2. 吉林大学地球探测科学与技术学院, 长春 130026;
3. 中国地质科学院矿产资源研究所, 北京 100037;
4. 中国地震局地球物理研究所, 北京 100081
2. College of Geo-exploration Science and Technology, Jilin University, Changchun 130026, China;
3. Institute of Mineral Resources, Chinese Academy of Geological Sciences, Bejing 100037, China;
4. Institute of Geophysics, China Earthquake Administration, Beijing 100081, China
在世界屋脊西端的帕米尔高原是五大山脉的汇结中心,喜马拉雅弧形造山带的西部弧顶,故被地学界称其为“西构造结”.帕米尔(Pamirs)係波斯语意为平顶层,实际上帕米尔不是一个平坦的高原面.而是由五组高大山脉和山脉间的陡谷盆地所组成.这五组山脉分别是天山山脉、昆仑山脉、喀喇昆仑山脉、喜马拉雅山脉和兴都库什山脉.由它们汇集形成地球上最大的“山结”,其面积约为100000 km2!而且这个“山结”中,纬向和经向山脉相互错综交叉,呈现出峻峰攒聚、山耸谷陡、地形极其复杂,平均海拔高达5000 m,且主要山峰则均在6000~7000 m以上.据地史学研究,在早二叠纪,帕米尔地区为古特提斯海,由于印度板块不断北移,与欧亚板块相遇,随之引发碰撞、挤压、褶皱、下插、抬升、成山、成谷等多幂次的强烈的地质构造运动—海西运动、契莫里运动、阿尔卑斯运动和喜马拉雅运动.从而造成古特提斯海关闭,五大山脉先后相继急剧隆升为高耸的陆地山脉,形成了青藏高原及其西端众山纠结攒聚的帕米尔“山结”,地学界通常称其为“西构造结”.
在这一东、西亚汇聚地域,尽管自20世纪中叶至今,前后进行过多期次的地球物理场与壳、幔结构研究(杨辉等,2009;滕吉文等,2019),但对“西构造结”深部密度结构尚未有报道与论及.为研究与探讨这一地域壳、幔结构与深层动力过程受到了限制.幸有前苏联、意大利、巴基斯坦的地球物理学家曾在此人迹罕至、飞鸟不经、自然环境极其恶劣之地,进行过数年艰苦的、空前绝后的地球物理探测,取得一批堪称珍贵的帕米尔及周边地域的重力场(Ebblin et al., 1983)与人工源地震波场探测数据与资料(Beloussov et al., 1980, 1983).据此难得的地面实测的重力资料,特别是据其编制的布格重力异常图.并与现今通用的国际地球重力模型(EGM-2008)进行转换给出的布格重力异常数据相结合.应用这些布格重力异常数据,作为计算剖面深部密度结构和分析深部地壳构造的基础数据和资料.同时,尽量利用有限的人工源地震探测所得速度数据作约束参考;构建和做出重力剖面辖区的地壳密度结构模型,以供对该区的地壳深部结构与构造,深层动力过程作进一步之研榷.
1 重力场数据采集、处理和分析 1.1 重力信息的探测和采集与数据处理在帕米尔“西构造结”及其周边地域,重力数据有两个来源,一是由意大利的里雅斯特大学地球物理研究所于20世纪70年代进行的地面重力勘探取得的重力测量成果表和布格重力异常成果图件(Ebblin et al., 1983);另一是从国际地球重力模型EGM-2008采集和处理得到的布格重力异常值数据.
