徐曉雅，林鳳仙，石寶文,，王 蘇,，胡毅力

(1.昆明南方地球物理技術(shù)開發(fā)有限公司，云南 昆明 650231；2.云南大學(xué) 地球物理系，云南 昆明 650091)

0 引言

塔里木盆地位于天山、昆侖山和阿爾金山之間，是中國最大的沉積盆地。在印度—?dú)W亞板塊的碰撞效應(yīng)影響下[1]，盆地北側(cè)的天山和盆地南側(cè)的青藏高原的抬升以及兩者對盆地的擠壓[2]，使盆地形成現(xiàn)今的五隆四坳的構(gòu)造格局[3]。這種特殊的地形地貌特征預(yù)示著塔里木盆地復(fù)雜的地殼結(jié)構(gòu)和物質(zhì)組分。地殼磁異常主要由地殼和上地幔巖石磁化產(chǎn)生。由于巖石磁化特性和構(gòu)造演化的差異，巖石圈磁場攜帶著地殼物質(zhì)的組成和構(gòu)造演化的重要信息[4-5]。研究塔里木盆地磁異常的空間分布，探索磁異常與地質(zhì)構(gòu)造的關(guān)系，對認(rèn)識該地區(qū)的地質(zhì)構(gòu)造演化及磁性物質(zhì)分布有重要意義。

以往對塔里木盆地及周邊地區(qū)地殼磁異常的研究主要基于航磁測量。如楊文采等[6]分析了塔里木盆地航磁異常場的分布和磁源體結(jié)構(gòu)。徐鳴潔等[7]研究塔里木盆地西部航磁異常走向，推斷盆地基底斷裂分布。何碧竹等[8]分析了塔里木盆地中部磁異常帶的分布特征，得出盆地中部磁異常帶為多期構(gòu)造易活動帶。但是，受地域限制，航磁測量并沒有完全覆蓋塔里木盆地及鄰近地區(qū)，而且航磁異常對磁源深度的反映并不明顯。此外，目前的航測技術(shù)一般僅能給出單個(gè)磁場分量，對完整地識別和研究地殼磁異常存在很大局限性[9-10]。因此，對這個(gè)地區(qū)地殼磁場仍然缺乏系統(tǒng)地認(rèn)識。

隨著衛(wèi)星磁測和數(shù)據(jù)處理技術(shù)的進(jìn)步，將衛(wèi)星、航空、地面和海洋磁測資料融合在一起，構(gòu)建地磁場高階球諧模型，可以方便地計(jì)算地磁場各個(gè)要素，研究地磁場的各種成分及時(shí)空演變規(guī)律。近10多年來，構(gòu)建地磁場高階球諧模型取得重要進(jìn)展，國際上已建立了多種高階磁場模型。其中，美國地球物理數(shù)據(jù)中心(NGDC) 2009年利用衛(wèi)星、地面、海洋和航空磁測資料構(gòu)建的地磁場模型NGDC-720-V3，球諧階次高達(dá)740階[11]。利用此模型可以方便地開展區(qū)域地殼磁異常的研究。例如，康國發(fā)等由此模型得出青藏高原及鄰區(qū)的地殼磁異?？臻g分布特征，進(jìn)而討論了磁異常與區(qū)域構(gòu)造的關(guān)系[12]。Wang J等[4]、高國明等[13]、石寶文等[14]分別分析了不同區(qū)域的磁性結(jié)構(gòu)。鑒于塔里木盆地特殊的構(gòu)造背景，而對其地殼磁異常還沒有深入研究，本文擬根據(jù)NGDC-720-V3磁場模型，計(jì)算和分析塔里木盆地及鄰區(qū)地殼磁異常的空間展布，磁異常的衰變規(guī)律，磁異常的二維小波分解信息，探討磁異常與地質(zhì)構(gòu)造的對應(yīng)關(guān)系。

