青藏高原東北部多尺度重力場及其地球動力學意義

畢奔騰， 胡祥云*， 李麗清， 張恒磊， 劉雙， 蔡建超

1 中國地質(zhì)大學地球物理與空間信息學院， 武漢　430074 2 地球內(nèi)部多尺度成像湖北省重點實驗室， 武漢　430074 3 中國地質(zhì)大學資源學院， 武漢　430074

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青藏高原東北部多尺度重力場及其地球動力學意義

畢奔騰1，2， 胡祥云1，2*， 李麗清3， 張恒磊1，2， 劉雙1，2， 蔡建超1，2

1 中國地質(zhì)大學地球物理與空間信息學院， 武漢430074 2 地球內(nèi)部多尺度成像湖北省重點實驗室， 武漢430074 3 中國地質(zhì)大學資源學院， 武漢430074

摘要由于受到SN和EW雙向擠壓作用的綜合影響，處于年輕高原與古老地塊交接區(qū)的青藏高原東北部巖石圈強烈變形，構造活動十分活躍.為了整體性地了解青藏高原東北部重力場和深部動力學機制，本文基于EGM2008全球重力場模型數(shù)據(jù)，利用小波多尺度分析獲得不同尺度的重力異常信息；同時反演了研究區(qū)的地殼厚度；通過構建穿越龍門山造山帶和西秦嶺造山帶兩條剖面的巖石圈密度結構模型，分析了地殼上地幔內(nèi)不同介質(zhì)的分布特征.研究結果表明，青藏高原東北部巖石圈顯示十分復雜的塑性體的特征，其重力異常走向多以EW或SSE為主，反映了高原巖石圈物質(zhì)向東運移的趨勢；地殼厚度由西向東逐漸減薄，邊緣造山帶深部并沒有發(fā)現(xiàn)“山根”痕跡，結合該地區(qū)低重力的特征，推測西秦嶺—松潘構造結巖石圈發(fā)生過大規(guī)模地幔流底侵作用；地幔流上涌的動力可能來源于印度板塊向歐亞大陸板塊俯沖，激發(fā)了地幔流體側(cè)向移動，在揚子地臺和華北地臺附近受到堅硬巖石圈的阻擋而被迫上移，并因此造成龍門山與西秦嶺的隆升.

關鍵詞青藏高原東北部； 重力場； 巖石圈結構； 密度模型； EGM2008

1引言

自70—50 Ma以來，印度板塊向北與歐亞板塊持續(xù)強烈碰撞，至少有1360 km的南北向縮短的物質(zhì)被吸收(Yin and Harrison，2000)，物質(zhì)的積累導致了青藏高原的隆升(Molnar and Tapponnier，1975；England and Houseman，1986)，形成了全球海拔最高的獨特地域單元.青藏高原發(fā)育有厚達60～80 km的地殼(高銳等，2009)，由于其構造的復雜性，碰撞過程的吸收機制與地殼增厚的方式也存在多種解釋.在高原腹地，一系列的俯沖、逆沖帶可以很好地對應地殼縮短增厚模型.而在邊緣造山帶，一系列走滑斷裂的存在則與大陸塊體側(cè)向擠出模型一致(Tapponnier et al.，2001)；中下地殼顯示低速高導的性質(zhì)又為地殼流模型提供了依據(jù)(Royden et al.，1997；Clark and Royden，2000；Bai et al.，2010).作為印度歐亞板塊碰撞作用由南北向東西轉(zhuǎn)換的重要場所，青藏高原東北部(圖1)具有與一般線性造山帶不同的造山極性及構造體制(許志琴等，1992).特別是西秦嶺—松潘大陸構造結屬中國大陸完成其主體拼合過程中形成的地殼尺度上的巨型構造，是青藏高原與周圍穩(wěn)定地體交接轉(zhuǎn)換的關鍵構造域(張國偉等，2004).以往的地球物理深部探測在該區(qū)做了很多研究，包括人工反射地震(Liu et al.，2006；嘉世旭和張先康，2008；Zhang et al.，2011，2013；Gao et al.，2014)、天然地震(Vergne et al.，2003；薛光琦等，2003；Li et al.，2011, 2014；Pan and Niu，2011；Tian and Zhang，2013)、大地電磁測深(趙國澤等，2004；Xiao et al.，2013)、GPS形變監(jiān)測(Zhang et al.，2004；He et al.，2013)等，獲得了青藏高原東北部巖石圈的速度結構、泊松比分布、SKS剪切波分裂、電性結構以及水平和垂直位移分量等重要地球物理參數(shù)，并且對殼幔中的低速高導層及動力學模式進行了一系列的探討.由于受復雜的高原環(huán)境影響，上述研究多集中于沿特定地質(zhì)構造方向的二維剖面測量或者是點距較大的固定臺站，這對于研究大尺度的區(qū)域地質(zhì)構造稍顯不足.重力方面，前人分析了研究區(qū)的斷裂體系、變形特征等，取得了許多成果(Zhang et al.，2010；孟小紅等，2012；陳石等，2013).然而高原的地面重力觀測數(shù)據(jù)分布不均且十分有限，上述多集中于將龍門山造山帶、西秦嶺造山帶、青藏高原東北緣分隔開來單獨研究.事實上，受印度板塊向歐亞板塊俯沖遠程效應的影響，龍門山與西秦嶺的隆升時限及所處的構造環(huán)境有諸多相似性，將其統(tǒng)一到青藏高原東北部向四川盆地、鄂爾多斯盆地周邊擴展的動力學背景下，可進一步查明青藏高原東北部隆升變形機制以及川陜甘強震區(qū)的孕震構造機理.

