华北地区大地电磁测深及岩石圈厚度讨论

近些年来，随着地球科学的进展，大陆岩石圈导电性结构的研究越来越引起人们的重视。这是因为固体地球物理学研究的结果告诉我们，有关大陆岩石圈导电性的研究有可能为当前地球科学各领域的进展提供重要的物理依据。大地电磁测深是从导电性的角度研究地壳和上地幔结构不可缺少的方法。长期以来，国内对此开展了大量工作：而当前，随着科学技术发展，无论是仪器、数据采集或数据处理和反演技术都有了长足的进步。中国的大地电磁测深已实现超宽频带、高精度测量技术；在数据处理和反演等方面也基本与国际先进技术接轨。因此，在2001年，沿着山西应县到山东商河，布置一条大地电磁测深剖面进行研究。采用现代先进的大地电磁数据处理技术和快速松弛二维反演方法获得该剖面二维电性结构模型，从而充分展示了华北地区岩石圈电性结构的特点。从电性特征上讲，华北岩石圈以太行山前断裂为界划分为东、西两区。东区为低阻区，上地壳电性结构基本与华北裂谷系的隆、坳构造格局相对应，岩石圈的电导最高达30000S，远远大于强烈活动的安第斯山岩浆弧区和西藏高原岩石圈的电导。西区为高阻区，太行山和恒山的岩石圈为高阻块体，表现出稳定大陆区岩石圈导电性结构的特点。但恒山高阻块体之下发现一组向西缓倾的高导层，其电导率为0，04~o，25S／m，顶面在20krn深处。底面深约40km。研究结果表明，华北裂谷盆地范围内地壳的电阻率很低，属于良导电性的地壳，这可能是由华北裂谷盆地的壳、幔热结构、热状态所决定的。根据对大陆电阻率模型的讨论。推测鄂尔多斯地块的上地幔也许不存在前人所界定的“软流圈”的性状：而华北裂谷盆地虽然是中新生代构造活动区，活动性较强，但与年轻的火山岛弧区或剧烈的构造活动区相比仍有一定差别，因而，上地幔“软流圈”的痕迹并不明显。这也许正是根据现今应县-商河剖面上大地电磁的探测结果看不出来存在通常所说的反映“软流圈”电性特征的“上地幔高导层”的原因。不过，根据这结果还是可以得出；在华北地区西部的地壳和岩石圈厚度大于东部。但更准确的结果还有待于更深入、更精细的地球物理探测。     

华北中部岩石圈电性结构——应县—商河剖面大地电磁测深研究

20 0 1年, 沿着山西应县到山东商河, 重新布置大地电磁测深剖面进行研究.采用现代先进的大地电磁数据处理技术和快速松弛二维反演方法获得该剖面二维电性结构模型, 从而充分展示了华北地区岩石圈电性结构的特点.从电性特征上讲, 华北岩石圈以太行山前断裂为界划分为东、西两区, 东区为低阻区, 西区为高阻区.在东区, 上地壳电性结构基本与华北裂谷系的隆、坳构造格局相对应, 岩石圈的电导最高达3× 104 S, 远远大于强烈活动的安第斯山岩浆弧区和西藏高原岩石圈的电导.这里, 在构造连接部位的地壳中有不连续的高导体存在, 电导率大约0.1~ 0.8S/m.在西区, 太行山和恒山的岩石圈为高阻块体, 表现出稳定大陆区岩石圈导电性结构的特点.但恒山高阻块体之下发现一组向西缓倾的高导层, 其电导率为0.0 4~0.2 5S/m, 顶面在2 0km深处, 底面深度大约40km.      

