青藏高原内部除大规模的东西向走滑断裂以外，另一个显著的地质特征就是在藏南及高原腹地广泛发育拉张环境下形成的、走向近南北的断裂构造，如青藏高原南部的亚东—谷露裂谷带及羌塘地块中部的双湖断裂(Taylor and Yin, 2009).青藏高原内部近南北向断裂构造不仅是对印度大陆与欧亚大陆汇聚的变形调节，而且与高原的隆升关系密切，已经成为青藏高原地质研究的一个焦点问题.关于高原内南北向断裂形成机制的观点有很多，包括高原隆升至最大高度后的垮塌(Coleman and Hodges, 1995)、块体挤出(Armijo et al., 1986)、地壳增厚引起的重力垮塌和岩石圈热结构调整(Blisniuk et al., 2001)及南北向挤压的变形分解(张进江等，2002)等.南北向断裂构造分布于青藏高原绝大多数构造单元，并几乎切割了所有东西向构造单元，但是目前对于南北向断裂的研究程度较低，关于它们的延伸深度、形成年代及产生机制等仍存在争议，且目前对南北向断裂的研究主要集中于青藏高原南部.地震反射数据结果显示，青藏高原南部的南北向断裂只是上地壳深度范围内的构造(Nelson et al., 1996)；地震层析成像结果则显示，亚东—谷露断裂下，从地壳到上地幔约300 km深度范围内发育有低速异常体，其向下延伸深度可贯穿整个岩石圈(Ren and Shen, 2008)；SKS波各向异性特征显示，高原南部东西方向上的各向异性特征变化与南北向断裂的分布有关，地表南北向断裂的位置对应深部印度板块被撕裂的位置(Chen et al., 2015)；天然地震数据的Moho成像结果显示，南北向亚东—谷露裂谷带下方存在明显的Moho错断，但上地幔与上地壳中的断裂并没有直接连通，而是在水平位置上存在100多公里的偏差(Tian et al., 2015)；地震体波的三维层析成像显示高原南部南北向断裂向下贯穿整个岩石圈，其中亚东—谷露裂谷带对应的低速异常向下延伸深度大于300 km，并向北延伸与高原中部大范围低速异常相连接(Liang et al., 2016).

双湖断裂位于羌塘地块中部(图 1)，以近南北走向(北东向)几乎贯穿整个羌塘地块.目前，对于羌塘地块中部双湖断裂的发育程度及动力学意义还没有具体的研究.但是已有的地球物理资料显示，羌塘地块具有明显的东、中、西三分特征.区域重力调查结果显示，羌塘地块85°E和92°E附近存在着较大尺度的近南北向的重力异常界线，导致高原腹地出现东、中、西三分现象，其中间块体为重力异常最低的区域(张燕等，2013).航磁数据结果显示，羌塘地块中北部存在一条明显的北东东向负磁异常带，即90°±2°E地带为负磁异常带(贺日政等，2007；熊盛青等，2007).全球层析成像研究结果表明，羌塘地块中部存在由地壳向下延伸到310 km深度的低速异常，使得羌塘地块呈现出明显的地震波速分带特征，即东、中、西三分异常特征(Zhou and Murphy, 2005).羌塘地块中部的低重力、负磁及低速异常的中心位置，与双湖断裂的地表位置基本吻合.羌塘地块东西方向上特殊的地球物理分带特征与该区地表发育的双湖断裂有没有直接关系，则尚需要进一步的探讨.

图 1

Fig. 1

图 1 羌塘地块中部地形及构造背景图 Fig. 1 Tectonic and topographic map of central Qiangtang terrane

WGM2012是由国际大地测量与地球物理学联合会组织(BGI)发布的全球高分辨率重力异常网格化数据，通过结合地球重力场模型EGM2008和DTU10及全球地形模型ETOPO1计算所得，其数据范围覆盖了全球所有地区，数据网格为2′×2′，重力数据包括自由空气重力异常、布格重力异常和均衡重力异常三种(Bonvalot et al., 2012).由于青藏高原地区恶劣的自然环境，地面重力资料分布不均且有限，因此卫星重力数据信息要比地面实测重力数据更为丰富.本文将根据WGM2012重力模型，对羌塘地块中部双湖断裂的向下延伸深度及其在深度上连贯性进行约束，并结合已有的地质和地球物理资料，对双湖断裂的动力学意义及形成机制进行探讨.

