地球物理学报  2013, Vol. 56 Issue (4): 1369-1380   PDF    
青藏高原构造结构特点:新重力异常成果的启示
张燕1,2 , 程顺有1 , 赵炳坤2 , 董云鹏1 , 韩革命3 , 张明华4 , 杨亚斌3 , 崔丽艳2     
1. 西北大学大陆动力学国家重点实验室, 西北大学地质学系, 西安 710069;
2. 陕西地勘局第二综合物探大队, 西安 710016;
3. 中国地质科学院地球物理地球化学研究所, 河北廊坊 100010;
4. 中国地质调查局发展研究中心, 北京 100037
摘要: 截至2007年1:1000000区域重力工作已基本覆盖青藏高原全区, 这些全新的重力成果揭示了很多有意义的现象.通过多方法处理分析研究不同深度层次的重力场特征及正反演计算构建地壳模型, 认为:重力异常形态显示青藏高原独成体系, 与相邻块体具有多样化的接触关系.已发现蛇绿岩的结合带、弧盆系和岩浆岩带是幅值不等、规模不一的重力高和重力低, 表明青藏高原是具有多条结合带的拼合体; 班公湖-怒江结合带是高原内最主要的重力高异常带, 长达千余公里, 将不同深度层次的重力场分成截然不同的南北两大区块, 为它是冈瓦纳大陆北界提供了依据; 局部重力异常指示青藏高原构造形迹自南而北以东西走向为主, 东部则为北西-南北走向, 具有与大地构造相似的分区特征; 85°E和92°E附近存在较大尺度的南北和北东走向的重力异常特征线, 揭示出青藏高原腹地的深部结构具有东中西三分现象, 与表壳的东西走向格局形成对比.
关键词: 青藏高原      重力异常      结合带      构造特征线     
The feature of tectonics in the Tibet Plateau from new regional gravity signals
ZHANG Yan1,2, CHENG Shun-You1, ZHAO Bing-Kun2, DONG Yun-Peng1, HAN Ge-Ming3, ZHANG Ming-Hua4, YANG Ya-Bin3, CUI Li-Yan2     
1. State Key Laboratory of Continental Dynamics, Department of Geology, Northwest University Xi'an 710069, China;
2. The Second Geophysical Exploration Brigade, Bureau of Geology and Minerals of Shanxi Province, Xi'an 710069, China;
3. Institute of Geophysical and Geochemical Exploration, CAGS, Hebei Province Langfang 100010, China;
4. Research Center of China Geological Survey Development, Beijing 100037, China
Abstract: As of 2007, 1:1000000 regional gravity investigations have been completed in Qinghai-Tibet Plateau. We obtain useful information by analyzing the gravity anomaly in different depth levels of the plateau, based on various data processing results to build a structure model. Our results show that the gravity feature in Tibet is unique, with diverse contact relations with adjacent blocks. The gravity minimum and maximum can be related to the arc-basin and magmatic belts, and suture zones where amphibolites were found. This feature above shows that Tibet is pieced together with many sutures. The gravity field is divided into two parts of the southern and northern within the plateau in different depth by the Bouguer gravity anomaly of Bangong-Nujiang suture zone, which is the most important gravity maximum anomalies over 1000 km long. This information provides evidence that Bangong-Nujiang suture is the northern boundary of Gondwana. Local gravity anomaly exhibits similar feature of geotectonic division. Majority of structural trend is EW-striking from south to north, whereas in the eastern plateau it strikes NW-SN. There are two gravity anomaly lines near the 85°E and 92°E longitude. It suggests that the deep structure of plateau is divided into three parts from east to west, in contrast to the EW-striking surficial structure..
Key words: Tibet plateau      Gravity anomaly      Suture      Structure typical line     
1 引言

