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長(zhǎng)江中下游成礦帶中段巖石圈電性結(jié)構(gòu)研究

2015-05-12 00:59王顯瑩湯井田張林成薛帥潘偉周聰肖曉任政勇呂慶田
地球物理學(xué)報(bào) 2015年12期
關(guān)鍵詞:電性斷裂帶剖面

王顯瑩, 湯井田, 張林成, 薛帥, 潘偉,周聰, 肖曉, 任政勇, 呂慶田

1 教育部有色金屬成礦預(yù)測(cè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 長(zhǎng)沙 4100832 中南大學(xué)地球科學(xué)與信息物理學(xué)院, 長(zhǎng)沙 4100833 中國(guó)科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所, 北京 1000294 陜西省核工業(yè)地質(zhì)調(diào)查院, 西安 7101005 中國(guó)地質(zhì)科學(xué)院礦產(chǎn)資源研究所,國(guó)土資源部成礦作用和資源評(píng)價(jià)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 北京 100037

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長(zhǎng)江中下游成礦帶中段巖石圈電性結(jié)構(gòu)研究

王顯瑩1, 2, 湯井田1, 2, 張林成1, 2, 薛帥3, 潘偉4,周聰1, 2, 肖曉1, 2, 任政勇1, 2, 呂慶田5

1 教育部有色金屬成礦預(yù)測(cè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 長(zhǎng)沙 4100832 中南大學(xué)地球科學(xué)與信息物理學(xué)院, 長(zhǎng)沙 4100833 中國(guó)科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所, 北京 1000294 陜西省核工業(yè)地質(zhì)調(diào)查院, 西安 7101005 中國(guó)地質(zhì)科學(xué)院礦產(chǎn)資源研究所,國(guó)土資源部成礦作用和資源評(píng)價(jià)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 北京 100037

長(zhǎng)江中下游成礦帶位于大別造山帶、長(zhǎng)江中下游凹陷、江南隆起帶等大地構(gòu)造單元結(jié)合部位,通過(guò)在研究區(qū)內(nèi)布設(shè)兩條首尾相接共計(jì)150 km長(zhǎng)的大地電磁剖面,獲得了50 km以淺巖石圈尺度的電性分布.長(zhǎng)江中下游地區(qū)中段地下電性結(jié)構(gòu)顯示出在地下10 km和30 km處分別存在明顯的圈層結(jié)構(gòu),以此認(rèn)為現(xiàn)今橫向穩(wěn)定的“電莫霍”反映了研究區(qū)經(jīng)歷燕山期陸內(nèi)構(gòu)造-巖漿活動(dòng)后已基本上完成殼幔重新平衡;而分隔大地構(gòu)造單元的郯廬斷裂帶、長(zhǎng)江斷裂帶以及江南斷裂帶在電性上具有特征的梯度顯現(xiàn),在印支造山期后的引張背景下,斷裂帶成為強(qiáng)伸展活動(dòng)帶與控制了燕山期大范圍的陸內(nèi)巖漿活動(dòng);高導(dǎo)地幔的局域性存在以及從北向南地幔導(dǎo)電性的變化反映了在經(jīng)受深部動(dòng)力學(xué)過(guò)程中處于不同大地構(gòu)造部位的地幔所遭受的不同類型的改造以及地幔深部的構(gòu)造極性.

長(zhǎng)江中下游成礦帶; 大地電磁; 巖石圈; 電性結(jié)構(gòu)

1 引言

長(zhǎng)江中下游成礦帶夾持于中國(guó)東部的一個(gè)“構(gòu)造結(jié)”中,其主體位于華北地塊與華南地塊的交接帶,大型構(gòu)造帶包括大別—蘇魯造山帶、郯廬斷裂帶、長(zhǎng)江中下游成礦帶、江南隆起帶等均橫跨其中(圖1).近年來(lái),長(zhǎng)江中下游成礦帶在成巖成礦、深部過(guò)程等方面取得了許多重要進(jìn)展(周濤發(fā)等,2012).研究表明,燕山期的構(gòu)造-巖漿活動(dòng)是長(zhǎng)江中下游成礦帶大規(guī)模成礦的主因,使得在較短的時(shí)間內(nèi)發(fā)生了巨量的成礦金屬堆積,形成了眾多知名的銅鐵金鉛鋅等礦床.同時(shí),大規(guī)模成礦的背景與區(qū)域地質(zhì)演化的關(guān)系引起國(guó)內(nèi)外學(xué)者的研究興趣,先后在該地區(qū)對(duì)包括區(qū)域構(gòu)造演化歷史、成礦作用過(guò)程及機(jī)制等做了大量的研究工作,取得了大量成果.如長(zhǎng)江中下游地區(qū)中下侏羅統(tǒng)不整合于三疊系之上以及大量印支期褶皺的發(fā)育等地質(zhì)事實(shí)證實(shí)了在華北板塊與揚(yáng)子板塊之間發(fā)生了大規(guī)模的碰撞造山作用,對(duì)大別造山帶含柯石英超高壓變質(zhì)榴輝巖的年代學(xué)研究更是精確地約束了碰撞時(shí)代約為221 Ma(Li et al., 1993).印支期的碰撞造山事實(shí)已為絕大多數(shù)地學(xué)研究者所接受,但對(duì)于造山期后位于大別造山帶內(nèi)部及其前陸帶、一直持續(xù)到110 Ma(陳玲等,2012)的燕山期巖漿巖活動(dòng)背景以及平行于造山帶前陸帶的侏羅紀(jì)地層的構(gòu)造變形等事件卻有著不同的理解.一些學(xué)者認(rèn)為這些巖漿巖及構(gòu)造變形是印支期碰撞后階段形成,是造山帶隆升、伸展、崩塌作用的產(chǎn)物(王國(guó)燦和楊巍然,1998;魏春景等,2000;許長(zhǎng)海等,2001;李曙光,2001;2005);另一種意見(jiàn)認(rèn)為燕山期巖漿作用與揚(yáng)子—華北陸塊間的碰撞過(guò)程無(wú)關(guān),它們與中國(guó)東部更大范圍的中生代晚期構(gòu)造-巖漿-成礦事件一樣,都是受控于太平洋構(gòu)造域(馬昌前等,2006);還有一種意見(jiàn)認(rèn)為大別造山帶中生代發(fā)育有印支期和燕山期兩次獨(dú)立的陸內(nèi)造山事件,各自都有一個(gè)完整的造山和造山后的構(gòu)造-巖漿旋回(鄧晉福和吳宗絮,2001;鄧晉福等,2004;董樹(shù)文等,2005;2007).區(qū)域內(nèi)一級(jí)大地構(gòu)造單元之間的配置關(guān)系、基底分布類型和重要斷裂的性質(zhì)等深部信息的缺乏制約了對(duì)上述關(guān)鍵科學(xué)問(wèn)題的揭示.

