青藏高原东边缘冕宁—宜宾剖面电性结构及高导层的地质意义

万战生

(中国地震局地质研究所,北京 100029)

约50Ma前印度板块与欧亚板块开始碰撞之后,青藏高原发生了令人瞩目的整体隆升,成为晚第三纪以来亚洲乃至全球最为重要的地质事件,并使青藏高原成为大陆岩石圈变形最为强烈的地区之一,是全球学者研究大陆动力学乃至地球动力学的焦点和热点地区。由于印度板块与欧亚板块的碰撞以及组成青藏高原各地块向东和东南的挤出运动,位于青藏高原东边缘大凉山地块及其附近地区具有明显的高原和盆地之间的过渡带特征,地壳变形严重,地壳厚度变化剧烈,并且是重力梯度带和航磁异常明显的地区,也是(GPS)资料显示的地壳运动方向由东向东南发生转变的关键地段。本区不仅蕴藏有丰富的金属矿等矿产资源,也是我国强烈地震最为频繁的地区之一。

国家973科研项目《活动地块边界带动力过程与强震预测》等以本地区为目标区,就青藏高原东边缘带的活动地块的运动性状、地块之间的接触关系及相互作用和边界断裂的深浅耦合关系,以及板内强震发生的原因等进行研究。大地电磁测深法作为一种探测地球深部电性结构有效的地球物理方法,在青藏高原东边缘开展了剖面式探测研究,其中冕宁—宜宾剖面(MYp)是横穿东边缘带大凉山地块的东西向展布最长的剖面。本文将以冕宁—宜宾剖面为重点,开展大地电磁(MT)研究,这也是该地区首次利用大地电磁法进行深部结构研究。

为了获得该地区可靠的地壳上地幔电性结构,并研究是否存在中下地壳流动层及其地质意义,作者采用最先进的大地电磁数据处理分析技术,对观测资料进行了由定性到定量的全面分析,通过二维反演得到了沿剖面的较为详细的地壳上地幔电性结构。通过把本剖面和位于其北侧的石棉—乐山剖面和南侧的美姑—绥江剖面等的综合分析,再次给出了青藏高原东边缘带地壳流动层(“管流层”,“channel flow layer”)的电磁探测证据,并结合其他地质和地球物理资料的分析,就有关地块的结构特征和接触关系、岩石圈动力学、地壳流动层和地震活动性的关系等问题进行了研究分析。

1 大地电磁资料分析解释技术的应用研究

青藏高原东边缘带以及冕宁—宜宾剖面位于地质构造复杂、地形起伏较大和断裂(断层)非常发育的地区。在当前三维数据反演技术尚不成熟,主要利用二维技术进行数据解释的情况下,分析由于复杂的构造和结构等引起的畸变问题、认识和减少畸变对数据解释效果的影响无疑是非常有意义的。

1.1 阻抗张量分解技术及其应用

为适应二维大地电磁资料的观测、处理和解释,在20世纪60年代提出了张量阻抗技术,替代原来的仅用于一维分析的标量技术。同时也发现当存在三维构造和结构时,观测资料受到的畸变影响,特别是在近地表存在小尺度不均匀体时,观测资料受到的局部畸变影响受到关注,并成为困扰大地电磁资料解释的难题之一。直到20世纪80年代末期,阻抗张量分解技术的提出,为识别、克服或减少局部畸变的影响找到了一种新的思路。

本文利用Bahr和Groom&Baily提出的阻抗张量分解技术分别对冕宁—宜宾剖面的大地电磁资料进行了分析,并与常规的Sw ift技术分析结果进行了对比分析。结果表明,沿剖面的大多数测点的资料受到局部畸变的影响很小,使用Sw ift技术进行分析是合理的。对于受到局部畸变影响的少数测点,通过利用 Groom&Baily的阻抗张量分解技术进行分析,获得了反映深部区域电性结构的主轴方向(电性走向)和有关畸变参数,在资料分析和二维反演时,合理地使用区域电性主轴方向和相关畸变参数,则能够得到合理的视电阻率、阻抗相位曲线,进而反演获得真实、可靠的电性结构。