圖1　青藏高原東北部大地構造輪廓圖左下圖紅色圖框為研究區(qū)位置.圖中黑色實線為文中涉及的斷裂，灰色細線為本文忽略斷裂.斷裂數(shù)據(jù)源自鄧起東等(2002)；SCB：四川盆地；SGB：松潘—甘孜地塊；WQL：西秦嶺造山帶；QLB：祁連山地塊；OB：鄂爾多斯盆地；JS：金沙江縫合帶；AKMS：阿尼瑪卿—昆侖—木孜塔格縫合帶；SQS：南祁連縫合帶；GY：甘孜—玉樹斷裂；XSH：鮮水河斷裂；LMS：龍門山斷裂；MJ：岷江斷裂；DBL：迭部—略陽斷裂；NWQL：西秦嶺北緣斷裂；NKL：北昆侖斷裂；HY：海原斷裂.Fig.1　Outline map of the northeastern Tibetan plateau and the surrounding areaThe study region marked by the red frame in the below left map. The black solid lines represent faults involved, and the gray filaments represent faults omitted. Faults data depicted after Deng et al.(2002); SCB: Sichuan basin; SGB: Songpan-Garzê block; WQL: West Qinling Orogenic belt; QLB: Qilian block; OB: Ordos basin; JS: Jinsha River suture; AKMS: A′nyêmaqên-Kunlun-Muztag suture; SQS: South Qilian suture; GY: Garzê-Yushu fault; XSH: Xianshui River fault; LMS: Longmen Shan fault; MJ: Minjiang fault; DBL:Diebu-Lueyang fault; NWQL: Northern edge of the Western Qinling fault; NKL: North Kunlun fault; HY: Haiyuan fault.

隨著衛(wèi)星技術的發(fā)展，快速高精度測量全球重力場成為可能，繼而建立了各種高分辨率的重力場模型.EGM2008(Earth Gravitational Model 2008)是近年來應用較為廣泛的全球超高階地球重力場模型(Pavlis et al.，2008)，它的球諧展開階次為2160，空間分辨率約為5′(9 km).其構建過程是用GRACE衛(wèi)星數(shù)據(jù)建立前60階球諧系數(shù)，加上EGM96重力模型的61～360階球諧系數(shù)，再加上剩余地形重力模型的361～2160階球諧系數(shù)計算得到的地球重力異常.與實測地面重力數(shù)據(jù)相比，EGM2008模型數(shù)據(jù)在青藏高原東北部的誤差約為11.6 mGal(章傳銀等，2009)，其異常的變化趨勢上大體一致(付廣裕等，2013).值得說明的是，青藏高原地面重力點位分布不均，其反映的異常信息遠不如模型，地球重力模型網(wǎng)格數(shù)據(jù)的精度被低估了(楊金玉等，2012).

為了能從宏觀上整體反映研究區(qū)深部構造特征，本文基于EGM2008模型的自由空氣重力異常數(shù)據(jù)，研究青藏高原東北部不同尺度的重力場分布，推測橫縱向地殼上地幔的物質(zhì)成分及構造特征，進而探討其動力學涵義.

