2012, Vol. 55
2. 中国地质科学院矿产资源研究所, 北京 100037
, MA Xiao-Bing1, CHEN Yun1, WANG Guang-Jie1, WANG Xian-Xiang1, LAN Hai-Qiang1, LV Qing-Tian2
2. Chinese Academy of Geoscience, Beijing 100037, China
青藏高原的整体抬升是印度-欧亚板块多期次(早期65~41 Ma、晚期40~26 Ma、后期25~0Ma)碰撞、挤压作用的结果[1].冈底斯地块北以班公错-怒江缝合带为界，南至雅鲁藏布江缝合带，是印度-欧亚板块碰撞的前缘地区，对研究青藏高原的隆升机制、壳-幔层间相互作用与物质交换、以及深大断裂和“裂谷"带的成因具有非常重要作用.
大地电磁测深法(MTS)是利用天然电磁场作为激发源来研究地下介质的成份、状态及结构特征.天然电磁场具有强大的能量和很宽的频带范围，观测频段大约从104 Hz到104s，探测范围可从近地表到地下数百公里的深度，是研究地球深部结构与过程的强有力的手段.自上世纪80 年代，在一系列的中、法，中、美、加国际合作项目和国家重点基础研究发展计划项目与国家自然科学基金项目的资助下，国内外开展了大量涉及冈底斯地区的MTS 探测研究.如，中国科学院完成的吉隆-三个湖的MTS剖面，玉树-察隅的MTS 剖面；中、法合作完成的洛扎-那曲的MTS 剖面；中国地质科学院完成的亚东-格尔木MTS 剖面；中、美、加合作完成的吉隆-错勤，亚东-雪古拉等多条MTS剖面.在探测冈底斯地块的岩石圈结构、壳幔物质与热能量交换、以及壳幔物质侧向流动等诸多方面取得了一些重要成果，极大地深化了人们对青藏高原隆升机制的认识[2-11].
印度-欧亚板块持续碰撞、挤压，相继导致了冈底斯地区大规模岩浆底侵与地壳增厚，地幔物质侧向流动和深部软流圈上涌，以及上地壳缩短和发育一系列EW 向逆冲断带和近NS向张性断裂和“裂谷"带[1].南北(NS)向裂谷发育是青藏高原具有的显著地貌特征，从西向东依次分布有亚热裂谷、塔口拉-隆格尔裂谷、古错-文部裂谷、定结-申扎裂谷、亚东-羊八井裂谷、以及错那裂谷[12].目前，国内外学者已提出了多种模型用以解释青藏高原裂谷的形成机制.但在裂谷切割深度这一指示高原隆升状态的关键问题上，还存在着严重分歧[12-15].为了研究冈底斯地区深部构造活动与成矿作用和NS裂谷成因的关系，我们沿85°E-89°E 的错勤-申扎开展了MTS剖面观测与研究.从地幔岩浆侵入和地壳伸展活动综合作用的角度，解释、推断了该剖面壳-幔高导层和当惹雍错断裂的成因，对深入研究岗底斯地块岩石圈结构的演化形成机制具有重要意义.
2 错勤-申扎MTS剖面的定性分析与解释 2.1 视电阻率变化分析措勤-申扎MTS剖面位于85°E-89°E；30°50′N-31°10′N 的区域.测线大致垂直于NS走向的当惹雍错断裂带.其西起措勤，经扎日南木错北岸，横跨当惹雍错，绕昂孜错北岸，经格仁错南岸，东到申扎，剖面东西直线距离近400km.共布设了21 个大地电磁测深点(图 1).从西(错勤)到东(申扎)测点编号依次为05，06，…，25.野外观测使用德国Metronix公司生产的GMS05 和GMS03 MTS 仪各1 台.其测量为5通道，3 个磁场分量(Hx，Hy，Hz)和2 个水平电场分量(Ex，Ey)分量.观测频段为256 Hz~4096s.错勤-申扎MTS剖面所经之地多是无人区，基本没有人文电磁噪声干扰，对MTS观测较为有利.
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图 1 措勤-申扎大地电磁测深剖面测点分布图（三角代表测点位置） Fig. 1 The location of Coqên-Xainza MTS profile, triangle is MTS site |
除17、19、21号测点低频数据采集质量较差(未采用)外，其余测点数据质量良好.
