地球物理学报  2020, Vol. 63 Issue (5): 1867-1877   PDF    
贺根山镁铁-超镁铁岩与缝合带的关系——来自地球物理的证据
邵济安1, 张丽莉2, 周新华3,4, 张履桥5, 唐克东6     
1. 北京大学造山带与地壳演化教育部重点实验室, 地球与空间科学学院, 北京 100871;
2. 中国科学院地质与地球物理研究所, 中国科学院油气资源研究重点实验室, 北京 100029;
3. 中国科学院地质与地球物理研究所岩石圈演化国家重点实验室, 北京 100029;
4. 中国科学院大学地球与行星科学学院, 北京 100049;
5. 内蒙古地质研究所, 呼和浩特 010020;
6. 沈阳地质矿产研究所, 沈阳 110034
摘要:长期以来,对内蒙古贺根山缝合带中的镁铁-超镁铁岩,有着"蛇绿岩"、"岩浆岩"、"幔源熔-流体"等不同认识.近年来在铬铁矿中发现了金刚石等深部地幔矿物,如何认识携带这些物质的幔源熔-流体的上涌?缝合带在镁铁-超镁铁岩的形成过程中起到什么作用?解决问题的关键之一是弄清镁铁-超镁铁岩的深部产状,这需要来自地球物理观测数据的依据.本文基于航磁和重力数据的研究表明,贺根山地区的蛇绿岩块均呈现高磁异常特征,其中贺根山岩块埋深明显大于其他岩块,表现为高磁异常与低重力异常,与地表出露的蛇纹石化的镁铁-超镁铁岩带对应.对航磁化极异常与布格重力异常数据做了向上延拓处理,进行了磁源形态及底界深度的估算,并利用基于相异度算子的边缘增强方法辅助识别断裂.结果表明,贺根山岩块贯穿地壳,且附近存在超壳断裂.地表至中地壳主要由蛇纹石化的镁铁-超镁铁岩组成,下地壳主要为超镁铁质岩组成,它们充填在一组宽约30 km的NEE向断裂带中,大地电磁测深剖面揭示的壳-幔电性结构进一步证实控制缝合带的是岩石圈断裂,贺根山缝合带具有明显的根部.由此推测,在地幔底辟上涌的背景下,幔源熔-流体沿着岩石圈断裂持续上升到达浅表,暗示该区板块的拼合可能是通过深部幔源物质的侵入而成的.
关键词: 缝合带      镁铁-超镁铁岩      航磁异常      重力异常      向上延拓      幔源熔-流体     
The relationship between mafic-ultramafic rocks and suture zone in Hegenshan, Inner Mongolia—evidence from geophysical data
SHAO JiAn1, ZHANG LiLi2, ZHOU XinHua3,4, ZHANG LvQiao5, TANG KeDong6     
1. Key Laboratory of Orogenic Belts and Crustal Evolution, Ministry of Education; School of Earth and Space Sciences, Peking University, Beijing 100871, China;
2. Key Laboratory of Petroleum Resources Research, Institute of Geology and Geophysics, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100029, China;
3. State Key Laboratory of Lithospheric Evolution, Institute of Geology and Geophysics, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100029, China;
4. College of Earth and Planetary Sciences, University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China;
5. Geological Bureau of Inner Mongolia, Hohhot 010020, China;
6. Shenyang Institute of Geology and Mineral Resource, Shenyang 110034, China
Abstract: The mafic-ultramafic rocks in Erlian-Hegenshan of Inner Mongolia suture zone have been recognized as "ophiolite", "magmatic rock", "mantle-source melt-fluid" and other petrological terms by a variety of authors for last few decades. Diamond and other deep mantle-derived minerals have been identified in chromite in Hegenshan region in recent years, which raised the question of mafic-ultramafic rocks. This study presents the new geophysical observation data dealing with deep occurrence of the mafic-ultramafic rocks. The newly gained aeromagnetic data indicate that the ophiolite zone in Hegenshan area appears to be with high-value magnetic anomalies, whereas the Hegenshan block has shown, due to its burying depth much deeper than that of adjacent blocks, obviously higher magnetic and lower Bouguer gravity anomalies, which are in accordance with the mafic-ultramafic rocks exposing on the surface. The aeromagnetic and Bouguer gravity anomaly data are processed with upward continuation and estimation of the shape and bottom surface depth of the magnetic source. And the faults are identified with the assistance of the dissimilarity-based edge enhancement algorithm. The results show that the Hegenshan block is extended through the crust and trans-crust faults were developed nearby. From the surface to the middle crust, main components are serpentinization mafic-ultramafic rocks, and the lower crust mainly consists of ultramafic rocks. A group of NEE trending faults with a width of about 30 km was intruded by above mentioned rocks. Electrical resistivity structure of the crust and mantle revealed from magnetotelluric data further demonstrates that the suture zone was controlled tectonically by the lithospheric faults. It is inferred that the mantle melt-fluid continuously permeated along the lithospheric faults and finally reached the shallow surface of the crust under the background of regional upwelling of mantle diapir. It is suggested that the amalgamation of the plates is completed by intrusion of the deep mantle-derived materials.
Keywords: Suture zone    Mafic-ultramafic rock    Aeromagnetic anomaly    Gravity anomaly    Upward continuation    Mantle-source melt-fluid    
0 引言

