满都拉—卡楚加的长剖面地壳介质密度分布及深部结构特征探榷

王谦身， 滕吉文,2， 陈石， 文武， 徐伟民

1 中国科学院地质与地球物理研究所， 北京 100029 2 吉林大学地球探测科学与技术学院， 长春 130026 3 中国地震局地球物理研究所， 北京 100081

0 引言

根据亚洲大陆大地构造区划,中国华北克拉通的北部为中亚造山带这一巨型造山拼贴体东段南缘的兴蒙造山带，中亚造山带东段北接西伯利亚克拉通的中南部(图1).中国满都拉(42,46°N,110.07°E)—俄罗斯卡楚加(54.0°N,106.0°E)重力剖面即展布在兴蒙造山带、中亚造山带至西伯利亚克拉通构造域内.

图1 中亚造山带大地构造位置图 (肖文交等, 2019)

中亚造山带东段位于西伯利亚克拉通与塔里木—中朝克拉通之间，在地质历史时期内，由于古亚洲洋消减等多期次地质构造运动，形成由一系列岛弧、蛇绿岩带、微陆板块以及缝合带等组成的规模宏大的造山带(Badarcha et al., 2002;Xiao et al., 2003;Windley et al., 2007)，中亚造山带东段的核心部分为蒙古块体，又称蒙古弧形构造带(造山带)，是全球最大的显生宙大陆增生区.因此，在此构造带及兴蒙造山带内，次一级的构造单元很多.如兴蒙造山带内，就存在三条蛇绿岩带，都有较好的出露，由北向南依次是二连浩特—贺根山蛇绿岩带、索伦山缝合带以及西拉木伦缝合带 (黄金香等, 2006)；蒙古弧形构造带(造山带)由南向北，经过蒙古大戈壁，依次有蒙古主构造缝合线、曼达尔戈壁断裂带、蒙古—鄂霍茨克构造缝合线带、肯特山系造山带、雅布洛诺夫山系造山带以及贝加尔裂谷带(何静等，2018).这一地带金属矿产资源油气能源潜力大，地震活动强烈，也是大地热流值高和岩石圈有效弹性厚度由我国华北克拉通的45±5 km向中亚造山带(20±5 km)减薄的地带.所以这一地带为大陆内部动力学研究的前缘和热点地区 (姜效典等, 2014;滕吉文等, 2017).

由于在“蒙古弧”的东段地域，这一系列次级构造单元皆呈现为近北东东-南西西的构造走向.中国满都拉(以下简称满都拉)—俄罗斯卡楚加(以下简称卡楚加)重力剖面(见图2)选择的是北北西-南南东的走向，与这些次级构造单元呈近90°角垂直的走向.为的是能最大限度无畸变地显示出这些构造横向重力异常场分布特征，以利于进一步对其深化研究与探讨.在整条满都拉—卡楚加剖面辖区与其相邻地域中，尚无最新地面实测的重力数据，故选用最近的重力成果数据进行研究工作.因此，本剖面的重力信息是从EGM2008(Earth Gravitational Model 2008)采集和处理得到的各个重力点的布格重力异常值.鉴于EGM 2008的布格重力异常值的精度能够满足我们研究这一地带的深部地壳结构的要求.为此，确定选取它作为满都拉—卡楚加剖面的布格重力异常值.待今后能有更新的、更精细的实测重力数据后，可再对此剖面作修正和调整.

图2 满都拉—卡楚加重力剖面地形与地理位置图

本文应用中国地质调查局发展研究中心开发的重磁位场异常人机交互正反演软件GM2DINVERSE，并结合相关地质、地球物理资料进行地壳密度模型的构建，给出本剖面下方的地壳密度结构模型，用以探讨研究此地域的总体地壳深部结构与构造，以及各次级构造单元各自特有的结构与构造特征.本剖面系凭祥—满都拉超长地学剖面 (王谦身等, 2017)的向北延长段的重力剖面.这样链接起来就形成南起自中国广西凭祥(22°N)北止于俄罗斯贝加尔北卡楚加(54°N)，全长3590 km的长剖面.该剖面是跨越多个克拉通和造山带，穿越多个盆-山构造体系的一条超长地学剖面，为深入研究各构造单元的相互关联性、集成性、共性与特性的大陆动力学、大地构造学提供地球内部重力学表征的深层过程信息.

