华南大陆壳幔三维电性结构研究

发布时间：2020-03-26 08:34

【摘要】：华南大陆位于欧亚板块、印度板块和菲律宾海板块的交接地带,西倚青藏高原,北以秦岭-大别造山带为界,东南濒临西太平洋,呈现出一幅内陆到陆缘及沟、弧、盆系列的地貌景观。在早前寒武纪多块体构造复杂演化的基础上,华南大陆自中、新元古代以来长期处于全球超大陆聚散与南北大陆离散拼合的交接转换地带,遭受太平洋板块的西向俯冲,以及青藏高原和印澳板块的北向差异运动的夹持,形成了不同板块构造围限作用下的独特大陆构造。作为欧亚板块东南缘地壳生长和大陆增生最活跃的大陆边缘,也是陆-洋过渡带,核-幔质量传输最强烈的构造带,地球上最显著的侧向不连续地区,全球幕式灾变和壳幔物质迁移、深部热物质上涌和岩浆活动最明显的地带之一,华南大陆记录了地壳生长和大陆增生的几乎全部过程,其地质构造是当今地学界关注的焦点问题之一。华南大陆主要由扬子地块和华夏地块在新元古代沿江山-绍兴断裂碰撞拼合而成,在显生宙经历了复杂多期次的构造变动、复合、叠加与改造,不仅经历了早古生代及早中生代两期陆内造山作用,在华南东南部,晚中生代的构造岩浆作用尤为显著。华南大陆的汇聚拼合方式,扬子与华夏地块的边界,江山-绍兴断裂的构造样式,以及中生代岩石圈伸展作用的驱动力等问题一直是地学界探讨的热点。其解决根本是获取华南大陆高分辨率岩石圈结构,厘定不同地体边界,划分地壳与岩石圈地幔精细结构。统计资料表明,全球大陆地壳厚度范围为30-45 km,平均厚度约40 km。据反射地震资料,扬子地块地壳厚度约为36-42 km,与全球平均值较为接近。然而,华夏地块地壳厚度仅为33-35 km,远小于全球平均厚度。扬子地块地表大地平均热流值为53 mW/m~2,而华夏地块地表大地热流达到73 mW/m~2。基于热结构和地震数据推断的扬子地块岩石圈厚度约为170 km,华夏地块岩石圈厚度仅为70-80 km。同时,华夏地块上地幔热流值也要高于扬子地块。华南东南部上地幔S波速度小于全球平均值,仅为4.45 km/s,甚至更低。S波在扬子地块岩石圈底部的速度大于4.5 km/s,但在华夏地块岩石圈底部波度仅为4.25-4.40 km/s。扬子地块上地幔均显示高速异常,相比之下,华夏地块上地幔不仅在50-80 km深度范围内分布了大面积低速异常体,在150 km处同样显示了一个深入地幔转换带的低速异常。以上资料表明,扬子和华夏地块不论在岩石圈速度结构还是热结构上都存在明显差异,扬子地块岩石圈较“冷”,而华夏地块较“热”,华夏地块的岩石圈可能经历了强烈的减薄作用,可能与华夏在中生代经历的伸展作用有关,但对于扬子和华夏岩石圈差异性演化的原因,华夏地块伸展减薄的机制尚不清晰。除了地震方法以外,大地电磁法是研究壳幔结构的另一大支柱地球物理方法,在世界范围内已有许多成功解决大陆动力学相关问题的范例。使用大地电磁方法研究华南大陆壳幔电性结构无疑将为解决该地区深部地质问题作出不可替代的贡献。因此,鉴于扬子和华夏地块迥异的岩石圈结构特征,我们用试图利用大地电磁资料构建华南岩石圈电性结构模型,揭示岩石圈差异性演化的机制。岩石圈的导电性结构不仅与地下岩体本身的物质成分、孔隙度及孔隙流体有关,还与岩石圈内部的温度、压力、应变等物理状态密切相关,能够间接提供地下深部热状态和流变性特征,这对于揭示华南大陆的形成、演化与深部动力学机制具有重要的参考意义。大地电磁法利用天然电磁场作为场源,具有丰富的频谱信息,其勘探深度可达地下几十千米甚至上百千米,是探测岩石圈电性结构的主要方法。