地球物理学报  2011, Vol. 54 Issue (2): 401-406   PDF    
引用本文
刘财, 杨宝俊, 王兆国, 等. 松辽盆地西边界带深部构造:地电学证据. 地球物理学报, 2011, 54(2): 401-406, doi: 10.3969/j.issn.0001-5733.2011.02.016.  
LIU C, YANG B J, WANG Z G, et al. The deep structure of the western boundary belt of the Songliao basin: the geoelectric evidence. Chinese J. Geophys. (in Chinese), 2011, 54(2): 401-406, doi: 10.3969/j.issn.0001-5733.2011.02.016.  
松辽盆地西边界带深部构造:地电学证据
刘财, 杨宝俊 , 王兆国, 王典, 冯晅, 鹿琪, 刘洋, 王世煜     
吉林大学地球探测科学与技术学院,长春 130026
收稿日期 2010-04-06, 2010-05-28 收修定稿
基金项目: 国家973计划课题(2009CB219301),国家自然科学基金(40974054),博士点基金(200801830042),国家科技支撑计划(2008~2012),公益性行业科研专项项目(201011078),油页岩勘探开发利用产学研用合作创新研究项目(OSP-02,OSR-02)资助
作者简介: 刘 财,男,1963年9月生,教授,博士生导师,主要从事地震波场正反演理论、综合地球物理等研究.E-mail:liucai@jlu.edu.cn
通讯作者: 杨宝俊,男,1943年生,教授,博士生导师,主要从事盆地构造、信号分析与处理、非线性波等领域研究. E-mail:yangbaojun@jlu.edu.cn
摘要: 满洲里—绥芬河地学断面综合研究了松辽盆地西、东边界的构造特征.在由广角地震波速分布所得到的认识基础上,本文利用松辽盆地西边界带附近新实施的大地电磁测深(MT)(约470 km 42个测点)剖面,经过数据处理的二维电性分布,更为详细地表达了西边界带深部构造特征.与满—绥断面研究相近的结果是西边界带的断裂构造表现为作为盆地西边界的嫩江断裂,在地表附近与黑河—贺根山缝合带断裂叠加在一起,于深几公里以下两条断裂分开,缝合带断裂西倾并穿过地壳,嫩江断裂东倾而且可能不超壳.本次研究与满—绥断面研究不同点是两条断裂分开部位之下的构造表现.由于兴安微板块与松嫩微板块间碰撞、焊合以及边界断裂走滑等复杂区域应力场作用,留存的岩石圈残片被分割在嫩江断裂两侧.所建立的地质-地球物理解释模型提供了西边界带可能的构造地质作用过程.
关键词: 松辽盆地西边界带      嫩江断裂      牙克石—林甸大地电磁(MT)剖面      深部构造      电性结构     
The deep structure of the western boundary belt of the Songliao basin: the geoelectric evidence
LIU Cai, YANG Bao-Jun, WANG Zhao-Guo, WANG Dian, FENG Xuan, LU Qi, LIU Yang, WANG Shi-Yu     
Geo-Exploration Science and Technology Institute, Jilin University, Changchun 130026, China
Abstract: The Manzhouli-Suifenhe geoscience transect (GGT) did a comprehensive research on the structure characteristics of the west and east boundary of the Songliao basin. Based on the understanding obtained from the wide-angle seismic velocity distribution, this paper use the 2D geoelectrical distribution along a section (about 470 km, 42 survey points) of magnetotelluric sounding newly carried out near the western boundary of Songliao basin to describe the detailed deep structure feature of the west boundary. Compared with the Manzhouli-Suifenhe geoscience transect, the similar result is that the fault structure of the west boundary shows that the Nenjiang fault as the west boundary of the basin stacks together with the Heihe-Hegenshan suture zone near the earth's surface, and the two faults separate down several kilometers, and the fault of the suture zone tends to the west through the crust, but the Nenjiang fault tends to the east and is perhaps within the crust. The difference from the Manzhouli-Suifenhe geoscience transect is in the structures under the part where the two faults separate. Because of the effect of the complex regional stress field, such as the collision and welding between the Xing'an micro-plate and Songnen micro-plate and the boundary strike-slip fault, the retained lithosphere fragments is divided into the both sides of the Nenjiang fault. The established geological-geophysical interpretation model provides the feasible geological construction process of the western boundary.
Key words: Western boundary belt of Songliao basin      Nenjiang fault      Magnetotelluric (MT) section of the Yakeshi-Lindian      Deep structure      Geoelectrical structure     
1 引 言

