劉 營，徐義賢，2＊，張勝業(yè)，楊文采，楊 波

1 中國地質(zhì)大學（武漢）地球物理與空間信息學院，武漢 430074

2 地質(zhì)過程與礦產(chǎn)資源國家重點實驗室，武漢 430074

3 中國地質(zhì)科學院，北京 100037

1 引 言

巖石圈與軟流圈邊界（LAB）的物理和化學起因及其控制板塊運動的機制是長期困擾固體地球科學家們的問題之一［1－3］.LAB最早是流變學上的定義.巖石圈意指地球上力學性質(zhì)強的外殼，可以在地質(zhì)歷史上長時間支撐差異應力.巖石圈之下為力學性質(zhì)上弱的軟流圈，軟流圈容許與均衡調(diào)整相關的物質(zhì)流動.而今，根據(jù)測定方法的不同巖石圈已經(jīng)被定義成巖性巖石圈、地震學巖石圈、電性巖石圈、溫度巖石圈、彈性巖石圈等［4］.巖石學方法受限于包裹體的獲取，因而只能給出大范圍的LAB信息［5］.大地電磁學（MT）和地震學方法是測定LAB的主要手段［2－4，6］.一般地，將MT反演所獲得的上地幔第一個相對高導層的頂部視為 LAB［6－7］.歐洲大陸的對比研究表明［8］：根據(jù)地震波速度各向異性和接收函數(shù)成像確定的LAB與根據(jù)MT探測到的上地幔高導層所推斷的LAB在顯生宙的中歐地區(qū)較為一致，而在其它地區(qū)差別很大，說明至少存在兩種可能的原因：①在不同的大地構造單元，LAB的地質(zhì)屬性不同，因而在地球物理參數(shù)上并不具有同一性.也就是，LAB并不同時具有低速、高導以及速度強各向異性在LAB深度上截止等地球物理性質(zhì)［9－10］；②LAB橫向變化大，目前采用的地震學和MT方法不能精確確定其深度.相較于地震學方法，利用MT確定LAB具有成本低的優(yōu)勢，但根據(jù)單個測點資料確定的LAB精度有限.從MT具有空間平均效應和大量實測資料的結果來看，它給出的結果一般是穩(wěn)定的、在平均意義上是可靠的.

華南地區(qū)以東南沿海發(fā)育大規(guī)?；鸪蓭r和揚子板塊內(nèi)部發(fā)育巨厚元古界地層為主要特征.在華南地區(qū)業(yè)已開展的MT工作主要與油氣勘探有關，與LAB有關的研究工作則相對較少.李立［11］根據(jù)我國早期MT探測成果對中國大陸地殼上地慢電性特征進行了分析.徐常芳［12］探討了中國大陸地殼上地慢電性結構和地震分布規(guī)律之間的可能關聯(lián).徐克定［13］通過多條大地電磁剖面，對華南部分區(qū)域的大陸巖石圈層圈結構進行了研究.孫潔等［14］根據(jù)MT資料研究了華南地區(qū)巖漿活動與深部電性結構的關系.羅志瓊等［15］根據(jù)375個MT測深點資料確定了中揚子地區(qū)的巖石圈厚度，并探討了其對該區(qū)油氣勘探的意義.劉國興等［16］給出了東南沿海地區(qū)巖石圈電性結構，并討論了其地球動力學意義.除MT外，前人在華南地區(qū)利用地震學和地熱學方法也開展了諸多研究工作［17－20］，但是不同方法定義的巖石圈不同，各種方法所估計的LAB深度存在一定差異.

在SinoProbe－01－03課題資助下，我們首次獲得了揚子板塊和華南造山帶及海南島4°×4°網(wǎng)格共12個測點最長周期為1萬秒的MT資料，并根據(jù)一維Occam反演［21］結果采用梯度法確定了LAB的深度，計算了相應的巖石圈積分電導.為了驗證結果的可靠性，進行了必要的一維數(shù)值試驗.本文主要報道上述結果，并討論所獲得的LAB及巖石圈積分電導的地質(zhì)意義.

