青藏高原东北缘岩石圈缩短变形<br/>——深地震反射剖面再处理提供的证据

青藏高原东北缘岩石圈缩短变形
——深地震反射剖面再处理提供的证据

2011-04-21王海燕王成善张玉修李秋生郭彤楼李文辉

地球学报 2011年5期

关键词：岩石圈昆仑剖面

高锐, 王海燕, 王成善, 尹安, 张玉修,李秋生, 郭彤楼, 李文辉

1)中国地质科学院地质研究所岩石圈中心, 北京 100037;

2)中国地质科学院深部探测与地球动力学重点开放实验室, 北京 100037;

3)中国地质大学(北京)地质过程与矿产资源国家重点实验室, 北京 100083;

4)加州大学洛杉矶分校, 美国洛杉矶 90095-1567;

5)中国石化南方勘探分公司, 四川成都 610041

青藏高原东北缘岩石圈缩短变形
——深地震反射剖面再处理提供的证据

高锐1,2), 王海燕1,2), 王成善3), 尹安4), 张玉修3),李秋生1,2), 郭彤楼5), 李文辉1,2)

1)中国地质科学院地质研究所岩石圈中心, 北京 100037;

2)中国地质科学院深部探测与地球动力学重点开放实验室, 北京 100037;

3)中国地质大学(北京)地质过程与矿产资源国家重点实验室, 北京 100083;

4)加州大学洛杉矶分校, 美国洛杉矶 90095-1567;

5)中国石化南方勘探分公司, 四川成都 610041

青藏高原是由印度板块和亚洲板块于 50～60 Ma碰撞而形成的全球最高最大的高原, 已成为多数国内外学者的共识。然而, 关于它的岩石圈变形机制却是长期争论的问题。深地震反射剖面是精细揭示岩石圈结构、分辨变形样式的有效技术。重新处理的松潘地块-西秦岭造山带深地震反射剖面揭示出岩石圈变形的细节, 以地壳上部的双重逆冲构造、地壳中部一系列近水平拆离断层的叠置和地壳下部莫霍面的重叠为主要特征, 展现出青藏高原东北缘岩石圈变形以缩短变形为主要机制。横向上上千公里展布的大规模左旋走滑的昆仑断层, 自地表向下陡倾延伸到地壳中部的叠瓦状逆冲构造之上, 在埋深约35 km处被近水平的拆离层所截断。本次研究建立的岩石圈垂向构造图也展现出西秦岭造山带与若尔盖盆地岩石圈尺度的构造关系。

青藏高原东北缘; 深地震反射剖面; 岩石圈缩短变形

青藏高原是印度板块与亚洲板块于 50～60 Ma碰撞形成的全球最高最大的高原, 已成为国内外多数学者的共识。然而, 其变形机制仍是长期争论的重要科学问题。目前争论的焦点主要围绕两个端元模型: (1)青藏高原发展演化过程中, 岩石圈变形为垂向连贯的(England et al., 1982; Flesch et al., 2005); (2)中地壳或下地壳中的侧向流体(如管道流)导致了变形随深度变化(Zhao et al., 1987; Clark et al., 2000; Bird, 1991; Royden et al., 1997)。这两种变形模型都提出了已有观测结果支持的证据: 如上地幔剪切波SKS分裂描述的各向异性方向和GPS记录的岩石圈位移方向的一致, 以及地表出露的大型走滑断裂带向下可能深达整个岩石圈的空间关系等, 支持岩石圈垂向连续变形的观点(Hirn et al., 1984; Wittlinger et al., 1998); 而青藏高原中、下地壳广泛分布的低速层似乎为管道流模型提供了证据(Nelson et al., 1996; Royden et al., 2008)。

青藏高原东北缘是检验上述两个极端模型的关键地区。管道流模型推测青藏高原东北缘是青藏高原管道流发育, 地壳向外流动的两个关键地区之一(另一个关键地区是在青藏高原的东南缘)。而横向上上千公里展布的大规模左旋走滑的昆仑断层(Yin et al., 2000), 横亘青藏高原东北缘。如果能精细探测到昆仑断层的深部延伸, 则可以检测岩石圈垂向连续变形模型。因此, 探测和揭露青藏高原东北缘精细结构可为检验上述两个极端模型, 建立青藏高原岩石圈变形机制提供证据。

