華北克拉通東北邊界帶巖石圈電性結(jié)構(gòu)及其深部流體分布定量研究

董澤義

(中國地震局地質(zhì)研究所， 北京100029)

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華北克拉通東北邊界帶巖石圈電性結(jié)構(gòu)及其深部流體分布定量研究

董澤義

(中國地震局地質(zhì)研究所， 北京100029)

華北克拉通東北邊界帶由北部的中亞造山帶與南部的華北克拉通構(gòu)成， 該區(qū)域?qū)儆诠艁喼扪笈c太平洋域的疊合部位。 顯生宙以來， 中亞造山帶與華北克拉通經(jīng)歷了多階段的構(gòu)造演化， 尤為顯著的是， 在晚中生代到新生代時(shí)期內(nèi)， 華北克拉通經(jīng)歷了廣泛而強(qiáng)烈的巖石圈構(gòu)造活化， 其東部巖石圈發(fā)生了大規(guī)模的減薄。 為了更好地理解華北克拉通與中亞造山帶的構(gòu)造演化過程， 在國家自然科學(xué)基金的支持下， 本文利用大地電磁測(cè)深法沿一條起于中亞造山帶， 分別穿過了西拉木倫河斷裂帶、 南北重力梯度帶、 燕山褶皺帶、 郯廬斷裂帶， 止于遼東半島的長約1200 km的NW-SE走向剖面開展了深部結(jié)構(gòu)探測(cè)研究。 作者通過數(shù)據(jù)采集、 處理與分析和反演， 獲得了沿剖面的地下深部二維電阻率結(jié)構(gòu)； 結(jié)合研究區(qū)的地質(zhì)以及其他地球物理觀測(cè)資料， 對(duì)獲得的電性結(jié)構(gòu)特征進(jìn)行了分析與地質(zhì)解釋； 基于電阻率模型， 利用實(shí)驗(yàn)室?guī)r石電導(dǎo)率研究結(jié)果， 估算了巖石圈地幔流體含量； 綜合電性結(jié)構(gòu)特征、 估算的流體含量與其他地球物理和巖石學(xué)的研究， 探討了華北克拉通破壞的機(jī)制及動(dòng)力學(xué)過程。 本論文主要研究內(nèi)容和取得的成果概述如下：

(1) MT數(shù)據(jù)采集、 處理與分析。 沿剖面共采集到48個(gè)測(cè)點(diǎn)的寬頻帶大地電磁測(cè)深數(shù)據(jù)， 為了達(dá)到巖石圈尺度的探測(cè)深度， 在其中11個(gè)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行了長周期大地電磁觀測(cè)。 采用帶遠(yuǎn)參考道的Robust技術(shù)對(duì)寬頻帶數(shù)據(jù)與長周期數(shù)據(jù)的時(shí)間序列進(jìn)行了處理， 獲得了高質(zhì)量的大地電磁張量阻抗數(shù)據(jù)， 并對(duì)既有長周期觀測(cè)數(shù)據(jù)又有寬頻帶觀測(cè)數(shù)據(jù)的測(cè)點(diǎn)， 進(jìn)行了數(shù)據(jù)的拼接。 采用GB張量分解、 相位張量及感應(yīng)矢量分析技術(shù)對(duì)數(shù)據(jù)的維性及電性主軸方位進(jìn)行了詳細(xì)的分析， 結(jié)果表明， 沿剖面的數(shù)據(jù)具有較好的二維性， 能夠利用二維反演方法來近似解釋， 同時(shí)結(jié)合區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造走向確定了沿剖面的電性主軸方位。 將沿剖面所有測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)旋轉(zhuǎn)到電性主軸方位， 并確定了大地電磁數(shù)據(jù)的TE與TM兩種極化模式， 對(duì)旋轉(zhuǎn)后不同極化模式的數(shù)據(jù)作了定性分析， 了解了沿剖面視電阻率與相位的變化情況。

(2) MT數(shù)據(jù)二維反演。二維反演前， 采用一維Rhoplus反演擬合對(duì)數(shù)據(jù)質(zhì)量進(jìn)行了評(píng)估， 剔除了受干擾影響較嚴(yán)重的數(shù)據(jù)。 采用非線性共軛梯度算法對(duì)編輯后的數(shù)據(jù)進(jìn)行了二維各向同性反演。 在反演過程中， 通過選用不同反演極化模式數(shù)據(jù)、 不同旋轉(zhuǎn)角度、 不同正則化因子及不同數(shù)據(jù)誤差門檻值， 進(jìn)行了大量的二維反演。 經(jīng)過對(duì)大量反演模型的比較與模型驗(yàn)證， 最終選擇了正則化因子為3， TE模式數(shù)據(jù)的視電阻率與相位的誤差門檻分別為20%、 5%， TM模式數(shù)據(jù)的視電阻率與相位的誤差門檻分別為10%、 5%， Tipper的誤差門檻為0.05， 經(jīng)過迭代200次， 總的數(shù)據(jù)擬合均方差為2.57的反演模型為最可靠的地下電阻率模型。 另外， 利用非線性共軛梯度二維各向異性MT反演代碼， 對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行了二維各向異性反演， 二維各向異性電阻率模型基本與各向同性反演模型一致， 但是， 在郯廬斷裂存在平行于剖面方向的電性各向異性。