图 2表明ρxy和ρyx断面具有较好的纵向分带、横向分段的特征.纵向上，256~10 Hz是电性由低阻向高阻过渡带；10Hz~100s是一个电性转换带.电性上先是由低阻变化到高阻，然后又由高阻向低阻变化；100~4096s是一个低阻带，视电阻率普遍≤10Ωm.横向上，可划分为西段(05-15测点)、中段(15-20 测点)和东段(20-25 测点).东、西两段视电阻率相对较高、中段较低.
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图 2 措勤一申扎MTS剖面视电阻率断面图 (a) ρxy断面；（b)ρyx 断面. Fig. 2 Cross-section of apparent resistivity on Coqen-Xainza MTS profile |
这里值得指出的是:在ρxy断面的15-20 号MTS测点的地段，1~4096s频段上ρxy的观测结果清晰地指示出低阻物质(ρ≤10Ωm)从深向浅、由西向东伸展过程中，受到申扎以东高阻体的阻挡，侵入方向逐渐发生逆转的变化特征.
2.2 感应矢量变化分析感应矢量是MTS资料定性解释的一个重要参数.感应矢量的指向代表了电流集中的方向，也就是高导体的方向.图 3 给出的是0.01s(100 Hz)~1000s的频段范围的感应矢量分布结果.从图 3(a，b)上100Hz~10s的感应矢量的分布结果，可以清晰地看到在扎日南木错附近，感应矢量的指向大致为南北向，近似垂直于扎日南木错的走向.这反映出扎日南木错为咸水湖，具有良好的导电性.而在当惹雍错-昂孜错地段，感应矢量的指向变化较为复杂.在与“错"邻近的测点，感应矢量的指向随“错"的走向而变化.远离“错"的测点，其感应矢量的指向近似为南北向.在剖面东段的格仁错附近，感应矢量的指向近似为南北向，基本上垂直于格仁错的走向.从100Hz~10s的感应矢量指向的变化情况分析，感应矢量指向的变化主要受4 个高导体-扎日南木错、当惹雍错、昂孜错和格仁错的作用影响.而从1~100s(图 3c)的感应矢量分布结果可以明显看出，感应矢量的指向与100Hz~10s的结果大不相同.以格仁错为分界线，其以西的感应矢量的指向整体上转变为东西向，近似垂直当惹雍错的走向.在格仁错以东，感应矢量的指向也发生了较为明显的东西向的偏转.这表明当惹雍错的作用范围超过上百公里，可能是一条深大断裂.从10~1000s(图 3d)的感应矢量的变化看，随着频率的降低，探测深度的加大，感应矢量的指向又转变为近似NS向.这是因为在印度-欧亚板块的碰撞、挤压作用下，冈底斯地块壳、幔物质与热能量的交换具有明显的南强、北弱的格局.这使得冈底斯地块的深部介质导电率分布整体上表现为南高、北低的分布规律.因此，深部电流集中的方向应该具有NS向的特征.
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图 3 措勤-申扎MTS实感应矢量分布图 Fig. 3 The distribution of real induction vectors on Coqen-Xainza MTS profile |
MTS的F(Frequence)-AR(ApparentResistivity)断面(图 2)揭示的是地下介质的电性响应与观测频率的耦合关系.天然电磁场入射导电的大地后，在传播过程中会被逐渐吸收，入射场的频率越高，吸收越快.因此，MTS的F-AR 结果定性地反映了从浅(高频)到深(低频)岩层导电性的变化情况.为了对MTS资料进行定量解释，人们需要获取MTS 的R(Resistivity)-D(Depth)曲线，或R-D 断面.这就需要利用MTS视电阻率资料，对地下岩层的导电率进行重构-反演.
这里采用的是Smith 和Booker[16]提出的快速超松驰迭代(RRI)法.RRI法是一种Pseudo-2D 反演方法.其采用2D 地电模型计算MTS 的理论响应，并利用MTS 垂直电磁场分量的梯度变化率通常大于水平电磁场分量的梯度变化率的特点，将Jacobian矩阵元素(aij)的计算转换为沿z方向的积分.如TE 模式:
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(1) |
其中，
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(2) |
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(3) |
这里，ω=2πf(f为观测频率)；aij代表第i个MTS测点上的dxy对第j个地电单元(ej)的参变量(lnσ)的偏导数，zj-1≤ej(z)≤zj；σ(yi，z)为第i个MTS测点地下介质的导电率的分布函数；Ex(y，z)、Hy(y，z)分别代表沿x方向的电场分量和沿y方向的磁场分量.
