穿越岡底斯地體的寬頻地震探測(cè)研究

薛光琦, 吳珍漢, 趙文津, 宿和平, 史大年, 錢 輝

1)中國地質(zhì)科學(xué)院礦產(chǎn)資源研究所, 北京 100037;

2)中國地質(zhì)科學(xué)院, 北京 100037; 3)中國地質(zhì)科學(xué)院地質(zhì)研究所, 北京 100037

青藏高原是大約60 Ma以來印度次大陸與歐亞大陸直接碰撞形成的, 是研究大陸碰撞過程和發(fā)展板塊構(gòu)造理論的最佳場(chǎng)所。岡底斯(GDS)構(gòu)造帶位于印度次大陸與歐亞大陸碰撞的前沿地帶, 對(duì)岡底斯地體的探測(cè)結(jié)果將直接影響到對(duì)大陸碰撞過程和整個(gè)青藏高原地殼變形過程的認(rèn)識(shí)。本次穿越岡底斯地體的寬頻地震深部探測(cè)剖面北端始于那曲地區(qū)聶榮縣桑榮鄉(xiāng), 位于班公怒江斷裂帶北側(cè), 向南穿越了崩錯(cuò)—嘉黎斷裂帶、岡底斯地體、雅魯藏布縫合線, 并跨過了藏南拆離斷層系(STD), 終止于喜馬拉雅山脈南坡錯(cuò)那縣的浪波鄉(xiāng)。該剖面經(jīng)過了藏南若干條重大的構(gòu)造斷裂帶以及岡底斯成礦區(qū)帶, 是當(dāng)今國際地球科學(xué)領(lǐng)域在高原隆升及深部成礦問題的熱點(diǎn)研究地區(qū)之一。

1992年, 中法合作在青藏高原的拉薩、日喀則、麻江以北布設(shè)了 51個(gè)地震臺(tái)站, 為研究高原的隆升獲得了可貴的寬頻地震信息。遺憾的是由于觀察時(shí)間短, 數(shù)據(jù)量比較少。自1992年至2001年在西藏開展的 INDEPTH項(xiàng)目, 用多種技術(shù)方法、多國合作的方式, 在喜馬拉雅造山作用、雅魯藏布江縫合帶的結(jié)構(gòu)構(gòu)造等關(guān)鍵問題上獲得了大量科學(xué)研究成果; 此外, 還有中美合作的 HICLIMB項(xiàng)目及中國地質(zhì)科學(xué)院(高銳等, 2009)、中國科學(xué)院、地震局、PASSCAL等單位都曾在西藏地區(qū)布設(shè)了大量的寬頻地震臺(tái)陣, 致力于認(rèn)識(shí)青藏高原形成和演化過程等問題。

在研究前人成果的基礎(chǔ)上, 中國地質(zhì)科學(xué)院于2011年9月至2012年9月在那曲地區(qū)聶榮縣桑榮鄉(xiāng)—錯(cuò)那縣的浪波鄉(xiāng)沿線布設(shè)了 50臺(tái)寬頻地震儀器, 剖面長(zhǎng)度約為500 km, 且跨越岡底斯地體關(guān)鍵成礦地段。本文依據(jù)地震層析成像結(jié)果, 僅就沿剖面位置區(qū)間的深部構(gòu)造進(jìn)行討論, 為研究該區(qū)成礦作用深部構(gòu)造、巖漿活動(dòng)的動(dòng)力學(xué)背景和過程提供信息。

地震探測(cè)剖面自那曲地區(qū)的聶榮縣, 至山南地區(qū)的錯(cuò)那縣, 全長(zhǎng)約為500 km, 跨過了數(shù)個(gè)構(gòu)造單元(圖1)。剖面北端位于班公怒江斷裂帶北緣, 向南穿越了聶榮微地塊、崩錯(cuò)—嘉黎斷裂帶、雅魯藏布縫合線、藏南拆離斷層系(STD)等; 自北而南經(jīng)過了岡底斯地體、特提斯喜馬拉雅、高喜馬拉雅, 各個(gè)地體都是以斷裂帶或縫合線為界, 且構(gòu)造線走向基本呈東西向。這些地體和構(gòu)造帶的形成時(shí)代有由北向南漸新的趨勢(shì), 而且都可以和高原東、西部的主要構(gòu)造帶相連接。