1 地質(zhì)構(gòu)造背景

塔里木盆地地處中國新疆維吾爾自治區(qū)南部。盆地的四周山脈環(huán)繞，北側(cè)為天山造山帶，南部為昆侖造山帶，東南部為阿爾金造山帶(圖1)。它是一個(gè)新生代晚期才最終被眾多山系所圍限的封閉性的大型內(nèi)陸山間盆地。目前為止，在盆地地殼構(gòu)造演化方面還沒有得到很好的研究[16]。盆地構(gòu)造劃分為塔北、塔中、巴楚、塔東、塔南的5個(gè)隆起和庫車、北部、西南、東南的4個(gè)坳陷(圖2)[3]。塔北隆起位于塔里木河以北，呈東西向延伸，其上發(fā)育了較完整的古生代蓋層沉積；塔中、巴楚和塔東3個(gè)隆起組成中央隆起帶，橫貫盆地中央向東傾伏的基底隆起，呈東西向展布；塔南隆起位于盆地的東南部，構(gòu)造呈北東向，是新生代以來形成的斷?。粠燔囒晗菔侵?、新生代連續(xù)沉降構(gòu)造；北部坳陷是一個(gè)長期演化發(fā)展的巨型負(fù)向構(gòu)造；西南坳陷是典型的中新世—上新世發(fā)育的前陸坳陷，昆侖山對其發(fā)展起到不可忽視的作用；東南坳陷處在昆侖山北緣與塔里木南緣之間，受北東東向的阿爾金斷裂的控制。

1—庫爾勒斷裂；2—阿拉干斷裂；3—圖木休克斷裂；4—柯崗-塔倉斷裂；5—皮山斷裂；6—墨玉斷裂；7—北民豐大斷裂；8—羅布莊斷裂；9—阿爾金斷裂；10—康西瓦斷裂圖1 塔里木盆地及周圍地區(qū)地形圖及主要斷裂帶分布[15]Fig.1 Topography and distribution of main faults of Tarim Basin and its neighboring area[15]

圖2 塔里木盆地構(gòu)造單元(根據(jù)文獻(xiàn)賈承造[3]修改)Fig.2 Map showing the major tectonic terrains in Tarim Basin (modified from Jia[3])

2 磁異常的計(jì)算

在地磁場的球諧級數(shù)表達(dá)式中，將諧波階數(shù)n≥16階的項(xiàng)作為地殼磁場[17]。地殼磁異常的垂直分量ΔZ的球諧級數(shù)見式(1)

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圖3 塔里木盆地地殼磁異常圖Fig.3 Crustal magnetic anomaly in Tarim Basin

3 地殼磁異常分布特征與地殼構(gòu)造

3.1 地表磁異常分布特征

研究區(qū)的磁異常強(qiáng)度分布顯示(圖3)，塔里木盆地磁異常較強(qiáng)，周緣山脈磁異常較弱。西昆侖山、阿爾金山和南天山等大型造山帶顯示弱或負(fù)磁異常，異常與山脈走向基本一致。塔里木盆地中部(大致位于39.5°～40.5°N)為強(qiáng)正磁異常帶(中央正磁異常帶)，盆地北部為一大型塊狀負(fù)磁異常區(qū)(北塔里木負(fù)磁異常區(qū))，南部為正負(fù)磁異常相間區(qū)(南塔里木磁異常區(qū))。

中央正磁異常帶以近東西向正磁異常為特征，橫跨塔里木盆地中央，構(gòu)成塔里木盆地地表磁異常的南北兩部分的分界。異常帶西起喀什，往東經(jīng)巴楚，穿過盆地中央塔克拉瑪干沙漠至羅布泊。異常強(qiáng)度一般為100～250nT，具多個(gè)異常焦點(diǎn)，最大值高達(dá)465nT(82.4°E，39.7°N)。