1 长剖面重力异常特征

因满都拉—卡楚加剖面辖区及其邻域尚无最新地面实测的重力数据，为揭示这一地带物质运动的深层过程与动力学响应，选用最近的重力成果数据以进行研究和探讨.为本研究基于EGM2008模型提供的自由空气重力异常数据(5′×5′网格分辨率)，采用ETOPO1的地形数据(1′×1′网格分辨率)进行地改后得到布格重力异常，进一步提取本文研究剖面位置的布格重力异常值，并用以进行深部地壳密度结构反演研究.图3是沿剖面采集到的各测点的布格重力异常值並构绘出满都拉—卡楚加超长剖面的布格重力异常分布曲线.

由图3可见，整个剖面从南端到北端，布格重力异常值最高为-89 mGal，最低为-220 mGal；起伏幅度、变化程度在剖面的各区段呈现有不同的差异.在剖面南端我国内蒙古自治区满都拉地区(42.46°N)，布格重力异常值为-145.5 mGal.由南向北逐渐升高，至44.0°N(1134 km)处为 -118.5 mGal；在此区段的43.77°N(1157 km)处和43.16°N(1237 km)处，呈现出两个布格重力值低谷，布格重力值分别为-142 mGal和-172 mGal；前者可能对应于戈壁南侧索伦(缝合线)构造带的断裂构造，后者反映出二连—贺根山断裂构造带的布格重力信息.往北，布格重力值总体一路下降，到蒙古—鄂霍茨克缝合线附近47.70°N(714 km)处，布格重力值为-185 mGal；其间，有两个明显的布格重力值低谷区，其一是在44.37°N(1092 km)处的布格重力低谷区，布格重力值为-142 mGal，据人工地震资料，在此区域系Moho界面深度变化且断开幅度约4 km(Teng et al., 2003)；其二是在45.65°N(950 km) 蒙古主缝合线附近处存在的布格重力低谷，布格重力值为-166 mGal；再往北，进入肯特山山脉地区，布格重力值总体呈单调下降，在48.66°N(607 km)附近处，布格重力值降抵本剖面沿线布格重力异常最低值，为-220 mGal；之后，布格重力值陡升，到49.88°N(470 km)处高达-115 mGal，陡升约105 mGal；以后，进入蒙古北部—贝加尔南部雅布洛诺夫山系造山带，布格重力值较平缓上升，到51.73°N(255 km)处为-92.0 mGal；随后，在哈马尔达班山脉地带51.88°N(238 km)处，最低值降为-117 mGal，而后于52.05°N(224 km)处又转升到-103 mGal，在此也形成一个小的山脉地形-布格重力异常镜像反映特征；进入贝加尔湖(裂谷)区布格重力值呈明显大幅度下降，在52.43°N(174 km)贝加尔湖中心地区降到-192 mGal；然后又急速上升，到52.75°N(140 km)处为-89.0 mGal；布格重力梯度值高达3 mGal·km-1；在贝加尔湖(裂谷)北侧西伯利亚克拉通地域，布格重力值在-110 mGal到-120 mGal之间波动，最后到北端卡楚加为-109.0 mGal.

2 长剖面地壳密度结构模型构建

2.1 模型构建

本文采用二维重磁异常人机交互GM2DINVERSE软件进行密度模型构建，在对满都拉—卡楚加重力剖面数据处理过程中，参考此地域已有的区域构造格局、地层分布特征等地质资料和天然地震台站的接收函数值反演结果(何静等, 2014;强正阳等, 2016;何静等, 2018)，以及人工深地震深部探测结果 (Teng et al., 2003;Teng et al., 2014)作为建模的约束条件.

