深部探测揭示壳幔结构及其资源能源效应——“中国大陆典型地区深部地质调查”专辑特邀主编寄语

严加永

中国地质科学院, 北京 100037; 中国地质调查局中国地质科学院地球深部探测中心, 北京 100037;东华理工大学地球物理与测控技术学院, 江西 南昌 330013

中国大陆处于西太平洋、中亚(古亚洲洋)和特提斯三大构造成矿域汇聚中心部位, 是现今欧亚大陆的重要组成部分, 记录了长期、复杂且强烈的板块构造运动, 是研究大陆形成与演化的天然实验室, 具有全球瞩目的地域构造优势。中国大陆以华北、华南和塔里木克拉通为主体格架, 经历不同时代构造变形, 尤其是中生代早期—印支运动以来, 联合陆块经历了古特提斯构造域向太平洋构造域的构造体制转换、华北克拉通破坏和岩石圈减薄作用, 具有复杂的地质构造和岩石圈结构(朱日祥等, 2012; 潘桂棠等, 2016)。新生代印度-亚洲大陆碰撞造就了世界屋脊青藏高原和我国东、西部巨大的地貌差异, 是影响亚洲乃至全球碳循环、气候和环境变化的重要因素。同时, 我国还是世界上强烈的地震区与新构造活动区。从38亿年之前的古老陆核到青藏高原的造山与隆升, 从绵延的造山带到大陆边缘海盆, 从蛇绿岩带、高压变质带到地幔柱, 从大型含油气盆地到隐藏的丰富矿藏资源, 从白垩纪的灾变到现代地震的频繁发生, 无不关系到解决地球系统诸多一级科学问题的关键所在。这些问题的解决, 均依赖于岩石圈深部结构的精细探测与深部地质过程的深入研究。

为探索中国大陆深部结构和资源能源效应, 在党中央“向地球深部进军”的号召下, 自然资源部确定了“一核两深三系”战略, 中国地质调查局自2016年开始设立了深部地调查工程, 工程选择关键地带和主要资源能源基地开展深部地质调查, 在重大构造边界、大陆超深科学钻探等多方面取得了系列阶段性重大成果(Lü et al., 2020)。本期《地球学报》收集了14篇深部地质调查及其与浅部构造及资源能源响应相关的学术论文, 介绍近三年来在以下四个方面内容和研究进展: (1)华南陆块岩石圈结构与矿产资源效应; (2)西北盆山结合带深部结构与浅部构造响应; (3)松辽盆地及周缘清洁能源与古气候变化;(4)青藏高原班公湖—怒江缝合带深部结构。

1 华南陆块岩石圈结构与资源效应

华南陆块是中国大陆典型的陆内造山区, 也是全球新元古代以来地质演化历史最复杂的地区之一,经历了多阶段超大陆的聚合和裂解, 以及古生代、中生代复杂的碰撞和陆内造山, 以及随后的伸展过程,是创新大陆地质理论、认识大陆演化过程的经典地区和研究陆内变形的理想场所(张国伟等, 2013)。华南的成矿作用独具特色, 与增生造山和碰撞造山成矿作用有显著差异, 中—新生代大面积花岗岩产生在陆内环境、多种特色陆内成矿系统出现在华南内部, 表现为大规模成矿作用和巨量钨锡锑铋金属堆积等。因此, 华南陆块是研究陆内造山与成矿的理想地区。过去近一百年的持续研究, 取得了众多成果和进展, 但仍有大量的科学问题尚未解决。这些争议的焦点主要包括: 华南岩石圈三维结构、物质组成和基底属性, 华南陆内块体相互作用、构造演化, 深部过程及其成矿成藏和致灾等。