为研究探讨帕米尔“西构造结”及其周边地域的地壳深部结构与构造,选定以西构造结为中心建立一个十字相交的两条重力研究剖面.一条沿前苏联在该地域作过的托克托古尔—斯利那加(Toktogul-Srinagar)人工源地震深部探测剖面(Beloussov et al., 1980, 1983),构建了吉尔吉斯斯坦的塔什库美尔(Tashkumer)—斯利那加(巴基斯坦)重力研究剖面.根据有关文献提供的帕米尔高原—“西构造结”区域地质构造研究资料,在塔什库美尔—斯利那加剖面辖域内跨越了帕米尔“西构造结”的主要地质构造单元,自北往南分别为:南天山造山带;南吉萨尔断裂;帕米尔前缘坳陷;北帕米尔断裂;北帕米尔—昆仑山造山带;阿克巴塔尔大断裂(大喀喇昆仑造山带北界);中帕米尔造山带;苏鲁克瓦尔特断裂;东南帕米尔造山带;巴达赫尚北边界断裂;巴达赫尚地块;巴达赫尚南边界断裂;大喀喇昆仑造山带;吉尔吉特北断裂(大喀喇昆仑造山带南界);北喜马拉雅造山带;南加帕尔巴特断裂;斯利那加北断裂;南喜马拉雅造山带(Belyaevsky and Rezvoy, 1983;武传真等, 1993).
同时构建与此剖面近垂直相交在阿富汗的贾拉勒巴德(Jalalabad) —叶城(中国)重力研究剖面,此剖面辖域跨越了帕米尔“西构造结”的地质构造单元自西往东分别为:兴都库什—贾拉勒巴德造山带南部地带;吉尔吉特北断裂(大喀喇昆仑造山带西界);大喀喇昆仑造山带;苏鲁克瓦尔特断裂(大喀喇昆仑造山带东界);北帕米尔—昆仑山造山带;昆仑山造山带山前断裂;昆仑山造山带前缘坳陷(叶城坳陷)(Belyaevsky and Rezvoy, 1983;武传真等, 1993).
这表明所选定的这两条重力研究剖面,基本上穿越了帕米尔“西构造结”的主要地质构造单元,可有利於对其地壳深部结构与构造进行研究探讨.
在两条重力研究剖面中,重力信息按各自剖面分布位置,分别采集意大利Ebblin颁布的重力数据和由EGM-2008处理的重力数据.经过对这两种来源的数据进行对比,结果显示两种数据的总体分布趋势基本上同步、但在局部区段上,幅值的差异有正有负、有大有小.考虑到意大利Ebblin当时地面测量条件非常艰苦困难,其测量点距为6~10 km,距离较大,其间无数据,而且测线分布较稀疏不规则,空白区较大,故其拟合内插数据与真实情况的误差可能会很大.
EGM-2008处理的2′×2′重力插值数据分布较均匀,误差可能会较小.其精度能够满足对深部地壳构造研究的要求.为此,确定选取它作为我们用于计算分析研究用的布格重力异常值.如今后能有更新的、更精准的重力数据,亦可再用其作修正和调整.
在图 1中AB剖面即塔什库美尔—斯利那加重力研究剖面全长800 km.沿剖面选设485个重力点,其重力点的间距为1.65 km.各重力点的布格重力异常值是依EGM-2008处理的2′×2′重力插值数据.
图 1中A1B1剖面即贾拉勒巴德—叶城重力研究剖面全长824 km.沿剖面选设为545个重力点,其重力点的间距为1.52 km.各重力点的布格重力异常值同样依是EGM-2008处理的2′×2′重力插值数据.
据此重力异常信息,进行了对帕米尔及周边地区的深部结构与属性的研究.
1.2 研究剖面的布格重力异常分布特征根据所采集的各测点的布格重力异常值构绘出塔什库美尔—斯利那加重力研究剖面(图 2a)和贾拉勒巴德—叶城重力研究剖面的布格重力异常分布曲线(图 2b).
由图 2a可见,整个塔什库美尔—斯利那加剖面的布格重力异常起伏变化程度比较显著.在剖面北端南天山山系造山带的塔什库美尔地区,布格重力异常值为-178 mGal.由北向南,在费尔干那盆地(剖面41°N处)下降至-247 mGal,随即转上升至-221 mGal(剖面40.6°N处)后,一直长距离大幅度下降至南天山山系造山带南界的南吉萨尔断裂带F1(剖面39.85°N处)进入帕米尔北前缘坳陷带,再南进降至-430 mGal(剖面39.58°N处),此处为北帕米尔断裂带F2.
随后进入昆仑山造山带.之后在昆仑山造山带南边缘,阿尔拜塔尔大断裂F3附近,重力异常值为-404 mGal(剖面38.66°N附近).
