江蘇省深部地質作用及其對資源環境的制約

張大蓮，潘明寶，李向前，盛君，關藝曉

（江蘇省地質調查研究院，江蘇·南京 210018）

深部的地質作用決定了地球上各類資源的發育和分布，也決定了主要的地質環境。湖海賦存于沉積盆地的上面，而沉積盆地的起源與演化受地殼運動與殼幔相互作用控制。地幔熱流上涌對于湖海的水溫與生物繁衍關系十分密切。天然氣田常受底部深斷裂帶控制，而這些斷裂帶構成了地球內部向地表放氣的通道。金屬礦產多半是來自地幔的金屬元素通過巖漿活動在上地殼表層的富集，而地幔減薄誘發巖漿活動；至于金剛石等則直接來自地幔，全部是殼幔相互作用的結果[1]。

所有的礦產資源均與深部地質作用有關，大陸內生成礦作用的驅動力來自新生的熱地幔物質或再活化深部陸殼物質注入淺部陸殼誘發成礦。最基本的深部過程是，巖石圈巨大減薄—增厚作用是一個被擾動的非正常狀態的巖石圈—軟流圈系統，它產生巖漿—流體活動，萃取并遷移深部有用金屬元素進入淺部，在該系統演化晚期和末期將從形成的巨大巖漿—流體—成礦子系統中產生成礦作用[2]。

因此，幾乎所有的資源和古今地質地貌環境均與深部地質作用聯系緊密。深部物質與能量交換的地球動力學過程，引起了地球表面的地貌變化、剝蝕和沉積作用，以及地震、滑坡等自然災害，控制了化石能源或地熱等自然資源的分布，是理解成山、成盆、成巖、成礦和成災等過程成因的核心[3]。本文結合江蘇省及鄰區一些具有代表性的自然資源和環境地質情況，探討深部地質作用對其的形成與制約，為資源環境的分布影響提供一些巖石圈級別的啟示。

1 地質背景

江蘇省地跨華北陸塊區、蘇魯造山帶（秦嶺造山帶東段）、揚子陸塊區三大地質構造單元（圖1），地質背景復雜，地質內容豐富[4]。各單元的地質構造發展歷史、巖漿活動和礦產的形成存在明顯的差異。

郯廬斷裂帶以西為華北陸塊南緣，以太古界泰山（巖）群作為基底為特征，構造、巖漿巖和礦產屬華北型；區內地層發育較完整，出露較齊全，上太古界泰山（巖）群組成基底，缺失下至中元古界，上元古界至古生界組成蓋層沉積，與基底不整合接觸，中生界與第三系主要為斷陷盆地沉積，各時代地層間呈整合或假整合關系。

郯廬斷裂帶和淮陰—響水斷裂帶之間為蘇魯造山變質帶南緣，區內地層發育具一老一新的特點，主要由新太古界—元古界變質地層和中新生界地層組成。變質地層主要由新太古界—古元古界東海巖群、中元古界錦屏巖群、張八嶺巖群、中新元古界云臺巖群、震旦系石橋巖組組成，這些地層共同組成了區內的變質基底。變質地層、變質作用和礦產特征等可與大別—秦—祁—昆造山帶相對比。區內缺失古生界至侏羅系地層，局部斷陷盆地中自白堊系開始沉積有中新界地層。

淮陰—響水斷裂南東為揚子陸塊區，區內屬下揚子陸塊與江南過渡帶，基底組成、蓋層沉積、巖漿活動、構造型式、礦產分布都有別于上述兩地區，以揚子型為特征。區內地層發育較完整，出露較齊全，中元古界埤城（巖）群組成基底，新元古界至古生界（缺志留系上統至泥盆系中統）組成蓋層沉積，與基底不整合接觸，侏羅系與新近系主要為斷陷盆地沉積，各時代地層間呈整合或假整合關系。蘇北地區發育中新生代以來盆山構造，寧鎮至蘇州一帶印支期構造發育褶斷構造，燕山期則以火山—斷陷作用為特征。江南斷裂將揚子陸塊區進一步劃分為蘇皖前陸盆地和下揚子被動陸緣。