内蒙古东乌珠穆沁旗一带出露的贺根山蛇绿岩(图 1)被看作中亚造山带内蒙古境内出露面积最大(640 km2)、研究程度相对较高的蛇绿岩,控制贺根山蛇绿岩带分布的是二连—贺根山缝合带.这里保留了海西期古亚洲洋闭合前最后的信息,是了解古亚洲洋特征和认识中亚造山带地壳增生作用的关键地区,引起了国内外地质学家的关注(刘家义,1983Coleman, 1989; 肖序常和汤耀庆,1991唐克东和张允平,1991邵济安,1991;白文吉等, 1995; 黄竺等,2015黄波等,2016王成等,2016).

图 1 内蒙古贺根山地区的构造简图(引自内蒙古自治区地质矿产局, 1991, 略有修改) 右上角为区域构造背景图,黑框为图 1范围,红框为图 2范围,绿框为图 3图 4的范围. Fig. 1 Simplified tectonophysics map in the Hegenshan area of Inner Mongolia (by Bureau of Geology and Mineral Resources of Nei Mongol Autonomous Region, 1991, slightly modified) Top right is the tectonic setting, where the black block corresponds Fig. 1, the red block corresponds Fig. 2, the green block corresponds Fig. 3 and Fig. 4.

1972年彭罗斯蛇绿岩会议上,蛇绿岩被定义为一个从镁铁质到超镁铁质岩的特殊集合体,与之伴生的有硅质岩、少量灰岩以及与纯橄岩共生的豆荚状铬铁矿,它们是从俯冲板块上被肢解下来的异地洋壳碎片(Anonymous, 1972).长期以来,对二连—贺根山缝合带的镁铁-超镁铁岩成因有着不同的认识.从20世纪50年代对铬铁矿的勘探到1973年贺根山幅1:20万区域地质的调查,均将超镁铁质-镁铁质岩看作海西晚期和燕山期岩浆活动的产物,并测绘了反映岩浆流动的流线、流面图,显示岩浆以50°~70°的倾角向着NW300°~320°方向上涌.而80年代开始的板块构造研究则将其认定为残留在板块缝合带内的蛇绿岩,并将蛇绿岩形成时代定为晚泥盆世—早石炭世(刘家义,1983白文吉等,1985黄波等, 2016Jian et al., 2012).

关于贺根山幔源熔-流体上涌的机制存在过以下两种观点:①上地幔局部熔融,原始地幔的局部熔浆呈底辟体形式从90 km深处上涌(杨芳林,1989);②白文吉等(1993)根据尖晶石中包裹体矿物的发现,否认了上地幔局部熔融的观点,认为铬铁矿浆源自上地幔较深部位.黄竺等(2015)根据贺根山铬铁矿中金刚石、碳硅石、自然铬等30多种地幔矿物捕虏体的发现,进一步推测这些超高压、强还原矿物形成于上地幔深部,可能深达上、下地幔转换带.杨经绥等(2013)在讨论西藏等地发现的蛇绿岩型金刚石和铬铁矿深部成因时,曾提到携带金刚石的地幔岩石是被上涌的地幔柱带至浅部.幔源熔-流体上涌机制及可能与之相关的镁铁-超镁铁岩及铬铁矿的深部成因成为人们关注的新热点.目前本区只有贺根山超镁铁岩中发现含金刚石的铬铁矿,因此本文的讨论仅限于贺根山镁铁-超镁铁岩,不涉及其他蛇绿岩块.

