上扬子地块西缘壳幔电性结构特征及其地质构造意义
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摘要
上扬子地块西缘属青藏高原东缘，处于中国大地构造单元的重要部位，西部与青藏高原腹地相连，东部与上扬子地块相邻，是世界上地质构造最为复杂的地区之一，其独特的松潘-甘孜地块、龙门山碰撞构造带及川西前陆坳陷带等地质构造单元，一直是地质、地球物理学家研究的热点，尤其是龙门山碰撞构造带位于松潘-甘孜地块与上扬子地块接合部位，同时又处于中国著名的南北地震带上，是资源和地质灾害等领域研究的关键部位，多年来有关上扬子地块西缘尤其是龙门山碰撞构造带深部壳幔结构等一系列关键问题受到地质、地球物理工作者的广泛重视和研究。
本文是在国家自然科学重点基金项目（40839909）扬子西缘深部结构与油气赋存背景研究和深部探测技术与实验研究专项（201011043-02）支持下，采用MT+LMT探测模式，在上扬子地块西缘布设了两条长周期大地电磁测深剖面结合地表地质和区域构造地质从中上地壳和岩石圈两个不同分辨尺度上对上扬子地块西缘深部壳幔电性结构进行了的深入研究，探索电性结构所代表的地质和动力学意义。
本文首先在场源平面波模型的假设前提下推导了层状球体介质模型LMT一维正演公式，编写了层状球体介质模型一维正演程序；通过对理论模型的计算，研究了地球曲率对长周期大地电磁电磁场响应的影响，从而为本文LMT剖面资料的资料处理和反演解释提供了理论依据。第二，本文在对若干典型地形模型MT带地形二维正演模拟的基础上，分析了起伏地形对MT资料产生的畸变影响；根据本文的研究剖面碌曲-中江和名山-广元剖面的实际地形进行了模拟，考察了目标剖面大地电磁响应受地形影响的特点，并采用MT Zohdy二维带地形反演程序对受畸变的正演数据进行了反演计算，计算结果表明，MT二维带地形反演技术可有效的消除起伏地形对MT资料产生的畸变，取得了较好的效果。在后续章节，本文分别探讨了上扬地块西缘MT剖面和LMT剖面控制区域中上地壳电性结构模型和岩石圈电性结构模型。根据上扬子地块西缘MT和LMT电性结构模型结合地表地质研究取得了以下的主要成果：○1根据碌曲-中江MT剖面反演结果结合地表地质和区域构造地质，编制了碌曲-中江MT剖面地质解释图，分析了上扬子地块西缘中上地壳电性结构特征；根据碌曲-合川LMT剖面反演结果结合地表地质和区域构造地质，编制了碌曲-合川LMT剖面地质解释图，分析了上扬子地块西缘岩石圈深部电性结构特征；根据名山-广元LMT剖面反演结果结合地表地质和区域构造地质，编制了名山-广元LMT剖面地质解释图，分析了该剖面深部壳幔电性结构特征。○2根据碌曲-中江MT剖面中上地壳电性结构特征，初步探讨了龙门山逆冲推覆构造的深部根源，推断可能是由于松潘-甘孜地块通过地壳内的低阻高导层相对于上扬子地块向南东东-南东方向运动，受到坚硬的上扬子地块阻挡而产生塑性形变，将应力传递给脆性的上地壳，因而产生一系列收敛于壳内低阻层的断裂带，并逆冲推覆于稳定上扬子地块之上，形成了上部高阻及下部高阻,中间夹低阻的逆冲断裂带独特的电性构造框架。○3根据碌曲-合川LMT剖面电性结构特征初步探讨了中新生代以来上扬子地块西北缘边界，认为地表以茂汶断裂带为界，岩石圈深部以松潘壳幔韧性剪切带为界,以东岩石圈为上扬子克拉通型岩石圈，以西的岩石圈为青藏增厚型岩石圈。○4根据碌曲-合川LMT剖面电性结构特征初步认为龙门山碰撞构造带与川西前陆坳陷带结合带岩石圈内部发育高阻楔形构造，推断龙门山及松潘-甘孜地块由于受到来自东南方向巨厚刚性的上扬子地块和西部青藏板块的双向挤压，松潘-甘孜地块中上地壳向东向上扬子地块西缘逆冲推覆，中下地壳及上地幔顶部向东向深部俯冲的态势，使得上扬子地块像一个高阻楔形体插入龙门山内部，形成的具有高阻楔形特征的构造。○5根据碌曲-合川LMT剖面电性结构特征初步提出青藏高原东缘物质除向北向南运移外，还有向深部向东南运移的态势。○6根据名山-广元LMT电性剖面初步探讨了汶川M8.0特大地震及余震分布规律：汶川特大地震发生在龙门山南段低阻（低速）带与龙门山中段高阻（高速）结合带高阻（高速）块体的内侧，这很可能是强震发生的重要深部构造背景；龙门山断裂带北段、中段和南段深部不同的电性结构（速度结构）特征是汶川地震发生的重要深部背景，龙门山断裂带南段具有低阻、低速的构造特点而不利于应力集中可能是汶川地震余震在龙门山南段分布较少、较小的基本原因之一。
The western margin of the Yangtze block which is the eastern margin ofQinghai-Tibet Plateau is an important part of tectonic units in china. It locatesbwtween the east of Qinghai-Tibet Plateau and the west of the Yangtze block, which isone of the most complex structural belts in the world. The Songpan-Garze fold belt,Longmenshan collision belt and the west Sichuan foreland basin of that area havealways been the hotspots studied by geologists and geophysicists. Especially theLongmenshan collision belt which locates between the Songpan-Ganzi block and theYangtze block (also locates on the north-south seismic belt of china), is a key part ofthe resources and geological hazards study. For many years, a series of key issuesabout the crust-mantle structure of Longmenshan collision belt and the border ofwestern margin of the Yangtze Plate attracted attention and researched by geologistsand geophysicists.
