董澤義　湯　吉*　陳小斌　王立鳳　王繼軍　孟補(bǔ)在　白　云

1)中國地震局地質(zhì)研究所、北京　100029　2)遼寧省地震局、沈陽　110031

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華北克拉通東北邊界帶深部電性結(jié)構(gòu)特征

董澤義1)湯吉1)*陳小斌1)王立鳳1)王繼軍1)孟補(bǔ)在2)白云2)

1)中國地震局地質(zhì)研究所、北京1000292)遼寧省地震局、沈陽110031

在華北克拉通東北邊界帶、完成了1條NW-SE走向長約900km的大地電磁測深剖面工作；該剖面西北始于中亞造山帶內(nèi)部的賀根山雜巖帶、向SE依次穿過寶力道弧、索倫-林西縫合帶、溫都爾廟雜巖帶、白乃廟弧、內(nèi)蒙地軸、燕山造山帶、最后終止于華北克拉通內(nèi)部的遼河坳陷。采用大地電磁阻抗張量分解技術(shù)對所有測點(diǎn)的維性、區(qū)域地電走向進(jìn)行了分析、沿剖面的數(shù)據(jù)具有較好的二維性。利用NLCG二維反演方法、得到了沿剖面地下二維電阻率結(jié)構(gòu)。從電性結(jié)構(gòu)上看、沿剖面電阻率結(jié)構(gòu)具有橫向分塊的特征、大致可以分為3個(gè)主要的電性區(qū)、呈現(xiàn)高阻—低阻—高阻的變化；中亞造山帶與華北克拉通顯示出不同的電阻率變化特征、前者變化劇烈、后者變化相對平緩；索倫-林西縫合帶和內(nèi)蒙地軸中下地殼分別存在1個(gè)大范圍的低阻體、可能是由深部流體以及部分熔融所致?；谘芯繀^(qū)的深部電性結(jié)構(gòu)及其他地質(zhì)與地球物理觀測資料、我們推測：1)西伯利亞板塊與華北板塊的最終縫合位置可能在錫林浩特?cái)嗔雅c西拉木倫河斷裂之間的區(qū)域；2)燕山造山帶下較厚的高阻體可能起到了構(gòu)造屏障的作用、使克拉通內(nèi)外的上地幔頂部具有不同的對流模式、從而減弱了中亞造山帶構(gòu)造演化對華北克拉通東部破壞的影響作用。

中亞造山帶華北克拉通大地電磁測深深部電性結(jié)構(gòu)

0　引言

華北克拉通東北邊界帶地處古亞洲洋域與濱太平洋域的交會(huì)部位；在大地構(gòu)造位置上、華北克拉通東北邊界帶是南部的華北克拉通和北部的中亞造山帶2個(gè)一級構(gòu)造單元邊界帶的一部分(圖1)。華北克拉通是地球上最古老的克拉通之一、自18億年前克拉通化之后至早中生代、一直保持相對穩(wěn)定。然而、中生代、新生代以來、華北地臺(tái)經(jīng)歷了大規(guī)模而強(qiáng)烈的巖石圈改造和破壞過程、尤其是東部地區(qū)、巖石圈地幔根減薄，物理化學(xué)性質(zhì)發(fā)生根本性的改變、并伴隨著廣泛的巖漿活動(dòng)、頻繁的板內(nèi)地震、大規(guī)模的盆地與大量金屬礦產(chǎn)資源的形成(朱日祥等、2011)。關(guān)于華北克拉通構(gòu)造活化和破壞的動(dòng)力學(xué)過程和機(jī)制、是目前地學(xué)界的1個(gè)熱點(diǎn)研究問題、但至今對一些關(guān)鍵問題仍然存在爭議、其中對華北克拉通巖石圈的減薄機(jī)制目前具有代表性的觀點(diǎn)有拆沉與熱侵蝕2種模型(徐義剛、1999；Gaoetal.、2004；Dengetal.、2007)、而可能導(dǎo)致華北克拉通破壞的動(dòng)力學(xué)原因主要包括如下觀點(diǎn)：晚石炭世古亞洲洋向S的俯沖、三疊紀(jì)揚(yáng)子克拉通與華北克拉通的碰撞和中新生代古太平洋板塊的俯沖(朱日祥等、2009)。位于華北克拉通與西伯利亞板塊之間的中亞造山帶是世界上最寬闊、發(fā)展歷史最長、構(gòu)造巖漿活動(dòng)最復(fù)雜的1條巨型增生造山帶、顯生宙期間、先后經(jīng)歷了古亞洲洋俯沖閉合、陸陸匯聚及碰撞后伸展等地質(zhì)過程(Xiaoetal.、2003、2004、2009)。過去幾十年、地質(zhì)學(xué)家們在該區(qū)域做了很多卓越的工作、并提出了多種構(gòu)造演化模式(Jianetal.、2008; Chenetal.、2009; Xuetal.、2013)、但至今仍對一些重要的地質(zhì)問題存在爭議。例如、古亞洲洋最終閉合的時(shí)間和位置、華北克拉通與西伯利亞板塊碰撞縫合線的位置等問題。過去對于上述這些爭議問題的認(rèn)識(shí)、主要來自于地表構(gòu)造及巖石地球化學(xué)研究、但由于其采用的深部樣品的分布具有局限性和不均勻性、大大制約了從整體上對問題的認(rèn)識(shí)、因此亟待深部地球物理觀測提供證據(jù)與約束。

