2. 国土资源部应用地球物理重点实验室, 长春 130026
2. Key Laboratory of Applied Geophysics, Ministry of Land and Resources, Changchun 130026, China
0 引言
华南大陆位居中国大陆东南部，北以秦岭-大别-苏鲁造山带与华北地块碰撞拼合，西以龙门山-横断山断裂为界与青藏高原相连，西南缘通过红河断裂与印支地块相接，东与台湾造山带隔海相望[1-3]。华南大陆主体由扬子与华夏两大块体构成，经历了板块构造和陆内构造多期复合演变，最终形成了现今的基本面貌。华南大陆长期复杂的构造演化历史使其成为中国大陆仍存在分歧争论的陆块[4-5]，稀疏的地球物理探测制约了深部结构状态的研究及科学问题的回答。因此，对华南陆块深部壳幔结构的地球物理探测十分重要。
大陆岩石圈导电性结构研究是地球深部探测的一个重要组成部分，可以为深部结构、物质成分和状态提供重要支撑，为解决大陆构造及动力学问题提供电性依据[6-7]。大地电磁测深(MT)频带宽、穿透深度大，为探测地球内部电性结构与流变学特征的重要途径，也是研究地壳及上地幔构造的支柱方法之一，在深部地质问题研究中发挥着越来越重要的作用。
在对华南大陆东部的壳幔电性结构的研究中，前人取得了许多有价值的成果。徐克定[8]对华南大陆岩石圈的层圈结构、高导层分布进行了探讨；单春玲[9]、韩凯等[10]、韩江涛等[11]分别就华夏地块南部厦门-桂东剖面、乐昌-霞葛剖面及乳源-潮州剖面的二维岩石圈电性结构进行研究，探讨了断裂性质、高导层的分布及岩石圈厚度等问题；刘国兴等[12]探讨了华南东南沿海地区壳幔电性结构及动力学机制；刘营等[13]利用长周期大地电磁数据对岩石圈-软流圈界面(the lithosphere-asthenosphere boundary, LAB)进行研究并划分了岩石圈结构类型；Zhang等[14]对跨越华南的1 200 km宽频大地电磁剖面的电性结构及地质意义进行了探讨。受仪器装备所限，多数已发表的探测成果属于宽频段探测。本文将剖面宽频与长周期探测结果联合处理，在前人研究的基础上对剖面深部结构进行了探讨。
1 大地电磁测线位置与资料处理 1.1 数据采集及处理进贤-柘荣大地电磁剖面是深部探测项目Sinoprobe 020402研究内容的一部分。研究区位于福建江西两省北部，测线东起江西省进贤县，经东乡县、武夷山市、松溪县至福建省柘荣县，剖面全长约400 km。图 1所示即为本文剖面大地电磁点分布及研究区主要构造，剖面自西北向南东跨越江南造山带、华夏地块内部、华夏褶皱带与东南沿海岩浆岩带。
剖面采用宽频长周期联合探测的方式进行野外观测。经过初步挑选，剔除数据质量较差的测深点，最终获取34个有效大地电磁测深点的观测信息，其中宽频长周期联合观测大地电磁测深点8个。宽频大地电磁测深点平均点距约12 km，长周期大地电磁测深点平均点距约49 km。野外观测采用加拿大凤凰地球物理公司V5-2000型大地电磁测深仪进行宽频数据采集，有效频率范围为320~5×10-4 Hz，测点采集时间平均为20 h，数据采集系统之间通过GPS同步。长周期数据采用乌克兰国家科学院生产的Lemi-417型长周期大地电磁测深仪进行采集，有效频率范围为0.1~2.5×10-5 Hz，测点采集时间为5~7 d，观测最低频率可达5×10-5 Hz。
野外观测到的原始资料为时间序列数据，在数据采集过程中对所有测点进行现场处理，并对数据质量不合格的测点进行重新观测。宽频数据的处理采用SSMT2000及MT-editor软件，长周期数据的处理采用PRC-MTMV软件[20]，在数据处理过程中，综合采用了Robust估计、远参考处理、功率谱挑选等处理手段，获得高质量的大地电磁观测数据。在宽频与长周期同时观测的测点，我们将宽频阻抗数据与长周期阻抗数据合并得到超长周期的阻抗张量数据，拼合数据的频带范围达到320~5×10-5 Hz，探测深度深达上地幔。图 2为各构造单元的原始拼接曲线，其中，测点1和7在101~10-1 Hz处出现强烈的视电阻率和相位突变，此区段是天然电磁场信号强度极低的频段，极易受到干扰影响产生畸变；而相位曲线趋近0°或-180°，分析其应为电磁噪声产生的干扰所致。因此，将该畸变频段剔除，不参与反演拟合。为了使宽频与长周期数据成功拼接并获得圆滑的曲线，进行了RHOPLUS曲线分析[21]。现对原始拼接曲线进行初步分析：测点7、24与33视电阻率曲线首支在103 Ω·m左右，与华南地区广泛分布岩浆岩的特征吻合；测点24中频段的极小值表明壳内存在一相对低阻；测点1与33视电阻率低频段呈下降趋势，预示深部有低阻体存在。
