【摘要】：華南大陸位于歐亞板塊、印度板塊和菲律賓海板塊的交接地帶,西倚青藏高原,北以秦嶺-大別造山帶為界,東南瀕臨西太平洋,呈現(xiàn)出一幅內(nèi)陸到陸緣及溝、弧、盆系列的地貌景觀。在早前寒武紀(jì)多塊體構(gòu)造復(fù)雜演化的基礎(chǔ)上,華南大陸自中、新元古代以來長期處于全球超大陸聚散與南北大陸離散拼合的交接轉(zhuǎn)換地帶,遭受太平洋板塊的西向俯沖,以及青藏高原和印澳板塊的北向差異運動的夾持,形成了不同板塊構(gòu)造圍限作用下的獨特大陸構(gòu)造。作為歐亞板塊東南緣地殼生長和大陸增生最活躍的大陸邊緣,也是陸-洋過渡帶,核-幔質(zhì)量傳輸最強(qiáng)烈的構(gòu)造帶,地球上最顯著的側(cè)向不連續(xù)地區(qū),全球幕式災(zāi)變和殼幔物質(zhì)遷移、深部熱物質(zhì)上涌和巖漿活動最明顯的地帶之一,華南大陸記錄了地殼生長和大陸增生的幾乎全部過程,其地質(zhì)構(gòu)造是當(dāng)今地學(xué)界關(guān)注的焦點問題之一。華南大陸主要由揚子地塊和華夏地塊在新元古代沿江山-紹興斷裂碰撞拼合而成,在顯生宙經(jīng)歷了復(fù)雜多期次的構(gòu)造變動、復(fù)合、疊加與改造,不僅經(jīng)歷了早古生代及早中生代兩期陸內(nèi)造山作用,在華南東南部,晚中生代的構(gòu)造巖漿作用尤為顯著。華南大陸的匯聚拼合方式,揚子與華夏地塊的邊界,江山-紹興斷裂的構(gòu)造樣式,以及中生代巖石圈伸展作用的驅(qū)動力等問題一直是地學(xué)界探討的熱點。其解決根本是獲取華南大陸高分辨率巖石圈結(jié)構(gòu),厘定不同地體邊界,劃分地殼與巖石圈地幔精細(xì)結(jié)構(gòu)。統(tǒng)計資料表明,全球大陸地殼厚度范圍為30-45 km,平均厚度約40 km。據(jù)反射地震資料,揚子地塊地殼厚度約為36-42 km,與全球平均值較為接近。然而,華夏地塊地殼厚度僅為33-35 km,遠(yuǎn)小于全球平均厚度。揚子地塊地表大地平均熱流值為53 mW/m~2,而華夏地塊地表大地?zé)崃鬟_(dá)到73 mW/m~2�；跓峤Y(jié)構(gòu)和地震數(shù)據(jù)推斷的揚子地塊巖石圈厚度約為170 km,華夏地塊巖石圈厚度僅為70-80 km。同時,華夏地塊上地幔熱流值也要高于揚子地塊。華南東南部上地幔S波速度小于全球平均值,僅為4.45 km/s,甚至更低。S波在揚子地塊巖石圈底部的速度大于4.5 km/s,但在華夏地塊巖石圈底部波度僅為4.25-4.40 km/s。揚子地塊上地幔均顯示高速異常,相比之下,華夏地塊上地幔不僅在50-80 km深度范圍內(nèi)分布了大面積低速異常體,在150 km處同樣顯示了一個深入地幔轉(zhuǎn)換帶的低速異常。以上資料表明,揚子和華夏地塊不論在巖石圈速度結(jié)構(gòu)還是熱結(jié)構(gòu)上都存在明顯差異,揚子地塊巖石圈較“冷”,而華夏地塊較“熱”,華夏地塊的巖石圈可能經(jīng)歷了強(qiáng)烈的減薄作用,可能與華夏在中生代經(jīng)歷的伸展作用有關(guān),但對于揚子和華夏巖石圈差異性演化的原因,華夏地塊伸展減薄的機(jī)制尚不清晰。除了地震方法以外,大地電磁法是研究殼幔結(jié)構(gòu)的另一大支柱地球物理方法,在世界范圍內(nèi)已有許多成功解決大陸動力學(xué)相關(guān)問題的范例。