青藏高原是印度板块和欧亚板块碰撞后形成的全球海拔最高、规模最大、时代最新的高原,亦是全球壳幔活动最活跃的地区之一,一直是国内外地学研究的热点地区.自20世纪50年代起对此区域开展了多种地球物理方法如重-磁力剖面、地震、大地电磁测深、大地热流研究等[1]以探究其结构构造及其演变.其中重磁力研究发现,中国西部地壳上地幔密度不均匀特征在纵向和横向上都很明显,以西昆仑-阿尔金-祁连山重力梯度带为界分为南北两大密度结构单元,青藏高原内部为厚地壳、低密度,北部为高密度、薄地壳的结构特点[2];5'×5'重力空间异常研究认为三江地区岩石圈厚度较薄,其重力场分布与大地构造和地震关系密切[3],重磁剖面正反演计算显示青藏高原东北缘下地壳发育规模较大的低速层,刚性地幔顶层发生主动挠曲变形[4],东部玛多-沙玛地区的地壳厚度约60km,呈边缘薄内部厚的特点[5],“东构造结”由高密度的刚性物质构成[6],羌塘盆地表层主要构造方向为北西-南东向[7];吉隆-鲁谷剖面研究认为高原西部由多条近东西向构造带(缝合带、断裂带)划分的块体组成,并通过多条剖面的对比认为冈底斯与羌塘块体从东到西都可以各自作为一个连续的块体进行深部结构及动力学机制的研究[8].上述研究深化了人们对高原结构构造的认识,但它们主要集中于沿特定地质构造方向或局部区域,且所用重力资料都是前期青藏高原路线及剖面测量成果[2, 5-9],或者基于小比例尺布格重力异常图的研究[10-12],有效重力测点较少,青藏高原纵横向物质组成、结构的不均一性及高原总体构造特点未能得到充分反映.

2000年左右,青藏高原陆续开展的重力调查工作基本覆盖全区,其成果揭示了青藏高原重力场的整体面貌和细节特征.本文利用这些难得的重力资料结合其它研究成果对青藏高原重力异常的地质意义重点加以探索分析和讨论.

2 青藏高原构造背景

青藏高原位于中国大陆西部的冈瓦纳大陆与欧亚大陆交汇处,涵盖东特提斯构造域主体和冈瓦纳与欧亚大陆碰撞拼合的关键部位,是自古特提斯大洋消亡后,北部劳亚大陆、泛华夏陆块西缘和南部冈瓦纳大陆北缘不断弧后扩张、裂离,又相互对接、镶嵌而成的复杂地区,由多条规模不等、东西走向的弧-弧、弧-陆碰撞结合带和其间的岛弧或陆块拼贴而成[13].同时在碰撞过程中形成的大型剪切带和大型断裂作用使陆块及复合陆块叠置、错位、挤出和远离原位[14],构成现今复杂的构造格局.研究者利用不同方法如地体说、板块说对其进行了不同划分和命名,本文据地理位置将其划为喜马拉雅、冈底斯、羌塘、可可西里-巴颜喀拉、秦-祁-昆五大区块及夹在其中的多条结合带,如雅鲁藏布江、班公湖-怒江、龙木错-双湖、金沙江、康西瓦-苏巴什、南昆仑-玛多等结合带.它们共同组成了青藏高原(图 1a).

图 1 (a)青藏高原构造简图(引自文献[13]);(b)西特征线重力异常图;(c)青藏高原布格重力异常图红虚线为异常特征线,红色至深蓝色表示异常值由高值向低值变化. Fig. 1 (a)Structure diagram of Qinghai-Tibet Plateau; (b)Gravity anomaly map of western plateau (Bolded line represent west anomaly line); (c)Bouguer gravity anomaly map of Qinghai-Tibet Plateau (Red dashed-anomaly line, Red to deep blue for abnormal value from high to low)
3 重力场特征

本次研究所用资料包括20世纪50、60年代及地质大调查前后的重力数据,其中高原内部资料是近年来的1:100万区域重力数据,东部巴颜喀拉地区使用90年代1:100万数据,甘孜地区使用了极少量的1:20万重力数据,50年代和60年代数据分布在柴达木盆地和塔里木盆地.除部分陡峻山区、雪线以上和湖泊等受地形条件限制无实测重力数据的地区使用周边数据的趋势分析结果进行填补外,重力点基本覆盖了整个青藏高原,每个重力点控制面积平均达到107km2.所用数据都改算到1985国家重力系统内,使用密度值2.67g/cm3和166.7km的半径进行布格改正和地形改正,并使用1980年公式进行了正常重力值改正.

