华南陆块均衡重力状态及其地质意义

严加永 , 张永谦 , 罗 凡 , 佘京瑾 , 姜昶旭 , 刘家豪

1)中国地质科学院, 北京 100037; 2)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;3)东华理工大学地球物理与测控技术学院, 江西 南昌 330013

地壳均衡是基于流体静力平衡原理的一种假说, 认为地壳是由许多厚度不同的岩块组成, 这些岩块漂浮在密度较大的可塑性的岩浆上, 并按照阿基米德原理处于平衡状态, 即大陆和山区在平均海平面以上质量的过剩和海洋区海平面以下质量的不足, 要用密度较大的岩浆(一般在大陆区坳陷较深,海洋区相对隆起)来补偿, 亦即地面上大面积的质量增减必然在地下有所补偿(Heiskanen and Moritz,1967)。根据均衡重力异常形态, 可以按其大小来判断该处地壳深处是否达到了均衡状态, 当地壳处于完全均衡状态时, 均衡异常应接近于零; 反之, 地壳处于不均衡状态, 地面将出现较大的或正或负的均衡重力异常值。不均衡状态势必导致均衡运动的产生, 因此, 研究均衡重力异常有助于了解地壳深处结构及构造活动的特点。

华南大陆位于欧亚大陆东南端, 其北侧以秦岭—大别造山带和郯庐断裂带为界与华北克拉通相邻,西侧以龙门山断裂和红河断裂为界与青藏高原相邻,东南侧濒临太平洋。华南陆块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与裂解过程, 古生代、中生代复杂的碰撞、陆内造山过程, 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(赵国春和张国伟, 2021)。虽然对华南陆块的研究已持续近百年, 但在诸多问题上仍存在较大争议, 比如,在前寒武纪基底组成、块体划分、扬子与华夏地块俯冲-碰撞演化过程, 古生代造山属性、中生代构造体制转换过程、晚中生代古太平洋俯冲样式, 以及构造-岩浆过程、多金属成矿系统结构与深部制约等方面还存在诸多疑问, 亟需进一步的深化研究。本文尝试利用卫星布格重力计算均衡剩余重力异常,分析华南陆块均衡程度, 探讨其对华南陆块动力学过程、地震形成及对矿产分布的制约。

1 地质构造背景

华南陆块是欧亚板块重要的地质块体, 位于其东南一隅, 西部以龙门山断裂为界与松潘—甘孜相连, 北部分别以襄樊—广济断裂和郯庐断裂与秦岭—大别造山带与华北克拉通相接, 南西以越南马江断裂与东南亚块体相连(图1)。华南陆块由扬子、华夏地块和江南造山带组成, 普遍认为江南造山带是新元古时期扬子与华夏地块聚合、碰撞形成的造山带。相对于稳定的扬子地块, 华夏地块自新元古代以来, 经历了多期复杂的构造运动, 包括: 古生代的陆内造山、早中生代华南板块分别与华北和印支地块的碰撞造山、区域构造(特提斯向古太平洋)体制的转换, 和晚中生代古太平洋板块的俯冲等, 是全球最复杂的大陆构造变形-变质区(张国伟等,2013)。目前, 关于华南构造变形事件的区域动力学背景、重大造山过程的细节, 以及构造事件的深部过程尚未达成一致, 需要更多的深部数据、精细的年代学数据和细致的野外观察。

图1 华南区域构造地质地形图(修改自Shi et al., 2015)Fig. 1 Regional tectonic and geological map of South China block overlapped on DEM (modified from Shi et al., 2015)