在满洲里-绥芬河地学断面研究中[1~7]，发现松辽盆地西边界---嫩江断裂两侧岩石剪切变形强烈，并具有左旋走滑性质，认为嫩江断裂是沿黑河-扎赉特古拼合带发展的北东向断裂带.之后，对满-绥地学断面的速度结构进行了再解释[8, 9]，得到断面上经过甘南的断裂包括两条，即从呼玛经嫩江至甘南一直到镇西的嫩江断裂，其中嫩江、甘南到龙江一带与另一条断裂带---古生代黑河-贺根山拼接带叠加在一起，形成了地面表现的叠合断裂在地下约4km 深处分开，拼接带断裂向NW 向倾斜，嫩江断裂作为松辽盆地西边界则向SE 倾斜，延伸到中部地壳.

嫩江断裂是嫩江-八里罕断裂的北段部分.在嫩江以南地区，嫩江断裂是大兴安岭和松辽盆地的界线；该断裂自早白垩世至新生代一直处于活动状态[10].嫩江断裂两侧的地球物理场特征、地貌特征、地层发育特征具有明显差异，表明这是一条深大断裂[8, 11~20].由于中、新生代的嫩江左旋走滑断裂叠加在晚古生代黑河-贺根山板块拼接断裂带上，使在龙江-嫩江一带产生了复杂的构造叠加效应.同时，嫩江断裂对东部的松辽中、新生代断拗盆地以及西部的大兴安岭早白垩世早期断陷盆地的形成和演化具有明显的控制作用[21~23].由上述对嫩江断裂的构造地质意义的讨论可知，进一步研究作为松辽盆地西边界的嫩江断裂的更详细构造特征是有必要的.

沿与满洲里-绥芬河地学断面位置相近的剖面(从牙克石至林甸)，实施了大地电磁测深(MT)约470km42个测点的地电学探查(图 1).利用该MT 数据和处理的二维剖面电性分布，较为详细地表达了松辽盆地西边界带深部构造特征.结果表明，由地电学表征的西边界带深部构造特征比由满-绥地学断面速度结构所解释的断裂特征更为清晰，所建立的地质-地球物理解释模型提供了西边界带可能的构造地质作用过程.

图 1 研究区区域构造与大地电磁(MT)剖面位置示意 Fig. 1 The regional structure and the location of the magnetotelluric (MT) section in the research region
2 资料与处理结果分析 2.1 数据采集与处理结果

野外观测采用加拿大凤凰地球物理公司生产的大地电磁测深仪器V5-2000，在长470km 的剖面上布设42 个测点，最大点距15km，平均点距8km.在数据采集过程中，采用远参考与互参考的相关技术；消减由于山地干扰所产生的噪声；为了保证观测质量，还进行了测量后的仪器标定，检查工作稳定性；对盲采数据进行实时初步处理过程，控制质量.

通常或者对TE 极化视电阻率反演，或者对TM 极化视电阻率反演.这种单极化二维反演忽略另一种极化模式的视电阻率，对采集信息未充分使用.若用两种极化模式先后反演，而地质体不是真正的二维型，则难以确定哪一个结果更符合实际.为了适应复杂地质体形态对视电阻率变化的影响，利用同时考虑TE 和TM 两种极化视电阻率的反演方法.其中对迭代计算方法的收敛起重要作用的是正则化参数μ.假设第k+1次迭代的模型矢量函数为mk+1，且mk+1 (μ)；建立mk+1 (μ)关于μ 误差函数Xk+1(μ).然后，由Xk+1(μ)关于μ 的单变量优化求解单变量最佳值μe.对于同时考虑TE、TM 两种极化数据反演中用到的μe 具有一定的变化范围.

经过Occam 反演[24~29]计算得到牙克石-林甸剖面(No.1~No.42)电性结构.由于本文重点研究松辽盆地西边界附近的深部构造，所以仅图示测点No.17~No.42之间约220km 剖面的电性结构(图 2).