成果显示青藏高原重力场呈四周高中间低的态势,最低异常值达-590mGal,异常形态复杂多变,但具有明显的规律性.为便于叙述将重力场分为南、北、东区(Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ)(图 1c)进行分析.以班公湖-怒江结合带为界重力场呈现截然不同的南北两区,南部冈底斯-北喜马拉雅区(Ⅰ)重力异常以近东西走向为主,具有南北分带特点,重力高和重力低相间分布,局部异常范围、变化梯度大致相近;北部羌塘地区(Ⅱ)异常形态略显复杂,以大范围的低值重力异常为主,是全区最低重力异常分布区;东区(Ⅲ)处于羌塘低值重力异常(Ⅱ)向华北、扬子地台高值重力异常的过渡区带,异常以北西-南北走向的弧形展布为特点,数值自西向东逐渐增大.这三种性质特点不同的重力异常反映出青藏高原内部不同区域具有不同的物质组成和结构构造[15-18].

为了更好的认识高原内部重力场的细节特征,我们对重力异常进行了异常分离如向上延拓、异常残差、多尺度小波分析等多方法处理,选择反映相对深部密度异常信息的向上延拓40km异常及高阶小波重力异常、反映相对中浅部密度异常信息的剩余异常和残差异常进行对比研究,利用这些不同层次的重力异常分析青藏高原横向结构的总体特征和不同深度层次结构的差异,说明青藏高原重力场对大地构造格局的指示作用.

4 青藏高原结构构造及其格局 4.1 青藏高原与周边关系

青藏高原被印度、扬子、中朝及塔里木等刚性陆块围限,形成的多个造山带、岩石圈剪切断裂使高原与相邻块体截然分开,这在重力场中有鲜明的反映(图 1c).邻区重力场以高异常值为特点,高原内部重力场独成体系,两者之间的交汇区如西昆仑、阿尔金、东昆仑、龙门山和喜马拉雅造山带重力场显示为规模宏大的重力梯级带,每条梯级带的梯度变化各不相同,如东昆仑约1 mGal/km,西秦岭最大值约1.3mGla/km,喜马拉雅梯度值约1.85 mGal/km,即使是同一条梯级带在不同的区段其梯度变化也不相同,如龙门山北段梯度值约2.5 mGal/km,南段约0.9mGal/km,西昆仑-阿尔金梯度值最小约为1.85mGal/km,最大约2.4 mGal/km.巨型梯级带是岩石圈断裂带存在的标志,而变化的梯度值反映出断裂带的倾角、断距等产状或结构的改变,因而上述梯级带不但清晰划定了高原与邻区的区域性构造单元格架,也表明两者之间是以岩石圈断裂相接触,并且不同区段的接触关系存在较大差别[19-21],呈现多样化特征.

4.2 青藏高原内部构造 4.2.1 青藏高原结合带

青藏高原经历了显生宙以来特提斯洋开启、消减、闭合,最终汇聚碰撞,是自北而南相继拼合而成的碰撞拼贴体.内部发育的多条俯冲碰撞带是宽数公里至数十公里的构造带而非一条狭窄的闭合线,包括俯冲杂岩带和活动陆缘增生带两部分.前者通常由蛇绿岩、蛇绿混杂岩、弧前增生带、俯冲剥蚀带及高压-超高压变质带组成,后者由火山岛弧岩浆岩带及弧后盆地组成,并经常与“Ⅰ”型花岗岩伴生[14],两者密度差别较大,可以形成不同性质的重力异常,因而碰撞结合带的重力异常通常是重力高和重力低相伴而生.高原内部从南至北存在多条重力高、低异常带近乎平行排列,由西向东贯穿高原,其中重力高值异常带与雅鲁藏布江结合带、班公湖-怒江结合带、乌兰乌拉-北澜沧江结合带、西金乌兰-金沙江结合带一一对应,而龙木错-双湖结合带、东昆仑结合带(包括木孜塔格-西大滩、布尔汗布达、布青山-玛沁结合带)则为重力低值带(图 2).这些结合带在布格重力异常图中也是重力场特征明显不同的场区分界线或梯度变化明显的梯级带,结合带之间各区块的重力场特征完全不同(图 1c),暗示了各结合带两侧物质组成、结构构造的差异性.这种区域性的重力位场特征从地球物理方面显示出青藏高原是以多条结合带为接触的拼合块体并具有俯冲碰撞特点.

