塔里木盆地地壳磁异常与区域构造研究

徐晓雅，林凤仙，石宝文,，王 苏,，胡毅力

(1.昆明南方地球物理技术开发有限公司，云南 昆明 650231；2.云南大学 地球物理系，云南 昆明 650091)

0 引言

塔里木盆地位于天山、昆仑山和阿尔金山之间，是中国最大的沉积盆地。在印度—欧亚板块的碰撞效应影响下[1]，盆地北侧的天山和盆地南侧的青藏高原的抬升以及两者对盆地的挤压[2]，使盆地形成现今的五隆四坳的构造格局[3]。这种特殊的地形地貌特征预示着塔里木盆地复杂的地壳结构和物质组分。地壳磁异常主要由地壳和上地幔岩石磁化产生。由于岩石磁化特性和构造演化的差异，岩石圈磁场携带着地壳物质的组成和构造演化的重要信息[4-5]。研究塔里木盆地磁异常的空间分布，探索磁异常与地质构造的关系，对认识该地区的地质构造演化及磁性物质分布有重要意义。

以往对塔里木盆地及周边地区地壳磁异常的研究主要基于航磁测量。如杨文采等[6]分析了塔里木盆地航磁异常场的分布和磁源体结构。徐鸣洁等[7]研究塔里木盆地西部航磁异常走向，推断盆地基底断裂分布。何碧竹等[8]分析了塔里木盆地中部磁异常带的分布特征，得出盆地中部磁异常带为多期构造易活动带。但是，受地域限制，航磁测量并没有完全覆盖塔里木盆地及邻近地区，而且航磁异常对磁源深度的反映并不明显。此外，目前的航测技术一般仅能给出单个磁场分量，对完整地识别和研究地壳磁异常存在很大局限性[9-10]。因此，对这个地区地壳磁场仍然缺乏系统地认识。

随着卫星磁测和数据处理技术的进步，将卫星、航空、地面和海洋磁测资料融合在一起，构建地磁场高阶球谐模型，可以方便地计算地磁场各个要素，研究地磁场的各种成分及时空演变规律。近10多年来，构建地磁场高阶球谐模型取得重要进展，国际上已建立了多种高阶磁场模型。其中，美国地球物理数据中心(NGDC) 2009年利用卫星、地面、海洋和航空磁测资料构建的地磁场模型NGDC-720-V3，球谐阶次高达740阶[11]。利用此模型可以方便地开展区域地壳磁异常的研究。例如，康国发等由此模型得出青藏高原及邻区的地壳磁异常空间分布特征，进而讨论了磁异常与区域构造的关系[12]。Wang J等[4]、高国明等[13]、石宝文等[14]分别分析了不同区域的磁性结构。鉴于塔里木盆地特殊的构造背景，而对其地壳磁异常还没有深入研究，本文拟根据NGDC-720-V3磁场模型，计算和分析塔里木盆地及邻区地壳磁异常的空间展布，磁异常的衰变规律，磁异常的二维小波分解信息，探讨磁异常与地质构造的对应关系。

1 地质构造背景

塔里木盆地地处中国新疆维吾尔自治区南部。盆地的四周山脉环绕，北侧为天山造山带，南部为昆仑造山带，东南部为阿尔金造山带(图1)。它是一个新生代晚期才最终被众多山系所围限的封闭性的大型内陆山间盆地。目前为止，在盆地地壳构造演化方面还没有得到很好的研究[16]。盆地构造划分为塔北、塔中、巴楚、塔东、塔南的5个隆起和库车、北部、西南、东南的4个坳陷(图2)[3]。塔北隆起位于塔里木河以北，呈东西向延伸，其上发育了较完整的古生代盖层沉积；塔中、巴楚和塔东3个隆起组成中央隆起带，横贯盆地中央向东倾伏的基底隆起，呈东西向展布；塔南隆起位于盆地的东南部，构造呈北东向，是新生代以来形成的断隆；库车坳陷是中、新生代连续沉降构造；北部坳陷是一个长期演化发展的巨型负向构造；西南坳陷是典型的中新世—上新世发育的前陆坳陷，昆仑山对其发展起到不可忽视的作用；东南坳陷处在昆仑山北缘与塔里木南缘之间，受北东东向的阿尔金断裂的控制。

1—库尔勒断裂；2—阿拉干断裂；3—图木休克断裂；4—柯岗-塔仓断裂；5—皮山断裂；6—墨玉断裂；7—北民丰大断裂；8—罗布庄断裂；9—阿尔金断裂；10—康西瓦断裂图1 塔里木盆地及周围地区地形图及主要断裂带分布[15]Fig.1 Topography and distribution of main faults of Tarim Basin and its neighboring area[15]

图2 塔里木盆地构造单元(根据文献贾承造[3]修改)Fig.2 Map showing the major tectonic terrains in Tarim Basin (modified from Jia[3])

2 磁异常的计算

在地磁场的球谐级数表达式中，将谐波阶数n≥16阶的项作为地壳磁场[17]。地壳磁异常的垂直分量ΔZ的球谐级数见式(1)

(1)

