王謙身， 滕吉文,2， 陳石， 文武， 徐偉民

1 中國科學院地質與地球物理研究所， 北京 100029 2 吉林大學地球探測科學與技術學院， 長春 130026 3 中國地震局地球物理研究所， 北京 100081

0 引言

根據亞洲大陸大地構造區(qū)劃,中國華北克拉通的北部為中亞造山帶這一巨型造山拼貼體東段南緣的興蒙造山帶，中亞造山帶東段北接西伯利亞克拉通的中南部(圖1).中國滿都拉(42,46°N,110.07°E)—俄羅斯卡楚加(54.0°N,106.0°E)重力剖面即展布在興蒙造山帶、中亞造山帶至西伯利亞克拉通構造域內.

圖1 中亞造山帶大地構造位置圖 (肖文交等, 2019)

中亞造山帶東段位于西伯利亞克拉通與塔里木—中朝克拉通之間，在地質歷史時期內，由于古亞洲洋消減等多期次地質構造運動，形成由一系列島弧、蛇綠巖帶、微陸板塊以及縫合帶等組成的規(guī)模宏大的造山帶(Badarcha et al., 2002;Xiao et al., 2003;Windley et al., 2007)，中亞造山帶東段的核心部分為蒙古塊體，又稱蒙古弧形構造帶(造山帶)，是全球最大的顯生宙大陸增生區(qū).因此，在此構造帶及興蒙造山帶內，次一級的構造單元很多.如興蒙造山帶內，就存在三條蛇綠巖帶，都有較好的出露，由北向南依次是二連浩特—賀根山蛇綠巖帶、索倫山縫合帶以及西拉木倫縫合帶 (黃金香等, 2006)；蒙古弧形構造帶(造山帶)由南向北，經過蒙古大戈壁，依次有蒙古主構造縫合線、曼達爾戈壁斷裂帶、蒙古—鄂霍茨克構造縫合線帶、肯特山系造山帶、雅布洛諾夫山系造山帶以及貝加爾裂谷帶(何靜等，2018).這一地帶金屬礦產資源油氣能源潛力大，地震活動強烈，也是大地熱流值高和巖石圈有效彈性厚度由我國華北克拉通的45±5 km向中亞造山帶(20±5 km)減薄的地帶.所以這一地帶為大陸內部動力學研究的前緣和熱點地區(qū) (姜效典等, 2014;滕吉文等, 2017).

由于在“蒙古弧”的東段地域，這一系列次級構造單元皆呈現(xiàn)為近北東東-南西西的構造走向.中國滿都拉(以下簡稱滿都拉)—俄羅斯卡楚加(以下簡稱卡楚加)重力剖面(見圖2)選擇的是北北西-南南東的走向，與這些次級構造單元呈近90°角垂直的走向.為的是能最大限度無畸變地顯示出這些構造橫向重力異常場分布特征，以利于進一步對其深化研究與探討.在整條滿都拉—卡楚加剖面轄區(qū)與其相鄰地域中，尚無最新地面實測的重力數(shù)據，故選用最近的重力成果數(shù)據進行研究工作.因此，本剖面的重力信息是從EGM2008(Earth Gravitational Model 2008)采集和處理得到的各個重力點的布格重力異常值.鑒于EGM 2008的布格重力異常值的精度能夠滿足我們研究這一地帶的深部地殼結構的要求.為此，確定選取它作為滿都拉—卡楚加剖面的布格重力異常值.待今后能有更新的、更精細的實測重力數(shù)據后，可再對此剖面作修正和調整.

圖2 滿都拉—卡楚加重力剖面地形與地理位置圖

本文應用中國地質調查局發(fā)展研究中心開發(fā)的重磁位場異常人機交互正反演軟件GM2DINVERSE，并結合相關地質、地球物理資料進行地殼密度模型的構建，給出本剖面下方的地殼密度結構模型，用以探討研究此地域的總體地殼深部結構與構造，以及各次級構造單元各自特有的結構與構造特征.本剖面系憑祥—滿都拉超長地學剖面 (王謙身等, 2017)的向北延長段的重力剖面.這樣鏈接起來就形成南起自中國廣西憑祥(22°N)北止于俄羅斯貝加爾北卡楚加(54°N)，全長3590 km的長剖面.該剖面是跨越多個克拉通和造山帶，穿越多個盆-山構造體系的一條超長地學剖面，為深入研究各構造單元的相互關聯(lián)性、集成性、共性與特性的大陸動力學、大地構造學提供地球內部重力學表征的深層過程信息.