歷年來(lái)深部地球物理探測(cè)研究工作已經(jīng)獲得了大量的數(shù)據(jù)并取得了重要進(jìn)展,其中我國(guó)地殼探測(cè)工程的先導(dǎo)項(xiàng)目“深部探測(cè)技術(shù)與實(shí)驗(yàn)”專項(xiàng)(SinoProbe)在長(zhǎng)江中下游成礦帶設(shè)立了礦集區(qū)三維立體探測(cè)項(xiàng)目,在長(zhǎng)江中下游成礦帶的北段先后使用深反射地震、天然地震層析成像、大地電磁等探測(cè)手段實(shí)施了一條跨越多個(gè)一級(jí)大地構(gòu)造單元的北西向剖面,北西起于安徽省的淮南市,南東到達(dá)江蘇省的長(zhǎng)興縣,長(zhǎng)達(dá)300多公里,自北西向南東分別跨越華北地塊、張八嶺隆起帶(郯廬斷裂帶)、揚(yáng)子地塊等大地構(gòu)造單元,綜合的深部資料豐富了對(duì)長(zhǎng)江中下游成礦帶地殼乃至巖石圈結(jié)構(gòu)以及區(qū)域地質(zhì)演化過(guò)程的認(rèn)識(shí),并提出了可能的區(qū)域地質(zhì)演化模型(呂慶田等,2014),但是此模型是否同樣適用于長(zhǎng)江中下游成礦帶的中段以及南段,特別是在大別造山帶與揚(yáng)子地塊直接接觸的地段是否有著與北段截然不同的深部結(jié)構(gòu)仍有待進(jìn)一探索.

大地電磁法(Magnetotellurics,簡(jiǎn)稱MT)作為一種相對(duì)于天然地震探測(cè)而言成本低、橫向分辨率高、相對(duì)于人工源地震探測(cè)深度更大的對(duì)地觀測(cè)方法,通過(guò)在地表測(cè)量感應(yīng)的電、磁場(chǎng)張量信息可以估計(jì)地下電導(dǎo)率分布情況,進(jìn)而參考區(qū)域物性資料解譯出地下深處的物質(zhì)分布情況和地質(zhì)構(gòu)造信息,為進(jìn)一步研究深部地質(zhì)作用過(guò)程提供重要的基礎(chǔ)數(shù)據(jù).眾所周知,特定地球動(dòng)力學(xué)背景下的深部作用過(guò)程總能被深部物質(zhì)過(guò)去遭受的改造殘余、現(xiàn)今組成和狀態(tài)所反映,因此通過(guò)大地電磁探測(cè)深部物質(zhì)成分及狀態(tài),可在一定程度上揭示區(qū)域演化所經(jīng)歷的地球動(dòng)力學(xué)過(guò)程.本文研究了穿過(guò)長(zhǎng)江中下游成礦帶中段(安徽岳西—江西東至)的大地電磁數(shù)據(jù),分別獲得了地殼與上地幔尺度的深部電性結(jié)構(gòu),據(jù)此初步分析了深部地質(zhì)特征并探討了其可能蘊(yùn)含的地球動(dòng)力學(xué)意義.

