中亚造山带东段岩石圈电性结构特征及其构造涵义_李波.pdf
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1、第 37 卷第 1 期2023 年 2 月现代地质GEOSCIENCEVol.37No.1Feb.,2023DOI:10.19657/j.geoscience.1000 8527.2022.069中亚造山带东段岩石圈电性结构特征及其构造涵义李波1,金胜2,叶高峰2,魏文博2(1.中陕核工业集团有限公司,陕西 西安710100;2.中国地质大学(北京)地球物理与信息技术学院,北京100083)收稿日期:2022-03-20;改回日期:2022-10-10。基金项目:中国地质调查局项目“中蒙边境东段综合地球物理调查”(资 2010矿评 01 2101);科技部国家重点研发计划项目(2017YFC0
2、602304)。作者简介:李波,男,博士,1982 年出生,地球探测与信息技术专业,主要从事深部地球物理和应用地球物理方面的研究与生产工作。Email:61772046 。摘要:中亚造山带东段内蒙古中部地区一直是地球内部动力学和全球变化研究的热点地区。鉴于该地区的构造在理解中亚造山带的形成过程中起着重要作用,因此对该地区构造的研究具有重要意义。本文收集了中亚造山带东段一条长364 km 的大地电磁测深(MT)剖面数据,该剖面西北起于内蒙古东乌旗内的国境线附近,向东南延伸,穿过北部造山带、索伦缝合带、南部造山带,在内蒙古翁牛特旗以西约 30 km 附近终止。根据数据的分析结果,对该剖面进行了二维
3、反演。结果表明,剖面区段内岩石圈电性结构沿南北方向上整体表现为横向分块的特征。其中,北部造山带整体上以低阻为主要特征;索伦缝合带是整个剖面电性特征从低阻到高阻的过渡区;南部造山带整体上以高阻为主要特征。北部造山带的低阻特征表明该区域是不稳定的,可能是由古亚洲洋闭合后残留洋壳或者软流圈上升流引起的。索伦缝合带的电性结构特征表明该区域可能在缝合之后还发生了新的构造事件。南部造山带的高阻特征表明该区域基底是稳定的、“冷”的,且流体含量很低,电性结构的几何特征反映了该区域增厚的岩石圈。剖面所经过区域的电性结构特征表明,在西伯利亚板块与华北板块碰撞缝合之后研究区内可能还发生了诸如软流圈流体上升、岩石圈增
4、厚等新的构造事件。此外,该区域的电性结构特征符合缝合带的特点,这为中亚造山带东段构造演化的连续增生模型提供了新的深部地球物理证据。关键词:大地电磁测深;中亚造山带;索伦缝合带;构造演化中图分类号:P631.3文献标志码:A文章编号:1000 8527(2023)01 0015 16Lithospheric Electrical Structure of Eastern Segment of CentralAsian Orogenic Belt and Its Tectonic ImplicationsLI Bo1,JIN Sheng2,YE Gaofeng2,WEI Wenbo2(1.Sino
5、 Shaanxi Nuclear Industry Group,Xian,Shaanxi710100,China;2.School of Geophysics and Information Technology,China University of Geosciences,Beijing100083,China)Abstract:The eastern segment of the Central Asian Orogenic Belt(CAOB)in central Inner Mongolia has al-ways been a hot research field in the E
6、arths internal dynamics and global change Tectonic study in this regionis of great significance given its important role in understanding the CAOB formation A 364 km-long magneto-telluric sounding(MT)profile in the eastern CAOB is collected in this study The profile starts from the north-west near t