在讨论成因之前,弄清镁铁-超镁铁岩的深部产状及其与缝合带的关系,是涉及成因解释的关键问题.回顾过去的研究,白文吉等(1985)曾根据内蒙古物探队的研究,提出斜辉辉橄岩相的镁铁-超镁铁质岩厚达5~6 km, 这促使我们进一步去探索它们纵向上是否穿过整个缝合带?贺根山蛇绿岩带无“根”还是有“根”?是否存在控制蛇绿岩分布的岩石圈断裂?

由于蛇纹石化过程中次生他形磁铁矿的形成,蛇绿岩体通常会表现出高磁异常特征(同子鱼和赵贵三,1957何兰芳等,2014),因此可以利用航磁数据开展深部研究,推断岩体深部产状,为进一步讨论它们的形成机制奠定基础.据此,本文利用航磁化极数据及向上延拓的结果,辅以布格重力异常数据和大地电磁测深资料来推测镁铁-超镁铁岩产状及与缝合带的关系,进而讨论镁铁-超镁铁质熔-流体的上涌机制、幔源岩浆活动在板块对接过程中的重要性.

1 区域地质概况

内蒙古贺根山地区的构造格架(图 1)显示了以下3个特征:

(1) 包括贺根山蛇绿岩带在内的二连—贺根山缝合带横贯全区,以北是西伯利亚板块的中亚—蒙古微大陆,以南是华北板块的锡林浩特微陆块,在晚古生代初期古亚洲洋消亡前,它们是分属不同的生物地理分区的两个陆块(邵济安,1991唐克东等,1992).

(2) 贺根山蛇绿岩带主要由朝克山、贺根山、崇根山、小坝梁等蛇绿岩块组成.岩石类型包括变质橄榄岩系、堆积岩系、岩墙和上部含放射虫硅质岩的玄武岩系.Robinson等(1995)曾指出贺根山玄武岩来自独立的岩浆源.经研究这套玄武岩具有洋岛玄武岩(OIB)特征,缝合带中可见红色的燧石岩中包裹的超镁铁质岩石碎块,反映了镁铁-超镁铁岩与洋壳的关系,本区未见镁铁-超镁铁岩与地层的侵入接触关系.

(3) 地球物理资料证明二连的赛罕高毕蛇绿岩与贺根山蛇绿岩带受到同一条超岩石圈深断裂的控制,该断裂被认为是晚古生代早期形成的一级构造单元界线(内蒙古自治区地质矿产局,1991).

2 航磁异常处理与结果 2.1 航磁异常特征与向上延拓处理结果

岩石的磁性是产生磁异常的基础.前人在贺根山地区做过磁性测量工作,磁化率测量结果表明贺根山地区的强磁性主要由镁铁-超镁铁质岩石引起,磁化率值最大能达到8616×10-5SI,平均值为1963×10-5SI(吴成平等,2014).此外,贺根山地区的镁铁-超镁铁岩石普遍存在蛇纹石化现象,蛇纹石化过程中形成的次生磁铁矿导致其高磁性,磁性强于镁铁-超镁铁岩和铬铁矿石.岩石磁化率的特征和航磁异常通常有对应关系.具有中强磁化率的岩体若与围岩存在较大的磁性差异且具有一定规模,可引起中高强度的航磁异常(管志宁,2005吴成平等,2014).

贺根山地区1:150万航磁图(图 2)显示NEE向展布的磁异常带与二连—贺根山缝合带一致.该图标注的粉红色部分是磁场强度介于100~200 nT的范围,红色区域>200 nT,等值线间距为50 nT.该区存在延伸较大的磁异常条带,这些磁条带与蛇绿岩带有关(张季生等,2005).密集的等值线反映缝合带中含铬铁矿的镁铁-超镁铁岩石引起磁场强度的强烈变化(吴成平等,2014).

