〔作者简介〕徐志萍, 女, 1987年生, 2012年于中国地质大学(武汉)获地球探测与信息技术专业硕士学位, 工程师, 主要研究方向为重磁电方法与深部结构构造, 电话: 0371-63757378, E-mail: xuzhipingcom@126.com。
利用滑动平均法从川滇地区布格重力异常场分离出主要反映莫霍面起伏的低频布格重力异常场, 将地震模型转换、 并经过高程改正的密度模型作为初始模型, 根据不同构造单元之间莫霍面上、 下密度差不同, 采用Parker法对低频布格重力异常场进行分区反演, 得到了该区莫霍面深度和地壳厚度分布。结果显示: 研究区西北部青藏块体从边缘向内部莫霍面深度和地壳厚度加深和增厚, 分别为52~62km和54~66km; 四川盆地莫霍面深度为38~42km; 从南东向北西川滇菱形块体莫霍面深度为42~62km; 红河断裂带以西的滇西地块, 从南向北莫霍面深度为34~52km; 龙门山、 红河断裂带是莫霍面深度变化的梯度带; 红河断裂带两侧自北向南莫霍面深度差异逐渐增加; 攀枝花裂谷下方的莫霍面未发现明显隆起。川滇地区莫霍面深度分布明显受印度板块与欧亚板块碰撞及其向中南半岛侧向俯冲的制约。文中采用分区反演得到的莫霍面深度模型与已有的人工地震探测结果之间的均方差<1.7km, 同时通过与整体反演结果对比, 表明在不同构造单元的地壳速度、 密度结构存在明显差异的区域, 以高分辨地震探测结果为约束, 开展分区密度界面反演工作, 可有效提高反演结果的可靠性。
By using moving average method to separate Bouguer gravity anomaly field in Sichuan-Yunnan region, we got the low-frequency Bouguer gravity anomaly field which reflects the undulating of Moho interface. The initial model is obtained after seismic model transformation and elevation correction. Then, we used Parker method to invert the low-frequency Bouguer gravity anomaly field to obtain the depth of Moho interface and crustal thickness in the area. The results show that the Qinghai-Tibet block in the northwest of the study area deepens and thickens from the edge to the interior, with the depth of Moho interface and the crust thickness of about 52~62km and 54~66km, respectively. The depth of Moho interface in Sichuan Basin is about 38~42km. In Sichuan-Yunnan block, the depth of Moho interface is about 42~62km from southeast to northwest. Beneath the West Yunnan block, west of the Red River fault zone, the Moho depth is about 34~52km from south to north. The Longmen Mountains and Red River fault zone are the gradient zone of the Moho depth change. Along the Red River fault zone, the depth difference of Moho interface is increasing gradually from north to south. No obvious uplift is found on the Moho interface of Panzhihua rift valley. The depth of Moho interface distribution in Sichuan and Yunnan is obviously restricted by the collision between the Indian plate and the Eurasian plate and the lateral subduction of the Indo-China peninsula. The mean square error of the depth of Moho interface is less than 1.7km between the result of divisional density interface inversion and artificial seismic exploration. At the same time, we compared the integral with divisional inversion result. It shows that: in areas where there is obvious difference between the crust velocity and density structure in different tectonic blocks, the use of high resolution seismic exploration data as the constraints to the divisional density interface inversion can effectively improve the reliability of inversion results.