7、he national border in Dongwuqi of Inner Mongolia,and extends to the southeast through the NorthernOrogenic Belt(NOB),Solonker Suture Zone(SSZ)and Southern Orogenic Belt(SOB),and terminates about30 km west of Wengniuteqi of Inner Mongolia Based on the data analysis results,2D inversions were conducte
8、don the dataset esulting model shows that the electrical structure of the lithosphere along the profile is charac-terized by NS-trending transverse blocking The NOB is generally characterized by low resistivity;The SSZ isthe transition zone of the electrical characteristics of the whole section from
9、 low to high resistivity;The SOB ismainly characterized by high resistivity The low resistivity characteristics of NOB indicate that the region is un-stable,which may be caused by the residual oceanic crust or asthenospheric upwelling after the Paleo-AsianOcean closure The SSZ electrical structure i
10、ndicates that a new tectonic event may have occurred after the sutu-ring The high resistivity characteristics of the SOB indicate that the basement is stable and“cold”,and the flu-id content is very low,with the geometric characteristics of the electrical structure reflecting the thickened litho-sph
11、ere The regional electrical structure characteristics along the profile indicate that new tectonic events,suchas asthenospheric fluid ascent and lithospheric thickening,may have occurred after the collision between the Si-berian and North China Cratons In addition,the regional electrical structure i
12、s consistent with the suture zonecharacteristics,which provides new deep geophysical evidence for the continuous accretion model of tectonicevolution in the eastern CAOBKey words:magnetotellurics;Central Asian Orogenic Belt;Solonker suture zone;tectonic evolution0引言中亚造山带是全球显生宙陆壳增生与改造最显著的地区,经历了陆缘增生、后