2 地質(zhì)背景

長(zhǎng)江中下游成礦帶位于長(zhǎng)江中下游中部地區(qū),大地構(gòu)造意義上的“長(zhǎng)江中下游地區(qū)”北至秦嶺—大別造山帶,西至神農(nóng)架地體,南至江南造山帶,東至東海.除秦嶺—大別造山帶外,該地區(qū)前晉寧期的基底可分為四類:中—元古代火山-沉積復(fù)理石基底和晉寧期花崗巖組成的江南地體,如湖南的冷家溪群、貴州的四堡群、江西的雙橋山群、浙江的雙溪塢群、九嶺花崗巖等;晚太古代—中元古代古陸核式基底組成的崆嶺—董嶺地體,如鐘祥的楊坡群、黃陵的水月寺雜巖、廬山的星子雜巖、安慶的董嶺雜巖、寧鎮(zhèn)的埤城群;中元古代碳酸鹽巖基底組成的神農(nóng)架地體,如神農(nóng)架群和大洪山的打鼓石群;中—晚元古代裂陷建造式基底組成的武當(dāng)—隨縣—張八嶺地體,如武當(dāng)—隨縣的紅安群、宿松—張八嶺的宿松群和張八嶺群(圖1)(常印佛等,1996).新元古代的晉寧運(yùn)動(dòng)促使了上述基底的拼合,形成了統(tǒng)一的基底.在此基礎(chǔ)上,震旦系—中三疊系沉積蓋層則不整合覆蓋于這個(gè)統(tǒng)一基底之上,除了中—下泥盆系缺失之外,整個(gè)蓋層沉積幾乎是連續(xù)的(安徽省地質(zhì)調(diào)查院,2005).隨著中生代秦嶺洋的關(guān)閉,華北板塊與華南板塊發(fā)生拼合,秦嶺—大別造山帶迅速隆起,長(zhǎng)江中下游地區(qū)的前印支期蓋層也隨之褶皺或沖斷.復(fù)雜的燕山期陸內(nèi)造山造成了大范圍的巖漿活動(dòng),導(dǎo)致了長(zhǎng)江中下游地區(qū)的成礦大爆發(fā)(杜建國(guó)等,2003).

長(zhǎng)江中下游地區(qū)經(jīng)歷了陸核形成、晉寧期的地體(板塊)拼合、古—中生代蓋層沉積、加里東運(yùn)動(dòng)、印支造山運(yùn)動(dòng)以及燕山期板內(nèi)變形等階段,由此可見(jiàn)長(zhǎng)江中下游地區(qū)構(gòu)造演化的長(zhǎng)期性和復(fù)雜性,這也是區(qū)域地質(zhì)研究的難點(diǎn)所在.

圖1 長(zhǎng)江中下游地區(qū)構(gòu)造格架(圖中粗黑線為MT剖面位置)

3 數(shù)據(jù)采集與分析

3.1 數(shù)據(jù)采集

沿長(zhǎng)江中下游成礦帶中部地質(zhì)廊帶布設(shè)了兩條北西—南東向共計(jì)300 km長(zhǎng)的寬頻大地電磁(Broad-band Magnetotellurics, BBMT)剖面,起止位置為安徽省岳西縣—江西省東至縣(圖2),共計(jì)150個(gè)測(cè)點(diǎn),平均點(diǎn)距約2 km,由北至南分別命名為“北線”和“南線”.剖面自北西向南東穿過(guò)多個(gè)大地構(gòu)造單元:大別造山帶東南緣、沿江前陸褶皺帶、江南隆起帶北緣.

測(cè)量?jī)x器采用了四套由加拿大鳳凰公司生產(chǎn)的MTU-5A/P MT(magnetotelluric)主機(jī)和MTC-50/80磁棒.每個(gè)測(cè)點(diǎn)布置四個(gè)CaSO4(硫酸鈣)不極化電極,分別測(cè)量?jī)蓚€(gè)水平方向的大地正交電場(chǎng)分量(Ex,Ey),三根磁棒分別測(cè)量水平正交方向以及垂向上的磁場(chǎng)分量(Hx,Hy,Hz),一個(gè)記錄主機(jī)盒子.由60 Ahr的干電瓶為主機(jī)盒子供電,每個(gè)測(cè)點(diǎn)連續(xù)采集兩天數(shù)據(jù),采集頻率覆蓋320~0.00055 Hz.

3.2 數(shù)據(jù)處理

對(duì)所獲得的大地電磁數(shù)據(jù),系統(tǒng)運(yùn)用了時(shí)間序列的 Robust 估計(jì)(Egbert and Booker, 1986)與遠(yuǎn)參考處理(Gamble et al., 1979)、時(shí)間域形態(tài)濾波噪聲壓制(湯井田等, 2012)、功率譜挑選、阻抗張量分解、Rhoplus擬合(Parker and Booker, 1996)等 MT 數(shù)據(jù)處理技術(shù),以保證得到合理的MT響應(yīng).圖3是通過(guò)對(duì)所有測(cè)點(diǎn)進(jìn)行相位張量計(jì)算獲得的構(gòu)造走向,可以看出,構(gòu)造走向總體上表現(xiàn)為近NE向.

大量的地質(zhì)學(xué)研究成果和地球物理新的探測(cè)結(jié)果都說(shuō)明,雖然研究區(qū)內(nèi)部存在各個(gè)方向的斷裂,這對(duì)大地電磁數(shù)據(jù)的影響不容忽視,但從最后一期主應(yīng)力場(chǎng)所形成的褶皺構(gòu)造形跡以及斷裂帶的分布來(lái)看,長(zhǎng)江中下游地區(qū)地下蓋層介質(zhì)構(gòu)造走向總體表現(xiàn)出近NE向,因此我們選擇近NE向的電性主軸方位為構(gòu)造走向,進(jìn)行坐標(biāo)軸旋轉(zhuǎn),獲得 TE與 TM 模式的電磁響應(yīng).