由于无与本剖面相同展布位置的人工深地震深部探测剖面，只有几个与地震剖面(何静等，2014)的交叉点和相近地震测点(何静等，2018)点位的信息.利用国际上较为流行的P波速度与介质密度之间的经验关系式 (Ludwig et al., 1970；Brocher, 2005)，转换为本剖面地壳与上地幔的密度结构的密度值.随后结合本地区内已有的区域地质构造展布有关地球物理资料 (陈石等, 2015)和布格重力异常分布数据资料作外延，建立用于计算的剖面的初步的密度结构.

应用GM2DINVERSE软件，对初步的地壳密度结构模型给以多次拟合计算，得到最优二维密度模型.此密度模型是其正演计算得到的布格重力位场异常(图4a中蓝色曲线)与该剖面选用的实际布格重力位场异常(图4a中的点线)在总体上拟合程度相对最优、近乎完全一致的一个，确定为最终二维密度模型.

对于相对较小的局部、浅部地段，因本剖面很长，拟合计算单元格距较大，不能精确地反映其密度结构变化，使之产生一些偏差，这並不影响总体拟合结果.

2.2 结构特征

由图4b显示，满都拉—卡楚加剖面辖区的地壳介质的密度结构附合一般岩层密度分布规律，由浅入深，岩层密度由小增大；横向上，密度则随岩性异同而变化.

在本剖面，地壳表层及浅部介质密度值相对较低，一般在2.2～2.45 g·cm-3范围内变动.但在北部贝加尔湖(裂谷)区和南部一些局部地区的浅表层介质仅为2.1～2.35 g·cm-3.这应是由于在湖(裂谷)区水体较深及沉积建造较厚和南部地表的戈壁沙漠及地壳较浅处的岩层固结压实程度尚低等因素，致使其介质密度相对较小.在地壳中、深部，岩层介质密度随深度递增而递增.在参考天然地震接收函数资料基础上，可划分为平均密度各异的地壳介质层.到地壳底部，介质密度达到2.9 g·cm-3左右.在地壳底部Moho密度间断面之下的上地幔的介质密度值则跃升至3.2 g·cm-3.

2.3 壳-幔边界——Moho界面

图4可见，本剖面的Moho界面在不同区段，呈现不同幅度的起伏变化.在剖面南端满都拉地区，Moho界面的埋藏深度为43 km左右；人工源地震探测的Moho界面深度为42 km左右(Teng et al., 2003).向北，在地震接收函数解释的Moho界面存在断裂的地带(何静等，2014)；本剖面在此地带Moho界面呈现为40～42 km间2 km左右的变化.再往北，Moho界面缓缓下降，至曼达尔戈壁断裂带(46.73°N)附近，降至43 km左右.随后，在蒙古—鄂霍茨克缝合带(47.70°N附近)以北，进入肯特山地域，Moho界面深度呈现出明显下降，到47.70°N附近肯特山脉中部高峰地带，Moho界面深达45～46 km，呈现一个山根形态.随着向北继续延伸，Moho界面呈高梯度抬升，在肯特北断裂带(49.66°N左右)升至43 km左右；再继续上升，至50.0°N，Moho界面抬升至40 km.此后，Moho界面的深度保持在40 km左右的低缓幅度地向北延伸至贝加尔湖南侧的哈马尔达班山脉地带51.88°N(238 km)处，略有抬升.进入贝加尔湖区后则有较高抬升，湖区中部高至38.3 km左右.向北出湖区，Moho界面的深度为39 km左右.在贝加尔湖地带的Moho界面的深度与人工源地震剖面探测的结果基本相近 (Cherepanova et al., 2013).此后，该39 km左右的深度保持到北端的卡楚加地区.