圖1 GDS地區(qū)地質(zhì)構(gòu)造簡(jiǎn)圖Fig.1 Geological and tectonic sketch map of GDS area

1 地震層析反演

1.1 資料及模型

此次野外施工使用了50臺(tái)頻帶寬度為60 s的GURALP三分量地震儀器, 記錄到的體波震相清晰。用于遠(yuǎn)震層析反演的大于5.0級(jí)的P+PKP震相,地震事件共1001次, 射線為24807條?？紤]到線性臺(tái)站布設(shè)的方式, 本文的反演技術(shù)采用了 ACH遠(yuǎn)震地震層析方法(薛光琦等, 2011)。這種由相對(duì)走時(shí)殘差反演臺(tái)站下方速度結(jié)構(gòu)的方法首先由Aki等人提出(稱為ACH法)。最簡(jiǎn)單且常用的參數(shù)化方法是將研究區(qū)沿垂向分為若干水平層, 每層給定一平均速度Vio, 然后再將每層劃分為若干個(gè)矩形塊, 每一塊的速度擾動(dòng)由觀測(cè)到的遠(yuǎn)震P波走時(shí)殘差δt求出,用數(shù)學(xué)公式表示, 對(duì)某一條射線, 穿過模型的走時(shí)殘差可由下式表示:

式中Vio為模型的參考速度,δV/Vio為相對(duì)于模型參考速度的速度擾動(dòng)。上述積分方程經(jīng)模型參數(shù)化后可劃為線性方程組, 求解如下:

d為相對(duì)走時(shí)殘差向量,A為射線穿過每一塊的理論走時(shí)矩陣,m為所求的未知速度擾動(dòng)向量。利用隨機(jī)逆對(duì)上述問題求解可得:

θ為阻尼系數(shù), 它由數(shù)據(jù)和模型的方差決定,m即為所求的每個(gè)塊體相對(duì)平均速度的擾動(dòng)。理論上講, 臺(tái)站下方橫向速度變化的確定要求有大量來自不同方向和震中距的射線。所有的臺(tái)站幾乎呈直線分布(近南北), 而且地震射線大多數(shù)來自北東和南東兩個(gè)方向, 這必然造成東西向射線稀少。為保證每個(gè)模型塊都有足夠的射線數(shù), 使解更為可靠, 假定模型為二維模型, 即東西向速度均勻, 這種假設(shè)對(duì)該地區(qū)是合理的, 因?yàn)樵摰貐^(qū)的構(gòu)造主體是東西走向。ACH方法是地震層析成像反演中比較有效的方法之一, 由于射線的轉(zhuǎn)折點(diǎn)在模型之外, 所以初始模型的建立對(duì)反演結(jié)果的影響很小。但是ACH方法的不足是對(duì)數(shù)據(jù)的要求比較嚴(yán)格, 個(gè)別誤差較大的數(shù)據(jù)會(huì)影響計(jì)算效果; 再有就是模型塊體的劃分也對(duì)反演結(jié)果有影響。所以,一是嚴(yán)格進(jìn)行數(shù)據(jù)檢查, 刪除反演中誤差較大的數(shù)據(jù); 還要合理的配置模型塊體垂直、水平尺寸。本次研究參考前人在該區(qū)的研究成果, 模型的建立采用了7層結(jié)構(gòu), 由于地震波到時(shí)挑選的精確度高, 模型選擇合理, 所以反演前的走時(shí)殘差方差為 0.1448, 反演后的方差為 0.01199, 層析反演數(shù)據(jù)的改進(jìn)值為92.3%。