受自45Ma以来印度板块与欧亚板块碰撞的影响, 川滇地区发生了强烈的构造变形, 西北部隆升为青藏高原的一部分, 地壳显著增厚; 西南部为一系列近NW向的大型走滑断裂所分割, 分布着走向相同的著名的横断山脉; 北部在川西高原和四川盆地之间横亘着高耸的龙门山逆冲推覆造山带。川滇地区主要的块体有川滇菱形块体、 松潘-甘孜地块、 扬子地块、 滇西地块和华南地块(图1)。
目前, 针对川滇地区虽然开展了大量的研究工作, 但仍有一些问题尚未解决: 1)印度板块和欧亚板块碰撞引起的压缩变形导致青藏高原地壳增厚, 达到60~70km, 关于其隆升和增厚机制尚存争议, 国际上主要有 “ 大陆逃逸” 模型(Tapponnier et al., 1982)、 连续变形模型(England et al., 1986)和下地壳流模式(Royden et al., 1997)等假说; 2)攀西裂谷带下方莫霍面是否隆升?隆升规模有多大?不同地球物理结果存在差异(崔作舟等, 1987; 钟锴等, 2005; 石磊等, 2015; 张恩会等, 2015); 3)在云南中南部地区通过地震剖面得到的莫霍面深度约32~40km(张恩会等, 2013; 王夫运等, 2014; 王帅军等, 2015a), 而重力反演结果多为40~45km(冯锐, 1985; 路晓翠, 2008; 张恩会等, 2015)。莫霍面作为地壳和地幔的重要分界面, 获得其可靠的深度模型对解决以上问题具有重要意义。
自20世纪80年代以来, 众学者在川滇地区布设了多条人工深地震探测剖面(熊绍柏等, 1986; 崔作舟等, 1987; 王椿镛等, 2003a, 2003b; 白志明等, 2004; 张忠杰等, 2005; 张智等, 2007; 嘉世旭等, 2014; 王夫运等, 2014; 王帅军等, 2015a, 2015b; 徐涛等, 2015), 获得了剖面下精细的地壳上地幔二维速度结构、 莫霍面深度及地壳厚度。此外, 为获得川滇地区莫霍面深度的区域变化特征, 一些学者还利用重力资料来反演莫霍面深度(冯锐, 1985; 路晓翠, 2008; 姜永涛等, 2015; 张恩会等, 2015)。通过人工地震探测获得的莫霍面深度更加准确, 但覆盖范围小, 仅反映测线下方莫霍面深度的变化特征; 重力虽然横向范围大, 但其反演结果往往受初始模型和反演参数制约。因此, 本文拟将地震方法获得的地壳模型通过大地水准面校正, 变为适合重力数据反演的重力地壳模型, 给出更加合理的反演参数, 得到包含地震数据和重力数据信息的更加可靠的莫霍面深度和地壳厚度结果。
本文收集的川滇地区布格重力异常资料来自全国地质资料馆, 该资料包含多个比例尺的数据, 有 1:10万、 1:20万、 1:50万和 1:100万, 经重采样、 插值处理后得到相当于 1:50万平面布格重力异常数据。使用WGS84坐标系。资料范围为97° ~107° E, 22° ~33° N。
重力解释通常把布格重力异常看作由区域异常和局部异常组成, 区域异常幅值较大, 异常范围较宽, 具有 “ 低频” 特征, 主要是由地壳下界面(莫霍面)起伏而在横向上相对上地幔质量的巨大亏损(山区)或盈余(海洋)引起的重力异常; 局部异常一般由范围较小的构造、 矿体或岩体引起的范围和幅度较小的异常, 梯度相对较大, 具有 “ 高频” 特征。因此, 在进行莫霍面反演之前, 可以利用不同场源引起重力异常的频率不同对其进行分离, 得到莫霍面起伏引起的重力异常场。本文采用滑动平均法得到了川滇地区布格重力异常区域场和局部场, 其中区域场变化特征与楼海等(2005)和路晓翠(2008)获得的结果基本一致。