3 分析与讨论

基于对本长剖面重力数据处理和经正反演求得的剖面辖区密度结构剖面並与相关的区域地质构造及地球物理场资料进行了综合分析.对本剖面特有的构造缝合带、Moho界面断开区域、肯特山造山带地域、贝加尔裂谷带域等几个特有的5个构造单元分别给出以下几点分析与认识：

3.1 贝加尔裂谷带域

此带域为本剖面特有的构造单元，不仅在地形地貌上具有低于两侧山地的湖面、深水和巨厚的沉积层，其重力场亦为显著陡深的布格重力异常低谷区.此带域在本剖面的地理位置、带域地表海拔高程、带域内布格重力异常特征及带域内Moho界面深度等列于表1.

表1 贝加尔裂谷带域

由表1可见，在本带域南侧的重力低谷(约有15 mGal左右的谷深幅度)对应着贝加尔湖东南岸畔的哈马尔达班山脉，明显地呈现出地形高程与重力异常呈镜像相关，在Moho界面深度上没有明显的山根反映.往北的深大重力低谷(有90～100 mGal的谷深幅度)是与贝加尔湖区相对应，这是由于有1600 m深的湖水和近6～7 km巨厚的低密度沉积层存在，并导致地形高程与重力异常呈现为正相关.在此带域，相对应的Moho界面深度上升1～2 km，且与文献 (陈石等, 2015)提出该带域存在下地壳高密度体的看法相似.这些数据充分显示了贝加尔裂谷带域的重力场和地壳密度结构的变异特征.

为了进一步探讨引起这一显著陡深的布格重力异常低谷的形成机理，在此，建立贝加尔裂谷湖的理论重力模型.根据图3、图4中对应的布格重力异常低谷，构建重力-密度理论模型，应用重力正演拟合计算(王谦身等，2003)的理论结果进行分析和解释.

参照有关贝加尔湖及其周围地域的地学资料(ten Brink et al., 2002)，贝加尔湖平均宽度为48 km,湖水平均深度740 m，最深达1645 m,第三纪和第四纪沉积厚度6～8 km.据此数据和本剖面跨越贝加尔湖的地理位置特点，可构建贝加尔裂谷湖模型参数为：裂谷湖宽度：50 km,裂谷湖沉积层:北侧底深6.0 km、南侧底深5.3 km，平均密度2.30 g·cm-3；湖水深度：北侧1100 m，南侧500 m,湖水密度1.0 g·cm-3；围岩密度：2.45 g·cm-3.构建的贝加尔裂谷湖模型见图5.

图5 贝加尔裂谷湖模型

对此模型进行重力正演计算，给出贝加尔裂谷湖模型的布格重力异常分布曲线(图5上部).重力曲线的最低值为-94 mGal.这一结果表明，本剖面穿越贝加尔裂谷湖区域的深度可达90多mGal的重力低谷，这主要是裂谷湖水和巨厚的沉积层引起的.

为了解释贝加尔裂谷湖辖域地壳底部Moho面的局部隆起(见表1)及其对重力场的影响，在此亦构建了理论重力模型.贝加尔裂谷湖辖域地壳底部Moho面的隆起模型参数为：辖域北端地壳底部Moho面深度为39 km,辖域中部地壳底部Moho面隆起的深度为38 km,辖域南端地壳底部Moho面深度为40 km,辖域地壳底部Moho面隆起区介质密度为3.2 g·cm-3，辖域地壳底部介质密度为2.9 g·cm-3.据此，构建的贝加尔裂谷湖辖域地壳底部Moho面隆起模型见图6.

图6 贝加尔裂谷湖辖域地壳底部Moho面隆起模型

同样，对此模型进行重力正演计算，给出贝加尔裂谷湖辖域地壳底部Moho面隆起模型的布格重力异常分布曲线(图6上部).重力曲线的最高值仅仅为+3.45 mGal.这一结果表明贝加尔裂谷湖辖域地壳底部Moho面隆起所引起的正重力异常值很小.尽管如此，二者共同产生的布格重力异常响应仍为很大的负重力异常值，仍然反映着其深部物质的分异和调整.基于此，本剖面在贝加尔裂谷湖区域的变化幅度达负90多毫伽的布格重力异常低谷，主要是由于深部存在很深的裂谷湖水和巨厚的沉积建造的集成效应所致.依据贝加尔湖地域的地球物理和近地表地质构造属性，满足于近代活动裂谷构造的边界条件(Olsen,1995; Kearey et al.,2009).