与多期构造运动相对应, 华南自新元古代(970～750 Ma)的岩浆事件之后, 经历了多期岩浆活动。早古生代(加里东期)的陆内造山过程产生了一次明显的岩浆活动, 花岗岩在 450～430 Ma时期达到顶峰, 主要呈面状分布, 以 S型为主, 源自地壳的深熔作用。主要出露于武夷—云开、万洋山—诸广山等地区, 出露面积达2万km2。早中生代(印支期)花岗岩以强过铝花岗岩和弱过铝花岗岩为主(约占 90%), 年龄分布范围在 250～205 Ma之间, 主要为S型和I型, 主要分布在桂东南、湖南、赣南、粤北、闽西等, 整体上呈面状分布, 出露面积约1.43万 km2。由于缺乏高精度年代学资料, 不同学者对印支期花岗岩形成的构造背景、时空分布规律仍无统一的认识。

晚中生代早期(180～142 Ma, 燕山早期)岩浆活动最为强烈, 岩石类型多样(S、I和 A型), 南岭地区W-Sn-Nb-Ta-Sb-Bi有色-稀有金属成矿“大爆发”与之密切相关。这一期的岩浆岩主要出露在粤、闽、湘、赣等地区, 主体呈北东向分布, 南岭地区表现为近东西向。晚中生代晚期(140～67 Ma, 燕山晚期),岩浆活动主要出露在浙、闽、粤沿海及长江中下游等地区。岩性主要为准铝、弱过铝钙碱性花岗岩, 东南沿海 Cu-Au-Ag-Pb-Zn多金属成矿作用和长江中下游的 Cu-Fe-Au-S-Pb-Zn多金属成矿作用与之密切相关。与这些花岗岩同期有两倍以上的流纹质火山岩出露, 分布在东南沿海地区, 而且具有从内陆向沿海年代渐新、地幔组分加入渐多的趋势。这些火山岩在东南沿海形成巨型的火山机构, 但巨型火山机构的形成机制及相关的成矿作用还缺乏深入的研究。

华南是我国稀有、稀土和战略性矿产资源的“大粮仓”, 其中钨锡锑铋储量居世界第一, 铜铀钒钛汞铌钽等稀有金属储量居全国第一, 铅锌金银铂族元素等在全国名列前茅(胡瑞忠等, 2015)。与华南复杂的构造-岩浆作用密切相关的是丰富多彩的成矿系统, 空间上形成了具有明显成矿特色和金属组合的成矿系统, 主要包括: 南岭的W-Sn-Nb-Ta-Sb-Bi有色-稀有金属成矿系统, 浙中—武夷山的 Cu-Au-Ag-Pb-Zn多金属成矿系统, 长江中下游的Cu-Fe-Au-S-Pb-Zn多金属成矿系统, 钦杭东段的 Cu-Au-Pb-Zn-Ag多金属成矿系统和江南隆起W(Sn)-Cu多金属成矿系统等。时间上, 各成矿系统有明显的分期性: 南岭成矿主要为 165～150 Ma之间, 长江中下游成矿主要为145～130 Ma,钦杭东段成矿集中为 150～142 Ma, 而浙中—武夷山成矿主要为165～150 Ma和110～90 Ma两期。总体来看, 各成矿系统的深部过程和构造背景长期以来尚未达成一致认识。

2 数据

均衡重力异常、均衡深度计算需要布格重力异常、高程数据和地壳密度等数据, 布格重力异常采用卫星重力数据解算校正结果, 高程数据采用ETOPO1地形数据, 壳幔密度差等物性数据采用Crust1.0 模型(罗凡等, 2022)。