沿用马晓冰等[9]的做法，对各MTS 测点进行一维Occam 连续反演，获取各MTS 测点地下介质的导电率分布函数σ(yi，z)后，利用(1)-(3)式计算出数据向量d={dxyk}和Jacobian矩阵{aij}.在此基础上，应用超松驰迭代法求解出参变量(lnσ)的增量.
从RRI反演原理分析，在重建地下介质导电率分布的过程中，它忽略了MTS 横向电磁场变化率对Jacobian(敏感)矩阵的作用，实质上是强化了纵向电导率变化的分辨能力.对错勤-申扎MTS 剖面表现出的横向分段、纵向分带的电性结构特征，RRI反演方法较为有利.
3.2 错勤-申扎MTS剖面电性结构图 4给出的是错勤-申扎MTS剖面RRI(TE和TM 模式联合)反演的结果.从措勤-申扎MTS剖面的电性结构特征分析，若以壳内高导体的发育产状区分，整个剖面可以大致分为2段.以当惹雍错(横坐标大约为150~160km)为界，错勤-当惹雍错为西段(横向坐标0~150km)；当惹雍错-申扎为东段(横向坐标150~360km).
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图 4 措勤-申扎MTS剖面RRI反演结果 Fig. 4 The result of RRI inversion on Coqen-Xainza MTS profile |
错勤-当惹雍错的西段上电性特征为:在0~20km 深度范围内，岩石电性上主要表现为高阻特征.从地质资料推断，其反映的应该是上地壳喜山期(γ6)花岗岩体的分布状况[17].在横向0~50km；纵向15~80km 的壳、幔区域，发育ρ<10Ωm、倾角近似90°的高导层(体).从当惹雍错-申扎的东段地电断面分析，在横向150~240km；纵向15~80km的壳、慢区域，发育ρ<10Ωm、产状较为平缓的高导层(体).
当惹雍错东侧150~250km 的地段，0~20km深度上岩石电阻率大幅降低.与西段相比，其大致要小1个数量级.这可能是因该地段上地壳花岗岩体发育破碎带的结果[12].在东段横坐标240~360km的地段，不发育壳、幔高导层(体).地下介质的电阻率随着深度的增加而逐渐减小.表明随着深度的不断增大，地下介质的刚性强度在逐渐减弱.
3.3 高导层成因分析MTS 探测结果表明，青藏高原壳内广泛发育ρ<10Ωm的高导层(体).壳内高导层的成因是个相当复杂的问题.从影响地下介质导电率的因素分析，壳内高导层(体)的成因可归结为矿床(金属矿、石墨层)或含NaCl的流体的存在，或是因为岩石部分熔融所致.但考虑到矿床规模的限制和多期次碰撞活动难以形成大范围连通的石墨层等因素，青藏高原壳内高导层起因于金属矿或石墨层的可能性不大.目前，国内外学者普遍认同青藏高原壳内高导层的成因是由于含NaCl的水流体的存在，或因为岩石部分熔融所致[4-7, 9, 11, 18-19].
冈底斯地块地壳厚度约为60~75km[20-22].根据错勤-申扎MTS剖面高导层(体)的发育状况分析，其“中心"大致在壳内20~40km 深度上，“根部"(深度≥80km)可追踪到上地幔.这一特征指示出错勤-申扎剖面高导层(体)可能是多期次构造活动作用的结果.从高导层(体)根部发育状况推断，其成因应该源于地幔构造活动.这可能是由于印度大陆向北俯冲过程中，冈底斯地块增厚的岩石圈“拆沉"作用，或者刚性岩石圈下插至软的地幔之中，导致上地幔软流圈发生扰动，从而引发地幔热流物质上涌，造成中、下地壳温度升高和岩石发生部分熔融[1, 19].但从高导层(体)旁侧岩层电阻率变化情况分析，随着深度的增加，电阻率呈现出逐渐减小的趋势.表明岩层刚性强度随深度增大，在逐渐减弱.因此，上地幔热流物质的上涌，会导致下地壳岩层较中、上地壳岩层有更高的熔融度.据此推断，如果高导层(体)仅是由于上地幔热流物质上涌引起的，其电阻率的低值区-高导层(体)的“中心"应该发育在上地幔，而不会出现在20~40km 深度上.