图 2 青藏高原剩余重力异常图 Ⅰ-雅鲁藏布江结合带;Ⅱ-班公湖-怒江结合带;Ⅲ -乌兰乌拉-北澜沧江结合带;Ⅳ -西金乌兰-金沙江-哀牢山结合带;Ⅴ -甘孜-理塘结合带;Ⅵ1-木孜塔格-西大滩结合带;Ⅵ2-布尔汗布达结合带;Ⅵ3-布青山-玛沁结合带;①狮泉河-申扎-嘉黎结合带;②鄂陵湖-达日凸起;浅蓝虚线是异常特征线.单位:mGal. Fig. 2 Residual gravity anomaly map in Qinghai-Tibet Plateau Ⅰ-Indus-Yarlung suture; Ⅱ-Bangong-Nujiang suture; Ⅲ -Wulanwula-north Lancangjiang suture; Ⅳ -Xijinwulan-Jinshajiang-Ailaosan suture; Ⅴ-Garẑe-Litang suture; Ⅵ1-Muztagh-Xdatan suture; Ⅵ2-Burhanbd suture; Ⅵ3-Buqingshan-Maqing suture; ①Shiquanhe-Shenzha-Jiali suture; ②Elinghu-Dari bulge; light blue-anomaly line for anomaly line; unit:mGal.

班公湖-怒江结合带是古特提斯洋最终消亡的巨型缝合带,沿带出露蛇绿岩及蛇绿混杂岩[16],但由于仅在西段班公湖-改则、中段藏北湖区、东段丁青发现蛇绿岩及蛇绿混杂岩[22-23],出露位置互不相连,对于它作为冈瓦纳大陆北界仍存争议[24-25].此次重力成果显示班公湖-怒江结合带的布格重力异常是多个重力高构成的串珠状异常带,横贯整个青藏高原,长达千余公里,其重力值是高原内部的最高值,与北部羌塘块体的低值重力场区以梯度约1.2mGal/km的梯级带相接,并将高原南部高低变化的重力场和北部低缓重力场区截然分开;剩余重力异常是一系列长轴为东西走向的椭圆形重力高异常(图 1c图 2),这种异常形态是陆陆碰撞所形成的俯冲杂岩带、壳幔变化断阶带及较厚的下地壳或者高速的壳幔混合体的综合作用结果[26-29].位场向上延拓处理可以突出区域性或深部较大规模地质体的异常特征,经向上延拓后该结合带依然将高原重力场分为南北两大区块(图 3a),而其它结合带的重力场已无明显特征,这表明班公湖-怒江结合带两侧物质组成和结构存在重大差异.此外在磁异常图中它是性质不同的磁场区分界线,也是一条线形排列的串珠状异常带,局部以正负异常伴生为特点[18],不同于雅鲁藏布江结合带的高频双磁线性异常带,大地电磁和地震剖面研究也发现结合带两侧的电性具有不连续性、地壳速度结构和厚度明显变化,莫霍面出现了大尺度的错断现象[17, 30-31].上述地球物理场中的种种现象都为它是冈瓦纳大陆北界提供了充分依据.

图 3 (a)上延33km重力异常(红虚线为异常特征线);(b)上延5km与8km的残差重力异常. Fig. 3 (a)Upward continuation 33 km gravity anomaly(Red Dash line for the anomaly line); (b)Residuals anomalies of upward continuation 5~8km (Red Dash line for the anomaly line)

近年来的研究认为班公湖-怒江结合带与雅鲁藏布江结合带之间存在狮泉河-申扎-嘉黎结合带,但沿带只发现了零星出露的蛇绿混杂岩.在剩余重力异常图中狮泉河-申扎-嘉黎一线为多个局部重力高排列的串珠状重力高值带(图 2),与相邻的班公湖-怒江结合带、雅鲁藏布江结合带的重力高异常特征相似,这种相似性为嘉黎结合带的存在提供了参考,可以推测狮泉河-申扎-嘉黎结合带的蛇绿混杂岩可能更多的隐伏于地表之下,构成冈底斯构造带内南北块体的分化性界线[15].