图 2 贺根山地区航磁图(内蒙古地质局1:150万航磁图(1991),内部资料) Fig. 2 The aeromagnetic map of Hegenshan area (after the aeromagnetic map of Geological Bureau of Inner Mongolia, 1991, internal information)

强磁性地质体究竟如何向地壳深部延伸?本文拟通过大比例尺(1 km×1 km)的航磁数据给出向上解析延拓的图像来追踪它们在地壳中的踪迹,其研究范围包括115.83°E—117.17°E,44.50°N—45.50°N.对航磁数据进行各种处理之前,先将经纬度坐标转换为平面直角坐标,处理完后再转换成经纬度坐标成图显示.投影方式为兰伯特等角割圆锥投影.航磁ΔT原始数据反映的是不同深度磁性地质体的叠加效应.首先,对航磁ΔT网格数据进行化极处理,消除斜磁化影响,即将磁异常转换为磁性体处于地磁极位置的磁异常.然后做向上延拓处理,即根据地面实测异常计算地面以上某一高度的异常值,凸显深部磁性岩体的存在范围,目的是为了消除地壳浅部磁性岩体的影响.对航磁ΔT化极数据分别进行了向上10 km、30 km等延拓处理,定性地估计磁性地质体向下延深的情况.

航磁ΔT化极数据及其向上延拓的结果(图 3)显示,贺根山、小坝梁、崇根山、朝克山岩块均位于航磁异常等值线密集分布的梯级带上,呈高磁性.

图 3 航磁化极数据及向上延拓的结果 (a)航磁化极异常; (b)上延10 km; (c)上延30 km.Δ—大地电磁测点(徐新学等,2011);A—剖面A,B—剖面B. Fig. 3 Upward continuation results of the aeromagnetic reduced-to-the-pole data (a) Aeromagnetic reduced-to-the-pole anomaly map; (b) Upward continuation 10 km; (c) Upward continuation 30 km. Δ—magnetotelluric survey sites by Xu et al. (2011); A—profile A; B—profile B.

航磁异常特征揭示贺根山一带有一组NEE走向的断裂,断裂所在位置等值线密集分布,断裂两侧磁异常差异大,这位置正是华北板块北缘的缝合带.其中,贺根山岩块是高磁异常区,异常值最大达到1084 nT.岩体北西、北东和南侧均有负值异常区(图 3a).通常情况下,高磁异常区两侧存在负值异常可能是因磁性体向下延伸较浅,也有可能是因为磁性体两侧存在断裂.由于磁力高、梯级带及一些断裂异常特征在上延的异常图中依然存在,因此,可推断贺根山岩块高磁异常两侧的负值异常是因断裂引起.在上延的异常图上,贺根山北东和南侧的负值异常区消失,磁力高值异常区走向、形态和位置相比于航磁ΔT化极异常图也有所变化,揭示贺根山深部高磁异常体呈高角度向南偏东倾斜.小坝梁、崇根山和朝克山岩块均对应高磁异常,两侧伴生有负异常.上延30 km以上的异常图上显示出断裂带南、北两侧微陆块边缘的特征.上延高度大于30 km的延拓结果与上延30 km的延拓结果在异常形态和幅值上差别不大.

考虑到工区面积、边缘效应和等效原理的影响,未给出上延更大高度的结果.上延30 km及以上的延拓图像可以显示研究区被NEE向的梯级带分成南、北两个主要异常区,贺根山、小坝梁、崇根山、朝克山岩块位于高磁异常区,异常区的宽度约50 km.当然,上延处理后的航磁资料并不能彻底分离埋藏深度不同地质体产生的异常.一般情况下,不同高度的延拓场与不同深度的磁源并不存在延拓高度与磁源深度的简单定量关系,即不能简单认为向上延拓某一高度的场与某一深度的磁性体相对应(管志宁,2005).

2.2 磁源形态及底界面深度估算

简单规则形体的磁异常的极大值(Zmax)与埋深之间有以下关系式(管志宁,2005):

(1)

式中C为与磁性体形状、产状和磁性有关的常数;n为仅与磁性体形状和大小有关的指数.磁性体规模越大,则n值越小.给出三个不同高度及其对应的磁异常极大值,即可求解公式(1)中的n值.对图 3中贺根山岩块附近的剖面A和B利用三个不同高度上的磁异常极大值Zmax及对其上延100 m和200 m、1.2 km和2.4 km后的磁异常,分别求解出这两条剖面的n指数都小于1,说明磁性体的形体近似于无限延深厚板,规模大.这种方法是一种简化问题的近似.为了研究和解释方便,在一定误差范围内把有限延长(或延深)的地质体看作是无限延长或延深的地质体;例如,通常把Za(垂直磁异常)等值线的长轴与短轴之比大于或等于3的情况,当作是地质体走向为无限长的情况(管志宁,2005).

