四川盆地東西陸塊中下地殼結構存在差異

熊小松, 高銳, 張季生, 王海燕, 郭良輝,2, 3*

1 中國地質科學院地質研究所，國土資源部深部探測與地球動力學重點實驗室，大陸構造與動力學國家重點實驗室， 北京 100037 2 地下信息探測技術與儀器教育部重點實驗室(中國地質大學, 北京)， 北京 100083 3 中國地質大學(北京)地球物理與信息技術學院, 北京 100083

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四川盆地東西陸塊中下地殼結構存在差異

熊小松1, 高銳1, 張季生1, 王海燕1, 郭良輝1,2, 3*

1 中國地質科學院地質研究所，國土資源部深部探測與地球動力學重點實驗室，大陸構造與動力學國家重點實驗室， 北京 100037 2 地下信息探測技術與儀器教育部重點實驗室(中國地質大學, 北京)， 北京 100083 3 中國地質大學(北京)地球物理與信息技術學院, 北京 100083

四川盆地是中上揚子克拉通的主要組成部分.作為我國三大穩(wěn)定克拉通之一，揚子克拉通經歷了自太古代以來的長期演化，直到新元古代晚期與華夏板塊發(fā)生碰撞拼合前，一直被認為是一個穩(wěn)定的統(tǒng)一陸塊.基底包括了新太古宙-新元古代巖層，其上廣泛被新元古代晚期至顯生宙地層覆蓋，僅有～2.9—2.95 Ga基底巖石零星出露于四川盆地的西緣、西南緣和三峽地區(qū)，使得對于沉積蓋層之下的中下地殼的性質和分布規(guī)模的認識十分有限.重力異常則能夠宏觀揭示區(qū)域結構特征.本文通過刨除沉積蓋層和莫霍面起伏引起的重力異常而獲得了中下地殼的重力異常，反映了四川盆地東西陸塊中下地殼存在結構差異，結合深地震反射資料、航磁異常和地球化學資料，證實了該分界線位于重慶—華鎣一線，故而推測中上揚子克拉通在太古宙-古元古代可能存在東西兩個陸核.

四川盆地； 中下地殼； 基底； 陸核； 重力異常

1 引言

四川盆地是中上揚子克拉通的主要組成部分，航磁上表現為北東向展布的寬緩正磁異常夾弱磁異常，為揚子克拉通最穩(wěn)定的區(qū)域(包茨等，1985).揚子克拉通經歷了自太古代以來的長期演化，直到新元古代晚期與華夏板塊發(fā)生碰撞拼合前，一直被認為是一個穩(wěn)定的統(tǒng)一陸塊.基底包括了新太古宙-新元古代巖層，其上廣泛被新元古代晚期至顯生宙地層覆蓋，僅有～2.9—2.95 Ga基底巖石零星出露于揚子克拉通的西緣、西南緣和三峽地區(qū)(Greentree and Li，2008; Qiu et al.，2000; Wu et al.，2012)，使得對于基底的性質和分布規(guī)模的認識十分有限，而基底斷裂帶和結構對于沉積蓋層結構和后期構造演化具有重要的控制作用.重力方法是地球物理的主干方法之一，長期在區(qū)域地質構造研究發(fā)揮著重要作用，是宏觀刻畫基底結構的有效方法，尤其是經過各項校正得到的布格重力異常不僅包含了地殼內部各種偏離正常密度分布的礦體與構造的影響，也包括了地殼下界面起伏而在橫向上相對上地幔質量的巨大虧損或盈余的影響，橫向分辨率高，能夠用于地殼結構和地質構造的解釋研究.對盆地布格重力異常剝離沉積蓋層和莫霍面起伏引起的重力異常后，所獲得的重力異常能客觀地反映沉積蓋層以下、莫霍面以上的中下地殼的結構和構造特征.同時，深地震反射剖面是揭示巖石圈精細結構的關鍵技術，其分辨能力從淺部幾米到深部幾十米，對于我們認識克拉通的包括基底在內的深部結構提供了其他方法無法比擬的資料.本文以重力資料為主，結合航磁異常和深地震反射剖面資料等其他地球物理和地球化學資料，探討了四川盆地中下地殼結構存在差異，可能代表了太古代-早元古代以四川盆地為主要組成的中上揚子克拉通存在東西兩個陸核.