近年來、中國的專家學(xué)者在華北克拉通利用不同的地震方法開展了大量的深部結(jié)構(gòu)探測工作、這些研究工作加深了我們對華北克拉通內(nèi)部及其周邊板塊現(xiàn)今巖石圈深部結(jié)構(gòu)特征的認(rèn)識(shí)、為探討華北克拉通巖石圈的構(gòu)造演化提供了豐富的地震波速結(jié)構(gòu)資料(陳凌等、2010a)。與地震方法相比、大地電磁測深法(MT)在很多方面可以看作是一種與其互補(bǔ)的有效方法、它因其對于地球深部的礦物組分、溫度和流體(如主要成分、揮發(fā)物、流體和熔體等)上的細(xì)微變化非常敏感、目前已被國內(nèi)外學(xué)者廣泛應(yīng)用于探測巖石圈深部結(jié)構(gòu)(Unsworth、2010; Xiaoetal.、2011)。在國家自然科學(xué)基金的資助下、我們采用先進(jìn)的采集儀器在華北克拉通東北邊界帶實(shí)施完成了1條西起內(nèi)蒙古蘇尼特左旗、東至遼寧錦州的常規(guī)、長周期大地電磁測深剖面、為研究中亞造山帶的構(gòu)造演化歷史、華北克拉通破壞的動(dòng)力學(xué)機(jī)制提供了新的深部依據(jù)。本文對采集的大地電磁測深數(shù)據(jù)進(jìn)行了分析、處理與解釋、獲得了該區(qū)的二維地殼上地幔電阻率結(jié)構(gòu)、并對深部電性結(jié)構(gòu)特征進(jìn)行了分析、同時(shí)結(jié)合其他地球物理與地質(zhì)資料、探討了華北板塊和西伯利亞板塊碰撞縫合帶的位置、華北板塊與周邊塊體的深部構(gòu)造關(guān)系以及邊界帶在克拉通破壞過程中所起的作用等問題。

1　大地電磁剖面位置與研究區(qū)概況

蘇尼特左旗—錦州大地電磁測深剖面整體呈NW-SE走向、西起中蒙邊界蘇尼特左旗的查干敖包、經(jīng)錫林浩特、赤峰、朝陽、東至遼寧錦州的凌?？h、全長約900km。沿剖面共布設(shè)了32個(gè)測深點(diǎn)、分布在內(nèi)蒙古測區(qū)的測點(diǎn)相對較稀、而在遼寧測區(qū)的相對密集、整個(gè)剖面測點(diǎn)平均點(diǎn)距約25km。該剖面跨越了中亞造山帶東南部的賀根山雜巖帶、寶力道弧、索倫-林西縫合帶、溫都爾廟雜巖帶、白乃廟弧和華北克拉通北緣的內(nèi)蒙地軸、燕山造山帶、遼河坳陷共8個(gè)構(gòu)造單元；穿過的大斷裂帶主要有二連-賀根山斷裂(F1)、錫林浩特?cái)嗔?F2)、林西斷裂(F3)、西拉木倫河斷裂(F4)、赤峰-開源斷裂(F5)、凌源-北票斷裂(F6)、阜新-山海關(guān)斷裂(F7)(遼寧省地質(zhì)礦產(chǎn)局、1989；內(nèi)蒙古地質(zhì)礦產(chǎn)局、1991)(圖1)。

圖1　研究區(qū)大地構(gòu)造簡圖(據(jù)Xiao et al.、2003修改)及大地電磁測點(diǎn)位置Fig. 1　Simplified tectonic map of the study area(modified from Xiao et al.、2003)and location of magnetotelluric sites.F1 二連-賀根山斷裂；F2 錫林浩特?cái)嗔?；F3 林西斷裂；F4 西拉木倫河斷裂；F5 赤峰-開源斷裂；F6 凌源-北票斷裂；F7 阜新-山海關(guān)斷裂

