苏鲁超高压变质带北部地球物理调查（1）─-深反射地震

苏鲁超高压变质带是世界上研究陆一陆碰撞俯冲和壳幔作用的最佳地质场所之一．为了解超高压变质带岩石的形成、折返和相应的动力学过程,必须了解该区的地壳和浅地幔构造．本文介绍了该区北部的地质情况和进行深反射地震调查取得的成果,包括（１）在五莲─青岛断裂南侧超高压变质岩片向北倾斜,呈现叠复组构,反映岩片的折返;（２）根据地震资料推测在１４６Ｍａ前后胶南地块的隆升一伸展构造内幕;（３）超高压变质岩片厚约１２ｋｍ,由于含有大量相辉岩透镜体,地震波速高达６．８─７．３ｋｍ／ｓ;（４）莫霍面附近有许多楔形反射体,反映陆一陆碰撞;（５）石门地区７ｋｍ深处存在高波速的强反射体,可作为在该区进行大陆科学钻探的候选场址．     

郯城-涟水综合地球物理剖面

在穿过苏鲁地体的郯城-涟水剖面上进行了深反射地震和大地电磁调查,剖面全长１３９．５ｋｍ,取得了高质量记录,一级品记录高达８５％。结果表明：（１）苏鲁超高压－高压变质岩片向北西倾斜,表现为高速高阻岩片,并受到强烈的变形,反映了超高压岩片的俯冲与折返;（２）杨子克拉通向北俯冲在苏鲁地体之下,表现为常速、中低阻的挠曲板状体,内部有大量反映碰撞的反射楔形体;（３）嘉山-响水断裂带向南陡倾,低阻带直通浅地幔,具有燕山期裂谷的特征,估计有可能是与沂沭断裂带同期的中生代裂谷;（４）印支期俯冲扬子地壳的古Ｍｏｈｏ面与期后形成的新Ｍｏｈｏ面都有强反射,表明中新生代在地壳底部有强烈的岩浆活动与壳幔相互作用,促使新Ｍｏｈｏ面的形成;（５）超高压变质带下方有一组南倾的逆断层,与折返有关,在此处进行科学钻探对了解超高压变质带形成和折返机制很有利。     

苏鲁超高压变质带岩石圈的地震组构

苏鲁超高压变质带上地壳以片麻岩为主体, 地表出露超高压变质岩片. 近年来在此带中进行大陆科学钻探, 并进行了以反射地震为主导的地球物理调查. 通过研究地球物理资料和钻孔岩芯等直接证据的相关性, 有可能标定出现在地壳中的地震反射体, 了解它们的内部组构. 同时, 在大陆科学钻探孔区附近有两座第四纪火山, 对其中包体的成分分析和波速计算也提供了中下地壳和岩石圈地幔组构的信息. 经岩心和测井资料标定, 大陆科学钻探孔区的地震反射体可由变质带内岩性变化、韧性剪切复合岩套和现代断裂破碎带引起. 其中, 韧性剪切作用产生的侧向位移与拆离造成了上百米厚的互层带(韧性剪切复合岩套), 它们由糜棱岩化岩石和经剪切错动产生的榴辉岩片互层组成, 形成了产生区域性强反射的主要机制. 苏鲁超高压变质带的上地壳由超高压变质岩片与下方片麻岩层组成. 超高压变质岩片以高波速、高密度和高电阻率为特征, 构造复杂, 厚度一般不超过11 km; 下方片麻岩层波速渐趋于正常. 苏鲁超高压变质带的中下地壳具有正常的波速与泊松比, 由火山岩包体分析可知, 中地壳含有大量的片麻岩, 下地壳主要由酸性麻粒岩和基性麻粒岩组成. 岩石圈地幔主要由尖晶石二辉橄榄岩、方辉橄榄岩和二辉岩组成, 具有分层结构, 反映了中国东部中生代岩石圈减薄作用. 不同成因的地震组构可能是不同时代地球动力学作用的产物. 例如, 超高压变质岩片和韧性剪切复合岩套反映了三叠纪的碰撞造山作用及超高压变质作用, 而正常的中下地壳波速结构反映了中新生代地壳的拉张与伸展. 通过反射体的细致标定与火山岩包体验证了的地震组构, 可以找到地震反射体的成因及其与地球动力学作用的关系, 为地球动力学作用过程的恢复提供新的依据.     