2青藏高原東北部及周緣地區(qū)重力異常

圖2顯示了青藏高原東北部及周緣地區(qū)自由空氣重力異常，可以看出，其形態(tài)與地形圖相似.在山脈分布的高地勢地區(qū)顯示正異常，尤其是在劇烈切割的高山峽谷地區(qū)，由于山體形態(tài)復雜，受密度不均勻地質(zhì)體的影響，自由空氣重力異常特征變得十分復雜；而盆地中因在近地表分布有中、新生界的低密度地層，因而呈現(xiàn)負值，負異常的幅值和形態(tài)與盆地內(nèi)沉積層的厚薄和分布呈正相關關系.四川盆地和鄂爾多斯盆地顯示弱的負異常，變化較為平緩，表明地質(zhì)構造比較穩(wěn)定，負異常也說明盆地在均衡補償過程中質(zhì)量虧損.高原腹地的正異常走向由EW向向東轉(zhuǎn)為SE向，幅值在0～100 mGal內(nèi)變化，而在邊緣造山帶異常值在100～200 mGal之間，龍門山斷裂帶附近達到最大300 mGal.印度大陸持續(xù)向北推擠造成了青藏高原的抬升，形成高的地勢，正是由于高原內(nèi)部軟流圈流體受到了地形對巖石圈的垂向重力均衡作用，側(cè)向流動，遇到揚子剛性地塊的阻擋，在龍門山斷裂帶附近積累大量物質(zhì)，因而形成了強烈的正異常帶.

圖2　研究區(qū)自由空氣重力異常圖Fig.2　Free air gravity anomaly map of the study region

在自由空氣重力數(shù)據(jù)的基礎上結合ETOPO1數(shù)據(jù)地形改正后，獲得了整個研究區(qū)的布格重力異常分布(見圖3).由圖可見，研究區(qū)內(nèi)布格重力異常以負值為主，范圍在50～-500 mGal之間，自東向西逐漸衰減.青藏高原布格重力異常在-300 mGal以下，而四川盆地、鄂爾多斯盆地在-100 mGal以上.在西寧—汶川一線有一條明顯的重力梯度帶，特別是梯度帶南部龍門山斷裂帶附近，由西向東重力值劇烈遞增，在不到100 km范圍內(nèi)重力值增加了100 mGal；而梯度帶北段則相對平緩得多，西寧—蘭州—海原一線地區(qū)呈現(xiàn)出過渡帶的性質(zhì).

3小波多尺度分析

重力異常反映的是地表下不同深度、不同規(guī)模、不同密度的地質(zhì)體對應的重力異常疊加效應.小波多尺度分析方法是將信號分解成各種不同頻率成分，并且聚焦到任意細節(jié)上加以分析(Mallat，1989；侯遵澤和楊文采，1997).為了得到目的地質(zhì)體對應的重力特征，可以利用小波多尺度分析的方法分離出反映其橫向、縱向上不同尺度地質(zhì)體產(chǎn)生的重力異常場(Jiang et al.，2012；孟小紅等，2012).本文通過對EGM2008模型的布格重力異常應用Daubechies(db3)小波提取各個尺度的重力場細節(jié)信息；對于分解后的異常，應用功率譜分析的原理計算其徑向?qū)?shù)功率譜，估計每一階異常的場源深度，所得結果見表1.1階和2階細節(jié)異常反映的是近地表的密度變化，在此不予討論.

3.1小尺度重力異常

3階和4階細節(jié)異常圖(圖4a、4b)反映了研究區(qū)上地殼的布格重力異常特征.四川盆地和鄂爾多斯盆地分別處于揚子地臺和華北地臺，構造穩(wěn)定，其基底之上覆蓋巨厚的中新生代沉積物，因此顯示出均勻的弱異常特征.松潘—甘孜地塊中部巴顏喀拉、可可西里地區(qū)廣泛分布三疊紀復理石沉積，厚度多在10 km以上，由于后期構造活動強烈，基底褶皺變形使沉積物重新改造，其重力異常形態(tài)表現(xiàn)為略微雜亂的弱異常的特征.與高原腹地相比，邊緣地區(qū)的異常形態(tài)更加復雜.阿尼瑪卿—昆侖—木孜塔格縫合帶(AKMS)作為東古特提斯洋在晚古生代向北俯沖閉合的場所(Zhu and Helmberger，1998)，東西綿延近1500 km，在異常圖上顯示其東段為負的線性異常，一直延伸到瑪沁斷裂以東.松潘—甘孜地塊東緣及東南緣則表現(xiàn)出一系列正負相伴的條帶異常.東緣是青藏高原向東運動與揚子地臺碰撞的場所，其雜亂無序的異常方向體現(xiàn)了物質(zhì)受擠壓褶皺變形或破碎的特征，而四川盆地受到強烈的擠壓其重力異常形態(tài)依然穩(wěn)定，顯示出剛性塊體的特征.松潘甘孜東南緣接近于喜馬拉雅東構造結，是青藏高原物質(zhì)流向東南方向轉(zhuǎn)折的場所，其不僅在地形上表現(xiàn)為強烈的褶皺變形、地殼縮短以及一系列走滑斷層，在重力異常圖上亦顯現(xiàn)SSE向和SN向的串珠狀異常，負異?？赡苁菐r石擠壓破碎的反映，而正異常則可能是由于巖漿巖沿破碎帶侵入形成的.鮮水河斷裂帶一直被認為是現(xiàn)今東亞大陸最活躍的斷裂帶之一，其包括甘孜—玉樹(GY)、鮮水河(XSH)、小江、則木河和安寧河等次級斷裂.在3階和4階圖上，鮮水河斷裂和甘孜—玉樹斷裂表現(xiàn)為連續(xù)的SE和SSE向的負異常條帶，并且兩側(cè)伴有正異常.