1 長剖面重力異常特征

因滿都拉—卡楚加剖面轄區(qū)及其鄰域尚無最新地面實測的重力數(shù)據，為揭示這一地帶物質運動的深層過程與動力學響應，選用最近的重力成果數(shù)據以進行研究和探討.為本研究基于EGM2008模型提供的自由空氣重力異常數(shù)據(5′×5′網格分辨率)，采用ETOPO1的地形數(shù)據(1′×1′網格分辨率)進行地改后得到布格重力異常，進一步提取本文研究剖面位置的布格重力異常值，并用以進行深部地殼密度結構反演研究.圖3是沿剖面采集到的各測點的布格重力異常值並構繪出滿都拉—卡楚加超長剖面的布格重力異常分布曲線.

由圖3可見，整個剖面從南端到北端，布格重力異常值最高為-89 mGal，最低為-220 mGal；起伏幅度、變化程度在剖面的各區(qū)段呈現(xiàn)有不同的差異.在剖面南端我國內蒙古自治區(qū)滿都拉地區(qū)(42.46°N)，布格重力異常值為-145.5 mGal.由南向北逐漸升高，至44.0°N(1134 km)處為 -118.5 mGal；在此區(qū)段的43.77°N(1157 km)處和43.16°N(1237 km)處，呈現(xiàn)出兩個布格重力值低谷，布格重力值分別為-142 mGal和-172 mGal；前者可能對應于戈壁南側索倫(縫合線)構造帶的斷裂構造，后者反映出二連—賀根山斷裂構造帶的布格重力信息.往北，布格重力值總體一路下降，到蒙古—鄂霍茨克縫合線附近47.70°N(714 km)處，布格重力值為-185 mGal；其間，有兩個明顯的布格重力值低谷區(qū)，其一是在44.37°N(1092 km)處的布格重力低谷區(qū)，布格重力值為-142 mGal，據人工地震資料，在此區(qū)域系Moho界面深度變化且斷開幅度約4 km(Teng et al., 2003)；其二是在45.65°N(950 km) 蒙古主縫合線附近處存在的布格重力低谷，布格重力值為-166 mGal；再往北，進入肯特山山脈地區(qū)，布格重力值總體呈單調下降，在48.66°N(607 km)附近處，布格重力值降抵本剖面沿線布格重力異常最低值，為-220 mGal；之后，布格重力值陡升，到49.88°N(470 km)處高達-115 mGal，陡升約105 mGal；以后，進入蒙古北部—貝加爾南部雅布洛諾夫山系造山帶，布格重力值較平緩上升，到51.73°N(255 km)處為-92.0 mGal；隨后，在哈馬爾達班山脈地帶51.88°N(238 km)處，最低值降為-117 mGal，而后于52.05°N(224 km)處又轉升到-103 mGal，在此也形成一個小的山脈地形-布格重力異常鏡像反映特征；進入貝加爾湖(裂谷)區(qū)布格重力值呈明顯大幅度下降，在52.43°N(174 km)貝加爾湖中心地區(qū)降到-192 mGal；然后又急速上升，到52.75°N(140 km)處為-89.0 mGal；布格重力梯度值高達3 mGal·km-1；在貝加爾湖(裂谷)北側西伯利亞克拉通地域，布格重力值在-110 mGal到-120 mGal之間波動，最后到北端卡楚加為-109.0 mGal.

2 長剖面地殼密度結構模型構建

2.1 模型構建

本文采用二維重磁異常人機交互GM2DINVERSE軟件進行密度模型構建，在對滿都拉—卡楚加重力剖面數(shù)據處理過程中，參考此地域已有的區(qū)域構造格局、地層分布特征等地質資料和天然地震臺站的接收函數(shù)值反演結果(何靜等, 2014;強正陽等, 2016;何靜等, 2018)，以及人工深地震深部探測結果 (Teng et al., 2003;Teng et al., 2014)作為建模的約束條件.