南塔里木磁異常區(qū)位于中央正磁異常帶以南至西昆侖山前，呈巨大的三角狀。以北東向的正磁異常為主，在皮山、和田以及塔中至若羌之間分別出現(xiàn)負(fù)磁異常帶。該磁異常區(qū)以其強(qiáng)度較大的寬緩區(qū)域磁場背景與其西部的昆侖山、東部的阿爾金山和南部的青藏高原所展示的弱磁異常形成了鮮明的對比，顯示了南塔里木盆地與周緣地區(qū)不同的磁性特征。

北塔里木盆地和南天山造山帶均為負(fù)磁異常，總體呈東西向展布，強(qiáng)度一般為-200～-40nT，最強(qiáng)的負(fù)異常焦點(diǎn)為-307nT(80.3°E，40.6°N)。

3.2 磁異常衰減特點(diǎn)

圖4 在地表以上20、50和300km高度的磁異常分布Fig.4 Distribution of the crustal magnetic anomaly at 20, 50 and 300 km under the ground

為了解磁異常的衰減特征，計(jì)算從地表到地表以上300km之間不同高度的磁異常，圖4只給出地表以上20、50和300km共3個(gè)高度的磁異常分布?？梢钥闯觯S著高度增加，不同地區(qū)的磁異常衰減差別較大，而且盆地正磁異常范圍逐漸向北擴(kuò)展。盆地中部和南部的正磁異常衰減較慢，在20km甚至50km高度，異常仍顯示高正異常值。說明這些地區(qū)巖層磁性在垂向分布比較穩(wěn)定。盆地北部廣闊平緩的負(fù)磁異常區(qū)隨著高度的增加，異常面積在縮小。在300km高度，盆地北部負(fù)磁異?；鞠?，整個(gè)塔里木盆地為正磁異常，而盆地周邊的昆侖山、阿爾金山和南天山表現(xiàn)為負(fù)磁異常。葉城至和田、塔中至若羌的負(fù)磁異常衰減較快，在50km高度層面完全消失，表明它們是疊加在正異常背景上的淺源局部異常。

3.3 磁異常的小波分析

地殼磁異常是地殼內(nèi)部不同深度的磁性物質(zhì)所產(chǎn)生磁場的綜合反映。小波變換方法可以把位場分解為不同尺度的成分，在重力場、航磁異常等方面有較好地應(yīng)用[18-19]。根據(jù)二維小波變換原理[20]，可以將位場分解為不同尺度的細(xì)節(jié)信號Dn[f(x,y) ]和逼近信號An[f(x,y) ]，進(jìn)行N階小波分解的異常信號可以表示為

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鑒于塔里木盆地磁異常以平緩變化為主，本文選用振蕩較為平緩、有較好正交性和較高消失矩的db4為小波母函數(shù)[21]對地表磁異常進(jìn)行分解。結(jié)果顯示：1～3階小波細(xì)節(jié)的異?？臻g尺度小，異常分布形態(tài)相近；4～6階細(xì)節(jié)異?？臻g尺度較大，異常分布特征類似。因此，將1～3階和4～6階小波細(xì)節(jié)分別組合。圖5給出地面磁異常1～3階(D1+D2+D3)、4～6階小波細(xì)節(jié)(D4+D5+D6)組合和6階小波逼近(A6)的異常分布圖。

從圖5可以看出，1～3階小波細(xì)節(jié)組合磁異常以帶狀、團(tuán)狀為主，且盆地北部不再是成片的負(fù)磁異常區(qū)，出現(xiàn)了許多尺度較小的正異常，盆地中部和南部磁異常走向與地表一致，但正磁異常帶的強(qiáng)度明顯減弱。4～6階小波細(xì)節(jié)組合磁異常形態(tài)特征與地表磁異常相近，盆地南北正負(fù)磁異常分界已經(jīng)形成。說明盆地磁異常的基本格局主要源于產(chǎn)生4～6階細(xì)節(jié)的巖石磁性。6階小波逼近磁異常分布形態(tài)簡單，與前述300km高度的磁異常分布類似，盆地為近東西走向的正異常，其焦點(diǎn)(81.4°E,38.3°N)強(qiáng)度為30 nT，周緣山脈為負(fù)磁異常。