功率谱是一种解析处理方法,可借助磁异常的径向对数功率谱分析,来定量地确定磁异常的场源深度.利用功率谱估算,采用以8 km×8 km为数据窗口,8 km为步长,相邻窗口重叠一半的方法,得到的贺根山岩块磁性底界面最大深度为37 km.贺根山岩块的埋深明显大于崇根山岩块和小坝梁岩块.

3 高磁异常带的地质意义 3.1 从岩石磁性和航磁异常的角度

解译高磁异常带的地质意义,势必涉及排除解译的多解性.从贺根山地质体的分布来看(图 1),镁铁-超镁铁岩裸露面积46 km2,磁异常圈定的面积达112 km2(黄竺等,2015),具一定规模,除了东侧被格根敖包组(C2)的海陆交互相火山岩及碎屑岩不整合覆盖外,周边大部分被下白垩统的陆相砂砾岩、泥岩夹褐煤覆盖.

贺根山镁铁-超镁铁岩中98%以上的造岩矿物全蛇纹石化,直至650 m变质程度仍不减,斜辉辉橄岩和纯橄岩含水高达15%以上,这种均匀的自变质水化作用,与晶粒间隙水汽作用有关(周欣贤,1966).贺根山地区镁铁-超镁铁岩的蛇纹石化过程形成了磁铁矿,磁铁矿具有强磁性,其剩磁大小与感磁大体相当,因此当其具有一定的规模时可以引起幅度很大的伴生负值异常的强磁异常(张文志,2015).这从另一个角度排除了贺根山高磁异常两侧存在负值异常是因磁性体向下延伸较浅的可能性.

结合前面提过的镁铁-超镁铁岩类磁化率测量结果,综合根据航磁上延结果及磁性底界面深度得出高磁性岩体深部埋深大的推断,引起贺根山如此高磁异常可能性最大的为蛇纹石化的镁铁-超镁铁岩.

3.2 从岩石密度和重力异常的角度

蛇纹石化过程的自变质水化作用会引起岩石密度的降低. Yüngül(1956)曾将意大利铬铁矿蛇纹石化现象描述为“滑石蛇纹岩化”,根据实验数据指出,蛇纹岩的平均密度2.5 g·cm-3,比石英岩2.6 g·cm-3和灰岩、大理岩2.7 g·cm-3的密度都低,同时,铬铁矿磁化率因数只有5 mg,而黑色蛇纹岩高达90 mg,这与蛇纹石化过程中次生他形磁铁矿的形成有关(同子鱼和赵贵三,1957).西藏罗布莎铬铁矿区岩(矿)石标本物性测量结果表明,蛇纹岩的密度变化范围2.48~2.68 g·cm-3,平均密度2.60 g·cm-3,明显低于铬铁矿、纯橄榄岩、斜辉辉橄岩、辉长岩、灰岩、罗布莎砾岩、砂板岩等岩(矿)石的密度(陈林荣等,2014).

根据这一认识,我们将研究区平面重力、航磁异常进行对比.布格重力异常数据的网格间距为0.02°×0.02°,经纬度范围:115°E—118°E,44°N—46°N.对布格重力数据进行各种处理之前,先将经纬度坐标转换为平面直角坐标,处理完后再转换成经纬度坐标成图显示.布格重力异常图及其上延处理结果见图 4(为便于与航磁异常图做比较,截取了相同的坐标范围.研究区重力数据的比例尺小于航磁数据,选取了不同的上延高度).整个区域都呈现负值重力异常.图 4a中,一条NE走向的相对高值异常带几乎贯穿全区,最大宽度约30 km.但是在贺根山岩体处有一个面积约190 km2的相对低值异常区,几乎截断了这条相对高值异常带.这一异常区与图 3a中的航磁高值异常区相对应.在上延5 km、10 km处理结果图上,该相对重力低异常区仍能显现,对应于航磁上延处理结果图中的高磁异常区,同时具有低重力异常和高磁异常特征的带状体又对应了地表出露蛇绿岩.由此排除其他解译的可能,正是由于贺根山下部充填的蛇纹石化的镁铁-超镁铁质岩石,导致了该区磁力异常高和重力异常低重叠的现象.

图 4 布格重力异常及其向上延拓结果图 (a)布格重力异常图;(b)上延5 km;(c)上延10 km.Δ—大地电磁测点(徐新学等,2011);A—剖面A. Fig. 4 Bouguer gravity anomaly and its upward continuation results (a) Bouguer gravity anomaly map; (b) Upward continuation 5 km; (c) Upward continuation 10 km.Δ—magnetotelluric survey sites by Xu et al. (2011); A—profile A.