1.2 断裂对观测资料的影响分析

为了分析不同性质断裂(带)对观测资料的影响,本文利用二维模型技术计算了具有不同宽度、不同深度和不同倾向的断裂(带)模型对视电阻率曲线等的影响。结果表明,断裂(带)两侧地层的电性差异对TM极化模式的视电阻率曲线的影响大于对TE极化模式的影响,并出现了视电阻率曲线的跳变,而断裂带宽度在一定范围内的变化对视电阻率曲线影响不大。但是,随着断裂(带)深度的增大,视电阻率受到的影响范围也增大,断裂(带)倾向的变化也会引起视电阻率曲线的变化。该研究结果对于在断裂发育区开展大地电磁的观测有一定的帮助和指导作用。

1.3 地形影响的分析

为了研究地形起伏对大地电磁资料反演的影响,本文利用二维模型反演技术,计算了地表为山谷和山峰情况下面存在低阻凸起的相对简单的模型。对于 TM模式资料的反演,如果模型中不考虑地形的存在,无论对于山谷还是山峰模型,反演结果中,低阻凸起的顶界面都出现了向上的平移,并影响到深部岩层的电性结构,产生冗余的异常构造,且数据拟合差较大。而采用带地形的反演,不论是山谷还是山峰模型,都能较好地确定低阻凸起顶面深度及其下部地层的电性界面。这一研究为冕宁—宜宾剖面反演中,采用带地形的反演技术,获得较可靠的电性结构,提供了一定的理论依据。

1.4 充分利用大地电磁资料的信息和二维反演中采用合理的技术措施

大地电磁观测可获得视电阻率、相位、二维偏离度、主轴方向和磁感应矢量等多种信息。在进行资料解释时,充分利用和分析这些信息,能够更全面地对地下的电性结构进行约束,获得更真实的地质解释结果,特别是在像冕宁—宜宾剖面所在的复杂构造地区,这种分析就更有必要。通过分析,对沿剖面的电性结构的变化程度、分段性、分层性、曲线畸变特点以及电性走向等有了第一手的定性分析结果,不仅可以为反演中数据和参数的选择提供依据和帮助,而且把它们和二维反演结果相结合,可确保关于地下电性结构解释结果的可靠性。

在二维反演中,分别使用 TE、TM、TE加 TM三种模式的资料进行了反演,经反复对比确定使用 TE模式加 TM模式资料的联合反演。此外,对于反演模型网格的剖分密度、数据背景误差的设定、模型光滑度参数的选择等也进行了多次对比试验,最后选择了合理的反演参数和模型网格的剖分。本文最后得到可接受的电性结构模型,就是利用带地形的NLCG(非线性共轭梯度法)二维反演方法,对 TE加 TM资料联合反演得到的。

2 冕宁—宜宾剖面2D反演及电性结构

在对冕宁—宜宾剖面大地电磁资料进行反演时,针对本剖面构造比较复杂的特点,我们采用分步骤逐步实施的措施,既保证反演迭代能够稳定地收敛,又避免陷入局部极值和产生冗余的结构。例如,反演时首先选用较大的光滑度因子,获得分辨率较低的较为光滑的反演模型,即获得真实模型的主要轮廓。然后,以此模型为初始模型,采用较小的光滑度因子重新进行反演,获得进一步的细化模型。按此原则进一步由小至大选择不同光滑度因子,继续反演,直到数据拟合达到满意的要求为止。在这个过程中,反演模型的网格也进行修正,即在构建下一步反演的初始模型时,不仅将各测点下的电阻率信息提取出来,而且对上一步得到的各测点的电阻率值在更细的网格上进行插值,得到新的电阻率模型作为初始模型,于是每一步反演中都包含前一步的真实模型信息,不包含可能出现的局部极值或冗余电性构造的信息,经多次修改和反演迭代,从而得到真实的地下电性结构模型。

反演得到的冕宁—宜宾剖面的电性结构表明,沿剖面可分成3个区段,自西向东分别对应康滇地轴、大凉山地块和四川盆地,它们之间的边界分别对应大凉山断裂和峨边断裂。康滇地轴包括安宁河断裂东西两侧附近的区域,西边界深入到川滇地块内的东部,东边界即大凉山断裂。康滇地轴的上地壳表现为高电阻率,其厚度由西向东逐渐变薄,并在与安宁河断裂带对应的部位出现了近垂向低阻带,上地壳高阻层之下为低阻层。大凉山地块的上地壳也为相对高阻层,但是其电阻率小于康滇地轴上地壳的电阻率,厚度也较小,在相对高阻层之下出现低阻层,并与康滇地轴中下地壳的低阻层连通。四川盆地的地壳整体表现为高阻层,不存在地壳低阻层。低阻层沿剖面的一个明显的特点是,康滇地轴和大凉山地块的中下地壳的低阻层形态显示为向上凸起的拱形结构,拱形结构的顶点位于大凉山地块的中部。此外,大凉山断裂带也显示为具有一定宽度的近垂直的低阻带。甘洛断裂和西河—美姑断裂也分别对应低阻带,并像安宁河断裂和大凉山断裂一样,其底部尖灭于地壳低阻层的顶部。经分析认为,中下地壳的低阻层是由于部分熔融并可能含有流体引起的。