图 2显示了羌塘地块中部及邻区的布格重力异常.由图可见，班公湖—怒江缝合带是研究区域内主要的重力高异常带，而其北部的羌塘地块呈现出明显的重力异常低值.研究区域内最大的重力负异常位于羌塘地块北部，异常最低值达-520 mGal，其异常中心位置恰好对应地表双湖断裂的位置，与羌塘地块北部最大高导体异常(Wei et al., 2001；Unsworth et al., 2004)及地震低速异常(Zhou and Murphy, 2005)的位置基本一致.此外，图 2中还显示在92°E附近存在较大尺度的南北向重力异常特征线，这与张燕等(2013)地面重力调查成果一致.

图 2

Fig. 2

图 2 研究区布格重力异常 图中红色虚线代表双湖断裂的位置，蓝色实线代表大地电磁剖面A的位置. Fig. 2 Bouguer gravity anomaly map of the study area The red dash line indicates the location of the Shuanghu rift. The blue line shows the location of profile A of MT.

重力异常是地下不同深度、不同大小及密度的地质体的重力异常叠加效应.要研究某个地质体的重力异常，就必须先从叠加异常中分离出由该地质目标体所产生的重力异常，才能进行重力异常的反演和解释.目前，小波多尺度分析法是重力异常分离应用最为广泛的一种方法(杨文采等，2001；Jiang et al., 2012；Evariste et al., 2014).这里，我们采用DB2小波，并运用Mallat快速算法来实现小波多尺度分析算法，从而开展对羌塘地块中部布格重力异常的多尺度分析.

图 3为羌塘地块中部布格重力异常的3~6阶小波细节图.此外，对重力异常小波多尺度分解之后，应用功率谱分析原理计算每一阶小波的径向功率谱，由其斜率可估计每一阶小波对应的地下目标体的埋藏深度(Evariste et al., 2014)，其结果见表 1.

图 3

Fig. 3

图 3 研究区域的布格重力异常3~6阶小波细节图 图中蓝色虚线为贺日政等(2007)由航磁异常获得的青藏高原负磁异常区域，蓝色点划线代表着负磁异常中心位置. Fig. 3 The 3rd to 6th order detailed images of Bouguer gravity anomalies from multi-scale wavelet analysis The blue dash line shows the zone of negative magnetic anomalies in Tibetan plateau inferred from He et al. (2007), the blue dotted line indicates the center of the negative magnetic anomaly area.

表 1(Table 1)

表 1 功率谱估计的1~6阶小波细节异常对应的场源深度 Table 1 Estimated source depths of the 1st to 6th order detailed images calculated from the power spectrum

表 1 功率谱估计的1~6阶小波细节异常对应的场源深度 Table 1 Estimated source depths of the 1st to 6th order detailed images calculated from the power spectrum

如图 3a所示，羌塘地块中、北部及拉萨地块北部的浅部重力异常由一系列零散的串珠状负异常组成，而班公湖—怒江缝合带则由一系列串珠状正异常所组成，说明研究区域浅部岩性的不均匀性，沿班公湖—怒江缝合带的重力正异常可能由浅部火山岩或缝合带中的蛇绿岩所引起.Zhao等(2001)依据INDEPTH项目中宽角地震数据的P波分析结果对羌塘地块的地壳结构进行划分，其上地壳的底面埋深约为14 km，中地壳的底面埋深约为25 km，而地壳厚度约为60 km.图 3b所示为第4阶小波细节，对应场源深度大约为14 km，恰好对应着羌塘地块上地壳的底部.如图 3b所示，羌塘地块上地壳重力异常开始呈现出明显的条带状异常，包括班公湖—怒江缝合带的高重力异常条带和羌塘地块北部的低重力异常条带.图 3c和图 3d的异常条带特征更为明显，分别对应羌塘地块中地壳底部和下地壳底部的密度体分布.沿班公湖—怒江缝合带的重力正异常由浅至深均存在，说明这一异常条带不仅是由浅部火山岩或缝合带中的蛇绿岩所引起，还与深部结构和构造特征有关.

莫霍面是地球地壳和地幔之间的一个密度突变界面.刘国成等(2014)通过对羌塘地块内宽频地震台站数据的接收函数分析，表明羌塘地块之下Moho面呈近水平状态，仅在羌中隆起下存在一个近3 km的Moho台阶，其中南羌塘Moho面深约63 km，北羌塘深约60 km.曾昭发等(2016)利用卫星重力数据获得的Moho面结果与刘国成等(2014)所得到的Moho面深度变化趋势基本一致.Shin等(2007)利用GRACE重力数据反演结果及Shin等(2015)利用重力梯度数据计算所得的青藏高原Moho成像结果显示，青藏高原之下莫霍面形态复杂，在高原中部存在三条东西向条带状的褶皱，分别位于雅鲁藏布江缝合带、龙木错—双湖缝合带及高原北部阿尔金断裂带附近.此外，Zhao等(2001)和徐强等(2010)利用地震数据发现在班公湖—怒江缝合带之下存在明显的Moho错断.班公湖—怒江缝合带和龙木错—双湖缝合带的莫霍面突变及褶皱使得羌塘地块中、下地壳布格重力异常呈现出明显的东西向条带异常.

