大地电磁观测揭示青藏高原东部存在两条地壳物质流_白登海

大地电磁观测揭示青藏高原东部存在两条地壳物质流◇白登海　腾吉文　马晓冰　孔祥儒中国科学院地质与地球物理研究所,北京100029收稿日期:2011-1-12 修回日期:2011-1-20联系作者:白登海,研究员,d h b a i @m a i l .i g g c a s .a c .c n 。

该项研究入选2010年度中国科学十大进展。

摘　要　本研究通过东喜马拉雅构造结及周围地区连续6年的大地电磁观测,获得了青藏高原东部岩石圈电性结构的初步认识。

结果发现,在青藏高原东部存在两条巨大的中下地壳低阻异常带,理论计算显示这是两条中下地壳的弱物质流:一条从拉萨地块沿雅鲁藏布缝合带向东延伸,环绕东喜马拉雅构造结向南转折,最后通过腾冲火山;另一条从羌塘地体沿金沙江-鲜水河断裂带向东延伸,在四川盆地西缘向南转折,最后通过小江断裂和红河断裂之间的川滇菱形块体。

本项研究认为,青藏高原深部以两个地壳弱物质流的快速塑性变形为主,上地壳则以块体的走滑变形为主。

该模型将有助于对青藏高原动力学的定量研究以及对高原东部和滇川西部地区地震活动机制的分析。

关键词:青藏高原东部　东构造结　地壳流　大地电磁中图分类号:P 318　文献标识码:A 文章编号:1009-2412(2011)01-0007-04D O I :10.3969/j .i s s n .1009-2412.2011.01.002一、研究背景及科学问题 岩石圈的变形机制是青藏高原动力学研究中的关键问题之一。

在印度板块和欧亚板块碰撞以来的约50百万年间,青藏高原岩石圈发生了强烈变形,南北向缩短了约750—1500k m ,垂向平均隆升了约4500m 。

高原隆升所消耗的物质量不到高原缩短所产生的物质量的一半,那么其余的物质到哪儿去了?是以什么方式消失的?青藏高原动力学研究中的一个关键问题就是要为这些剩余物质寻找一种或几种合理的出路。

为此,人们提出了诸如“块体挤出”[1,2]、“连续流变”[3,4]以及“下地壳流”[5—7]等多种假设。

其中多数观点认为物质的东移是青藏高原在隆升过程中能够保持基本均衡的主要原因,但在物质移动的方式上存在不同看法。

换句话说,青藏高原隆升机制研究中存在争议的一个焦点问题就是关于岩石圈的变形方式。

但无论哪种假说都缺少深部地球物理观测证据的支持,解决这一问题的根本出路在于对岩石圈的结构和物质状态的认知。

二、大地电磁观测结果 为了对上述问题进行深入系统的探讨,我们在东喜马拉雅构造结及周围地区实施了连续6年的大地电磁(M T )观测,获得了青藏高原东部岩石圈电性结构的初步知识。

结果发现,在所有观测剖面上,都存在两个壳内低阻异常体(图1中的A 、B ),如果把这些低阻体放置在平面上,将可以连成环绕东构造结的两条巨大的中下地壳低阻异常带(图2)。

理论分析认为这是两条中下地壳的弱物质流:一条从拉萨地块沿雅鲁藏布缝合带向东延伸,环绕东喜马拉雅构造结向南转折,最后通过腾冲火山;另一条从羌塘地体沿金沙江断裂带、鲜水河断裂带向东延伸,在四川盆地西缘向南转折,最后通过小江断裂和红河断裂之间的川滇菱形块体(图2)。

结合地面地质构造以及G P S 观测结果,我们的研究认为青藏高原岩石圈的变形方式可用“双地壳流+边界剪切”来表述。

该模型认为,青藏高原深部以两个中下地壳弱物质流的快速塑性变形为主,上地壳则以块体沿南北两个边界断层(即雅鲁藏布缝合带和金沙江-鲜水河断裂带)的走滑变形为主。

相关研究论文发表在2010年5月N a t u r e G e o s c i e n c e[3(5):358—362]上[8]。

图1　东喜马拉雅构造结及周围地区的大地电磁(M T)探测结果Y Z S:雅鲁藏布缝合带;B N S:班公湖-怒江缝合带;J J F:金沙江断裂;E K F:东昆仑断裂;X S F:鲜水河断裂;L M F:龙门山断裂;R R F:红河断裂;X J F:小江断裂;N J F:怒江断裂;T C V:腾冲火山。