2　大地電磁數(shù)據(jù)采集與處理

2.1野外數(shù)據(jù)采集與處理

大地電磁野外數(shù)據(jù)采集工作基本于2012年內(nèi)完成、沿測線共觀測到了32個(gè)有效測點(diǎn)的數(shù)據(jù)(圖1)、其中常規(guī)MT測點(diǎn)22個(gè)(白色點(diǎn))、長周期MT測點(diǎn)10個(gè)(紅色點(diǎn))。在數(shù)據(jù)采集過程中、采集儀器使用加拿大鳳凰公司生產(chǎn)的MTU-5A大地電磁觀測系統(tǒng)、每臺(tái)儀器都用自帶的GPS進(jìn)行同步、每個(gè)測點(diǎn)同時(shí)記錄3個(gè)磁場分量(Hx、Hy、Hz)和2個(gè)相互垂直的電場分量(Ex、Ey)。為了保證數(shù)據(jù)質(zhì)量和探測深度、每個(gè)常規(guī)MT點(diǎn)的觀測時(shí)間>20h、每個(gè)長周期MT點(diǎn)的觀測時(shí)間>70h。本次野外數(shù)據(jù)采集沒有單獨(dú)布設(shè)遠(yuǎn)參考站、由于沿剖面每天保證同時(shí)有2臺(tái)儀器通過GPS同步方式采集數(shù)據(jù)、而且測點(diǎn)間距相對較大、因此2測點(diǎn)之間可以互為參考來實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)參考道觀測技術(shù)(Gambleetal.、1979)、達(dá)到提高數(shù)據(jù)質(zhì)量的目的。

經(jīng)過野外數(shù)據(jù)采集、得到了所有測點(diǎn)的原始時(shí)間序列。在數(shù)據(jù)處理過程中、首先采用鳳凰公司提供的SSMT2000數(shù)據(jù)處理軟件將原始時(shí)間序列經(jīng)過快速傅氏變換、得到電磁場的自、互功率譜、然后采用遠(yuǎn)參考Robust資料處理技術(shù)(Egbertetal.、1996)估算大地電磁阻抗張量、最終獲得了所有測點(diǎn)的阻抗張量響應(yīng)以及對應(yīng)的視電阻率和相位曲線。根據(jù)各點(diǎn)處理的視電阻率和相位曲線來看、內(nèi)蒙古測區(qū)大部分測點(diǎn)數(shù)據(jù)質(zhì)量較好、而在遼寧測區(qū)、由于人文與工業(yè)干擾較嚴(yán)重、測點(diǎn)的數(shù)據(jù)質(zhì)量相對較差。對于常規(guī)MT數(shù)據(jù)、有效頻點(diǎn)的平均周期范圍在0.003～3,000s左右、部分測點(diǎn)的最長周期可達(dá)5,000s以上；對于長周期MT數(shù)據(jù)、有效頻點(diǎn)的平均周期范圍在0.003～10,000s左右。

2.2視電阻率與阻抗相位曲線分析

分析每個(gè)測點(diǎn)的視電阻率與阻抗相位曲線既可定性了解該測點(diǎn)地下電性隨深度的變化、又可了解沿剖面不同構(gòu)造單元的電性特征。圖2 給出了沿剖面位于不同構(gòu)造單元的8個(gè)典型測點(diǎn)的測量方向視電阻率和阻抗相位曲線、多數(shù)測點(diǎn)的最長資料周期達(dá)到近104s、保證了觀測資料探測深度達(dá)到60km以上。測點(diǎn)1—4對應(yīng)賀根山雜巖帶、該構(gòu)造單元電性結(jié)構(gòu)相對簡單、視電阻率曲線對應(yīng)層狀介質(zhì)的曲線類型為K、AK型、區(qū)域內(nèi)視電阻率的變化反映出由淺層至深部的電性結(jié)構(gòu)變化具有低—高—低的電性特征；測點(diǎn)5—7對應(yīng)寶力道弧、該構(gòu)造單元的曲線類型以K、KH為主、視電阻率曲線變化平緩、說明視電阻率在縱向上變化較??；測點(diǎn)8—11對應(yīng)索倫—林西縫合帶、視電阻率曲線的主要類型為HK型、個(gè)別測點(diǎn)曲線為K型、視電阻率整體水平較低、相對于寶力道弧、視電阻率值明顯降低；測點(diǎn)12—15對應(yīng)溫都爾廟雜巖帶、視電阻率曲線以HK型為主、與相鄰的索倫-林西縫合帶相似、視電阻率整體水平較低；測點(diǎn)16—22對應(yīng)白乃廟弧、視電阻率曲線以H型為主、視電阻率值相對于溫都爾廟雜巖帶明顯增高；測點(diǎn)23—26對應(yīng)內(nèi)蒙地軸、測點(diǎn)的曲線類型以K型為主、反映了地下低—高—低的電性結(jié)構(gòu)、由高頻到低頻對應(yīng)于從淺部到深部、視電阻率值相對于鄰區(qū)地塊偏大、表明內(nèi)蒙地軸從表層往下即是巨厚的高阻基巖、屬于相對高阻區(qū)；測點(diǎn)27—29對應(yīng)燕山造山帶、曲線類型有QH型、K型、HK型、表明該單元內(nèi)構(gòu)造環(huán)境復(fù)雜；測點(diǎn)30—32對應(yīng)遼河坳陷、視電阻率曲線類型主要為K型、0.1Hz附近的曲線極大值與上地殼高阻基底有關(guān)?？傮w而言、沿剖面西北部增生帶電性結(jié)構(gòu)相對簡單、而東南部的克拉通結(jié)構(gòu)明顯較為復(fù)雜。

圖2　不同地塊典型測點(diǎn)的視電阻率與阻抗相位曲線Fig. 2　Apparent resistivity and phase curves for typical sites in different tectonic units.