2 地質背景

四川盆地是中上揚子克拉通的主要組成部分，作為我國最復雜和最大的克拉通之一，揚子克拉通基底巖石包含太古代-早元古代結晶基底，中元古代晚期到新元古代早期褶皺帶環(huán)繞，并被新元古代中期的變質巖層和新元古代晚期未變質的巖層不整合覆蓋(Zhao and Cawood，2012)，出露的基底巖石主要是元古代巖石，太古代巖石則零星出露于揚子克拉通的西緣和北緣(圖1).隨著年代學分析技術的不斷發(fā)展，越來越多的太古代物質被確定(Jiao et al.，2009; Qiu et al.，2000; Zheng et al.，2006)，可能說明了揚子克拉通廣泛存在古老的結晶基底(Wang et al.，2013a; Zhang et al.，2006a; Zheng et al.，2006).冷家溪群和相應的巖群過去常被認為是中元古代，最新的SHRIMP(Sensitive High-Resolution Ion MicroProbe,敏感高分辨離子探針)定年則限定了其820 Ma的年齡，其上被820—750 Ma的板溪群所覆蓋.冷家溪群為一套淺變質、強變形的類復理石沉積組合，以陸源碎屑巖為主，局部夾有少量的火山巖.這套地層被命名為冷家溪群，與江西的雙橋山群、皖南的溪口群以及桂北的四堡群、貴州東北部的梵凈山群等相當，主要為一套灰色、灰綠色絹云母板巖、條帶狀板巖、粉砂質板巖與巖屑雜砂巖、凝灰質砂巖組成復理石韻律特征的淺變質巖系，地層普遍發(fā)生褶皺變形，褶皺構造主要表現為強烈的緊閉線狀褶皺；板溪群高角度不整合覆蓋于冷家溪群之上，為一套火山-沉積巖系，幾乎沒有變質，變形作用微弱，大致相當于貴州地區(qū)的下江群、廣西地區(qū)的丹洲群和皖南地區(qū)的歷口群，在板溪群的底部，往往發(fā)育底礫巖，而且僅在局部發(fā)育寬緩的褶皺構造.在巖石組合上，板溪群主要為一套成熟度較高的碎屑巖、局部發(fā)育雙峰式火山巖及凝灰?guī)r.在晉寧運動之后，揚子克拉通的褶皺基底固結，在其上沉積了厚達10 km的地層覆蓋了揚子克拉通的大部分地區(qū)，包括南華系(0.75—0.635 Ga)，震旦系(0.635—0.542 Ga)和顯生宙地層.震旦系是南華系南沱組冰磧巖之上、寒武系牛蹄塘組黑色頁巖之下的一套碳酸鹽巖和磷塊巖層序.寒武紀、奧陶紀和中下志留世為一套海相沉積，早古生代晚期，揚子克拉通經歷了隆升剝蝕，致使上志留系和中下泥盆系地層僅零星出露，晚古生代和中生代早期主要為一套濱海相-淺海相沉積，中生代中晚期以來又進入了陸相沉積(圖2).

圖1 中上揚子克拉通地質圖(改自于1∶100萬地質圖, http:∥ogc.cgs.gov.cn/地質圖)Fig.1 Geological map of the Sichuan basin and adjacent regions (modified from 1∶1000000 geological map of China, http:∥ogc.cgs.gov.cn)

3 四川盆地中下地殼重力異常

布格重力異常是地殼密度結構和區(qū)域地質構造研究的重要資料，不僅包含了地殼內部各種偏離正常密度分布的礦體與構造的影響，也包括了地殼下界面起伏而在橫向上相對上地幔質量的巨大虧損或盈余的影響，橫向分辨率高.本文通過對四川盆地及周緣深地震探測剖面的收集，重新整理并采樣插值后，獲得了莫霍面深度和沉積厚度兩個主要界面的起伏等值線圖，在此基礎上，對四川盆地布格重力異常剝離沉積蓋層和莫霍面起伏引起的重力異常，獲得反映沉積層以下、莫霍面以上的地殼內部密度不均勻體引起的重力異常.

