Question

山东半岛城市群地区地壳稳定性与地震分析简述

Answer 1

1.地质环境演化

山东地区在新太古代中期(阜平运动2600Ma)以后到中新元古代时期为陆壳固结后形成稳定地块向刚性发展的阶段。早震旦世时，全区仍处于稳定隆起阶段，只有沂沭海峡地区下沉接受海相沉积。晚震旦世到早寒武世时，接受华北陆表海沉积。早奥陶世时，为NNE向断裂，使烟台—青岛一带成为陆地。晚奥陶世，山东地域抬升为华北古陆，一直持续至早石炭世，都属华北古陆。这个时期，受加里东期构造运动的影响，寒武系—奥陶系的碳酸盐岩发生古岩溶作用，这也是华北普遍发育古岩溶的时期。

晚石炭世，青岛一带有NE向古陆出现，山东其他地域仍然是华北滨浅海。早二叠世，青岛—烟台一带为山地，其他地区则为华北盆地，为海陆交互含煤、碎屑及碳酸盐岩的沉积。直至晚二叠世，仍为华北盆地及古陆，内陆盆地有河湖相沉积。早三叠世，烟台—济南的东南部为古陆，其他地区仍为华北盆地。晚中三叠世，上升为华北高地，直至早白垩世，山东地域仍属于华北高地，但青岛及部分胶州湾地域成为内陆盆地。晚白垩世，山东地域分属NNE向苏北盆地及华北盆地。古近纪，苏北盆地缩小，华北盆地扩大;新近纪，华北盆地与苏北盆地沟通，在济南的北—西南—东南一带，形成马蹄形近海盆地，有河湖相沉积。

早更新世时山东地域仍然属盆地，有河流砂砾沉积及淡水湖相沉积。晚更新世时，青岛—烟台—济南为古陆，其他地区为海陆交互沉积。

从上述地质环境演化过程看，在元古宙时就有泰山杂岩的沉积，有火成岩生成，寒武纪—中奥陶世的碎屑－碳酸盐岩广泛发育，而后上升为陆，而有古岩溶发育，直至晚石炭世。而后，山东地域出现沉降与隆升的变化，古陆与盆地分异出现，但浅海、滨海的盆地分布面积较广，烟台—青岛一带，相对成为陆地的时间较长。

目前，主要受构造因素控制的山东半岛地区的地貌景观如图4所示。

2.环渤海地区地壳构造稳定性分析

地球有岩石圈、水圈、大气圈和生物圈4个圈层。岩石圈主要是指地球最外层的固体硬壳。岩石圈的厚度有多大，界面在何处，这方面的认识是随着人们对地球认识的加深而发展的。1909年在南欧发现地下50多千米处存在一个界面，被称为莫霍面，也被作为地壳的底部界限，莫霍面以下被认为是地幔。早期在地壳中也划分出硅铝层和硅镁层。1925年，在沉积岩底部和莫霍面之间，又发现地震波速度明显改变的界面，称为康拉德面，作为硅铝层和硅镁层的界限。以往，也把岩石圈的下部界面定在莫霍面。20世纪60年代以来，大量地球物理勘探资料证明了20年代古登堡(B.Gutenberg)的分析(Birch，1952)，认为在地表以下100～200km范围内，存在着一个地震波的低速层。以往认为，地壳厚度(莫霍面以上)，在青藏高原达60km，平原地区为20～40km，大洋盆地只有5～8km;在大洋的洋脊位置，大量地幔物质上涌。后来的地震波速资料表明，在60～250km范围内，有比其上、下岩体更软的物质存在，就是软流圈。软流圈的上部界限，就是低速层的上部界限，也就是地幔上部的一个界面，目前多数学者也将它作为岩石圈的下部界限。软流圈厚度多大，目前尚无定论。软流圈中有固相、液相及气相3种物质构成的三相流，与矿产资源形成、地质灾害的发生具有密切关系。软流圈结构示意见图5(卢耀如，1999)。