2.3維性與電性構(gòu)造走向分析

在獲得張量阻抗數(shù)據(jù)之后、首先采用了受畸變影響更小的Bahr阻抗分析方法(Bahr、1988)計(jì)算相位靈敏二維偏離度(η)、對沿剖面測點(diǎn)之下區(qū)域電性結(jié)構(gòu)的維性進(jìn)行分析。理論上、沿一維或二維介質(zhì)、二維偏離度應(yīng)為0、但在深部探測中、通常認(rèn)為當(dāng)二維偏離度的值<0.3時(shí)、可以近似為二維構(gòu)造。圖3 給出了所有測點(diǎn)相位靈敏二維偏離度沿剖面方向的擬斷面圖。從圖3 可以看出、沿剖面大部分區(qū)域(藍(lán)色)的二維偏離度<0.3、但在少數(shù)測點(diǎn)的深部區(qū)域二維偏離度>0.3、可能由于低頻段觀測資料受干擾和疊加不夠或該區(qū)域構(gòu)造復(fù)雜具有三維特征、但總的來說、剖面整體表現(xiàn)基本滿足二維性假設(shè)、對該剖面的數(shù)據(jù)進(jìn)行二維反演可以較好地揭示出地下真實(shí)的結(jié)構(gòu)特征。

圖3　沿剖面相位靈敏二維偏離度擬斷面圖Fig. 3　Pseudo-section of phase sensitivity skewness(η).

同時(shí)、利用相位張量分析方法(Caldwelletal.、2004)對所有測點(diǎn)的張量阻抗數(shù)據(jù)進(jìn)行了分析、得到了各測點(diǎn)不同頻率的最佳主軸方位。圖4 給出了0.1s、10.3s、113.6s、909.1s 4個(gè)周期各測點(diǎn)的最佳主軸方位。從高頻到低頻、主軸方位大致表現(xiàn)一致、大部分測點(diǎn)的主軸方位角在25°～45°之間變化、滿足二維性較好的測點(diǎn)的主軸方位角基本指向N30°～40°E。結(jié)合研究區(qū)內(nèi)的地質(zhì)構(gòu)造走向可以判定、區(qū)域電性構(gòu)造走向大致沿著N35°E方向。

圖4　0.1s、10.3s、113.6s、909.1s 4個(gè)周期所有測點(diǎn)的最佳主軸方位角Fig. 4　Azimuths of principal axis at each site for periods of 0.1s、10.3s、113.6s and 909.1s.

3　二維大地電磁反演

在大地電磁數(shù)據(jù)二維反演前、根據(jù)上述的電性構(gòu)造走向分析結(jié)果、將剖面MT數(shù)據(jù)全部旋轉(zhuǎn)至區(qū)域構(gòu)造走向方向上(即N35°E)、此時(shí)MT數(shù)據(jù)可分解為TE與TM 2組相互獨(dú)立的極化模式數(shù)據(jù)、TE模式中電流平行于構(gòu)造走向方向、而TM模式中電流垂直于構(gòu)造走向方向。同時(shí)、通過比較相鄰的同一構(gòu)造單元測點(diǎn)的視電阻率曲線、對存在靜位移現(xiàn)象的部分測點(diǎn)進(jìn)行了靜位移校正。

二維反演方法選擇了目前廣泛使用的非線性共軛梯度(NLCG)法(Rodietal.、2001)、整個(gè)反演過程都是在MT-Pionner大地電磁可視化集成軟件系統(tǒng)下完成的(陳小斌等、2004)。在二維反演中、為了得到可靠的反演結(jié)果、我們分別選用單極化模式(TE、TM)和雙極化聯(lián)合(TE+TM)的MT數(shù)據(jù)、使用不同反演參數(shù)進(jìn)行了大量的反演計(jì)算、反演結(jié)果顯示TE模式以及TE+TM模式的二維反演結(jié)果的數(shù)據(jù)擬合普遍較差、這可能與數(shù)據(jù)的三維性有關(guān)。關(guān)于不同極化模式數(shù)據(jù)對二維反演結(jié)果影響的問題、前人做過許多研究(蔡軍濤等、2010; 張樂天等、2012)。一般認(rèn)為TE極化模式對深部結(jié)構(gòu)變化更靈敏、TM極化模式對表層結(jié)構(gòu)變化更敏感、但在受三維結(jié)構(gòu)影響明顯時(shí)、單獨(dú)TM模式反演比利用TE模式或TE+TM模式聯(lián)合反演更合理、反演結(jié)果中的虛假構(gòu)造會(huì)明顯減少、能夠比較準(zhǔn)確地反映地下電性結(jié)構(gòu)分布狀態(tài)。綜上所述、經(jīng)過反復(fù)的反演計(jì)算對比、最終選擇擬合情況最好的TM極化模式反演結(jié)果作為最后的解釋剖面。