华南陆块受多阶段超大陆聚合、裂解, 碰撞、陆内造山, 及伸展等作用影响, 造成其深部结构和构造极其复杂。岩石圈有效弹性厚度(Te)是表征地质时间尺度上岩石圈力学强度的定量指标, 可为深入认识岩石圈力学结构及演化提供有效约束。罗凡等(2022)基于导纳和相关函数联合方法, 采用地壳布格重力异常和地形数据计算获得了华南陆块Te的空间分布。通过分析Te与地热场(地表热流、居里面深度)、地震之间的关系, 发现: (1)Te与地热场参数具有较好的相关性, 但受浅部地壳被破坏, 深部仍为克拉通地壳影响, 导致龙门山断裂带和江南造山带区域的Te与地表热流或居里面深度之间的部分对应关系相反; (2)Te与地震关系复杂, Te较薄区域并不代表着地震频发区域, 地震活动性与其所处的深部环境相关。龙门山断裂带强震频发的原因是受周边两块体中上地壳刚性地层长期相互作用, 致使应力和能量积累较强。华夏地块区域地震较少是因为深部热物质上涌对华夏地块的壳幔进行强烈改造, 且地壳中存在横向不均匀分布的软弱地层对应力吸收,造成能量和应力不易积累。

重力均衡可为区域深部构造、岩石圈形变、地壳结构以及应力场状态研究提供参考信息, 是研究地壳内部结构和划分大地构造单元的重要方法之一。严加永等(2022b)利用卫星布格重力计算得到了华南均衡剩余重力异常, 利用高程和壳幔密度差计算了华南均衡深度异常。发现华南陆块大部分区域地壳处于均衡状态, 相对正均衡异常主要位于东部沿海地区和武陵山一带, 相对负均衡异常反映了秦岭—大别造山带、江南造山带及华南陆块西缘造山活动。地震多沿正、负均衡深度异常的转换带或梯度带发生, 认为这些地带通常为深部构造转换部位,应当成为地震活动研究关注的重点区域。均衡剩余重力异常也间接约束了不同类型金属矿床分布, 正均衡剩余重力异常区多分布地幔来源金属矿床, 而负均衡异常区则多产出壳源相关金属矿床。

宽频带地震学是开展地球深部探测的重要手段,可在认识地球内部结构、物质组成、性质、状态和动力学过程等方面提供重要资料和科学依据, 已发展成为最重要的深部探测方法之一。张永谦等(2022)收集汇总了华南陆块东部地区已布设的宽频带流动地震台站, 并联合固定地震台站数据, 通过远震接收函数方法构建了该区的地壳厚度与 Vp/Vs比值分布模型, 综述了岩石圈厚度和上地幔速度结构与各项异性特征。从不同深度和尺度刻画出华南陆块地壳-岩石圈-上地幔的宏观深部结构, 为深入理解深部构造、动力学过程、岩浆活动与成矿作用提供了有效约束。

江南造山带位于扬子和华夏地块之间, 是揭示华南陆块演化、动力学过程, 及大规模岩浆多金属成矿作用的关键窗口(严加永等, 2022a)。陈昌昕等(2022)通过地球化学和地球物理异常特征进行研究,结果表明武陵山—江南造山带中段不同块体之间在物质组成及元素富集规律上存在较大差异, 推测与深部具有不同的构造特征有关。纵贯中国南北的大兴安岭—太行山—武陵山南北重力梯度带延伸到华南, 将华南陆块明显地分为东西两大部分。东西两部分的地质构造格局、地壳厚度以及地形地貌等方面都有巨大差别, 地球物理属性差异揭示梯度带东侧构造演化主要受古太平洋西向俯冲及其远程应力作用影响, 与中生代晚期古太平洋俯冲角度/方向和(或)后撤引发挤压-构造伸展体制转换有关。刘家豪等(2022)利用江南造山带中段武宁—吉安深反射地震数据, 进行随机介质参数的计算, 获得了相关长度剖面, 发现江南造山带中段地壳厚度沿剖面由北向南逐渐减薄, 推测受控于燕山运动晚期伸展构造体制, 在伸展构造背景下, 导致地壳减薄, 诱发幔源物质上涌, 地幔上涌的影响程度由南往北逐渐减弱。认为在伸展构造背景下, 幔源物质沿断裂上涌控制了该区金、钨等矿床的形成。同时揭示了宜丰—景德镇深大断裂的极性, 进一步证明了萍乡—广丰断裂为江南造山带中段与华夏地块的边界。