1.2 速度結(jié)構(gòu)特征

1.2.1 區(qū)域性速度分布特征

圖 2 為 27°—33°N 及 90.5°—94°E 區(qū)間不同深度的地震層析相對(duì)速度擾動(dòng)圖像。速度擾動(dòng)值如色標(biāo)所示, 冷色為高速, 暖色表示低速。圖 2a為 20—70 km深度的層析圖, 反映了中下地殼的速度分布特征。自北向南, 班公怒江斷裂帶至嘉黎斷裂帶之間的岡底斯地體北部以高速擾動(dòng)分布為主; 在嘉黎斷裂至雅魯藏布縫合線之間的岡底斯地體南部則是被大面積的低速擾動(dòng)覆蓋。在這片低速擾動(dòng)區(qū)帶中, 有很多的熱泉分布, 像羊八井、德仲、日多溫泉等等, 這與 INDEPTH-2多方法調(diào)查發(fā)現(xiàn)在岡底斯帶殼內(nèi)有一個(gè)大的部分熔融層位置相當(dāng)。據(jù)研究認(rèn)為, 該熔融層生成機(jī)制主要是由于殼內(nèi)發(fā)生的多個(gè)大型推覆構(gòu)造磨擦生熱及殼內(nèi)放射性元素產(chǎn)生的熱所造成的(趙文津等, 2004)。但該熔融層仍不能證明青藏高原中下地殼存在著廣泛的物質(zhì)流動(dòng)。除了熱泉, 還有大量的地震在該區(qū)發(fā)生過, 所以這是一個(gè)構(gòu)造運(yùn)動(dòng)相當(dāng)劇烈的活動(dòng)地塊。另外, 甲瑪斑巖銅礦成礦帶位于高低速度擾動(dòng)的交界位置, 即構(gòu)造的變化地帶。雅江縫合線以南的低速擾動(dòng)一直到達(dá)藏南滑脫層(STD)。

70—130 km深度的速度分布(圖2b)反映了下地殼上地幔的速度結(jié)構(gòu), 剖面北部的班公怒江斷裂至那曲比如逆沖斷裂之間的聶榮微地塊仍為高速擾動(dòng)體覆蓋; 嘉黎斷裂以北分布著低速塊體, 斷裂以南是零散的、較弱的高速擾動(dòng)體; 甲瑪斑巖銅礦附近的地震臺(tái)站位于弱強(qiáng)度的高低速擾動(dòng)體交界部位邊緣。岡底斯地體的南端分布的低速擾動(dòng)體穿越雅魯藏布縫合線直至喜瑪拉雅山南麓, 跨越STD的剖面南端位于較強(qiáng)的高速擾動(dòng)體中, 而且該高速體的范圍在向北發(fā)展擴(kuò)大。

圖2 地震體波層析結(jié)果水平切片圖Fig.2 Horizontal layers of the body wave in the tomography mapping

在這層深度上, 岡底斯地體的速度擾動(dòng)分布較為復(fù)雜, 呈現(xiàn)高速、低速、高速的結(jié)構(gòu)?？煞窭斫鉃槌霈F(xiàn)在藏南的部分熔融層只局限在地殼內(nèi), 印度板塊俯沖產(chǎn)生的劇烈的構(gòu)造活動(dòng)對(duì)高原隆升的影響在地殼內(nèi)產(chǎn)生的構(gòu)造變形更大些。另外, 剖面南部高速體向北的擴(kuò)張可以解讀為印度地體的巖石圈在向北俯沖。

130—210 m深度的速度圖(圖2c)表現(xiàn)出在地幔深度上班公怒江斷裂帶以北的唐古拉山一帶為高速擾動(dòng)體覆蓋, 聶榮微地塊內(nèi)則是以低速為主, 那曲以南有一局部高速擾動(dòng)體; 地幔中的低速體集中分布在岡底斯地體的中部, 即嘉黎斷裂兩側(cè); 剖面向南穿過了雅魯藏布縫合線和STD, 該地段為高速擾動(dòng)帶。