将大地电磁数据反演后可获得地下不同深度处的电阻率(或电导率)信息,利用电阻率与地下岩体物质成分、孔隙度及孔隙流体的关系,结合岩石高温高压试验结果和地震数据资料可间接获知岩石圈内部的温度、压力、应变等物理状态。例如,由大地电磁剖面所得到的上地幔非常低的电阻率特征有可能是地幔物质部分熔融的反映,这通常与地震剖面所获得的深部低速体相对应。由于大地电磁法利用的是电磁场感应效应,其分辨率随深度的增加会逐渐降低。华南地区经济发达,矿山密布,人烟稠密,一方面环境噪声与人文电磁噪声极其严重,另一方面该区域地质构造复杂,不可避免地存在大量局部电性不均匀体。因此,首先要解决人文噪声对大地电磁数据的干扰问题,尽量获取高质量的野外数据。在本研究中,在尽量保证每个测点具有足够长采集时间的前提下,我们主要利用了远参考道技术来消除每个测点的电磁干扰,同时也尝试了在不同位置同时采集的互参考技术,在基站张量阻抗的计算中利用另一个与其有一定距离的不受干扰的测点的磁信号,达到压制相关噪声的目的,获得了高质量的大地电磁数据。大地电磁资料处理以往使用的传统方法为最小二乘法,然而,有研究证明,大地电磁测深资料的误差分布特征不满足高斯误差分布的假定条件,因此本研究将Robust估计方法引入大地电磁测深的阻抗张量计算中,改善了数据的信噪比。对数据做了阻抗张量分解、构造维性分析和相位张量分析后,发现具有三分之二的测点表现出较强的三维特征,尤其在0.001-0.1 s和0.1-10 s周期范围内,很难找到一个统一的电性主轴方位角,虽然可以得出使得GB分解具有最小拟合差的主轴方位角,但该方位角并不明显。考虑到华南地质构造的复杂性,以往的一维、二维反演手段已远远满足不了复杂地质构造解释的需求,要获得该地区可靠的电性分布模型,需要利用高效准确的三维大地电磁反演算法。本研究利用了Kelbert等人基于非线性共轭梯度方法开发的三维反演算法,在指定的误差范围内寻找满足拟合数据的最光滑模型,使用了在华南大陆东部面积约180000 km~2范围内225个测点的宽频大地电磁数据,通过三维反演获得了扬子地块东缘与华夏地块的岩石圈三维电性结构模型。由于华南东南部靠近中国南海,部分测点可能会受到海洋效应的影响。因此,我们根据海底地形数据将海水层加入到初始模型中进行了三维正演与反演测试。最终获得的反演结果的总体拟合差为1.46,很好地拟合了观测数据,四个阻抗张量分量在不同周期的拟合差也与1.46接近,表明不同阻抗张量分量数据的拟合均较好,同时,四个阻抗张量分量在多数测点的平均拟合差也小于2,均表明模型可以很好地拟合观测数据。三维电性结构模型显示华南东部的电性分层不显著,岩石圈在纵向和横向均存在较大变化,西部扬子地块电阻率普遍高于东部的华夏地块。研究区浅部2 km范围主要为低阻的中新生代沉积盖层,电阻率在10-50Ωm,上地壳规模较大的低阻体通常起始于浅地表,有一定的倾向,这些低阻体与区域断裂的位置较为一致,认为是断层中聚集的流体导致。下伏高阻的元古代和中生代结晶基底,由于大规模花岗岩体的存在,使得下地壳电阻率高达1000-10000Ωm。上地幔的电阻率在1000Ωm左右,并存在局部低阻体从软流圈贯穿至上地幔。因此华南岩石圈并不是简单的层状岩石圈,也不是前人认为的简单的“西厚东薄”特征。华南陆块已经不是一个稳定的前寒武克拉通,而是经历了多期次的活化和再造。