华南是我国矿产资源“大粮仓”, 深部结构控制了不同类型内生金属矿床的产出。滇东南长安金矿位于哀牢山造山带南段, 矿区内主要出露的岩浆岩为正长斑岩, 常与金矿体伴生, 其形成时代及岩浆演化对金矿勘查具有重要指示意义。张垚垚等(2022)在系统野外调查的基础上, 选取正长斑岩进行岩石学、地球化学、锆石U-Pb、Lu-Hf同位素研究, 探讨了正长斑岩的岩石成因、岩浆源区特征及其形成的构造环境, 为该区金矿勘查提供了依据。湖南省是我国隐晶质石墨最主要的矿产区, 其隐晶质石墨的储量位居全国第一, 主要是由煤系地层受接触热变质作用形成。汤贺军等(2022)以湖南省涟邵煤田北段寒婆坳石墨矿床为例, 通过地质地球化学特征与控矿因素分析, 认为寒婆坳矿区碳质砂岩主要形成于缺氧还原的环境, 原岩沉积环境属于陆源海相沉积,物质来源于大陆碎屑物, 位于滨浅海潮汐带。测水组煤系地层、天龙山花岗岩体及寒婆坳推覆断层是本区石墨矿床的关键控矿因素。

2 西北盆山结合带深部结构及浅部构造响应

西北盆山结合带是研究盆山耦合、印度-亚洲陆陆碰撞远程效应的典型场所, 位于“丝绸之路经济带”之“新亚欧陆桥经济带”的核心区域, 是我国向西开放的重要窗口和交通枢纽。西北盆山结合带地区主要处在古亚洲洋构造域与特提斯构造域两大构造动力学系统的交接部位, 涉及祁连造山带、天山造山带、北山造山带和柴达木地块、阿拉善地块、塔里木地块(克拉通)、准噶尔地块等多个造山带和地块的相互作用, 经历了原特提斯洋闭合、古亚洲洋闭合、古特提斯洋闭合、新特提斯洋闭合和印度-亚洲大陆碰撞等重大地质事件, 其陆内构造演化主要受天山走滑断裂系统、阿尔金走滑断裂系和一系列的逆冲推覆构造所制约, 盆地与造山带镶嵌形成的盆山构造系统发育(Chen et al., 2022)。

北祁连造山带—阿拉善南缘位于青藏高原东北缘及其以北地区, 其地壳结构记录了早古生代以来祁连山、河西走廊盆地、合黎山及相邻盆地之间的盆山演化历史及耦合关系, 对其地壳浅层速度结构的探测有助于揭示该区浅层地壳结构及构造变形的演化历史。吴国炜等(2022)利用北祁连—阿拉善南缘225 km的深反射地震剖面的初至波数据, 通过层析成像反演方法, 获得了沿线地下2 km以浅的上地壳P波速度结构。速度剖面中的低速区域揭示了酒东盆地、民乐盆地、潮水盆地以及银额盆地的沉积厚度和规模, 而高速异常代表了该区大面积出露的古老基底和侵入岩体, 但其内部发育的多条逆冲断裂带在局部区域呈现低速特征。此外, 反演得到的P波速度结构揭示了沿线发育的多条断裂和块体边界位置,为讨论青藏高原东北缘向北扩展与阿拉善地块挤压作用提供了有力的证据。

推覆构造是陆内构造变形中地壳缩短的重要方式之一, 也是记录盆山结合带-造山带形成演化过程的重要载体。中国北方位于中亚造山带南部及周缘地区, 分布了多个逆冲推覆构造带。李智超等(2022)通过对这些推覆构造相关的几何学、运动学和年代学等资料的综合收集分析, 重点解剖了北山、亚干、阿拉善等推覆构造, 总结了中国北方中生代逆冲推覆构造的时空展布特征、形成时代及形成机制等, 为区域构造研究和推覆体下油气勘查提供了指示。