This thesis is supported by the National Natural Science Foundation (Project Number:40839909) and SinoProbe Deep Exploration in china (Project Number:201011043-02). Using the MT+LMT exploration mode assisted with surface geologyand regional tectonic to study the deep electrical structure of crust and mantle in thewestern margin of the Yangtze block from the two different scales (upper crust andlithosphere).It’s purpose is to explore the electrical structure of the western margin ofthe Yangtze block and study the dynamics of the geological and geodynamic.Firstly, this thesis discusses LMT one-dimensional forward modeling in a layeredsphere model under the assumption of plane wave model and study the impact of theearth's curvature on the LMT electromagnetic response with a series of theoreticalmodel. Secondly, on the basis of two-dimensional MT forward modeling with theterrain, we focuse on the impact of topography on magnetotelluric, and prepared twomodels with the real topography on the study profiles，we analyzed the topographyeffect on MT data on this two profiles；Theoretical calculations show that the two-dimensional MT inversion code with topography can effectively eliminate thedistortion on MT data which produced by rugged terrain. Finally, we get thetwo-dimensional electrical structure model of the upper crust and the electricalstructural model of Lithosphere with the MT2d inversion code. According to MT2Delectrical section on the western margin of the Yangtze block assisted with the surfacegeology we get the following main conclusions:(1) According to electrical structure ofLuqu-Zhongjiang MT profile, we prepared the geological interpretation section map ofof the upper crust; According to electrical structure of Luqu-Hechuan LMT profile weprepared the geological interpretation section map of of the Lithosphere; According toelectrical structure of Mingshan-Guangyuan LMT profile we prepared the geologicalinterpretation section map of of the Lithosphere along the Longmenshan collision belt.(2)Initially speculated that the formation of Longmenshan collision belt is probably dueto the movement of the Songpan-Ganzi block to the South East East-South Eastdirection relative to the Yangtze Block through the low resistancelayer(High-conductivity layer)in the crust but blocked by the high speed and highresistance Yangtze Block. And the plastic deformation transfer the stress to the brittleupper crust, this leads to a series of fault thrusting on top of the Yangtze block, whichforming the unique tectonic framework of high resistance on the top and bottom withthe low resistivity on the middle.(3) Initially confirm the boundary of the westernmargin of the Yangtze Plate: the surface is bounded by Mao-wen Fault, and thelithosphere is bounded by Song-pan mantle shear zone, on the east of the Song-panmantle shear zone is the Yangtze craton lithospheric and the west of the Song-panmantle shear zone is the Qinghai-Tibet thickening lithosphere.(4)As a result of thetwo-way squeeze on the Yangtze Block and Qinghai-Tibet Plate the upper crust ofSongpan-Ganzi block thrusting on to the western margin of the Yangtze block on theeast direction, the lower crust and upper mantle to the east to the deep subductiondirection, which leads to Yangtze block wedge into the internal lithosphere of Longmenmountain, the two formed a "wedge " structural characteristics.(5) According to LMTprofile, the substance of the Qinghai-Tibet Plateau eastern edge has both the north andsouth migration direction and deep southeast migration direction.(6) According toGuangyuan-Mingshan LMT profile,we preliminary study the relationship betweenearthquake activity regular pattern and the deep structure: Wenchuan earthquake offenoccurred in the transition zone between the low resistance (low speed) and highresistance (high speed) inside the high resistance (high speed) side. This is probablythe deep background of strong earthquakes.The different electrical structure ofNorthern Section, Middle Section and Southern Section in Longmen Mountain hrustbelt is the most basic reason why the distribution of aftershocks in the southernsection of Longmen Mountain less than the other section.