4.2.2 班公湖-怒江结合带以南地区构造

班公湖-怒江结合带以南是冈底斯-北喜马拉雅地区(Ⅰ),其重力异常具有带状展布的显著特征.多个局部异常自西向东连续分布,形成的东西走向重力高异常带和重力低异常带自南而北相间分布,分别为雅鲁藏布江重力高、拉达克-冈底斯-察隅重力低、狮泉河-错勤-申扎重力高和昂龙岗日-班戈重力低(图 2).本区域的磁异常表现为强度高、梯度变化剧烈的正负异常带,亦呈东西走向分布,其中雅鲁藏布江结合带呈现高峰值的双磁线性异常带[22],高值重力异常和磁异常表明雅鲁藏布江结合带由高磁性高密度地质体组成,是结合带内广泛发育的蛇绿岩、混杂堆积岩及高压变质岩等致密镁铁质岩石的体现;而雅鲁藏布江结合带以北宽约90 km的拉达克-冈底斯-察隅重力低和宽度较窄的昂龙岗日-班戈重力低,则是壳内大规模良导体和表层花岗岩体共同作用的结果[32],因为相对于洋壳消减产物的蛇绿混杂岩及高压变质岩而言,表壳的花岗岩类密度和磁性更小,两者密度相差约0.26g/cm3,故而形成低值磁异常、低值重力异常.这种自西向东异常比较连续、但自南而北异常特征不同的重磁位场,说明本区域在南北方向上由不同区块构成,其物质组成也不同,但各区块自西向东是连续块体[8],因此,高原南部是以班公湖-怒江结合带、狮泉河-申扎-嘉黎结合带、雅鲁藏布江结合带为框架,其间发育多弧盆和岩浆岩带的巨型近东西走向拼接体,形成于挤压环境中.

4.2.3 班公湖-怒江结合带以北地区构造

班公湖-怒江结合带以北与昆仑结合带之间的区域是羌塘区块(Ⅱ),被龙木错-双湖结合带分割成南北羌塘.整个羌塘区块的布格重力异常以大范围重力低为主(图 1c),中部横亘北西西走向串珠状重力低极其醒目,个别重力高夹杂其中,但其规模、变化梯度远低于重力低;高原腹地(羌塘块体中北部)重力异常低值区宽度巨大,最低异常值达-590mGal,而85°E以西和92°E以东地区的重力异常低值区范围变窄,使羌塘区块重力场呈现出东、中、西三大异常区块,中部低值异常区非常醒目.地质资料显示羌塘地区沉积层较厚[33],但不足以引起高原腹地规模巨大、幅值很低的重力异常区.层析波速和接收函数研究发现高原腹地的低速异常区从地壳一直延伸到310km或者存在热结构,其速度非常低[14, 19, 34],显然这种深部低速区(亦是低密度体)形成了高原腹地巨大的低值重力异常.航磁资料在相同地区也出现北北东走向的负磁异常带,并认为是低磁性低密度的塑性物质即局部熔融的岩浆岩或低速体引起,高原中部存在南北走向构造[22, 35],因此羌塘区块的低值磁异常和重力异常是由于相同的深部原因造成的.总之,相对于冈底斯-北喜马拉雅区块东西走向的异常形态和重力高低相间特征而言,本区块布格重力异常在东西方向上的差异性更为突出,局部重力异常分布的方向性和连续性已变弱(图 2),呈现出南北分区和东西分块相互交织的位场特征,可能说明古特提斯碰撞拼合后羌塘块体经历了强烈的后期改造作用,这种作用更多的是对其深部结构的改造,致使高原西部和中东部地区的莫霍面发生了大尺度改变[28, 30-31, 36],破坏了高原内部特提斯构造域东西走向的构造格局,而呈现出被分为东部、中部和西部三大部分的南北走向格局.

前述高原中部串珠状重力异常由十多个重力低组成,自西部温泉、泽错、龙木措、清澈湖、查多岗日、臧色冈日、普诺冈日、唐古拉山、尺埃错、仓来拉,向东沿他念他翁折向南,经德钦至马吉,呈东西-北西向弧形排列(图 1c图 2),由西向东穿越高原,高原内最低、次低值重力低均位于此列,如此巨型的带状重力低排列现象可能并非偶然.该带状重力低地表地质大多对应着规模不等的花岗岩岩体,其中心位置较龙木错-双湖结合带位置更偏北.地质研究认为这些花岗岩体多是晚侏罗-白垩世岩浆活动的产物,是西起喀喇昆仑南坡东至吉塘地区、东西长约上千公里的羌南活动陆缘增生楔的伴随产物[29, 37],是龙木错-双湖结合带的组成部分.该结合带两侧重力场特征差别较小,在向上延拓重力异常中(图 3a)该重力低带消失,羌南和羌北区块的重力场合二为一,残差异常也显示龙木错-双湖结合带重力场特征的显著性逊色于班公湖-怒江结合带(图 3b),可能说明龙木错-双湖结合带仅是羌塘区块的内部分界线,对青藏高原的分割性次于班公湖-怒江结合带.