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| ρa.视电阻率；φ.相位；f.频率。XY模式对应观测坐标系下的TE模式；YX模式对应观测坐标系下的TM模式；R+为RHOPLUS分析得到的拼接曲线。 图 2 各构造单元宽频与长周期大地电磁拼接曲线 Figure 2 Apparent resistivity and phase curves of typical stations combine broadband MT data and long-period MT data |
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阻抗二维偏离度是描述地下介质维度的重要指标，阻抗偏离度越小，地下介质越接近二维特征。本文采用Swift二维偏离度[22]对区域电性结构维性特征进行分析。图 3为剖面全部测点的二维偏离度随频率变化的特征，可以看出，剖面二维性较好，中高频段的二维偏离度小于0.3，虽然华夏褶皱带西段低频部分阻抗偏离度较大，总体而言可近似为二维结构。
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| 图 3 二维偏离度影像图 Figure 3 Image of 2D skewness |
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采用G-B阻抗张量分解[23]对34个测点的区域电性主轴方位角进行统计，结果如图 4所示。由图 4可知：分频统计结果320~10、10~1、1~10-1 Hz并没有统一的优势主轴，说明浅部各种构造复杂不同深度上的构造主轴存在差异，低频段10-1~10-2、10-2~10-3、10-3~5×10-5 Hz主轴方位为北东45°~60°；而全频全测点统计结果显示主轴方向在北东45°~55°，但显著性不强。为此，采取逐步剔除高频段的方法寻找具区域控制意义的主轴方位。如图 4所示，不同程度剔除高频成分的统计结果均集中于北东45°~55°，且高频成分剔除越多，旁支越少。结合区域断裂走向多为北东向，最终确定区域构造走向为北东45°。据此将阻抗数据旋转到主轴方向，并识别出TE、TM两种模式的视电阻率及相位曲线。
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| 上部为全测点分频统计结果；下部为不同程度剔除高频成分的全测点统计结果。 图 4 构造主轴分频统计玫瑰图 Figure 4 Rose diagrams showing strike analysis results for the specfic corresponding frequency band |
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考虑到剖面横向跨越不同构造单元及深大断裂，横向构造复杂，而TM模式数据横向分辨率较高；倾向于采用TM模式进行反演解释。对剖面数据分别采用TE、TM与TE和TM联合模式进行反演，对比反演拟合情况并结合区域地质资料最终选择TM模式数据参与反演。
选用非线性共轭梯度(NLCG)反演算法[24]对TM模式数据进行反演。反演初始模型选择背景电阻率为100 Ω·m的均匀半空间，视电阻率误差级数为10%、相位误差级数为5%、横纵光滑比α=1。采用L曲线法[25-26]选择合适的正则化因子τ。在1~300内选择11个正则化因子进行反演计算并绘制L曲线(图 5)，发现τ=15处于L曲线拐点处；综合考虑模型拟合程度与光滑程度后，选取τ=15的反演模型(均方根RMS=1.94)作为反演解释的电性结构模型。图 6为实测视电阻率相位与反演模型理论响应的对比影像图。由图 6可知，视电阻率及阻抗相位拟合良好，反演模型具有较高的可信度。