反演中采用的初始模型為100Ωm的均勻半空間、TM模式數(shù)據(jù)的門檻誤差為0.05、利用測點(diǎn)中心網(wǎng)格的自動(dòng)生成技術(shù)構(gòu)建帶地形的初始模式網(wǎng)格(陳小斌等、2009)、橫向網(wǎng)格數(shù)115個(gè)、縱向網(wǎng)格128個(gè)。NLCG反演算法中存在1個(gè)重要的參數(shù)正則化因子τ、它能折中平衡模型光滑度與數(shù)據(jù)擬合度、選擇不同的正則化因子(在0.1～1,000之間取十幾個(gè)值)進(jìn)行多次反演、通過反映模型光滑度與數(shù)據(jù)擬合度的L曲線分析確定最可靠的正則化因子(李冉等、2014)。 圖5 為不同光滑因子取值的L曲線、橫軸為評價(jià)模型光滑度的約束目標(biāo)函數(shù)(φm)的平方根；縱軸為數(shù)據(jù)擬合均方差(RMS)。如圖所示、L曲線的轉(zhuǎn)折處對應(yīng)的光滑因子τ=15(黑色實(shí)心圓)既能保證模型的光滑度、又滿足數(shù)據(jù)擬合的要求、最終的反演數(shù)據(jù)擬合差RMS=2.06。

圖5　不同光滑因子的L曲線Fig. 5　L-curve analysis for different regularization parameters.

圖6 還給出了TM模式的視電阻率和阻抗相位實(shí)測數(shù)據(jù)與反演模型響應(yīng)的擬斷面圖(圖中白色處為數(shù)據(jù)不好被刪除的頻點(diǎn))、對比二者可見、實(shí)測數(shù)據(jù)能被理論響應(yīng)較好地?cái)M合、表明沿剖面二維反演結(jié)構(gòu)具有較高的可信度。

圖6　蘇尼特左旗—錦州剖面二維反演數(shù)據(jù)擬合圖Fig. 6　Fitting result of 2-D inversion along the profile.a1 實(shí)測的視電阻率；a2 計(jì)算的視電阻率；b1 實(shí)測的相位值；b2 計(jì)算的相位值

4　電性結(jié)構(gòu)特征分析

由于測點(diǎn)稀疏、對地表電性特征的反映是很粗略的、因此、本文主要關(guān)注深部的電性結(jié)構(gòu)特征。圖7 給出了蘇尼特左旗—錦州剖面二維反演得到的深部電性結(jié)構(gòu)圖像、圖中的藍(lán)色表示相對高電阻率、紅色表示相對低電阻率。根據(jù)國際地學(xué)斷面內(nèi)蒙古東烏珠穆沁旗—遼寧東溝的深部探測結(jié)果(盧造勛等、1993)、我們在圖7 中也給出了該區(qū)的莫霍面深度、另外沿剖面的地形變化也添加在圖中。結(jié)合該區(qū)域的地質(zhì)與地球物理研究成果、下文對深部電性結(jié)構(gòu)特征進(jìn)行了解譯。

圖7　二維反演電性結(jié)構(gòu)模型Fig. 7　Electrical resistivity structure model derived by 2D inversion.

構(gòu)造區(qū)電性特征：總體上看、剖面所穿過的各個(gè)構(gòu)造單元、電性結(jié)構(gòu)特征差異明顯、二維電性結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)出橫向分塊特征、沿剖面從西北至東南以F2、F4為分界線大致可分為3個(gè)電性區(qū)域。

(1)賀根山雜巖帶與寶力道弧為第1電性區(qū)、該區(qū)主要是由古生代蛇綠巖、火山巖、變質(zhì)巖和硅質(zhì)巖等組成的混雜巖帶(程三友等、2013)；從本次MT二維反演結(jié)構(gòu)上看、整個(gè)區(qū)域電阻率相對較高、自淺層到約35km深度為厚的高阻體(HRB)、高阻體下方為低阻層、該低阻層表現(xiàn)為橫向不均勻性、北部電阻率值高于南部、這些特征與該區(qū)域早期的電磁探測結(jié)果一致(盧造勛等、1993)。

(2)索倫-林西縫合帶與溫都爾廟雜巖帶為第2電性區(qū)、該區(qū)夾于錫林浩特?cái)嗔?F2)與西拉木倫河斷裂(F4)之間、電性結(jié)構(gòu)上整個(gè)區(qū)域表現(xiàn)為低電阻率特征、索倫-林西縫合帶下方的電阻率尤為低。索倫-林西縫合帶被許多地質(zhì)學(xué)家認(rèn)為代表了西伯利亞板塊與華北板塊之間的古亞洲洋閉合的位置、古生代期間、古亞洲洋向華北板塊和西伯利亞板塊的持續(xù)俯沖、在南北兩側(cè)形成了一系列的俯沖增生體；到晚二疊世、洋殼的俯沖基本結(jié)束、華北板塊和西伯利亞板塊在此碰撞拼合(陳斌等、2001；Xiaoetal.、2003; Windleyetal.、2007)、中生代該區(qū)構(gòu)造環(huán)境由擠壓環(huán)境轉(zhuǎn)變成了伸展拉張環(huán)境、巖漿活動(dòng)劇烈頻繁、如此大規(guī)模的低阻體可能與巖漿活動(dòng)有關(guān)、深大斷裂的存在為熔融物質(zhì)的上涌提供了有利條件。因此、圖7 中的大規(guī)模低阻帶C1很可能與深部巖漿活動(dòng)有關(guān)。