3.1 深地震探測程度

20世紀70年代開始，在四川盆地及周緣開展了大量的深地震探測工作，包括了深地震測深、深地震反射和石油反射剖面采集，為該地區(qū)的地殼結構研究提供了基礎的研究資料(圖3).其中深地震測深最早開展，中國地震局陸續(xù)完成了“唐克—蒲江—閬中”龍門山三角剖面、“奔子欄—唐克”、“巴塘—資中”等跨越龍門山的剖面以及在渝東長江三峽地區(qū)完成了“奉節(jié)—觀音垱”等剖面(陳學波等，1988; 王椿鏞等，2003)，中國科學院在攀西地區(qū)完成了麗江—新市鎮(zhèn)、麗江—者海、長河壩—拉鲊和西昌—渡口等剖面(熊紹柏等，1993; 尹周勛和熊紹柏，1992)，中國地質科學院則在實施“臺灣—阿勒泰”地學斷面過程中，完成了貫穿四川盆地及周緣東西向的“花石峽—簡陽”“黑水—邵陽”剖面和兩條支測線：“南部—富順”和“金川—唐克”剖面(曹家敏和王有學，1997; 王有學等，2005).

圖2 上揚子地區(qū)地層柱狀圖(修改自Jia et al.，2006; Ma et al.，2007; Zeng，2010)Fig.2 Columnar section showing the ages, lithologies, thickness of stratigraphic units preserved in the Sichuan basin (complied from Jia et al., 2006; Ma et al., 2007; Zeng, 2010)

圖3 四川盆地及周緣地震剖面分布圖Fig.3 The sketch map of distribution of the deep seismic reflection profiles and wide-angle reflection and refraction profiles around the Sichuan basin

近年來，為了研究華南大陸的深部結構和演化特征，中國地質科學院陸續(xù)在四川盆地及周緣完成了多條深地震反射剖面，形成了貫穿該區(qū)域的東西向大剖面，以及在四川盆地北緣大巴山褶皺帶—秦嶺構造帶的3條剖面.同時，由于四川盆地是我國南方特別是古生界海相碳酸鹽勘探區(qū)域的重要組成部分，經歷了50多年的勘探開發(fā)，其中石油地震反射剖面在其中發(fā)揮了重要作用.同時，為了研究盆山間的結構關系，前人在龍門山褶皺帶、米倉山褶皺帶、大巴山褶皺帶、川東褶皺帶和大婁山褶皺帶等四川盆地不同盆緣分別完成了多條剖面(Burchfiel et al.，1995; Hubbard and Shaw，2009; Hubbard et al.，2010; Jia et al.，2010; Li et al.，2013; Liu et al.，2012; Lu et al.，2012; Plesch et al.，2007; Wang et al.，2013b; Yan et al.，2003, 2009; Zhou et al.，2013).3.2 莫霍面本文對寬角反射與折射地震剖面的莫霍面深度間隔5～10 km采樣，并在莫霍過渡帶位置進行了加密采樣，同時對深地震反射剖面資料獲得的莫霍面雙程走時，根據該地區(qū)的平均速度6.2 km·s-1，轉換成了深度，在此基礎上，利用克里金插值法進行了插值，編制了四川盆地及周緣造山帶的莫霍面深度圖(圖4)，結果顯示四川盆地莫霍面平均深度在40～42 km左右，在其北緣深度略深，可達44～46 km，在西緣莫霍面較淺，在 40 km 左右.

3.3 基底

在前人編制的四川盆地基底頂界面等值線圖的基礎上(Zhou et al.，2006)，我們增補了近年來完成的石油反射剖面獲得的基底頂界面深度(Burchfiel et al.，1995; Hubbard and Shaw，2009; Hubbard et al.，2010; Jia et al.，2010; Li et al.，2013; Liu et al.，2012; Lu et al.，2012; Plesch et al.，2007; Wang et al.，2013b; Yan et al.，2003, 2009; Zhou et al.，2013)，同樣通過克里金插值法獲得了四川盆地的沉積厚度圖，顯示四川盆地存在東西兩個沉積中心，沉積厚度可達10～12 km，在西南緣則存在一個基底隆起中心(圖5).