为揭示青藏高原东北缘岩石圈精细结构, 分辨变形样式, 在中国国家自然科学基金委和中石化南方分公司的联合资助下, 我们于2004年完成一条跨越松潘地块和西秦岭造山带结合部位, 横过昆仑断层的高精度深地震反射剖面, 剖面长度约260 km(高锐等, 2006a; 王海燕等, 2007)。为了更好地理解青藏高原东北缘岩石圈变形机制和盆山关系, 2008—2009年, 在国家自然科学基金委、国家地质调查局等的资助下, 又向北延伸完成了140 km长的深地震反射剖面, 完整跨越了西秦岭造山带。连接2004年原有剖面, 一起对深地震反射剖面数据进行了重新处理。重新处理成果剖面展示了青藏高原东北缘最大规模的地壳尺度走滑断裂——昆仑断层被地壳中部近水平的拆离层所截断。拆离层之上发育的左旋走滑断裂与其下的地壳变形样式明显不同,拆离层之下发育迭瓦状逆冲推覆构造, 甚至莫霍面也参与了变形。我们的发现支持青藏高原主走滑断裂在变形过程中其地壳和上地幔之间存在变形解耦的观点(Burchfiel et al., 1989)。

1 地质背景

左旋走滑的昆仑断裂带约1000 km长, 形成于8～15 Ma, 活动速率为5～16 mm/yr, 总的位移量达到65～120 km (Kidd et al., 1988; Van et al., 2002; Fu et al., 2007; Kirby et al., 2007; Harkins et al., 2008)。图 1显示, 昆仑断裂带呈东西走向, 其西端终止于北西走向的祁曼塔格逆冲带, 东端终止于近南北向的龙门山逆冲带(Jolivet et al., 2003; Chen et al., 1994)。这种关系引起了长期的争论: 这种高原内主走滑断裂带性质是与压缩构造有关的地壳规模转换断层呢, 还是与大陆俯冲和横向挤压有关的岩石圈规模断层(Burchfiel et al., 1989; Kirby et al., 2007; Jolivet et al., 2003; Chen et al., 1994; Tapponnier et al., 2001)？昆仑断裂带将松潘-甘孜地体和昆仑-柴达木地体隔为南北两块。昆仑-柴达木地体其北边界为南倾的临夏冲断层, 与临夏盆地相邻。与新生代盆地一起作为整个前陆盆地系统一部分的临夏盆地, 在30～40 Ma前开始形成演化(Fang et al., 2003; Horton et al., 2004)。昆仑-柴达木地体出露太古代结晶岩、元古代地层(碳酸盐岩为主)和三叠系复理石沉积。此外, 少量出露源于伸展构造的侏罗系和白垩系地层。昆仑断裂南侧的松潘-甘孜地体其西部发育一系列北西向的逆冲断层、三叠系和新生代的紧密褶皱(<2～5 km), 东部发育元古代到古生代的宽缓褶皱。元古代和古生代地层应为华南板块西部大陆架的被动陆缘沉积(潘桂堂等, 2004)。

图1 深地震反射剖面位置图和简要构造背景Fig.1 Location of the deep seismic reflection profile and simplified tectonic setting of Tibet虚方框为本文重点讨论的地区; AB-深地震反射剖面位置; AKM-三叠纪阿尼玛卿-昆仑-木孜塔格缝合线;

2 深地震反射剖面数据采集和再处理

深地震反射剖面是精细揭示岩石圈结构, 分辨变形样式的有效技术(高锐等, 2011; 董树文等, 2011)。2004年9月—2005年初, 我们分五段完成一条穿越松潘地块和西秦岭造山带的深地震反射剖面。剖面南起唐克乡, 北至合作, 全长 260 km。为提高地震成像分辨能力, 兼顾石油勘查和深部探测的共同需要, 使用了小、中、大三种尺度的井中爆破震源, 震源间距分别为100 m、400 m、5000 m。使用SN388地震仪480道接收, 道间距50 m, 记录长度 30 s, 获得120次以上的高覆盖次数的地震探测数据, 同时获得浅深兼顾的岩石圈结构丰富信息(采集参数见表1)。初步研究结果已在国内外报道(高锐等, 2006a, b; 王海燕等, 2007; Wang et al., 2009)。2008年, 为了更好地理解青藏高原东北缘岩石圈变形机制和盆山关系, 在国家自然科学基金委、国土资源部中国地质调查局等资助下, 我们又向北延伸,继续进行深地震反射剖面探测140 km。连接原有剖面一起重新进行数据处理。采用了层析静校正、多域去噪、高精度速度分析和起伏地形叠前时间偏移等处理技术和图像识别处理解释技术, 获得了横过松潘地块-西秦岭造山带-临夏盆地的高精度深地震反射剖面。