(3)白乃廟弧、內(nèi)蒙地軸、燕山造山帶與遼河坳陷構(gòu)成了第3電性區(qū)、該區(qū)整體上表現(xiàn)為高電阻特征、整個(gè)上地殼由相對高阻層(HRL)覆蓋、但在中下地殼深度、也發(fā)育著零星的高導(dǎo)體、如在白乃廟弧下15～20km深度的高導(dǎo)體(C2)、內(nèi)蒙地軸下20～45km深度的高導(dǎo)體(C3)。白乃廟弧是由鈣堿性拉斑玄武巖、石英質(zhì)火山巖、堿性玄武巖、火山角礫巖、集塊巖、花崗閃長巖、花崗巖等組成、被認(rèn)為是古亞洲洋向S俯沖的大陸邊緣(Xiaoetal.、2003)、中上地殼電性結(jié)構(gòu)的高阻層應(yīng)該為地表大面積花崗巖的深部反映、該區(qū)域的地殼速度結(jié)構(gòu)研究也發(fā)現(xiàn)上地殼高速體的存在(李文輝等、2014)、這與我們的結(jié)果具有對應(yīng)關(guān)系。考慮到古亞洲洋的俯沖及后期板塊的碰撞造山伸展作用、白乃弧下的高導(dǎo)體C2很可能是地下流體與部分熔融共同作用的結(jié)果。內(nèi)蒙地軸是華北克拉通最北邊的近EW向的構(gòu)造單元、在電性結(jié)構(gòu)中、表層至20km深度為厚的高阻層、20km深度以下(C3)表現(xiàn)為上地幔局部隆起特征、在S波速度結(jié)構(gòu)中、內(nèi)蒙地軸也呈現(xiàn)上地幔局部隆起特征(Tangetal.、2008)；中上地殼的高阻層可能與內(nèi)蒙地軸的早前寒武結(jié)晶基底有關(guān)、而下地殼至上地幔的高導(dǎo)體可能與晚石炭世—早侏羅世內(nèi)蒙地軸經(jīng)歷了較大規(guī)模的巖漿活動(dòng)有關(guān)。

斷裂帶電性特征：從圖7 可以看出、剖面經(jīng)過的主要斷裂帶有錫林浩特?cái)嗔?F2)、林西斷裂(F3)、西拉木倫斷裂(F4)、赤峰-開源斷裂(F5)和凌源-北票斷裂(F6)、在電性結(jié)構(gòu)上均表現(xiàn)為明顯的電性邊界或電性過渡帶。F2為寶力道弧與索倫-林西-縫合帶的邊界、兩側(cè)電性差異明顯、西北側(cè)表現(xiàn)為高阻、東南側(cè)表現(xiàn)為低阻、深部可延伸到上地幔頂部、屬于巖石圈深大斷裂、總體表現(xiàn)為向NW傾。F3從淺至深近直立發(fā)育、電性上表現(xiàn)為約20km寬的過渡帶、電阻相對較高、而兩側(cè)均為低阻體。F4被認(rèn)為是1條EW走向規(guī)模較大的壓性巖石圈深大斷裂、在地球物理場上表現(xiàn)為EW向延伸的重力和磁場異常帶(張振法等、2001)；從電性結(jié)構(gòu)上看、該斷裂兩側(cè)電性差異明顯、深部可延伸至巖石圈、向SE傾、這一特征與早期的電磁探測結(jié)果是一致的(白登海等、1993；盧造勛等、1993)。F5在地學(xué)界被認(rèn)為是北部增生帶與南北克拉通的分界線、電性上也表現(xiàn)為此特征。 斷裂北側(cè)的地殼電阻率結(jié)構(gòu)變化起伏、符合造山帶的特征；而斷裂南側(cè)的地殼電阻率結(jié)構(gòu)變化相對平穩(wěn)、符合穩(wěn)定克拉通的特征。F6兩側(cè)深部電性差異也明顯、北部的內(nèi)蒙地軸深部表現(xiàn)為高導(dǎo)的局部隆起、而南部的燕山造山帶表現(xiàn)為厚的高阻體。F1與F7在淺部兩側(cè)電性差異明顯、而在深部兩側(cè)電性幾乎無差異、正如前文所述、數(shù)據(jù)點(diǎn)距較大、對淺部構(gòu)造的分辨能力較低、因此在此不對F1與F2的空間展布進(jìn)行討論。

5　討論

前文已對剖面經(jīng)過的各構(gòu)造區(qū)及深大斷裂帶的電性特征進(jìn)行了詳細(xì)的分析、下文結(jié)合該剖面的電性結(jié)構(gòu)特征、對研究區(qū)中幾個(gè)重要的構(gòu)造問題進(jìn)行討論。