2 根據(jù)一維MT反演結果確定LAB的模型數(shù)值試驗

前已述及，一般將上地幔第一個高導層的頂界面視為LAB.對MT數(shù)據(jù)進行一維反演可以獲得各向同性或者各向異性層狀電性結構，但根據(jù)反演結果一般難以準確讀取上地幔第一個高導層的頂界面.由于LAB下方導電性迅速增強，因此學者們將反演所獲得模型的電阻率梯度最大處當做LAB的位置，但仍缺乏理論模型的數(shù)值試驗結果作為依據(jù).進一步地，當存在或缺乏殼內(nèi)高導層、電性層存在方位各向異性等情形，對采用梯度法確定上地幔高導層頂面的精度尚需進一步論證.為了研究華南地區(qū)長周期MT資料確定的LAB的可信度，我們考慮華南地區(qū)典型的巖石圈一維地電結構，進行了大量的數(shù)值試驗.為簡潔計，此處給出2種模型（見表1）的數(shù)值試驗結果：

表1 模型參數(shù)表Table 1 The model parameters

（1）存在殼內(nèi)高導層和高導厚層軟流圈的電各向同性層狀模型，（2）電性層為方位各向異性模型.數(shù)值試驗中對模型正演所得數(shù)據(jù)均加入了2%的高斯噪聲，初始模型均為具有1000Ωm的30層對數(shù)域等厚層狀模型.

對于電各向同性層狀模型，當同時存在殼內(nèi)高導層和高導厚層軟流圈時，一維Occam法反演結果可以很好地恢復真實地電結構（見圖1a）.此時無論采取極值法（把莫霍面以下第一個相對低阻層的上界面作為LAB）還是梯度法，估計的LAB深度值均為127.225km，與理論模型的125km十分接近.

圖1 模型1與模型2反演結果與理論模型的對比圖（a）模型1反演結果與理論電阻率模型的對比圖；（b）模型2各向異性反演結果與理論電阻率模型的對比圖；（c）模型2各向異性反演結果與理論模型方位角的對比圖；（d）模型2各向同性反演結果與理論平均電阻率模型對比圖.Fig.1 Comparisons between inversion results and theoretical models of model 1and model 2（a）The resistivity model of model 1；（b）The resistivity model of model 2；（c）The azimuth angle model of model 2；（d）The average resistivity model of model 2.

對于方位各向異性層狀模型，采用了一維各向異性反演（圖1b，1c）和各向同性反演（圖1d）.各向異性反演采用Pek ＆Santos（2006）提出的方法［22］，輸入數(shù)據(jù)含全部阻抗元素.各向同性反演采用Occam法，輸入數(shù)據(jù)為平均視電阻率.利用各向異性程序進行反演與真實模型非常接近，根據(jù)電阻率最大梯度確定的LAB深度為127.2km.根據(jù)筆者的經(jīng)驗，各向異性反演對原始數(shù)據(jù)的質(zhì)量要求很高，實測數(shù)據(jù)往往很難滿足.用平均視電阻率數(shù)據(jù)進行各向同性一維Occam反演（圖1d），對所得模型用梯度法進行估計，LAB的深度在127km附近，與理論模型的125km十分接近.這個數(shù)值試驗表明：對于電性方位各向異性層狀模型，用平均視電阻率作為輸入數(shù)據(jù)進行各向同性反演，對反演結果應用梯度法估計LAB的深度具有較高的精度.

3 長周期MT資料的觀測與數(shù)據(jù)處理

在華南地區(qū)進行了4°×4°網(wǎng)格的MT數(shù)據(jù)采集，計12個測點（表2）.每個測點觀測時間不少于7天，估計 MT響應函數(shù)的頻率范圍為320Hz～10000s.投入的采集儀器包括：加拿大鳳凰公司生產(chǎn)寬頻大地電磁儀 MTU－Net、烏克蘭LCISR研究所生產(chǎn)的長周期大地電磁儀LEMI－417M以及德國Metronix公司生產(chǎn)的全頻帶大地電磁儀GMS07e.采集方式有兩種：（1）MTU－Net和 LEMI－417M 組合，（2）GMS07e系統(tǒng)（三根感應磁棒和FGS03三分量磁通門磁力儀組合）.

采用人工時間序列挑樣或功率譜篩選、Robust估計［23］、遠參考處理［24］、阻抗張量分解［25－26］等技術進行數(shù)據(jù)處理，最終獲得視電阻率與相位曲線.利用WAL 方法［27－28］判別了10s、100s、1000s及10000s周期地電結構的維數(shù)性（圖2），計算了對應的平均Parkinson感應箭頭［29］（圖3）.由于華南地區(qū)干擾因素比較多、地下結構復雜，相位曲線也發(fā)生了畸變而且難以消除，因此本文利用平均視電阻率（荊門測點例外，由于ρyx質(zhì)量差，故只采用ρxy視電阻率曲線）進行一維Occam反演，獲得的一維地電模型及擬合情況分別見圖4—圖8.采用梯度法估計了每個測點的LAB深度（圖9a），計算了巖石圈積分電導（LAB以上總縱向電導）（圖9b）和平均電阻率（表2）.