13、碰撞和陆内造山作用三个阶段。带内分布有大量的蛇绿岩套、岛弧、增生楔及微地块1 9,使得该造山带在演化上存在着空间及时间的不均一性。在陆缘增生造山和后碰撞地壳垂向增生过程中,发生了强烈的壳幔相互作用,系统保存了亚欧大陆形成和演化的完整信息。中亚造山带作为增生型造山带的典型代表,是全球独特的地质、地理单元,同时也是地球内部动力学和全球变化研究的最佳天然实验室。中亚造山带的形成与古亚洲洋的俯冲闭合以及不同类型岩层的融合、分离过程关系密切。中亚造山带大陆地壳在增生和改造过程中,经历了多期次、多类型的壳幔作用。前人的研究成果里已经有很多关于中亚造山带的研究和解释,这些研究和解释可以归结为两类初始模型:一
14、类模型的观点是,在新元古代到古生代时期,造山带的生长从西伯利亚板块边缘向南发育穿过了岛弧的冲积层和元古宙陆块,最后终止于在晚古生代和早中生代与华北板块和塔里木板块的碰撞9 10。陆块原来的古地理位置仍然存在争议,但是一些研究指出冈瓦纳大陆亲和很多外来的陆块11 12,而其他的研究则认为西伯利亚和塔里木起源于同样的陆块;另一类观点是,中亚造山带作为一个巨大的古生代俯冲增生杂岩的主要组成部分,它是沿着一个单一的、长的岩浆弧积累形成的6。目前关于中亚造山带东段内蒙古中部的构造演化过程的主流看法是第一类模型的解释,但对于构造演化的局部细节如西伯利亚板块与华北板块碰撞的时间、缝合带位置、运动学和地球动力
15、学机制仍存在不同看法。过去对于上述争议问题的认识,主要来自于地表构造及岩石地球化学研究,但由于其采用的深部样品的分布具有局限性和不均匀性,大大制约了从整体上对上述问题的认识,因此亟待深部地球物理观测提供证据与约束。SinoProbe02 项目在内蒙古中部地区部署了北西南东走向的地震折射和广角反射剖面13 15,这些研究工作加深了对中亚造山带东段现今岩石圈深部结构特征的认识,为探讨中亚造山带东段的构造演化提供了丰富的地震波速结构资料。与地震法相比,通过电阻率成像的大地电磁测深(MT)法同样是一种研究地球深部构造的有效技术手段16 19,在很多方面可以与地震手段互补。MT 对即使是少量的含盐流体和
16、/或部分熔体,或晶界上的硫化物或石墨的存在反应非常敏感20,可以提供整个岩石圈的电阻率模型,约束岩石圈的组成,提供有关过去构造事件的信息。在“中蒙边境东段综合地球物理调查研究”项目的资助下,中国地质大学(北京)采用 MTU 5A 宽频大地电磁仪在内蒙古中部地区采集完成了一条长 364 km 的跨越中亚造山带东段的高分辨率 MT 剖面。密集的台站间距可实现比以往研究更高分辨率的电阻率成像,本文对采集的大地电磁测深数据进行了分析、反演与解释,获得了研究区的岩石圈二维电阻率模型,对深部电性结构特征进行分析,并根据此结果初步探讨了与中亚造山带东段构造演化相关的一些热点问题。61现代地质2023 年1区
17、域地质背景本次研究所采用的 MT 剖面(图1(b)和图2 中的红色圆点剖面)西北起于内蒙古自治区东乌珠穆沁旗内的国境线附近,向东南穿过北部造山带、索伦缝合带、南部造山带,延伸到达内蒙古自治区翁牛特旗以西约 30 km 附近,全长约 364 km。该地区包含许多由地质特征和历史以及地壳成分确定的构造要素。图 1研究区大地构造简图(修改自文献 13 14)Fig.1Tectonic subdivision of the study area(modified from refs.13 14)SC.西伯利亚板块;TC.塔里木板块;NCC.华北板块;IC.印度板块;SCC.华南板块;CAOB.中亚造山
18、带;红色圆点为宽频 MT 测点;CHSP.地震折射和广角反射剖面13,15;DMT 与 YMT 为 MT 剖面北部造山带是阿尔泰山脉的一部分,由与西伯利亚克拉通相连接的构造碎片组成,被认为反映了西伯利亚板块南部的增长21 23,由乌里雅斯太陆块、贺根山增生杂岩带、宝力道弧增生杂岩带三个构造单元组成(图 1(b)。索伦缝合带通常被认为是中亚造山带东段(图 1(a)内蒙古中部地区的最重要的构造元素,但其位置多年来一直是一个有争议的话题,Sengr 等 6 将该缝合带解释为分隔北部和南部造山带的缝合线(图1(b),Xiao 等 8 也将该区域称为二道井增生杂岩带。本文的 MT 剖面穿过该带的中段,该
19、中段被中生代地层覆盖,出露大量的二叠纪中生代花岗岩(图2)。林西附近还出露有蛇绿岩 14,是该区域存在俯冲带的有力证据。南部造山带 24 由华北板块北缘古生代北部活动边缘的位移碎片组成,被认为反映了华北板块北缘古生代的生长,由位于赤峰断裂北侧的白乃庙弧和温都尔庙俯冲 增生杂岩带两个构造单元组成,这两个构造单元被西拉木伦断裂带 8 隔开(图1(b)。目前的普遍看法是,北部造山带与南部造山带代表古生代不同极性的同时代俯冲 增生杂岩,通常认为索伦缝合带是两个造山带之间最终碰撞的标志14,25 28。2研究方法2.1数据的采集与处理此次 MT 研究剖面共计包含 116 个宽频测点,71第 1 期李波等