圖3　研究區(qū)布格重力異常圖A-A′和B-B′兩條實線代表二維密度模型剖面切割的位置.Fig.3　Bouguer gravity anomaly map of the study region Solid lines (A-A′ and B-B′) represent the location of density modeling profiles.

階次場源似深度(km)1122354165346125

3.2中尺度重力異常

5階細節(jié)異常圖(圖4c)反映了研究區(qū)中下地殼的布格重力異常特征.由圖可知，青藏高原東北部大都顯示負異常，而周圍塊體，如四川盆地、鄂爾多斯盆地、祁連地塊以及柴達木盆地等都表現(xiàn)為突出的正異常，依舊為剛性塊體的特征.西秦嶺造山帶北緣、松潘—甘孜地塊東緣則呈現(xiàn)明顯的負異常，推測是巖石受壓應力破碎或者存在地殼熔融物質(zhì).四川盆地正異常區(qū)向西延伸，越過龍門山斷裂帶，反映了松潘—甘孜地塊巖石圈向四川盆地仰沖的構造形態(tài).

圖4　布格重力異常3～6階小波變換細節(jié)圖Fig.4　The 3rd to 6th order detailed images of Bouguer gravity anomaly from multi-scale wavelet analysis method

3.3大尺度重力異常

對數(shù)功率譜估計的6階細節(jié)異常所反映的平均場源深度為125 km，體現(xiàn)了研究區(qū)上地幔布格重力異常特征(圖4d).鮮水河斷裂帶和金沙江斷裂帶所圍限的正異常區(qū)，表現(xiàn)為剛性塊體的性質(zhì)，與周圍的負異常帶形成對比，推測該區(qū)曾經(jīng)為揚子地臺的一部分，其被順時針旋轉(zhuǎn)的地幔流沖斷.研究區(qū)最為明顯的重力低值區(qū)出現(xiàn)在松潘甘孜東緣和西秦嶺造山帶，范圍較為連續(xù)，其東北緣幅值最低，向兩翼逐漸增大.鄂爾多斯盆地西南緣分布弧形的重力梯度帶，對應于地理上的海原斷裂帶，分割了低重力的青藏高原東北緣和高重力的鄂爾多斯盆地，形成深達巖石圈尺度的超殼斷裂，而青藏高原殼幔物質(zhì)擠入到阿拉善地臺和鄂爾多斯盆地之間，在這樣一個狹小的空間內(nèi)勢必會積累巨大的應變能，因此該區(qū)成為第四系以來構造變動十分強烈的地震活動區(qū).

4地殼厚度模型

地球外部重力場是由地球內(nèi)部物質(zhì)分布所決定的，由于地殼和地幔存在著較大的密度差異，因此可以利用重力資料來確定地殼厚度(Feng et al.，2014).基于上述結論，本文對布格重力異常利用Parker-Oldenburg界面反演算法(Parker，1973；Oldenburg，1974)計算了青藏高原東北部及周緣地區(qū)的地殼厚度，其結果與GRACE衛(wèi)星提供的GX-OG-2-GCM模型所計算的結果基本一致(段虎榮等，2010).

由圖5可見，青藏高原東北部地殼厚度在整體上由西向東逐漸減薄，其變化趨勢以SE向為主，顯示了青藏高原物質(zhì)向東滑移引起地殼縮短變形的趨勢.青藏高原巖石圈物質(zhì)向東運動，受到揚子地臺和華北地臺的阻擋，引起物質(zhì)的堆積；然而，在邊緣造山帶并沒有發(fā)現(xiàn)“山根”的痕跡，重力異常多尺度分解結果顯示該地殼減薄區(qū)存在明顯的負異常，體現(xiàn)了深部物質(zhì)上升并與巖石圈底部相互作用導致部分熔融的可能性(圖6).研究區(qū)莫霍面最深處在松潘甘孜腹地，約59 km，而最淺處在四川盆地，約37 km.以102°E—104°E為界，以西地殼厚度在50 km以上，以東在45 km以下，尤其在龍門山附近，存在一條NNE向的地殼陡變帶，其兩側(cè)莫霍面有5 km以上的錯斷，龍門山兩側(cè)地殼厚度的顯著差異反映了松潘—甘孜地塊巖石圈與揚子地臺巖石圈結構的差異，這可能是龍門山形成的深部原因.總之，青藏高原東北部的地殼厚度東西向有顯著差異，呈現(xiàn)出地殼內(nèi)部受到了東西方向的強烈擠壓的趨勢；在印度板塊的擠壓環(huán)境下，南北向的莫霍面起伏卻較為平緩，推測下地殼和上地幔經(jīng)歷過強烈的伸展運動.