之后进入喀喇昆仑山造山带,布格重力异常值继续呈现在-400~-460 mGal范围内小幅起伏升降,直到剖面37.56°N附近为-411 mGal.此后,呈近单调型小幅波动后、持续大幅下降几十毫伽,抵达帕米尔中心地区,低至-537 mGal(剖面36.6°N处);随后又转为一路大幅度单调型上升,抵喀喇昆仑山造山带南缘吉尔吉特北断裂带F7为-393 mGal左右(剖面36.18°N附近).
此后,进入喜马拉雅造山带继续上升直至-271 mGal左右(剖面35.68°N附近).再往南,重力异常值又降至-346 mGal(剖面35.38°N附近)后,经小幅起伏波动抵斯利那加北断裂F9升至-284 mGal(剖面34.56°N附近).最后到南端斯利那加,布格重力异常值为-277 mGal(剖面34.10°N).
在本剖面呈现的这一重力异常大幅度升降,显示出在帕米尔中心地区布格重力异常存在着深大的低谷型重力异常分布特征.同时也显示在不同的四大山系造山带内部,布格重力异常值有明显的高低起伏差异.
1.2.2 贾拉勒巴德—叶城剖面的布格重力异常分布特征由图 2b,整个贾拉勒巴德—叶城剖面的布格重力异常起伏变化幅度比较剧烈.在剖面西端兴都库什—贾拉勒巴德造山带南部贾拉勒巴德地区,布格重力异常值为-296 mGal.由西向东逐渐以小幅起伏上升至-199 mGal(剖面71.56°E处).然后又小幅度起伏形式逐渐下降至-337 mGal(剖面73.02°E处)后; 又转上升至-289 mGal(剖面73.20°E处)后,以大幅度急速下降到帕米尔中心地区西缘吉尔吉特北断裂带F7附近地区重力值为-450 mGal(剖面73.80°E处);随后降至-540 mGal,进入帕米尔中心地区,重力值为-551 mGal(剖面74.60°E处);到帕米尔中心地区的东部地区,重力值仍保持-536 mGal(剖面75.0°E处);此后,重力值转为上升,在苏鲁克瓦尔特断裂带F4附近为-432 mGal(剖面75.70°E处);再继续快速上升至-330 mGal(剖面75.80°E处),之后以小幅度波动形式缓缓上升,在昆仑山山前断裂Fk处为-280 mGal(剖面76.70°E处),到东端叶城为-266 mGal(剖面77.267°E处).同样,在本剖面的帕米尔中心地区呈现总体近于对称的V字型分布、即大幅度升降的重力异常低谷区.并显示出在不同山系造山带内部,布格重力异常值有明显高低差异的变化特征.
2 沿剖面地壳密度结构模型构建与分析通过对“塔什库美尔—斯利那加重力研究剖面和贾拉勒巴德—叶城重力研究剖面”的布格重力异常数据进行分析处理构建了沿两剖面的二维地壳密度结构.
2.1 地壳密度结构模型构建在本研究工作中,根据重力学理论(王谦身等, 2003), 采用中国地质调查局发展研究中心所开发的二维重磁异常人机交互式正反演软件GM2DINVERSE,同时结合有关的地质、地球物理资料并将其作为约束条件,进行地壳密度模型的构建与重力异常拟合.
(1) 塔什库美尔—斯利那加重力研究剖面地壳密度结构模型构建
基于上述重力剖面与托克托古尔—斯利那加人工源地震深部探测测线位置相同,故以此人工源地震探测所得到的二维地壳速度结构模型(Beloussov et al., 1980)作为地壳密度结构建模的初始参考依据,利用目前国际上常用的P波速度与介质密度之间的经验关系式(Ludwig et al., 1970;Christensen and Mooney, 1995;Brocher, 2005)转化为该剖面地壳与上地幔的二维密度结构模型.同时参考本区内已有区域构造展布与地层特征等地质资料,对该密度模型在结构形态与初始密度值等参数进行适当的调整,给出并用于计算的初始地壳密度结构模型.对所构建的初始密度模型进行人机交互、不断反复调整修改模型,并计算其所产生的理论重力异常,经过多次重复计算拟合,直到计算的理论重力异常与实测重力异常的拟合误差小于剖面布格重力异常精度时为止,建立了最终的剖面密度结构模型,见图 3.