图 2 扎兰屯一林甸MT剖面二维反演电性结构 剖面上的电阻率单位是nm；由电阻率分布划分的6个带(Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ、Ⅵ)，地质意义见正文. Fig. 2 The inversion geoelectrical structure of the 2D MT section along Zhalantun-Lindian unit of the electric resistivity in the section is Om； The geological meaning of the six belts(Ⅰ，Ⅱ，Ⅲ，Ⅳ，Ⅴ，Ⅵ) divided based on the electric resistivity distribution s rn the text of this paper.
2.2 二维电性结构分析

从扎兰屯到林甸的二维电性结构大致分为三段，即嫩江断裂以西，齐齐哈尔以东的松辽盆地段以及上述两段之间的过渡段(简称之西段、东段和过渡段).西段的壳幔岩层是高阻块体特征，东段松辽盆地的基底深至50km 呈大范围极低电阻率(在1~50Ωm，且95%范围为1~20Ωm)特征.过渡带壳幔电性结构十分复杂.在近60km 的东西向距离里，自西向东在嫩江断裂附近的西段高阻块体的东边界，呈现近直立渐西倾电性变化带(Ⅰ)，向东经过一个200~1000Ωm 的过渡体(Ⅱ)，再向东连结一个低阻楔(50Ωm，Ⅲ)，在大杨树盆地附近，上部存在一个与(Ⅱ)类似电性的块体(Ⅳ)，之下是厚约20km 低阻带(Ⅴ)，再下部电阻率增至100Ωm(Ⅵ).上述过渡带从(Ⅰ)至(Ⅵ)的六部分壳幔岩层电性结构正处在松辽盆地西边界带域上，表明西边界带壳幔结构是复杂的.

对于松辽盆地西边界构造特征，在满洲里-绥芬河地学断面地质-地球物理综合研究中，以及之后的进一步研究，得到在西边界带不仅是一个岩石圈断裂，它既是兴安地块与松嫩地块的拼合场所，也是松辽盆地的西边界线；而且是嫩江断裂与黑河-贺根山缝合带两个断裂复杂叠合，这一结果在天然地震Vp 成像结果中也有显示(图 3)[30].图 3中的三条剖面，其中WE-M2 剖面方向沿满洲里-绥芬河地学断面，经过齐齐哈尔、大庆.另两条WE14 与WE15剖面与WE-M2平行，分别位于WE-M2以北和以南，与WE-M2相距约25km.在图 3a、b、c三条Vp 剖面上，松辽盆地西边界带位于齐齐哈尔以西60km 左右.这三条平行的Vp 分布剖面与松辽盆地西边界带几乎正交，它们的Vp 分布特征相似.这里略去对松辽盆地基底Vp 分布特征的分析，而着重说明西边界带的Vp 分布特征. 西边界壳幔Vp分布成层性较明显，但在边界带上自深10~50km 存在一个"低速脊"，看它的趋势可能远深过50km.从深5~15km，存在一个"相对高速条带"."低速脊"与"相对高速条带"向地表延伸几乎交于松辽盆地西边界的位置.可以推测，"低速脊"是黑河-贺根山缝合带的表征，而"相对高速条带"可能是嫩江断裂的剖面位置.虽然由天然地震速度成像得到的Vp 分布精度不够高，但由图 3a、b、c三条横过松辽盆地西边界带的剖面的Vp 等值线变化可知，它们所反映的盆地西边界带断裂特征与满-绥断面地球物理研究结果以及本文MT 剖面结果是一致的.比较而言，MT 剖面所表征的松辽盆地西边界带深部构造更为细致.