圖5　研究區(qū)地殼厚度分布圖Fig.5　Variation of the crustal thickness of the study region

圖6　松潘—甘孜地塊東緣深部動力學示意圖據(jù)Wang et al.(2010)修改. 剖面位置見圖5黑色虛線.Fig.6　The cartoon showing the dynamic process under the eastern margin of the Songpan-Garzê block The result was derived from Wang et al.(2010). The location was labeled with black dash line in Fig.5.

圖7　A-A′剖面巖石圈密度模型不同塊體和層位的平均密度已標注在模型中，單位為g·cm-3.Fig.7　Lithospheric density structure along the A-A′ profile Densities of different positions are labeled in the model, and the unit of density is g·cm-3.

圖8　B-B′ 剖面巖石圈密度模型不同塊體和層位的平均密度已標注在模型中，單位為g·cm-3.Fig.8　Lithospheric density structure along the B-B′ profile Densities of different positions are labeled in the model, and the unit of density is g·cm-3.

5地殼上地幔二維密度結構

從布格重力異常平面等值線上切割兩條剖面(位置見圖3中實線A-A′、B-B′)，由于地形質(zhì)量產(chǎn)生的短波高頻信息對深部構造研究會造成嚴重干擾(楊金玉等，2012)，因此對原始的布格重力數(shù)據(jù)采用巴特沃斯低通濾波過濾掉高頻成分，獲得了平穩(wěn)的區(qū)域異常曲線.基于前人的研究結果作為分層結構(Liu et al.，2006；Wang et al.，2010，2013)，采用二度半體重力異常人機交互算法正演模擬了兩條剖面的密度結構(圖7，圖8).在構建過程中，對密度模型的形態(tài)與密度等參數(shù)進行多次擬合，力圖達到最好的效果.

5.1A-A′剖面密度結構

A-A′剖面由99.65°E，33.75°N至106.114°E，30.83°N，全長697 km，方位為112.7°，該剖面跨越松潘—甘孜地塊中部，以SE向穿越龍門山造山帶，最終抵達四川盆地腹地.從橫向上看，龍門山兩側(cè)巖石圈物質(zhì)和結構差異明顯(見圖7).上地殼中，松潘—甘孜地塊密度要大于四川盆地.由于早二疊紀松潘甘孜洋向昆侖柴達木地塊俯沖，使陸緣弧地帶抬升成山，在三疊紀時期松潘甘孜洋上沉積了巨厚海相復理石堆積(Yin and Harrison，2000)，這種高致密的沉積物甚至被學者稱為“中生代基底”(嘉世旭等，2009).

在中下地殼，松潘—甘孜地塊平均密度要明顯低于四川盆地，表明處于青藏高原東北部地域的松潘—甘孜地塊中下地殼物質(zhì)相對柔軟.大地電磁資料顯示青藏高原東部中下地殼范圍內(nèi)存在大規(guī)模的高導體(張樂天等，2012；Wang et al.，2014)；地震資料也揭示了龍門山造山帶以西中下地殼速度遠小于平均值(Wang et al.，2010)；地熱模擬的松潘—甘孜地塊東部地下溫度，中地殼接近700～800 ℃，下地殼達到了1000 ℃(Jiménez-Munt et al.，2008)，如此高的溫度足以使地殼物質(zhì)熔融；GPS測量顯示青藏高原中部和北部地殼物質(zhì)存在著向東移動的現(xiàn)象，并且自西向東運動的速度越來越小(Zhang et al.，2004).在松潘—甘孜地塊東緣龍門山造山帶，中下地殼的密度達到橫向上的最低值，且界面起伏較大，顯示該區(qū)受到過強烈的擠壓致使基底褶皺變形.下地殼流模型似乎可以解釋這些地球物理現(xiàn)象，然而地殼流意味著殼幔解耦，并且有足夠大范圍內(nèi)的下地殼存在流體.布格重力異常多尺度分解結果(圖4c)顯示在松潘—甘孜地塊內(nèi)部并沒有出現(xiàn)明顯的低重力異常，巖石圈密度模型(圖7)中松潘—甘孜地塊內(nèi)部下地殼密度為2.80 g·cm-3，密度略低，但并未達到熔融的程度.