本文是在国家自然科学重点基金项目（40839909）扬子西缘深部结构与油气赋存背景研究和深部探测技术与实验研究专项（201011043-02）支持下，采用MT+LMT探测模式，在上扬子地块西缘布设了两条长周期大地电磁测深剖面结合地表地质和区域构造地质从中上地壳和岩石圈两个不同分辨尺度上对上扬子地块西缘深部壳幔电性结构进行了的深入研究，探索电性结构所代表的地质和动力学意义。
本文首先在场源平面波模型的假设前提下推导了层状球体介质模型LMT一维正演公式，编写了层状球体介质模型一维正演程序；通过对理论模型的计算，研究了地球曲率对长周期大地电磁电磁场响应的影响，从而为本文LMT剖面资料的资料处理和反演解释提供了理论依据。第二，本文在对若干典型地形模型MT带地形二维正演模拟的基础上，分析了起伏地形对MT资料产生的畸变影响；根据本文的研究剖面碌曲-中江和名山-广元剖面的实际地形进行了模拟，考察了目标剖面大地电磁响应受地形影响的特点，并采用MT Zohdy二维带地形反演程序对受畸变的正演数据进行了反演计算，计算结果表明，MT二维带地形反演技术可有效的消除起伏地形对MT资料产生的畸变，取得了较好的效果。在后续章节，本文分别探讨了上扬地块西缘MT剖面和LMT剖面控制区域中上地壳电性结构模型和岩石圈电性结构模型。根据上扬子地块西缘MT和LMT电性结构模型结合地表地质研究取得了以下的主要成果：○1根据碌曲-中江MT剖面反演结果结合地表地质和区域构造地质，编制了碌曲-中江MT剖面地质解释图，分析了上扬子地块西缘中上地壳电性结构特征；根据碌曲-合川LMT剖面反演结果结合地表地质和区域构造地质，编制了碌曲-合川LMT剖面地质解释图，分析了上扬子地块西缘岩石圈深部电性结构特征；根据名山-广元LMT剖面反演结果结合地表地质和区域构造地质，编制了名山-广元LMT剖面地质解释图，分析了该剖面深部壳幔电性结构特征。○2根据碌曲-中江MT剖面中上地壳电性结构特征，初步探讨了龙门山逆冲推覆构造的深部根源，推断可能是由于松潘-甘孜地块通过地壳内的低阻高导层相对于上扬子地块向南东东-南东方向运动，受到坚硬的上扬子地块阻挡而产生塑性形变，将应力传递给脆性的上地壳，因而产生一系列收敛于壳内低阻层的断裂带，并逆冲推覆于稳定上扬子地块之上，形成了上部高阻及下部高阻,中间夹低阻的逆冲断裂带独特的电性构造框架。○3根据碌曲-合川LMT剖面电性结构特征初步探讨了中新生代以来上扬子地块西北缘边界，认为地表以茂汶断裂带为界，岩石圈深部以松潘壳幔韧性剪切带为界,以东岩石圈为上扬子克拉通型岩石圈，以西的岩石圈为青藏增厚型岩石圈。○4根据碌曲-合川LMT剖面电性结构特征初步认为龙门山碰撞构造带与川西前陆坳陷带结合带岩石圈内部发育高阻楔形构造，推断龙门山及松潘-甘孜地块由于受到来自东南方向巨厚刚性的上扬子地块和西部青藏板块的双向挤压，松潘-甘孜地块中上地壳向东向上扬子地块西缘逆冲推覆，中下地壳及上地幔顶部向东向深部俯冲的态势，使得上扬子地块像一个高阻楔形体插入龙门山内部，形成的具有高阻楔形特征的构造。○5根据碌曲-合川LMT剖面电性结构特征初步提出青藏高原东缘物质除向北向南运移外，还有向深部向东南运移的态势。○6根据名山-广元LMT电性剖面初步探讨了汶川M8.0特大地震及余震分布规律：汶川特大地震发生在龙门山南段低阻（低速）带与龙门山中段高阻（高速）结合带高阻（高速）块体的内侧，这很可能是强震发生的重要深部构造背景；龙门山断裂带北段、中段和南段深部不同的电性结构（速度结构）特征是汶川地震发生的重要深部背景，龙门山断裂带南段具有低阻、低速的构造特点而不利于应力集中可能是汶川地震余震在龙门山南段分布较少、较小的基本原因之一。
The western margin of the Yangtze block which is the eastern margin ofQinghai-Tibet Plateau is an important part of tectonic units in china. It locatesbwtween the east of Qinghai-Tibet Plateau and the west of the Yangtze block, which isone of the most complex structural belts in the world. The Songpan-Garze fold belt,Longmenshan collision belt and the west Sichuan foreland basin of that area havealways been the hotspots studied by geologists and geophysicists. Especially theLongmenshan collision belt which locates between the Songpan-Ganzi block and theYangtze block (also locates on the north-south seismic belt of china), is a key part ofthe resources and geological hazards study. For many years, a series of key issuesabout the crust-mantle structure of Longmenshan collision belt and the border ofwestern margin of the Yangtze Plate attracted attention and researched by geologistsand geophysicists.