华北地区东部岩石圈导电性结构研究——减薄的华北岩石圈特点

华北古大陆克拉通解体、岩石圈减薄的深部过程,对于建立中国大陆中新生代演化动力学模型是亟待深入研究的重要科学问题,因而"华北克拉通破坏"也就成了当前学术界的热门话题。为了研究"华北克拉通破坏"首先需要给出较准确的华北岩石圈结构,这必须依靠包括超宽频带高精度大地电磁深探测在内的现代深部地球物理探测技术。2001和2005年在华北地区东部布置了应县—商河(HB-MT01)、文水—日照(HB-MT02)大地电磁测深剖面进行研究。研究结果表明,在华北地区东部沿地壳-上地幔探测剖面可划分为4个电性区,区内发现有下地壳高导带和上地幔高导层存在。文中依据研究区壳-幔电性结构特征,推断华北地区东部地壳和上地幔之间发生过大规模构造运动,导致壳-幔之间存在解耦现象。研究结果还发现,华北东部确实存在岩石圈减薄区,其岩石圈厚度约50~80km厚。岩石圈明显减薄的区域包括北太行山隆起、华北裂谷带北部和鲁西断隆,其范围比原先认识到的要复杂,并非以太行山重力梯度带为界划分东、西两区,简单地认为东区即是减薄区。此外,在华北地区东部的现代高精度大地电磁探测结果也进一步证明了地球物理观测对于大陆动力学研究的重要性,这使人们更加认识到在今后的研究中必须强调地球物理-地质-地球化学之间的有机结合。     

长江中下游南京（宁）-芜湖（芜）段深部壳幔电性结构——宽频大地电磁测深研究

为了较全面、客观地认识南京(宁)-芜胡(芜)地区岩石圈深部结构,探讨岩石圈热结构和壳、幔物质状态等重要科学问题,为矿集区成矿作用和成矿规律的研究提供依据,我们完成了6条宽频大地电磁测深剖面。通过分析各剖面电性成像结果,讨论了研究区地壳-上地幔导电性的"拟三维"结构,发现测区普遍存在连续的下地壳-上地幔低阻层,仅在巢湖冲褶体断开。结合区域热流结果,我们认为下地壳-上地幔有较好的导电性,可能存在局部"熔融体"或"含水剪切断裂",其物质状态很可能是热的、软弱的。此外,我们通过物质状态和电性界面推断了上地幔隆起的位置和长江深断裂带的分布范围,认为长江断裂带不但存在,而且由多条北深南浅的断裂组成,较为复杂。     

中国大陆地壳上地幔不均匀性与矿产资源预测

在充分收集、整理、综合研究中国大陆11条地学断面(简称GGT)、数十条其它地球物理剖面(地震剖面、大地热流、大地电磁测深等剖面)和覆盖中国大陆及邻区的剪切波三维速度结构资料的基础上,阐述了中国大陆及邻区地壳结构、岩石圈结构和软流圈结构,并对中国大陆矿产资源预测作了简单的讨论。中国岩石圈结构是在三种不同性质的软流圈基础上发展起来的,有明显的继承性。中国岩石圈结构在某种程度上与大地构造单元相吻合,说明地壳构造受到岩石圈的影响和制约。尤其在地震波垂向低速带上(地壳上地幔都表现为低速性质)是内生多金属矿带的良好产出环境。     

龙门山断裂带及其邻区电性结构特征

龙门山断裂带是中国大陆地壳中著名的造山带和地震带。为了研究龙门山逆冲推覆构造的深部结构及其与青藏高原物质东向逃逸之间的关系,布置了跨越西秦岭造山带、松潘—甘孜褶皱带、四川盆地的4条大地电磁测深剖面,每条剖面有宽频大地电磁测深点20个,共计80个宽频大地电磁测深数据以及16个长周期数据;进行了二维、三维反演,得到了电性模型。研究结果显示:在30 km以浅,龙门山断裂带基本上与电性梯度变化带相重合,说明龙门山断裂带是深达地壳中部的深大断裂带;松潘-—甘孜褶皱带在20 km以浅呈现以高阻为主的较为复杂的电性结构分布特征,这与其复杂的地表构造有关;在20 km以深,接近龙门山断裂带附近呈现为高阻,推测此高阻可能是对四川盆地的基底的反映,表明松潘—甘孜褶皱带以龙门山断裂为界推覆至四川盆地之上;推断青藏高原物质东向逃逸,有可能从松潘—甘孜褶皱带深部沿礼县—宕昌一带向东北方向逃逸,这一运移主要是发生在18 km以下、30 km以上的中下地壳范围内,物质逃逸的主要形式是部分熔融。     