除东西向异常条带之外，如图 3c和图 3d所示，第5阶和第6阶小波细节中还显现出明显的南北向异常错断，错断的位置基本与地表双湖断裂的位置相对应，说明南北向异常错断可能由于双湖断裂的出现而引起.此外，图 3中三条蓝色虚线标示出了贺日政等(2007)由航磁异常匹配滤波获得的青藏高原中部北北东向负异常的分布区域，该负磁异常反映的是该区域19 km以下的区域磁异常.如图 3所示，图 3a和图 3b所对应上地壳低重力异常中心刚好与地表双湖断裂的位置一致，但偏离了深部负磁异常中心；图 3c中低重力异常中心刚好与贺日政等(2007)利用匹配滤波获得的区域异常中心相对应，所对应的是羌塘地块中地壳的物性特征.深部的负磁异常中心及低重力中心偏离地表双湖断裂的位置，说明双湖断裂向深部延伸时逐渐向东偏移.

图 4为羌塘地块布格重力异常的6阶小波区域场.羌塘地块之下的低重力异常在深部区域场中仍然存在，进一步说明羌塘地块北部的低重力异常不仅仅是由于地壳褶皱所引起，更是由深部地幔异常所引起.此外，对比图 3b、图 3c、图 3d和图 4中重力低值异常中心的位置，发现羌塘地块北部重力低值异常中心在浅部恰好对应地表双湖断裂，而随着深度的增加，其异常中心逐渐向东偏移，并最终在地幔深部向北偏移.图 4中6阶小波区域场中的重力低值异常中心位于羌塘地块北部的松潘—甘孜地块之下.郑洪伟等(2007)利用远震P波层析成像在羌塘地块北部观测到一向北倾、由地表延伸至地幔约300 km深度的低速异常体，卫星重力数据观测到的北倾的低重力异常与该低速异常形态相似，可能代表着双湖断裂的深部延伸方向.

图 4

Fig. 4

图 4 羌塘地块布格重力异常6阶小波区域场 Fig. 4 Regional Bouguer gravity anomaly map by applying a 6th order wavelet filter

图 5a为在89°E位置提取的布格重力异常曲线，而图 5b为对应位置上大地电磁反演所得的2D地电模型(Zeng et al., 2015).两者的对比结果显示，羌塘地块北部布格重力异常最低值的位置与地电模型中壳内高导规模最大的位置刚好对应，说明这一壳内高导体同时具有低密度的特征.已有的地质和地球物理资料显示，羌塘地块北部地壳除了明显的低重力异常及高导异常外，还具有明显的负磁性(贺日政等，2007；熊盛青等，2007)、P波速度低、Sn波缺失、高泊松比及低Q值(Owens and Zandt, 1997)、强烈的SKS各向异性(Huang et al., 2000；Zhao et al., 2010)、高热异常(Mechie et al., 2004; Jiménez-Munt et al., 2008)及地表伴生大规模的新生代钾质、超钾质火山岩(Yin and Harrison, 2000)，说明羌塘地块之下中下地壳存在大规模的部分熔融.而壳内部分熔融的存在可合理解释双湖断裂之下这一高导低密度异常体的存在.

图 5

Fig. 5

图 5 沿89°E布格重力异常与地电模型的对应图 (a)布格重力异常分布曲线；(b) Zeng等(2015)中沿剖面A的2D地电模型，剖面A的位置见图 2. Fig. 5 Bouguer gravity anomalies and the resistivity model along 89°E (a) Bouguer gravity anomaly curve; (b) 2D resistivity model along the profile A inferred from Zeng et al. (2015), the location of profile A is shown in Fig. 2

根据卫星重力的小波多尺度分析结果，羌塘地块布格重力异常呈现出明显的条带状异常，包括班公湖—怒江缝合带的高重力异常条带和羌塘地块北部的低重力异常条带.除东西向异常条带之外，如图 3c和图 3d所示，第5阶和第6阶小波细节中还显现出明显的南北向异常错断，错断的位置基本与地表双湖断裂的位置相对应，说明南北向异常错断可能由于双湖断裂的出现而引起.