结合已发表的地震、重力资料,同时归纳了华南地区地幔捕虏体获得的热结构模型,结合测点附近的捕虏体热结构数据,重点探讨了华南大陆形成与中生代演化过程机制,取得了以下研究成果:(1)在江山-绍兴断裂位置发现一南东倾向的低阻异常,认为与现今江山-绍兴断裂的倾向一致,为新元古代扬子地块与华夏地块的拼合和后期的构造事件提供了依据。作为扬子与华夏地块碰撞拼合的缝合带和分界线,该断裂在新元古代形成后经历了早古生代和早中生代两期陆内造山作用的改造,成为一个岩石圈薄弱带,认为它现今的构造形态暗示了一个岩石圈拆离带的存在,控制了华南晚中生代岩石圈伸展作用和裂谷构造。(2)以江山-绍兴断裂为界,扬子和华夏地块的岩石圈结构存在较大差异,沿赣杭裂谷两侧呈现出不同的地形起伏、电性结构、布格重力异常特征和晚中生代岩浆分布,提出“非对称单剪模式伸展模型”作为解释华南晚中生代伸展和裂谷作用的机制和造成扬子和华夏地块不同的岩石圈演化样式的原因,中生代华夏受到更强烈的伸展和减薄作用,在赣杭裂谷东侧表现出高热流值特征,发育了一系列正断层和裂谷盆地。(3)在华夏地块地壳15-20 km处发现一不连续的低阻-低速层,认为对应地壳中的脆性-韧性过渡带,低阻异常可能与下地壳角闪岩向麻粒岩相进变质作用产生的流体有关,该流体上升到中地壳并富集在华夏结晶基底之下。(4)武夷山上地幔70 km以下发现一低阻异常,计算上地幔结晶水含量和部分熔融百分比后得出武夷山下部70 km处的结晶水含量可达0.1 wt%,可导致1%的部分熔融,上地幔较高的水含量可能是由于古太平洋板块俯冲带携带的流体水化岩石圈导致的。发现武夷山具有高海拔、低布格重力异常的特征,推断武夷山可能经历了岩石圈的拆沉,部分熔融物质存在可能暗示软流圈的上涌。结合计算的结晶水含量,获得了华南上地幔70 km处的流变性结构,发现岩石圈水含量的升高导致有效粘滞度和强度的下降,促进了后期的伸展和减薄作用。(5)由于中生代古太平洋俯冲带入了大量的水,加速了地幔对流,岩石圈底部含水量增加和有效粘滞度的降低导致岩石圈底部稳定性的降低,岩石圈底部在重力的作用下发生失稳和拆沉,下沉的上地幔也为软流圈上涌营造了空间。软流圈的上涌不断加热岩石圈,进而解释了中生代武夷山地表发生隆起的原因。(6)因此,华南晚中生代的伸展和减薄不仅受制于古太平洋板块俯冲作用,也受到板内岩石圈底部和软流圈的相互作用。同时,江山-绍兴断裂作为一低角度拆离断层控制了华南中生代非对称单剪模式的减薄机制。本论文的研究表明,华南现今的岩石圈结构和构造形态是在板缘和板内共同作用下不断改造的结果,本研究为华南大陆再造过程提供了新的地球物理学证据。最后,基于以上研究成果,我们将华南岩石圈的基本演化过程分为以下几个阶段:(a)早古生代沿着武夷-云开的陆内造山造成岩石圈挤压增厚;(b)中生代古太平洋俯冲带入了大量的水,加速了地幔对流,岩石圈底部含水量增加导致粘滞度和稳定性的降低,岩石圈在重力的作用下发生失稳,下沉的上地幔也为软流圈上涌营造了空间;(c)由于软流圈的上涌不断加热岩石圈,在中生代武夷山地表发生了隆起;(d)晚中生代古太平洋板块的回撤导致伸展,江绍断裂作为一个古老的岩石圈薄弱带被再次活化,发生低角度拆离,两侧岩石圈发生不对称性减薄,即单剪模式减薄。
【学位授予单位】：中国地质大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：P631.325

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