在上地幔結構中，松潘—甘孜地區(qū)的物質(zhì)密度仍小于四川盆地，龍門山造山帶最低.由于青藏高原內(nèi)部存在豐富的地幔熱流活動，在龍門山造山帶附近，地幔熱流已充斥到下地殼，導致下地殼物質(zhì)部分熔融，形成塑性流體，因而密度達到橫向上的最小值.松潘—甘孜地塊向四川盆地仰沖的過程中，脆性的上地殼相互擠壓碰撞，在接觸部位形成破碎帶，而塑性的巖石圈物質(zhì)在東流過程中，遇到剛硬的四川盆地巖石圈阻擋，一部分轉(zhuǎn)向東南方，一部分被迫上移，侵入到破碎巖石中并且抬升地殼，因而造就了龍門山的隆升.

5.2B-B′剖面密度結構

B-B′剖面由99.65°E，33.75°N至107.64°E，35.71°N，全長772 km，方位為67.3°，該剖面跨越松潘—甘孜地塊中部以NE向穿越西秦嶺造山帶，抵達鄂爾多斯盆地.B-B′剖面密度結構模型呈現(xiàn)出松潘甘孜—西秦嶺—鄂爾多斯地區(qū)的巖石圈密度結構具有橫向分塊，縱向分層的特點(見圖8).上地殼各地塊的平均密度由西南到東北逐漸減??；厚度上西秦嶺造山帶最薄，往兩邊逐漸增厚.

在中下地殼，西秦嶺造山帶與松潘—甘孜地塊密度值相同，反映了中下地殼物質(zhì)成分相同，二者可能統(tǒng)屬一個基底，這與前人的深地震反射結果有良好的一致性(高銳等，2006).中下地殼較低的密度值顯示其柔軟的性質(zhì)，也與該區(qū)其他測量結果相對應：大地電磁測深剖面揭示該區(qū)地表下13～20 km到40～50 km之間存在低阻異常體，其電阻率在幾歐姆米到幾十歐姆米(金勝等，2012)；深地震反射剖面結果顯示該區(qū)域在地下20～45 km深度范圍內(nèi)具有高低速相間、低速為主的結構，與周邊穩(wěn)定地塊(阿拉善地臺、鄂爾多斯盆地、四川盆地)的中下地殼速度相比，平均低0.3～0.6 km·s-1(嘉世旭和張先康，2008).相比于龍門山，青藏高原東北緣大部分地區(qū)的地殼物質(zhì)并不具備高泊松比的性質(zhì)，單純的地殼流體模型解釋該區(qū)的低密度體有一定的局限，對此有學者認為青藏高原東北緣中下地殼含有較多的長英質(zhì)組分(Pan and Niu，2011).長英質(zhì)組分提升了地殼物質(zhì)的熔點，致使西秦嶺造山帶下地殼物質(zhì)的熔融程度弱于龍門山造山帶.

上地幔中，西秦嶺造山帶密度最小，且莫霍面上隆.結合前人研究成果推斷西秦嶺地區(qū)上地幔低密度體可能是來自于地幔流物質(zhì)上涌加熱弱化了巖石圈底部，關于地幔流物質(zhì)的來源和成因，下一節(jié)會詳細討論.

6地球動力學意義

巖石圈厚度分布揭示青藏高原地區(qū)有兩處明顯減薄區(qū)：羌塘地體以北到昆侖造山帶之間的藏北高原地區(qū)和青藏高原東北緣西秦嶺松潘構造結附近(An and Shi，2006).在藏北高原，存在著大面積低Pn波速和Sn波缺失的事實(馬開義等，1996)，同時廣泛發(fā)育新生代堿性火山巖.印度板塊向北俯沖到班公湖—怒江縫合帶附近(潘桂棠等，2004；Kumar et al.，2006)，其巖石圈地幔前緣進入亞洲軟流圈深部，造成深部軟流圈地幔的熱物質(zhì)上涌(Owens and Zandt，1997；Tilmann et al.，2003).SKS分裂波顯示該區(qū)具有青藏高原目前所知最強的各向異性區(qū)，其快波極化方向揭示了軟流圈地幔物質(zhì)向東流動(楊曉松等，2002).

