。MT剖面測(cè)量記錄時(shí)間＞12h，所獲取的視電阻率曲線按照質(zhì)量分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)優(yōu)良率達(dá)到95%以上(圖2)，MT數(shù)據(jù)反演使用SCS2D平滑反演軟件進(jìn)行反演，在二維反演時(shí)首層厚度設(shè)為50m，比例系數(shù)為1.21，反演深度為10km，擬合效果良好，各測(cè)點(diǎn)擬合差基本＜5(圖3)。

圖2 Ⅲ測(cè)線13號(hào)點(diǎn)和Ⅰ測(cè)線22號(hào)點(diǎn)原始視電阻率曲線Fig.2 Original apparent resistivity curve at site No.13 along survey lineⅢ and site 22 on survey lineⅠ.

這些新獲取的非震地球物理資料為揭示遼吉裂谷的深部地質(zhì)結(jié)構(gòu)提供了重要依據(jù)。在這些資料的基礎(chǔ)上，針對(duì)上述遼吉裂谷存在的3個(gè)深部地質(zhì)問(wèn)題，開(kāi)展了遼吉裂谷深部地質(zhì)結(jié)構(gòu)研究。

2 遼吉裂谷北部邊界特征

根據(jù)遼河群的分布范圍，以往認(rèn)為，遼吉裂谷的北部邊界位于鞍山—本溪市—本溪縣一線，并根據(jù)遼河群巖石組合的差異，認(rèn)為以營(yíng)口－草河口復(fù)向斜軸為界將遼河群的分布分為南遼河群和北遼河群2個(gè)區(qū)域，南北兩區(qū)遼河群里爾峪組及高家峪組具有明顯不同的巖石組合特征，遼河群主要屬濱淺海相建造，營(yíng)口－草河口復(fù)向斜北翼里爾峪組屬中酸性火山－沉積巖建造，南翼屬含硼、鐵礦中酸性火山－沉積巖建造。北翼高家峪組屬淺海相含碳酸鹽巖富碳陸源黏土沉積巖建造;南翼高家峪組屬濱海－淺海相含碳酸鹽巖富碳陸源碎屑－黏土巖沉積建造。北區(qū)為“冒地槽”建造，南區(qū)為“優(yōu)地槽”建造(遼寧省區(qū)域地質(zhì)志，1989)。

圖3 Ⅰ測(cè)線8、25、28和29號(hào)點(diǎn)TM模式視電阻率曲線擬合圖Fig.3 Curve fitting plots of apparent resistivity of TM mode measured at site 8，25，28 and 29 along lineⅠ.

目前對(duì)南、北遼河群的分界位置也存在不同認(rèn)識(shí)，有人認(rèn)為南、北遼河群的分界位置是營(yíng)口－草河口復(fù)向斜軸，該認(rèn)識(shí)的主要依據(jù)是營(yíng)口－草河口復(fù)向斜南北兩翼巖相存在差異，但具體界線尚不明確;也有人認(rèn)為南、北遼河群的分區(qū)邊界為海城－草河口斷裂，主要依據(jù)為營(yíng)口－草河口斷裂是一個(gè)規(guī)模較大的具有構(gòu)造單元分割的斷裂。

穿過(guò)遼吉裂谷北部邊界地區(qū)的多條MT剖面揭示出遼吉裂谷北部邊界十分復(fù)雜，這種復(fù)雜性是后期構(gòu)造作用及巖漿活動(dòng)改造的結(jié)果。

非震地球物理剖面Ⅰ和Ⅱ(SN向)穿過(guò)了遼吉裂谷，從MT剖面上可以發(fā)現(xiàn)，在連山關(guān)巖體南側(cè)存在一個(gè)明顯的南傾構(gòu)造界面(圖4)，從剖面上可以看出，連山關(guān)巖體及以北地區(qū)主要表現(xiàn)為高阻特征(圖4，測(cè)點(diǎn)1～12)，具有龍崗地塊的高阻電性結(jié)構(gòu)特征，連山關(guān)以南地區(qū)出現(xiàn)相對(duì)低阻的遼河群電性結(jié)構(gòu)特征(圖4，測(cè)點(diǎn)12～30)，二者之間存在一個(gè)明顯向南傾斜的地質(zhì)界面。地表資料顯示，連山關(guān)巖體與遼河群之間為壓性斷裂關(guān)系，在最新的1/25萬(wàn)丹東幅地質(zhì)圖上，二者之間的關(guān)系為基底韌性拆離斷層。