西准噶尔地区西南部的拉巴地区是连接准噶尔盆地、西准噶尔地区和天山造山带的关键部位。徐盛林等(2022)通过对拉巴岩体的岩相学、地球化学、锆石U-Pb年代学、锆石Lu-Hf和Sr-Nd-Pb同位素的系统性深入研究, 着重与区域同时期同类型岩浆岩作综合对比分析, 重新厘定了拉巴岩体的形成时代和岩石类型, 认为该岩体为典型的I型花岗岩, 形成于洋壳板片俯冲的岛弧构造环境, 说明在早二叠世仍可能存在未完全关闭的有限洋盆, 对完善西准噶尔地区晚古生代年代学格架和大地构造演化等具有重要意义。

榴辉岩作为洋-陆/陆-陆俯冲带中形成的一种典型的变质岩石, 对于探索造山带的形成和演化具有重要的指示意义(杨经绥等, 2006)。北山地区出露的榴辉岩, 对认识北山造山带乃至整个中亚造山带的演化有重要意义。陈言飞等(2022)对北山地区最具代表性的古堡泉地区榴辉岩开展了岩石学、矿物化学和锆石U-Pb年代学的研究, 发现榴辉岩原岩形成时代为860 Ma, 进变质或近峰期变质时代为～465 Ma,岩石具有顺时针P-T-t轨迹, 经历了较陡的升温升压过程后到达峰期高压榴辉岩相, 峰期变质条件分别为 P＞22 kbar、T=660～700 ℃, 之后经历了近等温降压过程。古堡泉地区榴辉岩由大陆地壳快速俯冲至80 km, 又经历了快速折返形成。

3 松辽盆地及周缘清洁能源与古气候演化

松辽盆地及周缘地理单元涵盖松辽盆地、小兴安岭—张广才岭、三江盆地及抚顺盆地, 大地构造位置上处于古亚洲洋与环太平洋两大构造域叠加与转换的关键部位, 为古亚洲洋的闭合与环太平洋板块俯冲启动过程研究提供了天然实验室(韩江涛等,2018)。松辽盆地是我国最典型的陆相含油气盆地,是我国的“第一大油桶”, 松科二井等深部探测表明该区也是地热等清洁能源有利区和研究古气候变化的理想场所(侯贺晟等, 2018)。

松辽盆地沉积了一套7000 m厚的中—新生代陆源碎屑岩, 不仅是良好的油气储层, 还是具有极大潜力的热储层。松科二井多次井温测井结果显示, 盆地具有较大的地温梯度, 大地热流值达到84 mW·m-2,2000 m以深地温梯度达3.7 ℃/100 m, 具有良好的深部热传导和浅部热聚集机制, 地热资源赋存条件良好。应恒成等(2022)通过微动探测方法, 获得了一条9000 m长4000 m深的二维S波地下速度剖面, 识别出了三个低速异常体, 结合松科二井地下分层数据(侯贺晟等, 2018), 判断这三个低速异常体很有可能对应了深部的地热储水构造。该研究同时也表明微动方法凭借其应用区域广、成本低、探测效率高的优势, 可作为地热探测的有效方法。

全球始新世极热事件及古气候演化一直是地质学界关注的热点。中国东北抚顺盆地保留有完整的陆相始新世沉积记录, 而且这套地层整体以富有机质细粒沉积岩为主, 是建立东亚地区陆相古气候演化档案的最佳载体。白悦悦等(2022)采用了磁化率和色度对抚顺盆地始新世西露天组(晚始新世)古气候的波动和演化特征进行研究。通过对高精度磁化率和色度数据垂向演化规律总结和聚类分析发现, 西露天组沉积物中具有高的频率磁化率、中高色度 a*值和中高色度 b*值, 且这些数值均与高的古气温具有很好的对应性, 鉴于此, 这两种参数可以作为始新世陆相古气候演化研究的有效手段。抚顺盆地西露天组自底部到顶部, 频率磁化率呈由高值到低值缓慢下降的趋势, 色度 a*值和 b*值总体呈现先增加后减少的趋势, 这些均显示了抚顺盆地晚始新世整体温室气候背景下的降温过程。该研究对晚始新世古气候变化趋势的认识, 联合前人在早始新世古气候演化的研究成果, 可以为东亚地区始新世古气候演化研究提供可靠素材。