4.2.4 青藏高原东区构造

东部(Ⅲ)属巴颜喀拉区块,高原的重力位场从南部冈底斯块体的东西走向至高原腹地羌塘块体的东西、南北交错之后在此处发生了很大转变,布格重力异常总体走向呈北西-南北走向,异常值向东北方向逐渐升高,处于高原低值重力异常向高原邻区克拉通高值异常过渡的区段.在剩余异常图中以乌兰乌拉-北澜沧江结合带为起点,异常呈现弧顶凸向东北的弧形异常带,同样呈现带状重力高和重力低相间排列(图 1c图 2),向东延续至松潘地区的若尔盖高原、向南延伸到三江地区并转变为南北走向.乌兰乌拉-北澜沧江、西金乌兰-金沙江-哀牢山、甘孜-理塘蛇绿混杂岩带分别与其中的带状重力高相对应,同时也是高磁异常带,与冈底斯块体重磁场特征类似.这种特点暗示本区域具有类似高原内部的块体拼合性质,构造带走向为北西-南北走向.

重力水平总梯度异常能够突出异常的线性特征,清楚反映构造形迹及其走向[11].结果显示乌兰乌拉湖-北澜沧江结合带东北侧的构造形迹是以北西-南北走向为主,西侧构造形迹以近东西走向为主,它是高原中部和东部构造带发生转变的界线(图 4中点划线).这说明在青藏高原的构造演变中乌兰乌拉湖-北澜沧江结合带不仅仅起到碰撞结合作用,可能还暗示了该地区的区域动力环境或者构造应力场发生了转变.

图 4 青藏高原重力水平总梯度异常图 Fig. 4 Horizontal-gradient map of Bouguer gravity anomaly in the Qinghai-Tibet plateau

乌兰乌拉湖-北澜沧江结合带仅发现了零星的蛇绿岩体,杂多地区发现了超镁铁质、镁铁质岩沿北西-南东呈脉状侵入于早石炭杂多群中,出露范围有限、分布零星,澜沧江结合带是否向西延伸争论较多[16, 23, 38].该结合带的重力异常是较连续的北西走向梯级带,从澜沧江向北到昌都、杂多、巴茸浪纳、乌兰乌拉一直延续到若拉冈日与金沙江结合带相交,延续近千公里,在上延40km异常图中,这一梯级带仍清晰可见,将北羌塘重力低和东北部昌都-德钦重力异常变化区截然分开,重力异常的连续追踪性表明结合带向北西方向延伸较长,代表了高原内部一条重要的构造界线.

巴颜喀拉地区地表地形起伏较小,高差变化约400~600m(图 5),盖层是巨厚复理石沉积物,结构单一.但在重力场中发现了宽度约70余公里的显著重力高异常带,大致沿鄂陵湖-玛多-达日-班玛-金川分布,并向东南延伸与龙门山重力高相切,西北端延伸到鄂陵湖与东昆仑重力低相接(图 2).这种异常形态暗示了本地区深部凸凹不平、凹陷与隆起共存的构造形态,鄂陵湖-班玛重力高是基底隆起的反映.地震研究认为巴颜喀拉构造带的基底隆起顺构造带走向延伸,南浅北深,南端倾伏于沱沱河盆地之下、北端潜没于东昆仑基底之下[39],与重力成果基本一致.为验证这种结构形态,我们以玉树-共和天然地震剖面揭示的地壳结构模型[40]为基础对大窗口半径剩余异常进行了正反演计算,剖面位置如图 2中所示.所用密度依据天然地震剖面中的Vs速度并参考有关文献[41-42]确定,同时利用布格重力异常对该计算结果进行了修正.反演结果表明(图 5),沿剖面方向壳界面变形强烈,深部存在多个下地壳凸起,其中鄂陵湖-达日凸起达20余公里,上地壳发育多个低速体,厚度较薄,壳内结构复杂多变,下地壳是主要变形和增厚场所,可能是高原物质东流的变形堆积区,因而本地区浅层与深部结构形成了鲜明对比,壳内结构构造存在非耦合性.