3.3 維性分析

采用了相位張量的方法(Caldwell et al., 2004),如相位張量?jī)A角因子.基于相位張量的方法,可以有效的消除淺層電性不均勻體的影響,從而可靠的提供深部電性結(jié)構(gòu)的維性.圖3展示了兩條測(cè)線的相位張量橢圓剖面圖,從圖中可以看出除少量測(cè)點(diǎn)在低頻部分顯示較強(qiáng)的3D特征外,總體仍保留了2D特征,因此在2D反演中選擇了TE+TM聯(lián)合模式反演,使得結(jié)果能最大程度上反映真實(shí)的深部電性結(jié)構(gòu)特征(Berdichevsky et al.,1998).

3.4 反演

采用二維連續(xù)介質(zhì)反演程序(戴世坤,2002).對(duì)經(jīng)過(guò)處理之后的BBMT數(shù)據(jù)進(jìn)行了反演.本次反演的初始模型選擇為電阻率為100 Ωm的均勻半空間,RMS(residual mean square)誤差參數(shù)用作為模型數(shù)據(jù)與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的偏離度,兩條測(cè)線經(jīng)過(guò)100次迭代后的誤差分別為3.1%和4.8%,數(shù)據(jù)擬合對(duì)比見(jiàn)圖4,獲得的2D TE+TM聯(lián)合模式電阻率模型見(jiàn)圖5.

圖2 長(zhǎng)江中下游地區(qū)(a)地形及MT點(diǎn)位分布(b)地質(zhì)及MT測(cè)線位置

圖3 相位張量橢圓剖面

圖4 實(shí)測(cè)與模型計(jì)算視電阻率、相位擬斷面對(duì)比

圖5 2D二維連續(xù)介質(zhì)反演剖面圖—TE+TM模式

圖6 地質(zhì)地球物理綜合解釋圖

圖7 太古宙、元古宙、古生代出露區(qū)的大陸巖石圈典型電性模型(Jones, 2013)

4 電性結(jié)構(gòu)分析

4.1 北線

北線MT剖面從北向南分別跨過(guò)大別造山帶、郯廬斷裂帶、潛山凹陷、沿(長(zhǎng))江褶皺帶和江南隆起帶北緣.對(duì)大地電磁數(shù)據(jù)進(jìn)行二維連續(xù)介質(zhì)反演獲得了地下50 km 以淺的二維電性剖面(圖6c),剖面總體呈現(xiàn)出中低阻背景,大別造山帶擁有一個(gè)高阻的上地殼(R1),但高阻體范圍從淺到深逐漸向西收縮.

剖面在郯廬斷裂帶處存在明顯的電性梯度,大別造山帶一側(cè)以中高阻為主,而在長(zhǎng)江中下游凹陷一側(cè)為顯著的低阻背景.郯廬斷裂帶南段在安徽省境內(nèi)存在多個(gè)分支,雖然沿張八嶺構(gòu)造帶從北向南延伸到本剖面在地表收斂很快,但在潛山凹陷一帶仍然可以觀測(cè)到兩個(gè)分支(F1,F(xiàn)2).大型走滑的郯廬斷裂帶在上地殼表現(xiàn)為脆性行為,分隔了具有不同導(dǎo)電性質(zhì)的地塊,但在下地殼熱-力和物質(zhì)調(diào)整等深部作用高度活動(dòng)的環(huán)境下,斷裂帶并未如淺部般分隔不同電性地塊,更傾向于被深部作用過(guò)程當(dāng)作物質(zhì)調(diào)整活動(dòng)的通道所利用而并未形成顯著的電性梯度帶.

跨過(guò)郯廬斷裂帶,從近地表向下,潛山凹陷存在厚達(dá)5 km的低阻層,長(zhǎng)江沿岸的低阻覆蓋層則約為1~2 km.剖面進(jìn)入沿江前陸褶皺帶后,除了以燕山期洪鎮(zhèn)巖體為中心的洪鎮(zhèn)變質(zhì)核雜巖下面存在高阻體(R2)之外,整個(gè)地殼則由幾乎由高電導(dǎo)率主導(dǎo)(C1、C2).

跨過(guò)長(zhǎng)江之后,在剖面的南東端,江南隆起帶北緣的電性特征則表現(xiàn)出明顯的分層結(jié)構(gòu),自地表向下分別為高低阻相間的上地殼(R4),導(dǎo)電的下地殼和上地幔(C3).值得注意的是以長(zhǎng)江為界,上地幔具有完全不同的導(dǎo)電性,長(zhǎng)江以南的上地幔較長(zhǎng)江以北的上地幔(R3)明顯更加導(dǎo)電,形成高導(dǎo)區(qū)(C3).不同的導(dǎo)電性質(zhì)反映了兩種不同的上地幔物質(zhì),或反映了板塊的邊界,即存在兩類完全不同的上地幔,或同一地幔因處于不同環(huán)境而遭受了不同的地球動(dòng)力學(xué)過(guò)程.而當(dāng)前對(duì)上幔高導(dǎo)區(qū)的解釋一般有以下幾種:石墨層導(dǎo)電、蛇紋石化、部分融熔或異常高的地溫梯度等.具體的成因?qū)⒃谙挛牡牡厍騽?dòng)力學(xué)過(guò)程探討中,結(jié)合長(zhǎng)江中下游地區(qū)的地質(zhì)演化歷史以及現(xiàn)今的地質(zhì)實(shí)際來(lái)討論.