該構(gòu)造界面向東延伸到賽馬地區(qū)，在龍崗地塊與遼吉裂谷之間發(fā)育了規(guī)模巨大的連山關(guān)巖體。連山關(guān)巖體是一個(gè)長(zhǎng)軸呈EW向的規(guī)模巨大的燕山期花崗巖侵入體，推測(cè)是沿龍崗地塊與遼吉裂谷的構(gòu)造邊界發(fā)育的。穿過(guò)連山關(guān)巖體的MT剖面揭示連山關(guān)巖體以南地區(qū)的電阻率較低，具有遼河群的電性結(jié)構(gòu)特征。連山關(guān)以北地區(qū)具有龍崗地塊電性結(jié)構(gòu)特征。

圖4 大地電磁測(cè)深剖面ⅡFig.4 Magnetotelluric sounding profileⅡ.

3 遼吉裂谷北部邊界性質(zhì)

目前遼吉裂谷的北部邊界主要是根據(jù)古元古界的出露與分布情況劃定的，至于遼吉裂谷真正構(gòu)造意義上的裂谷邊界還不十分清楚。遼吉裂谷的邊界應(yīng)當(dāng)包括2種類(lèi)型:一種是古地理意義上的裂谷邊界，另一種是構(gòu)造意義上的裂谷邊界。

在本溪市—本溪縣一線發(fā)育的古元古界分布的北部邊界代表了古地理意義上的裂谷邊界，該界線以北地區(qū)，零星出露遼河群浪子山組。大臺(tái)溝鐵礦鉆探結(jié)果表明，新元古界－古生界蓋層之下存在厚度為233～735m的遼河群浪子山組，主要由硅化大理巖和綠泥絹云石英片巖組成(洪秀偉等，2010)，浪子山底部見(jiàn)古風(fēng)化殼，發(fā)育底礫巖。根據(jù)遼河群的出露范圍及鉆探結(jié)果，遼河群的北部分布范圍位于本溪市—本溪縣一線，該界線為遼吉裂谷的古地理邊界。根據(jù)MT剖面在連山關(guān)—賽馬一線發(fā)育明顯的南傾構(gòu)造界面表明，該構(gòu)造界面對(duì)遼河群的發(fā)育具有明顯控制作用，在連山關(guān)—賽馬一線以南地區(qū)，遼河群發(fā)育齊全、厚度大，在該線以北地區(qū)主要發(fā)育了浪子山組。因此，推斷該構(gòu)造界面控制了遼吉裂谷北部的構(gòu)造邊界，相當(dāng)于控制裂谷盆地的控盆邊界斷裂。以草河口復(fù)向斜軸為界線的南、北遼河群巖相的差異，實(shí)際上是由遼吉裂谷構(gòu)造邊界向裂谷盆地內(nèi)部相變的結(jié)果，在所謂南、北遼河群之間并不存在一個(gè)明顯的地質(zhì)界線。

最近研究成果表明，南遼河群沉積作用發(fā)生在距今2 035～1 885Ma，物源主要是古元古代花崗巖、同期火山巖(距今2 036～2 317Ma)，以及新太古代花崗巖(距今2 406～2 546Ma)，后者與區(qū)域太古代基底花崗質(zhì)巖石和變質(zhì)表殼巖系中鋯石年齡結(jié)果一致，古老結(jié)晶基底為遼河群提供了重要物源(孟恩等，2013)。所以，南遼河群下部里爾峪組形成于大陸邊緣伸展構(gòu)造環(huán)境中，而不是形成于島弧構(gòu)造環(huán)境中。

4 遼吉裂谷的內(nèi)部結(jié)構(gòu)特征

遼吉裂谷的內(nèi)部結(jié)構(gòu)是指在地表及裂谷基底之間的深度范圍內(nèi)遼吉裂谷地下主要地質(zhì)界面的空間展布及主要地質(zhì)體之間的相互關(guān)系。遼吉裂谷內(nèi)部發(fā)育了上萬(wàn)m厚的巖石建造，遼吉裂谷內(nèi)部主要發(fā)育含硼巖系(浪子山－里爾峪組)、含墨巖系(高家峪組—大石橋組)、高鋁巖系(蓋縣組)。由于遭受呂梁運(yùn)動(dòng)的擠壓作用，遼河群遭受強(qiáng)烈擠壓變形，遼吉裂谷內(nèi)部是由一系列復(fù)式褶皺組成的。