4 華南4°×4°網(wǎng)格巖石圈電性結構及其地球動力學意義

華南地區(qū)在10～104s周期范圍內(nèi)主要為三維電性結構（圖2），不存在簡單的一維和二維電性結構.在不同的深度范圍內(nèi)高導體的分布差異性明顯（圖3）.華南地區(qū)贛州、邵陽、施秉、云浮及揭陽測點的Parkinson感應箭頭的幅值大，其余測點均較?。▓D3b）.湖州、贛州、揭陽測點在10s周期的Parkinson感應箭頭指向（SW 15°—25°）基本一致，云浮測點Parkinson感應箭頭指向發(fā)生約90°偏轉(zhuǎn)（WNW方向），它們均指示上地殼橫向上由高阻體向高導體的轉(zhuǎn)換.邵陽、施秉及云浮測點在1000s周期的Parkinson感應箭頭指向基本一致（約SE 15°—25°），指示巖石圈深部橫向上由高阻體向高導體的轉(zhuǎn)換.由于點距近400km，對Parkinson感應箭頭的上述分析只對測點附近的電阻率橫向變化有意義.

表2 華南地區(qū)長周期MT測點及估計的LAB深度值和巖石圈積分電導值Table 2 Long period MT stations and estimated LAB depth and integral conductance in South China

圖2 華南12個標準點長周期MT資料WAL［28］維數(shù)性分析結果維數(shù)性分析結果以下方給出的不同顏色表示，左下方指示不同象限對應的周期Fig.2 The WAL［28］ dimensional analysis results of long－period MT data of 12standard sites in South China The colours indicate the dimensionality corresponding to different periods which are marked in the different quadrants postulated in the lower left.

根據(jù)4°×4°網(wǎng)格長周期 MT一維反演結果，華南地區(qū)殼內(nèi)和上地幔一般存在四個高導層：第一個高導層的深度在10～25km范圍內(nèi)，電阻率約10～60Ωm，為殼內(nèi)高導層，主要與發(fā)育殼內(nèi)剪切帶產(chǎn)生蛇紋巖化及含鹽流體相關［30］.第二個高導層在25～50km之間，電阻率約10Ωm，對應于電性Moho［31］.除湖南邵陽和貴州施秉及廣東揭陽測點外，第三個高導層的深度在60～145km范圍，電阻率低，小于或等于10Ωm，對應于電性LAB；第四個高導層的深度在200～350km之間，電阻率為10～30Ωm，為幔內(nèi)高導層，推測為幔內(nèi)熔融體.沿北緯27°線LAB深度較大，在120～230km之間；沿31°線測點的LAB深度次之，在60～120km之間.研究結果并不支持華南地區(qū)電性巖石圈東薄西厚的觀點，而是顯示出巖石圈南北兩側上抬、中部下凹、東部受不均勻改造的趨勢，反映華南地區(qū)巖石圈穩(wěn)定性較好，晚中生代以來的構造伸展作用［32－33］對巖石圈的改造程度有限，可能主要以不同形式的軟流圈底辟［34］為主.

根據(jù)一維地電結構可以將華南地區(qū)巖石圈劃分為五種類型：克拉通型（圖4）、構造邊界型（圖5）、巖石圈中等改造型（圖6）、巖石圈強烈改造型（圖7）及造山帶型（圖8）.

華南克拉通型地電結構（圖4）表現(xiàn)為電性巖石圈厚度大、電性Moho清晰、巖石圈平均電阻率值高（表2）.湖南邵陽和貴州施秉測點實測視電阻率曲線類型與加拿大Slave克拉通基本相同（對比文獻［31］圖3），估計的LAB分別為238.5km和183.2km，巖石圈平均電阻率分別達到3223Ωm和1489Ωm.地熱學研究［35］表明湖南邵陽和貴州施秉測點均位于平均熱流值等于或低于50mW·m－2區(qū)域，在華南地區(qū)屬于“冷”巖石圈.

圖3 華南地區(qū)4°網(wǎng)格長周期MT資料計算的4個頻段平均感應箭頭圖（a）單點歸一化；（b）華南地區(qū)整體歸一化.Fig.3 The average induction arrows of four frequency bands calculated by long－period MT data of 4°×4°grid in South China（a）The inductive arrows normalized by the single station；（b）The inductive arrows normalized by maximum of total stations in South China.