綜上所述,(1)北線地殼的電性結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)出一個(gè)受構(gòu)造分帶控制的橫向規(guī)律,即隆起區(qū)如大別造山帶、洪鎮(zhèn)變質(zhì)核雜巖體以及江南隆起帶北緣均表現(xiàn)為與受深大斷裂控制的巖漿活動(dòng)有關(guān)的高阻特征,而凹陷區(qū)如潛山凹陷與長(zhǎng)江凹陷則表現(xiàn)為受殼內(nèi)尺度或近地表淺部的脆性斷裂控制的低阻特征.(2)不同構(gòu)造帶在縱向上具有不同電性特征,但大區(qū)域范圍內(nèi)的圈層結(jié)構(gòu)仍非常明顯,大致以10 km與30 km深度為界可將巖石圈分為上地殼、下地殼和上地幔三層.(3)存在以長(zhǎng)江為界的電性梯度帶分隔了兩類不同導(dǎo)電性質(zhì)的上地幔.

4.2 南線

南線MT剖面從北向南分別跨過(guò)沿(長(zhǎng))江褶皺帶和江南隆起帶.對(duì)大地電磁數(shù)據(jù)進(jìn)行二維連續(xù)介質(zhì)反演獲得了地下50 km 以淺的二維電性剖面(圖6d),剖面可劃分為橫向高低阻相間的兩部分,中間為切過(guò)整個(gè)地殼的電性梯度帶(F9)所分隔.

電性梯度帶的北側(cè)地殼表現(xiàn)為低阻背景,仍具分層性,存在大范圍殼內(nèi)高導(dǎo)區(qū)(C4),跨過(guò)F7向南東,高阻的上地殼與導(dǎo)電的下地殼以及高阻的上地幔分層明顯.而F7以北的上地殼表現(xiàn)為低阻層,不同于沿構(gòu)造走向上的北線F5與F6之間的高阻上地殼(R4)(見(jiàn)圖2的MT測(cè)線布置圖和圖6),但上地殼性質(zhì)相近,可見(jiàn)上地殼或受構(gòu)造造變形極性影響而具有電性結(jié)構(gòu)的各向異性,或反映上地殼在臨近的空間內(nèi)仍具有巨大的物質(zhì)組成差異.具走滑性質(zhì)的斷裂(F8)破壞了地殼電性的連續(xù)性,地殼在F8斷裂與次一級(jí)斷層共同影響下在F8附近形成一個(gè)低阻帶.

南線電性梯度帶(F9)切過(guò)幾乎整個(gè)地殼,傾向北西,位置上與區(qū)域性的江南斷裂帶重合,地質(zhì)上分隔了沿(長(zhǎng))江褶皺帶和江南隆起帶.通常大型電性梯度帶都反映了大型構(gòu)造的存在,但據(jù)地表的沉積蓋層發(fā)育與分布情況,除長(zhǎng)江沿岸覆蓋水系沉積物外,震旦系以上,古生代—早中生代幾乎為連續(xù)沉積且不存在小范圍的沉積相變,在地表分布連續(xù),構(gòu)造式樣相似.因此,這種大型構(gòu)造不大可能發(fā)育于沉積蓋層形成之后,電性結(jié)構(gòu)垂向特征支持江南斷裂帶為大型基底斷裂構(gòu)造,對(duì)蓋層有一定的控制作用,但不能確認(rèn)為其是否為不同類型基底的界線.

電性梯度帶(F9)南東側(cè)則為大范圍的高阻區(qū),反映了長(zhǎng)期演化后的揚(yáng)子地塊的高成熟度地殼,巖漿-變質(zhì)基底與高成熟度濱海相沉積巖和火山巖可能貢獻(xiàn)了大范圍的高阻體(R5),但是在下地殼仍出現(xiàn)一個(gè)導(dǎo)電體(C5),預(yù)示著在統(tǒng)一的沉積蓋層下方可能存在不同類型基底,被F10與F11所分隔.基底的不同通常受古大地構(gòu)造位置的控制,能為江南隆起帶的內(nèi)部構(gòu)造分帶提供深部的邊界約束.剖面南端穿過(guò)的早白堊世鵝湖花崗巖體顯示為高阻體(R6),且在橫向上超出地表出露范圍,預(yù)示著大型隱伏巖體的存在.

與地殼的橫向分塊電性特征不同,南線上地幔的導(dǎo)電性則整體趨向一致(R7),沒(méi)有受區(qū)域構(gòu)造分帶的改變,可能具備統(tǒng)一的未被分段改造的高阻上地幔.

