青藏高原西部班公 -怒江缝合带下方地壳结构与地块拼合模式

李海鸥 徐锡伟 姜 枚马文涛

1)中国地震局地质研究所,北京 100029

2)中国地质科学院地质研究所,北京 100037

青藏高原西部班公 -怒江缝合带下方地壳结构与地块拼合模式

李海鸥1)徐锡伟1)姜 枚2)马文涛1)

1)中国地震局地质研究所,北京 100029

2)中国地质科学院地质研究所,北京 100037

利用远震接收函数偏移成像方法获得青藏高原西部 Hi-Climb项目剖面北段地壳结构转换波成像。结果显示班公 -怒江缝合带下方拉萨地体上地壳向 N仰冲,下地壳向 N俯冲,而羌塘地块上地壳向 S仰冲,下地壳向 S俯冲,可能意味着青藏高原西部拉萨地块和羌塘地块具有复杂的拼合过程。结合前人的岩石学研究成果,建立了新特提斯北洋盆洋壳 S向俯冲、距今 60～50Ma印度板块与欧亚板块碰撞后,拉萨地块的下地壳向羌塘地块下俯冲,而后印度板块俯冲到羌塘地块下方的地块拼合模式。

地壳结构 接收函数 班公 -怒江缝合带 拉萨地块 羌塘地块

0 引言

青藏高原的形成是地块拼合与增生、多期次洋陆俯冲 -碰撞以及现今仍在进行的印度大陆板块与欧亚大陆板块陆陆碰撞的结果 (许志琴等,2006)。青藏高原已成为开展大陆动力学研究的最佳野外实验室 (Yinet al.,2000),而印度、欧亚板块碰撞前后的块体拼合及碰撞动力学的历史重塑是青藏高原大陆动力学研究的焦点 (许志琴等,2006)。

班公 -怒江蛇绿岩带的研究表明,“松潘 -羌塘复合增生地块”与“拉萨地块”之间的新特提斯北洋盆形成于早、中三叠世,在晚三叠世洋壳发生俯冲,在侏罗纪新特提斯北大洋闭合后发生地块碰撞 (许志琴等,2006),形成现在的班公 -怒江缝合带 (BNS)。但关于洋壳和陆壳的俯冲方向,由于在羌塘地块南缘活动陆缘增生带发育不明显,在岩石学研究方面存在不同的认识。一种观点认为,羌塘块体新生代广泛发育的火成岩可能与拉萨块体北缘地幔盖层向 N俯冲消减有关 (Dinget al.,2003);拉萨块体北缘地幔盖层俯冲到羌塘地块之下至少约 200km(尹安,2001);另一种观点认为拉萨地块北部的岩浆岩带(早白垩世)以及更南部中、晚侏罗世或中、晚白垩世的火山岩带为班公湖 -怒江洋盆向 S俯冲到拉萨地块之下形成的 (李廷栋,2002)。拉萨地块中印支火山岛弧带的发现 (郑来林等,2004)也支持新特提斯北洋盆 (班公湖 -怒江洋盆)向 S俯冲 (潘桂堂等,2004)。深部地球物理研究在洋壳和陆壳的俯冲方向上也存在很大的争议。一种观点认为,班公 -怒江缝合带 N倾,拉萨块体的地幔盖层向 N俯冲下插 (熊绍柏等,1997;吴庆举等,1998;Yinet al.,2000;李永华等,2006),反映了青藏高原岩石圈构造演化的特点。当新特提斯北大洋海盆闭合时,洋壳发生了向 N的俯冲消减,羌塘地块向 S仰冲 (熊绍柏等,1997)。另一种观点认为,羌塘地块沿着班公 -怒江缝合带向 S俯冲 (Tapponnieret al.,2001;Shiet al.,2004;钱辉等,2007),并被印度板块俯冲挤压而回折 (钱辉等,2007)。

2004年 7月至 2005年 8月,在青藏高原西部实施的中美合作 Hi-Climb项目第 2阶段主观测剖面从印度板块与欧亚板块碰撞区的雅鲁藏布江缝合线(YTS)南部,经过拉萨地块、班公 -怒江缝合带(BNS),到羌塘地块中部的鲁谷地区 (图1)。这为研究青藏高原西部BNS两侧拉萨和羌塘地块的地壳结构提供了重要资料。地壳精细结构和构造为人们深入认识更复杂的造山与高原形成作用提供了重要依据 (赵文津等,2002),而接收函数偏移成像可以获得详细的地壳变形结构 (Shiet al.,2004),因此本次研究采用接收函数偏移成像方法给出了青藏高原西部BNS两侧壳内详细的变形结构,结合已有的岩石学研究成果,探讨拉萨地块与羌塘地块的拼合和碰撞过程。

图1 Hi-Climb剖面第 2阶段主观测剖面台站分布示意图Fig.1 Schematic map showing distribution of stations along themain observation profile of the second phase on Hi-Cl imb Profile.