大陆俯冲碰撞带高温超高压变质岩的多阶段折返与部分熔融

大陆碰撞造山带根部岩石经受高温(850℃)变质作用,特别是俯冲带超高压变质岩受到高温叠加变质,对超高压岩片折返期间的元素和同位素行为、部分熔融作用及其地球动力学效应等具有重要意义.本文简要介绍了世界上5个典型的发育高温超高压变质岩的大陆碰撞带,包括中国大别山、哈萨克斯坦Kokchetav地块、格陵兰东加里东造山带、希腊罗多彼山以及德国厄尔士山,分析了它们的高温超高压变质作用及演化特点,讨论了高温超高压岩石的变质P-T-t轨迹和多阶段折返过程以及折返期间的部分熔融作用、超高压指示性矿物的保存和退变质作用等及其可能的机制.在此基础之上,提出了大陆俯冲隧道内高温超高压变质岩的未来研究方向和重点.     

大别杂岩减压变质过程与造山带深部区域性快速构造折返

大别杂岩的变质岩岩石可分出麻粒岩相带和角闪岩相带.麻粒岩相中石榴石内带的生长成分环带保存完好,角闪岩相石榴石内带无成分变化,但近外带为生长环带,反映两个变质相带早期具有不同的变质历史.但是,两个变质相带普遍发育反映减压的反应结构和成分演化趋势.矿物温度计压力计估算麻粒岩相带减压△P≈-0.70GPa;角闪岩相带减压△P≈-0.85GPa.变质P-T轨迹具碰撞和俯冲变质的双重特点,表明大别杂岩经受了快速下沉和快速构造折返.区内高压超高压榴辉岩折返可能与之同期.     

苏鲁-大别山变质带岩石大地构造学

大别山变质带分隔了华北和扬子两个陆块,它们可以分为3个主要的岩石构造单元、分别相当于安第斯岩浆弧根部变质杂岩,碰撞带根部变质杂岩和扬子陆块边缘的变质沉积杂岩,3个岩石构造单元在空间分布上是有规律的,即在大别山区是由北向南逐个排列,在被郊庐断裂破坏的较为严重的苏鲁地区,也大致是从西北到东南依次排列,此外,中生代碰撞型花岗岩和碱性岩墙群在空间上有规律地分布,出露于北大别和南大别变质杂岩中,尤其在北大别更发育,含超高压变质岩的南大别变质杂岩是陆陆碰撞带的根部带,它们代表了两个大陆的缝合线.超高压变质岩石或岩片构造侵位于非高压变质的围岩片麻岩中,是俯冲到深部的岩石在碰撞之后抬升和就位于中、上地壳中的,现在出露于地表的超高压变质岩及其有关的岩石至少经历了两个主要阶段的抬升和折返过程.     

标定大际科学钻探孔区地震反射体

在中国大陆科学钻探孔区（江苏省东海县南部）进行了系统的地球物理调查，包括二维地震测网和专门的地震剖面，大地电磁法和位场方法等，地震调查表明，在超高压变质岩出露区上地壳充满了反射体，包括倾斜反射体与上拱的反射弧，本文介绍了大陆科学钻探先行研究中地震调查的成果，根据在陆科学钻探预先导孔的岩芯和测井资料，井旁VSP和数值模拟结果证实，高波速的榴辉岩体，破碎断裂带和大型韧性剪切带都可引起倾斜的地震反射，而上拱的弧形反射体则是由近似直立的榴辉岩体和其中的破碎带的综合反映，由于地壳深部广泛分布着经受变质的岩石，上述研究结果对标定地壳中的反射地震信号具有一定意义。     