孫寶國(guó)：近年來(lái)，一些食品企業(yè)正在“走出去”，成功的例子很多。全球最大的辣椒紅色素生產(chǎn)企業(yè)晨光生物科技集團(tuán)股份有限公司把廠子建到了印度，亞洲最大的酵母生產(chǎn)企業(yè)安琪酵母股份有限公司把廠子建到了埃及與俄羅斯，揚(yáng)州冶春食品生產(chǎn)配送股份有限公司把連鎖餐館開(kāi)到了新加坡。這些企業(yè)這樣做既在國(guó)外傳播了中國(guó)飲食文化和企業(yè)品牌，又為企業(yè)拓展了國(guó)際市場(chǎng)。

印支－燕山期的侵入作用很大程度上改變了遼吉裂谷的原始內(nèi)部結(jié)構(gòu)。使遼河群以殘塊形式散布在遼吉裂谷帶中。遼吉裂谷帶內(nèi)主要地質(zhì)體包括2種遼河群殘塊花崗巖體。

遼吉裂谷變質(zhì)巖系表現(xiàn)為相對(duì)低阻、重力異常相對(duì)較高的特征，蓋縣組電阻率相對(duì)較高，與其下地層具有一定可分性，MT剖面提供了遼吉裂谷深部地質(zhì)結(jié)構(gòu)的圖像。

4.1 遼吉裂谷的深部褶皺變形特征

遼吉裂谷遼河群發(fā)生了強(qiáng)烈褶皺變形，形成了緊閉線型褶皺、穹窿型褶皺等。根據(jù)地表地質(zhì)資料推斷遼吉裂谷內(nèi)地層強(qiáng)烈褶皺變形，形成復(fù)式褶皺構(gòu)造，自北向南主要為塔子嶺－草河口復(fù)向斜、虎皮峪－紅石砬子復(fù)背斜、蓋縣－岫巖古樓子復(fù)向斜等。

塔子嶺－草河口復(fù)向斜保存良好。根據(jù)地表地質(zhì)資料構(gòu)建的三維地質(zhì)模型揭示出草河口的復(fù)式向斜特征，MT二維反演結(jié)果也揭示出了一個(gè)清晰的復(fù)式向斜，該復(fù)式向斜內(nèi)部進(jìn)一步包括2個(gè)向斜構(gòu)造(圖6)。遼吉裂谷中充填的古元古界變質(zhì)巖系最大厚度＞10km。此次研究主要涉及到虎皮峪背斜東段，遼河群被中生代花崗巖大面積侵入，殘留遼河群底部深度＞10km。

4.2 遼河群與花崗質(zhì)侵入體的關(guān)系

遼河群主要發(fā)育在塔子嶺—草河口、岫巖、寬甸等地區(qū)，花崗巖體與遼河群之間存在著多種關(guān)系?；◢徺|(zhì)侵入體與遼河群的關(guān)系主要存在侵入、覆蓋、包裹等關(guān)系，這種關(guān)系使遼吉裂谷帶內(nèi)的地質(zhì)結(jié)構(gòu)十分復(fù)雜。

侵入體是指花崗巖體以巖株等形式侵入，在剖面上表現(xiàn)為2種形式:一種呈柱狀，巖體底部深度較大，如巖體R3(晚三疊世二長(zhǎng)花崗巖)、R4(早侏羅世二長(zhǎng)花崗巖)、R5(燕山期侵入體)、R7(燕山期侵入體);另一種呈團(tuán)塊狀，如巖體R6(古元古代斜長(zhǎng)花崗雜巖)。覆蓋關(guān)系是指花崗巖體覆蓋在遼河群之上，如巖體R1(古元古代片麻狀中細(xì)粒黑云母二長(zhǎng)花崗巖)覆蓋在遼河群之上(圖7)。包裹關(guān)系是指遼河群的殘留塊體包裹在花崗巖體之中。

5 遼吉裂谷基底組成

對(duì)基底組成的認(rèn)識(shí)決定了對(duì)遼吉裂谷構(gòu)造性質(zhì)及構(gòu)造演化的認(rèn)識(shí)，目前對(duì)遼吉裂谷基底組成的認(rèn)識(shí)爭(zhēng)論較大，主要有2種觀點(diǎn):一種觀點(diǎn)認(rèn)為遼吉裂谷的基底為太古代變質(zhì)基底，主要依據(jù)為遼吉裂谷北部的基底為太古代變質(zhì)巖系;另一種觀點(diǎn)認(rèn)為遼吉裂谷的基底存在洋殼，部分地區(qū)存在太古代變質(zhì)基底，主要依據(jù)為在遼吉裂谷中央帶未見(jiàn)太古代變質(zhì)巖系，以前太古代花崗巖被新的同位素測(cè)年資料證實(shí)為中生代花崗巖，一些學(xué)者認(rèn)為遼吉裂谷帶中所發(fā)育的基性巖墻為洋殼成分。