重力数据本身蕴涵了丰富的地下信息, 对其处理可以用于分析地球动力学(马国庆等, 2019)、矿产资源勘查(王彦国等, 2017)等多个领域。由于传统陆地重力测量方法在水域、高海拔等艰苦区域难于开展, 故中国大陆目前地面重力还没有完全覆盖, 无法为大尺度研究提供完备数据。卫星重力虽然精度相对较低, 但覆盖面积广, 数据获取方便。卫星重力一般为自由空气异常, 通过加上地形改正和减去中间层改正值, 即可解算出地面布格重力异常, 黄宗理等(2016)通过试验, 认为其精度相当于地面观测1: 50万比例尺的布格重力异常。世界上各大研究机构以三大专业重力卫星 CHAMP、GRACE及GOCE获取的海量卫星重力数据为基础, 结合常规测量方式的重力数据, 建立了 EIGEN、GGM 及EGM 等不同系列的地球重力场模型(Luo et al.,2020)。不同的地球重力场模型采用的数据来源不同,产生的重力数据的异常精度和空间分辨率不一样。根据球谐理论, 球谐展开次数越高, 产生的数据异常精度和分辨率越高。为选取重力异常精度和空间分辨率高的地球重力场模型的重力数据, 对GFZ公开发布的超高阶(＞1000阶)地球重力场模型的重力异常精度和空间分辨率进行对比(万晓云等, 2017)。综合重力异常精度、空间分辨率、研究区范围及计算效率问题, 本文选取高阶重力场模型EIGEN-6C4中重力观测数据和全球地形起伏模型ETOPO1的地形高程数据解算布格重力异常。同时, 由于该地形数据包括海底地形, 在计算均衡深度的过程中所需高程也采用该地形数据(图1)。

地面布格重力异常数据校正是在平面直角坐标系下进行的, 一般不考虑地球曲率的影响。对于大尺度布格重力计算, 江丽(2014)通过实验对比,发现在大于30 km区域使用球面重力校正方法进行校正, 能显著提高重力地形校正精度。华南研究区东西长1900余 km, 南北宽1300多km, 对于如此大范围的重力异常求取更需要基于球坐标的解算方法。本文利用罗凡等(2019)根据 Uieda et al.(2016)提出的 Tesseroid模型基础上完善的球坐标计算方法解算了华南布格重力异常(图 2), 异常精度与地面1:20万重力上延7 km相当(罗凡, 2022), 网格间距为5600 m。

3 方法与结果

3.1 均衡剩余重力异常

均衡重力是一普遍的地球物理现象, 曾提出过多种均衡假说, 其中应用最广的是Airy假说和Pratt假说, 经大量研究实验(张赤军等, 2013; 陈石等,2014)表明合理的均衡模型产生的均衡效应几乎相同。这是由于所有均衡模型的补偿质量都是相等的,而且又分布在较大的深度上, 它们在大地水准面上的重力效应因为被距离平滑过, 使得不同均衡模型产生的均衡改正之间的差值就变得很小。此外, 地壳均衡模型和模型参数的变化仅对均衡改正值在长波长上产生微小变化, 而对均衡重力异常的短波长异常没有太大影响。

由于均衡补偿的作用, 在正常地壳的底部形成了山根与反山根, 将消除山根与反山根剩余物质所产生的重力影响称为均衡校正。均衡校正的本质是对已经去除大地水准面之上的地形起伏影响的质量差异外的布格重力异常, 进一步考虑水准面到均衡面之间的地壳密度补偿的影响(李姗姗等, 2004)。均衡剩余重力异常可通过布格异常进行均衡校正获得,其计算表达式如下所示:

式(1)中, △gIC为均衡剩余重力异常, △gB为布格重力异常, AC为地壳的垂向补偿运动之后的重力值与地壳正常厚度时的重力值之差, 即均衡重力校正值。

在计算均衡重力校正值时, 略去几乎可以忽略的远区量级很小的均衡重力影响值后, 求解均衡重力校正值的实质即为: 计算由补偿界面 h(x, y)和补偿密度σ(x, y)所产生的三维重力场, 通过冯锐等(1987)对 Parker公式(Parker, 1973)改进后的频率域中重力场的快速正演公式, 即可快速实现均衡重力校正值的计算, 下式为计算公式:

式中F[·]为括号内变量的二维傅里叶变换, k为波数场, D是正常补偿面深度。

计算均衡重力的地形采用图1所示的ETOPO1高程数据, 该数据由NGDC美国地球物理中心发布,与Srtm、Aster Gdem一样, 均为高程数据, 所不同的是它还包括海洋海底地形数据, 非常适合研究区范围包括海域的均衡重力计算。根据Crust1.0结果,统计了研究区壳幔密度及密度差: 陆壳平均密度2.824 g/cm3, 洋壳平均密度2.877 g/cm3, 地幔平均密度3.3 g/cm3, 因此, 陆地壳幔密度差为0.476 g/cm3,洋壳壳幔密度差为 0.433 g/cm3。陆域平均Moho深度为 34.67 km, 海域平均 Moho深度为23.925 km。陆域高程平均值为395 m, 海域平均水深646 m。

根据式(2), 取 D为 34.67, 计算的均衡重力校正值, 采用经过球坐标系下校正后获得的去除掉沉积层的布格重力异常(图 2), 经过计算得到华南均衡剩余重力异常(图3)。

图2 基于球坐标解算的华南卫星布格重力异常Fig. 2 Bouguer gravity anomalies of South China block calculated using satellite gravity calculation under spherical coordinates

图3 华南陆块均衡剩余重力异常Fig. 3 Residual isostatic gravity anomalies of South China block

3.2 均衡深度异常

通过基于经典的 Airy地壳均衡理论计算相应均衡状态下该区应有的理论均衡地壳厚度, 并与已有研究成果中利用布格重力异常资料计算得到的地壳厚度进行对比, 是另外一种分析地壳均衡状态的方法(张永谦, 2010a)。本文以陆地为例, 介绍均衡深度异常计算原理、方法与步骤。

根据浮力原理, 大陆山区的均衡条件为:

由(3)式可解出

上面两式中, H为地表高程, ρc为地壳平均密度,ρm为地幔密度,σm-c为壳幔密度差, t为山根厚度,该式说明在地壳均衡状态下, 山越高岩柱陷入越深并形成山根, 即为山体的“质量盈余”, 由山根排开岩浆所引起的质量“亏损”来补偿。

大陆地区理论地壳厚度(TCT)可以表示为下式:

T为标准均衡地壳厚度, 通过上述均衡模型可以看出, 均衡重力异常是与地壳垂向的重力均衡补偿运动密切相关。在地壳厚薄不同的地区, 由于静压力不平衡, 地壳物质在重力作用下会产生垂向均衡补偿运动。由于地壳物质的驱动力为垂向静压应力差, 当垂向静压差平衡, 地壳垂向补偿运动终止。

(1)“山根”厚度t的确定

前人一般取地壳平均密度σ0=2.67 g/cm3, 地幔平均密度σ1=3.27 g/cm3, 海水密度=1.027 g/cm3, 洋壳平均密度=2.67 g/cm3, 代入公式(4), 陆地区t＝4.45 H, 计算的山根值与高程呈线性关系。但实际的地壳密度是横向变化的, 需要考虑地壳密度的横向变化。Crust1.0地壳模型提供了全球1°×1°的分层地壳密度信息, 在一定程度上反映了地壳密度的横纵两个方向上的变化(Laske et al., 2013)。基于此,本文将华南作为一个整体, 运用 Crust1.0地壳模型提供的横向变密度信息对华南地质单元的重力均衡状态进行分析: 首先对 Crust1.0提供陆地地壳密度和壳幔密度差分布进行插值, 插值点距与地形数据一致, 然后根据公式(4)计算变密度的山根厚度 t(图4)。

图4 华南陆块变密度计算的山根厚度(t)Fig. 4 Root thickness (t) calculated by variable density in the South China block

(2)标准均衡地壳厚度T的确定

根据 Airy均衡模型理论, 在重力均衡的地区,其TCT与M是一致的。因此, 在进行地壳标准均衡厚度 T的确定时, 应以均衡(稳定)地区的实际地壳厚度M为依据, 从而确定该区的地壳标准均衡厚度T(张永谦, 2010b)。根据公式(5), 计算陆地区标准均衡厚度T=32.49 km, 海洋区T=21.525 km。