秦岭─大别造山带及其南北缘地震层析成像

利用秦岭─大别造山带及其毗邻地区３１０个地震台站记录到的区域地震２３６００条Ｐ波到时数据，重建了该区地壳和上地幔三维速度图像。结果表明：１．秦岭─大别造山带及其毗邻地区地壳和上地幔存在显著的横向不均匀性，直至１１０ｋｍ深度处依然明显。２．地壳上部的速度图像与地表地质构造密切相关：造山带隆起区显著高速；盆地及坳陷区明显低速。由速度鲜明对比勾勒出的秦岭─大别造山带南界基本上位于扬子北缘主边断裂带上。３．中地壳的速度图像表明，造山带内部的一些低速区对应于一些大型推覆构造。４．４０＋０ｋｍ深度处的速度图像反映了该区莫霍界面深度的起伏。大致以１０７°Ｅ为界，以东地区地壳厚度小于４０ｋｍ，以西地区大于４０ｋｍ，且呈现出往西地壳逐渐加厚的趋势。５．位于滦川、商县、丹凤的北秦岭构造带，上地幔顶部出现低速异常，异常速度值约为７．３９—７．５５ｋｍ／ｓ。结合地球物理测深的结果，可能是由下地壳、上地幔顶部的热过程所致。     

秦岭─大别造山带及其南北缘地震层析成像

利用秦岭─大别造山带及其毗邻地区３１０个地震台站记录到的区域地震２３６００条Ｐ波到时数据，重建了该区地壳和上地幔三维速度图像。结果表明：１．秦岭─大别造山带及其毗邻地区地壳和上地幔存在显著的横向不均匀性，直至１１０ｋｍ深度处依然明显。２．地壳上部的速度图像与地表地质构造密切相关：造山带隆起区显著高速；盆地及坳陷区明显低速。由速度鲜明对比勾勒出的秦岭─大别造山带南界基本上位于扬子北缘主边断裂带上。３．中地壳的速度图像表明，造山带内部的一些低速区对应于一些大型推覆构造。４．４０＋０ｋｍ深度处的速度图像反映了该区莫霍界面深度的起伏。大致以１０７°Ｅ为界，以东地区地壳厚度小于４０ｋｍ，以西地区大于４０ｋｍ，且呈现出往西地壳逐渐加厚的趋势。５．位于滦川、商县、丹凤的北秦岭构造带，上地幔顶部出现低速异常，异常速度值约为７．３９-７．５５ｋｍ／ｓ。结合地球物理测深的结果，可能是由下地壳、上地幔顶部的热过程所致。     

中朝地台东北缘3km深度地震层析成像的地质解释

利用本区丰富的地质,人工地震探测资料,对３ｋｍ深度层析成象成果进行了分析对比,结果表明：（１）３Ｋｍ深度速度值与人工地震探测所获地震波速值吻合较好;（２）３ｋｍ深度速度分布与该深度处的岩石介质分布有较好的对应关系,高速区对应地层主要为太古界－下元古界变质岩和地槽区的古生界浅变质岩,低速区对应主要为中生界火山,碎屑岩,燕山期花岗岩体和盖层性质的中元古－古代界沉积岩。（３）层析成象结果可划分深度不同的     

苏鲁超高压变质带北部地球物理调查(Ⅱ)——非地震方法

在北苏鲁超高压变质带(UHPM)上开展了深反射地震的同时,进行了大地电磁、地磁、放射性测量和重磁编图.本文介绍用这些方法取得的结果.两条区域性的地球物理剖面总长126km,经过二维反演取得了电阻率和磁性体剖面.结果表明:(1)大地电磁等综合地球物理资料与深反射地震剖面的推断结果基本一致,同样反映了UHPM岩块的俯冲折返与后期的隆升.(2)非地震地球物理资料不仅为地震解释提供约束,还可以提供地热流上涌、断裂和磁性体分布等更多的信息.(3)新发现莒南-海州北北西向断裂,对研究本区构造演化有重要意义.(4)根据地热流上涌、侵入体多和高波速体埋藏较深等特征,认为在本区进行科学钻探不够理想.     