图2是采用滑动平均法得到的川滇地区布格重力异常分离结果。区域重力异常(图2a)幅值较大, 在-480× 10-5~-80× 10-5m/s2之间, 整体呈西低东高的分布特征。在研究区西北部的青藏高原东北缘地区为低重力异常区, 四川盆地为高重力异常区, 二者之间存在一明显的重力异常梯度带, 龙门山断裂带就位于该梯度带内; 研究区南部的云南地区重力异常变化平缓, 等值线向SE方向弯曲。局部重力异常(图2b)幅值较小, 在-70× 10-5~60× 10-5m/s2之间, 等值线圈闭范围小, 形成局部高、 低重力异常特征, 在成都地块为高重力异常特征, 龙门山断裂带西侧的3个NE向高重力异常圈闭与川西彭灌杂岩的位置相对应, 攀枝花附近的高重力异常区与峨眉大火成岩省攀枝花岩体相对应。
在重力界面反演方法中, 基于频率域的Parker迭代界面反演方法(Oldenburg, 1974), 由于适应性强、 计算速度快, 得到了广泛的应用。
设界面的平均深度为H, 而h是界面相对于平均深度H的距离, 设Z坐标轴向下为正, 则H以上的h为负。该起伏界面的重力异常的频谱为
式(1)中, e为自然常数, σ 为密度,
其中h(i)、 h(i+1)分别为第i次和第i+1次界面起伏的近似值。该算法每次迭代得到的是h值而非其修正量, 因而存在不宜收敛的缺点。为克服这一缺点, 本文在进行莫霍面反演时采用了GMS4.0软件(中国地质大学(武汉))中3D帕克法密度界面反演程序, 该程序取迭代方法如下:
(1)取式(2)的一级近似值, 得到h的一级近似值h(1)的频谱
(2)把一级近似h(1)代入式(1)得到:
(3)根据
(4)把
(5)根据方程式
把
GMS4.0软件在反演时要求将反演界面的平均深度、 界面密度差以及变密度因子作为已知条件输入, 即采用密度随深度呈指数变化(
根据人工地震探测结果得到川滇地区不同构造单元下地壳和上地幔P波速度, 并利用速度-密度转换公式
图3a是川滇地区莫霍面整体反演结果, 该结果与前人采用重力反演得到的莫霍面深度具有较好的一致性(冯锐, 1985; 路晓翠, 2008; 姜永涛等, 2015; 张恩会等, 2015), 在滇西地块内莫霍面自北向南逐渐变浅, 深度约38~52km, 而该区内由人工地震探测剖面(张恩会等, 2013; 王夫运等, 2014; 王帅军等, 2015a)得到的莫霍面深度约33~52km, 二者存在明显差异, 与图3a相比, 采用分区反演方法得到的莫霍面深度(图3b)与人工地震探测结果更加一致, 表明在进行大区域密度界面反演时, 需充分考虑不同构造单元密度界面之间的差异, 采用不同的反演参数。
图3b是本文根据人工地震探测结果对川滇地区进行重力分区反演得到的莫霍面深度等值线图, 与陈石等(2015)采用重震联合最优化反演得到莫霍面深度具有较好的一致性。从图中可以看出, 整个川滇地区莫霍面深度约34~62km, 位于青藏高原内部的川西北次级块体和松潘-甘孜地块莫霍面深度最大, > 50km, 向周围逐渐变浅; 莫霍面深度变化梯度最大的区域位于松潘-甘孜地块和扬子地块交界部位的龙门山断裂带上; 四川盆地莫霍面深度约38~42km; 滇中次级块体莫霍面深度自西北部的青藏高原向东南部的扬子地块逐渐变浅, 等值线向SE方向呈U型凸起, 变化范围约42~50km; 位于金沙江-红河断裂带以西的滇西地块, 自北向南莫霍面逐渐变浅, 变化范围约33~52km。