1 数据与分析

Hi-Climb项目第 2阶段主观测剖面从印度板块与欧亚板块碰撞区的雅鲁藏布江缝合线最南部的H0641台站 (85.294°E,28.856°N)到最北部的羌塘地块中部的 H1630台站 (84.227°E,34.065°N),共布设了 76台三分量宽频带地震仪,台站间距约 8km。连续观测 1a。

接收函数方法的理论背景在早期的文献中多有论述 (Vinnik,1977;Langstonet al.,1977;Owenset al.,1984;Cassidy,1992)。此种方法主要是基于远震陡倾角 P波入射到速度间断面(如莫霍面)时,由于其两侧大的速度差异,除了会发生反射、透射外,还会发生波的转换。三分量记录中,P波及其多次波主要在垂向分量上,而转换波及其多次波主要记录在水平分量上。适当的坐标系转换把 Ps转换波从 P波中分离出来。然后通过径向分量和垂直分量的褶积压制与消除震源和仪器的影响,获得所谓的接收函数。本文利用接收函数偏移成像方法 (Kosarevet al.,1999)来获得青藏高原西部观测剖面下方的地壳结构。这种方法已被成功地用来成像莫霍界面 (吴庆举等,1998;Galvéet al.,2002;Shiet al.,2004;李海鸥等,2006)和上地幔速度不连续面(Kosarevet al.,1999;Kindet al.,2002)。

天然地震接收函数计算方法对波形的完整性要求较为严格,因此远震资料的选取严格遵照如下标准:震中距介于 30°～90°,震级 >5.5,垂直分量 P波初至比较突出,延时较短且无其它后续震相如 Pp波的干扰。在利用反褶积方法求取接收函数时,为了获得地壳内部的主要速度间断面,选择了滤波因子为 5(大约 1 Hz)的高斯低通滤波器。在射线坐标系下 (LQT)计算了 Q分量接收函数,以便得到近地表风化层或沉积层底界面的转换波界面 (Ammonet al.,1990),并对比了不同入射角情况下的接收函数。正常情况下,入射角的改变对后续的转换波特征影响不大,因此去掉了入射角改变时易于发生畸变的接收函数,保留了稳定可靠的Q分量接收函数。

通过计算,共获得接收函数 1680个。这里以位于拉萨地块中部嘉黎 -然乌断裂南侧的H1210台站的接收函数特征 (图2)为例来分析地壳结构。接收函数具有明显的 4个转换波,分别是近地表的转换波、地壳内部的 2个转换波以及地壳底部莫霍面的转换波。根据 1个转换波对应 1个界面的假设,相应的共有 4个转换界面。除了 4个正振幅的转换波外,旅行时差在 2～3s的位置有 1个明显的负振幅,它是入射波从低速层到高速层透射时产生的转换波,指示着低速层的存在。

2 成像结果

通过对 1680个接收函数进行偏移成像处理,并把获得的偏移叠加结果投影到与近 EW构造走向相垂直的 SN向剖面上,得到了西藏中部地区莫霍面和壳内主要速度间断面深度空间变化的详细结构成像 (图3)。

2.1 莫霍面

本次研究剖面的接收函数成像结果显示偏移剖面自南向北在 60～80km深度范围内存在明显的转换波界面,应该是壳幔间莫霍面的反映。但不同地段这一转换波界面的特征可见显著的差异。YTS下方相对连续的转换波从高喜马拉雅北部大约深 55km逐渐增加到拉萨地块南部下方深 70km,与雅鲁藏布江缝合线以南印度板块厚度约 55km,雅鲁藏布江缝合线以北拉萨地块地壳厚度约 70km的研究结果 (熊绍柏等,1997)相一致。在 YTS下方莫霍面深度的范围内,除了上述相对连续的转换波界面外,还在局部地区存在另一个转换波界面,可能是噪音引起的假象。在拉萨地块中南部下方似乎缺失莫霍面转换波;在拉萨地块北部下方,莫霍面转换波界面以向N倾斜为特征,并在班公 -怒江缝合带下方达到约 85km的深度;在羌塘地块下方,莫霍面转换波界面以向 S倾斜为特征,莫霍面转换波界面深度主要在 70km左右,在班公 -怒江缝合带附近达到约 80km。