4 青藏高原班公湖—怒江缝合带深部结构

位于青藏高原的班公湖—怒江缝合带是研究陆陆碰撞及对金属矿矿产形成的典型地带。它西起班公湖, 向东沿改则、班戈和安多, 然后在丁青向南转向怒江, 全长超过2000 km, 普遍研究认为是中生代中晚期新特提斯洋北支消减闭合的遗迹。对班公湖—怒江缝合带开展了较多研究, 但对于缝合带成因、时代和演化模式尤其是俯冲极性等方面还存在较大争议(朱日祥等, 2022), 需要深部结构调查来回答这些问题。

为调查班公湖—怒江缝合带深部结构特征, 薛帅等(2022)完成了横穿班公湖—怒江缝合带中段的近南北向大地电磁剖面, 处理和分析了大地电磁测深曲线和相位张量特征, 并通过大地电磁三维反演获得了班公湖—怒江缝合带两侧的深部电性结构。三维大地电磁反演结果显示, 中下地壳高导异常沿测线显著分布, 大致以班公湖—怒江缝合带为界,可将中下地壳高导异常分为两部分, 北拉萨地块近水平展布的高导异常层和南羌塘地块下方明显北倾的高导异常。结合早期研究资料, 分析认为中下地壳高导异常应该为地壳部分熔融所致, 且深部电性结构符合沿线大地热流值变化。研究认为中下地壳高导异常可能指示了中生代班公湖—怒江洋的俯冲信息。结合前期的地质资料, 认为班公湖—怒江缝合带以北的北倾高导异常支持班公湖—怒江洋向北俯冲至羌塘地块之下, 而缝合带以南的近水平中下地壳高导异常, 可能是小洋盆低角度俯冲的部分残余。

5 结论与展望

本专辑发表的 14篇文章, 聚焦于我国重要块体、关键构造带和主要资源能源盆地的深部地质调查, 在探测手段方面涵盖了宽频地震、反射地震、折射地震、卫星重磁、大地电磁、微动等地球物理探测技术和岩石学、地球化学、低温热年代、同位素地球化学和矿床学等多学科多方法。在华南陆块岩石圈结构及其对成矿致灾影响、西北盆山结合带深部结构对浅部构造制约、松辽盆地及周缘地热前景与古气候变化和青藏高原班怒带深部结构等方面取得了阶段性进展和认识。

由于中国大陆构造格局复杂, 虽历经数十年研究, 依然存在大量地质构造、资源能源形成等问题需要深部结构图像和深部过程认识的支撑。一方面需要国家对深部地质调查工作持续支持, 形成覆盖中国大陆的深部探测网和骨干探测剖面, 从地球系统科学角度全面、系统地研究深部结构与资源能源效应。另一方面, 深部地质调查工程自实施以来, 积累了海量深部探测数据, 需要对这些资料进行二次挖掘, 进一步深化地质认识。我们将在地球物理综合探测廊带基础上, 参考全球地学断面编图方法, 以地质廊带综合编图为抓手, 深浅结合, 多学科交叉融合, 编制深部地学断面。继续深化对中国大陆岩石圈的组成、深部结构、构造演化及对浅部构造、资源能源效应的认识。

6 致谢

自 2016年深部地质调查工程由中国地质调查局中国地质科学院地球深部探测中心组织实施以来,得到了中国地质调查局和中国地质科学院各级部门的关心和大力支持。本专辑的编写得到中国地质科学院领导的大力支持, 《地球学报》编辑部付出了大量辛苦的劳动, 同时也得到了许多从事深部地质调查专家们的帮助和支持。除地质调查项目, 专辑研究内容还得到了国家自然基金、第二次青藏高原综合科学考察研究和中国地质科学院基本科研业务费等项目联合资助, 在此一并表示衷心的感谢。

中国地质科学院正高级工程师, 博士生导师

中国地质科学院矿产探测技术与评价研究部副主任

“深部地质调查工程”副首席科学家

二〇二二年十月二十五日于北京