王成等(2016)的研究,贺根山地区只有贺根山蛇绿岩块具有较大规模,且有垂向延伸,而其他几个蛇绿岩块均规模较小,且缺乏垂向延伸.崇根山蛇绿岩块出露面积比贺根山岩块大,该岩块经历了多期构造热液作用,蛇纹石化非常强烈,磁铁矿化普遍.但由于后期遭受构造改造作用比较强烈,风化剥蚀严重,整体规模较小,且缺乏垂向延伸.这正好解释了崇根山和小坝梁岩块在布格重力异常图上显示为相对重力高,而不同于贺根山岩块呈现相对重力低.崇根山和小坝梁岩块为下延深度小的磁性体,呈现高磁异常两侧伴生负异常的现象.

3.3 从岩石电性和电磁异常的角度

镁铁-超镁铁岩由于其物质成分中的铁、镁质增多,电阻率较低.而岩体的蛇纹石化也是导致低电阻率的主要原因(张振法,1990何兰芳等,2014).锡林浩特—东乌旗大地电磁测深剖面的研究(徐新学等,2011)表明,受两条深大断裂所控制,贺根山缝合带具有明显的根部,地壳与地幔连通的高导(低阻)通道明显,贺根山缝合带自上至下存在三个向南偏东倾斜的巨型低阻体(图 5):5~25 km深度的低阻体宽度约15 km;25~55 km深度的低阻体宽度约10 km;55~105 km深度的低阻体宽度约50 km.这三个低阻体自上至下电阻率分别对应最低值-较低值-低值.大地电磁测点的点距是3~6 km.14~26号大地电磁测点位于研究区范围内,测点的位置见图 3图 4所示.缝合带内的低阻体主要与局部铁镁质物质富集、岩体熔融等相关.

图 5 锡林浩特—东乌旗剖面壳-幔电性结构二维反演模型(据徐新学等,2011) Fig. 5 2-D inversion model and electrical conductivity structure of the crust and upper mantle along Xilinhot-Dongwuqi profile (by Xu et al., 2011)
3.4 主要岩石组成

内蒙古中部3~25 km深处的地壳主要由蛇纹石化超镁铁质岩组成,下部地壳则主要由超镁铁质岩组成(张振法,1990).这是由于蛇纹石化作用随下地壳深度增加逐渐减弱,去蛇纹石化作用使部分蛇纹岩再度转化为超镁铁岩,因而超镁铁岩随深度分布大大增加.综合贺根山研究区的岩石物性、航磁、重力和大地电磁数据,我们认为贺根山地区地表至中地壳主要由蛇纹石化的镁铁-超镁铁岩组成,引起高磁、低重力和低阻异常.下地壳主要为超镁铁质岩组成,引起较高磁、较高重力和较低电阻率异常.上地幔的低阻体则与部分熔融有关.

徐新学等(2011)根据大地电磁反演剖面(图 5)推断贺根山缝合带的莫霍面深度约25 km,莫霍面上凸.来自深地震测深的结果表明贺根山地区莫霍面深度39~40 km(卢造勋等,1993).我们对从小波分析三阶逼近结果得到的区域重力场使用Parker-Oldenburg关系式(Oldenburg, 1974),根据早期研究文献中的相关资料,设定研究区平均地壳深度为39 km,地壳与上部地幔密度差为0.3 g·cm-3,将平均地壳深度与密度差两参数带入关系式计算,得到研究区莫霍面深度范围为38~41 km.我们认为图 5中第一个低阻体的底界(深度约25 km)是地壳中间层的底界,其上是蛇纹石化的镁铁-超镁铁岩(反映为低阻异常),其下是下地壳的超镁铁岩(较低阻异常),该底界不是莫霍面.前面计算得出贺根山岩块磁性底界面最大深度为37 km.内蒙古中部莫霍面附近温度约600~800 ℃,达到了铁磁层的消磁居里温度,因而居里面深度在莫霍面附近才较为合理(张振法,1990).这佐证了由航磁数据计算得到的磁性底界面深度比较合理.限于篇幅本文不展开进一步讨论.