圖1 江蘇省大地構造Fig.1 The tectonic map of Jiangsu Province

2 深部地質作用與自然資源

自然資源是指自然界中人類可以直接獲得用于生產和生活的物質，包括各種金屬、非金屬礦產，石油、天然氣燃料等不可更新資源以及生物、水、土地等可更新資源，同時還包括風力、太陽能等可再生資源。絕大部分自然資源來自地球本身，而地球深部更是孕育資源和能源的原生場所，是萬物生存的物質和能量基礎。地球深部的地質作用直接或間接的影響著淺部自然資源的分布狀態，越是深部地質作用強烈的地區，自然資源越容易富集。江蘇省三大地質構造板塊邊緣是深部地質構造活動強烈地帶，省內的大部分自然資源都分布在板塊邊緣及其邊界效應范圍內。蘇魯造山帶、長江中下游成礦帶、蘇北盆地等作為自然資源相對集中地區必然有著復雜的深部地質作用過程。

2.1 蘇魯及鄰區的殼幔作用與沉積盆地

盆地是在一定地質時期里，在比較均一的構造環境中，由來自一個或數個物源的沉積物充填而成。盆地的發生、發展是在一定的構造背景下進行的，不同的構造背景決定了不同的盆地類型[5-6]。蘇魯及鄰區自震旦以來在不同構造背景上先后發育了多種類型的原型盆地，這些盆地在其形成演化過程中相互疊加、改造，就呈現出現今“數世同堂”的復合型盆地（圖2）。蘇魯及鄰區以中、新生代盆地為主，疊合于古生代地層或盆地之上，主要發育有三個盆地群：

圖2 蘇魯及鄰區沉積盆地分布Fig.2 The distribution of sedimentary basins in Sulu and its adjacent areas

第一個盆地群為長江中下游盆地群，包括寧蕪、溧水、溧陽盆地等。晚侏羅世以后，蘇魯及鄰區的構造發展主要受控于古太平洋板塊向東亞大陸的俯沖。在古太平洋板塊斜向俯沖下，郯廬斷裂等為主的北北東—北東向斷裂系統發生左移走滑，原先一些北西，北東向的先成斷裂均發生不同程度的張扭性或壓扭性活動，區內總體處于受擠壓的構造背景中，深度的剪切切割，使一些破裂地帶軟流圈表面減壓隆升，導致大規模的巖漿上涌，在低坳地區堆積發育為火山巖盆地。

第二個為蘇北一南黃海南部盆地群，是蘇北地區主要的油氣儲藏盆地，包括溱潼、高郵凹陷，南黃海南部盆地等。它是一個中生代發育起來的以新生代沉積為主要沉積實體的盆地群[7]。晚侏羅世—早白堊世，蘇北發育走滑火山斷陷盆地，形成機制與第一個盆地群類似。晚白堊世以來，蘇魯及鄰區動力學背景發生了巨大轉變，太平洋板塊逐漸由西北轉為相西正面俯沖于東亞板塊之下，同時青藏塊體從北東方向強烈擠壓作用于東亞板塊，這種東、西方向的雙向擠壓應力迫使中國東部巖石圈塊體遭受北西—南東方向的強烈拉伸，同時亦迫使軟流圈底劈上升的對流作用往北西和南東方向發展，最終形成了近北西向延長的近橢圓形軟流圈隆起，軟流圈隆起必然導致巖石圈上隆，伸展減薄，產生巖石圈深斷裂和裂谷的擴張，誘發巖漿大量噴溢，最終形成大陸裂谷性盆地疊加于晚侏羅世—早白堊世斷陷盆地之上。

第三個為嘉山—南黃海北部盆地群，沿嘉山一響水裂谷帶北東方向展布，包括洪澤湖盆地、淮陰—漣水盆地、南黃海北部盆地等。它們依然是晚白堊世以來的裂谷作用產生的，裂谷作用對盆地的沉積與油氣生成起到控制作用。當然，是否有油氣圈閉和儲層還需要更加細致的工作。

還有一些沉積盆地是直接分布于印支期造山帶古老變質基底之上，包括蘇北個別凹陷、沐陽盆地等。這些盆地面積較小，下方又缺失古生代沉積地層，不利于大型油氣田的生成與儲存。但是，由于中國東部巖石圈減薄與大陸裂谷作用，仍然有一定的油氣前景。