莫霍面以下的温度梯度为12℃/km，莫霍面温度约为500～700℃，软流圈上的开放系统在洋底出露。据夏威夷等地岩浆喷发的研究表明，来自地下深处的玄武岩温度达1200～1300℃。原生岩浆形成于50～200km，即软流圈活跃的位置。软流圈是大规模岩浆活动的发源地，全球性洋底扩张运动，显示了软流圈的作用。软流圈热量来自放射性元素蜕变，也来自地幔的热扩散、热对流与热传导。软流圈中的物质来源于下地幔物质圈层分化出的水和挥发性物质，也来源于造山带底部，即软流圈对岩石圈内界面产生的内侵蚀作用，使岩石圈被侵蚀与熔融而成为软流圈的组分。被侵蚀熔融的岩石圈物体厚度，估计达几百千米，而岩石圈又在高温熔融状态的软流圈上漂移，这就是岩石圈中板块运动的机理。据均衡原理推断下，山体及厚岩石圈部位就要更多地沉入软流圈中(类似阿基米德定律)。这样，软流圈与岩石圈的内界面，就必然要不断发生熔融与侵蚀。岩石圈与软流圈的相互作用，使产生气－液－固的三相流的流场不断变化，加上海底扩张与火山喷发，导致软流圈和岩石圈不断产生变化，形成平衡－不平衡－平衡－不平衡的循环状态，导致一系列地质作用的活跃，以及水文地质条件的变化。

软流圈中的矿物成分，主要是橄榄石、斜长辉石、单斜辉石和石榴子石。岩石圈随深度和压力的不同，生成的矿物也不同，大陆岩石圈比大洋岩石圈厚，平均达120km，大陆玄武岩质岩浆主要形成于100～150km的软流圈中。

软流圈的下部与下地幔的界面尚未确定，上地幔黏滞度在1020～1021mPa·s(McCon-nell，1968)，下地幔物质的黏滞度推测为10²²～10²⁴mPa·s(Walcott，1993)，而软流圈为4×10¹⁸～6×10²⁰mPa·s。下地幔分异作用，向软流圈提供水和挥发物，造成软流圈的低黏滞度，增大其流动性。另一方面，软流圈中物质也可以沉入下地幔中，下地幔物质成分分为金属硫化物和氧化物，底部镁和镍成分增长。由于地球演化中，重的物质向深部分异积聚，所以下地幔也是提供矿床元素的源地。下地幔中铁、镁硅酸盐矿物逐渐由疏堆积结构变为密堆积结构，而生成高压型氧化物如MgO、FeO、SiO₂等，这些成分向上运移，又密切影响到碳酸盐岩的岩石变化，如产生白云岩化、硅化等作用(牛文元，1981;林伍德，1981)。

图4 山东半岛城市群地区地貌略图 （据山东省国土资源厅）

图5 软流圈结构示意图(据卢耀如，1999)

在高山及板块相撞造山带，由于岩石圈沉入软流圈中较深，使软流圈中流动的三相流(固、液、气)物质受阻，在高温高压下，对岩石圈产生内侵蚀作用，并有部分为固体流，增大黏滞性，对邻近地带又会产生内吸附作用，内增生作用加大了地壳的厚度，又相应引起地壳的沉浸，产生沉陷、沉降现象。这种三相流作用，是产生构造变化、引起地壳隆起与沉降的重要原因，也是火山喷发、地震等灾害的发源地。

环渤海地区莫霍面深度变化不太大(田德培，2005)，山东半岛地区莫霍面深度为30km左右，表明这一地带的地壳中三相流活动带位置较浅。环渤海地区的莫霍面等深线见图6。

环渤海地区构造带分布情况见图7。

3.山东半岛城市群地区地壳构造与地壳稳定性分析

前节已略述山东地区的地质环境与构造运动的演化概况。需着重指出山东地区燕山运动的影响也是显著的。白垩纪后有海盆－陆地的变迁，并有许多断裂构造继承发育，生成新的构造形迹。对山东全省而言，特别是对半岛城市群地区而言，郯庐断裂带是最主要的活动断裂带。

郯庐断裂带为郯城至庐江的断裂带，是我国东部大陆边缘的一条巨型断裂带，总体呈NNE走向，绵延超过2400km。该断裂带跨越了具有不同演化历史的东北吉黑地块、华北板块及大别山－苏鲁构造带，其形成与演化对中国东部中生代以来沉积岩相与古地理环境、岩浆作用，以及金属矿产和油气田生成，都具有密切的关系。郯庐断裂带发生于印支末期华北板块与华南地段拼接的过程中，该断裂带主要表现为中下地壳左行韧性剪切变形。燕山期为其主要活动时期。

图6 环渤海地区莫霍面的深度等值线图(据田德培，2005)

图 7 环渤海地区活动构造带分布简图( 据田德培，2005)

郯庐断裂带实际上起于湖北武穴( 原称广济) 的长江北岸，经安徽的宿松、潜山、庐江、嘉山，江苏的泗洪、宿 迁，山 东 的 郯 城、沂 水、潍坊，过渤海湾，穿越东北 3 省，延至黑龙江的逊克一带，进入俄罗斯境内。郯庐断裂带可分为 3 段: 北段，断裂带以分支断裂组成为特征，包括敦化 － 密山断裂、依兰 － 依通断裂带、松辽平原东 － 逊克、孙吴一带断裂; 中段，为沂沭断裂，由 4 条大致平行的主干断裂组成 ( 图 8) ; 南段，由嘉山 － 庐江断裂和五河 － 合肥断裂构成东西向主干断裂。