可以看到剖面穿過的地帶在這層深度中除了嘉黎斷裂兩側(cè)(恰好進(jìn)入念青唐古拉山系地段)依舊保持低速度(較熱)外, 其余地段都已進(jìn)入高速的(較冷)地幔了。剖面南部越過雅魯藏布江的高速擾動(dòng)塊體,表現(xiàn)出印度地體巖石圈繼續(xù)保持向北俯沖的趨勢(shì)。

1.2.2斷面的速度分布特征

在0—100 km深度, 沿剖面(圖3)自北向南首先經(jīng)過的是岡底斯地體, 在班公怒江斷裂帶至雅魯藏布江之間300余km的地段, 其下方對(duì)應(yīng)著大面積的低速擾動(dòng)體, 在嘉黎斷裂一帶厚度可達(dá) 70 km;據(jù)研究表明, 在岡底斯基巖的北緣有一系列自北向南逆沖推覆構(gòu)造(Wu et al., 2013), 這與印度大陸北向俯沖密切相關(guān), 同時(shí)也導(dǎo)致了很多熱泉的出現(xiàn)和局部熔融的產(chǎn)生(Nelson et al., 1996)。大約在甲瑪?shù)貐^(qū), 近地表的低速擾動(dòng)體延深至 200 km之下。關(guān)于甲瑪大型斑巖銅礦大量銅金屬的來源有觀點(diǎn)認(rèn)為是地幔熱物質(zhì)帶上來的, 還有的認(rèn)為是從上升的下地殼萃取的。據(jù)本次層析結(jié)構(gòu)所描繪出的速度結(jié)構(gòu)分布狀況分析, 基本支持前者的推論, 因?yàn)樵搮^(qū)位于高低速擾動(dòng)的邊緣, 也就是構(gòu)造變化較劇烈的地段, 所受到的板塊碰撞擠壓的程度超強(qiáng), 而且這條低速擾動(dòng)帶與幔源物質(zhì)相連(Liang et al., 2012),很像一條殼幔間熱物質(zhì)傳遞的通道。據(jù)吳珍漢等(2009)在《青藏高原新生代構(gòu)造演化與隆升過程》一書中所給出的推論, 在印度地塊與歐亞地塊持續(xù)擠壓作用下, 上熔融層的花崗質(zhì)物質(zhì)分3個(gè)階段侵入、剝蝕而出露地表, 帶來成礦物質(zhì), 形成巨大的斑巖銅礦, 這是大陸碰撞擠壓條件下巖漿上侵的成礦模式, 也為拉薩地塊中新世早中期大型斑巖銅礦成礦提供了較為合理的構(gòu)造解釋。

圖3 體波層析沿剖面斷面圖Fig.3 Body wave topography along the profile

圖4 沿剖面的PKP殘差曲線Fig.4 PKP residual mapping along the profile

這層深度上的雅江以南低速體分部零星, 有高速體穿過了 STD, 覆蓋了高喜馬拉雅和特提斯喜馬拉雅地體。這條高速帶自地表緩緩地向北延深, 直至被甲瑪下方的低速體隔斷。該高速體可以視為印度地塊向北俯沖的前緣, 在其內(nèi)部和下界曾經(jīng)發(fā)生過不少 4級(jí)以上的地震, 是一條明顯的地質(zhì)構(gòu)造界面。圖3分布在高速帶邊緣的綠色圓形是被再定位的地震(1996年6月9日位于藏南24.68?N, 92.25?E),其深度為(69±5) km(Chen et al., 2004)。據(jù)震源機(jī)制解的研究, 青藏高原這種中深源的地震多發(fā)生在Moho附近, 證明了上地幔頂部具備很強(qiáng)的彈性應(yīng)變能力, 故而推斷上述的地質(zhì)構(gòu)造界面是該區(qū)的Moho, 這與接收函數(shù)的結(jié)果也很吻合(Zhao et al.,2011)。藏南大部分的中深源地震分散在 STD以南地區(qū), 該區(qū)淺部是以逆沖為主的構(gòu)造應(yīng)力環(huán)境, 而中深源地震的震源機(jī)制解所反映的構(gòu)造應(yīng)力情況則表明它們處于印度巖石圈開始近水平俯沖的區(qū)域(Chen et al., 2004; 姜明明等, 2009)。嘉黎斷裂一帶下方70 km左右也有條明顯的高低速分界帶, 而且同樣分布著不少地震, 能否被視為 Moho呢？這條界面下方的高速擾動(dòng)體為該區(qū)的上地幔, 這一點(diǎn)與PKP殘差曲線分布(圖 4)對(duì)應(yīng)很好, 相對(duì)殘差到時(shí)比較早, 說明下方存在地震波傳輸良好的堅(jiān)硬物質(zhì)。