莫霍面起伏特征与地壳结构特征和深部动力学过程密切相关。人工地震测深(嘉世旭等, 2014; 王帅军等, 2015b; 徐涛等, 2015)和天然地震层析成像结果(王椿镛等, 2002; 刘启元等, 2009; 黄忠贤等, 2013)均表明: 在青藏高原东南缘的松潘-甘孜地块和川西北次级块体中、 下地壳有低速层存在, 地壳较为软弱; 扬子地块的四川盆地在中、 下地壳速度较高, 地壳坚硬; 大火成岩省内带攀枝花附近莫霍面局部隆起, 地壳呈现高速异常特征。印度板块向欧亚板块下方俯冲, 造成青藏高原向上隆升、 地壳增厚, 受印度板块挤压, 青藏高原东缘松潘-甘孜地块中、 下地壳软弱物质E移受到四川盆地强硬地壳的阻挡, 在龙门山断裂带附近形成逆冲推覆构造的同时, 也使得其下方莫霍面厚度发生强烈变化, 形成莫霍面深度变化梯级带; 攀枝花附近的高速异常虽然在一定程度上阻挡了青藏高原东南缘的川西北次级块体地壳物质向S挤出, 但由于其范围较小, 莫霍面变化较为平缓。红河断裂带是滇中次级块体和滇西地块的分界断裂, 它不仅受到青藏高原东南缘川西北次级块体向SE挤出, 还受到滇西地块以西的印缅块体向E挤压和俯冲, 最终导致在其两侧, 莫霍面深度自北向南差异逐渐增加。根据本文结果, 在攀西裂谷带下方莫霍面深度变化平缓, 并未有明显隆升, 与张恩会(2015)和石磊等(2015)采用最新的重力异常反演的结果一致, 石磊通过建立过攀西裂谷的二维密度结果模型认为引起攀西裂谷带高重力异常的原因不是莫霍面隆起, 而是地壳底部壳幔过渡层密度较高引起的, 与超级地幔柱和岩浆的底侵作用有关。
由于布格重力异常反演的莫霍面深度是自大地水准面至莫霍面的深度, 当地面高程为0时, 地壳厚度与莫霍面深度相同, 当地面起伏较大时, 地壳厚度等于地面高程加上莫霍面深度。图4是根据川滇地区莫霍面反演结果和高程数据(图1)得到的该区地壳厚度等值线图, 其变化趋势与莫霍面深度(图3b)基本一致。由于川滇地区地形起伏大, 青藏高原海拔> 3i000m, 与四川盆地最大高差达到5i000m, 使得青藏高原与四川盆地之间的地壳厚度差进一步增加, 龙门山地壳厚度变化梯度增大。青藏高原东南缘地壳厚度> 54km, 向高原外围逐渐减小, 川西北次级块体东南侧, 地壳等厚线呈U型向SE向弯曲。滇西地块地壳厚度自北向南逐渐减薄, 变化范围为34~58km。川滇地区的一些深大断裂不仅控制了构造单元边界, 还造成了其下方地壳厚度的剧烈变化, 在龙门山断裂带下方表现为地壳厚度自西向东的快速减薄, 在红河断裂带附近表现为地壳厚度的快速变化。
综上所述, 在青藏高原东南缘, 不同构造单元的地壳结构和深部动力学成因存在差异, 造成青藏高原东缘松潘-甘孜地块与四川盆地之间以挤压环境为主, 在中、 上地壳形成龙门山逆冲推覆构造带, 并产生强烈的垂直变形, 青藏高原东缘隆起与外围盆地间形成巨大高差, 地壳厚度变化表现为梯度带特征(嘉世旭等, 2014; 王帅军等, 2015b); 川滇菱形块体自NW向SE地壳厚度逐渐变薄, 虽然其E移物质受到了攀西裂谷带下方高密度体的阻挡, 但其地壳厚度变化不明显, 变化较为平缓; 由于红河断裂带是1条巨型走滑断裂带, 作为滇西地块和滇中次级块体的分界, 该断裂带两侧地壳厚度多为急剧变化(张恩会等, 2013; 王夫运等, 2014), 且自北向南地壳厚度差异不同, 表明该区深部运动过程存在差异。根据川滇地区地壳厚度结果, 青藏高原东南缘地壳增厚是不均匀的, 其物质向周围运移的过程中因受到不同地质构造单元的阻挡及巨型断裂的控制, 造成该区地壳变形复杂, 不能简单套用 “ 大陆逃逸” 模型(Tapponnier et al., 1982)、 连续变形模型(England et al., 1986)和下地壳流模式(Royden et al., 1997)。