綜上所述,(1)受先存基底深大斷裂的控制,南線被分為兩大電性區(qū),沿(長(zhǎng))江褶皺帶的相對(duì)低阻區(qū)與江南隆起帶的相對(duì)高阻區(qū).(2)沿(江)褶皺帶受斷裂或水文地質(zhì)的影響,在不同的地段表現(xiàn)為不同的上地殼電性特征,但下地殼為連續(xù)的高導(dǎo)層.江南隆起帶長(zhǎng)期演化地殼的高成熟度貢獻(xiàn)了大范圍高阻體且與相對(duì)低阻的不同類型的基底相區(qū)分.(3)南線具有統(tǒng)一的未受后期改造的高阻上地幔.

4.3 北線與南線對(duì)比

從兩條剖面的電性結(jié)構(gòu)可以看出,無(wú)論在北線還是南線,古老地塊或基底出露區(qū)表現(xiàn)為高阻的地殼,受巖漿活動(dòng)控制的相對(duì)隆起區(qū)出均存在一個(gè)高阻的上地殼和導(dǎo)電的下殼,凹陷區(qū)則表現(xiàn)為高導(dǎo)的地殼.北線與南線區(qū)別最大的則在于上地幔的導(dǎo)電性,代表了MT剖面從北向南存在不同屬性地幔的過(guò)渡.

5 討論

5.1 殼幔結(jié)構(gòu)

作為殼幔邊界的Moho間斷面是根據(jù)地震波速與強(qiáng)反射界面來(lái)定義的,但由于物性基礎(chǔ)的差別導(dǎo)致其與巖石學(xué)范疇殼幔界面仍有差異(Prodehl et al., 2013).同樣,電Moho面(Jones, 2013)的識(shí)別與地震學(xué)Moho面一樣,受制于殼幔邊界的巖石物性差異,從全球不同地區(qū)大陸巖石圈的典型電性模型可以看出,上、下地殼,地殼與地幔均可以存在顯著的電性差異(圖7),這為通過(guò)大地電磁探測(cè)地球的圈層結(jié)構(gòu)提供基礎(chǔ).

從本文的兩條MT剖面電性結(jié)構(gòu)可以看出,從北向南幾乎均存在高低阻相間的上地殼、導(dǎo)電的下地殼和相對(duì)高阻的上地幔,上、下地殼的深部界線在地下10 km處,地殼與地幔的深部界線(電Moho面)在地下30 km處(圖6),如果這個(gè)深度即代表了殼幔界面,那么長(zhǎng)江中下游中部的地殼厚度略小于全球大陸的平均值(33 km),但導(dǎo)電的下地殼可能會(huì)導(dǎo)致地殼的厚度被低估(Jones, 2013).

自中生代構(gòu)造巖漿活動(dòng)以來(lái),除了沿郯廬斷裂帶和南京北部等地存在新生代巖巖漿活動(dòng)外,長(zhǎng)江中下游大部分地區(qū)逐漸進(jìn)入構(gòu)造-巖漿活動(dòng)的平靜期,燕山期新(形成)的下地殼物質(zhì)經(jīng)歷了超過(guò)100 Ma的時(shí)長(zhǎng)足以完全麻粒巖化,以麻粒巖為主的導(dǎo)電下地殼才能夠被MT探測(cè)到.因此現(xiàn)今的長(zhǎng)江中下游地區(qū)可能已經(jīng)完成了殼幔結(jié)構(gòu)的重新調(diào)整,并形成了穩(wěn)定的幾乎等深的莫霍面.

5.2 主要邊界斷裂

深大斷裂帶通常會(huì)導(dǎo)致物性上的差異和電性結(jié)構(gòu)的不連續(xù)性,電性結(jié)構(gòu)可以揭示已知斷裂帶的產(chǎn)狀與性質(zhì).

MT數(shù)據(jù)觀測(cè)到的郯廬斷裂帶范圍延伸寬大,而且可以確信為超殼斷裂(圖6).深大斷裂在區(qū)域地質(zhì)演化過(guò)程中通常扮演著非常重要的作用,空間上與郯廬斷裂帶緊密相連的上地幔頂部高導(dǎo)體C1的出現(xiàn)顯然蘊(yùn)含著與深大斷裂相關(guān)的成因意義.全球大部分穩(wěn)定地區(qū)都有著以超基性橄欖巖為主的上地幔,如同本次探測(cè)的大別造山帶一樣,以橄欖石為主的上地幔均顯示出中高阻特征,高導(dǎo)效應(yīng)的出現(xiàn)可能源自于含水性劇增或溫度及氧逸度的異常(Yoshino et al., 2009),這種異常均可歸因于超殼性質(zhì)的郯廬斷裂帶.

長(zhǎng)江下方出現(xiàn)的高導(dǎo)體(C2)以及上地幔的電性梯度帶(R3與C3界線)推測(cè)實(shí)際為受隱伏在沿江現(xiàn)代沉積物下方的深大斷裂——長(zhǎng)江斷裂帶,長(zhǎng)江下方全殼尺度的高導(dǎo)體反映了構(gòu)造擠壓背景下的強(qiáng)烈地殼變形與破碎,同樣作為一個(gè)超殼斷裂,長(zhǎng)江沿岸水系以及淺部脆性斷裂的高度發(fā)育為地下物質(zhì)的優(yōu)良導(dǎo)電性貢獻(xiàn)了高含水性,而深大斷裂的存在則貢獻(xiàn)了高的地溫梯度及氧逸度.