3.2 肯特山造山带域

由图3、图4可见，在该长剖面中，肯特山造山带是一个很大的构造单元，有突出的山地地形、有宽深的重力低谷和明显的Moho面下降.此带域在本剖面的地理位置、带域地表海拔高程、带域内布格重力异常特征及带域内Moho界面深度等列于表2.

表2 肯特山造山带域

由表2可见，在本带域宽阔深大的布格重力异常达50～79 mGal幅度的重力深低谷对应着肯特山脉及其南北两麓，所呈现地形高程与重力异常呈镜像相关.在造山带域其Moho界面深度明显加深约2～3 km的变化，这是肯特山脉造山带存在山根的反映.

为了进一步探讨肯特山脉造山带的大陆均衡属性(机制)，依据Airy均衡模式(王谦身等,2003)，大陆山区的均衡条件是

σ0(H+t)=σ1t

式中：H为山脉柱体海拔高度，σ0为地壳介质密度，σ1为上地幔介质密度，t为山根厚度.

在肯特山脉造山带，选取H为2.0 km,σ1为3.2 g·cm-3,σ0为2.67 g·cm-3.(σ0为肯特山脉造山带地壳介质密度平均值)，取正常标准地壳厚度T为35 km.

由此式计算得到山根厚度t为10.08 km，则Airy理论均衡地壳底界面(Moho界面)深度为D=T+t=45.08 km.

以EGM 2008获得的布格重力值视为实测值构建的密度剖面，则在肯特山脉造山带下面的Moho界面深度M为46.0 km左右.

尽管D与M都是理论计算的结果，但也是从实际地形高程和较为可靠的布格重力异常数据两个方面分别独立计算得到的结果，是可供参考的.计算的结果给出二者很接近，即D～M；表明在本剖面跨越的此段肯特山脉地区基本上处于接近均衡状态.

3.3 蒙古主缝合线带域

根据有关文献(何静等，2014；强正阳等，2016)，蒙古主缝合线(蒙古主构造线)与本剖面在45.3°N(987 km)处相交汇.由图3和图4可见，在45.3°N(987 km)处的蒙古主缝合线带后部(北部)，布格重力异常场呈现出一个重力低谷形态，在地壳密度结构图上呈现地壳上部存在密度相对较低的介质结构层(2.35 g·cm-3)，此乃蒙古主缝合线的响应带域，此带域位于约在45.3°N(988 km)到 45.9°N(918 km)的范围之内.

蒙古主缝合线响应带域的这一构造单元在本长剖面的地理位置、带域内布格重力异常特征及带域内Moho界面深度等主要参数列于表3.

表3 蒙古主缝合线响应带域

由图3、图4和表3显见，蒙古主缝合线及其响应带域在本长剖面上是一个有20～25 mGal的重力低谷形态，在蒙古主缝合线带响应域的地壳密度结构特征是表征存在一对应周边介质的相对密度为-0.15 g·cm-3的低密度介质层.这一形态附合一般板内缝合线的形成史和形成机制，即在缝合线的后侧形成不同规模、不同厚度的混杂岩堆积带.而这个堆积带会引起重力异常值降低，因而形成重力低谷形态.另外，通常板内缝合线尚深入不到Moho界面处；因此，本蒙古主缝合线响应带域的Moho界面深度基本没有明显变化.