3 深地震反射剖面解释

根据重新处理的结果剖面显示的反射特征, 对地震剖面进行了解释, 见图2～图4。首先对剖面上显示的主要反射层位进行了拾取和标识, 如图2, 该图中岩性特征分布及其厚度来源于区域地质资料(潘桂堂等, 2004)。地表追踪到的两条昆仑断层分支在地震剖面上有所显现, 断层向下连续截断一系列反射层(图2中KL-S, KL-N和KL)。北部分支倾角向南, 约30°～35°, 在约8 km埋深处归并于断裂南部分支。南部分支倾角向北, 约为 65°～70°。两个分支之间是由逆冲构造和向北倾斜断层构成的断弯褶皱。两个断裂带分支的交汇处之下, 埋深约 8～30 km昆仑断裂带以80°的倾角向北倾斜。随着深度增加, 断裂倾向变缓, 倾角约为30°～45°。昆仑断裂带主干的多个逆冲断层分支从向昆仑断层向两侧形成双重逆冲推覆构造体系(图4)。上述构造形式代表了扭压构造体系下形成的走滑断裂典型的花状构造。

表1 深地震反射剖面数据采集参数Table 1 Data collection parameters of the deep seismic reflection profiling

图2 重新处理的深地震反射时间剖面(位置示意于图1虚方框中的AB线段)Fig.2 Reprocessed deep seismic reflection time section(location shown by AB segment in Fig.1)

埋深约35 km处, 昆仑断裂带被近水平反射层(图2中H-3。被称为上拆离层, 见图3c)所截断。地震剖面显示反射层H-3为中地壳中的一个独立的韧性剪切带, 自它截切的昆仑断裂向南延伸约 40 km,归并于剖面南部一系列北倾的反射层, 即截断了倾斜反射层IC-1和IC-2(图3a), 并展示出上盘断坡关系, 这种断坡关系要求存在向北的应力转换。

图3 解释剖面局部举例Fig.3 Examples of the interpretation section

地震剖面显示上地壳(0～20 km)以褶皱(图 3a中FD-1和FD-2)和逆冲构造(如图3a中F-1和图3b)为主要特征。上地壳10 km内褶皱两翼倾角30°～50°,随着深度加大向下俯冲角度变小(图3)。根据上盘断坡关系, 许多小逆冲断层的上盘移向昆仑断裂(图3)。虽然这些逆冲断层可能为早新生代构造, 被年轻昆仑断裂带切断, 但它们与同期昆仑构造的几何关系有力地表明, 大多数逆冲断层是沿昆仑断层的构造运动方向形成的。因此应该与昆仑断裂带的发展演化是同期的。同样, 昆仑断裂带南部南倾的小断裂终止于昆仑断裂, 它们与昆仑断裂带的活动有关(图3)。

深地震反射剖面探测结果让我们惊奇地发现:在地壳中部30～40 km发育一组多层的壳内拆离断层(图4中的UD, MD, LD, 表示上拆离断层、中拆离断层、下拆离断层), 累计厚度达6～9 km。这组具有简单剪切性质的拆离断层截切了左旋走滑的昆仑断裂带的深部延伸。

图4 跨越昆仑左旋走滑断层的解释横剖面(显示出岩石圈的变形样式; 位置示意如图1虚方框中的AB线段; UD, MD, LD表示上、中、下拆离断层, 解释见正文)Fig.4 An interpreted structural section across the left-slip Kunlun Fault based on this study(It shows the deformation style of the lithosphere; location is indicated by AB segment in Fig.1; UD, MD and LD represent upper, middle and lower detachment fault.For interpretation, see the text)

深地震反射剖面还揭露出受昆仑断裂带影响莫霍面多次被错断。地震剖面显示莫霍面主要表现为一组强的水平的反射层(图3a中M-1到M-5), 横向上的高度不连续, 在一些地方, 莫霍面表现为不连续的垂向上重叠(图 3d)。我们认为该种莫霍面强烈的变形是由于岩石圈上地幔被卷入进迭瓦状逆冲推覆构造所引起的。