20、:中亚造山带东段岩石圈电性结构特征及其构造涵义图 2研究区地质简图(修改自文献 13;二连盆地资料引自文献 16)Fig.2Geological map of the study area(modified from ref.13;data of Erlian Basin from ref.16)点距 2.5 5 km,宽频测点的点距通常为 5 km,构造关键部位点距加密至 2.5 km,野外实际工作中考虑地形、交通条件和干扰水平等因素,测点间距非严格 5 km,宽频测点所采集的周期范围是0.003 3000 s。所有宽频 MT 测点均采集了两个相互正交的水平电场分量 Ex、Ey和三个磁场分量
21、Hx、Hy、Hz。以野外观测得到的 MT 数据为基础,通过对 MT 数据进行数据处理、数据分析和建模反演,即可获得 MT 剖面沿线区域地下介质的岩石圈电性结构特征信息,从而为研究区域内地下介质的岩石圈电性结构特征和对应的构造涵义提供深部地球物理证据。图 3 是 MT 剖面所经过的主要大地构造单元内典型 MT 测点的视电阻率和阻抗相位响应曲线,从图中可以看出曲线连续性良好,没有近源干扰现象,数据质量可靠。2.2数据分析在利用 MT 数据进行反演获得电阻率模型之前,需要分析数据的维数来确定反演方法(一维、二维或三维反演),此次研究利用了阻抗张量分解和相位张量分析确定了研究区维性特征与区域构造走向。
22、相位张量分析29 用于分析地下空间的维数。相位张量分析的最大优点是不受局部电场畸变的影响,结果可以用椭圆图形表示(图 4)。通常情况下,椭圆长轴和短轴的长度越接近表明地下介质的一维性越好,在理想的一维情况下,椭圆就变成了圆形。是椭圆长轴方向与区域构造走向方向之间的夹角,定义为相位张量的二维偏离度。的值越大,表示大地电磁测深数据的三维性越强;当 的值为零时,即椭圆长轴与虚线重合时,地下介质为理想的二维情况。通常认为二维偏离度 的值小于 5时,地下介质可近似地看作是二维的。由图 5 可知,在 0.01 s 时,MT 剖面所经过区域地下介质的相位张量二维偏离度几乎均小于 5,沿剖面区域整体具有良好的
23、二维性质。在 0.1 s时,沿剖面大部分区域的相位张量二维偏离度小于 5,仅在索伦缝合带的局部区域表现出一定的三维性质,整体表现出较好的二维性质。在 1 s时,沿剖面大部分区域的相位张量二维偏离度大于 5,仅在贺根山增生杂岩带和温都尔庙俯冲 增生杂岩带局部区域的相位张量二维偏离度小于5,整体表现出一定的三维性质。在 10 s 时,沿剖面大部分区域的相位张量二维偏离度大于 5,贺根山增生杂岩带的相位张量二维偏离度小于 5,整体表现出一定的三维性质。在 100 s 时,沿剖面的乌里雅斯太陆块和贺根山增生杂岩带部分区域的相位张量二维偏离度大于 5,其余区域的相位张量二维偏离度小于 5,整体上沿剖面北
24、部区域表现出一定三维性质,南部区域表现出较好的二维性质。在 1000 s 时,沿剖面的乌里雅斯太陆块和贺根山增生杂岩带部分区域的相位张量二维偏离度大于 5,其余区域的相位张量二维偏离度小于 5,整体上沿剖面北部区域表现出一定的三维性质,南部区域表现出较好的二维性质。根据以上的分析可知,剖面所经过区域整体具有较好的二维性质,在深部区域有较明显的三维异常体存在。研究区总体上可以看作是一个二维结构,该特征为本文 MT 资料的二维反演工作奠定了基础。在对 MT 剖面进行二维反演计算之前,还需要进一步的确定该剖面所经过区域地下介质的电性主轴方向,然后把 MT 数据旋转到这一特定的电性主轴上,才可以将 M
25、T 数据分解成两组相互独立的极化模式(TM 和 TE),进一步通过二维反演才能够获得更加准确可靠的地下介质的电性结构特征模型。本 文 使 用 多 点 多 频 段 阻 抗 张 量 分 解 手段30,获得了 MT 剖面经过的区域内全部测点的81现代地质2023 年图 3典型 MT 测点测深曲线Fig.3Examples of MT sounding curves数据已旋转至构造走向 N45E:(a)3272 点,位于乌里雅斯太陆块;(b)3327 点,位于贺根山增生杂岩带;(c)3405 点,位于宝力道弧增生杂岩带;(d)3470 点,位于索伦缝合带;(e)3519 点,位于温都尔庙俯冲 增生杂岩
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