大洋岩石层拖曳窄条陆壳俯冲的极限尺度分析——以新西兰南岛和大别山超高压变质带为例

超高压变质研究涉及的一个基本力学问题是为什么低密度的大陆地壳岩石能克服浮力俯冲到高密度地幔100多公里的深度.本文的三维有限单元法计算表明:俯冲海洋板块可以拖曳侧面相邻宽度不超过150km的一窄条大陆板块,俯冲到超高压变质深度,形成少见的大规模超高压变质带.十几公里乃至几十公里尺度的陆壳块体,可能被俯冲地幔裹挟至超高压变质深度,在造山带内形成零星出露的超高压变质岩.成熟的陆-陆碰撞带则不可能使陆壳俯冲到超高压变质深度.     

Deep structures of the east Dabie ultrahigh-pressure metamorphic belt,East China

The Dabie Mountain is one of the best places for geologists to study the ultrahigh-pressure metamorphism (UHPM) because coesite-bearing eclogites and other UHPM rocks are well ex-posed on the surface. The Dabie UHPM belt has been studied by many geoscientists with re-markable results[1—9]. Recent researches show that the host rocks of the coesite-bearing eclogites, such as gneiss and marble, also contain coesites[10—14], thus undergoing ultrahigh-pressure meta-morphism. The idea of con…     

江苏及邻区地壳上地幔结构研究

根据江苏及邻区大地构造单元和人工地震研究程度的不同,划分为下扬子地区、郯庐断裂带、大别山东段、苏鲁地块等地区,介绍了利用人工地震、天然地震层析成像及其它地球物理探测等方法对这一地区的深部构造研究结果。其中下扬子地区莫霍面的深度为28~33 km,横向不均匀,由西向东逐渐减薄;大别—苏鲁地区地表超高压变质带地壳波速特征主要表现在上地壳顶部的高速层,其厚度一般小于10 km;苏鲁地块地壳厚度约在32~33 km之间,明显高于周边地区;大别山地区沿造山带方向莫霍面变化平缓,地壳厚度33 km左右;横穿造山带方向起伏变化较大,莫霍面最深达41 km左右。天然层析成像研究范围大,分辨率较低。大别苏鲁地区人工地震测深工作较深入,但调查范围较小,主要在浅层,认识相对局部,有待于面上的大范围深部结构图像研究。     

根据地球物理资料分析大别——苏鲁超高压变质带演化的运动学与动力学

中国中央造山带东部的大别-苏鲁是全球最大的超高压变质带,本文基于地球物理资料的分析和综合研究,进一步指出这一超高压变质带演化的复杂性.在扬子与中朝克拉通碰撞后大别-苏鲁地体的俯冲产生超高压变质作用.之后由于两个克拉通之间的倾斜碰撞,产生旋转与局部的拉张为岩石折返造成了良好条件.扬子的旋转也形成一对剪切力使俯冲海洋岩石圈断开和陆块反弹.然而由于南北压挤力的继续作用与大别-苏鲁地体的折返,扬子克拉通继续向大别苏鲁地体下方俯冲.这种陆-陆俯冲携带了大量大陆物质进入上地幔,诱发部分熔融和后期的地幔上隆.本文给出了大别-苏鲁演化动力学的修正模型.     

天山中段的深浅构造特征

天山起源于古生代的陆-陆碰撞作用,又经历了中新生代的典型陆内造山过程,其深浅构造结构和活动性一直是众多学者关注的热点。文中通过多种地球物理探测和综合地质构造分析, 以地学断面形式对其深浅构造进行填图,揭示了天山中段复杂的深浅构造特色。结果表明:沿古生代的陆-陆碰撞缝合带两侧分别呈现出主要构造地质单元由老到新的对称性,并伴有相应深部结构的复杂性,反映了碰撞过程及后期的构造演化特点;天山中部的上地幔顶部存在厚近 10km、宽近 200km、几乎涵盖整个天山的低速高导层,可能是中新生代以来天山的陆内再造山作用引起的壳幔拆沉作用形成的残留下地壳     