本次研究表明 BNS两侧的莫霍面错断距离至少有 5km,与前人研究结果中 5～10km的错断距离相一致 (熊绍柏等,1997;Zhaoet al.,2001;李永华等,2006),而不是 20km左右的错断(Hirnet al.,1984)。不同研究剖面或同一剖面不同研究方法获得的莫霍面错断距离有一定的差距,如中国科学院地质与地球物理研究所在措勤—三个湖沿线进行的人工地震测深剖面与本次研究剖面的北段几乎相同,结果表明 BNS附近存在约 10km的错断 (熊绍柏等,1997);沿着I

NDEPTH-Ⅲ剖面,接收函数结果显示 BNS两侧存在约 10km的莫霍面错断 (李永华等,2006）；Z h a o等 (2001)通过广角反射研究认为 BNS附近存在约 5km的类似错断。所有这些结果都表明BNS两侧莫霍面的错断是真实存在的。

图3 Hi-Cl imb剖面北段接收函数成像结果 (a)及推断转换波界面特征(b)Fig.3 Receiver function imaging results(a)and deduced characteristics of converted wave(b).

2.2 壳内结构

在地壳内部,班公 -怒江缝合带两侧的壳内结构较雅鲁藏布江缝合线两侧的壳内结构更为复杂。班公 -怒江缝合带南侧拉萨地块的中、下地壳转换波界面显示 N向俯冲的构造特征,而代表着上地壳底界面的转换波界面显示N向逆冲特征。缝合带北侧代表羌塘地块的上地壳底界面的转换波界面显示向 S仰冲,而中、下地壳转换波界面具有向 S俯冲的构造特征。

在拉萨地块中部,比较明显地存在 2个不连续界面。这一位置大体对应着 Ar mijo等(1989)提出的高原南部大型的右旋剪切断裂带中的嘉黎 -然乌断裂。该断裂在青藏高原中部穿过莫霍界面并产生错断 (Shiet al.,2004)。2009年 7月 24日,在该断裂附近发生了 5.6级地震 (85.902°E,31.158°N),但震源深度仅为 13.4km,似乎还难以判断上述界面是否为上地壳底界面。如果是上地壳底界面,则该界面在嘉黎 -然乌断裂存在大约 12km的错断。嘉黎 -然乌断裂下方的莫霍面转换波界面的叠加振幅相对较弱,无法清晰地显示该断裂可能的错断程度。

3 结论与讨论

接收函数成像结果显示BNS下方的莫霍面深度相对较大,BNS南侧拉萨地块的莫霍面深度较BNS北侧羌塘地块的莫霍面深度至少深 5km。BNS下方不仅有拉萨地块和羌塘地块上地壳相对的仰冲,也有下地壳相对的俯冲,呈现出对冲的构造模式。与中国科学院措勤—三个湖人工地震测深剖面所显示的拉萨地块向N俯冲到羌塘地块之下,羌塘地块向 S仰冲的模式 (熊绍柏等,1997)存在明显的差异。BNS和 YTS下方的壳内结构存在明显的差异,表明拉萨地块与羌塘地块之间的俯冲模式应该存在差异。

本次研究剖面的走时残差结果表明青藏高原中、西部岩石圈的结构特征存在明显的不同,目前青藏高原中、西部地区印度板块已经俯冲到羌塘地块之下 (Liet al.,2008)。 INDEPTH-Ⅲ的研究结果也显示在藏南下方,1个倾斜界面自 100km深度由 S向 N俯冲到羌塘地块中北部410km深度界面附近 (吴庆举等,2004)。地震层析成像结果显示班公 -怒江断裂下方的岩石圈地幔向 S俯冲并被印度板块俯冲挤压而回折,而印度板块俯冲到班公 -怒江缝合带之前已经开始削减 (钱辉等,2007)。但这一结果似乎无法解释羌塘块体新生代广泛发育的火成岩。青藏高原中部的 INDEPTH-Ⅲ剖面接收函数偏移成像结果显示羌塘地块向 S俯冲到拉萨地块下方,羌塘地块存在南羌塘拆离层 (Shiet al.,2004)。而本次研究的剖面接收函数成像结果中没有发现南羌塘拆离层的存在。因此不支持羌塘地块目前向 S俯冲的结构模式。而羌塘地块下地壳的向 S俯冲只能发生在拉萨地块与印度岩石圈向 N俯冲之前。也就是说,新特提斯北洋盆闭合时,洋壳发生了向 S的俯冲消减,而不是向 N的俯冲消减 (熊绍柏等,1997)。

图4 羌塘地块与拉萨地块的碰撞模式Fig.4 Collision model ofQiangtang and Lhasa blocks.