圖4 華南克拉通型一維地電結構（上：湖南邵陽 下：貴州施秉）黑色圓圈表示平均視電阻率，黑色實線表示擬合曲線，黑色虛線表示反演所得模型Fig.4 One dimensional geoelectrical structure of the craton type in South China（Upper：Shaoyang，Hunan Lower：Shibing，Guizhou）The black circle indicates the average apparent resistivity，the black solid line indicates the predicted curve，and the black dashed line indicates the inverted final model.

圖5 華南構造邊界型巖石圈一維地電結構（上：四川達州 中：四川彭州 下：湖北荊門）黑色圓圈表示平均視電阻率，黑色實線表示擬合曲線，黑色虛線表示反演所得模型Fig.5 One dimensional geoelectrical structure of the tectonic boundary type in South China（Upper：Dazhou，Sichuan Middle：Pengzhou，Sichuan Lower：Jingmen，Hubei）The black circle indicates the average apparent resistivity，the black solid line indicates the predicted curve，and the black dashed line indicates the inverted final model.

圖6 華南中等改造型巖石圈一維地電結構（上：浙江湖州 下：廣東云?。┖谏珗A圈表示平均視電阻率，黑色實線表示擬合曲線，黑色虛線表示反演所得模型Fig.6One dimensional geoelectrical structure of the moderate reformed lithosphere type in South China（Upper：Huzhou，Zhejiang lower：Yunfu，Guangdong）The black circle indicates the average apparent resistivity，the black solid line indicates the predicted curve，and the black dashed line indicates the inverted final model.

圖7 華南強烈改造型巖石圈一維地電結構（上：福建霞浦 中：廣東揭陽 下：江西贛州）黑色圓圈表示平均視電阻率，黑色實線表示擬合曲線，黑色虛線表示反演所得模型Fig.7 One dimensional geoelectrical structure of the strong reformed lithosphere type in South China（Upper：Xiapu，F(xiàn)ujian Middle：Jieyang，Guangdong Lower：Ganzhou，Jiangxi）The black circle indicates the average apparent resistivity，the black solid line indicates the predicted curve，and the black dashed line indicates the inverted final model.

圖8 華南造山帶型巖石圈一維地電結構（湖北英山）黑色圓圈表示平均視電阻率，黑色實線表示擬合曲線，黑色虛線表示反演所得模型Fig.8 One dimensional geoelectrical structure of the orogenic belt type in South China（Yingshan，Hubei）The black circle indicates the average apparent resistivity，the black solid line indicates the predicted curve，and the black dashed line indicates the inverted final model.

圖9 華南地區(qū)4°網(wǎng)格長周期MT資料估計的LAB深度（a）和巖石圈積分電導（b）Fig.9 The LAB depth（a）and integral conductance（b）estimated by long－period MT data of 4°×4°grid in South China

構造邊界型巖石圈電性結構以四川達州和彭州及湖北荊門測點為代表（圖5），以無電性Moho為主要特征，其它特征還包括巖石圈導電性好（平均電阻率小于60Ωm）、中上地殼高導層發(fā)育、LAB以下電阻率低（＜20Ωm）.四川達州和彭州測點的電性結構指示地殼由弱的上地殼和強的下地殼組成，上地殼與下地殼在力學性質(zhì)上解耦，佐證了四川地塊發(fā)育雙層變質(zhì)基底且存在上部變質(zhì)層滑脫［36］.地熱學［35］研究指示四川達州和彭州測點均位于熱流值50～60mW·m－2區(qū)域，在正常熱狀態(tài)下，“濕”巖石圈是解釋這一類電性結構的選項.因此，達州和彭州位于四川地塊與周邊構造帶的轉(zhuǎn)換邊界，由發(fā)育巖石圈尺度的剪切帶而形成高的導電性.湖北荊門測點位于太行山至武陵山重力梯度帶上，巖石圈厚度明顯比其兩側小，推測與所在構造帶軟流圈的上升有關.

巖石圈中等改造型電性結構以浙江湖州和廣東云浮測點為代表（圖6），主要特征為巖石圈導電性好（平均電阻率小于60Ω.m）、上地殼電阻率遠高于下地殼、LAB以下電阻率中等（20～50Ωm）.這種類型巖石圈的地殼由強的上地殼和弱的下地殼組成，推測上地殼與下地殼在力學性質(zhì)上解耦.地熱學［35］研究指示浙江湖州和廣東云浮測點均位于熱流值60～70mW·m－2區(qū)域，暗示巖石圈遭受熱侵蝕，或有局部軟流圈底辟.浙江湖州測點位于前人推測的大別—舟山巖石圈斷裂帶［34］和新安江殼幔韌性剪切帶［19］端點處附近，而廣東云浮測點位于前人推測的贛湘桂弱巖石圈減薄帶和華夏強巖石圈減薄帶的轉(zhuǎn)換帶上［19］，故它們代表一類巖石圈中等改造型電性結構.