郯庐断裂带中段由 4 条大致平行的主干断裂组成，自东向西分别为昌邑 － 大店断裂带、安丘 － 莒县断裂带、沂水 － 汤头断裂带和唐吾 － 葛沟断裂带。前人测得的郯庐断裂带古应力值 σ1－ σ3为 29. 1 ～ 176. 3MPa。郯庐断裂带及其邻区韧性变形古应力值为 40. 35 ～118. 83MPa。国内外其他著名活动断裂带 σ1－ σ3为 20 ～ 150MPa( 美国、法国、澳大利亚、苏格兰等)( 王小凤，2002) 。

郯庐断裂带在早期 ( 燕山期前)普遍的韧性变形之后 ( 燕山期以后)主要为脆性破裂或脆性变形。用岩石声发射性法( AE 法) 估算郯庐断裂带地区岩石变形所经历的各期构造主应力值为 51. 3 ～192. 8MPa，抗压强度为 87. 6 ～240. 7MPa。郯庐断裂带韧性变形主应力 σ1方向见表 1。

除了受郯庐断裂带影响之外，整个山东省处于二级构造单元，华北坳陷、鲁西隆起和鲁东隆起和胶南 － 威海造山带影响之下。

4. 地震活动概况

根据上面所述，显然郯庐断裂带在全新世仍有活动，集中于莒县上岭至泗洪县孙牌，全长约200km，其中 F5断裂于1668 年发生8级地震，近代破裂方式为挤压兼右旋走滑。郯庐断裂带的西支唐吾 － 葛沟断裂带及沂水 － 汤头断裂带，也有晚更新世活动的证据，为右旋走滑; 在沂水、潍坊间有大量晚新生代玄武岩喷发。在鲁西南地区，蒙山山区断裂带和苍尼断裂带于晚更新世时期也有过活动。

图 8 郯庐断裂带中段结构图( 据郭振一等，1985)

表1 郯庐断裂带地区韧性变形主压应力σ₁方向一览表

(据王小凤，2002)

山东半岛一系列盆地的形成都与构造与断裂带活动密切相关，多数盆地，大者如沂原盆地、临朐盆地、莒县盆地、黄县盆地等，于早更新世都有构造活动，但逐渐减弱，个别于全新世时仍有活动，如莒县盆地。

从区域地震情况分析，与山东半岛城市群地区地壳稳定性及地震密切相关的，除了郯庐断裂带之外，尚有南黄海地震构造带及燕山－渤海地震构造带。

南黄海地震带主要为NW—NNE及NW—NNW向第四纪活动断裂控制，7、8级地震带位于两组断裂交汇处，6级地震带位于构造带一定部位。

燕山－渤海地震构造带，主要体现为渤海－威海强震带及诸城－惠民中强地震带。前者，受NW及NWW向断裂带控制，新近纪以来发展形成的新活动断裂带，在渤海中部横切郯庐断裂带，为7级大地震多发带，强度大、频率高;后者受益都断裂、双山－李家庄断裂带控制，曾发生临朐

山东半岛城市群地区地质－生态环境与可持续发展研究

级地震。

山东半岛地区地震震源及深度见图9。

图9 山东半岛城市群及附近地区现代地震源深度分布图(1970～2005.12)(据山东省地震局)

5.山东半岛城市群地区地震规律探索

(1)地震的带形性和群集性

从1480～2005年的观测记录来看，山东半岛地区发生的M_S4.7级以上地震，受活动断裂带影响明显，呈现出成带性特征，在大构造交汇处，出现强震，且会继承发育，而呈现出群集性。山东半岛城市群地区M_S＞4.7级地震的震中分布与构造分析见图10。

图10 山东半岛城市群及附近地区M_S＞4.7级地震震中分布(1480～2005年)

根据有关地震监测资料，1480～2005年郯庐断裂带及山东半岛地区M_S＞5级和M_S＞6的地震情况，见表2及表3。

表2 郯庐断裂带(1480～2005)M_S＞5级的地震幕式活动

表 3 山东半岛城市群及附近地区与华北地区的地震幕式活动关系

(2)地震综合情况

山东半岛地区综合地震情况见图11，图上表示整个半岛区都处在地震裂度Ⅶ度以上的地区内，最高达Ⅺ度，莒县部分，日照、五莲、诸城、安丘等地处在Ⅸ度内，Ⅷ度区也有较高比例。

图11 山东半岛城市群地区地震综合等震线图(据山东省地震局)