西藏高原中南部地壳与上地幔导电性结构

根据2001年国土资源部"十五"青藏专项研究计划项目"西藏高原南部岩石圈电性结构的大地电磁研究"所完成的吉隆-措勤剖面(800线)以及2004年教育部重大项目"藏南雅鲁藏布江缝合带地区地壳三维电性结构及其构造地质学与动力学意义的研究"所完成的定日-措迈剖面(900线)超宽频带大地电磁测深数据,研究西藏高原中南部地壳及上地幔电性结构特征及雅鲁藏布江缝合带导电性结构特征:800线和900线上地壳范围内主要为高阻区,电阻率在200~3000Ω.m之间,顶面大范围出露,底面一般在15~20km深度处,整体上,高阻区底面由南向北逐渐加深,再向北又逐渐变浅,900线高阻体底界深达30km,而800线高阻体底界更深达38km;地下15~45km深度范围内存在一组电性梯度带,该电性梯度带之下存在一组硕大的高导层,其电阻率小于5Ω.m,高导层由规模不等且不连续的高导体构成.雅鲁藏布江以南的中地壳高导体,规模较小,厚度在10km左右,产状略向北倾;雅鲁藏布江以北的高导体,规模较大,厚度在30km左右,产状向北缓倾;相比之下,900线的高导体厚度较小,顶面深度较浅.通过对岩石电阻率影响因素的讨论,推测高导体的成因是部分熔融或含水流体,判断藏南巨厚的中、下地壳的物质状态是热的、软弱的、塑性的.     

中国大陆岩石圈导电性结构研究——大陆电磁参数“标准网”实验（SinoProbe-01）

"中国大陆地壳探测计划"的首要目标是岩石圈物性结构、构造和物质组成的探测,这包括大陆岩石圈的地震波速度、密度、磁性、导电性和放射性结构研究。其中,大陆岩石圈导电性结构的研究越来越引起人们的重视。利用岩石圈导电性结构模型不仅可以推断地球内部的岩、矿石组成和地质构造轮廓,还可以间接提供有关地球内部热结构的信息,为研究地球内部物质状态、地壳运动过程及其动力学机制等科学命题服务。因此,很多发达国家自上世纪70年代以来,陆续启动了岩石圈导电性结构探测。2004年,美国开始了"地球透镜计划(EarthScope)";其中,"大地电磁阵列"(USArray)是整个计划中的重要部分,是一个大陆尺度的大地电磁场观测计划,它将为北美大陆的构造与演化提供新的约束。在中国,大陆岩石圈导电性结构研究虽取得一系列重要成果,但也仅限于对其基本格局有一定认识,远远满足不了大陆动力学问题研究的需要。为了研究中国大陆形成、演化机理,首先需要确定中国大陆岩石圈三维构造模型、热结构和流变性特征,而这一切都与更详细、更准确的中国大陆岩石圈导电性结构有着密切关系。为了实现构建中国大陆岩石圈电磁学参数三维数据体及导电性结构标准模型的目标,"深部探测技术与实验研究专项"设立"大陆电磁参数标准网实验研究(SinoProbe-01)"项目,解决大陆尺度、阵列式(Array)大地电磁场(MT)标准网观测计划的关键技术问题,研究具体的实施方法技术,并提供示范性成果。项目将尽可能预先建立覆盖全国、网度为4°×4°的阵列式区域大地电磁参数标准网控制格架,并以华北和青藏为基地创立阵列式区域大地电磁场"标准点"1°×1°观测网的构建方法、技术;构建华北和青藏地区壳、幔电磁参数三维结构标准模型"格架",以及不同网度的壳、幔物性三维结构模型,为覆盖全国的阵列式区域大地电磁"标准点"观测网最佳网度选择提供依据,为最终建立中国大陆岩石圈三维导电性结构标准模型奠定基础,为预测我国超大型金属成矿远景区提供方向。完成本项目研究将对揭示中国大地构造特点和岩石圈结构提供重要依据,对油气及固体矿产资源远景评估提供制约,并对完善后板块大地构造理论有重要意义。开展这方面的研究将揭开中国大地构造地球物理学新阶段的序幕,为中国可持续发展与地球科学的进步作出贡献。     