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| 图 5 不同正则化因子的模型粗糙度与拟合误差值曲线图 Figure 5 L-curve of RMS and roughness for different τ value |
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| a.观测TM视电阻率；b.计算TM视电阻率；c.观测TM阻抗相位；d.计算TM阻抗相位。 图 6 剖面实测与反演模型响应对比影像 Figure 6 TM mode pseudosections of observed apparent resistivity and phase and the 2D model responses |
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依据二维反演所获得的剖面电性结构及相关地质资料绘制了剖面电性结构及推断解释图，如图 7所示。本剖面横向上可分为华夏与扬子两大地块，二者为绍兴-江山-萍乡断裂(F1)所分隔，多数测点位于华夏地块，仅3个测点分布在北西侧扬子地块江南造山带。华夏地块又被十-杭断裂(F2)和上虞-政和-大浦断裂(F6)分为华夏地块内部、华夏褶皱带及东南沿海岩浆岩带。
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| C1，C2，C3为高导体；C4，C5，C6为低阻体；R1，R2，R3，R4、R5、R6，R7、R8为高阻体。YB.扬子地块；CB.华夏地块；JO.江南造山带；CI.华夏地块内部；CFB.华夏褶皱带；SCMB.东南沿海岩浆岩带；F1.绍兴-江山-萍乡断裂；F2.十-杭断裂；F3.崇安-石城断裂；F4.浦城-武平断裂；F5.松溪-长汀断裂；F6.上虞-政和-大浦断裂；F7.福安-南靖断裂。 图 7 进贤-柘荣剖面火成岩分布(a)及电性结构推断解释图(b) Figure 7 Igneous rock distribution of the Jinxian-Zherong profile (a) and 2D electrical tectonic structure model (b) |
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江南造山带(测点1-3)位于扬子板块与华夏板块之间，主要由一套浅变质、强变形的中新元古代巨厚沉积-火山岩系及侵入体构成[27]。江南造山带岩石圈电性结构较为简单，整体呈高阻特征，壳内存在规模较大的高阻体R1，电阻率在1 000 Ω·m以上，R1表现出向上地幔延伸的特征。深部电性结构揭示上地幔存在低阻体C1，电阻率为几到几十欧姆·米，顶面埋深为80~100 km；推测江南造山带的LAB埋深约为80~100 km，自北西向南东埋深加大。
2.2 华夏地块内部华夏地块内部(测点4-7)处于绍兴-江山-萍乡断裂(F1)与十-杭断裂(F2)之间，剖面电性结构显示：在断裂F1、F2的控制作用下，深部向南东延展，该段壳内存在高阻体R2，电阻率在几千欧姆·米以上，是地表出露的中酸性酸性火山岩及侵入岩的深部背景；上地幔存在低阻体C2，电阻率为十到几十欧姆·米，沿两侧断裂F1、F2向壳内延展；C2之下地幔R3呈高阻特征，电阻率为几百欧姆·米，在剖面上一直延伸至150 km深处，可能为局部厚岩石圈根的反映。
2.3 华夏褶皱带华夏褶皱带(测点8-25)位于十-杭断裂(F2)与上虞-政和-大浦断裂(F6)之间，大面积分布中侏罗世S型花岗岩[28]。剖面电性结构显示壳内可分为两层：地壳上部为高阻层，电阻率为几千到上万欧姆·米，其空间分布与区域地质研究所揭示的中生代花岗岩、火成岩分布一致，推断为中生代构造岩浆活动电性特征的反映；地壳下部为低阻层。剖面结构存在横向差异：与华夏地块的其他地区相比，测点8-17武夷山地区的壳内高阻体呈横向不连续的小规模块体产出，下地壳低阻圈闭C3对上覆高阻体的改造明显，电性结构似乎更为破碎；测点18-27地壳成层性更好，下地壳低阻层较为连续。上地幔内存在一条低阻通道C4，电阻率在100 Ω·m以内，自软流圈上侵至岩石圈地幔顶部。在C4南东侧存在高阻体R4、R5，电阻率约为几百到几千欧姆·米，可能为受到有限改造的岩石圈地幔。低阻通道C4底部与R4、R5之下上地幔相对高导层连通，该相对高导层向南东延伸至东南沿海岩浆岩带之下。华夏褶皱带上地幔相对高导层顶面深度约为140 km，其中武夷山地区高导层隆起，可达上地幔顶部。