(1)西伯利亞板塊與華北板塊的最終縫合位置。關(guān)于西伯利亞板塊與華北板塊縫合的位置、在地學(xué)界一直存在爭議、地質(zhì)學(xué)家們依據(jù)蛇綠巖出露的位置、劃出了4條縫合帶：賀根山縫合帶、蘇尼特左旗-錫林浩特縫合帶、索倫-林西縫合帶、溫都爾廟-西拉木倫縫合帶(韓國卿等、2011)；但目前多數(shù)中外學(xué)者(Seng?retal.、1993；Xuetal.、1997；Xiaoetal.、2003；Chenetal.、2009)認(rèn)為、2板塊最終的縫合位置在索倫-林西縫合帶、而時(shí)間為晚二疊世。從本文給出的二維電阻率模型上看、中亞造山帶的索倫-林西縫合帶與溫都廟雜巖帶區(qū)整個(gè)地殼屬于高導(dǎo)異常區(qū)、電阻值明顯低于周圍的地塊、并且地塊邊界斷裂F2與F4都屬于巖石圈深大斷裂、F2向NW傾、F4向SE傾、這可能標(biāo)志著該區(qū)域曾是古板塊的俯沖帶、分別經(jīng)歷過向N與向S的2次俯沖(Miaoetal.、2007)。 古亞洲洋閉合之后、該區(qū)進(jìn)入陸內(nèi)造山作用、構(gòu)造運(yùn)動(dòng)最為強(qiáng)烈、伴隨著劇烈的巖漿活動(dòng)(Windleyetal.、2007)、同時(shí)深大斷裂為熱液物質(zhì)的上移提供了通道、形成了大規(guī)模的高導(dǎo)異常體。通過以上的分析、我們推測西伯利亞板塊與華北板塊的最終縫合位置應(yīng)該是1個(gè)寬約上百km的帶、位于錫林浩特?cái)嗔?F2)與西拉木倫河斷裂(F4)之間的區(qū)域。

(2)中亞造山帶與華北克拉通的深部構(gòu)造關(guān)系。大量的巖石學(xué)、地球化學(xué)和地球物理觀察結(jié)果顯示、華北克拉通東部在中生代晚期至新生代經(jīng)歷了廣泛的巖漿活動(dòng)、顯著的構(gòu)造伸展、巖石圈厚度明顯減薄并伴隨著巖石圈地幔性質(zhì)的改變(陳凌等、2010b；朱日祥等、2012)。關(guān)于導(dǎo)致華北克拉通破壞的動(dòng)力學(xué)原因一直有不同的觀點(diǎn)、發(fā)生在華北克拉通及周邊的構(gòu)造事件、如石炭紀(jì)古亞洲洋向S俯沖、三疊紀(jì)揚(yáng)子板塊與華北板塊的碰撞、中生代—新生代太平洋板塊俯沖。 此外、岡瓦那超大陸裂解、地幔柱作用、印度板塊與歐亞大陸的碰撞、均被列入可能的原因(朱日祥等、2009)。中亞造山帶南接華北板塊、討論它們之間的深部構(gòu)造關(guān)系、對于認(rèn)識(shí)中亞造山帶的構(gòu)造演化在華北克拉通破壞中所起的作用具有重要意義。從二維深部電性結(jié)構(gòu)上看、中亞造山帶與華北克拉通的邊界帶深部主要表現(xiàn)為高阻區(qū)、僅僅在華北克拉通的內(nèi)蒙地軸存在局部高導(dǎo)異常體(C3)、該異?？赡苁怯芍衼喸焐綆c華北克拉通深部地質(zhì)作用引起的上地幔熱物質(zhì)上涌造成的、但南部的燕山造山帶具有較深的高阻體、它可能會(huì)起到構(gòu)造屏障的作用、使克拉通內(nèi)外上地幔頂部具有不同的對流模式、從而會(huì)減弱中亞造山帶與華北板塊深部地質(zhì)作用對華北克拉通東部破壞的影響、因此、我們認(rèn)為中亞造山帶的構(gòu)造演化對破壞華北克拉通的穩(wěn)定性產(chǎn)生了一定的影響、但它不是華北克拉通破壞的主要?jiǎng)恿W(xué)因素。

6　結(jié)論

本文對通過華北克拉通東北邊界帶的內(nèi)蒙古蘇尼特左旗—遼寧錦州的大地電磁測深剖面數(shù)據(jù)進(jìn)行了詳細(xì)的處理分析和二維反演、獲得了沿剖面的深部電性結(jié)構(gòu)。經(jīng)過對深部電性結(jié)構(gòu)特征的分析與討論、我們可以得到以下幾點(diǎn)認(rèn)識(shí)：