由于無與本剖面相同展布位置的人工深地震深部探測剖面，只有幾個與地震剖面(何靜等，2014)的交叉點和相近地震測點(何靜等，2018)點位的信息.利用國際上較為流行的P波速度與介質密度之間的經驗關系式 (Ludwig et al., 1970；Brocher, 2005)，轉換為本剖面地殼與上地幔的密度結構的密度值.隨后結合本地區(qū)內已有的區(qū)域地質構造展布有關地球物理資料 (陳石等, 2015)和布格重力異常分布數(shù)據資料作外延，建立用于計算的剖面的初步的密度結構.

應用GM2DINVERSE軟件，對初步的地殼密度結構模型給以多次擬合計算，得到最優(yōu)二維密度模型.此密度模型是其正演計算得到的布格重力位場異常(圖4a中藍色曲線)與該剖面選用的實際布格重力位場異常(圖4a中的點線)在總體上擬合程度相對最優(yōu)、近乎完全一致的一個，確定為最終二維密度模型.

對于相對較小的局部、淺部地段，因本剖面很長，擬合計算單元格距較大，不能精確地反映其密度結構變化，使之產生一些偏差，這並不影響總體擬合結果.

2.2 結構特征

由圖4b顯示，滿都拉—卡楚加剖面轄區(qū)的地殼介質的密度結構附合一般巖層密度分布規(guī)律，由淺入深，巖層密度由小增大；橫向上，密度則隨巖性異同而變化.

在本剖面，地殼表層及淺部介質密度值相對較低，一般在2.2～2.45 g·cm-3范圍內變動.但在北部貝加爾湖(裂谷)區(qū)和南部一些局部地區(qū)的淺表層介質僅為2.1～2.35 g·cm-3.這應是由于在湖(裂谷)區(qū)水體較深及沉積建造較厚和南部地表的戈壁沙漠及地殼較淺處的巖層固結壓實程度尚低等因素，致使其介質密度相對較小.在地殼中、深部，巖層介質密度隨深度遞增而遞增.在參考天然地震接收函數(shù)資料基礎上，可劃分為平均密度各異的地殼介質層.到地殼底部，介質密度達到2.9 g·cm-3左右.在地殼底部Moho密度間斷面之下的上地幔的介質密度值則躍升至3.2 g·cm-3.

2.3 殼-幔邊界——Moho界面

圖4可見，本剖面的Moho界面在不同區(qū)段，呈現(xiàn)不同幅度的起伏變化.在剖面南端滿都拉地區(qū)，Moho界面的埋藏深度為43 km左右；人工源地震探測的Moho界面深度為42 km左右(Teng et al., 2003).向北，在地震接收函數(shù)解釋的Moho界面存在斷裂的地帶(何靜等，2014)；本剖面在此地帶Moho界面呈現(xiàn)為40～42 km間2 km左右的變化.再往北，Moho界面緩緩下降，至曼達爾戈壁斷裂帶(46.73°N)附近，降至43 km左右.隨后，在蒙古—鄂霍茨克縫合帶(47.70°N附近)以北，進入肯特山地域，Moho界面深度呈現(xiàn)出明顯下降，到47.70°N附近肯特山脈中部高峰地帶，Moho界面深達45～46 km，呈現(xiàn)一個山根形態(tài).隨著向北繼續(xù)延伸，Moho界面呈高梯度抬升，在肯特北斷裂帶(49.66°N左右)升至43 km左右；再繼續(xù)上升，至50.0°N，Moho界面抬升至40 km.此后，Moho界面的深度保持在40 km左右的低緩幅度地向北延伸至貝加爾湖南側的哈馬爾達班山脈地帶51.88°N(238 km)處，略有抬升.進入貝加爾湖區(qū)后則有較高抬升，湖區(qū)中部高至38.3 km左右.向北出湖區(qū)，Moho界面的深度為39 km左右.在貝加爾湖地帶的Moho界面的深度與人工源地震剖面探測的結果基本相近 (Cherepanova et al., 2013).此后，該39 km左右的深度保持到北端的卡楚加地區(qū).