图 5 共和-玉树二维重力拟合解释图(c自文献[40]简化,Vs/(km·s-1)) Fig. 5 Two-dimensional gravity model along Gonghe-Yushu profile
4.2.5 高原内部近南北向构造

青藏高原的形成演化决定了它的构造形态以近东西走向为主,重力场直接反映了这一特点.但其间不难发现一些近南北、北东走向的异常,包括延伸较短的梯级带、串珠状重力低,甚至异常等值线的同向扭曲等重力异常变化现象,主要集中于高原南部雅鲁藏布江结合带南北两侧.它们的剩余异常均为南北走向重力低,切穿狮泉河-错勤-嘉黎重力高,但终止于班公湖-怒江结合带南侧(图 2),与地表南北地堑地貌的位置吻合[43-44].这些南北走向异常代表着地表构造形迹-南北走向地堑,并切割了东西走向的构造区块.进入羌塘区块之后,地表地质的近南北或北东走向构造并不发育,只有双湖等少数地堑出现[43],而重力位场中在85°E和92°E附近却出现了非常显著的南北-北东走向重力异常特征线,其性质特点完全不同,并将羌塘区块的重力场一分为三(如前所述),表明高原中部发育较大尺度的近南北走向构造[22].

85°E特征线(西线)表现为南北走向梯级带,自鲁谷、鲤鱼山一直延伸至昆仑山下,其上叠加了多条等值线同相扭曲,构成波浪式梯级带,且西侧重力异常值高于东侧异常值、异常规模也明显减小(图 1b),说明两侧地质结构或者介质物性明显不同.南北走向梯级带的这种有序错动似乎暗示西线是南北走向的深部构造并被后期南北向挤压构造活动所改造.本区域地表未发现南北走向断裂,也无南北走向地堑的地貌出现[16],出露地层仍以近东西走向为主.为了解壳内该构造线是否存在,我们对重力异常进行了异常分离处理.不同的处理方法分别以压制和突出某些信息为特点,在以突出相对深部信息为特点的向上延拓结果中,该特征线清晰可辨,向北一直延伸至昆仑山下(图 3b).在某些突出相对浅部信息的向上延拓残差异常和剩余异常结果中,西线延伸距离有限,终止于查岗多日附近,并没有穿过龙木错-双湖结合带.特征线西侧为改则-鲁谷南北走向串珠状重力高排列,东侧为东西向的都古尔重力低、昌东重力高、森多重力低相间排列组合,两侧异常形态完全不同(图 2).与地质资料相比,西线恰好对应着地表EW、NNW走向断裂向NE走向断裂变换的转折处或NW与NE走向断裂的交汇处[16].更深部的地震研究也发现西线以东羌塘区块中北部存在一个代表地幔物质上涌的低波速异常区,以西区域没有明显的低速地壳、上地幔区[34-45],两侧的岩石圈结构特别是速度结构及下地壳厚度存在较大差异[17].总之,这条分界线从浅部到深处的上地幔都得以发现,但它在地壳深浅部的表现形态并不一样,深部延伸距离长、规模大,而浅部则相反,它可能主要是深部结构差异分界线(上地幔和中下地壳).此外,改则-鲁谷重力高排列与地表出露的J、T、P等低密度地层无法对应,很显然是来自深部的高密度地质体的反映,其物质组成和形成机制受西线的严格控制,并可能与班公湖-怒江结合带紧密相关,但有待进一步研究证实.

92°E附近异常特征线(东线)是重力异常特征不同的场区分界线,呈北东方向从喜马拉雅山前的亚东、尼木、那曲、仓来拉以西、治多以西,一直延续到青海湖.界线两侧重力场的差别无论在布格重力异常图还是在各种处理结果图中都不容忽视,异常形态、走向等特点均不相同,界线以西重力低规模远大于东侧异常,并以近东西走向为主,而东侧以北东走向为主,同时在尼木-当雄段两侧重力异常中心位置发生了达数十公里的偏移(图 1c3a).雅鲁藏布江结合带和班公湖-怒江结合带之间东线与地表发育的亚东-当雄北东走向断裂相一致,两侧的地壳结构变化剧烈,东侧下地壳内介质比西侧介质的柔性强[17, 30],至东昆仑结合带则表现在下地壳厚度的改变上,西侧下地壳厚约30~40km,大于东侧地壳厚度[41],因而壳内结构的差异形成了东线两侧性质特征不同的重力场.更深部的岩石圈结构研究也发现青藏高原内部以90°E-92°E(北北东走向)为界有东西分块的图像,以东岩石圈厚度为160km、软流层厚度大约200km,以西岩石圈厚度约130km、下方存在230km的巨厚软流层[46],早期研究也发现在地壳和地幔中似有此构造线[36],这些成果表明东线存在于地壳浅部到壳内深部的各层次中.尽管由于研究方法不同重力异常和地震层析所显示的界线的具体位置及宽度略有差别,但至少说明由深至浅岩石圈被东线分为东西两块,浅部构造受到了深部因素的制约.