(3)理论均衡地壳厚度TCT的确定

计算出山根深度 t, 和确定的标准均衡厚度后,可以计算全区内的相应理论均衡地壳厚度TCT=T+t,为了削弱由于地形高程而引起的 TCT的小区域极端变化, 本文对高程数据以 2 km为窗口在不同方向上共取9个高程点进行了平均。

(4)地壳均衡程度

为了探讨研究区的深部地壳均衡程度, 可将研究区范围内的理论均衡地壳厚度 TCT与实际地壳厚度 M进行对比, 通过求其差值 ΔI来表征其所处的均衡状态(ΔI=TCT-M)。实际地壳厚度 M 采用变密度计算的 Moho深度, 经过计算得到华南地壳厚度的均衡差异程度(ΔI)的分布(图5)。

图5 华南陆块地壳厚度均衡差异程度(ΔI)与地震分布Fig. 5 Isostatic difference of crustal thickness (ΔI) and earthquake distribution in the South China block

4 讨论

4.1 华南均衡状态与动力学机制

大陆地壳在漫长的演化发展过程中在不停息地进行着水平和垂直方向上的运移和调整, 并逐渐趋于均衡的稳定状态。而事实上, 作为地球演化史中短暂的一幕, 现阶段的大陆地壳中并非所有构造单元都达了到稳定状态(张永谦等, 2010a)。多数地球物理工作者都把均衡剩余重力异常值接近零或者不超过某一限值, 一般认为在±20 mGal之间的地区解释为该地区地壳已经达到均衡状态(张赤军等,2013)。本文认为单纯用异常幅度值大小来判断地壳是否处于均衡状态是不全面的。因为均衡改正仅仅改正了地壳深度的补偿效应, 而且目前的均衡模型都是不完善的, 特别是均衡参数难以确定, 使得不同模型间、参数不同的同一模型间都存在一定的差异, 则求得的均衡剩余重力异常也就未必准确。因此, 推断地壳是否处于均衡状态也可以从均衡剩余重力异常的梯度变化来加以分析, 即在一定范围内均衡剩余重力异常幅度值虽然比较大, 但其变化平缓, 那么也认为该异常所反映的地壳是处于均衡的,而那些幅度值不大, 但其异常梯度较大或剧烈的地区, 则可认为是不均衡的。

根据上述划分原则, 可以发现研究区大部分区域地壳达到了均衡(图3), 同时, 也可以划分出若干负均衡重力异常区和正均衡重力异常区。负均衡重力异常区主要分布在大别造山带、扬子和华夏结合带。在大别—秦岭造山带, 越靠近造山带腹地, 均衡重力异常值越低, 从该带南东的-20 mGal到北西逐渐变化为-50多mGal。说明秦岭—大别造山带地壳尚未达到均衡, 地壳物质补偿过剩, 也即地壳深入地幔程度较大。另外一条明显的负均衡重力异常区北东向横亘于研究区中部, 从南东的百色—河池一带呈喇叭口状往北东收缩, 经怀化、长沙、南昌一直延伸到景德镇、黄山一带。负均衡重力异常幅值也从南西往北东减弱, 从南宁一带的-30多mGal逐渐变化为萍乡一带的-20多mGal, 再到景德镇、黄山一带的-5 mGal。该负异常带形态与天然地震获取的泊松比形态基本一致(He et al., 2013; Zhang et al., 2021), 低泊松比一般指示以下两种构造环境:一种是在构造挤压环境中, 处于相同温压条件下的长英质岩石比铁镁质岩石更容易形成推覆构造或褶皱, 从而造成地壳波速比随地壳厚度增大而降低。另一种情况为拆沉作用会造成下地壳部分基性岩石厚度的减薄, 也会引起地壳泊松比的降低(陈昌昕等, 2022)。综合泊松比结果, 我们认为该负均衡剩余重力异常记录了扬子块体和华夏块体的碰撞结合带造成地壳层增厚, 后续又经历拆沉作用, 因此,负均衡剩余重力异常是二者共同作用的结果。结合其他地球物理探测资料(严加永等, 2022), 我们认为该负均衡剩余重力异常带主体范围为江南造山带,也即扬子与华夏碰撞拼合带。反之, 根据负均衡剩余重力异常的分布, 也可以追踪江南造山带的深部边界和范围。本文认为江南造山带的北部深部边界可能大致沿宣州—黄山—九江—咸宁—益阳—常德—吉首—铜仁—凯里分布, 而钦杭结合带不仅是扬子板块和华夏板块结合带的南界, 亦是江南造山带的南边界, 其大致沿宁波—金华—上饶南—赣州北—郴州—临武—梧州—玉林东—北海东分布。该带内出现了南昌、吉安和衡阳等局部正均衡剩余重力异常, 这可能反映了江南造山带后期活动, 局部Moho上涌, 形成了这些局部高均衡剩余重力异常。