2.2 蘇魯及鄰區的殼幔作用與金屬成礦效應

研究認為成礦作用必然有流體參與，且大部分金屬礦床，尤其是內生金屬礦床都不同程度帶有深部物質參與成礦的證據，因而成礦作用與深部流體密切相關[8]。流體是指盆地基底以下的流體，包括地幔流體和深部地殼流體。地幔流體具有大量的物質富集，也有穩定的熱源供給，這種深部流體一旦參與殼幔相互作用，并有一定的構造條件運移交換，就更有利于形成超大型礦床和礦帶。蘇魯及鄰區中生代早期華北板塊與揚子板塊之間的大陸深俯沖及其后的巖石圈巨厚減薄和殼幔相互作用導致大規模的巖漿活動，對超大型礦床的形成起了“引擎”作用。

蘇魯地區東部大規模成礦，有其深刻的深部地質過程背景，最主要的是在侏羅紀末一早白堊世初，太平洋板塊向歐亞大陸深俯沖，致使郯廬斷裂帶發生左行走滑運動，加上周邊地質體的綜合作用使地幔對流和巖石圈狀態失去平衡，在巖石圈幔內薄弱帶及巖石圈深斷裂（如郯廬斷裂帶）中部出現地幔流體上涌，高熱流物質導致富集巖石圈地幔楔部分熔融形成巖漿，幔源巖漿部分與地殼重熔的巖漿混合形成花崗閃長巖，部分巖漿在地表噴發形成侏羅紀火山巖。由于幔隆作用使深部流體沿郯廬斷裂大規模上涌并發生深部去K、Si和揮發份作用，幔源巖漿上升至地表后發生脫氣作用，脫氣后的巖漿上升過程中發生結晶分異作用并就位形成各種脈巖；脫氣作用形成的流體與廣泛淋濾圍巖的大氣降水混合、發生交換與反應，在有利的構造位置成礦。

2.3 蘇魯及鄰區的殼幔作用與超高壓變質礦產

蘇魯造山帶因出露含柯石英、金剛石包體的超高壓變質榴輝巖，受到國際地學界的廣泛關注。該造山帶的超高壓變質巖是揚子板塊俯沖于華北板塊之下大于100km的深處，經超高壓變質作用之后又很快折返出露于地表。與超高壓變質作用有關的礦產包括金剛石、金紅石與鉻鐵礦等。金剛石與金紅石是從地?？焖偕仙降乇淼牡V物，主要賦存于榴輝巖中，在蘇魯超高壓變質帶內分布廣泛。鉻鐵礦主要存在于超鎂鐵巖石中，可能與碰撞造山期的巖漿侵位有關。

2.4 長江中下游地區的深部地質作用及其成礦模式

長江中下游成礦帶，包括寧鎮、寧蕪、銅陵、廬樅、安慶、貴池、九瑞、鄂東南7個礦集區以及超過200種多金屬礦種，對中國東部經濟的發展有舉足輕重的地位。寧鎮、寧蕪礦集區位于江蘇省南部，是省內著名的礦產地[9]。成礦主要源自140～125Ma的早白堊紀的矽卡巖、斑巖等類型火成巖。在如此狹窄的區域內發生如此大規模的金屬聚集，深部必然發生了較為強烈的巖漿活動和相對復雜的動力學過程。

關于長江中下游地區成礦的深部動力學機制主要有大陸伸展、板塊俯沖和巖石圈拆沉等三種模式。大部分研究的結果更傾向于支持拆沉模式[10]，已有的深地震速度結構剖面顯示拆沉的巖石圈已下沉至上地幔底部，那么巖石圈拆沉之前應該是靠近地表并處于增厚階段。長江中下游地區的類埃達克巖石的存在為地殼增厚提供了有力證據。不僅如此，在晚三疊世—早侏羅世，由于受到古太平洋板塊北西向擠壓力作用，華南板塊的東北部產生強烈的大陸擠壓形變并導致下揚子地區的巖石圈逐漸增厚。約在早侏羅世—早白堊世，華北塊體與華南塊體發生相反方向的旋轉，大陸由擠壓向拉張轉換，導致增厚的巖石圈發生拆沉。巖石圈的拆沉可能又引起軟流圈物質的上涌和地殼的隆升。上涌的軟流圈物質發生減壓熔融，底侵在殼幔邊界和下地殼中。隨著底侵作用的增強，下地殼溫度增高并發生部分熔融，熔融的巖漿通過早期形成的斷裂上侵，導致了長江中下游地區爆發大規模的巖漿活動，并伴隨著大規模成礦作用[11]。

