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

(资料图片)

（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）

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

0 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/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。

1 区域地质背景

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])

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

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])

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,Sengör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,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。

图3   典型MT测点测深曲线

数据已旋转至构造走向N45°E:(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-增生杂岩带;(f)3637点,位于白乃庙弧

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。

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。β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。β的值越大,表示大地电磁测深数据的三维性越强;当β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β的值小于5°时,地下介质可近似地看作是二维的。

图4   相位张量椭圆示意图

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。

图5   MT剖面相位张量分析图

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MT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电性主轴分布情况,如图6所示。每个图中蓝色和红色交叉的十字是每个测点的电性主轴方向(即两个相互垂直的可能的电性主轴方向),蓝色表示首选的电性主轴,表示可能的构造走向。当地下的电性构造可以看作是二维的时候,一般可以认为两个互相垂直的电性主轴方向分别与地质体的构造走向和倾向一致。然后结合当地的地表地质构造特征资料,最终确定MT剖面的整体电性主轴方向。MT测点按地质单元分组,整个剖面分为三部分:北部造山带、索伦缝合带和南部造山带。对于图6所示的4个周期带,分别对每个测点进行阻抗张量分解。

图6   北部造山带(NOB)、索伦缝合带(SSZ)以及南部造山带(SOB)构造走向分析结果图(0.1~1 s, 1~10 s, 10~100 s, 100~1000 s)

由图6的分析结果可知:在研究区域内,主要构造(如山脉和主要断层)大致遵循NE-SW向的构造走向。玫瑰图还表明,在这4个不同的周期带上,N45°E附近的区域走向占主导地位。根据这些结果,确定区域走向为N45°E,所有MT数据沿区域走向分解为两个独立的极化模式(TE和TM)。在此基础上,对MT数据进行二维反演。

2.3 二维反演

本文采用基于非线性共轭梯度[31]算法的二维反演方法对MT剖面数据进行二维反演。采用了不同的极化模式数据(TE、TM和倾子Hz)和不同的反演参数进行了反演研究。蔡军涛等[32]通过正演研究发现在对三维模型生成的大地电磁测深数据进行二维反演时,TE模式的数据非常容易受到三维电性异常体畸变效应的影响,并且TE模式对模型的二维的近似程度要求远高于TM模式。相比之下,TM模式数据受三维畸变效应的影响较小,能够更准确地反映出沿剖面方向电性体分布的几何形态[33],更适合用来进行二维反演。此外,TM模式对地下介质中高阻体的识别要好于TE模式。当TE模式的数据受到三维异常体的影响比较严重时,通常会采用TM模式或者TM+Hz模式的数据进行二维反演[34-35]。

本文对剖面数据采用了6种不同的极化模式组合(TE、TM、TE+Hz、TM+Hz、TE+TM、TE+TM+Hz)并给予不同的参数进行反演研究。全部模型使用的相同的反演参数包括:初始模型为100 Ω·m的均匀半空间,TE模式和TM模式视电阻率的误差级数均为10%,相位误差级数均为5%,Hz的误差为0.05,正则化因子(τ)=10,反演模型在迭代200次后拟合了TE、TM和Hz数据,如图7所示。其中,正则化因子(τ)是通过如下方法确定:选用不同的正则化因子(τ)值进行反演,以各个模型的粗糙度(Roughness)为横轴,均方根误差(RMS)为纵轴做L曲线图(图8),在拐点处的τ值即保证了模型的光滑程度,又与原始MT数据有很好的拟合关系[36-37]。因此,选择拐点处对应数值10为建立模型时的τ值。

图7   采用了不同的极化模式组合数据的MT剖面二维反演结果对比图

(a) TE, RMS=10.4880; (b) TE+Hz, RMS=6.2506; (c) TE+TM, RMS=8.2160; (d) TM, RMS=2.0638; (e) TM+Hz, RMS=1.8648; (f) TE+TM+Hz, RMS=5.6441