为更好地理解高原中西部地区的地球动力学过程,根据接收函数成像中对冲的地壳结构特征,并结合前人的岩石学研究成果,我们建立了拉萨地块和羌塘地块拼合过程的构造模式(图4)并得出以下推断:

(1)新特提斯北洋盆洋壳的向 S俯冲。形成于早、中三叠世的新特提斯北洋盆 (许志琴等,2006)在晚三叠世洋壳发生向 S的俯冲,形成印支火山岛弧带 (郑来林等,2004;潘桂堂等,2004)。侏罗纪新特提斯北大洋闭合、松潘 -羌塘复合增生地块与拉萨地块相互碰撞后,洋壳继续向 S俯冲到拉萨地块之下,在早白垩世形成拉萨地块北部的岩浆岩带,中、晚白垩世 (100～60Ma BP)在拉萨地块中北部形成火山岩带 (李廷栋,2002)。

(2)60～50Ma BP印度板块与欧亚板块碰撞后,拉萨地块的下地壳反而向羌塘地块下俯冲(赵文津等,2002),可能造成羌塘俯冲岩石圈的断离,随着印度俯冲板块俯冲到羌塘地块下方,形成羌塘地块中部的钙碱性火山岩浆带 (40～20Ma BP),并可能俯冲到塔里木块体之下 (周华伟等,2002;王有学等,2006)。沿着逆冲断裂羌塘上地壳向 S逆冲,侏罗纪地层逆冲到古近纪、新近纪地层之上 (尹安,2001),形成了现在对冲的地壳结构特征。

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CRUSTAL STRUCTURE UNDER BANGONG-NUJIANG SUTURE AND TERRAIN ASSEMBLY MODEL OF LHASA AND QI ANGTANG BLOCKS IN THEW ESTERN QINGHA I-TIBET PLATEAU

L IHai-ou1)XU Xi-wei1)J IANGMei2)MA Wen-tao1)
1)Institute of Geology,China Earthquake Adm inistration,Beijing 100029,China
2)Institute of Geology,Chinese Academ y of Geological Sciences,Beijing 100037,China

Teleseis mic receiver functions(RFs)migration method has been used to image the spatial variation of the converters in the crust and uppermantle along the north Hi-Climb broadband seis mic array in the western Qinghai-Tibet Plateau.Results of RFsmigration image show the crustal structure under Bangong-Nujiang Suture(BNS)takes on opposite underthrust form,i.e.,the Lhasa block exhibits northward overthrust and underthrust of upper crust and lower crust,respectively,the Qiangtang block southward overthrust and underthrust of upper crust and lower crust,respectively.The above underthrust form meansLasha and Qiangtang blocks may have complex assembly process.Combined with petrology achievements from previous researchers,terrain assembly model has been constructed based on the opposite underthrust form underBNS.Terrain assemblymodel illustrates thatoceanized crustof the New-Tethys north ocean basin has been subducted southward beneath the Lasha block since the closure of the ocean basin and the continental collision ofLhasa and Qiangtang blocks.Since the continental collision of the Indian and Eurasian Plates at 60～50Ma ago,the lower crust of Lasha block however has been subducted northward and may have made the southward subduction plate delaminated,and then Indian Plate subducted beneath the Qiangtang block.

crustal structure,receiver function,Bangong-Nujiang Suture(BNS),Lhasa block,Qiangtang block

P315.2

A

0253-4967(2010)02-0213-09

10.3969/j.issn.0253-4967.2010.02.004

2009-08-31收稿,2010-04-30改回。

国家科技支撑计划项目 (2008BAC38B0401)和中国地震局地质研究所基本科研业务专项(DFIGCEA060828)共同资助。

李海鸥,男,1975年生,1998年毕业于大庆石油学院应用地球物理专业,2006年在中国地质大学获得博士学位,2008年在中国地震局地质研究所完成博士后研究工作,助理研究员,现主要从事地震学、诱发地震的研究工作,电话:010-62009073,E-mail:li_hai_ou@126.com。