4 岩石圈断裂 4.1 存在的争议

目前关于贺根山断裂带的构造属性及相关地质问题有较大争议.部分研究者认为贺根山断裂带切割较浅,贺根山蛇绿岩是无根的岩块;有的研究认为贺根山断裂为一条超岩石圈断裂,万天丰(2004)根据贺根山蛇绿岩带发现的多处铬(铁)矿和铁矿的矿种类型,认为可能与岩石圈断裂有关.徐新学等(2011)根据大地电磁剖面反演结果认为贺根山蛇绿岩带两侧发育的两条岩石圈断裂(图 5中的F1和F2)是控制幔源物质向上运移的通道.

4.2 根据航磁和重力数据识别断裂

为了识别断裂,我们利用了基于相异度算子的边缘增强方法(Zhang et al., 2013),以沿网格数据的网格点逐一移动的窗口内计算相异度,计算结果能突出异常梯度带、陡变带、异常分界线等信息,有利于揭示断裂等地质信息.对于图 3图 4中的航磁化极异常数据或布格重力异常的网格数据,以网格数据矩阵A表示.根据A求取相异度算子Dis,公式如下:

(2)

以沿网格数据矩阵的网格点逐一移动的窗口内计算,计算窗口的大小依据数据的尺度(网格点个数)而定,数据尺度大,计算窗口可取3×3,5×5或7×7,尺度小的取3×3.式中,ij是异常值(航磁化极异常或布格重力异常),异常值的数值范围介于最小异常值minA与最大异常值maxA之间;s是网格数据矩阵A的最大异常值.wkA的第k个窗口.σ是窗口的标准偏差.C是针对航磁、重力数据的特征做过改进的共生矩阵.计算窗口的中心点与窗内其他点为一共生对(Ao(x, y), Aa(x, y)),对应的异常值分别为ij.d是共生对(Ao(x, y)和Aa(x, y))的间距,即窗口中心点Ao与窗内其他点Aa之间的网格点数;θ是共生对的方向角度;h是权系数;xy分别是平面网格点的横向和纵向坐标,m是网格数据矩阵A的横向网格点个数,n是纵向网格点个数.

根据上述边缘增强算法对研究区的航磁化极异常、布格重力异常数据及其上延结果分别进行了处理,综合推断出的断裂分布图如图 6a所示.计算得到的相异度也是平面网格数据.图 6b是分别从相异度、航磁数据、重力数据、莫霍面深度等值线图中截取的剖面A(其位置见图 3图 4所示)的相应数据.对于相异度出现局部高值的情况,认为可能是附近存在断裂.根据大地电磁剖面反演结果(图 5),控制贺根山缝合带及幔源物质向上运移的两条岩石圈断裂F1和F2分别位于测点17与18、21与22之间.这两条断裂在航磁、重力数据中也有显示,应用相异度算子也能检测到,如图 6所示.

图 6 断裂分布平面图(a)和剖面图A (b) (b)最上面的三角符号代表大地电磁测点,下面依次是:基于航磁数据计算的相异度、莫霍面深度、航磁化极异常及其上延结果、布格重力异常及其上延结果. Fig. 6 Fault distribution map (a) and Profile A (b) In (b), the triangles at the top represent the locations of the magnetotelluric sites; below are: dissimilarity calculated from the aeromagnetic data, Moho depth, the aeromagnetic reduced-to-the-pole data and upward continuation results, the Bouguer gravity anomaly and upward continuation results.

研究区断裂走向以NEE向为主,两条边界断裂(图 6a中以粗黑线标注)夹持的平均宽度约30 km.这两条边界断裂均切穿地壳,其中贺根山以南的这条边界断裂对应图 5中的F1.

4.3 幔源熔-流体上涌的机制

航磁数据揭示贺根山高磁异常体在深部呈高角度向南偏东倾斜,结合地表的流变构造及岩性分布,推测固结前的镁铁-超镁铁质熔-流体曾沿着断裂向北偏西方向上涌.图 5显示贺根山低阻体在深部向南偏东倾斜.高磁异常带的产状、低阻体的产状、镁铁-超镁铁岩中的流变构造产状,三者的一致,从一个侧面佐证了幔源熔-流体向NW方向上涌的过程受到了缝合带的控制.下文围绕缝合带的研究,提出一些有待进一步证实的构想.