根據(jù)野外地質(zhì)研究、區(qū)域地球物理資料及實(shí)測(cè)非震地球物理剖面，遼吉裂谷的基底組成主要有2種類(lèi)型:一種是由太古代表殼巖(表殼巖又稱(chēng)上殼巖，是由沉積巖和火山巖經(jīng)區(qū)域變質(zhì)作用形成的變質(zhì)巖的統(tǒng)稱(chēng)。由于其原巖是在地表?xiàng)l件下形成，故稱(chēng)為表殼巖)及太古代花崗巖組成的變質(zhì)基底，主要發(fā)育在連山關(guān)—賽馬一線以北地區(qū);另一種是主要由古元古代花崗巖及太古代花崗巖所構(gòu)成的基底，主要發(fā)育在連山關(guān)—賽馬一線以南地區(qū)。

在連山關(guān)—賽馬一線以北地區(qū)，野外露頭表明遼河群以不整合形式覆蓋在太古代表殼巖及太古代花崗巖之上(圖4)(趙麗君等，2011)，在本溪大臺(tái)溝地區(qū)的鉆孔資料揭示在遼河群中鉆遇了太古代BIF型鐵礦，這表明在遼吉裂谷北部地區(qū)的基底為太古代變質(zhì)巖系。MT剖面揭示該地區(qū)的基底屬太古代變質(zhì)基底。

圖7 大地電磁測(cè)深剖面ⅣFig.7 Magnetotelluric sounding profileⅣ.

在連山關(guān)—賽馬一線以南的岫巖等地區(qū)發(fā)育由條痕狀二長(zhǎng)花崗巖、花崗閃長(zhǎng)巖和花崗巖組成的遼吉古元古代花崗巖簡(jiǎn)稱(chēng)為遼吉花崗巖(翟安民，2005)，遼吉花崗巖主要發(fā)育在由遼河群構(gòu)成的背斜核部，與里爾峪組緊密相關(guān)。由此可見(jiàn)，在遼吉裂谷的許多地方，遼河群之下廣泛發(fā)育遼吉花崗巖。野外觀察表明，里爾峪組淺粒巖的巖貌特征與花崗巖類(lèi)似(圖8)，揭示遼河群遭受了強(qiáng)烈熱作用，在遼吉裂谷回返造山過(guò)程中，遼吉花崗巖處于一種高熱狀態(tài)，隨遼河群發(fā)生一定程度的褶皺變形，一些地區(qū)可能發(fā)生部分重熔，并向上侵入到高家峪組中。

從區(qū)域重力異常圖上可以看出，遼吉花崗巖出露區(qū)，重力異常較古元古界出露區(qū)重力異常低。重力向上延拓結(jié)果表明，遼吉裂谷深部存在低密度體，推測(cè)這些高阻－低密度體主要為花崗質(zhì)巖石。在研究區(qū)東側(cè)鄰區(qū)寬甸地區(qū)古元古界厚度較小，已完成的重力－MT聯(lián)合反演結(jié)果表明，在古元古界之下發(fā)育密度較低、電阻率較高的地質(zhì)體，推測(cè)這些高阻－低密度地質(zhì)體為花崗質(zhì)巖石的反映。由此推測(cè)連山關(guān)—賽馬一線以南地區(qū)，遼吉裂谷的基底為古元古代花崗巖及太古代花崗巖所構(gòu)成的基底。

6 結(jié)論

(1)新獲取的非震地球物理資料支持遼吉古元古代裂谷的構(gòu)造具裂谷性質(zhì)。

圖8 虎皮峪地區(qū)遼河群里爾峪組淺粒巖特征Fig.8 Characteristics of leptite in Lieryu Formation，Liaohe Group of Hupiyu area.

(2)遼吉裂谷的北部邊界為一條南傾構(gòu)造界面或巖體侵入帶，該帶為遼吉古裂谷的北部構(gòu)造分界帶，推測(cè)為遼吉古裂谷發(fā)育時(shí)期控制遼吉古裂谷的控盆斷裂。在本溪市—本溪縣一線的遼河群分布區(qū)應(yīng)為遼吉裂谷的古地理邊界。

(3)遼吉裂谷內(nèi)部結(jié)構(gòu)主要表現(xiàn)為一系列復(fù)式褶皺，印支－燕山期花崗巖大面積侵入遼吉裂谷帶，使遼河群的三維地質(zhì)結(jié)構(gòu)表現(xiàn)為殘塊。遼吉裂谷深部表現(xiàn)為復(fù)向斜或復(fù)背斜，遼河群底界埋深可達(dá)10km以上。

(4)遼吉裂谷基底為古元古代重熔型花崗巖。

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