(2) 贾拉勒巴德—叶城重力研究剖面的密度结构模型构建
贾—叶剖面与塔—斯剖面同样均是参考了地震剖面局域个别点处的速度分层结构.根据重力场分布特征并结合地质构造的一般规律,经正反演计算给出壳内密度分层结构模型,见图 4.
(1) 塔什库美尔—斯利那加剖面的地壳密度分界面与地壳底界面
由于参考的地震剖面未能给出全剖面连续的壳内速度数据,仅在局部地带的个别点处有零星断续的速度分层结构.因此,只能以这些个别数据信息,根据重力场分布特征并结合地质构造的一般规律,经正反演计算给出壳内密度分层结构模型,以供参考探榷.
将地壳宏观地分为沉积建造(结晶基底以上部分),上地壳、中地壳与下地壳四部分.
由于结晶地壳内的密度值一般高于2.45 g·cm-3,故以2.45 g·cm-3为界,将小于2.45 g·cm-3的部分划为沉积建造部分.其下部则认为是结晶地壳部分.依据通常的理解和地质资料的表征,在此暂设定密度在2.6 g·cm-3以上的地层为上地壳,密度在2.7 g·cm-3以上的地层为中地壳,以下的地层为下地壳.
由图 3可见,在整个剖面辖区内,最上部是不连续的、即局部较低密度的介质为沉积地层,在向深处密度不断增值的上地壳、中地壳与下地壳之间有明显的界面,上-中地壳界面与中-下地壳界面及地壳底界面-莫霍界面(Moho)的埋藏深度在剖面北端南天山山系的塔什库美尔(41.47°N处)为10 km、18 km及45 km左右;往南逐渐缓缓变深,在南天山山系造山带南界的南吉萨尔断裂带地带(剖面39.85°N处)为16.8 km与28.7 km及56 km左右;进入帕米尔北前缘坳陷带为17.7 km与31 km及59 km左右;在此坳陷带南界为北帕米尔断裂带(剖面39.58°N处),向南进入昆仑山(北帕米尔)山系造山带,则在17.8 km与31.5 km及61 km深度.经过昆仑山造山带南界的阿克巴塔尔大断裂带(剖面38.66°N附近),进入(大)喀喇昆仑山系造山带,界面向南逐渐缓缓变深,在苏鲁克瓦尔特断裂带附近(剖面37.86°N附近),达到18 km与32.5 km及65 km深度.经过巴达赫尚南断裂,进入到帕米尔中心地区,降低到24 km与36.5 km及67.5 km深度(剖面36.6°N处).此后转为上升趋势,在喀喇昆仑山系造山带南边缘的吉尔吉特北断裂附近(剖面36.18°N附近),升至19 km与30.5 km及63 km深度.再往南为喜马拉雅山系造山带,界面向南逐渐缓缓抬升到12 km与24 km及58 km的深度后(剖面35.38°N附近),维持小幅起伏到剖面南端斯利那加(剖面34.10°N),深度分别为8.9 km与23.5 km及45 km.
(2) 贾拉勒巴德—叶城剖面的地壳密度分界面与地壳底界面
与上一剖面相同,将地壳宏观地分为沉积建造、上地壳、中地壳与下地壳四部分.将小于2.45 g·cm-3的部分划为沉积建造部分,设定密度在2.6 g·cm-3以上的地层为上地壳,密度在2.7 g·cm-3以上的地层为中地壳,以下的地层为下地壳.