3.4 重力數據來源

本文利用地球重力場模型EGM2008(Sandwell and Smith，2009)計算了四川盆地自由空氣重力異常.EGM2008是由美國國家地理空間情報局(NGA)推出的官方版高階地球重力場模型，該模型的階次完全至2159(另外球諧系數的階擴展至2190，次為2159)，空間分辨率約為5′.由于采用了GRACE衛(wèi)星跟蹤數據、衛(wèi)星測高數據及地面重力數據等，使得該模型無論在精度還是在分辨率方面均取得了巨大的進步.該模型在海域的精度可達到1∶100萬比例尺重力勘探的要求，在中國大陸大部分地區(qū)精度可達10 mGal，可用于中等比例尺的海洋地質與資源調查和中小比例尺的大陸重力編圖與構造研究.

利用EGM2008模型，我們計算了四川盆地自由空氣重力異常(網度為10 km)，然后按照區(qū)域重力調查規(guī)范作地形校正和布格校正(中間層校正)，得到四川盆地布格重力異常數據(網度為10 km)，最后利用優(yōu)化濾波法(Guo et al.，2013; 郭良輝等，2012)有效壓制數據中的高頻噪聲干擾，較好保留有效布格重力異常信息，結果見圖6所示.四川盆地布格重力異常呈中間高、周圍低的特征，走向北東，幅值-299～-80 mGal，同前人的研究結果一致(江為為等，2001).其中盆地中部呈現走向北東的異常高值圈閉，而向盆地邊緣異常逐漸降低，并分布有串珠狀或團塊狀的局部異常高，反映盆地中部存在古老基底隆起，及盆地中下地殼隱伏斷裂帶的存在和重要控制作用.在盆地西北角的龍門山斷裂帶及西南角鄰區(qū)異常較低，反映這些地區(qū)莫霍面變深、地殼增厚.本文同時用1∶100萬較高精度重力資料進行了檢驗，兩者在數據網格和異常結果與衛(wèi)星數據一致，證明了本次結果的可靠性.

圖5 四川盆地沉積蓋層厚度等值線圖Fig.5 The sedimentary cover thickness contour map of the Sichuan basin

圖6 四川盆地及周緣布格重力異常等值線圖Fig.6 The gravity anomaly contour map of the Sichuan basin and adjacent regions

3.5 中下地殼重力異常

根據四川盆地區(qū)域巖礦石密度特征(屈燕微，2008)，本文取沉積蓋層平均密度為2.55 g·cm-3，結晶基巖平均密度取為2.8 g·cm-3，莫霍面以上的下地殼平均密度取為2.9 g·cm-3，上地幔平均密度取為3.3 g·cm-3.然后，根據四川盆地的莫霍面深度信息(圖4)和沉積基底深度信息(圖5)，采用頻率域正演方法(Parker，1973)分別正演計算盆地的莫霍面重力異常和沉積蓋層重力異常.之后，對去噪后的盆地布格重力異常(圖6)減去莫霍面重力異常和沉積蓋層重力異常，最終獲得的剩余重力異常稱之為中下地殼重力異常，見圖7所示，結果顯示盆地中下地殼重力異常呈東西分塊的特征，幅值-32～206 mGal.沿重慶—華鎣一線，西部明顯有南北兩個高重力異常圈閉，以內江、遂寧、南充和達州為中心，走向北東，異常值可達170 mGal左右，而在東側則顯示了一個高重力異常圈閉，走向北北東，異常達190 mGal左右(圖7).因此，重慶—華鎣一線東、西兩側異常特征不同，從東向西異常圈閉變窄，軸向特征有差異，反映沿線兩側地殼結構存在差異，而重慶—華鎣一線是兩側高異常圈閉的銜接帶，異常相對低些，走向北東，反映沿線深部可能存在隱伏斷裂帶，將重慶—華鎣一線兩側分割為兩個不同的古陸塊.