已有的重力(张燕等，2013)、航磁(贺日政等，2007；熊盛青等，2007)及地震(Zhou and Murphy, 2005)数据结果显示，羌塘地块具有明显的东、中、西三分特征.卫星重力数据显示(图 2)，羌塘地块中部具有整个研究区域的最低重力异常，异常最低值达-520 mGal，且异常位置与这一区域观测到的壳内最大规模高导体(Zeng et al., 2015；图 5)、负磁异常(贺日政等，2007；图 3)及地震低速异常(Zhou and Murphy, 2005)的位置基本一致，其异常中心位置恰好对应地表双湖断裂的位置.且根据卫星重力数据的多尺度小波分析结果，3~6阶小波细节图中地表双湖断裂之下均有明显的重力低值异常(图 3).根据功率谱估算的小波细节场源深度结果显示，第6阶小波细节显示的场源深度约为52 km，说明双湖断裂之下的低密度异常体基本贯穿整个羌塘地块的地壳.

Zhou和Murphy(2005)通过全球层析成像研究表明，羌塘地块之下，由地壳向下延伸至310 km深度发现一低速异常，推测为地幔岩浆沿构造薄弱带上涌所致.郑洪伟等(2007)利用青藏高原上的流动地震台站数据进行远震P波层析成像研究，其结果表明在羌塘地块之下，存在一个北倾的由地表延伸至地幔约300 km深度的大范围低速异常带，可能由于印度岩石圈的向北俯冲下沉，导致高原北部的地幔岩浆上涌所致.如图 3及图 4所示，双湖断裂之下的低密度异常体由地表一直延伸至地幔，且随着深度的增加，其异常中心逐渐向北偏移，呈现出一北倾异常形态特征，其异常位置和异常形态与郑洪伟等(2007)利用远震P波层析成像结果所观测到的低速异常特征相吻合，推测双湖断裂下的这一北倾的低密度异常体向下延伸深度可达深部地幔，可能代表着双湖断裂的深部延伸深度及延伸方向.

青藏高原已有的大地热流数据(汪集旸和黄少鹏，1990；Hu et al., 2000；胡圣标等，2001；姜光政等，2016)显示，亚东—谷露断裂带是青藏高原内部热流值最高的区域，其最大热流值高达310 mW·m^-2，远远大于中国大陆的平均热流值63 mW·m^-2，与在该区域观测到的地震“亮点”反射异常(Makovsky and Klemperer，1999)及高导异常(Chen et al., 1996)相对应.这一现象是否说明南北向断裂是青藏高原内深部热流上涌的通道呢？

虽然羌塘地块内大地热流数据缺失，但是Jiménez-Munt等(2008)结合布格重力异常、地形、大地水准面异常和地表热流数据的模拟结果显示，青藏高原南部莫霍面温度为900~950 ℃，而高原北部羌塘地块的莫霍面温度可达1200 ℃，中、下地壳异常高温是羌塘地块的显著特点.此外，Mechie等(2004)对INDEPTH-Ⅲ的宽角地震反射数据分析结果表明青藏高原之下存在α-β石英转换(ABTQ)现象，且南羌塘地块18 km深度处温度可达700 ℃.McNamara等(1995)通过PASSCAL数据的P波分析结果，认为班公湖—怒江缝合带以北的地幔速度要比南部慢3%~4%，从而估算高原北部地幔温度比南部还要高200~300℃.已有的地球物理数据显示，羌塘地块的中、下地壳及上地幔处于异常的高温状态.