东线向北延伸穿越东昆仑之后,大致沿都兰-刚察-永昌-民勤一线,既是重力场区分界线也是东西块体运动分界线.已有的GPS测量结果显示分界线东西部运动方向明显不同,西侧地壳运动速度的方向变化不大,东侧自南向北运动方向由北东变为正东方向.东线北段与柴达木-祁连和华北陆块之间的北东向韧性剪切带相重合[47],但该界线在青藏高原内是否也是块体运动分界线,还有待更多的GPS测量方面的证据.以上分析表明东线在不同区段表现出不同的性质特点,可能是青藏高原受到印度板块强烈推挤作用后物质向东溢出的“裂点”连线.

东西两条异常特征线在形态、性质及空间的差异可能暗示高原西部较东部受到了更强的推挤力,或者说在印度板块向北推挤作用下,中西部受到北侧塔里木板块的强烈阻挡,处于强烈挤压状态,形成波浪形梯级带,而东部由于存在挤出通道的空间,原位地质体受到推挤作用后,在薄弱带断开、远距离移位,形成了截然不同的位场形态,支持印度板块与青藏高原碰撞在高原东、中、西部的动力学机制是不同的观点[28, 31].它们改变了特提斯构造域的构造方向,是构造演化复杂化的体现.

5 结论与讨论

1:100万重力调查工作成果揭示了青藏高原的重力场变化特征,结合航磁、地震、大地电磁和地质资料,可以为高原的构造框架研究提供如下参考:

(1)青藏高原重力场独成体系,与周边古老稳定陆块的重力场截然不同,并以不同梯度变化的梯级带相接触,表明高原与周边陆块的接触关系(如产状、断距等)变化不一,受多种因素控制.

(2)青藏高原内部存在的多条重力高值异常带分别对应于雅鲁藏布江、班公湖-怒江、乌兰乌拉-北澜沧江、甘孜-理塘等结合带,其间的岛弧带和弧后盆地则表现为明显的重力低值带,显示现今青藏高原具有多块体拼合特点.尤为重要的是班公湖-怒江结合带表现为高原内部最重要的重力高异常带,在不同深度层次的重力场中将高原重力场分为截然不同的南北两大区块,为它作为冈瓦纳大陆北界提供了证据;同样显著的高值异常带也表明北澜沧江结合带可以继续向西北方延伸与金沙江结合带相交,狮泉河-嘉黎结合带是冈底斯区块内部的次级构造单元界线.

(3)青藏高原作为多结合带夹弧盆、岩浆岩带的拼接体,地表主体构造走向是东西-北西西方向,但重力场所揭示的构造形迹在不同区块表现出不同特点:班公湖-怒江结合带以南冈底斯块体以东西走向为主;羌塘块体以东西走向巨型串珠状重力低为界分为南北羌塘,同时发育南北、北东向构造将其一分为三,出现东西分块格局,南北、东西走向构造相互交织;东部地区以北西-南北走向构造为主,且深部和浅部结构相差甚大.因而综合地质研究成果认为,东西向重力异常分带特点反映出特提斯构造域南北向俯冲-碰撞构造及其相应的构造岩浆和沉积记录,而南北向构造形迹则为新中生代块体差异运动和深部动力学调整的结果,致使深部和浅部构造形迹存在非耦合性.

(4)大致沿85°E、92°E经线青藏高原重力场有清晰的近南北、北东异常特征线,表现特征完全不同.其一为波浪形梯级带,其二是重力场特征不同的分界线,两者性质差异较大,西线主要是深部结构分界线,东线则存在于自浅表至岩石圈内的各个深度层次.两条特征线将高原重力场分成东、中、西部三部分,反映出高原深部结构在横向(平面)上的变化和差异,与表壳东西走向的构造形迹形成对比.

致谢

感谢审稿老师提出的有益建议.感谢成都地质矿产研究所潘桂棠研究员、王立全研究员对本研究工作的支持和指导,感谢航遥中心王德发研究员提供的航磁资料,对所有参与青藏高原区域重力调查的野外工作者表示诚挚感谢!

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