3 分析與討論

基于對本長剖面重力數(shù)據處理和經正反演求得的剖面轄區(qū)密度結構剖面並與相關的區(qū)域地質構造及地球物理場資料進行了綜合分析.對本剖面特有的構造縫合帶、Moho界面斷開區(qū)域、肯特山造山帶地域、貝加爾裂谷帶域等幾個特有的5個構造單元分別給出以下幾點分析與認識：

3.1 貝加爾裂谷帶域

此帶域為本剖面特有的構造單元，不僅在地形地貌上具有低于兩側山地的湖面、深水和巨厚的沉積層，其重力場亦為顯著陡深的布格重力異常低谷區(qū).此帶域在本剖面的地理位置、帶域地表海拔高程、帶域內布格重力異常特征及帶域內Moho界面深度等列于表1.

表1 貝加爾裂谷帶域

由表1可見，在本帶域南側的重力低谷(約有15 mGal左右的谷深幅度)對應著貝加爾湖東南岸畔的哈馬爾達班山脈，明顯地呈現(xiàn)出地形高程與重力異常呈鏡像相關，在Moho界面深度上沒有明顯的山根反映.往北的深大重力低谷(有90～100 mGal的谷深幅度)是與貝加爾湖區(qū)相對應，這是由于有1600 m深的湖水和近6～7 km巨厚的低密度沉積層存在，并導致地形高程與重力異常呈現(xiàn)為正相關.在此帶域，相對應的Moho界面深度上升1～2 km，且與文獻 (陳石等, 2015)提出該帶域存在下地殼高密度體的看法相似.這些數(shù)據充分顯示了貝加爾裂谷帶域的重力場和地殼密度結構的變異特征.

為了進一步探討引起這一顯著陡深的布格重力異常低谷的形成機理，在此，建立貝加爾裂谷湖的理論重力模型.根據圖3、圖4中對應的布格重力異常低谷，構建重力-密度理論模型，應用重力正演擬合計算(王謙身等，2003)的理論結果進行分析和解釋.

參照有關貝加爾湖及其周圍地域的地學資料(ten Brink et al., 2002)，貝加爾湖平均寬度為48 km,湖水平均深度740 m，最深達1645 m,第三紀和第四紀沉積厚度6～8 km.據此數(shù)據和本剖面跨越貝加爾湖的地理位置特點，可構建貝加爾裂谷湖模型參數(shù)為：裂谷湖寬度：50 km,裂谷湖沉積層:北側底深6.0 km、南側底深5.3 km，平均密度2.30 g·cm-3；湖水深度：北側1100 m，南側500 m,湖水密度1.0 g·cm-3；圍巖密度：2.45 g·cm-3.構建的貝加爾裂谷湖模型見圖5.

圖5 貝加爾裂谷湖模型

對此模型進行重力正演計算，給出貝加爾裂谷湖模型的布格重力異常分布曲線(圖5上部).重力曲線的最低值為-94 mGal.這一結果表明，本剖面穿越貝加爾裂谷湖區(qū)域的深度可達90多mGal的重力低谷，這主要是裂谷湖水和巨厚的沉積層引起的.

為了解釋貝加爾裂谷湖轄域地殼底部Moho面的局部隆起(見表1)及其對重力場的影響，在此亦構建了理論重力模型.貝加爾裂谷湖轄域地殼底部Moho面的隆起模型參數(shù)為：轄域北端地殼底部Moho面深度為39 km,轄域中部地殼底部Moho面隆起的深度為38 km,轄域南端地殼底部Moho面深度為40 km,轄域地殼底部Moho面隆起區(qū)介質密度為3.2 g·cm-3，轄域地殼底部介質密度為2.9 g·cm-3.據此，構建的貝加爾裂谷湖轄域地殼底部Moho面隆起模型見圖6.

圖6 貝加爾裂谷湖轄域地殼底部Moho面隆起模型

同樣，對此模型進行重力正演計算，給出貝加爾裂谷湖轄域地殼底部Moho面隆起模型的布格重力異常分布曲線(圖6上部).重力曲線的最高值僅僅為+3.45 mGal.這一結果表明貝加爾裂谷湖轄域地殼底部Moho面隆起所引起的正重力異常值很小.盡管如此，二者共同產生的布格重力異常響應仍為很大的負重力異常值，仍然反映著其深部物質的分異和調整.基于此，本剖面在貝加爾裂谷湖區(qū)域的變化幅度達負90多毫伽的布格重力異常低谷，主要是由于深部存在很深的裂谷湖水和巨厚的沉積建造的集成效應所致.依據貝加爾湖地域的地球物理和近地表地質構造屬性，滿足于近代活動裂谷構造的邊界條件(Olsen,1995; Kearey et al.,2009).