正均衡重力异常主要分布于东南沿海和扬子块体南缘。扬子块体南缘高均衡剩余重力异常沿曲靖—昭通—重庆—宜昌—武汉—安庆一带分布。西段基本沿着武陵隆起呈弧形分布, 到宜昌一带, 开始沿长江分布, 在湖北境内, 异常为北西向带状,到九江、黄梅一线突然转向为北东向, 在北至淮南、南至绍兴地段异常范围逐渐呈放射状扩大。说明沿长江一线多种地球物理探测均认为Moho面埋深较浅, 为地幔相对隆起区, 印证了高均衡剩余重力异常反映出的地壳物质补偿不足。东南沿海的高均衡剩余重力异常区分布在广州—河源—梅州—龙岩—三明一线以东区域, 异常北宽南窄, 可能反映了古太平洋板块从NE向的俯冲对地壳的影响。

地壳厚度的均衡差异程度(图 5)可以分析地壳的稳定状态, 根据 Airy大陆均衡理论(王谦身等,2008, 2009): 当地壳厚度的均衡差异ΔI(标准均衡厚度TCT与Moho面厚度M之差)相差很小或接近于零时, 即表明该处已处于或已近于大陆均衡的状态, 地下深处的物质和能量一般不再需要进行特别强烈的交换、运移和调整, 构造活动相对比较稳定。当TCT与M差异较大时, 则意味着该区的大陆地壳处于不均衡状态, 差异值越大则表明其不均衡状态越强烈, 相应地其地下深处介质的物质与能量交换和运移与调整也应更为强烈。

从地壳厚度的均衡差异程度(图 5)来看, 华南均衡差异幅值小于10 km, 整体基本处于均衡状态,但也可以看出厚度差异。与均衡剩余重力异常类似(图4), ΔI＞0的区域主要集中于武陵山、长江中下游、钦杭结合带和东南沿海。ΔI＜0的区域主要集中于大别—秦岭造山带和华夏、扬子结合带。

从本研究区所处的均衡状态来看, 造成现今这种复杂格局的动力学机制是扬子和华夏的碰撞、华南与华北碰撞、古太平洋板块和青藏高原东流物质的挤压多期次的综合作用。新元古代华夏块体与扬子块体的拼合, 强烈的造山作用使得结合带地壳加厚, 形成了北东向显著的负均衡剩余重力异常。印支期华北板块和扬子板块(华南板块)的陆陆碰撞拼合, 形成了秦岭—大别造山带, 使得该带地壳加厚,在本区北部形成了北西向的负均衡剩余重力异常。燕山期中国东部构造体制从特提斯构造域向太平洋构造域转换, 中国东部受古太平洋板块强烈影响,地壳减薄, 形成了东南沿海和长江中下游等地的正均衡剩余重力异常, 由于板块俯冲的远程效应, 对江南造山带进行了改造, 局部拉张或岩浆上涌, 使得地壳减薄, 形成了南昌、衡阳等地区的局部正均衡异常。到了新生代, 印度板块与欧亚板块的碰撞导致了青藏高原的深部物质发生运移, 可能一直影响到武陵山一带, 改变了地壳均衡状态, 促使华蓥山断裂、齐岳山断裂、大巴弧形断裂等断裂活化。