(1)縱觀整個(gè)電性剖面、呈現(xiàn)為橫向分塊的特征、沿剖面從西北到東南大致可以分為3個(gè)電性區(qū)、表現(xiàn)為高阻—低阻—高阻的變化。中亞造山帶各構(gòu)造單元電性結(jié)構(gòu)的橫向變化比較復(fù)雜、反映了該區(qū)經(jīng)歷了復(fù)雜的板塊俯沖—匯集—碰撞地質(zhì)演化的深部過程、而南部的華北板塊內(nèi)深部電性結(jié)構(gòu)的橫向變化相對平緩、表現(xiàn)為穩(wěn)定的克拉通特征。

(2)錫林浩特?cái)嗔?F2)與西拉木倫河斷裂(F4)之間寬約100km的區(qū)域可能為西伯利亞板塊與華北板塊最終縫合的位置?？p合帶位置具備殼、幔源物質(zhì)向上運(yùn)移的通道、其控制的次級斷裂為成礦物質(zhì)的積聚提供了良好的環(huán)境、因此、該區(qū)域具有深部找礦的遠(yuǎn)景。

(3)中亞造山帶的構(gòu)造演化會(huì)對華北克拉通的穩(wěn)定性產(chǎn)生影響、但與太平洋板塊的W向俯沖相比、它不是華北克拉通破壞的主要?jiǎng)恿W(xué)因素。

盡管我們給出了研究區(qū)的深部電性結(jié)構(gòu)、并對該區(qū)的重要構(gòu)造問題提出了看法、但一方面由于測點(diǎn)分布較稀疏、我們對淺部構(gòu)造的約束有限、另一方面、一些地區(qū)的結(jié)構(gòu)具有三維性、二維反演結(jié)果只能近似地反映地下深部的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、而全面詳實(shí)地了解地下結(jié)構(gòu)信息、對研究該區(qū)的構(gòu)造演化和成礦作用具有十分重要的意義、因此、今后在此加密測點(diǎn)以及進(jìn)行三維觀測是非常有必要的。

致謝感謝江漢石油管理局物探公司在數(shù)據(jù)采集工作中給予的幫助、以及內(nèi)蒙古自治區(qū)地震局與遼寧省地震局對研究工作的支持。

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Xu B、Charvet J、Chen Y、etal. 2013. Middle Paleozoic convergent orogenic belts in western Inner Mongolia(China): Framework、kinematics、geochronology and implications for tectonic evolution of the Central Asian Orogenic Belt [J]. Gondwana Research、23(4): 1342—1364.

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Abstract

Magnetotelluric data are collected along a NW-SE trending and about 900km long profile within northeastern boundary areas of the North China craton(NCC). This profile extends from the Hegenshan belt within the Central Asian orogenic belt(CAOB)、across the Baolidao arc、Solonker-Linxi suture zone、Ondor Sum accretion complex、Bainaimiao arc、Inner Mongolia paleo-uplift、Yanshan belt、and ends on the Liaohe depression of the NCC. Impedance tensor decomposition methods are used to study the dimensionality and geo-electric strike of MT data of the region. Two-dimension (2D) analysis is appropriate for this profile. The 2-D subsurface electrical resistivity structure along profile is obtained using the non-linear conjugate gradient (NLCG) algorithm. The electrical resistivity structure is characterized by lateral segmentation、and divided into high resistive、low resistive、and high resistive areas; The lateral variation of electrical resistivity is significant within the CAOB、but it is smooth in the NCC; The extensive high conductive body(HRB)is observed in the mid-low crust beneath the Solonker-Linxi suture zone and Inner Mongolia paleo-uplift、respectively; The low resistivity could be due to the partial melts and crustal flows. Based on our electrical resistivity structure and other geological、geophysical observations、we speculate that (1)the final suturing of the Siberian craton to the NCC could be along the areas between Xilinhot Fault and Xar Moron Fault; (2)the relatively thick high resistive body beneath the Yanshan belt may serve as a tectonic barrier separating the on-craton and off-craton regions into different upper mantle convection system、and lower the effect of tectonic evolution of CAOB on the destruction to NCC.

DEEP ELECTRIC STRUCTURE BENEATH NORTHEASTERN BOUNDARY AREAS OF THE NORTH CHINA CRATON

DONG Ze-yi1)TANG Ji1)CHEN Xiao-bin1)WANG Li-feng1)WANG Ji-jun1)MENG Bu-zai2)BAI Yun2)

1)InstituteofGeology、ChinaEarthquakeAdministration、Beijing100029、China2)EarthquakeAdministrationofLiaoningProvince、Shenyang110031、China

Central Asian orogenic belt、North China craton、magnetotelluric、deep electric structure

10.3969/j.issn.0253-4967.2016.01.008

2014-11-25收稿、2016-01-08改回。

國家自然科學(xué)基金(40974041)資助。

湯吉，研究員，E-mail: tangji@ies.ac.cn。

P315.72+2

A

0253-4967(2016)01-0107-14

董澤義、男、1984年生、2015年在中國地震局地質(zhì)研究所獲博士學(xué)位、助理研究員、主要從事大地電磁測深法深部結(jié)構(gòu)探測及動(dòng)力學(xué)研究、E-mail: dongzy09@gmail.com。