在 100 km深度之下, 速度擾動(dòng)的顯著特征是在雅魯藏布縫合線兩側(cè)存在大面積的低速異常體,并有一部分向下延伸至250 km, 也許殼幔熱物質(zhì)交流的通道就存在于這里; 雅江以南(特提斯喜馬拉雅)80 km至 240 km深度下方分布的高速擾動(dòng)體,可能為殘留的古特提斯俯沖洋殼的碎片; GDS地體北部的高速擾動(dòng)體, 不知可否定義為西藏的巖石圈？參照接收函數(shù)和地震面波的結(jié)論該深處存在有西藏的 LAB, 即巖石圈與軟流圈的分界面(Zhao et al., 2011; 蘇偉等, 2002); 本文的層析結(jié)果顯示這條LAB斷續(xù)地出現(xiàn)在岡底斯地體的中、北部, 最深處約為 240 km。這一點(diǎn)可以與前面的水平切片圖(圖2c)呼應(yīng), 在接近北緯 31°的位置上嘉黎以北高速的巖石圈延伸至唐古拉山一帶。

1.2.3 PKP走時(shí)殘差與Moho的對(duì)應(yīng)

PKP入射角近乎垂直到達(dá)臺(tái)站下方的遠(yuǎn)震震相,它的走時(shí)變化與巖石圈內(nèi)垂向速度變化有關(guān), 而Moho界面是影響PKP走時(shí)異常的主要因素, 所以PKP走時(shí)殘差的相對(duì)變化能粗略反映出Moho的相對(duì)起伏。

筆者挑選了發(fā)生在南美五次大于 6級(jí)的地震 (14/05/2012 10:40.0, D=106 km, (17?40.70′S,69?35.50′W)); (28/05/2012 5:7.23, D=587 km, (28?2.60′S,63?5.60′W)); (07/06/2012 16:3.18, D=110 km,(15?52.60′S, 72?24.80′W)); (02/08/2012 9:38.30, D=145 km, (8?24.80′S, 74?15.50′W)); (05/09/2012 14:42.7,D=35 km, (10?5.90′N,85?18.50′W)), 獲得了一條清晰的PKP走時(shí)殘差曲線, 殘差曲線顯示出中部高兩側(cè)低的形態(tài)。這與該區(qū)的地殼厚度分布是相關(guān)的, 雅魯藏布江縫合線兩側(cè)至嘉黎斷裂帶是地殼厚度最大的地區(qū), 據(jù)接收函數(shù)的結(jié)果(Zhao et al., 2011), 此處的Moho深度可達(dá)80余km。而在STD以南, 地殼厚度明顯減薄, 在嘉黎斷裂帶以北的地殼厚度相對(duì)要薄一些。表現(xiàn)在殘差曲線上, 則是岡底斯地體的南部、特提斯喜馬拉雅的北部殘差到時(shí)晚, 而在岡底斯地體的北部和STD以南, 相對(duì)殘差到時(shí)早些。接收函數(shù)的結(jié)果(Zhao et al., 2011)所描繪的 Moho形態(tài)支持PKP曲線上述分析。

