华北克拉通东北边界带岩石圈电性结构及其深部流体分布定量研究

董泽义

(中国地震局地质研究所， 北京100029)



华北克拉通东北边界带岩石圈电性结构及其深部流体分布定量研究

董泽义

(中国地震局地质研究所， 北京100029)

华北克拉通东北边界带由北部的中亚造山带与南部的华北克拉通构成， 该区域属于古亚洲洋与太平洋域的叠合部位。 显生宙以来， 中亚造山带与华北克拉通经历了多阶段的构造演化， 尤为显著的是， 在晚中生代到新生代时期内， 华北克拉通经历了广泛而强烈的岩石圈构造活化， 其东部岩石圈发生了大规模的减薄。 为了更好地理解华北克拉通与中亚造山带的构造演化过程， 在国家自然科学基金的支持下， 本文利用大地电磁测深法沿一条起于中亚造山带， 分别穿过了西拉木伦河断裂带、 南北重力梯度带、 燕山褶皱带、 郯庐断裂带， 止于辽东半岛的长约1200 km的NW-SE走向剖面开展了深部结构探测研究。 作者通过数据采集、 处理与分析和反演， 获得了沿剖面的地下深部二维电阻率结构； 结合研究区的地质以及其他地球物理观测资料， 对获得的电性结构特征进行了分析与地质解释； 基于电阻率模型， 利用实验室岩石电导率研究结果， 估算了岩石圈地幔流体含量； 综合电性结构特征、 估算的流体含量与其他地球物理和岩石学的研究， 探讨了华北克拉通破坏的机制及动力学过程。 本论文主要研究内容和取得的成果概述如下：

(1) MT数据采集、 处理与分析。 沿剖面共采集到48个测点的宽频带大地电磁测深数据， 为了达到岩石圈尺度的探测深度， 在其中11个测点进行了长周期大地电磁观测。 采用带远参考道的Robust技术对宽频带数据与长周期数据的时间序列进行了处理， 获得了高质量的大地电磁张量阻抗数据， 并对既有长周期观测数据又有宽频带观测数据的测点， 进行了数据的拼接。 采用GB张量分解、 相位张量及感应矢量分析技术对数据的维性及电性主轴方位进行了详细的分析， 结果表明， 沿剖面的数据具有较好的二维性， 能够利用二维反演方法来近似解释， 同时结合区域地质构造走向确定了沿剖面的电性主轴方位。 将沿剖面所有测点数据旋转到电性主轴方位， 并确定了大地电磁数据的TE与TM两种极化模式， 对旋转后不同极化模式的数据作了定性分析， 了解了沿剖面视电阻率与相位的变化情况。

(2) MT数据二维反演。二维反演前， 采用一维Rhoplus反演拟合对数据质量进行了评估， 剔除了受干扰影响较严重的数据。 采用非线性共轭梯度算法对编辑后的数据进行了二维各向同性反演。 在反演过程中， 通过选用不同反演极化模式数据、 不同旋转角度、 不同正则化因子及不同数据误差门槛值， 进行了大量的二维反演。 经过对大量反演模型的比较与模型验证， 最终选择了正则化因子为3， TE模式数据的视电阻率与相位的误差门槛分别为20%、 5%， TM模式数据的视电阻率与相位的误差门槛分别为10%、 5%， Tipper的误差门槛为0.05， 经过迭代200次， 总的数据拟合均方差为2.57的反演模型为最可靠的地下电阻率模型。 另外， 利用非线性共轭梯度二维各向异性MT反演代码， 对数据进行了二维各向异性反演， 二维各向异性电阻率模型基本与各向同性反演模型一致， 但是， 在郯庐断裂存在平行于剖面方向的电性各向异性。

(3) 电阻率模型解释。 结合地质学和其他地球物理观测数据， 对二维各向同性反演的电阻率模型进行全面分析解释与构造涵义讨论。 二维电阻率模型显示， 在索伦山缝合带的中下地壳存在一个北西倾向的低阻层， 可能代表着北部西伯利亚板块与南部华北克拉通最终缝合的位置， 该低阻层可能是由富硫的石墨薄层形成。 剖面西北段中亚造山带与东南段华北克拉通的上地幔电阻率呈现明显的差异性， 中亚造山带的电阻率值相对较高(300～1000 Ω·m)， 而华北克拉通的电阻率值相对较低(10～100 Ω·m)， 电阻率整体上的减小可能与华北克拉通上地幔具有较高的温度和富含流体有关。 沿剖面上地幔存在3个局部低阻体， 分别位于西拉木伦河断裂、 南北重力梯度带和郯庐断裂带附近， 它们可能由水与部分熔融形成的， 与软流圈的物质上涌有关。

(4) 上地幔流体含量的估算。 基于获得的二维电阻率模型， 利用实验室岩石电导率研究成果、 改进的阿尔奇公式和上地幔的温度结构， 对中亚造山带与华北克拉通两个典型测点上地幔40～100 km深度范围的含水量与部分熔融份数进行了估算。 对于中亚造山带测点， 55～65 km深度以上观测的电阻率需要由含水与部分熔融来解释， 而这个深度以下， 仅仅含水就可以解释观测的电阻率值， 且55～65 km的含水量高达800～1000 ppm， 说明在这个深度中亚造山带岩石圈发生了水化， 但随着深度增加， 含水量明显减小。 而对于华北克拉通的测点， 在40～100 km深度观测到电阻率需要由含水与约1%的部分熔融来解释， 并且在100 km深度的水含量达500 ppm， 明显高于稳定克拉通的含水量。 比较沿剖面的上地幔的水与部分熔融份数， 无论是含水量还是部分熔融份数， 华北克拉通都要高于中亚造山带的值， 暗示华北克拉通遭到了强烈的水化并导致了部分熔融的发生。

(5) 华北克拉通破坏的动力学过程与机制。 综合电性结构特征、 估算的上地幔流体含量和其他地球物理、 地球化学数据分析表明， 本文研究区的华北克拉通的岩石圈发生减薄并呈现空间不均一性， 并且不同地点减薄机制可能不同， 燕山造山带以拆沉作用为主， 而郯庐断裂带附近可能以热侵蚀作用为主； 华北克拉通岩石圈的高含水量与部分熔融份数可能与西太平洋板块的俯冲有关， 俯冲板块的脱水作用释放了大量水上涌至华北克拉通， 使岩石圈地幔发生强烈的水化， 同时水的增加导致了岩石发生部分熔融， 进一步使岩石圈的强度减低， 最终导致岩石圈发生拆沉或侵蚀而遭到破坏。 从这个角度来说， 华北克拉通破坏的主要动力学因素可能是西太平洋板块的俯冲。

关键词华北克拉通； 中亚造山带； 克拉通破坏； 大地电磁测深； 水含量； 部分熔融

(作者电子信箱， 董泽义： dongzy09@gmail.com)

中图分类号：P631.3；

文献标识码：A；

doi:10.3969/j.issn.0235-4975.2016.05.013