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構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成， 該區(qū)域屬于古亞洲洋與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)歷了多階段的構造演化， 尤為顯著的是， 在晚中生代到新生代時期內(nèi)， 華北克拉通經(jīng)歷了廣泛而強烈的巖石圈構造活化， 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造演化過程， 在國家自然科學基金的支持下， 本文利用大地電磁測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構探測研究。 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構； 結合研究區(qū)的地質(zhì)以及其他地球物理觀測資料， 對獲得的電性結構特征進行了分析與地質(zhì)解釋； 基于電阻率模型， 利用實驗室?guī)r石電導率研究結果， 估算了巖石圈地幔流體含量； 綜合電性結構特征、 估算的流體含量與其他地球物理和巖石學的研究， 探討了華北克拉通破壞的機制及動力學過程。 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個測點的寬頻帶大地電磁測深數(shù)據(jù)， 為了達到巖石圈尺度的探測深度， 在其中11個測點進行了長周期大地電磁觀測。 采用帶遠參考道的Robust技術對寬頻帶數(shù)據(jù)與長周期數(shù)據(jù)的時間序列進行了處理， 獲得了高質(zhì)量的大地電磁張量阻抗數(shù)據(jù)， 并對既有長周期觀測數(shù)據(jù)又有寬頻帶觀測數(shù)據(jù)的測點， 進行了數(shù)據(jù)的拼接。 采用GB張量分解、 相位張量及感應矢量分析技術對數(shù)據(jù)的維性及電性主軸方位進行了詳細的分析， 結果表明， 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， 同時結合區(qū)域地質(zhì)構造走向確定了沿剖面的電性主軸方位。 將沿剖面所有測點數(shù)據(jù)旋轉到電性主軸方位， 并確定了大地電磁數(shù)據(jù)的TE與TM兩種極化模式， 對旋轉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反演擬合對數(shù)據(jù)質(zhì)量進行了評估， 剔除了受干擾影響較嚴重的數(shù)據(jù)。 采用非線性共軛梯度算法對編輯后的數(shù)據(jù)進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)、 不同旋轉角度、 不同正則化因子及不同數(shù)據(jù)誤差門檻值， 進行了大量的二維反演。 經(jīng)過對大量反演模型的比較與模型驗證， 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， 對數(shù)據(jù)進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。 結合地質(zhì)學和其他地球物理觀測數(shù)據(jù)， 對二維各向同性反演的電阻率模型進行全面分析解釋與構造涵義討論。 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較高(300～1000 Ω·m)， 而華北克拉通的電阻率值相對較低(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。 沿剖面上地幔存在3個局部低阻體， 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。

(4) 上地幔流體含量的估算。 基于獲得的二維電阻率模型， 利用實驗室?guī)r石電導率研究成果、 改進的阿爾奇公式和上地幔的溫度結構， 對中亞造山帶與華北克拉通兩個典型測點上地幔40～100 km深度范圍的含水量與部分熔融份數(shù)進行了估算。 對于中亞造山帶測點， 55～65 km深度以上觀測的電阻率需要由含水與部分熔融來解釋， 而這個深度以下， 僅僅含水就可以解釋觀測的電阻率值， 且55～65 km的含水量高達800～1000 ppm， 說明在這個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。 而對于華北克拉通的測點， 在40～100 km深度觀測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烈的水化并導致了部分熔融的發(fā)生。

(5) 華北克拉通破壞的動力學過程與機制。 綜合電性結構特征、 估算的上地幔流體含量和其他地球物理、 地球化學數(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， 并且不同地點減薄機制可能不同， 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， 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)生強烈的水化， 同時水的增加導致了巖石發(fā)生部分熔融， 進一步使巖石圈的強度減低， 最終導致巖石圈發(fā)生拆沉或侵蝕而遭到破壞。 從這個角度來說， 華北克拉通破壞的主要動力學因素可能是西太平洋板塊的俯沖。

關鍵詞華北克拉通； 中亞造山帶； 克拉通破壞； 大地電磁測深； 水含量； 部分熔融

(作者電子信箱， 董澤義： dongzy09@gmail.com)

中圖分類號：P631.3；

文獻標識碼：A；

doi:10.3969/j.issn.0235-4975.2016.05.013