3.4 地壳底部Moho界面断开区

本重力长剖面与已有天然地震观测点组成的测线(何静等，2014)相交叉，其天然地震观测点的接收函数数据给出了一个Moho界面断开带界，此构造带界的地理位置在蒙古主缝合线以南距离约80 km处，其地表地貌为蒙古大戈壁，其地形相比南北两侧山地为近东西走向的低凹地带，而Moho界面呈现出断开和似俯冲状态，在此带域的Moho界面断开段的宽度大约有50 km到60 km，在断开段内接收函数显示不清楚(何静等，2014的图5)，並且此构造带域两侧的岩层介质的性质是有着相当大差异的特殊构造带域(何静等，2014).但目前尚无其他文献提出存在此构造带域.现只能认为这是中亚大造山带南缘的一条较深(到Moho界面)的构造缝合带域(仅供探榷).而本剖面恰恰穿过此断开带域，将此断开带域的边界投影到本重力长剖面的地理位置南界处44.1°N(1125 km)至北界的44.62°N(1065 km)处.在此将与本剖面相应的Moho界面断开带域，布格重力异常特征及带域内Moho界面深度等列于表4.

表4 地壳底部Moho界面断开带域

由表4可见，在此Moho界面断开带域北侧将本剖面投影到44.62°N(1065 km)至南侧投影为44.1°N(1125 km)的范围内，应用重力信息得到的地壳密度结构给出此“投影”带域南侧Moho界面深度为38.6 km，带域北侧Moho界面深度为41 km；这与天然地震接收函数数据 (何静等，2014) 给出的Moho界面在带域南侧相对较浅(39.0±1.6 km)、北侧相对较深(43.1±2.9 km)的结果基本相一致的.

根据重力学理论方法构建密度结构的特性，由重力数据构建的密度结构在此“投影”带域的Moho界面显示为由南向北逐渐变深的斜坡型下降带域.在没有更多资料情况下，暂称此带域为“大戈壁Moho界面递变带域”.

3.5 内蒙古索伦缝合线带域

根据有关文献(何静等，2018)，内蒙古索伦缝合线与本剖面在43.16°N(1234 km)处相交汇.由图3和图4可见，在剖面重力异常图与地壳密度结构图上，索伦缝合线带43.16°N(1234 km)的响应域范围北界为43.47°N(1215 km)到南界的 42.9°N(1245 km).此带域构造单元在本重力长剖面的地理位置、带域内布格重力异常特征及带域内Moho界面深度等主要参数列于表5.

表5 内蒙古索伦缝合线响应带域

内蒙古索伦缝合线响应带域的范围为30 km左右.在其响应带域内，布格重力异常呈现幅度为30～35 mGal的重力低谷形态；地壳上部存在一个与周边介质的相对密度为-0.10 g·cm-3的低密度介质结构层；带域内Moho界面深度没有明显变化.这些参数和图像都表明索伦缝合线是板内块体的边界，符合一般板内块体的形成史和耦合机制的特征.

4 结语

对于本重力长剖面，尽管至今尚没有最新的地面实测重力数据，而应用精度达到可供研究地壳深部结构的EGM2008模型来采集和处理得到各个重力点的布格重力异常值.通过反演给出对本剖面的布格重力异常分布和剖面地壳密度结构及构造；并用以对剖面辖区的五个有特征的局部次级构造单元—贝加尔裂谷带、肯特山造山带、蒙古主缝合线、大戈壁Moho界面递变带和内蒙古索伦缝合线(块体边界)—依次予以分析和探讨.本剖面系凭祥—满都拉超长地球物理综合大剖面由满都拉向北延伸至贝加尔湖北侧的卡楚加重力长剖面.本文也是该超长剖面的3篇系列论文 (王谦身等, 2015;王谦身等, 2016;王谦身等, 2017)的后续论文.这样，与前几篇论文结合在一起，可对比探讨各个克拉通、造山带、盆山系统等的重力学特征、深部结构与构造方面的相同和差异等专项，可为大地构造学、大陆动力学领域的研究提供地球物理重力学方面的必要的基础资料和信息.

以上的结果、分析和探讨的主要是依据现有的有限资料给出的几点初步的认识，以供专注于中亚造山带大陆动力学及大地构造学领域的同仁们研讨探榷.