由图 4可见,在整个剖面内,最上部是局部的较低密度的沉积地层,上-中地壳界面与中-下地壳界面及地壳底界面—莫霍界面(Moho)的埋藏深度在剖面西端兴都库什山山系南侧的贾拉勒巴德(70.438°E处)为12 km、22 km及48 km左右;往逐渐缓缓变深,在剖面73.0°E处,为18.3 km与29.8 km及55 km左右;到帕米尔中心地区的西缘,吉尔吉特北断裂附近(剖面73.88°E附近),将低为19.6 km与33.8 km及64 km左右;进入(大)喀喇昆仑山系造山带,在帕米尔中心地区(剖面74.4°E附近)最低,低至24.6 km与39.5 km及67.5 km.此后转为上升趋势,在喀喇昆仑山系造山带东边缘的苏鲁克瓦尔特断裂附近(剖面75.8°E附近),升至18.9 km与31.8 km及59 km深度;随后进入昆仑山系造山带各界面缓缓上升,到昆仑山系造山带前缘坳陷带升至14.5 km与26.8 km及52 km深度(剖面76.7°E附近);到东端叶城(剖面77.267°E处)深度为12.0 km与25.0 km及51 km.
3 讨论与认识(1) 帕米尔高原—“西构造结”是经过多幂次的强烈的地质构造运动—海西运动、契莫里运动、阿尔卑斯运动、喜马拉雅运动,造成古特提斯海关闭,天山山脉、昆仑山脉、喀喇昆仑山脉、喜马拉雅山脉和兴都库什山脉先后相继急剧隆升为高耸的陆地山脉,形成了青藏高原西端众山纠结攒聚的帕米尔“山结”.由於每一期构造运动形成一期造山活动.因此,其地壳内部结构和构造形态总体上必定相当复杂.但在每一期构造活动中,其地壳内部结构可能遵循着一般的地质规律.依此,根据重力和人工源地震等地球物理数据与有关的地质资料,对西构造结地壳内部结构和构造进行了研究探讨.
(2) 根据有关文献提供的帕米尔高原—“西构造结”区域地质研究成果资料,在塔什库美尔—斯利那加剖面辖域内的主要地质构造单元自北往南分别为:南天山造山带;南吉萨尔断裂;帕米尔前缘坳陷;北帕米尔断裂;北帕米尔—昆仑山造山带;阿克巴塔尔断裂;苏鲁克瓦尔特断裂;巴达赫尚北边界断裂;巴达赫尚南边界断裂;喀喇昆仑造山带;吉尔吉特北断裂;北喜马拉雅造山带;南加帕尔巴特断裂;斯利那加北断裂;南喜马拉雅造山带.
在贾拉勒巴德—叶城剖面辖域内的主要地质构造单元自西往东为:兴都库什—贾拉勒巴德山系造山带;吉尔吉特北断裂;喀喇昆仑造山带;苏鲁克瓦尔特断裂;昆仑山造山带;昆仑山东山前断裂;昆仑山前缘坳陷.
因此,这两条重力研究剖面,较全面地覆盖帕米尔“西构造结”的主要的地质构造单元,对其地壳深部结构与构造能給出较深入的研究探讨.
(3) 西构造结及其周边重力场特征
① 在塔什库美尔—斯利那加剖面北端塔什库美尔地区和费尔干那盆地地区(剖面41°N以北),布格重力异常值在-200~-250 mGal.之间较高的范围.在南天山山系造山带,一直长距离大幅度下降,至其南界的南吉萨尔断裂带降为-360 mGal (剖面39.85°N处),进入帕米尔北前缘坳陷带,继续下降至其南界的北帕米尔断裂带则降为-430 mGal,(剖面39.58°N处).经昆仑山造山带后,布格重力异常值保持在-400~-450 mGal.之间的较低状态.在喀喇昆仑山造山带,在小幅波动的背景下持续大幅下降,到帕米尔中心地区,低到-537 mGal(剖面36.6°N处);随后大幅度单斜型上升,在其南缘吉尔吉特北断裂带升至-393 mGal(剖面36.18°N附近).在喜马拉雅造山带重力值继续上升至-271 mGal左右(剖面35.68°N附近),以小幅起伏波动,到南端斯利那加,布格重力异常值为-277 mGal(剖面34.10°N).
整个剖面的布格重力异常呈现为“北高—中低—南高”差值达200多mGal以上,并呈大幅度升降,显示出在帕米尔中心地区存在着深大的低谷型重力异常分布特征.同时也显示在不同的四大山系造山带内部,布格重力异常值有明显的高低差异,有其各不相同的分布特征.