前文根据航磁和重力异常数据,证明了贺根山地区在板块缝合带存在一个宽约30 km左右的通道,其中主要充填了镁铁-超镁铁质的岩石,分布着多条断裂.由此笔者推测,由于汇聚的两大板块在相对缓慢的对接过程中,当接近到一定程度,它们之间的空间为幔源熔-流体的持续上升到达浅表提供了天然通道.由此可见,正是两大汇聚板块之间的狭窄通道成为这类幔源物质向上运动的重要机制.贺根山见到的此类现象在中亚造山带并非偶见,Моссаковский и др.(1993)讨论中亚造山带C2-3封闭的南蒙古洋和土尔克斯坦洋时,曾采用“蛇绿岩缝合带”一词,看来这是古亚洲洋闭合方式的研究中值得关注的现象.

必须指出,本文提出的解释,仅是一种可能性.也有人将幔源熔-流体的上涌,看作受到陆壳基底上发育的海底裂谷系的控制.总之,目前关于贺根山镁铁-超镁铁质熔-流体上涌的背景和机制还有待于进一步研究.

5 幔源岩浆活动在板块对接过程中所起的作用

通过贺根山镁铁-超镁铁岩的研究,说明在板块最后的对接过程中,局部地段(如贺根山)的板块缝合是通过深部幔源物质的拼合而成的,这里没有板块俯冲的证据,贺根山的玄武岩是非岛弧环境形成的(刘家义,1983唐克东等,1992),也没有板块强烈碰撞导致的变形和变质作用,有人称之为“被动碰撞型造山带”,以区别于阿尔卑斯型碰撞造山带(唐克东和张允平,1991).贺根山板块缝合带是通过深部幔源物质的拼贴而成的,这种对接方式在以往板块构造研究中较为少见,然而却是中亚造山带的一个重要特色.正如Coleman(1991)在讨论中亚大陆增生时所论述的:在中亚地区未见大规模的水平推覆体,也没有地壳俯冲的证据,刚聚合的板块是通过深部幔源物质进一步拼贴在一起.这种被动性质的固结或火成底垫作用是中亚地区的重要特色,引起人们极大关注,这也正是本文讨论的主要目的.

二连—贺根山缝合带作为一个重要的岩石圈通道,为板块对接后长期的幔源岩浆活动提供了重要条件.在苏尼特左旗的包尔敖包发现的堆晶角闪辉长岩(325 Ma),表明早石炭世末期局部地区就已经出现了幔源岩浆的底侵作用(李玉文等,1995).之后,贺根山地区多期次(298~132 Ma)源自亏损地幔的镁铁-超镁铁质岩侵位(Jian et al., 2012; 黄波等,2016),反映缝合带长期的伸展活动.

如果将贺根山这类含金刚石的镁铁-超镁铁岩仍作为蛇绿岩看待,那么前文陈述的经典蛇绿岩概念需要补充和扩展,总之,这是有待进一步讨论的问题.本文强调的是板块对接过程中幔源熔-流体活动的重要性,这一现象绝非仅出现在中亚造山带.袁学诚等(2006)通过对青藏高原岩石圈三维结构的研究,揭示雅鲁藏布江南、北的印度板块和青藏地块之间由于不断的碰撞挤压,印度板块前缘倾角变陡,在青藏地块相当俯冲带的弧后部位,在10~15 km处产生了局部熔融的高温地幔,该作者采用“液压机”模型,用液传动作用解释了青藏高原的隆升,并且明确指出:青藏高原的隆升是一个流体力学问题,而不是一个刚性力学问题.尽管本文对贺根山含金刚石镁铁-超镁铁岩上涌机制的解释与青藏高原隆升机制的解释有所不同,但共同之处都关注了幔源熔-流体上涌的问题,在地球动力学研究中,这是一个值得充分重视的问题.

6 结论

本文重点讨论的是二连—贺根山缝合带中的贺根山镁铁-超镁铁岩,前人将其看作蛇绿岩.本文通过航磁与布格重力异常数据及其向上延拓、磁源形态及深度估算、断裂识别等研究手段,证实贺根山镁铁-超镁铁岩充填在一组宽约30 km的NEE向断裂带中,并贯穿了地壳.壳-幔电性结构研究进一步证实控制缝合带的是岩石圈断裂.在此基础上,对含金刚石等深部地幔矿物的贺根山镁铁-超镁铁岩上涌的机制进行了讨论,认为贺根山板块缝合带通过深部幔源物质的侵入,导致板块的拼贴、对接.如何认识贺根山镁铁-超镁铁岩与蛇绿岩的关系?有待于进一步讨论.

致谢  论文的酝酿和编写过程得到任纪舜、袁学诚、张明华、宁杰远等先生的帮助,审稿专家提出的修改意见使本文得以完善,在此一并感谢.
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