為了認(rèn)識小波分解得到的異常分布的地球物理意義，根據(jù)功率譜斜率與場源埋藏深度成正比，我們對磁異常的小波細(xì)節(jié)組合和逼近進(jìn)行功率譜分析[22]。圖6給出小波細(xì)節(jié)組合和6階逼近的功率譜和對應(yīng)的磁源體平均深度?？梢钥闯觯?～3階細(xì)節(jié)組合對應(yīng)的場源深度約為10km，4～6階細(xì)節(jié)對應(yīng)的場源深度約為20km，6階逼近場源深度約為45km。根據(jù)地震轉(zhuǎn)換波探測結(jié)果[23-24]，塔里木盆地分為上、中和下地殼結(jié)構(gòu)，上地殼平均埋深約12 km，中地殼平均埋深約22 km，下地殼平均埋深約45 km?？梢娦〔?xì)節(jié)組合和逼近給出的磁源體場源深度與地震學(xué)揭示的地殼分層基本一致。1～3階細(xì)節(jié)、4～6階細(xì)節(jié)和6階逼近分別反映上、中、下地殼磁性體產(chǎn)生的磁異常。

圖5 小波組合的磁異常圖Fig.5 Ground magnetic anomalies of wavelet multi-scale decomposition

圖6 小波細(xì)節(jié)組合徑向功率譜Fig.6 The radial spectra of the wavelet multi-scale decomposition

3.4 磁異常與地殼構(gòu)造的關(guān)系

據(jù)磁性資料[25]，鉆井揭露的前震旦系變質(zhì)巖磁性弱，磁化率為4×10-5～411×10-5SI；太古宙花崗片麻巖具磁性，磁化率平均值為1390×10-5SI，各種片巖為弱磁性，磁化率為0～80×10-5SI；太古宇達(dá)格拉格布拉克群深變質(zhì)巖系磁性普遍較強(qiáng)，磁化率平均為350×10-5～6839×10-5SI；玄武巖具磁性，磁化率平均為2927×10-5SI。因此，塔北地區(qū)的負(fù)磁異常應(yīng)為前震旦系弱磁性變質(zhì)巖系的反映；塔中地區(qū)高磁異常帶可能是太古宇結(jié)晶巖系和沿?cái)嗔亚秩肫渲械闹谢詭r體的共同反映；塔南地區(qū)的正磁異常應(yīng)是太古宇結(jié)晶巖系的反映。

南塔里木盆地地表磁異常的空間分布與該區(qū)巖石圈區(qū)域構(gòu)造基本吻合，反映出典型的山脈夾盆地的地形特征。如圖3所示，南塔里木盆地的強(qiáng)正磁異常與周邊山脈的弱磁異?；蜇?fù)磁異常有明顯的分界。西南邊界和東南邊界以柯崗—塔倉斷裂和北民豐大斷裂為界，將塔里木盆地的強(qiáng)正磁異常與西昆侖山以及阿爾金山的弱磁異?；蜇?fù)磁異常分開。將南塔里木盆地與周邊造山帶的正、負(fù)磁異常分界與圖1、圖2給出的該區(qū)區(qū)域構(gòu)造對比，兩者描述的邊界基本一致。

北塔里木盆地與南天山的磁異常均表現(xiàn)為負(fù)異常，山盆界線模糊。天山和塔里木盆地北緣的巖石圈深部結(jié)構(gòu)的研究表明[26]，在向南天山造山帶俯沖的過程中，盆地北緣物質(zhì)被帶進(jìn)天山造山帶，受到改造，形成南天山的地殼。南天山的地殼原是塔里木板塊的一部分[27]。由于天山殼幔物質(zhì)的分異尚未完成，北塔里木盆地和南天山的平均地殼厚度相近，南天山地殼不存在明顯的山根[28-29]。這與北塔里木盆地和南天山均為負(fù)異常的地磁現(xiàn)象相吻合。