2.4 东南沿海岩浆岩带东南沿海岩浆岩带(测点26-34)位于上虞-政和-大浦断裂(F6)以东，经历中生代广泛而强烈的岩浆作用形成大面积的火山侵入岩类[28]。剖面电性结构显示：地壳整体呈高阻特征，与地表广布的晚侏罗世中酸性、酸性火山岩相对应，推测为燕山晚期构造岩浆活动的反映；与华夏褶皱带相比，本区高阻层较厚、电阻率较高。壳内高阻层以福安-南靖断裂(F7)为界，分为高阻体R6与R7，电阻率均在几千欧姆·米以上，可能为壳内中酸性、酸性火山岩的深部背景；与西侧华夏褶皱带高阻层相比，R6明显增厚，其底部接近莫霍面，厚度向南东减薄；R7厚度较为均一，约为15 km。F7下部R6一侧存在低阻体C5，电阻率为100~300 Ω·m。上地幔仍以高阻为特征，高阻体R8与壳内高阻体R7连通，推测R7可能具有源自上地幔的物源背景。R8之下为一低阻体C6，电阻率约为几百欧姆·米，与下部软流圈相接，可能为本区软流圈上涌的通道。
3 断裂分析绍兴-江山-萍乡断裂带(F1)是扬子与华夏两大地块的构造边界，是重要的地质地球物理与地球化学界限[29]。剖面电性结构显示，F1在剖面上切过测点3、4，赣东北断裂与其交汇于东乡。20 km深度内断裂表现为低阻破碎带，为两条主要断裂交接的综合反映；20 km以下断裂表现为电性梯度带并延展至约70 km，F1为一超壳断裂。沿断裂发育一系列规模不等的逆冲或斜冲断层，存在基性-超基性侵入岩体，且断裂两侧元古代地层的发育程度和沉积建造差异明显[15]。
十-杭断裂带(F2)处于扬子与华夏地块的结合部，为一条自广西十万大山至杭州的NNE向低tDM高εNd(t)的花岗岩带[30]。剖面电性结构显示，F2整体倾向南东，与剖面交汇于测点8附近，断裂表现为两侧高阻体之间贯通的低阻带，延伸至上地幔与高导体C2相通。与F1相比，F2与上地幔的连通性更清晰。在中晚侏罗世伸展动力学背景下，幔源岩浆沿十-杭断裂薄弱地带底侵，导致强烈的壳幔相互作用，形成该北东向花岗岩带。由于该断裂通道的存在，推测F2附近岩体在物质成分上会存在幔源特征；而岩石地球化学的相关研究[31-32]发现，多处花岗岩体为壳幔混源，幔源物质添加的程度与伸展构造环境的强弱、断裂控制、区域岩浆活动及成矿作用有关。
崇安-石城断裂带(F3)位于武夷山东侧，也称邵武-河源断裂，与剖面交汇于测点16附近。沿该断裂带地貌分界明显，北西侧为武夷山，南东侧为相对低缓的丘陵地带。剖面电性结构显示断裂产状陡立，切割深度达下地壳，为一壳内断裂；断裂北西侧为高阻中酸性、酸性火山岩，南东侧为低阻中生代沉积层。断裂明显控制了区域沉积及岩浆活动。
浦城-武平断裂带(F4)为区域性深大断裂，由一系列高角度冲断层组成，断裂产状浅部较陡、深部变缓折向南东，与剖面交汇于测点19附近。剖面电性结构显示，中生代高阻侵入岩体向北西逆冲，控制着古生代和中生代地层的展布和不同期次侵入岩体的分布[16]。地表地质调查[16]表明，断裂浅层两侧岩石强烈挤压破碎，深部与来自地幔的低阻通道连通，可能处于拉张环境。
松溪-长汀断裂带(F5)是加里东期的碰撞带，沿线分布着构造混杂岩、变质超基性岩体及花岗岩体，呈高负重力异常背景上的低负异常特征[17]。断裂与剖面交汇于测点23附近。剖面电性结构显示，上地壳中发育的高阻层被断裂所切割，南东侧高阻层相对下降，覆盖白垩纪地层，断裂带呈相对低阻，推测破碎带可能较窄。F5产状较陡，切割深度约15 km，可能是一区域性壳内断裂。
上虞-政和-大浦断裂带(F6)呈北东向延伸，由一系列倾向南东的陡倾角断裂组成，控制着古生代沉积中心与中生代火成岩、变质岩分布[16]。剖面电性结构显示，F6控制燕山早期与燕山晚期两期构造岩浆作用的边界，对应不同的构造岩浆活动模式。断裂带壳内没有出现明显的低阻破碎带，大致沿两期岩浆作用区边界(测点26附近)切穿地壳并在R5右侧切入上地幔，与上地幔低阻体C6相接；C6以F6为通道作用于上覆地幔及地壳，断裂呈现深部拉张而浅部挤压的状态。