2.5 巖石圈減薄與地熱形成分布

江蘇省位于地幔隆起區，巖石圈相對于周邊地區較薄，厚度僅80～100km，局部（蘇魯造山帶）可達120km；明顯小于華北板塊（＞120km）和江南隆起帶（100～140km）[12]。軟流圈頂界埋深普遍偏高，發育了眾多軟流底辟。軟流圈底辟上涌，能夠造成巖石圈底部膨脹，引起淺部地殼處于拉張環境，從而形成自下而上的張裂系統。軟流圈的物質在上涌過程中伴隨一定規模的減壓熔融，溫度進一步升高，深部的熱流或熱液通過斷裂系統擴散至地殼及地表，在有利部位容易形成地熱異常及各類金屬礦產。

從江蘇及鄰區軟流圈頂面埋深圖（圖3）可以看出，軟流圈底劈（厚度小于80km）均發育在軟流圈隆起區內，根據其形態分類，有點狀底劈和線狀底劈兩種類型。點狀底劈平面上呈橢圓狀， 底劈中心分別位于鹽城和南通—上海一帶。線狀底劈位于主要沿郯廬斷裂帶分布，位于郯城—嘉山一帶。地幔上隆，地殼減薄，熱流值普遍增高，因此容易形成盆地型地熱。

圖3 江蘇及鄰區軟流圈頂界埋深Fig.3 The top boundary depth of asthenosphere beneath Jiangsu and its adjacent areas

另外，江蘇處于中國東部沿海高熱流地熱異常區，其成因與太平洋板塊對歐亞板塊的俯沖作用有關，是與俯沖帶有關的軟流圈上拱的結果。蘇北盆地又是江蘇高熱流集中分布區，屬于裂谷型盆地，是地幔上隆、地殼減薄而發生的斷陷，大地熱流及地溫梯度相對皆較高，有利于松散層的地熱水增溫蓄熱成為地熱資源[13-15]。

3 深部地質作用與災害地質

地質災害是環境地質的重要構成內容，是指地質作用為主要原因引起的自然災害、因為地質運動或自然地理條件變化造成的環境破壞過程。巖石圈結構主要是通過構造運動對地質環境產生影響的，主要表現為對殼表層新構造運動、活動斷裂、活動盆地起直接控制作用，控制地震帶的空間展布，制約環境地質分區格局，和滑坡、崩塌、泥石流、地面沉降、地裂縫等地質災害易發區的分布格局具有空間對應關系。深部地質作用的研究成果對深入研究地質環境特征具有重要意義。

3.1 深部地質作用與地震

江蘇是我國東部地區中強地震活動水平比較高的省份，也是地震致災較為嚴重的省份，歷史上曾經多次發生中強地震，是國家確定的全國24個地震重點監視防御區之一。該區由于人口稠密、城鎮密集，經濟比較發達，社會財富比較集中，一旦發生中強地震災害，其造成的損失將遠遠大于中西部地區，其可能造成的損失和影響不可低估[16-17]。因此研究地震成因與影響范圍是一項關乎民生的大工程。

地質和地球物理的研究表明，地震的孕育、形成及發生過程與地殼運動有著極為密切的內在聯系。統計表明95%以上的地震為構造地震，也就是說現代地殼運動的活躍區往往就是地震的危險區和多發區。據研究認為深部構造控制了江蘇省地震分布的區域性和條帶性[18-20]。呈現條帶狀分布的地震活動區多與深斷裂活動有關。另外重力均衡異常也與地震活動密切相關，重力失衡區是地震潛能較大的活動區。茅山地區、南黃海海域和蘇北地區都是重力失衡區，地震活動較活躍；郯廬斷裂帶也是重力失衡區，向北延伸的地段有地震背景，但是在江蘇并未發生過大震。總體來說，地殼深部結構和構造變化越大，重力均衡偏差也變化急劇，地震的活動性就越高。