洪鎮(zhèn)變質(zhì)核雜巖(R2)下方出現(xiàn)的高阻體占據(jù)了大部上地殼空間,據(jù)地表大范圍巖體的出露及巖體物性推測(cè)為中酸性侵入體,而兩側(cè)高級(jí)變質(zhì)巖基底的出露也反映其為受斷裂控制的隆起.江南斷裂帶的位置出現(xiàn)的電性梯度帶(C4與R5界線)則顯現(xiàn)出斷裂帶對(duì)沿(長(zhǎng))江褶皺帶的控制作用,線狀褶皺與斷裂的構(gòu)造組合及變形式樣可能受控于后緣的深大斷裂——江南斷裂帶.

5.3 地球動(dòng)力學(xué)過(guò)程

由二維連續(xù)介質(zhì)反演電阻率剖面(圖6)可以看出,北線MT剖面可探測(cè)到的高阻體(R1~R7)穿插到沿江褶皺帶和江南隆起帶的低阻體(C1~C2,C4~C5)中或位于前者之下(R3,R7).分析這些導(dǎo)電結(jié)構(gòu)成因時(shí)可作以下推演:如果高電阻率地質(zhì)體受到構(gòu)造破壞后可形成貫通的空間,常見(jiàn)的地下導(dǎo)電流體相(如地下水、板片脫水或部分熔融巖漿水)充填后可以大幅度增加其導(dǎo)電性,如凹陷區(qū)的高導(dǎo)地殼(C1,C2,C4)以及長(zhǎng)江下方的高導(dǎo)上地幔(C3).然而,低電阻率的地質(zhì)體卻只有被大規(guī)模的高阻物質(zhì)(流體)完全充填固結(jié)或隔斷才能顯著降低其本身的導(dǎo)電性,即原本低電阻率的地質(zhì)體與原本高電阻率的地質(zhì)體相比較更容易保持物性的穩(wěn)定性.因此,巖石圈中的高阻體在遭受構(gòu)造變形之前可能為低阻體,但現(xiàn)今探測(cè)到巖石圈大范圍的高阻體則很難由低阻體變化而來(lái),其物性為新生高阻物質(zhì)本身所決定的可能性最大.這樣,由地球物質(zhì)的導(dǎo)電性質(zhì)可知,MT剖面中大于103Ωm的高阻物質(zhì)或?yàn)樵紝傩曰蛑豢赡苁呛蟪傻母呒?jí)變質(zhì)巖和新生侵入體.

以上對(duì)地球動(dòng)學(xué)過(guò)程的討論仍包含一定程度上的不確定性,主要在于不同屬性地幔所形成時(shí)限的不明確,這也是研究的難點(diǎn),但仍可以確定的是現(xiàn)今的地幔屬性是保留和繼承了中生代這一最后的強(qiáng)烈構(gòu)造-巖漿活動(dòng)所造成的狀態(tài).

綜上分析,從北向南地幔導(dǎo)電性的變化在本質(zhì)上反映的是在經(jīng)受深部動(dòng)力學(xué)過(guò)程時(shí)不同大構(gòu)造部位的地幔所遭受的不同類型的改造.無(wú)論是在板塊構(gòu)造框架下還是陸內(nèi)作用(造山)機(jī)制中,這種地球動(dòng)力學(xué)背景均能說(shuō)明深部過(guò)程的局域性,甚至能夠反映造成這種電性結(jié)構(gòu)結(jié)果的深部構(gòu)造極性,比如由南向北陸內(nèi)俯沖過(guò)程(梁鋒,2014)所引起的不同構(gòu)造部位的P-T條件、部分融熔比以及融體成分與交代作用的差異.

6 結(jié)論

(1) MT探測(cè)所獲得的長(zhǎng)江中下游地區(qū)中部地質(zhì)廊帶地下電性結(jié)構(gòu)提供了受不同構(gòu)造單元控制的地殼乃至上地幔的基本構(gòu)造特征,顯示出在地下10 km和30 km處分別存在明顯的圈層結(jié)構(gòu).

(2) 電性梯度帶清晰地反映了控制整個(gè)長(zhǎng)江中下游地區(qū)乃至中國(guó)東部構(gòu)造巖漿活動(dòng)的一系列深大斷裂帶,雖然在最強(qiáng)烈的燕山構(gòu)造巖漿活動(dòng)之后的長(zhǎng)江中下游地區(qū)的地殼結(jié)構(gòu)經(jīng)歷了一系的再平衡過(guò)程,但是現(xiàn)今的殼-幔結(jié)構(gòu)仍能揭示郯廬斷裂、長(zhǎng)江斷裂、江南斷裂等這些巨型斷裂帶對(duì)地質(zhì)演化及成巖成礦的重要控制作用和影響.

(3) 高導(dǎo)地幔的局域性存在以及從北向南地幔導(dǎo)電性的變化反映了在經(jīng)受深部動(dòng)力學(xué)過(guò)程中處于不同大構(gòu)造部位的地幔所遭受的不同類型的改造以及地幔深部的構(gòu)造極性.