This thesis is supported by the National Natural Science Foundation (Project Number:40839909) and SinoProbe Deep Exploration in china (Project Number:201011043-02). Using the MT+LMT exploration mode assisted with surface geologyand regional tectonic to study the deep electrical structure of crust and mantle in thewestern margin of the Yangtze block from the two different scales (upper crust andlithosphere).It’s purpose is to explore the electrical structure of the western margin ofthe Yangtze block and study the dynamics of the geological and geodynamic.Firstly, this thesis discusses LMT one-dimensional forward modeling in a layeredsphere model under the assumption of plane wave model and study the impact of theearth's curvature on the LMT electromagnetic response with a series of theoreticalmodel. Secondly, on the basis of two-dimensional MT forward modeling with theterrain, we focuse on the impact of topography on magnetotelluric, and prepared twomodels with the real topography on the study profiles，we analyzed the topographyeffect on MT data on this two profiles；Theoretical calculations show that the two-dimensional MT inversion code with topography can effectively eliminate thedistortion on MT data which produced by rugged terrain. Finally, we get thetwo-dimensional electrical structure model of the upper crust and the electricalstructural model of Lithosphere with the MT2d inversion code. According to MT2Delectrical section on the western margin of the Yangtze block assisted with the surfacegeology we get the following main conclusions:(1) According to electrical structure ofLuqu-Zhongjiang MT profile, we prepared the geological interpretation section map ofof the upper crust; According to electrical structure of Luqu-Hechuan LMT profile weprepared the geological interpretation section map of of the Lithosphere; According toelectrical structure of Mingshan-Guangyuan LMT profile we prepared the geologicalinterpretation section map of of the Lithosphere along the Longmenshan collision belt.(2)Initially speculated that the formation of Longmenshan collision belt is probably dueto the movement of the Songpan-Ganzi block to the South East East-South Eastdirection relative to the Yangtze Block through the low resistancelayer(High-conductivity layer)in the crust but blocked by the high speed and highresistance Yangtze Block. And the plastic deformation transfer the stress to the brittleupper crust, this leads to a series of fault thrusting on top of the Yangtze block, whichforming the unique tectonic framework of high resistance on the top and bottom withthe low resistivity on the middle.(3) Initially confirm the boundary of the westernmargin of the Yangtze Plate: the surface is bounded by Mao-wen Fault, and thelithosphere is bounded by Song-pan mantle shear zone, on the east of the Song-panmantle shear zone is the Yangtze craton lithospheric and the west of the Song-panmantle shear zone is the Qinghai-Tibet thickening lithosphere.(4)As a result of thetwo-way squeeze on the Yangtze Block and Qinghai-Tibet Plate the upper crust ofSongpan-Ganzi block thrusting on to the western margin of the Yangtze block on theeast direction, the lower crust and upper mantle to the east to the deep subductiondirection, which leads to Yangtze block wedge into the internal lithosphere of Longmenmountain, the two formed a "wedge " structural characteristics.(5) According to LMTprofile, the substance of the Qinghai-Tibet Plateau eastern edge has both the north andsouth migration direction and deep southeast migration direction.(6) According toGuangyuan-Mingshan LMT profile,we preliminary study the relationship betweenearthquake activity regular pattern and the deep structure: Wenchuan earthquake offenoccurred in the transition zone between the low resistance (low speed) and highresistance (high speed) inside the high resistance (high speed) side. This is probablythe deep background of strong earthquakes.The different electrical structure ofNorthern Section, Middle Section and Southern Section in Longmen Mountain hrustbelt is the most basic reason why the distribution of aftershocks in the southernsection of Longmen Mountain less than the other section.
引文
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