3 青藏高原东边缘带电性结构、动力学模型及地震活动性分析

结合该项目中的其它4条剖面(康定、石棉—乐山、美姑—绥江(MGp)、巧家)的电性结构进行综合分析,对青藏高原东边缘带有了较完整的认识。康滇地轴上地壳自北向南皆表现为电阻率大于几千Ω·m的高阻层,厚度约30～40 km,并自西向东逐渐减薄,至大凉山断裂处为20 km左右,反映了该区发育的上地壳古老变质岩和火成岩等。在高阻层之下为厚度20～25 km的低阻层,它自川滇地块向东,穿过安宁河断裂和大凉山断裂,与大凉山地块壳内的低阻层相连。低阻层之下,电阻率有所增大。

大凉山地块相对高阻的上地壳电阻率小于康滇地轴,可能反映了该区发育较厚的古生代和中生代碳酸岩和蒸发岩。中下地壳的低阻层(高导层)的深度整体较小,其电阻率也是本区最小的层位,并形成上拱的形态,顶面最浅部约5 km深。再向东高导层深度逐渐增大,并显示向四川盆地深部倾俯的现象。高导层以下电阻率有所增大,一般为几十至几百Ω·m。

四川盆地电性结构同冕宁—宜宾剖面和美姑—绥江剖面一致,总体分为3层。第一层可分为上、下2个亚层,上亚层表现为高、低阻体横向相间排列的形式,下亚层为相对低阻层。第一层底界深度由西部的约8 km增加到东部约15 km左右。第二层表现为较厚的高阻层,其深度和厚度都显示向东逐渐增大的趋势,与中下地壳对应,内部不存在高导层。高阻层之下,电阻率又增加,与上地幔顶部对应。本区段的电性结构反映了四川盆地浅部较厚的沉积岩层之下存在厚度较大、坚硬的地壳。

安宁河断裂带表现为一垂向低阻带,在中下地壳内该低阻带被高导层横切成上、下两部分,上部宽度约5 km,带内电阻率小于东、西两侧的电阻率,为几百Ω·m,其底界尖灭于中地壳低阻层顶部。低阻层以下为近垂直的相对简单的电性边界,其东侧的电阻率值高于西侧。在石棉—乐山剖面(SLp),安宁河断裂和大凉山断裂、甘洛断裂交汇于一处,高导层以上断裂的深度比冕宁—宜宾剖面的深度小。大凉山断裂带同样为近垂向的低阻带,宽度约几千米,断裂带底界与壳内低阻层相连。峨边断裂对应两侧具有较大电阻率差异的地块边界,深部有向东倾俯的趋势。

基于青藏高原东边缘带存在管流层的假说,以及本区中下地壳高导层的几何形态和 GPS速度分布,推测高导层的运动特点如下:青藏高原受到南侧印度板块的碰撞作用而向北运动,在北侧塔里木地块等的阻挡下,组成青藏高原的各子地块发生相对于华南地块的向东运动。青藏高原东边缘带的向东、向东南流动的地壳高导层由于受到东侧四川盆地的阻挡,运动方向发生向东南的转变,同时出现向四川盆地上方的仰冲和向深部的倾俯。

该区电性结构和地震资料分析表明:地壳内低阻层导电性出现横向差异的地区往往对应地震较活跃的地区。例如,安宁河断裂带是强地震分部带,且小震密集分布。大凉山断裂带和峨边断裂带也是地震活动较强的地区。而在大凉山地块内部,历史纪录的中强地震少,小震活动也比较弱。

松潘-甘孜地块的高导层自地块中部沿着地块走向向南东东-南东方向运动,受到龙门山断裂带和四川盆地的正面阻挡,形成稳定的“T”字型结构,难以发生运动和变形,但却易于积累地震应力。因此,在汶川地震前,龙门山断裂存在很小的滑动速率以及很弱的地震活动。而当应力积累超过了地壳岩石破裂强度时,导致汶川特大地震的发生。

大地电磁;数据分析;青藏高原东边缘带;高导层;地震活动性