图8   剖面不同正则化因子反演得到的模型粗糙度与拟合误差曲线L

结合研究区MT剖面经过区域的电性结构基本特征,对比图7所示剖面的6种反演模式的反演结果可以明显地看出,与TE模式相关的二维反演结果的拟合差都大于5。而TE模式不参与的二维反演中,TM模式和TM+Hz模式的二维反演结果的拟合差都小于2。TM+Hz模式的反演拟合差要小于TM模式,说明TM+Hz模式二维反演的拟合程度更好,可以更准确地反映出地下介质的电性结构特征。图9是MT剖面的TM数据和Hz数据的拟断面对比图,通过对比可以看出,TM模式与Hz的实测数据同反演模型计算生成的模型响应数据非常接近,进一步说明了反演的拟合情况较好以及反演模型的准确性。此外,倾子Hz其实质是垂向磁场与水平磁场的复数比值,该参数被用来反映地下介质导电性的横向变化[38-39],能够有效地反映断裂、破碎带等的构造走向特征[40-41]。因此,本文最终选择了TM+Hz模式的二维反演结果作为最终的电性结构模型,反演拟合差为1.8468,如图10所示。

图9   TM(a)和Hz(b)的实测数据与响应数据拟断面图

图10   MT剖面二维电性结构模型

2.4 敏感度测试

通常来自天然电磁场的信号很容易穿透高阻体,并且对低阻异常非常敏感。然而,电磁信号在地下介质中扩散传播的物理特性意味着MT数据无法准确确定低阻体的下边界。由于缺乏长周期数据的支持,无法确定剖面左侧低阻区域的真实深度,特别是低阻体C1和C2的下边界。因此,本文通过计算初始2D反演模型后修改的一组模型新响应的RMS变化来研究MT数据是否对这些修改敏感。本文创建了一组新模型,其下边界分别限制在100 km、80 km、60 km和40 km深度。通过正演模型计算新的响应数据,初始模型和这些修改模型的逐点RMS误差分布如图11所示,低阻区下边界的降低(图11(c))将导致低阻区上方MT测点的RMS 误差值明显增加。当下边界限制在100 km以浅时,随着约束深度变浅,除了逐点RMS 误差外,总体RMS 误差也会增加(图11(a))。研究结果表明,本文采用的MT数据对低阻体C1、C2下方的电性结构非常敏感,因此剖面左侧低阻区域的下边界深度是不低于100 km的。

图11   初始二维反演模型和多个正演模型沿剖面的RMS分布(a)初始二维反演模型(b)和限制不同深度的正演模型(c)

对于剖面右边以高阻为主要特征的区域,本文采取了同样的策略,改变了初始模型60 km、80 km、100 km以下的电阻率特性,图12给出了最终的RMS误差分布图。研究结果表明,初始2D反演模型对这些修改是敏感的,剖面右侧100 km以浅的电性结构是根据MT数据正确反演的真实结构。

图12   初始二维反演模型和多个正演模型沿剖面的RMS分布(a)初始二维反演模型(b)和限制不同深度的正演模型(c)

3 模型的解释与讨论

本文的研究成果跨越了中亚造山带东段的三个主要地质单元,即从北西到南东的北部造山带、索伦缝合带和南部造山带(图13)。从反演模型可以看出,沿着剖面区段内地壳、上地幔电性结构沿南北方向上整体表现为横向分块的特点。区块在剖面上的分界线位于点3485附近,点3485以北以广泛分布的低阻为主要特征;点3485以南则以高阻为主要特征。沿剖面有两处主要的高阻体,标记为R1、R2。沿剖面有几处重要的低阻体,分别标记为Dn1—Dn4、C1—C4。研究区的莫霍面深度为43 km左右[13],Dn1—Dn4位于地壳中,C1位于上地幔,C2—C4从地壳延伸至上地幔。

图13   MT剖面二维电性结构模型解释图

(a)沿剖面地形图; (b)根据图2简化的区域地质单元; (c)根据图1(b)简化的大地构造单元; (d)二维电阻率模型;UB.乌里雅斯太陆块;HB.贺根山增生杂岩带; BLB.宝力道弧增生杂岩带;SSZ.索伦缝合带;OSB.温都尔庙俯冲-增生杂岩带;BNB.白乃庙弧;Moho(莫霍面)深度据文献[13]