(3) 電阻率模型解釋。 結(jié)合地質(zhì)學(xué)和其他地球物理觀測(cè)數(shù)據(jù)， 對(duì)二維各向同性反演的電阻率模型進(jìn)行全面分析解釋與構(gòu)造涵義討論。 二維電阻率模型顯示， 在索倫山縫合帶的中下地殼存在一個(gè)北西傾向的低阻層， 可能代表著北部西伯利亞板塊與南部華北克拉通最終縫合的位置， 該低阻層可能是由富硫的石墨薄層形成。 剖面西北段中亞造山帶與東南段華北克拉通的上地幔電阻率呈現(xiàn)明顯的差異性， 中亞造山帶的電阻率值相對(duì)較高(300～1000 Ω·m)， 而華北克拉通的電阻率值相對(duì)較低(10～100 Ω·m)， 電阻率整體上的減小可能與華北克拉通上地幔具有較高的溫度和富含流體有關(guān)。 沿剖面上地幔存在3個(gè)局部低阻體， 分別位于西拉木倫河斷裂、 南北重力梯度帶和郯廬斷裂帶附近， 它們可能由水與部分熔融形成的， 與軟流圈的物質(zhì)上涌有關(guān)。

(4) 上地幔流體含量的估算。 基于獲得的二維電阻率模型， 利用實(shí)驗(yàn)室?guī)r石電導(dǎo)率研究成果、 改進(jìn)的阿爾奇公式和上地幔的溫度結(jié)構(gòu)， 對(duì)中亞造山帶與華北克拉通兩個(gè)典型測(cè)點(diǎn)上地幔40～100 km深度范圍的含水量與部分熔融份數(shù)進(jìn)行了估算。 對(duì)于中亞造山帶測(cè)點(diǎn)， 55～65 km深度以上觀測(cè)的電阻率需要由含水與部分熔融來解釋， 而這個(gè)深度以下， 僅僅含水就可以解釋觀測(cè)的電阻率值， 且55～65 km的含水量高達(dá)800～1000 ppm， 說明在這個(gè)深度中亞造山帶巖石圈發(fā)生了水化， 但隨著深度增加， 含水量明顯減小。 而對(duì)于華北克拉通的測(cè)點(diǎn)， 在40～100 km深度觀測(cè)到電阻率需要由含水與約1%的部分熔融來解釋， 并且在100 km深度的水含量達(dá)500 ppm， 明顯高于穩(wěn)定克拉通的含水量。 比較沿剖面的上地幔的水與部分熔融份數(shù)， 無論是含水量還是部分熔融份數(shù)， 華北克拉通都要高于中亞造山帶的值， 暗示華北克拉通遭到了強(qiáng)烈的水化并導(dǎo)致了部分熔融的發(fā)生。

(5) 華北克拉通破壞的動(dòng)力學(xué)過程與機(jī)制。 綜合電性結(jié)構(gòu)特征、 估算的上地幔流體含量和其他地球物理、 地球化學(xué)數(shù)據(jù)分析表明， 本文研究區(qū)的華北克拉通的巖石圈發(fā)生減薄并呈現(xiàn)空間不均一性， 并且不同地點(diǎn)減薄機(jī)制可能不同， 燕山造山帶以拆沉作用為主， 而郯廬斷裂帶附近可能以熱侵蝕作用為主； 華北克拉通巖石圈的高含水量與部分熔融份數(shù)可能與西太平洋板塊的俯沖有關(guān)， 俯沖板塊的脫水作用釋放了大量水上涌至華北克拉通， 使巖石圈地幔發(fā)生強(qiáng)烈的水化， 同時(shí)水的增加導(dǎo)致了巖石發(fā)生部分熔融， 進(jìn)一步使巖石圈的強(qiáng)度減低， 最終導(dǎo)致巖石圈發(fā)生拆沉或侵蝕而遭到破壞。 從這個(gè)角度來說， 華北克拉通破壞的主要?jiǎng)恿W(xué)因素可能是西太平洋板塊的俯沖。

關(guān)鍵詞華北克拉通； 中亞造山帶； 克拉通破壞； 大地電磁測(cè)深； 水含量； 部分熔融

(作者電子信箱， 董澤義： dongzy09@gmail.com)

中圖分類號(hào)：P631.3；

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A；

doi:10.3969/j.issn.0235-4975.2016.05.013