使用大地電磁方法研究華南大陸殼幔電性結(jié)構(gòu)無疑將為解決該地區(qū)深部地質(zhì)問題作出不可替代的貢獻(xiàn)。因此,鑒于揚子和華夏地塊迥異的巖石圈結(jié)構(gòu)特征,我們用試圖利用大地電磁資料構(gòu)建華南巖石圈電性結(jié)構(gòu)模型,揭示巖石圈差異性演化的機(jī)制。巖石圈的導(dǎo)電性結(jié)構(gòu)不僅與地下巖體本身的物質(zhì)成分、孔隙度及孔隙流體有關(guān),還與巖石圈內(nèi)部的溫度、壓力、應(yīng)變等物理狀態(tài)密切相關(guān),能夠間接提供地下深部熱狀態(tài)和流變性特征,這對于揭示華南大陸的形成、演化與深部動力學(xué)機(jī)制具有重要的參考意義。大地電磁法利用天然電磁場作為場源,具有豐富的頻譜信息,其勘探深度可達(dá)地下幾十千米甚至上百千米,是探測巖石圈電性結(jié)構(gòu)的主要方法。將大地電磁數(shù)據(jù)反演后可獲得地下不同深度處的電阻率(或電導(dǎo)率)信息,利用電阻率與地下巖體物質(zhì)成分、孔隙度及孔隙流體的關(guān)系,結(jié)合巖石高溫高壓試驗結(jié)果和地震數(shù)據(jù)資料可間接獲知巖石圈內(nèi)部的溫度、壓力、應(yīng)變等物理狀態(tài)。例如,由大地電磁剖面所得到的上地幔非常低的電阻率特征有可能是地幔物質(zhì)部分熔融的反映,這通常與地震剖面所獲得的深部低速體相對應(yīng)。由于大地電磁法利用的是電磁場感應(yīng)效應(yīng),其分辨率隨深度的增加會逐漸降低。華南地區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá),礦山密布,人煙稠密,一方面環(huán)境噪聲與人文電磁噪聲極其嚴(yán)重,另一方面該區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜,不可避免地存在大量局部電性不均勻體。因此,首先要解決人文噪聲對大地電磁數(shù)據(jù)的干擾問題,盡量獲取高質(zhì)量的野外數(shù)據(jù)。在本研究中,在盡量保證每個測點具有足夠長采集時間的前提下,我們主要利用了遠(yuǎn)參考道技術(shù)來消除每個測點的電磁干擾,同時也嘗試了在不同位置同時采集的互參考技術(shù),在基站張量阻抗的計算中利用另一個與其有一定距離的不受干擾的測點的磁信號,達(dá)到壓制相關(guān)噪聲的目的,獲得了高質(zhì)量的大地電磁數(shù)據(jù)。大地電磁資料處理以往使用的傳統(tǒng)方法為最小二乘法,然而,有研究證明,大地電磁測深資料的誤差分布特征不滿足高斯誤差分布的假定條件,因此本研究將Robust估計方法引入大地電磁測深的阻抗張量計算中,改善了數(shù)據(jù)的信噪比。對數(shù)據(jù)做了阻抗張量分解、構(gòu)造維性分析和相位張量分析后,發(fā)現(xiàn)具有三分之二的測點表現(xiàn)出較強(qiáng)的三維特征,尤其在0.001-0.1 s和0.1-10 s周期范圍內(nèi),很難找到一個統(tǒng)一的電性主軸方位角,雖然可以得出使得GB分解具有最小擬合差的主軸方位角,但該方位角并不明顯�？