3.2 肯特山造山帶域

由圖3、圖4可見，在該長剖面中，肯特山造山帶是一個很大的構造單元，有突出的山地地形、有寬深的重力低谷和明顯的Moho面下降.此帶域在本剖面的地理位置、帶域地表海拔高程、帶域內布格重力異常特征及帶域內Moho界面深度等列于表2.

表2 肯特山造山帶域

由表2可見，在本帶域寬闊深大的布格重力異常達50～79 mGal幅度的重力深低谷對應著肯特山脈及其南北兩麓，所呈現(xiàn)地形高程與重力異常呈鏡像相關.在造山帶域其Moho界面深度明顯加深約2～3 km的變化，這是肯特山脈造山帶存在山根的反映.

為了進一步探討肯特山脈造山帶的大陸均衡屬性(機制)，依據Airy均衡模式(王謙身等,2003)，大陸山區(qū)的均衡條件是

σ0(H+t)=σ1t

式中：H為山脈柱體海拔高度，σ0為地殼介質密度，σ1為上地幔介質密度，t為山根厚度.

在肯特山脈造山帶，選取H為2.0 km,σ1為3.2 g·cm-3,σ0為2.67 g·cm-3.(σ0為肯特山脈造山帶地殼介質密度平均值)，取正常標準地殼厚度T為35 km.

由此式計算得到山根厚度t為10.08 km，則Airy理論均衡地殼底界面(Moho界面)深度為D=T+t=45.08 km.

以EGM 2008獲得的布格重力值視為實測值構建的密度剖面，則在肯特山脈造山帶下面的Moho界面深度M為46.0 km左右.

盡管D與M都是理論計算的結果，但也是從實際地形高程和較為可靠的布格重力異常數(shù)據兩個方面分別獨立計算得到的結果，是可供參考的.計算的結果給出二者很接近，即D～M；表明在本剖面跨越的此段肯特山脈地區(qū)基本上處于接近均衡狀態(tài).

3.3 蒙古主縫合線帶域

根據有關文獻(何靜等，2014；強正陽等，2016)，蒙古主縫合線(蒙古主構造線)與本剖面在45.3°N(987 km)處相交匯.由圖3和圖4可見，在45.3°N(987 km)處的蒙古主縫合線帶后部(北部)，布格重力異常場呈現(xiàn)出一個重力低谷形態(tài)，在地殼密度結構圖上呈現(xiàn)地殼上部存在密度相對較低的介質結構層(2.35 g·cm-3)，此乃蒙古主縫合線的響應帶域，此帶域位于約在45.3°N(988 km)到 45.9°N(918 km)的范圍之內.

蒙古主縫合線響應帶域的這一構造單元在本長剖面的地理位置、帶域內布格重力異常特征及帶域內Moho界面深度等主要參數(shù)列于表3.

表3 蒙古主縫合線響應帶域

由圖3、圖4和表3顯見，蒙古主縫合線及其響應帶域在本長剖面上是一個有20～25 mGal的重力低谷形態(tài)，在蒙古主縫合線帶響應域的地殼密度結構特征是表征存在一對應周邊介質的相對密度為-0.15 g·cm-3的低密度介質層.這一形態(tài)附合一般板內縫合線的形成史和形成機制，即在縫合線的后側形成不同規(guī)模、不同厚度的混雜巖堆積帶.而這個堆積帶會引起重力異常值降低，因而形成重力低谷形態(tài).另外，通常板內縫合線尚深入不到Moho界面處；因此，本蒙古主縫合線響應帶域的Moho界面深度基本沒有明顯變化.