P1:I N D E P T H-M T100线和600线的结果;P2-P5:E H S3D项目的结果。

A、B表示两个壳内低阻异常体,为地壳弱物质流的反映。

图2　根据M T结果推测的青藏高原东部地壳流的空间分布天蓝色虚线A和B表示两条地壳流的分布位置,与图1中的A和B对应,箭头表示地壳流方向。

红色线段表示低阻异常体的位置。

P1—P5为M T测线。

三、地壳流存在的科学意义 上述研究结果和结论具有重要的科学意义: (1)在理论上有助于青藏高原动力学的定量研究。

比如,根据地壳流的空间形态和物性状态(电阻率)可计算出从地表到上地幔的横向形变速率[9],从而把浅层的刚性块体滑移与深层的塑性流变两种变形机制有机地统一起来。

G P S观测和地面活断层研究表明,青藏高原东缘的地面向东的位移量非常有限(<5m m/y),块体沿断层的走滑作用不足以消耗高原缩短所产生的剩余物质,因而不支持块体挤出的结论。

但如果深部变形是以弱物质的塑性流动的方式进行,那么上述G P S观测所提出的问题将可得到比较合理的解答,即地壳流消耗了大部分高原缩短所产生的剩余物质,从而保证了高原隆升过程中物质分配的基本均衡。

(2)上述研究显示,青藏高原地壳流主要集中在南北两条带内(图2中的A、B),而不是以前所认为的普遍存在于高原中部[6]。

这一点对解释为什么青藏高原东部及川滇西部地区的构造活动(如地震活动和成矿作用等)具有明显的条带性提供了一条新的思路。

(3)上述研究结果为今后三维理论模型的研究奠定了基础。

本项研究所提出的地壳流模型(c r u s t a l f l o w)与前人的管流/下地壳流模型(c h a n n e l f l o w/l o w e r c r u s-t a l f l o w)[5—7]具有相似之处,也有不同的地方。

相似之处在于这几种模型都认为青藏高原中下地壳存在低粘性的弱物质。

不同之处在于R o y d e n模型[5]和B e a u m o n t[7]模型均显示高原中下地壳在存在弱物质层的情况下,上下地壳将发生解耦现象,通过挤压褶皱等过程,可以形成青藏高原现今的地面构造形态。

特别是R o y d e n模型并不承认高原物质的向东移动。

B e a u m o n t模型显示高原在侧向挤压缩短的情况下,地壳内的弱物质将沿边界断层发生塑性挤出,从而引起高原周围的造山和剥蚀,形成高原现今的构造格局。

这两个模型都没有涉及到青藏高原中下地壳弱物质在有限空间呈条带状分布的情况,也没有阐述管流的横向东流以及对高原剩余物质的消耗作用。

C l a r k模型[6]承认了地壳流的远距离运移作用,认为地壳流的主体分布于高原中部,在四川盆地西缘分为两支,一支向东南流入滇西地区,另一支向东北流入华北克拉通之下。

我们目前的结果还没有发现地壳物质向东北流入华北克拉通的确凿证据。

如果把管流模型和我们提出的地壳流进行客观评论的话,可以认为管流是在当时有限观测资料的基础上,以简化的概念性模型论证了青藏高原壳内弱物质存在的可能性及其在高原隆升过程中的作用,为青藏高原隆升机制的研究开辟了一条新的途径。

本研究的地壳流则是在管流概念的启发下,以实际观测资料为依据,具体刻画了壳内弱物质的空间分布形态、位置及大小,指出了弱物质分布的不均匀性以及在局部空间的快速流动和对高原剩余物质的消耗作用,在解释已经发生的构造现象和预测未来的构造活动(如地震活动、深部成矿等)等方面具有了一定的实际意义。

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