4 討論

重力異常結果顯示四川盆地內部的中下地殼可能存在東西分塊的特征，應該在新元古代南華系沉積之前具有不同的基底物質.同時，航磁異常代表了實測磁場總強度與背景場強度之差，突出了區(qū)域異常的分布特征，客觀上反映了重要的區(qū)域構造輪廓，是了解盆地基底結構、劃分構造單元最有效的地球物理方法之一.前人的航磁異常結果顯示在重慶—華鎣一線西側以四川南充和達川為高航磁異常中心，而東側則以貴州石柱為高航磁異常中心(Zhang et al.，2013; 谷志東和汪澤, 2004; 成谷志東等，2014；圖8).航磁正異常一般揭示變質結晶基底的區(qū)域特征，因此該區(qū)域的航磁異常特征指示了四川盆地基底并不統(tǒng)一(谷志東和汪澤成，2014).同時，前人在四川盆地東北緣和西北緣報道的太古宙-古元古代片麻巖的地球化學特征顯示(圖9)，位于四川盆地東北緣三峽地區(qū)出露的崆嶺雜巖呈現明顯的TTG巖系特征(Gao et al.，1999; Zhang et al.，2006b)，而西北緣出露的后河雜巖和魚洞子雜巖則呈現鈣堿性的島弧特征(Wu et al.，2012; 張宗清等，2001)，同樣揭示了在四川盆地東西兩側存在不同巖系特征的古陸核.并且近期完成的四川盆地—雪峰山深地震反射剖面在川東褶皺帶段中下地殼內顯示，在重慶附近發(fā)育一系列自西向東自中下地殼延伸至上地幔的反射波組(圖10)，一般認為在顯生宙和元古代沉積蓋層之下的中下地殼到上地幔的傾斜反射體常常是由于從頂部進入到上地幔的榴輝巖化的板片的俯沖作用(Morgan et al.，1994)或者是插入地幔的下部板片導致的逆沖作用所致(Calvert et al.，1995).因此該研究區(qū)發(fā)現的自西向東傾的中下地殼-上地幔反射波組可能代表了中上揚子克拉通(以四川盆地為主)在新元古代之前存在一期弧陸碰撞事件，而后四川盆地作為穩(wěn)定的中上揚子克拉通主體，保留了早期的東西陸核特征和碰撞形跡.

5 結論

本文通過四川盆地及周緣地震資料的采樣插值獲得了四川盆地的蓋層厚度分布圖和莫霍面深度圖，而后對四川盆地布格重力異常剝離沉積蓋層和莫霍面起伏引起的重力異常，所獲得的中下地殼重力異常結果顯示在四川盆地內部沿重慶—華鎣一線東西兩側存在不同的結構特征，結合航磁異常資料、出露的基底巖石的地球化學特征和深地震反射剖面顯示的精細深部信息，認為四川盆地可能存在東西兩個陸核，具有不同的基底物質.

致謝 論文成稿過程中得到了李秋生、盧占武、李文輝和龔辰等人的幫助，特致謝意.

圖7 四川盆地及周緣中下地殼重力異常等值線圖 黑色虛線指示了四川盆地內部中下地殼東西兩側結構不同.Fig.7 The middle-lower curstal gravity anomaly of the Sichuan basin and adjacent regions The black dash line indicates the distinctive difference between the western and eastern parts.

圖8 川東褶皺帶及周緣地區(qū)航磁異常 (Zhang et al.，2013)Fig.8 Aeromagnetic anomaly in the East Sichuan fold belt and periphery areas (Zhang et al., 2013)

圖9 東西揚子陸塊太古代-古元古代雜巖(Gd/Yb)N-Eu/Eu*和Eu/Eu*-Rb/Sr圖解 西揚子陸塊的魚洞子雜巖和后河雜巖呈現典型的鈣堿性花崗質巖石特征，東揚子陸塊的崆嶺雜巖則顯示典型的TTG巖系特征，魚洞子雜巖地球化學數據來源于張宗清等(2001)，后河雜巖地球化學數據來源于Wu等(2012)，崆嶺雜巖地球化學數據來源于Gao等(1999)和Zhang等(2006b)，全球TTG來源于Kemp和Hawkesworth (2005).Fig.9 The Eu/Eu* vs. (Gd/Yb)N and Rb/Sr vs. Eu/Eu* diagrams of Archean-Paleoproterozoic complexs in east and west Yangtze blocks The Yudongzi complex and Houhe complex (West part) show TTG characteristics, while Kongling complex (East part) shows typical calk-alkaline granitoids. The Yudongzi complex field is from Zhang et al.(2001) the Houhe complex field is from Wu et al. (2012), the Kongling TTG field is from Gao et al. (1999) and Zhang et al. (2006b), while the global TTG field is from Kemp and Hawkesworth (2005).