紤]到華南地質(zhì)構(gòu)造的復(fù)雜性,以往的一維、二維反演手段已遠(yuǎn)遠(yuǎn)滿足不了復(fù)雜地質(zhì)構(gòu)造解釋的需求,要獲得該地區(qū)可靠的電性分布模型,需要利用高效準(zhǔn)確的三維大地電磁反演算法。本研究利用了Kelbert等人基于非線性共軛梯度方法開發(fā)的三維反演算法,在指定的誤差范圍內(nèi)尋找滿足擬合數(shù)據(jù)的最光滑模型,使用了在華南大陸東部面積約180000 km~2范圍內(nèi)225個測點的寬頻大地電磁數(shù)據(jù),通過三維反演獲得了揚子地塊東緣與華夏地塊的巖石圈三維電性結(jié)構(gòu)模型。由于華南東南部靠近中國南海,部分測點可能會受到海洋效應(yīng)的影響。因此,我們根據(jù)海底地形數(shù)據(jù)將海水層加入到初始模型中進(jìn)行了三維正演與反演測試。最終獲得的反演結(jié)果的總體擬合差為1.46,很好地擬合了觀測數(shù)據(jù),四個阻抗張量分量在不同周期的擬合差也與1.46接近,表明不同阻抗張量分量數(shù)據(jù)的擬合均較好,同時,四個阻抗張量分量在多數(shù)測點的平均擬合差也小于2,均表明模型可以很好地擬合觀測數(shù)據(jù)。三維電性結(jié)構(gòu)模型顯示華南東部的電性分層不顯著,巖石圈在縱向和橫向均存在較大變化,西部揚子地塊電阻率普遍高于東部的華夏地塊。研究區(qū)淺部2 km范圍主要為低阻的中新生代沉積蓋層,電阻率在10-50Ωm,上地殼規(guī)模較大的低阻體通常起始于淺地表,有一定的傾向,這些低阻體與區(qū)域斷裂的位置較為一致,認(rèn)為是斷層中聚集的流體導(dǎo)致。下伏高阻的元古代和中生代結(jié)晶基底,由于大規(guī)�；◢弾r體的存在,使得下地殼電阻率高達(dá)1000-10000Ωm。上地幔的電阻率在1000Ωm左右,并存在局部低阻體從軟流圈貫穿至上地幔。因此華南巖石圈并不是簡單的層狀巖石圈,也不是前人認(rèn)為的簡單的“西厚東薄”特征。華南陸塊已經(jīng)不是一個穩(wěn)定的前寒武克拉通,而是經(jīng)歷了多期次的活化和再造。結(jié)合已發(fā)表的地震、重力資料,同時歸納了華南地區(qū)地幔捕虜體獲得的熱結(jié)構(gòu)模型,結(jié)合測點附近的捕虜體熱結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù),重點探討了華南大陸形成與中生代演化過程機(jī)制,取得了以下研究成果:(1)在江山-紹興斷裂位置發(fā)現(xiàn)一南東傾向的低阻異常,認(rèn)為與現(xiàn)今江山-紹興斷裂的傾向一致,為新元古代揚子地塊與華夏地塊的拼合和后期的構(gòu)造事件提供了依據(jù)。作為揚子與華夏地塊碰撞拼合的縫合帶和分界線,該斷裂在新元古代形成后經(jīng)歷了早古生代和早中生代兩期陸內(nèi)造山作用的改造,成為一個巖石圈薄弱帶,認(rèn)為它現(xiàn)今的構(gòu)造形態(tài)暗示了一個巖石圈拆離帶的存在,控制了華南晚中生代巖石圈伸展作用和裂谷構(gòu)造。(2)以江山-紹興斷裂為界,揚子和華夏地塊的巖石圈結(jié)構(gòu)存在較大差異,沿贛杭裂谷兩側(cè)呈現(xiàn)出不同的地形起伏、電性結(jié)構(gòu)、布格重力異常特征和晚中生代巖漿分布,提出“非對稱單剪模式伸展模型”作為解釋華南晚中生代伸展和裂谷作用的機(jī)制和造成揚子和華夏地塊不同的巖石圈演化樣式的原因,中生代華夏受到更強(qiáng)烈的伸展和減薄作用,在贛杭裂谷東側(cè)表現(xiàn)出高熱流值特征,發(fā)育了一系列正斷層和裂谷盆地。