实验室数据表明，当温度达到650 ℃左右，含水饱和岩石将发生部分熔融(Lebedev and Khitarov, 1964).而根据α-β石英转换(ABTQ)现象(Mechie et al., 2004)，南羌塘地块约18 km深度，壳内温度可达700 ℃左右，且北羌塘地块壳内温度要大于南羌塘地块的壳内温度(Jiménez-Munt et al., 2008).所以，可以认为整个羌塘地块之下18 km的深度，壳内温度大于650 ℃，达到了含水熔融发生的温度.这一深度与该区域壳内高导层(Solon et al., 2005)、负磁异常(贺日政等，2007)及低速层(Zhao et al., 2001)的顶面深度基本一致.Zeng等(2015)对三条横穿羌塘地块的大地电磁剖面的分析结果认为，在羌塘地块深部，存在特殊的构造薄弱带，使得深部幔源岩浆能够快速上涌，壳幔温度升高，从而导致羌塘地块北部特殊的地质和地球物理特征.贺日政等(2007)及熊盛青等(2007)利用航磁数据在青藏高原中部约90°E的位置发现一NEE向的负磁异常，推测是由于深部热流沿NNE向的构造通道上涌引起的热退磁所引起.此外，P波层析成像结果显示在羌塘地块之下存在一自中地壳一直向下延伸至310 km深度的低速异常，推测为地幔岩浆沿构造薄弱带上涌所致(Zhou and Murphy, 2005).由于地表双湖断裂的位置与这些地球物理特征的异常中心位置基本重合，我们推测双湖断裂将作为构造薄弱带使得幔源岩浆快速上升，从而导致壳幔温度升高及大规模部分熔融的发生，使得羌塘地块中部呈现出明显的低重力(张燕等，2013)、负磁性(贺日政等，2007；熊盛青等，2007)及低波速异常(Zhou and Murphy, 2005)，即羌塘地块的地球物理特征呈现明显的东、中、西三分特征.

拉张断裂的形成始于软流圈的热扰动，从而引发岩浆活动及岩石圈拉张构造的形成(Olsen, 1995).远震P波层析成像结果显示，印度大陆的俯冲前缘向北俯冲至羌塘地块之下的地幔深部，俯冲板片的拆沉作用，导致软流圈热物质上涌，并形成双湖断裂之下北倾的低速异常体(郑洪伟等，2007).此外，大量的地震数据结果支持印度大陆的俯冲前缘越过了班公湖—怒江缝合带，进入羌塘地块深部地幔.其中，Owens和Zandt(1997)通过PASSCAL项目采集的宽频带地震数据分析结果，显示羌塘地块及松潘甘孜地块之下泊松比高，认为由于印度岩石圈向北俯冲到班公湖—怒江缝合带之下后，垂直折断向下，引起高原北部热流上涌所致.He等(2010)则通过宽频带地震数据的P波走时层析成像对青藏高原中部的壳幔结构进行分析，证明在高原中部印度岩石圈俯冲地幔前沿越过班公湖—怒江缝合带，到达羌塘地块34°N之下350 km深度.Hung等(2011)通过HI-CLIMB数据的走时层析成像分析，发现印度岩石圈以近水平形态越过班公湖—怒江缝合带，俯冲到33°N深度100~200 km之下.而地球化学研究表明，羌塘地块地表发育的大规模新生代过碱性钾质-超钾质火山岩，起源于富集岩石圈地幔或增厚下地壳的部分熔融，是由于岩石圈下沉引起的热对流所造成(迟效国等，2005；Holbig and Grove, 2008).卫星重力数据的分析结果表明，双湖断裂之下发育的低密度异常体由地表一直向下延伸至深部地幔，且其深部延伸方向与郑洪伟等(2007)通过远震P波层析成像观测到的北倾的低速异常体基本一致，可推测俯冲至羌塘地块深部的印度大陆的拆沉作用是双湖断裂形成的最根本原因.拆沉的岩石圈俯冲板片导致软流圈发生热扰动，诱发软流圈上涌，从而导致大规模的过碱性钾质-超钾质火山岩的喷发及双湖断裂的形成.

利用卫星重力数据的多尺度小波分析对羌塘地块中部双湖断裂的深部结构进行研究，并结合前人的地质和地球物理研究成果进行分析讨论，得出如下结论：

(1) 双湖断裂之下，存在一明显由上地壳一直向下延伸至地幔深部的低重力异常，说明双湖断裂向下延伸深度大，且上下连通性好.

(2) 结合已有的航磁、地震及大地电磁研究成果，推测双湖断裂将作为构造薄弱带使得深部幔源岩浆快速上升，从而导致羌塘地块之下壳幔温度升高及大规模部分熔融的发生，使得羌塘地块中部呈现出明显的低重力、负磁性及低波速异常，呈现出明显的地球物理特征东、中、西三分特性.

(3) 双湖断裂之下低重力异常中心随着深度的增加向北偏移，与郑洪伟等(2007)通过远震P波层析成像观测到的北倾的低速异常体形态一致，推测俯冲至羌塘地块深部的印度大陆的拆沉作用是双湖断裂形成的根本原因.

感谢审稿专家提出的宝贵意见.感谢中国地质大学(武汉)地球物理与空间信息学院刘双老师在重力数据处理过程中给予的指导和帮助.文中部分图件使用了GMT软件(Wessel and Smith, 1991)进行绘制.