基于MapGIS组件二次开发MT成果数据的查询及应用

为了方便快捷地利用大地电磁测深来研究深部地壳和上地幔岩石圈层的信息,这里以首次建立的大地电磁测深成果MicrosoftSQLSever数据库为基础,结合VisualBasic语言与MapGIS组件二次开发技术,实现了大地电磁测深成果的空间数据和属性数据信息的查询等功能,其可为不同研究区的岩石圈壳幔电性结构特征的研究提供便捷的技术支持。同时以长江中下游重要成矿区带为例,利用大地电磁测深成果数据的查询功能,开展了岩石圈电性结构的初步研究,并取得了一定的应用效果。     

喜马拉雅东构造结岩石圈板片深俯冲的地球物理证据

2009～2010年在南迦巴瓦地区进行了宽频带地震和大地电磁探测,分别处理获得东构造结及其邻区的地下300km以上的P波速度图像和两条大地电磁电阻率剖面。通过资料的对比和综合解释,发现电阻率分布与地震波速有较好的对应关系。研究结果表明:南迦巴瓦变质体的上地壳部分呈现明显高速高阻特征,为两侧的雅鲁藏布江缝合带所夹持;中下地壳具有不均匀性,且普遍呈低速低阻特征;印度板块在藏东南向欧亚板块的俯冲前缘越过嘉黎断裂,抵达班公湖-怒江缝合带;在拉萨地体的高速俯冲板片以下100km至200km深度范围内存在大规模的低速异常带,其上盘中下地壳也广泛发育低速高导体,指示青藏高原东南缘可能存在韧性易流动的物质向东、东南逃逸的通道,为印度板块在南迦巴瓦的深俯冲动力学模式提供了地球物理证据。     

先进的大地电磁资料处理和反演方法在INDEPTH-MT中的应用研究

简述了包括Ｒｏｂｕｓｔ估计、阻抗张量分解、Ｒｈｏｐｌｕｓ理论、二维快速松弛反演、静位移校正等一些先进的大地电磁资料处理和反演方法的理论。结合ＩＮＤＥＰＴＨ ＭＴ实测资料例举了它们的应用效果。提供了一套处理野外资料的系统流程。     

青藏高原东缘地壳上地幔结构及其动力学意义

本文综述了我们在青藏高原东缘实施的垂直切过龙门山断裂带宽频带地震探测的研究成果,揭示了研究区复杂的地壳上地幔结构,结果表明松潘-甘孜地块与四川盆地西缘莫霍面深度为58 km与40 km±,在龙门山断裂带下方存在约15 km的莫霍面错断; 松潘-甘孜与龙门山断裂带域地壳纵横波速度比Vp/Vs比值远大于173,预示着粘性下地壳流或基性/超基性物质的存在。探讨了研究区强烈的盆山之间以及深部不同层圈之间的相互作用,推断四川盆地对青藏高原东缘软流圈驱动的物质东向逃逸阻挡作用可能深达整个上地幔。     

用大地电磁勘探方法研究大陆动力学(英文)

大地电磁法通过测量地表的天然电场和磁场来提供地壳和上地幔的电阻率图像。在仪器和处理解释技术方面的进展使得大地电磁法现在能够快速采集大地电磁数据并进行二维或三维地质模型解释。由于电阻率对地下连通的流体 (如局部熔融和水 )反应灵敏 ,大地电磁资料能够给出地球介质结构成分和流变特性的信息 ,作为地震勘探所获得信息的补充。大地电磁法现在被应用于对构造运动活跃区域的大陆动力学研究。对美国圣安德烈斯断层的大地电磁研究已经揭示了地震比较活跃的断层区段和在脆性上地壳中的断裂带的电阻率之间的相关性。在青藏高原采集的大地电磁资料描绘了地壳中的主要局部熔融区域 ,其结果和大陆碰撞地球动力学模型的结果相一致。将大地电磁法应用于大陆动力学研究肯定能获得对形成大陆地壳的构造运动过程的新见解 ,尤其是在有“研究大陆动力学的天然实验室”之称的中国的构造运动活跃区域。     