大别苏鲁地区层状地幔反射体及其解释

深反射地震虽然己广泛应用于地壳上地幔调查，然而，来自地幔的反射体在全世界 都还比较少见，尤其是尚未有发现上地幔中多层水平反射体的报道. 近年来，作者用24s 的 深反射地震记录揭示了在大别苏鲁地区岩石圈地幔内存在5组水平的反射体, 表明该区具有 特殊演化作用形成的上地幔组构, 它们可随深度增加分别命名为M1到M5 . 这些反射体不仅 可在地震叠加剖面上看到，有时还可在野外单炮记录上看到. 反射体M1对应Moho面，而M5大 概与现今岩石圈底界对应，根据地热资料，苏鲁热岩石圈厚度约为78km. 其他3个反射体可 能是中生代岩石圈减薄诱发的壳幔作用的结果. 根据岩石学与地球化学的数据，在晚中生代 中国东部岩石圈的厚度约从150km减薄到约60km，在新生代又略微加厚到平均 78km. 这一减 薄作用引起岩浆底侵并在下地壳产生麻粒岩层，而早侏罗纪扬子克拉通向北的陆-陆俯冲又 在上地幔产生榴辉岩层. 在双程走时12s处的反射体M2 则是麻粒岩层与榴辉岩层的边界，它 也是古生代的 Moho面. 反射体 M3 出现在14s 前后，看来是榴辉岩层的底面, 它的下面应 保存有残留的古生代上地幔. 由于新老岩石圈地幔成分不同，其界面产生反射体 M4. 这种 多层岩石圈地幔反射体的存在表明，所研究地区的地幔结构与中国东部中生代岩石圈减薄作 用有关. 同时，由于20世纪80年代以来一直认为上地幔在反射地震上是相对透明的，多层反 射体的发现对这一认识是新的挑战, 表明采用爆炸震源与地震反射新技术有可能揭露岩石圈 地幔内部结构细节，这些细节也是地幔动力学作用的产物.     

Deep electrical structure of the Sulu orogen and neighboring areas

Because of the discovery of ultrahigh pressure metamorphic (UHPM) belt beneath the Sulu (Jiangsu Province-Shandong Province) orogen, this area has become a focused subject of current geoscience, as it has a close relationship with the evolution of the orogen and the neighboring North China craton. Probing the deep structure beneath this area would be of great significance for the geological interpretation of this issue. In this study, we make an analysis of magnetotelluric (MT) data along a profile across the Sulu orogen to provide evidence of deep structure below this region. The profile begins in west from the North China block, extending in S129°E, across the Tan-Lu fault, Sulu UHPM zone, and Sulu high pressure metamorphic (HPM) zone, and terminates in the Yangtze block in east. We use the nonlinear conjugate gradient method and TE-TM combined mode to perform inversion and interpretation of the MT data, and obtain an electrical structure image above depth of 150 km along the profile. It shows that the structure can be divided into seven sections in lateral direction, between which the electric boundaries coincide well with the major faults, such as the Tan-Lu, Haizhou-Siyang, and Jiashan-Xiangshui faults. In vertical direction the electrical structure can be subdivided into six layers of different resistivities. It is noted that there exist high-conductivity areas in crust below the North China block and Yangtze block, while such a feature is not present beneath the Sulu orogen, which is very different from the Dabie orogen. It is also observed that a fairly continuous zone of relatively low-resistivity exists at depths of 50–90 km of the electrical structure image, which is presumably a weak zone in the uppermost mantle. Just below this low-resistivity zone are the relatively high- resistivity layer of the North China block, relatively low-resistivity layer of the Sulu orogen, and relatively high-resistivity layer of the Yangtze block, all in the shallow upper mantle, respectively. From the whole 2D electrical structure image, there is no abnormally low-resistivity layer in the shallow upper mantle beneath the Sulu orogen and neighboring areas, indicating that no hot asthenoshperic material associated with lithospheric thinning exists at present. Supported by National Natural Science Foundation of China (Grant No. 40534023) and Director Foundation of Institute of Geology, China Earthquake Administration (Grant No. DF-IGCEA-0608-2-16)