3.1 北部造山带

该区域的西北侧是乌里雅斯太陆块,该带的发育基于前寒武纪—寒武纪被动边缘[42]。该构造单元在内蒙古北部整体呈条带状分布,地形主要为山区或丘陵山地,最明显的地表地质特征是广泛分布了数公里厚的夹杂着碱性花岗岩的石炭—二叠纪火山岩层;由于受到南部查干敖包断裂带的逆冲推覆作用,这一火山岩层产生了强烈的褶皱变形[8,43]。高阻体R1的电性结构表明基底是“冷”的,且流体含量很低。地震折射和广角反射资料揭示(图1中CHSP剖面),乌里雅斯太陆块被成像为具有高速地震速度特征和地震透明带特征的未变形岩浆体,最有可能是晚二叠世和中生代花岗质岩基[13]。在本文的模型中反映的乌里雅斯太陆块的电学性质与地震剖面的分析结果一致。

在R1南侧,查干敖包断裂带标志着乌里雅斯太陆块和贺根山增生杂岩带之间的边界。地质资料显示,该断裂带具有一定的逆冲推覆特征[43],在本文的模型中,该断裂带是一条北倾的低阻带,在剖面范围内从地表延伸至莫霍面附近。

剖面上查干敖包断裂带与二连—贺根山断裂带之间的区域被称为贺根山增生杂岩带。该区域地表地质特征较复杂,地表广泛分布了数公里厚的杂岩沉积[44-45]。在本文的模型中,贺根山增生杂岩带总体上表现为浅表地层低阻带,低阻带在二连盆地(图2)区间内厚度最大,这应该是盆地内地表湖相沉积[46]的反映。岩石圈内广泛存在的低阻区域反映了该区域不稳定的特点,可能是古亚洲洋俯冲闭合后的残留洋壳或者软流圈上升流体的反映。低阻层Dn1呈先上凸后下凹的弧形分布,从Dn1的几何特征来看,本文推断该低阻层可能是受到了查干敖包断裂带的逆冲推覆作用。

二连断裂带与锡林浩特断裂带之间的区域被称为宝力道弧增生杂岩带,地表地质特征为大范围分布夹杂了板片状蛇绿岩块体的早二叠纪复理石沉积,一般厚度为几公里,局部地区厚度可达10 km以上[47]。该区域在电性结构模型上浅部以高阻为主要特征,上地壳高阻体应当是早二叠世复理石杂岩的电性体现。二连断裂带与锡林浩特断裂带表现为北倾的低阻异常带,在上地幔60 km深度范围内存在一处低阻体C1。

北部造山带整体电性结构以低阻为主要特征。但地壳与上地幔中的低阻体需要不同的机制来解释。地壳中的低阻体相对较为复杂,在构造活动区,盐水流体、部分熔融、石墨或硫化物矿物堆积等因素都可以用来解释低阻体[48-49]。但是,剖面下方地壳的高导层Dn1和其他低阻体不太可能是部分熔融,因为近期没有构造活动,且热流值较低[50]。含水流体可能也无法解释这些低阻体,因为在没有补给的情况下,含水流体一般无法在地壳中持续存在数亿年[51]。因此,地壳中的低阻体更可能是石墨或硫化物矿物堆积的反映。

而上地幔中的低阻体可以用橄榄石中的氢扩散、水、石墨或硫化物矿物、部分熔融等一系列机制来解释。但是,低阻体C1则更可能是部分熔融的反映。首先,C1的电阻率太低,无法用橄榄石中的氢扩散来解释;其次,C1也不太可能是含水流体的反映,因为在地质时间尺度上,如果没有某种合适的补给机制,含水流体将无法保留在下地壳或地幔中。石墨类矿物堆积是另一种可能的解释,但其长期稳定性取决于地壳和地幔的温度[52]。根据Sun等人[53]的三维热模型,研究区上地幔的温度范围800~1000 ℃,深度范围为40~70 km,石墨矿物堆积在这种条件下不太可能是稳定的。因此,部分熔融可能是低阻体C1形成的合理解释。