圖10 川東褶皺帶深地震反射剖面中下地殼主要反射特征(位置見圖1)Fig.10 The main middle-lower crustal reflectors of the deep seismic profile across the east Sichuan fold belt (location is seen in Fig.1)

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(本文編輯 何燕)

Differences of structure in mid-lower crust between the eastern and western blocks of the Sichuan basin

XIONG Xiao-Song1, GAO Rui1, ZHANG Ji-Sheng1, WANG Hai-Yan1, GUO Liang-Hui1,2,3*

1StateKeyLaboratoryofContinentalTectonicsandDynamics,KeyLaboratoryofEarthprobeandGeodynamics,MLR,InstituteofGeology,ChineseAcademyofGeologicalSciences,Beijing100037,China2KeyLaboratoryofGeo-detection(ChinaUniversityofGeosciences,Beijing),MinistryofEducation,Beijing100083,China3SchoolofGeophysicsandInformationTechnology,ChinaUniversityofGeosciences,Beijing100083,China

The Sichuan basin is the main part of the middle-upper Yangtze craton, which has been experienced a long-term tectonic evolution since Archean. It is regarded as a stable block until the collision with the Cathaysia block in late Neoproterozoic. As one of the largest and most complex Archean cratons in China, the Yangtze craton consists of Archean-Paleoproterozoic crystalline basement (mostly covered) outcropped in the western and southwestern margins and the three George area surrounded by late Mesoproterozoic to early Neoproterozoic fold belts, which are locally unconformably overlain by middle Neoproterozoic weakly metamorphosed strata and late Neoproterozoic unmetamorphosed Sinian and Phanerozoic cover. These strata limit the understanding of the nature and distribution characteristics of the middle-lower crust beneath the sedimentary rocks. Gravity anomalies can reveal the overall regional structure. In this paper we obtain the middle-lower crustal gravity anomalies by removing the gravity anomalies induced by the sedimentary rocks and the mantle beneath the Moho.Gravity anomalies measured on the surface have many possible origins, including deposits, structures, mass excess or defect caused by interfaces in the crust. First, we obtain the Moho depth and sedimentary thickness contours from resampling and interpolating the deep seismic profiles collected. Then we obtain the middle-lower crustal gravity anomalies by removing the gravity anomalies induced by the sedimentary rocks and the mantle beneath the Moho.The middle-lower crust of the Sichuan basin has gravity anomalies ranging form -32 to 206 mGal, unevenly distributed. It can be divided into western and eastern parts bounded by the Chongqing-Huaying line. In the western part, there are two high gravity anomaly closures, centered at Neijiang-Suining and Nanchong-Dazhou, respectively. The maximum anomaly value reaches 170 mGal. In the eastern part, there is only one anomaly closure with 170 mGal as the highest value. Therefore, the gravity anomaly structures of the Sichuan basin on either side of the Chongqing-Huaying line are different.Combined with the deep seismic reflection profiling and other geochemical and geophysical data, we propose that the boundary of mid-lower crust between the eastern and western parts is along the Chongqing-Huaying line, which may indicate that there are two continental nucleuses beneath the Yangtze block.

Sichuan basin；Middle-lower crust；Basement；Continental nucleuse；Gravity anomaly

10.6038/cjg20150718.

國家自然科學基金項目(41104056，41374093，41274097)和中國地質科學院地質研究所基本科研業(yè)務費(J1119)聯合資助.

熊小松，男，1983年生，助理研究員，博士，從事大陸巖石圈結構與演化研究工作. E-mail: benxung@126.com; xung@cags.ac.cn

*通信作者 郭良輝，男，副教授，從事勘探地球物理與巖石圈構造物理領域的教學與科研工作. E-mail: guo_lianghui@163.com

10.6038/cjg20150718

P313

2014-03-28，2015-06-18收修定稿

熊小松, 高銳, 張季生等. 四川盆地東西陸塊中下地殼結構存在差異.地球物理學報，58(7):2413-2423,

Xiong X S, Gao R, Zhang J S, et al. Differences of structure in mid-lower crust between the eastern and western blocks of the Sichuan basin.ChineseJ.Geophys. (in Chinese),58(7):2413-2423,doi:10.6038/cjg20150718.