青藏高原東北緣亦表現(xiàn)出與藏北高原相似的地質(zhì)地球物理性質(zhì).地質(zhì)調(diào)查表明在高原東北部廣泛發(fā)育新生代火山巖(喻學惠等，2009；湯慶艷等，2012；賴紹聰?shù)龋?014)，有些地區(qū)巖漿活動仍在進行.地殼下巖漿上升至地表噴發(fā)的前提之一是存在地殼破裂作為其運移通道，而破裂源于地殼底部的張應力作用(熊熊等，2007).深地震反射結果揭示了西秦嶺造山帶巖石圈經(jīng)歷了強烈的伸展運動(高銳等，2006)，說明該地區(qū)巖石圈深部確實存在張應力作用.西秦嶺地區(qū)新生代超鉀質(zhì)火山巖的地球化學特征揭示了其源區(qū)為地?；蜍浟魅Γ⑶揖哂械蒯Ｖ吹奶卣?喻學惠等，2009).火山巖出露位置恰位于上地幔重力低值區(qū)內(nèi)，亦是巖石圈減薄區(qū)，殼幔界面不明顯，同時周邊有熱泉分布，天水地區(qū)莫霍面附近存在高導低速層預示著該區(qū)莫霍面以下局部熔融的可能性(林長佑等，1995).一系列證據(jù)說明了該區(qū)巖石圈底部軟流圈熱物質(zhì)通過底侵作用上涌，強烈的上拱力造成巖石圈的整體形變，地幔熱物質(zhì)進入巖石圈致使巖石圈底部的物質(zhì)被加熱弱化，甚至擠入地殼部分，造成下地殼物質(zhì)局部減壓熔融.

地幔物質(zhì)上涌的動力學機制來源于青藏高原中心軟流圈地幔流的東向移動.GPS精準測量結果顯示高原東部物質(zhì)向東北和東南方向運動(見圖9)；莫宣學等(2007)根據(jù)青藏高原新生代火山巖的時空分布關系并綜合其他地質(zhì)地球物理資料，推斷三江地區(qū)和西秦嶺地區(qū)深部分別存在一條物質(zhì)流通道，而高原腹地下軟流圈地幔物質(zhì)正是沿“軟流圈通道”向東流動.在西秦嶺松潘構造結，巖石圈上地幔分布著明顯的低密度異常，其重力異常區(qū)呈現(xiàn)側(cè)臥的馬鞍狀形態(tài)，前緣朝NE向凸出，而火山巖出露的位置恰位于前緣位置，體現(xiàn)了地幔熱物質(zhì)并不是垂直上涌，而是存在NE方向的位移趨勢.由于西秦嶺松潘構造結周緣為穩(wěn)定的大陸克拉通地區(qū)，東移的軟流圈地幔流受到揚子地臺和華北地臺堅硬巖石圈的阻擋，在陸續(xù)的擠壓之下，被迫上涌即產(chǎn)生底侵作用，物質(zhì)和能量積累，影響到龍門山和西秦嶺的隆升和近年來川陜甘地區(qū)地震的誘發(fā).

7結論

本文將EGM2008模型的重力數(shù)據(jù)應用于青藏高原東北部殼幔結構的研究之中.通過對多尺度重力場、地殼厚度、巖石圈密度結構的分析以及其他地球物理、地質(zhì)等研究的比較，得到以下幾點認識：

(1) 青藏高原東北部的殼幔物質(zhì)結構與周邊地區(qū)相比有很大的差異：四川盆地、鄂爾多斯盆地以及祁連山地塊整體上表現(xiàn)出均勻的剛性塊體性質(zhì)；而青藏高原東北部則呈現(xiàn)出復雜的塑性介質(zhì)的特征，其異常的走向多以 EW 或 SSE 為主，反映了巖石圈物質(zhì)向東運移的趨勢.

圖9　青藏高原東部地球動力學模式圖GPS數(shù)據(jù)資料取自Liang等(2013)，青藏高原新生代火山巖的時空分布及地幔流向引自莫宣學等(2007).Fig.9　The geodynamic model image of the eastern Tibetan plateauGPS data is compiled from Liang et al. (2013), the distribution of the Cenozoic volcanism with time is quoted from Mo et al. (2007).

(2) 重力場多尺度分解結果并不支持青藏高原東北部下地殼流動模型.根據(jù)青藏高原東北部的地殼厚度由西向東逐漸減薄，邊緣造山帶深部無“山根”痕跡，推測地幔熱流上涌，抬升了莫霍面，致使巖石圈底部物質(zhì)部分熔融，因而高原東緣、東北緣的巖石圈底部顯示出低密度的性質(zhì).

(3) 龍門山和西秦嶺的隆升可能同時受大規(guī)模地幔流底侵作用的影響.深部物質(zhì)上涌的動力受控于青藏高原向東北擴張的過程中，高原內(nèi)部的軟流圈物質(zhì)側(cè)向流動，受到揚子地臺和華北地臺堅硬巖石圈的阻擋而被迫上移.這一動力學過程或許也是川陜甘地區(qū)地震孕育的重要條件.