3.2 索伦缝合带

索伦缝合带的电性结构特征最具特点,该区域可以看作是整个剖面电性特征从低阻到高阻的过渡区,其电阻率的变化特征似乎与该地区南北重力梯度带[54]的重力变化特征有相似之处,这表明现今的电性特征可能是由相对较新的构造事件和岩浆作用引起的,而不是该地区古生代和中生代期间形成的构造。从成因的角度分析,根据上文的研究内容,Dn2、Dn3、C2—C4更可能是硫化物或石墨堆积物的电性反映。上述低阻体(带)的成因还可与中亚造山带成因类似地区的MT资料相比较,如Iapetus 缝合带[55],在其中发现的倾斜低阻层,同样被解释为Iapetus海洋闭合期间沉积的含硫化物、石墨沉积物层。

在索伦缝合带其他地区先后发现的北倾低阻带[56](图1中DMT剖面)和南倾低阻带[57](图1中YMT剖面)都被解释为中亚造山带东段的缝合带。从电性结构的几何特征分析,北倾低阻带Dn2和南倾低阻带Dn3同样可以被解释为缝合带。但是,由于2条低阻带与地质边界和缝合带位置并不重合,从这一几何结构来看,本文进一步推断该区域可能在缝合之后还发生了新的构造事件(图14)。

图14   中亚造山带东段演化的连续增生模型(修改自文献[14,63])

3.3 南部造山带

南部造山带以高阻体R2为代表的高阻岩石圈为特征。在上述正演研究中,已验证高阻体R2为剖面反映的真实结构,代表了南部造山带岩石圈的电性特征。近地表(

林西断裂带标志着索伦缝合带和南部造山带之间的边界,在本文的模型中,该断裂带表现为东南倾斜的低阻带,切入R2的高阻基底,深度约为10 km。西拉木伦断裂带是白乃庙弧(带)和温都尔庙俯冲-增生杂岩(带)[14]的分界线,该断裂带表现为东南倾斜的低阻层,结合前人研究成果[13,61]分析可知,低阻带Dn4似乎只是该断裂带的局部反映。

3.4 构造涵义讨论

目前关于中亚造山带东段内蒙古中部地区的构造演化过程的看法比较多[7-8,28,62-63],但基本上可以归纳为两种模型,即连续增生模型与单一岩浆弧模型。从本文中MT剖面的电性结构模型可以看出,在中亚造山带东段内蒙古中部地区存多条南倾和北倾的低阻带,剖面反映的整体几何结构支持这样的构造模型:板块的俯冲、碰撞发生了数次,有多条的俯冲缝合带。因此,本文对于中亚造山带东段构造演化模型的看法倾向于图14所示的连续增生模型。

索伦缝合带是整个剖面电性特征从低阻到高阻的过渡区。从这个区域的电性结构模型(图13(d))上能够看到,存在一条北倾的低阻异常带Dn2和一条南倾的低阻异常带Dn3,两条低阻异常带互相交叉,且两条低阻异常带的下方均存在高导体。从整个剖面的电性特征来看,该地区是北倾的低阻异常带和南倾的低阻异常带的交叉汇聚区域。此外,该区域内的电性差异是地壳尺度的,这符合缝合带的电性特征。

南部造山带的岩石圈地幔形成过程与华北板块下方的岩石圈地幔形成的过程类似[64],可以用“蘑菇云”模型[65]来描述:老的岩石圈地幔被拉开,热的软流圈物质沿着断裂带等较弱的区域向上喷涌并蔓延开来,最终冷却形成新的岩石圈地幔,这一地质事件导致了岩石圈的增厚。MT剖面是构造历史的快照,高阻体R2应该是上述导致岩石圈增厚地质事件的电性反映。

4 结 论

(1)二维反演结果表明,沿着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点。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。剖面经过区域内地壳中的低阻体可能为与俯冲有关的硫化物或石墨堆积物,上地幔中的低阻体为部分熔融。

(2)北部造山带的电性特征表明该区域基底是不稳定的,整片低阻区域可能是古亚洲洋闭合后残留洋壳或者软流圈上升流的电性反映。索伦缝合带地区存在多条南倾/北倾的低阻带,但是与区域内地质边界并不重合,这表明该区域可能在缝合之后还发生了新的构造事件。南部造山带的电性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。剖面整体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在研究区内可能还发生了诸如软流圈流体上升、岩石圈增厚等新的构造事件。

(3)该区域电性结构的几何特征符合缝合带的特点,这样的电性特征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依据。

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