② 在贾拉勒巴德—叶城剖面的西端兴都库什—贾拉勒巴德造山带南部的贾拉勒巴德地区,布格重力异常值为-296 mGal.由西向东小幅起伏升降;进入喀喇昆仑山造山带,重力异常大幅度急速下降直到帕米尔中心地区低至-551 mGal;随后重力值转为上升;在进入昆仑山造山带及其前缘坳陷带,继续上升,到东端叶城为-266 mGal.
同样,此剖面的布格重力异常呈现为“西高—中低—东高”的大幅度升降,也是表明在帕米尔中心地区呈现出深大的低谷型重力异常分布特征.同样也表明在不同的山系造山带区内,布格重力异常值的分布有明显的高低差异.
③ 综上可见,由南北走向的塔什库美尔—斯利那加剖面和与其近垂直交叉的东西走向的贾拉勒巴德—叶城剖面表明:以帕米尔中心地区布格重力异常值最低,整个重力场似以其为轴心向四周逐渐扩展,重力异常值呈逐渐升高的总趋势.
(4) 西构造结及其周边密度结构特征
由于参考的地震剖面未给出全剖面完整的壳内速度结构,仅在局部个别地点有零星速度分层结构和一些莫霍面的资料.因此,只能以这些个别数据信息,根据重力场分布特征并结合地质构造的一般规律,建立和计算给出塔-斯剖面和贾-叶剖面的壳内密度结构模型.据此,对壳内界面就不多作分析探讨,仅着重将地壳底界面(莫霍面)的分布特征给以讨论.
① 在塔什库美尔—斯利那加剖面北端塔什库美尔地区地壳底界面(莫霍面)为50 km左右;进入南天山山系造山带在52~56 km之间;在昆仑山造山带在56~61 km之间起伏变化;在进入喀喇昆仑山造山带后起伏变化很大,在其北部增厚为61~65 km之间,在中部是帕米尔中心地区达到67~68 km,在其南部又减至63~65 km之间变化;在剖面南部进入喜马拉雅造山带又减至55~60 km左右;到斯利那加为52 km.地壳底界面深度呈北浅—中深—南浅的分布特征.
② 在贾拉勒巴德—叶城剖面的西部兴都库什山系造山带南麓,地壳底界面(莫霍面)相对较薄,为50~55 km左右;到喀喇昆仑山造山带西边缘邹降至64 km左右;到其中部的帕米尔中心地区也是达到67~68 km,其东部到昆仑山造山带在60~55 km之间,到东端叶城为51 km.地壳底界面深度呈现西浅—中深—东浅的分布特征.
③ 综上可见,由南北走向的塔什库美尔—斯利那加剖面和与其近垂直交叉的东西走向的贾拉勒巴德—叶城剖面表明:以帕米尔中心地区地壳底界面(莫霍面)相对最深,地壳厚度相对最厚;似以其为轴心向四周逐渐扩展,其地壳底界面(莫霍面)随之逐渐升高,亦即地壳厚度逐渐减薄的总趋势.
4 结论本文通过以上研究,对西构造结及其周边的地壳内部结构和构造形态的一些结论如下,仅供探榷.
根据帕米尔“西构造结”形成的地质历史,由于印度板块北移,又在这里首先与欧亚板块相碰撞,又由于多期次的构造活动叠加,故引发了多幂次的碰撞、挤压、褶皱、扭曲、下插、抬升等强烈的构造活动和深部物质与能量的强烈交换,且在不同的构造运动期,形成了不同的岩性组成、层序结构、构造形态和属性类别.使帕米尔“西构造结”呈现为一个结构与构造极其复杂构造结.并为这一地域的成矿和地震活动给出了深部的介质属性和构造环境,这一系列的认识,已为强烈陡变的异常重力场和复杂的地壳密度结构以及人工源地震资料共同体现出来.显然,帕米尔“西构造结”为一个近70 km的巨厚结状大块体,以其为轴(核)心,向四周呈放射状发散,地壳厚度逐渐减薄为50余km的构造形态.这里确为近代强烈的构造活动的地域.
以上结果、认识和分析乃是依据现在仅有的有限资料给出的几点认识以供大陆动力学研讨探榷.
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