致謝 感謝野外數(shù)據(jù)采集組與室內(nèi)數(shù)據(jù)處理組的全體同仁,感謝審稿人對(duì)本文提出的寶貴意見(jiàn).

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(本文編輯 張正峰)

Lithospheric electrical structure in the middle and lower reach of Yangtze River metallogenic belt inferred from magnetotelluric sounding

WANG Xian-Ying1,2, TANG Jing-Tian1,2, ZHANG Lin-Cheng1,2, XUE Shuai3, PAN Wei4, ZHOU Cong1,2, XIAO Xiao1,2, REN Zheng-Yong1,2, Lü Qing-Tian5

1KeyLaboratoryofMetallogenicPredictionofNonferrousMetals,MinistryofEducation,Changsha410083,China2SchoolofGeosciencesandInfo-Physics,CentralSouthUniversity,Changsha410083,China3InstituteofGeologyandGeophysics,ChinaAcademyofSciences,Beijing100029,China4InstituteofShanxiNuclearIndustryGeologySurvey,Xi′an710100,China5InstituteofMineralResources,ChineseAcademyofGeologicalSciences,MLRKeyLaboratoryofMetallogenyandMineralAssessment,Beijing100037,China

The Middle and Lower Reach of Yangtze River(MLYR) metallogenic belt is a juncture among the Dabie orogen, the MLYR depression and the Jiangnan uplift, and an important Cu-Fe-Mo-Au polymetallic metallogenic belt in eastern China. The study of the lithospheric structure in this region is important to reconstruct the geodynamic processes controlling metallogenesis and understand the genetic mechanism of the metallogenic belt. With advantages of high lateral resolution and deep investigation depth, magnetotelluric sounding can provide electrical constraints for layered structure of continental lithosphere and location of tectonic boundaries as well as properties of continental lithospheric mantle.Broad-band magnetotelluric (BBMT) data at a total of 150 sites were acquired along two approximately northwest-southeast trending 300-km-long profiles across the middle corridor of the MLYR metallogenic belt. Modern processing techniques were applied to these data to ensure that the accurate and realistic MT response curves were produced to the longest period possible for each site. These techniques included robust estimate, processing using robust remote referencing codes for the BBMT data, and analysis of geoelectric strike direction as well as dimensionality by phase tensor decomposition. The electrical structure down-to 50 km depths was finally imaged by two-dimensional TE+TM mode continuum medium inversion.The deep conductivity structure revealed mainly includes the crust-mantle transition, fault zones which separate tectonic units, as well as conductibility of the mantle. (1) The electric crust-mantle boundary is at the depth of 30 km, separating the conductive lower crustal granulite above from the more resistive underlying lithospheric mantle, except the conductive mantle beneath the Yangtze River. Another boundary at the depth of 10 km separates the resistive upper crustal granitoids from the lower crust. (2) The lateral electrical gradients at the Tan-Lu fault zone and Jiangnan fault zone separate the resistive crust of Dabie orogen, the relatively conductive crust of MLYR depression and the resistive crust of Jiangnan uplift, respectively. (3) The mantle conductivity model shows three kinds of mantle with a conductive mantle beneath the Yangtze River in the middle of the profile, and both resistive mantles in the north-western and south-eastern, respectively.It can be inferred from the present stable electric crust-mantle boundary that MLYR metallogenic belt experienced a lithospheric re-balance (an adjustment of lithosphere) after the Yanshanian intracontinental tectono-magmatic and metallogenic processes. The distinct electrical gradients at the boundaries of deep fault zones (e.g. Tan-Lu fault zone, concealed Yangtze River fault zone and Jiangnan fault zone) imply their extensional property in post-Indosinian and playing a key role of controlling the Yanshanian tectonic-magmatic activity. The high conductive mantle′s localized existence reflects mantle beneath different geotectonic units that experienced different kinds of transformation(deformation and alteration) during the geodynamic process and formed the geological polarity at depth.

Middle and Lower Reach of Yangtze River metallogenic belt; Magnetotelluric; Lithosphere; Electrical structure

中國(guó)地質(zhì)調(diào)查項(xiàng)目(1212011220243,1212011220244)和國(guó)家深部探測(cè)專項(xiàng)第3項(xiàng)目(SinoProbe-03)聯(lián)合資助.

王顯瑩,男,1982年生,博士研究生,主要從事大地電磁法探測(cè)方向的研究.E-mail:wangxy@csu.edu.cn

10.6038/cjg20151206.

10.6038/cjg20151206

P319,P542,P631

2015-10-28,2015-11-24收修定稿

王顯瑩, 湯井田, 張林成等. 2015. 長(zhǎng)江中下游成礦帶中段巖石圈電性結(jié)構(gòu)研究.地球物理學(xué)報(bào),58(12):4403-4414,

Wang X Y, Tang J T, Zhang L C, et al. 2015. Lithospheric electrical structure in the middle and lower reach of Yangtze River metallogenic belt inferred from magnetotelluric sounding.ChineseJ.Geophys. (in Chinese),58(12):4403-4414,doi:10.6038/cjg20151206.

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