另外, 岡底斯地體南部和特提斯喜馬拉雅北部到時(shí)的延遲比較晚, 也暗示由于其下方地幔中熔融物質(zhì)的存在而影響了地震波的傳播速度。

2 結(jié)論及解釋

(1)地震層析圖像反映在岡底斯地體淺部存在大面積的低速擾動(dòng), 可以認(rèn)為是一個(gè)產(chǎn)生在殼內(nèi)的部分熔融層。這也驗(yàn)證了 INDEPTH-2多方法調(diào)查發(fā)現(xiàn)在該區(qū)存在部分熔融層的研究結(jié)論(Zhao et al.,1993)。但該熔融層仍不能證明青藏高原中下地殼存在著廣泛的物質(zhì)流動(dòng)。據(jù)研究認(rèn)為, 該熔融層生成機(jī)制主要是由于殼內(nèi)發(fā)生的多個(gè)大型推覆構(gòu)造磨擦生熱及殼內(nèi)放射性元素產(chǎn)生的熱所造成的(趙文津等, 2004; Wu et al., 2013)。除了熱泉, 還有大量的地震在該區(qū)發(fā)生過, 所以這是一個(gè)構(gòu)造運(yùn)動(dòng)相當(dāng)活躍的地塊。

(2)甲瑪銅礦恰好處于一個(gè)淺部的高速擾動(dòng)與上述局部熔融體交界位置, 即構(gòu)造活動(dòng)變化劇烈的地帶, 由于該區(qū)為板塊碰撞的前緣地帶, 而且這條低速擾動(dòng)帶與地幔相連, 很像一條傳遞殼幔間熱物質(zhì)的通道, 可否解釋為大量銅金屬是由地幔熱物質(zhì)帶上來的呢？陸陸碰撞的持續(xù)作用導(dǎo)致熔融層內(nèi)花崗巖被侵蝕、出露, 帶來成礦物質(zhì), 形成巨大的斑巖銅礦, 為拉薩地塊中新世早中期大型斑巖銅礦成礦提供較為合理的構(gòu)造解釋。

(3)本文的層析結(jié)果顯示出巖石圈與軟流圈的分界面(LAB)斷續(xù)地出現(xiàn)在岡底斯地體的中、北部,最深處約達(dá)240 km。前人所作的接收函數(shù)和地震面波的研究也表明該深處存在有西藏的 LAB(Zhao et al., 2011; 蘇偉等, 2002)。幾種不同年代的地震探測(cè)數(shù)據(jù)、不同的處理方法得出如此相似的結(jié)果可以作為西藏的LAB存在的佐證。

(4)地震層析圖像(圖 3)所示出的另一個(gè)顯著現(xiàn)象是剖面中的高速擾動(dòng)帶均呈現(xiàn)出向北傾斜的趨勢(shì),尤其是在100 km之下的圖像更為清晰。地質(zhì)研究證明, 青藏高原地表及中上地殼以自北向南逆沖推覆構(gòu)造為主(Wu et al., 2013; 吳珍漢等, 2013), 這與印度大陸北向俯沖存在密切關(guān)系, 也已經(jīng)被深地震反射、寬頻地震探測(cè)所驗(yàn)證。那么, 對(duì)于下地殼上地幔出現(xiàn)的大范圍北傾的高速體, 能否解釋為向北俯沖的印度板塊的巖石圈呢？

(5)PKP殘差曲線描繪出了高原地區(qū)Moho界面的大概形態(tài)。雅魯藏布縫合線兩側(cè)約50 km區(qū)間內(nèi)地殼厚度最大, 在高喜瑪拉雅和岡底斯地體的北部,地殼厚度逐漸減薄。

致謝:感謝在高海拔、缺氧、嚴(yán)寒等極其艱苦的條件下為本文撰寫提供原始資料的全體項(xiàng)目組成員;感謝西藏自治區(qū)地質(zhì)調(diào)查院、山南、那曲、林芝地區(qū)及拉薩市的各級(jí)政府部門在項(xiàng)目實(shí)施中所給予的支持與協(xié)助。

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