(3)在華夏地塊地殼15-20 km處發(fā)現(xiàn)一不連續(xù)的低阻-低速層,認(rèn)為對應(yīng)地殼中的脆性-韌性過渡帶,低阻異常可能與下地殼角閃巖向麻粒巖相進(jìn)變質(zhì)作用產(chǎn)生的流體有關(guān),該流體上升到中地殼并富集在華夏結(jié)晶基底之下。(4)武夷山上地幔70 km以下發(fā)現(xiàn)一低阻異常,計算上地幔結(jié)晶水含量和部分熔融百分比后得出武夷山下部70 km處的結(jié)晶水含量可達(dá)0.1 wt%,可導(dǎo)致1%的部分熔融,上地幔較高的水含量可能是由于古太平洋板塊俯沖帶攜帶的流體水化巖石圈導(dǎo)致的。發(fā)現(xiàn)武夷山具有高海拔、低布格重力異常的特征,推斷武夷山可能經(jīng)歷了巖石圈的拆沉,部分熔融物質(zhì)存在可能暗示軟流圈的上涌。結(jié)合計算的結(jié)晶水含量,獲得了華南上地幔70 km處的流變性結(jié)構(gòu),發(fā)現(xiàn)巖石圈水含量的升高導(dǎo)致有效粘滯度和強(qiáng)度的下降,促進(jìn)了后期的伸展和減薄作用。(5)由于中生代古太平洋俯沖帶入了大量的水,加速了地幔對流,巖石圈底部含水量增加和有效粘滯度的降低導(dǎo)致巖石圈底部穩(wěn)定性的降低,巖石圈底部在重力的作用下發(fā)生失穩(wěn)和拆沉,下沉的上地幔也為軟流圈上涌營造了空間。軟流圈的上涌不斷加熱巖石圈,進(jìn)而解釋了中生代武夷山地表發(fā)生隆起的原因。(6)因此,華南晚中生代的伸展和減薄不僅受制于古太平洋板塊俯沖作用,也受到板內(nèi)巖石圈底部和軟流圈的相互作用。同時,江山-紹興斷裂作為一低角度拆離斷層控制了華南中生代非對稱單剪模式的減薄機(jī)制。本論文的研究表明,華南現(xiàn)今的巖石圈結(jié)構(gòu)和構(gòu)造形態(tài)是在板緣和板內(nèi)共同作用下不斷改造的結(jié)果,本研究為華南大陸再造過程提供了新的地球物理學(xué)證據(jù)。最后,基于以上研究成果,我們將華南巖石圈的基本演化過程分為以下幾個階段:(a)早古生代沿著武夷-云開的陸內(nèi)造山造成巖石圈擠壓增厚;(b)中生代古太平洋俯沖帶入了大量的水,加速了地幔對流,巖石圈底部含水量增加導(dǎo)致粘滯度和穩(wěn)定性的降低,巖石圈在重力的作用下發(fā)生失穩(wěn),下沉的上地幔也為軟流圈上涌營造了空間;(c)由于軟流圈的上涌不斷加熱巖石圈,在中生代武夷山地表發(fā)生了隆起;(d)晚中生代古太平洋板塊的回撤導(dǎo)致伸展,江紹斷裂作為一個古老的巖石圈薄弱帶被再次活化,發(fā)生低角度拆離,兩側(cè)巖石圈發(fā)生不對稱性減薄,即單剪模式減薄。
【學(xué)位授予單位】：中國地質(zhì)大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號】：P631.325

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2 劉文R，

本文編號：2601205