4.2 均衡调节与地震活动

均衡剩余重力异常差异往往体现了壳幔结构的差异, 壳幔结构差异又为地震孕育和发生提供构造环境, 均衡调节作用与地震形成具有一定相关性,从华南地震分布和均衡剩余重力异常图(图 5)可以看出, 三级以上地震集中分布区域多位于正均衡区和负均衡区交会或过渡部位。总体来看, 华南地震集中分布于四川盆地周缘、东南沿海—台湾海峡、大别造山带北缘—郯庐断裂南段和曲靖—百色—玉林一带等四个区域。四川盆地西缘和东缘地震呈弧形带状密集分布, 地震也多位于正负均衡重力异常过渡带偏正异常一侧, 特别是沿龙门山断裂正均衡深度区地震密集分布, 在次级高均衡深度异常梯度带(如华蓥山断裂)和正异常中的梯度带(宜昌—常德)也有较为密集的地震分布, 该区地震活动可能主要受到青藏高原东扩及其远程效应的影响。东南沿海地震集中区多位于正负均衡剩余重力异常过渡带偏正异常一侧, 多沿福建近海断裂、长乐—南澳断裂和政和—大浦断裂分布, 可能受控于古太平洋板块的俯冲。大别造山带—郯庐断裂南段的地震密集分布区, 大别地区位于正负均衡重力异常过渡带偏正异常一侧, 郯庐断裂及其东侧多位于正均衡剩余重力异常梯度带上, 多沿长江断裂带、滁河断裂等分布。曲靖—百色—玉林一带地震总体呈北西向密集分布, 局部有北东向趋势, 地震多分布于负均衡异常中心, 该地震密集带推测与紫云—罗甸—南丹—都安断裂有关, 该断裂始于中三叠世晚期的印支运动, 强烈的变形发生在晚侏罗世早燕山运动, 与华南地块挤压有关(张荣强等, 2009)。

正、负均衡剩余重力异常的转换带或梯度带通常与深断裂有关, 如郯庐断裂带和四川盆地东缘断裂带等。研究区内显著的正、负均衡区交会地带通常为深部构造转换部位, 或者说是地壳断裂交叉部位, 可见具备上述均衡剩余重力异常空间分布特征的区域很有可能具备地震孕育和发生的构造条件,应当成为地震活动研究的重点区域。

4.3 对矿产资源的控制

近年来, 在正的高均衡剩余重力异常区的湖南沅江流域, 发现了多处金刚石矿(龙昭陵, 1998)。根据金刚石幔源成因论认为, 金刚石在岩石圈底部、软流圈顶部早已形成2～4 Ga, 相对年轻得多的金伯利岩或钾镁煌斑岩仅是一种载体, 将含金刚石的地幔岩石崩解物带出成矿。湘西—鄂西正均衡剩余重力异常反映了 Moho隆起, 地壳减薄, 而地表多出露大面积寒武纪及前寒武纪地层, 说明该区域曾经是“老、厚、冷、干”扬子地块, 后期地壳均衡的调整使得岩石圈减薄, 形成了多条脆性深断裂, 在有利地段形成了金刚石矿床(图3)。此外, 在正均衡剩余重力异常区的浙江省龙游发现了原生金刚石(包超民等, 2000), 含金刚石似金伯利岩主要见于绍兴—鹰潭—藤县—北海断裂带的北东段, 已发现80余个岩管或岩脉, 龙游和衢州等地构成若干个岩管群, 也有呈零星分布者; 岩性以角砾状玻基辉橄岩为主。第二个条带是弋阳—歙县—湖州断裂带的北东段, 由超基性火山角砾岩和橄辉玢岩等组成。第三个条带是华南中生代重要的余姚—丽水—政和—莲花山断裂带的北东段, 已知岩管20余个。第四个条带是镇海—温州断裂带, 已发现岩管30余个。从湘西和浙江发现的金刚石及其指示矿点, 大多分布于正均衡重力场的局部凸起部位, 结合地球化学铂(Pt)的异常(图 6), 这些区域也是 Pt含量较高的区域。整体来看, 湘西—鄂西成矿带Pt异常明显且具有条带状分布特征, 加之该区域正均衡剩余重力异常形态完整, 说明该区具有良好的金刚石和铂族元素的找矿前景。钦杭成矿带东段浙江一带正均衡剩余重力异常也比较完整, 但 Pt异常范围小, 因此,该区域金刚石找矿应该综合二者, 结合地表发现的蛇绿岩带或可能隐伏的蛇绿岩带开展。