本文的研究結果對深化認識青藏高原周緣造山帶隆升機制及深層動力學過程有著重要意義.如果今后能結合地面實測重力數(shù)據(jù)對模型進行有效校正，則有望為青藏高原的巖石圈物質(zhì)分布、地震孕育等提供更豐富細致的信息.

致謝感謝兩位審稿專家提出的寶貴意見.文中部分圖件使用了GMT軟件(Wessel and Smith, 1991)進行繪制.

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(本文編輯何燕)

基金項目國家自然科學基金(41274077，41474055)資助.

作者簡介畢奔騰，男，1990年生，研究生在讀，研究方向為地球物理數(shù)據(jù)處理與解釋.E-mail:bibenteng@163.com *通訊作者胡祥云，男，1966年生，教授，博士生導師，主要從事地球物理方法理論與應用研究.E-mail:xyhu@cug.edu.cn

doi:10.6038/cjg20160213 中圖分類號P312，P541

收稿日期2015-04-28，2015-07-30收修定稿

Multi-scale analysis to the gravity field of the northeastern Tibetan plateau and its geodynamic implications

BI Ben-Teng1,2，HU Xiang-Yun1,2*，LI Li-Qing3，ZHANG Heng-Lei1,2，LIU Shuang1,2, CAI Jian-Chao1,2

1InstituteofGeophysicsandGeomatics，ChinaUniversityofGeosciences，Wuhan430074，China2HubeiSubsurfaceMulti-scaleImagingKeyLaboratory，Wuhan430074，China3FacultyofEarthResources，ChinaUniversityofGeosciences，Wuhan430074，China

AbstractAffected by both N—S and E—W directed compression，the lithosphere of the northeastern Tibetan plateau, located in the junction region of the youngest plateau and ancient blocks，has experienced active tectonic motions and intense deformation. Such dynamic processes should have left signatures in the gravity field of this region. To understand the gravity field and its relation to deep structure of the northeastern Tibetan plateau，this work made a multi-scale wavelet to the data from the Earth Gravitation Model 2008 (EGM2008) of this region. Our analysis separated the Bouguer gravity anomalies into different parts of shallow to deep and then estimated the corresponding source depths by logarithmic power spectrum technique. Moreover，we calculated the crust thickness and described the Moho topography. The two lithosphere density models respectively across the Longmen Shan orogenic belt and the western Qinling orogenic belt have been constructed, which permit to reveal the distribution features of the different materials in the crust and uppermost mantle beneath the study area.

The results show that the crust-mantle structure in northeastern Tibetan plateau is different from that of the peripheral areas. The Sichuan basin，the Ordos basin and the Qilian block have homogeneous and rigid crust-mantle structure on the whole. While the crust-mantle materials in the Tibetan plateau are heterogeneous and plastic，where gravity anomalies strike dominantly in EW and SSE. It is inferred that the lithosphere materials extrude towards east in the interior of the Tibetan plateau，and then turn to south due to resistance of the Yangtze and the North China platforms in the margin of the plateau. The image of the crust thickness indicates that the northeastern Tibetan plateau gradually thins from west to east. However，there is no trace of “mountain roots” under the peripheral orogenic belts. Instead，the Moho below these areas uplifts. Combined with the low gravity anomalies，this study suggests that the upwelling mantle heat-flow interacts with the substances in upmost mantle and lower crust，uplifting the Moho or forming the new shallow Moho.

We infer that under the influence of the northward motion of the Indian plate，thermal activity may have occurred in the Qiangtang block lithosphere，and then induced thermal mantle flow. This mantle flow shifts toward east along the asthenospheric channel. Due to the obstruction of the rigid lithosphere in the Yangtze platform and the North China platform, the mantle flow is forced to rise up in the western Qinling-Songpan tectonic node. The uplift of the Longmen Shan and the western Qinling as well as the generation mechanism of earthquakes in the western Sichuan and Gansu province may be all related to this dynamic process.

KeywordsNortheastern Tibetan plateau； Gravity field； Lithosphere structure； Density model； EGM2008

畢奔騰， 胡祥云， 李麗清等. 2016. 青藏高原東北部多尺度重力場及其地球動力學意義.地球物理學報，59(2):543-555,doi:10.6038/cjg20160213.

Bi B T, Hu X Y, Li L Q, et al. 2016. Multi-scale analysis to the gravity field of the northeastern Tibetan plateau and its geodynamic implications.ChineseJ.Geophys. (in Chinese),59(2):543-555,doi:10.6038/cjg20160213.