高温高压实验表明，干燥的岩石大约在1200℃开始融化，而含水岩石熔融温度大约为650℃.在纯融状态下岩石的电阻率为0.1~1Ωm.从Tyburczy等[23]的实验结果分析，熔融岩石的电阻率与压力成正比，与温度成反比.如，在1200℃时，熔融的安山岩的电阻率从10kBa的约2Ωm，变化到5kBa的0.7Ωm.表明减压效应可明显提升熔融岩石的导电率.根据青藏高原岩石圈热状态研究，冈底斯地区中、下地壳(20~80km)温度大约在400~1000 ℃[24].这一温度不足以使干燥的岩石发生熔融，但在减压作用的影响下，有可能催生部分熔融的岩石发生二次熔融.地质研究表明，在印度板块与欧亚板块后碰撞阶段，冈底斯地区地壳曾发生EW 向伸展作用[1, 12, 25].这种伸展作用会使中、下地壳岩石发生相当程度的减压效应，从而引发中、下地壳部分熔融的岩石发生二次熔融.显然，这种EW 向拉张作用导致的中地壳减压熔融效应要大于下地壳.这可能是错勤-申扎MTS剖面壳幔高导层(体)中心-电阻率的低值区发育在20~40km 深度上的成因.
3.4 当惹雍错断裂成因分析南北(NS)向裂谷发育是青藏高原具有的显著地貌特征，从西向东依次分布有亚热裂谷、塔口拉-隆格尔裂谷、古错-文部裂谷、定结-申扎裂谷、亚东-羊八井裂谷、以及错那裂谷.图 1 中的R2、R3、R4、R5 分别是塔口拉-隆格尔裂谷、古错-文部裂谷、定结-申扎裂谷、亚东-羊八井裂谷.古错-文部裂谷是高原最大的近NS 向裂谷系，处于高原中部.它切割整个冈底斯地块.当惹雍错位于古错-文部裂谷带的中段，NS 向长度大约70km，EW 向最宽处约为30km，窄处不足5km，形成年代大约为23~13 Ma[12].
根据地层出露的情况看，当惹雍错附近区域上地壳岩体为γ6-喜山期花岗岩.岩体的分布范围与刚性强度大，不易形成断陷[17].因此，造成当惹雍错断陷的内因应该与深部构造活动密切相关.从当惹雍错地下壳-幔高导层(体)的成因分析，在印度板块与欧亚板块主、晚期碰撞阶段，幔源物质上涌和热能量的向上迁移的构造活动，导致了中、下地壳岩层发生部分熔融.而热能量的迁移可能传导到近地表，使上地壳花岗岩体受到热改造的作用，刚性强度出现相当程度的减弱，从而易于在印度板块与欧亚板块后碰撞阶段，受EW 向伸展拉张作用形成断陷.从感应矢量反映出的当惹雍错的作用范围和壳-幔高导层(体)发育的深度推断，当惹雍错可能是一条切割深度达上地幔的深、大断裂.
3.5 成矿分析冈底斯造山带规模大、矿产资源蕴藏丰富.如，南木林-墨竹工卡斑岩铜矿带，在东西长约240km，南北宽20~30km 的区域，发育有冲江铜矿、驱龙铜矿和甲马铜多金属矿等多处大型矿床[17, 26-29].下地壳熔融和岩浆侵入是冈底斯地区斑岩型Cu矿和脉型Su-Au 矿成矿的有利环境[1].从错勤-申扎MTS剖面高导层(体)的分布状况推断，在扎日南木错以西和当惹雍错附近地带，受幔源岩浆底侵的作用，中、下地壳岩层在电性上明显表现出熔融的标志.因此，扎日南木错以西和当惹雍错附近地区构造环境对斑岩型Cu矿和脉型Su-Au矿成矿相当有利.
4 结 论通过对冈底斯地块措勤-申扎剖面MTS观测资料的处理与解释研究，揭示了该地区壳幔结构特征.上地壳底界面深度大约20km，在扎日南木错以西和当惹雍错以东地区分别发育壳幔高导层(体).其中扎日南木错以西高导层(体)范围较小、产状陡立；而当惹雍错以东高导层(体)范围大、产状平缓.从高导层高导层(体)的中心-电阻率低值区发育在20~40km 深度上，根部可追踪到上地幔的特点推断出，错勤-申扎MTS 剖面高导层(体)是由于印度-欧亚板块主、晚碰撞阶段，地幔热流物质上涌和后碰撞阶段地壳EW 向拉张作用下，导致中、下地壳岩石相继发生两期熔融的结果.而当惹雍错可能是一条深度可达上地幔的深、大断裂.
致谢该项研究得到了中国地震局地质研究所汤吉和詹艳等同志的帮助，在此一并致谢.
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