图6 华南陆块Pt异常与金刚石及其指示矿点(据Cheng et al., 2014修编)Fig. 6 Pt anomalies and diamond or its indicator ore points in the South China block (modified from Cheng et al., 2014)

长江中下游成矿带和钦杭成矿带东段对应为正均衡剩余重力异常, 揭示了 Moho面隆起、地壳减薄。对比长江中下游均衡剩余重力异常和金属矿床(点)分布发现, 除九江和鄂东南的矿床分布在正均衡剩余重力异常的南侧外, 其余矿床几乎全部集中分布在正均衡剩余重力异常区, 特别是正均衡重力异常区中局部较低地区的边部矿床出现概率较大。前人的大量研究表明长江中下游铜、铁、金矿床的物质来源以地幔物质为主, 本次计算的均衡剩余重力异常与矿床分布再次证明了这个观点, 即长江中下游成矿带与地幔隆起带有着密切的关系(严加永, 2011)。因此, 正均衡剩余重力异常区与地幔来源金属矿床相关, 负均衡异常区则多产出壳源相关金属矿床。

5 结论

本文计算了华南陆块均衡剩余重力异常和均衡深度异常, 综合分析认为:

(1)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,相对负均衡异常沿秦岭—大别造山带、江南造山带及华南陆块西缘分布。造成现今这种复杂格局的动力学机制是扬子和华夏的碰撞、华南与华北碰撞、古太平洋板块和青藏高原东流物质的挤压多期次的综合作用。新元古代华夏块体与扬子块体的拼合,强烈的造山作用使得结合带地壳加厚, 形成了北东向显著负均衡剩余重力异常。印支期华北板块和扬子板块(华南板块)的陆陆碰撞拼合, 形成了秦岭—大别造山带, 使得该带地壳加厚, 在本区北部形成了北西向的负均衡剩余重力异常。燕山期中国东部构造体制从特提斯构造域向太平洋构造域转换, 中国东部受古太平洋板块强烈影响, 地壳减薄, 形成了东南沿海和长江中下游等地的正均衡剩余重力异常区, 由于板块俯冲的远程效应, 对江南造山带进行了改造, 局部拉张或岩浆上涌, 使得地壳减薄,形成了南昌、衡阳等地区的局部正均衡异常。到了新生代, 印度板块与欧亚板块的碰撞导致了青藏高原的深部物质发生运移, 可能一直影响到武陵山一带, 改变了地壳均衡状态。

(2)正、负均衡剩余重力异常的转换带或梯度带通常为深部构造转换部位, 即地壳断裂交叉部位,具有上述均衡剩余重力异常空间分布特征的区域很有可能具备地震孕育和发生的构造条件, 应当成为地震活动研究的重点区域。

(3)对内生金属矿床而言, 正均衡剩余重力异常区多分布地幔来源金属矿床, 如长江中下游成矿带和钦杭成矿带东段多为铜、铁、金矿, 武陵山区分布原生金刚石矿床(点); 而负均衡异常区则多产出壳源相关金属矿床, 如南岭成矿带多产出钨锡矿。

Acknowledgements:

This study was supported by China Geological Survey (Nos. DD20190012 and DD20221643), National Natural Science Foundation of China (Nos.92062108, 42074099 and 41630320).