为进一步分析本文反演的莫霍面深度是否可靠并评价反演结果的精度, 将其与2010年以来最新的人工地震测深结果进行对比, 结果如表2、 图5所示, 其中采用的人工地震莫霍面深度均已消除地形起伏的影响, 计算点数指的从地震剖面数字化得到的莫霍面深度数据的个数。从表2中可以看出, 采用分区反演得到的莫霍面深度与人工地震结果具有较好的一致性, 其均方差< 1.7km。
AA'和BB' 2条剖面(图5a, b)位于研究区北部, 自西向东经过川西北高原、 松潘-甘孜地壳转换带和四川盆地, 莫霍面深度逐渐变浅, 在川西北地区, 莫霍面深度约50~57km, 重力反演结果和人工地震探测成果基本一致(嘉世旭等, 2014; 王帅军等, 2015b); 在松潘-甘孜地壳转换带, 莫霍面深度在AA'剖面由高原盆地东南边缘龙日坝断裂的54km逐渐抬升至四川盆地西缘山前断裂的42km, BB'剖面莫霍面深度自西向东由50km逐渐抬升至41km, 重力和人工地震的莫霍面结果在转换带附近存在3~5km的差异, 分析可能是由于地震剖面莫霍面附近速度呈强梯度变化带特征, 而重力反演的是密度差在0.4g/cm3附近变化的密度界面; 在四川盆地, AA'剖面的人工地震探测结果显示莫霍面深度约41~43km, 重力反演的结果约36~40km, 二者存在一定差异, 结合该剖面速度结构, 在四川盆地下地壳和莫霍面之间存在多个速度突跳界面, 重力反演结果得到的莫霍面深度更加接近6.65~6.9km/s的速度突跳界面深度, BB'剖面在四川盆地内通过人工地震和重力得到莫霍面深度结果基本一致, 约40~42km。
CC'剖面位于研究区中部(图5c), 与徐涛等(2015)布设的丽江-清镇人工地震剖面位置相同, 重力反演得到的莫霍面深度自西向东逐渐变浅, 从川滇菱形块体内的50km逐渐抬升至华南地块的39km, 整体变化平缓, 局部起伏不大; 人工地震反演的莫霍面在丽江-小金断裂和小江断裂下方明显下坳, 在攀枝花下方明显隆起, 深度在47~53km之间变化, 与重力结果存在明显差异, 结合速度结构进行分析, 可能与2条断裂带之间下地壳和莫霍面之间速度强梯度带变化有关; 在小江断裂带以东, 地壳速度突跳界面清晰, 人工地震和重力反演结果基本一致。
DD'和FF'剖面(图5d, e)均位于研究区南部, 跨越了红河断裂带。根据人工地震探测结果(张恩会等, 2013; 王夫运等, 2014), 在红河断裂带以西, 地壳速度偏低, 莫霍面较浅, 约33~35km。在红河断裂带附近, 莫霍面深度快速增加至40km左右, 而红河断裂带东侧的扬子块体, 莫霍面深度变化稳定, 约40~42km。在红河断裂带两侧重力反演结果与人工地震探测结果基本一致, 在红河断裂带附近变化特征虽有一定差异, 但莫霍面深度在该处快速增加的趋势一致。
EE'剖面(图5f)位于红河断裂带西侧, 人工地震探测(王帅军等, 2015a)和重力反演结果基本一致, 自南向北, 莫霍面深度逐渐增加, 变化范围约32~38km。
从图5d-f可以看出, 在红河断裂带以西重力整体反演结果与人工地震得到的莫霍面深度整体相差4km左右, 采用不同参数进行分区反演后, 这种区域性差异消失, 表明重力界面反演对初始反演模型依赖性强, 在进行大区域重力反演时, 需根据人工地震探测结果, 充分考虑不同构造单元间反演界面的密度差异, 采用不同的参数进行分区反演。