图 3 由东北地区天然地震Vp成像结果取出的三条剖面 (a)，(b)，(c)分别为WE-M2、WE14、WE15三条剖面Vp等值线 分布，波速单位是km/s.细黑线为断裂位置，粗黑线为Moho界 面与8. 0km/s波速位置. Fig. 3 The three sections from the Vp imaging of natural earthquakes in Northeast China (a)，(b) and (c) separately denote the isoline of the Vp distribution along WE-M2，WE14，WE15，and the unit of the wave velocity is km/ s. The thin black line stands for the locationof the fault，and the thick black line stands for thelocation of the Moho interface and the 8. 0 km/swave velocity.
2.3 松辽盆地西边界带MT剖面地质解释

由上面对过松辽盆地西边界带MT 剖面(图 2)的分析，以及结合满洲里-绥芬河地学断面的研究结果，同时天然地震Vp 成像(图 3)也得到相近认识，综合编制了该西边界带深部地质-地球物理综合模型(图 4).黑河-贺根山缝合带在西边界带的反映，几种地球物理资料相当一致，并且特征明显.而嫩江断裂则不然，相比较，三种地球物理资料都有反映，但满洲里-绥芬河地学断面的资料更为明显.本文MT 剖面资料则提供了该深部更为细致的构造特征.图 4所刻划的西边界带深部构造包括:(1)大杨树盆地的浅部基底与松辽盆地的是相通的，只是在大杨树盆地的上部基底存在一个相对高阻块体.从基底电性结构、天然地震成像Vp 等值线分布以及满-绥地学断面研究结果综合分析，大杨树盆地应是松辽盆地的西部组成部分.(2)具有稳定高阻的兴安地块与具有大套低阻带的松嫩地块之间的接触关系是复杂的，并不是一条深大断裂所能表达的，而是由一个具有极为复杂电性结构的过渡带所表征.这个过渡带自西至东为黑河-贺根山缝合带、碰撞岩石圈残片、低阻楔、左旋的嫩江断裂.(3)在图 2中标志的Ⅱ，Ⅳ两个电性程度相近(200~1000Ωm)的岩体被解释为兴安地块和松嫩地块多次碰撞最后焊合时遗留的岩石圈残片，它们的分离可能与嫩江断裂的左旋走滑运动有关.另外，图 2 中标志的Ⅲ(低阻楔)，其成因有三种可能，一种是松嫩地块低阻带对相邻"过渡带"产生变低阻作用，另一种可能是两个地块碰撞焊合作用引起过渡带破碎充填流体产生电阻率降低结果，第三种可能是上述两种可能的共同作用.总之，松辽盆地西边界带深部复杂构造成因是地块拼贴与后期上部地壳断裂、壳幔岩层"低阻化"等多种因素叠合作用的结果.

图 4 松辽盆地西边界带深部地质-地球物理综合模型 Fig. 4 The geological-geophysical synthesized model in the deep part of the western boundary of the Songliao basin
3 结论与讨论 3.1 结 论

(1) 由经过松辽盆地西边界带的大地电磁(MT)剖面二维电性结构，结合满洲里-绥芬河地学断面地球物理研究结果，以及天然地震Vp 成像资料，一致地得到黑河-贺根山缝合带与嫩江断裂的叠合组构了西边界带深部构造.MT 电性结构比以往地球物理研究结果更细致表达西边界带深部构造之处是发现位于兴安地块与松嫩地块间拼合空间存在岩石圈残片.由于嫩江断裂的左旋走滑作用，使地块拼贴过程产生的岩石圈残片遗留在大杨树盆地的上部基底空间.

(2) 二维MT 电性结构还表明，大杨树盆地与松辽盆地同属一个盆地，它们具有几乎相同的基底电性特征.基于电性结构对该边界所建立的深部地质-地球物理综合模型提供了该带域可能的构造地质作用过程.

3.2 讨 论

对松辽盆地西边界带深部构造的地球物理研究，已经有满洲里-绥芬河地学断面的广角速度结构、天然地震Vp 成像等值线分布，以及本文所实施解释的大地电磁(MT)剖面二维电性结构.比较这些资料的解释结果，MT 二维电性结构更为细致地表征西边界带的深部构造特征.但是其中嫩江断裂的地球物理解释特征不够明显，岩石圈残片的位置和范围也不够明确.预计在松辽盆地西边界带补充30s近垂直反射地震探测，由叠偏剖面将有可能弥补上述地球物理解释的不足.此外，为更准确剖划深部构造，MT 剖面测点距最好小于5km，而不是本文的8~10km，亦即也可以在原有点距剖面上插测点补充观测，然后对整体测点数据重新进行相同方法处理，可更明显地突出特殊的深部构造特征.

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