大地电磁测深在火山区地热研究中的应用

大地电磁测深(MT)由于勘探深度范围较大,且对温度、流体、岩浆房和岩性等与热储相关的地质条件的敏感度较高,因而成为火山区地热勘探和岩石圈结构研究中常用的一种地球物理勘探手段。地壳和上地幔的电性结构与热结构之间存在着密切的联系,通过解读二者的关系,可以刻画更为精细的岩石圈结构模型,进而掌握火山区的构造特征和热演化过程,了解其岩石圈地球动力学机制。本文着重介绍了MT方法的原理以及从野外数据采集到后期数据处理的过程,综述了MT法的应用特点以及电导率与温度之间的关系,通过实例分析,介绍了国际上这一方法在火山区地热勘探和岩石圈热结构研究中的应用进展,展示了MT法在新西兰Taupo火山区Ngatamariki高温地热田0~3km地热资源勘探中的应用;以埃塞俄比亚Afar省的Tendaho地热田和Badi火山为例,分别讨论了0~20km和0~50km不同深度的电性结构特征及其与温度存在的内在联系,探讨了形成火山的驱动机制;以日本九州岛的Shinmoe-dake火山为例,介绍了大地电磁测深和温度监测在火山监测方面的应用。最后简述了国内MT法在火山区的应用进展以及存在的问题,并利用上地幔电导率与温度的关系以及岩石圈内硅酸盐熔体不同含水量引起的电导率随温度的变化关系,初步估算了长白山天池和阿尔山火山区的莫霍面以下的温度以及长白山天池火山区的高温岩浆房温度。     

大地电磁测深(MTS)用于研究地壳上地幔的初步成果

地质矿产部物化探研究所自1980年先后完成了青藏、川滇、华南、甘肃、新疆、内蒙、山西、松辽、长江中下游、秦岭等地区的深大地电磁测深剖面约6800km。得出了剖面通过地区地壳、上地幔的电性结构,研究了各电性单元与地质构造单元的关系,对发现的地壳、上地幔内低阻层的成因进行了探讨。根据已掌握的深大地电磁数据编制了中国大陆电性图件,得出中国大陆岩石圈的平均厚度为100～120km,东部地区薄,西部地区厚的结论。利用高温高压岩石电阻率测定结果,粗略地给出了剖面通过地区岩石圈内主要的物质组成。     

INDEPTH 与 INDEPTH-MT 项目简介

摘　 要　 介绍了 “国际喜马拉雅和西藏高原深剖面及综合研究” （简称 INDEPTH） 项目概况、 科学目标和已取得的主要科学成果。着重阐述了作为该项目组成部分的由中国地质大学 （北 京）、美国华盛顿大学 （西雅图）、加拿大地质调查局合作进行的 “国际喜马拉雅和西藏高原 深剖面探测的大地电磁研究” （简称 INDEPTH-MT） 的任务、科学目标和主要成果以及采用 的仪器设备、野外数据采集的方法和技术以及数据处理与反演方法所具有的特色和先进性。     

粤北地区乳源-潮州MT剖面深部电性结构及地学意义

为了揭示粤北地区岩石圈深部结构、深大断裂性质及花岗岩分布规律等科学问题,布设了乳源-潮州宽频带大地电磁探测剖面。由二维反演得出的电性结构,讨论了粤北地区岩石圈导电性结构特点。沿剖面存在3个花岗岩分布区,呈现不同的类型,可能代表不同的成因模式。沿剖面划分3条北东向断裂带:吉安-四会断裂、赣江断裂于韶关东形成宽度近20km的低阻区域,其间形成断陷盆地;河源-邵武断裂带,其两侧发育壳幔高导层并发育壳幔混合型花岗岩,深部电性结构复杂,可能为壳幔剧烈作用的场所;丽水-海丰断裂带,控制了燕山晚期花岗岩的分布。韶关、连平之间和龙川、丰顺之间50～150km存在2个巨大的低阻体,可能是地幔物质底侵作用的"通道";且底侵方向指向连平和龙川之间的区域,由于底侵作用力贡献,发育了一系列的壳内和上地幔高导层。粤北地区岩石圈从西向东逐渐减薄,从100余km减薄到60km,反映了太平洋板块对欧亚板块的消减作用。潮州100km深度以下的中-低阻特征,推断为太平洋板块俯冲作用留下的"洋壳"物质。