有研究者利用重力資料探討下揚子區（蘇南）地殼構造與地震分布，認為區內深部構造在總體上控制了淺部構造，構造走向大體以北東向為主。區內茅山深大斷裂兩側深部構造與歷史地震分布有一定的聯系，是本區地震最活躍的深斷裂帶。茅山斷裂帶與江都—揚中斷陷的交匯部位是區內歷史地震多發地帶，亦是近期最應加強監視的地區[21-23]。

目前記錄到的江蘇及鄰區地震事件震源深度主要分布在5～20km范圍內的中上地殼，平均震源深度為12.3km。中、上地殼呈現為彈性或近似彈性，其破壞形式以脆性破裂為主，正是孕震過程中彈性積累和能量最終以突發失穩方式釋放而發生地震的基本環境條件。另外，震源深度整體呈現自東向西，從海域向陸域逐漸加深的變化特征，與江蘇及鄰區地殼由西向東逐漸減薄，莫霍面由東向西逐漸加深的特征相近[24]。

另外，江蘇及鄰區的地震具有成叢活動的特點[25]。江蘇及鄰區地震的成叢活動與臺灣地區7級以上強震有一定的呼應關系，多發生在臺灣地區7級以上強震前后。從大區域來看，我國地震活動受太平洋板塊向西擠壓和印度洋板塊向北和北東方向擠壓的聯合作用。臺灣地區位于我國大陸東南，地處環太平洋地震西帶，受菲律賓板塊和歐亞板塊的推擠作用強烈，成為我國地震頻度最高、強度最大的地區，從華北、華東至華南到臺灣地區的應力場的主壓應力軸方向大體上是NEE向或NWW向來看，華北、華南以及包括江蘇在內的華東地區地震活動可能與臺灣地區具有共同的板塊驅動力源。在這種驅動力增強，臺灣地區7級以上強震開始孕育的同時，在一個較大范圍內出現地震應力場增強和調整，從而在一些薄弱的或應力靈敏區域發生顯著地震活動和震群活動。因此，江蘇及鄰區震群活動的成叢發生不是偶然的，某種程度上可能受到臺灣地區強震孕育的影響和控制。

眾多學者從不同的研究角度出發，探討了深部地質作用對地震活動性的控制關系。地震只是地表遭到破壞的表象，其形成過程離不開深部地質結構構造的變化，因此，巖石圈和地殼深部結構探測、深部過程的研究，也是地震等地質災害監測和預報的理論性基礎。

3.2 深部地質作用與地裂縫及地面沉降

江蘇省內地勢低平，水網發育，區內與地質環境相關的地質災害頻發，主要以地面沉降和地裂縫的發育危害最大[26]。

而該類地質環境的惡化、地質災害的發生不僅與人類為了發展經濟而對地下水資源的無序、過量開采所產生的破壞作用有關，更與客觀存在的地質背景條件（基巖面起伏特征、基巖巖性、古埋藏階地、第四系地層結構的差異、含水層的結構特征等）密切相關，其中基底結構與疊加的中新代陸內斷陷盆地(地塹-地壘構造)是控制該類地質災害的重要內在因素。不同類型地質災害的形成機制，是不同影響因素，在不同地區、不同的地質背景條件下共同作用的結果。

江蘇地塹-地壘構造形成于早白堊世，可劃分為二期：早白堊世中期-古新世為多期拉張盆嶺構造形成階段；新近紀—第四紀為拉張裂谷斷陷。早白堊世以來，江蘇地區處于環太平洋構造體系域拉張應力環境下，區域內北東向與北西向斷裂構造發育，并控制發育了大量地塹地壘構造，地壘部位由于長期隆升，缺失中新生界沉積，形成基底隆起，地塹構造由于長期下陷，中新生界陸相碎屑巖快速堆積，并持續活動至上新世，形成一套白堊紀以來巨厚的類磨拉石沉積物，區域上形成基底凹陷?？刂频貕q地壘構造主體斷裂呈北東走向，該類斷裂大多是前期壓性斷裂構造的活化，活化的斷裂性質以正滑和斜滑為主。但同期或后期北西向斷裂構造也控制了地塹地壘構造的分布，或切割破壞了地塹地壘構造的連續展布。這種基底結構與中新代地塹-地壘構造不同控制了區域基巖面的強烈起伏、古埋藏階地巨大落差，也導致了區域不同基底基巖巖性和第四系地層結構的懸殊差異等，成為地面沉降和地裂縫發生、發育的最本質控制因素。