磁異常隨高度衰減和小波分析顯示，塔里木盆地地殼磁性結(jié)構(gòu)可能分為上、中和下3層。上地殼磁性不均勻，對應(yīng)小波1～3階細(xì)節(jié)組合。盆地中層在北部為負(fù)磁性，巖性相當(dāng)于阿克蘇以西出露的阿克蘇群弱磁性片巖系；南部為正磁性，并在局部區(qū)域鑲嵌負(fù)磁性物質(zhì)，主要由北東走向和近東西走向的巖相拼合而成，對應(yīng)小波4～6階細(xì)節(jié)部分。盆地下層為正磁性，具有全盤性，對應(yīng)著小波6階逼近場和300km高度層面的磁異常分布。

塔里木盆地的磁異常、斷裂與構(gòu)造應(yīng)力場三者存在一定的聯(lián)系。應(yīng)力場研究表明，塔里木盆地存在南北兩側(cè)向盆地?cái)D壓構(gòu)造應(yīng)力場、東側(cè)左旋運(yùn)動和西側(cè)右旋運(yùn)動構(gòu)造應(yīng)力場[30]。南北擠壓構(gòu)造應(yīng)力場在塔里木盆地中部對接，形成了近東西走向的阿拉干斷裂帶和圖木休克斷裂帶，而這兩條斷裂不僅為盆地中部正磁異常帶的邊界，而且是盆地南北磁異常差異的分界。西昆侖山體的北向逆沖大于塔里木盆地南緣的南向俯沖，左旋構(gòu)造應(yīng)力場遠(yuǎn)較右旋構(gòu)造應(yīng)力場對塔里木盆地構(gòu)造格架的形成影響深遠(yuǎn)[30]。盆地南部北東向的皮山斷裂、墨玉斷裂和北民豐大斷裂等正是在這種應(yīng)力場作用下形成。而北東向的斷裂帶與葉城、和田和民豐的3條磁異常帶走向一致，且為正負(fù)磁異常的分界。因此，盆地構(gòu)造應(yīng)力場制約著斷裂帶的發(fā)育，而斷裂帶構(gòu)造分布決定了磁異常的分布和走向。

4 結(jié)論

判讀和解釋區(qū)域地殼磁異常圖對認(rèn)識區(qū)域地殼磁性結(jié)構(gòu)、地球動力學(xué)過程有重要意義。根據(jù)高階地磁場模型NGDC-720-V3，分析了塔里木盆地地殼磁異常不同海拔高度的分布以及不同深度場源產(chǎn)生的磁場信息，探討了磁異常與區(qū)域構(gòu)造、斷裂帶、構(gòu)造應(yīng)力場的關(guān)系，得到如下的結(jié)論：

(1)南塔里木盆地磁異常的空間分布與該區(qū)巖石圈區(qū)域構(gòu)造基本吻合，反映出典型的山脈夾盆地的地形特征。它的強(qiáng)正磁異常與周邊山脈的弱磁異常或負(fù)磁異常有明顯的分界。北塔里木盆地與南天山均表現(xiàn)為負(fù)異常帶，山盆界線模糊，預(yù)示北塔里木和南天山?jīng)]有明顯的山根。塔里木盆地構(gòu)造應(yīng)力場形成了盆地?cái)嗔褞?，而斷裂帶制約著磁異常的分布和走向。正負(fù)磁異常的形狀、走向清晰地表現(xiàn)出塔里木盆地主要斷裂的展布。

(2)磁異常的不同高度分布和小波分析顯示，盆地磁性地殼結(jié)構(gòu)分為上中下3層結(jié)構(gòu)。盆地下磁性殼層為正磁性基底，具有全盤性。中磁性殼層的北部為負(fù)磁性基底，南部為正磁性基底，并在局部區(qū)域鑲嵌負(fù)磁性物質(zhì)。上磁性殼層分布小的不均勻的磁性體。