关于莫霍面错断时间有三种可能: 首先, 可能发生在晚三叠世, 在此期间阿尼玛卿-昆仑-木孜塔格缝合带古特提斯洋闭合。因此, 莫霍面错断的位置标定了地壳-地幔深度的缝合带位置。第二, 莫霍面在新生代高原形成后期被错断, 其岩石圈地幔总的缩短量为35 km(约33%的缩短应变)。第三, 莫霍面的错断为三叠系板块俯冲和新生代岩石圈变形的综合影响。

根据卷入地幔岩石圈的下双重构造的顶板逆冲断层被褶皱变形(图4), 我们认为莫霍面的错断发生在新生代高原岩石圈变形期间, 其几何形态与截断昆仑断裂带的拆离层相似(如图4中UD)。剖面显示下双重构造体系同样截断了一系列北倾的反射层(图3a中IC-4和IC-5)。

4 结论

昆仑断裂带被地壳拆离层截断以及拆离层之下有莫霍面卷入的迭瓦逆冲推覆构造表明, 青藏高原东北缘的地壳变形和岩石圈地幔变形是完全解耦的。对照来自深反射地震剖面解释的构造变形精细图像, 我们分析青藏高原岩石圈变形是与管道流模式(Royden at al., 2008), 还是与岩石圈地幔的俯冲有关(Yin et al., 2008)。第一种模式预测, 以近水平的反射层为主要反射特征的中下地壳是由于沿通道壁剪切形成的; 而第二种模式表明上地壳的缩短量比中、下地壳和岩石圈地幔的缩短量大(图4)。在两个近平行的近水平的拆离断层之间存在的北倾的反射层(图4中MD和LD)与管道流模式自相矛盾。相反, 上、下拆离层之上的上盘断坡表明存在向北的韧性剪切带。壳内拆离断层更可能代表了韧性剪切带, 该带向北与西秦岭向临夏盆地的逆冲有关。我们提出的构造模式表明青藏高原东北缘的隆起是由于岩石圈尺度的缩短作用形成的, 上地壳的双重逆冲构造与左旋走滑昆仑断裂带有关, 而莫霍面叠置的双重逆冲构造反映了地幔被卷入变形。

本文研究建立的岩石圈垂向构造图也生动地展现了西秦岭造山带与若尔盖盆地的岩石圈尺度构造关系。

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本刊编辑部报道

《地球学报》再度入选RCCSE中国核心学术期刊

2011年8月6日—11日在河南郑州召开的“第二届中国期刊质量与发展论坛暨第五届科学出版社期刊出版年会”上, 发布了 2011年度《中国学术期刊评价研究报告》。《地球学报》继 2009年之后, 再度入选RCCSE中国“核心学术”期刊排行榜。在本次评价的188种地球科学类学术期刊中, 有9种进入“权威期刊”名单, 29种进入“核心期刊”名单(见表1)。

RCCSE是Research Center for China Science Evaluation的缩写, 中文名称为中国科学评价研究中心。《中国学术期刊评价研究报告》由中国科学评价研究中心、武汉大学图书馆、中国科教评价网共同研发, 是国内外第一种中国学术期刊分类分级排行榜和权威、核心期刊指南, 系统评价了中国学术期刊的质量、水平和学术影响力。

RCCSE中国学术期刊评价采用定量评价与定性分析相结合的方法, 按照科学、合理的多项指标评价体系, 对6400种中国学术期刊进行分析评价, 得出65个学科的学术期刊排行榜, 共有1273种学术期刊加入核心区。其中权威期刊312种, 核心期刊961种, 约占总数的19.90%。遴选依据的各学术期刊的5个指标值是: 基金论文比、总被引频次、影响因子、web即年下载率、国外重要数据库收录情况(自然科学)、二次文献收录(社会科学), 按矩阵计算各刊指标隶属度计分, 由高分到低分依次分为6个等级:

① A+为权威期刊, 即排在最前面的5%的期刊;

② A为核心期刊, 占各学科期刊总数的15%, 即排在5%~20%的期刊;

③ A-为扩展核心期刊, 占各学科期刊总数的10%, 即排在20%~30%的期刊;

④ B+为准核心期刊, 占各学科期刊总数的20%, 即排在30%~50%的期刊;