图3 塔里木盆地地壳磁异常图Fig.3 Crustal magnetic anomaly in Tarim Basin

3 地壳磁异常分布特征与地壳构造

3.1 地表磁异常分布特征

研究区的磁异常强度分布显示(图3)，塔里木盆地磁异常较强，周缘山脉磁异常较弱。西昆仑山、阿尔金山和南天山等大型造山带显示弱或负磁异常，异常与山脉走向基本一致。塔里木盆地中部(大致位于39.5°～40.5°N)为强正磁异常带(中央正磁异常带)，盆地北部为一大型块状负磁异常区(北塔里木负磁异常区)，南部为正负磁异常相间区(南塔里木磁异常区)。

中央正磁异常带以近东西向正磁异常为特征，横跨塔里木盆地中央，构成塔里木盆地地表磁异常的南北两部分的分界。异常带西起喀什，往东经巴楚，穿过盆地中央塔克拉玛干沙漠至罗布泊。异常强度一般为100～250nT，具多个异常焦点，最大值高达465nT(82.4°E，39.7°N)。

南塔里木磁异常区位于中央正磁异常带以南至西昆仑山前，呈巨大的三角状。以北东向的正磁异常为主，在皮山、和田以及塔中至若羌之间分别出现负磁异常带。该磁异常区以其强度较大的宽缓区域磁场背景与其西部的昆仑山、东部的阿尔金山和南部的青藏高原所展示的弱磁异常形成了鲜明的对比，显示了南塔里木盆地与周缘地区不同的磁性特征。

北塔里木盆地和南天山造山带均为负磁异常，总体呈东西向展布，强度一般为-200～-40nT，最强的负异常焦点为-307nT(80.3°E，40.6°N)。

3.2 磁异常衰减特点

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

为了解磁异常的衰减特征，计算从地表到地表以上300km之间不同高度的磁异常，图4只给出地表以上20、50和300km共3个高度的磁异常分布。可以看出，随着高度增加，不同地区的磁异常衰减差别较大，而且盆地正磁异常范围逐渐向北扩展。盆地中部和南部的正磁异常衰减较慢，在20km甚至50km高度，异常仍显示高正异常值。说明这些地区岩层磁性在垂向分布比较稳定。盆地北部广阔平缓的负磁异常区随着高度的增加，异常面积在缩小。在300km高度，盆地北部负磁异常基本消失，整个塔里木盆地为正磁异常，而盆地周边的昆仑山、阿尔金山和南天山表现为负磁异常。叶城至和田、塔中至若羌的负磁异常衰减较快，在50km高度层面完全消失，表明它们是叠加在正异常背景上的浅源局部异常。

3.3 磁异常的小波分析

地壳磁异常是地壳内部不同深度的磁性物质所产生磁场的综合反映。小波变换方法可以把位场分解为不同尺度的成分，在重力场、航磁异常等方面有较好地应用[18-19]。根据二维小波变换原理[20]，可以将位场分解为不同尺度的细节信号Dn[f(x,y) ]和逼近信号An[f(x,y) ]，进行N阶小波分解的异常信号可以表示为

(2)

鉴于塔里木盆地磁异常以平缓变化为主，本文选用振荡较为平缓、有较好正交性和较高消失矩的db4为小波母函数[21]对地表磁异常进行分解。结果显示：1～3阶小波细节的异常空间尺度小，异常分布形态相近；4～6阶细节异常空间尺度较大，异常分布特征类似。因此，将1～3阶和4～6阶小波细节分别组合。图5给出地面磁异常1～3阶(D1+D2+D3)、4～6阶小波细节(D4+D5+D6)组合和6阶小波逼近(A6)的异常分布图。

从图5可以看出，1～3阶小波细节组合磁异常以带状、团状为主，且盆地北部不再是成片的负磁异常区，出现了许多尺度较小的正异常，盆地中部和南部磁异常走向与地表一致，但正磁异常带的强度明显减弱。4～6阶小波细节组合磁异常形态特征与地表磁异常相近，盆地南北正负磁异常分界已经形成。说明盆地磁异常的基本格局主要源于产生4～6阶细节的岩石磁性。6阶小波逼近磁异常分布形态简单，与前述300km高度的磁异常分布类似，盆地为近东西走向的正异常，其焦点(81.4°E,38.3°N)强度为30 nT，周缘山脉为负磁异常。

为了认识小波分解得到的异常分布的地球物理意义，根据功率谱斜率与场源埋藏深度成正比，我们对磁异常的小波细节组合和逼近进行功率谱分析[22]。图6给出小波细节组合和6阶逼近的功率谱和对应的磁源体平均深度。可以看出，1～3阶细节组合对应的场源深度约为10km，4～6阶细节对应的场源深度约为20km，6阶逼近场源深度约为45km。根据地震转换波探测结果[23-24]，塔里木盆地分为上、中和下地壳结构，上地壳平均埋深约12 km，中地壳平均埋深约22 km，下地壳平均埋深约45 km。可见小波细节组合和逼近给出的磁源体场源深度与地震学揭示的地壳分层基本一致。1～3阶细节、4～6阶细节和6阶逼近分别反映上、中、下地壳磁性体产生的磁异常。