图5a-c结果表明, 在深大断裂下方地壳速度呈强梯度变化和下地壳速度变化存在多个突跳界面时, 重力反演结果与人工地震存在较大差异, 原因在于重力界面反演时要求界面上下物质层分布比较均匀、 稳定且密度差已知, 本文采用的变密度反演模型虽然考虑了密度随深度变化的影响, 但由于川滇地区构造变形复杂, 深大断裂发育, 低速层广泛分布, 使得不同构造单元莫霍面上下物质密度差的分布在反演区域内存在较大差异, 从而导致重力反演结果和人工地震结果在局部存在一定差异。
综上所述, 采用分区反演仅能消除某个构造单元内区域性莫霍面差异, 而无法解决由于地壳局部速度结构突变引起的重力莫霍面反演和人工地震测深结果之间的差异问题。
本文利用滑动平均法从川滇地区布格重力异常场分离出主要反映莫霍面起伏的低频布格重力异常场, 将由地震模型转换并经过高程改正的密度模型作为初始模型, 根据不同构造单元之间莫霍面上、 下密度差不同, 采用Parker法对低频布格重力异常场进行分区反演, 得到了该区莫霍面深度和地壳厚度分布特征。同时, 充分考虑布格重力异常和人工地震探测模型的差异, 在进行反演和结果对比时扣除大地水准面以上部分地震结果的影响, 并得到以下认识:
(1)位于研究区西北部的松潘-甘孜地块和川西北次级块体地处青藏高原东南缘, 其莫霍面深度和地壳厚度表现为从高原边缘向内部加深和增厚, 分别为52~62km和54~66km; 研究区东北部主要为四川盆地(扬子地块), 由于其高程变化较小, 其莫霍面深度和地壳厚度基本一致, 约38~42km; 研究区北部自西向东, 莫霍面深度和地壳厚度在松潘-甘孜地壳转换带下方变化梯度最大; 研究区西南部的川滇菱形块体内莫霍面深度和地壳厚度自NW向SE逐渐减小, 分别为42~62km和44~66km; 研究区西南部位于金沙江-红河断裂带以西的滇西地块, 自北向南莫霍面深度和地壳厚度逐渐变小, 分别为33~52km和34~54km。
(2)青藏高原E移物质受坚硬的四川盆地阻挡, 在龙门山断裂带下方形成莫霍面深度和地壳厚度变化梯度带; 红河断裂带两侧莫霍面深度和地壳厚度自北向南差异逐渐增加, 推测可能是由于红河断裂带受到青藏高原东南缘川西北次级块体SE向挤出和滇西地块以西的印缅块体向E挤压、 俯冲作用的共同影响。
(3)根据密度界面分区反演结果, 在攀西裂谷带下方莫霍面深度和地壳厚度变化平缓, 并未有明显隆升, 与石磊(2015)和张恩会等(2015)采用的最新重力异常反演所得的结果一致, 石磊通过建立过攀西裂谷的二维密度结果模型认为引起攀西裂谷带高重力异常的原因不是莫霍面隆起, 而是地壳底部壳幔过渡层密度较高, 与超级地幔柱和岩浆的底侵作用有关。
(4)重力反演结果进一步映证了地震剖面的成果(表2, 图5), 并在横向上扩展了对研究区莫霍面起伏变化的认识。重力和人工地震结果差异较大的地区多位于莫霍面深度和地壳厚度急剧变化的地区, 如松潘-甘孜地壳转换带、 红河断裂带及一些深大断裂带附近, 一方面体现出不同方法的应用差异, 同时也体现出在构造转换带壳幔边界可能为一复杂过渡带而不是间断界面。
(5)将重力反演得到的莫霍面深度模型和已有人工地震探测结果进行比对, 发现采用密度界面分区反演方法得到的莫霍面深度在红河断裂带以西的滇西块体与人工地震探测结果更加一致, 计算二者均方差变化范围为0.72~1.67km。该对比结果表明在不同构造单元地壳速度、 密度结构存在明显差异区域, 以高分辨地震探测结果为约束, 开展分区密度界面反演工作, 可有效提高反演结果的可靠性。
(6)川滇地区莫霍面深度分布明显受印度板块与欧亚板块碰撞及其向中南半岛侧向俯冲的制约。
致谢 田晓峰研究员、 邓晓果工程师提供了相关基础资料, 审稿专家对本文提出了建设性修改意见, 在此表示衷心感谢。
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