福安-南靖断裂带(F7)呈北东30°左右延伸，是一条具有一定切割深度的区域主干断裂，控制了中晚元古代至早中生代的沉积及中生代以前的岩浆活动[33]。剖面电性结构显示，F7倾向南东，为壳内高阻体R6与R7的分界线，在一定程度上控制了中生代的岩浆活动。断裂北西侧低阻体C5会对断裂活动与演化产生影响。电性异常未切穿地壳，推测福安-南靖断裂可能仅为壳内断裂。
4 岩石圈结构讨论从地球圈层结构的概念出发，莫霍面是地壳与地幔间的地震波速不连续界面，P波与S波的传播速度在越过该界面时大幅增加，与之相应的导电性也应当存在变化，即在壳幔分界处存在电性莫霍面[34]。为讨论电性莫霍面的特征，将地震探测所揭示的华南造山带平均地壳厚度32.5 km[35]作为深度参考。江南造山带为新元古代的碰撞造山带，地壳高阻而壳幔电性特征差异较小，故电性莫霍面并不清晰。地震探测结果[36]揭示了扬子与华夏地块的地壳平均厚度存在约8 km的差异，推断高阻体R1的深部延展特征与江南造山带莫霍面埋深较深有关。与江南造山带相接的华夏地块内部(测点3-8)，电性莫霍面在参考莫霍面处存在高阻地壳与低阻上地幔顶部的界线，电性莫霍面深度约为30 km。华夏褶皱带大部分及东南沿海岩浆岩带(测点8-34)作为显生宙活动区均存在低阻下地壳，与上地幔的界限明显。将下地壳低阻层底界作为电性莫霍面，发现测点8-16段莫霍面深度约为30 km，测点16-27段约为35 km，东南沿海岩浆岩带约为30 km。根据电性莫霍面的起伏特征，绍兴-江山-萍乡断裂(F1)与上虞-政和-大浦断裂(F6)处均存在莫霍面深度变化，表明了两者对构造单元的控制作用。测点17、18之间存在低阻通道，电性莫霍面深度也存在差异，推测该区域可能存在隐伏断裂，但需要更多的证据佐证。
将MT反演所获得的上地幔相对高导层顶面视作LAB[37]，结合剖面电性结构，绘制了剖面LAB的分布(C4、C6作为软流圈对上覆岩石圈改造的通道，在进行剖面LAB绘制时仅做隆起示意，并不将通道顶面深度作为LAB深度)：江南造山带LAB埋深为80~100 km，华夏褶皱带及东南沿海岩浆岩带LAB埋深为140 km；剖面岩石圈整体表现为西薄东厚，存在一处岩石圈减薄区与两处软流圈上涌区，分别为江南造山带C1、武夷山地区C4及东南沿海岩浆岩带C6。有研究[32]表明，十-杭断裂带花岗质岩石的形成可能存在软流圈地幔物质的直接参与，一种可能的机制为：在中生代伸展构造背景下，裹挟大量热量的软流圈物质沿通道(C1-C2-F2或C1-C2-C3)上侵，引起岩石圈地幔C2局部熔融，进而引起下地壳重熔并发生壳幔岩浆混合作用，混合岩浆上侵定位形成低tDM高εNd(t)的花岗岩带；来自软流圈的残余能量则成为了测点8-13高大地热流值(>80 mW/m2)的热量来源。而华夏褶皱带及东南沿海岩浆岩带的主要作用形式可能并非为岩石圈的大范围减薄，可能以局部软流圈上涌为途径来影响和改造上覆岩石圈结构。武夷地区与东南沿海岩浆岩带软流圈上涌的程度、电阻率数值的差异，反映了伸展构造作用对岩石圈的不均匀改造。
5 结论1)通过对超长周期大地电磁探测及数据的精细处理，建立了进贤-柘荣剖面岩石圈尺度的电性结构模型，绍兴-江山-萍乡断裂、十-杭断裂带与上虞-政和-大浦断裂将剖面分为江南造山带、华夏地块内部、华夏褶皱带和东南沿海岩浆岩带4个构造单元，分区块对壳幔电性结构及主边界断裂进行了分析。
2)在参考地震探测获得的华南莫霍面深度的基础上，讨论了剖面电性莫霍面的分布特征，发现华夏褶皱带武夷山与东南沿海岩浆岩带两处电性莫霍面隆起，莫霍面的起伏特征受控于区域深大断裂。
3)剖面电性岩石圈整体表现为西薄东厚，江南造山带LAB埋深为80~100 km，华夏褶皱带及东南沿海岩浆岩带的LAB埋深约为140 km，存在一处岩石圈减薄区C1与两处软流圈上涌区C4、C6，反映了当今整体处于伸展构造环境当中的华南地区下方软流圈对岩石圈的不均匀改造。
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