3.4 地殼底部Moho界面斷開區(qū)

本重力長剖面與已有天然地震觀測點組成的測線(何靜等，2014)相交叉，其天然地震觀測點的接收函數(shù)數(shù)據給出了一個Moho界面斷開帶界，此構造帶界的地理位置在蒙古主縫合線以南距離約80 km處，其地表地貌為蒙古大戈壁，其地形相比南北兩側山地為近東西走向的低凹地帶，而Moho界面呈現(xiàn)出斷開和似俯沖狀態(tài)，在此帶域的Moho界面斷開段的寬度大約有50 km到60 km，在斷開段內接收函數(shù)顯示不清楚(何靜等，2014的圖5)，並且此構造帶域兩側的巖層介質的性質是有著相當大差異的特殊構造帶域(何靜等，2014).但目前尚無其他文獻提出存在此構造帶域.現(xiàn)只能認為這是中亞大造山帶南緣的一條較深(到Moho界面)的構造縫合帶域(僅供探榷).而本剖面恰恰穿過此斷開帶域，將此斷開帶域的邊界投影到本重力長剖面的地理位置南界處44.1°N(1125 km)至北界的44.62°N(1065 km)處.在此將與本剖面相應的Moho界面斷開帶域，布格重力異常特征及帶域內Moho界面深度等列于表4.

表4 地殼底部Moho界面斷開帶域

由表4可見，在此Moho界面斷開帶域北側將本剖面投影到44.62°N(1065 km)至南側投影為44.1°N(1125 km)的范圍內，應用重力信息得到的地殼密度結構給出此“投影”帶域南側Moho界面深度為38.6 km，帶域北側Moho界面深度為41 km；這與天然地震接收函數(shù)數(shù)據 (何靜等，2014) 給出的Moho界面在帶域南側相對較淺(39.0±1.6 km)、北側相對較深(43.1±2.9 km)的結果基本相一致的.

根據重力學理論方法構建密度結構的特性，由重力數(shù)據構建的密度結構在此“投影”帶域的Moho界面顯示為由南向北逐漸變深的斜坡型下降帶域.在沒有更多資料情況下，暫稱此帶域為“大戈壁Moho界面遞變帶域”.

3.5 內蒙古索倫縫合線帶域

根據有關文獻(何靜等，2018)，內蒙古索倫縫合線與本剖面在43.16°N(1234 km)處相交匯.由圖3和圖4可見，在剖面重力異常圖與地殼密度結構圖上，索倫縫合線帶43.16°N(1234 km)的響應域范圍北界為43.47°N(1215 km)到南界的 42.9°N(1245 km).此帶域構造單元在本重力長剖面的地理位置、帶域內布格重力異常特征及帶域內Moho界面深度等主要參數(shù)列于表5.

表5 內蒙古索倫縫合線響應帶域

內蒙古索倫縫合線響應帶域的范圍為30 km左右.在其響應帶域內，布格重力異常呈現(xiàn)幅度為30～35 mGal的重力低谷形態(tài)；地殼上部存在一個與周邊介質的相對密度為-0.10 g·cm-3的低密度介質結構層；帶域內Moho界面深度沒有明顯變化.這些參數(shù)和圖像都表明索倫縫合線是板內塊體的邊界，符合一般板內塊體的形成史和耦合機制的特征.

4 結語

對于本重力長剖面，盡管至今尚沒有最新的地面實測重力數(shù)據，而應用精度達到可供研究地殼深部結構的EGM2008模型來采集和處理得到各個重力點的布格重力異常值.通過反演給出對本剖面的布格重力異常分布和剖面地殼密度結構及構造；并用以對剖面轄區(qū)的五個有特征的局部次級構造單元—貝加爾裂谷帶、肯特山造山帶、蒙古主縫合線、大戈壁Moho界面遞變帶和內蒙古索倫縫合線(塊體邊界)—依次予以分析和探討.本剖面系憑祥—滿都拉超長地球物理綜合大剖面由滿都拉向北延伸至貝加爾湖北側的卡楚加重力長剖面.本文也是該超長剖面的3篇系列論文 (王謙身等, 2015;王謙身等, 2016;王謙身等, 2017)的后續(xù)論文.這樣，與前幾篇論文結合在一起，可對比探討各個克拉通、造山帶、盆山系統(tǒng)等的重力學特征、深部結構與構造方面的相同和差異等專項，可為大地構造學、大陸動力學領域的研究提供地球物理重力學方面的必要的基礎資料和信息.

以上的結果、分析和探討的主要是依據現(xiàn)有的有限資料給出的幾點初步的認識，以供專注于中亞造山帶大陸動力學及大地構造學領域的同仁們研討探榷.