巖石圈強烈改造型電性結構以江西贛州、廣東揭陽及福建霞浦測點為代表（圖7），主要特征為巖石圈導電性中等（平均電阻率處于400～1200Ωm之間）、中下地殼高導層不發(fā)育、電性Moho不明顯而LAB清晰、巖石圈厚度偏大、LAB以下電阻率高（均值大于100Ωm）.上述3個測點的實測視電阻率曲線的尾支明顯上升，指示這種類型巖石圈對應的軟流圈較薄.地熱學［35］研究指示上述測點均位于平均熱流值大于70mW·m－2區(qū)域，暗示巖石圈遭受強烈熱侵蝕.值得注意的是上述測點位于前人所稱的華夏巖石圈強減薄區(qū)域［19］，但長周期MT資料揭示其電性巖石圈厚度均超過130km，與中揚子正常巖石圈厚度相當.劉國興等［16］完成的華南沿海地區(qū)MT二維反演結果也揭示江西贛州和會昌之間及潮州附近巖石圈厚度在100km以上.如果用大洋板塊俯沖時刮削下來的洋殼沉積物疊置在巖石圈下部導致巖石圈增厚機制［16］來解釋福建霞浦和廣東揭陽測點的電性結構，則無法解釋這兩處偏高的巖石圈平均電阻率.另外，江西贛州測點的電性結構不符合造山帶“厚殼薄圈”特征（見后續(xù)分析），因而不能用陸內(nèi)造山機制［16］來解釋.一種可能的機制是福建霞浦、江西贛州及廣東揭陽測點在晚中生代末期以來構造伸展背景下發(fā)生了巖石圈底部的拆沉和墊托作用，并伴隨有大規(guī)模巖漿侵入事件，造成改造后的巖石圈厚度增大而軟流圈變薄，同時由于殼內(nèi)大量侵入巖和超鎂鐵質(zhì)巖石的板底墊托使得巖石圈的平均電阻率偏高.東南沿海地區(qū)巖石圈遭受上述改造作用在時間和空間上極不均一，某些區(qū)域的巖石圈拆沉作用可能還在進行之中，如梅州—平和—長泰一帶顯示明顯的軟流圈物質(zhì)上升［16］，而另一些區(qū)域已完成巖石圈的“新生”，因此簡單的“減薄”機制難以解釋東南沿海地區(qū)現(xiàn)今的巖石圈電性結構.

造山帶型巖石圈電性結構以湖北英山測點為代表（圖8），主要特征是厚殼薄幔且地殼電阻率高、電性Moho清晰.

5 結 論

（1）利用大地電磁法探測LAB，通過對不同的地電模型進行反演模擬發(fā)現(xiàn)：地表低阻層、地表方位各向異性對估計LAB沒有影響；當存在低阻軟流圈時，能較準確地判斷LAB位置；利用梯度法估計LAB位置具有較高的精度.

（2）華南地區(qū)4°×4°長周期 MT測點所獲得的電性巖石圈并不是簡單的東薄西厚，而是顯示出南北兩側上抬、中部下凹、東部受不均勻改造的趨勢，反映華南地區(qū)巖石圈穩(wěn)定性較好，晚中生代以來的構造伸展作用對巖石圈的改造程度有限，而且在時間和空間上不均一.

（3）本文將華南巖石圈電性結構劃分成克拉通型、構造邊界型、巖石圈中等改造型、巖石圈強烈改造型及造山帶型，分別描述了它們的主要特征，對今后的長周期MT資料解釋提供了參照物.

華南地區(qū)經(jīng)歷了多期大規(guī)模構造運動，巖石圈結構和構造復雜.加密測點和延長觀測周期對于利用長周期MT資料研究華南地區(qū)巖石圈結構和構造、預測大型成礦帶及油氣田遠景區(qū)均具有重要意義.

致 謝 感謝中國地質(zhì)大學（武漢）地球物理與空間信息學院蔣禮、張秉政、周文豪、張西君、王重陽等在采集華南地區(qū)4°×4°網(wǎng)度高質(zhì)量長周期MT數(shù)據(jù)中所付出的艱辛勞動.感謝Sinoprobe－01項目對本文的資助.

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