图5 小波组合的磁异常图Fig.5 Ground magnetic anomalies of wavelet multi-scale decomposition

图6 小波细节组合径向功率谱Fig.6 The radial spectra of the wavelet multi-scale decomposition

3.4 磁异常与地壳构造的关系

据磁性资料[25]，钻井揭露的前震旦系变质岩磁性弱，磁化率为4×10-5～411×10-5SI；太古宙花岗片麻岩具磁性，磁化率平均值为1390×10-5SI，各种片岩为弱磁性，磁化率为0～80×10-5SI；太古宇达格拉格布拉克群深变质岩系磁性普遍较强，磁化率平均为350×10-5～6839×10-5SI；玄武岩具磁性，磁化率平均为2927×10-5SI。因此，塔北地区的负磁异常应为前震旦系弱磁性变质岩系的反映；塔中地区高磁异常带可能是太古宇结晶岩系和沿断裂侵入其中的中基性岩体的共同反映；塔南地区的正磁异常应是太古宇结晶岩系的反映。

南塔里木盆地地表磁异常的空间分布与该区岩石圈区域构造基本吻合，反映出典型的山脉夹盆地的地形特征。如图3所示，南塔里木盆地的强正磁异常与周边山脉的弱磁异常或负磁异常有明显的分界。西南边界和东南边界以柯岗—塔仓断裂和北民丰大断裂为界，将塔里木盆地的强正磁异常与西昆仑山以及阿尔金山的弱磁异常或负磁异常分开。将南塔里木盆地与周边造山带的正、负磁异常分界与图1、图2给出的该区区域构造对比，两者描述的边界基本一致。

北塔里木盆地与南天山的磁异常均表现为负异常，山盆界线模糊。天山和塔里木盆地北缘的岩石圈深部结构的研究表明[26]，在向南天山造山带俯冲的过程中，盆地北缘物质被带进天山造山带，受到改造，形成南天山的地壳。南天山的地壳原是塔里木板块的一部分[27]。由于天山壳幔物质的分异尚未完成，北塔里木盆地和南天山的平均地壳厚度相近，南天山地壳不存在明显的山根[28-29]。这与北塔里木盆地和南天山均为负异常的地磁现象相吻合。

磁异常随高度衰减和小波分析显示，塔里木盆地地壳磁性结构可能分为上、中和下3层。上地壳磁性不均匀，对应小波1～3阶细节组合。盆地中层在北部为负磁性，岩性相当于阿克苏以西出露的阿克苏群弱磁性片岩系；南部为正磁性，并在局部区域镶嵌负磁性物质，主要由北东走向和近东西走向的岩相拼合而成，对应小波4～6阶细节部分。盆地下层为正磁性，具有全盘性，对应着小波6阶逼近场和300km高度层面的磁异常分布。

塔里木盆地的磁异常、断裂与构造应力场三者存在一定的联系。应力场研究表明，塔里木盆地存在南北两侧向盆地挤压构造应力场、东侧左旋运动和西侧右旋运动构造应力场[30]。南北挤压构造应力场在塔里木盆地中部对接，形成了近东西走向的阿拉干断裂带和图木休克断裂带，而这两条断裂不仅为盆地中部正磁异常带的边界，而且是盆地南北磁异常差异的分界。西昆仑山体的北向逆冲大于塔里木盆地南缘的南向俯冲，左旋构造应力场远较右旋构造应力场对塔里木盆地构造格架的形成影响深远[30]。盆地南部北东向的皮山断裂、墨玉断裂和北民丰大断裂等正是在这种应力场作用下形成。而北东向的断裂带与叶城、和田和民丰的3条磁异常带走向一致，且为正负磁异常的分界。因此，盆地构造应力场制约着断裂带的发育，而断裂带构造分布决定了磁异常的分布和走向。

4 结论

判读和解释区域地壳磁异常图对认识区域地壳磁性结构、地球动力学过程有重要意义。根据高阶地磁场模型NGDC-720-V3，分析了塔里木盆地地壳磁异常不同海拔高度的分布以及不同深度场源产生的磁场信息，探讨了磁异常与区域构造、断裂带、构造应力场的关系，得到如下的结论：

(1)南塔里木盆地磁异常的空间分布与该区岩石圈区域构造基本吻合，反映出典型的山脉夹盆地的地形特征。它的强正磁异常与周边山脉的弱磁异常或负磁异常有明显的分界。北塔里木盆地与南天山均表现为负异常带，山盆界线模糊，预示北塔里木和南天山没有明显的山根。塔里木盆地构造应力场形成了盆地断裂带，而断裂带制约着磁异常的分布和走向。正负磁异常的形状、走向清晰地表现出塔里木盆地主要断裂的展布。

(2)磁异常的不同高度分布和小波分析显示，盆地磁性地壳结构分为上中下3层结构。盆地下磁性壳层为正磁性基底，具有全盘性。中磁性壳层的北部为负磁性基底，南部为正磁性基底，并在局部区域镶嵌负磁性物质。上磁性壳层分布小的不均匀的磁性体。