⑤ B为一般期刊, 占总数的30%, 即排在50%~80%的期刊;

⑥ C等为较差期刊, 占总数的20%, 即排在80%~100%的期刊。

“RCCSE中国核心学术期刊”是继北京大学“中文核心期刊”和南京大学“中国人文社会科学索引CSSCI来源期刊”之后的国内推出的又一大核心期刊评价体系。B+(38个):地理与地理信息科学、气象、矿物岩石、气象研究与应用、矿物岩石地球化学通报、热带海洋学报、西北地质、中国岩溶、海洋科学进展、地层学杂志、矿物学报、海洋科学、极地研究、地震、地域研究与开发、地震研究、中国地震、古脊椎动物学报、水文地质工程地质、天然气地球科学、台湾海峡、地质与勘探、微体古生物学报、海洋通报、亚热带资源与环境学报、地质力学学报、震灾防御技术、气象与环境学报、岩矿测试、西北地震学报、古生物学报、工程地质学报、干旱气象、地质调查与研究、热带地理、物探化探计算技术、海洋湖沼通报、气象科技B(56个): 暴雨灾害、世界地质、防灾减灾工程学报、空间科学学报、世界地理研究、广东海洋大学学报、化工矿产地质、浙江海洋学院学报(自然科学版)、地质找矿论丛、水文、沉积与特提斯地质、气象与环境科学、华南地质与矿产、新疆地质、新疆石油地质、海相油气地质、中国地质灾害与防治学报、地震地磁观测与研究、中国地质教育、物探与化探、地质与资源、华南地震、工程地球物理学报、工程勘察、内陆地震、中国海洋平台、地理空间信息、中国石油勘探、资源调查与环境、海洋预报、防灾科技学院学报、勘探地球物理进展、矿产与地质、华北地震科学、沙漠与绿洲气象、海洋地质动态、宝石和宝石学杂志、东北地震研究、地质灾害与环境保护、铀矿地质、中国煤炭地质、国际地震动态、贵州地质、上海地质、甘肃地质、山西地震、四川地质学报、世界核地质科学、西部探矿工程、岩性油气藏、勘察科学技术、高原地震、四川地震、山东气象、陕西地质、资源环境与工程C(38个):名单略

Lithospheric Deformation Shortening of the Northeastern Tibetan Plateau: Evidence from Reprocessing of Deep Seismic Reflection Data

GAO Rui1,2), WANG Hai-yan1,2), WANG Cheng-shan3), YIN An4), ZHANG Yu-xiu3), LI Qiu-sheng1,2), GUO Tong-lou5), LI Wen-hui1,2)
1) Lithosphere Research Center, Institute of Geology, Chinese Academy of Geological sciences, Beijing 100037; 2) Key Laboratory of Earthprobe and Geodynamics, Chinese Academy of Geological Sciences, Beijing 100037;
3) National Key Laboratory of Geological Processes and Mineral Resources, China University of Geosciences, Beijing 100083;
4) Department of Earth and Space and Institute of Geophysics and Planetary Physics, University of California, Los Angeles, California, USA 90095-1567;
5) Southern China Exploration Division, Sinopec Company, Chengdu, Sichuan 610041

Although most researchers both in China and abroad have agreed that the Tibetan plateau is the largest highland induced by the India-Asia collision over the past 60~50 Ma, its formation mechanism has long been a problem of controversy.Deep seismic reflection profiling is an effective technique for revealing the fine structure of the lithosphere and detecting the deformation style of the crust.The reprocessing of the deep seismic reflectionprofile across Songpan block-West Qinling orogenic belt has revealed the details of lithosphere deformation.The superimposition of the thrust duplex structure in the upper crust and a sub-horizontal detachment in the middle crust and the vertical stacking of Moho at the bottom of the crust show that the lithospheric shortening deformation on the northeastern margin of the Tibetan Plateau was the main formation mechanism.The Kunlun fault 1000 km in length, one of the largest continental-scale strike-slip faults in Tibet, terminates at a sub-horizontal decollement with the depth of 35 km in the lowermost crust of Tibet.The study establishing the vertical structure of the lithosphere shows tectonic relationship between the western Qinling orogenic belt and the Zoige basin on the lithosphere scale.

northeastern Tibetan Plateau; deep seismic reflection profile; lithospheric deformation shortening