蘇錫常地區及蘇北沿海平原區是地面沉降最為嚴重的地區。截至2018年，省內累計沉降量大于200mm以上的地區已超過10000km2，占江蘇省土地面積的10%左右。雖然可以肯定地面沉降是大范圍過量開采地下水引發的嚴重地質災害，但其形成的內在因素決定于基底構造的繼承性差異沉降運動，這種差異性沉降運動對本區第四紀沉積一直發揮著主導作用[27]。它不僅塑造了前第四紀末的古地貌格架，而且還以持續緩慢沉降影響本區，致使蘇錫常地區地面高程不斷降低，由地勢較高的山丘谷地向高亢平原進而演化成濱海、湖沼洼地平原，這是主導區內第四系沉積環境發生重大轉變的重要影響因素[28]。

研究長江口地區（含江蘇東南沿海地區）地面沉降的深部動力學機制表明菲律賓洋殼向歐亞大陸的俯沖導致的地幔對流是控制中國東部沿海地區晚新生代以來構造作用的主導因素，是長江口地區地面沉降的主要深部動力學機制[29]。由于地幔對流和青藏高原擠壓共同作用導致的地殼熱流值的差異是長江口地區西部隆升、東部沉降且向東沉降速度增大的直接驅動力。

此外，在地面沉降嚴重地段，由于各種影響因素的復雜性，地面沉降不均勻發生，又由此可以引發地裂縫災害。因此，不論是從板塊構造活動引起的廣泛影響的角度出發，還是以中新生代陸內盆地演化對地面沉降的控制作用為據，都表明了地面沉降等地質災害的發生與深部地質作用密切相關。

4 結論

隨著深部探測技術的突飛猛進，深部探測結果為我們了解深部地質作用提供了更為可靠的證據，使我們對深部過程研究和資源環境形成的深部背景分析有了更多的進展。本文從深部地質作用與資源環境關系的角度出發，總結了江蘇省深部地質作用對自然資源和環境地質的影響與制約。

（1）江蘇省地跨華北陸塊區、蘇魯造山帶、揚子陸塊區三大地質構造單元，地質背景復雜，地質內容豐富。這些構造板塊的邊緣是深部地質活動強烈地帶，省內的大部分自然資源都分布在板塊邊緣及其邊界效應范圍內。越是深部地質作用強烈的地區，自然資源越容易富集。例如：蘇魯及鄰區的沉積盆地分布與深部地質構造演化密切相關；蘇魯及鄰區的金屬礦產、超高壓礦產除了與構造演化相關之外，還受深部流體運移的構造環境制約；長江中下游地區成礦的深部動力學機制可能為巖石圈拆沉模式；江蘇省地熱異常區其成因與太平洋板塊對歐亞板塊的俯沖作用有關，是與俯沖帶有關的軟流圈上拱的結果。

（2）巖石圈結構構造直接或間接地控制著地震帶的空間展布，制約環境地質的分區格局，對滑坡、崩塌、泥石流、地面沉降、地裂縫等地質災害易發區的分布格局具有空間對應關系。因此，深部地質作用的研究成果對深入研究地質環境特征具有重要意義。江蘇省深部構造控制了區內地震分布的區域性和條帶性，地震活動受太平洋板塊向西擠壓和印度洋板塊向北和北東方向擠壓的聯合作用。江蘇省地質災害主要以地面沉降和地裂縫的發育危害最大。蘇錫常地區及蘇北沿海平原區是地面沉降最為嚴重的地區。地面沉降形成的內在因素決定于基底構造的繼承性差異沉降運動，菲律賓洋殼向歐亞大陸俯沖導致的地幔對流和青藏高原擠壓共同作用導致的地殼熱流值的差異是區內西部隆升、東部沉降且向東沉降速度增大的直接驅動力。

自然資源的分布、地質災害的形成離不開深部地質作用的影響，因此，巖石圈和地殼深部結構探測、深部過程研究是資源環境勘查的理論性基礎。

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