新疆天山造山带构造演化的重磁联合反演研究

新疆天山造山带构造演化的重磁联合反演研究

1区域地质构造背景20世纪90年代以来，大陆地壳动力学已成为最活跃的地球物理研究领域之一。不同的地球物理观测结果表明，地壳中的地幔介质在垂直或水平上是不均匀的。这种不均匀性反映在密度和磁化强度上的不同方面。因此，了解地壳上地幔的密度和磁结结构是了解地球动力学的必要条件。天山造山带地处欧亚大陆的腹部,它在调节印度大陆与西伯利亚大陆敛合的过程中起十分重要的作用.已有的研究结果表明,在最近20个百万年以来,天山造山带地壳缩短约200km,山脉隆升超过7km.天山造山带地壳缩短与快速隆升的机制构成了中国西北部地球动力学研究的焦点.为了研究天山造山带的岩石圈结构及其动力学过程,在国家305课题和973课题的资助下先后开展了横跨天山造山带的沙雅—布尔津和库尔勒—吉木萨尔综合地球物理剖面的探测与研究.其中沙雅—布尔津剖面1)南起塔里木盆地北缘的沙雅(82°52′28″E,41°02′34″N),经巴音布鲁克、那拉提、独山子、奎屯、克拉玛依,北至阿尔泰山南麓的布尔津(86°46′19.2″E,48°56′00″N),全长995km.剖面自南而北近于垂直地穿过塔里木盆地北缘,天山造山带和准噶尔盆地等地质构造单元.库尔勒—吉木萨尔剖面南起塔里木盆地北缘的尉犁县喀尔曲格(85°22′13.7″E,40°57′46″N),经和硕、库米什、托克逊,北至准噶尔盆南缘的吉木萨尔(88°57′47″E,44°50′58.6″N),全长近600km.它先后跨过了塔里木盆地北缘、天山造山带和准噶尔盆地南缘,以及和硕盆地、焉耆盆地、吐鲁番盆地和博格达山等次一级构造单元(图1).上述两条剖面近于平行地在不同位置跨越天山造山带,为研究天山造山带的岩石圈结构、构造分段以及不同构造段盆山耦合特点奠定了基础.利用新疆西北部的布格重力异常和航磁异常(1∶1000000,部分地区1∶200000),完成了沙雅—布尔津剖面重力反演和库尔勒—吉木萨尔剖面重磁联合反演,获得了沙雅—布尔津剖面岩石圈二维密度结构以及库尔勒—吉木萨尔剖面岩石圈二维密度结构和二维磁性结构,并在此基础上探讨天山造山带的地球动力学问题.2重磁联合反演的基本原则2.1模型正演记录的预处理用最小二乘最优化方法反演地下场源几何形状图1沙雅—布尔津剖面和库尔勒—吉木萨尔剖面位置Fig.1LocationofthegeosciencetransectfromXayartoBurjingandthegeosciencetransectfromKorlatoJimsar及物性分布,其基本思想就是由一组假设的场源模型,通过不断迭代,使得模型的正演场值与实测异常在一定的评价标准条件下达到一致.令di(i=1,2,…,M)为M个观测异常值序列(如一条剖面数据);fi(x)(i=1,2,…,M)为模型X的M个对应点的正演理论场值;模型参数X=[x1,x2,…,xN]T,则偏差平方和为Φ(X)=Μ∑i=1[di-fi(X)]2.(1)Φ(X)=∑i=1M[di−fi(X)]2.(1)根据最优化条件,Φ(X)必须满足∂Φ(X)∂xj=0(j=1‚2‚⋯‚Ν)∂Φ(X)∂xj=0(j=1‚2‚⋯‚N),(2)N为对应点.令X=X0+ΔX,X0为迭代开始时的模型参数,ΔX为迭代计算出的模型修正参数,经整理简化得GTGΔX=GTb.(3)其中,G为M×N阶Jacobi矩阵,b为残差向量.G=[∂f1(X0)∂x1∂f1(X0)∂x2⋯∂f1(X0)∂xΝ∂f2(X0)∂x1∂f2(X0)∂x2⋯∂f2(X0)∂xΝ⋮⋮⋮∂fΜ(X0)∂x1∂fΜ(X0)∂x2⋯∂fΜ(X0)∂xΝ]‚(4)b=[d1-f1(X0),d2-f2(X0),⋯,dΜ-fΜ(X0)]Τ.(5)由式(4)可以证明,GTG为正定矩阵,因此存在逆矩阵,从而可以得到ΔX=(GTG)-1GTb.(6)用广义逆矩阵法可以求得式(6)的最小二乘广义逆解.在实际资料处理中,往往一次迭代不能达到理想的结果,通常采用多次迭代并人工参与控制约束的方法进行反演.2.2异常序列的计算重磁联合反演是综合重力和磁异常信息,联合构造广义异常序列并参照单种异常最优化反演的方法迭代计算模型参数.对于剖面异常的反演计算,可以简单地以拼阶的方法组成广义剖面的异常数据序列.即D=F∪G=[f1,f2,…,fm,g1,g2,…,gn]T,(7)其中F=[f1,f2,…,fm]T为m个磁测点数据;G=[g1,g2,…,gn]T为n个重力测点数据.对式(1)中的di和fi对应地进行扩充,就可以建立联合反演的法方程(3).其余计算同单异常最优化反演.重磁联合反演的优点在于一次反演过程中可以同时兼顾两种位场对场源模型参数的约束,在迭代过程中,场源模型既要拟合重力异常,同时又要拟合磁异常,从而降低了多解性,提高了反演结果的可信度.3密度与磁化强度初始模型的建立利用中国西北部重磁异常资料,以沙雅—布尔津和库尔勒—吉木萨尔剖面的岩石圈二维速度结构与构造1)作为密度与磁化强度初始模型设计的依据,根据介质密度与速度关系,用实测的布格重力异常与航磁异常联合约束,先后完成了沙雅—布尔津剖面重力反演和库尔勒—吉木萨尔剖面的重磁联合反演,沙雅—布尔津剖面岩石圈二维密度结构见图2,库尔勒—吉木萨尔剖面岩石圈二维密度结构见图3,二维磁性结构见图4.4在天然造山带中的地球动力学理论中4.1密度区中、下地壳结构的对比沙雅—布尔津剖面岩石圈二维密度结构与该剖面的二维速度结构相一致,它们具有纵向分层、横向分区的特点.纵向上可分为上、中、下地壳及上地幔顶部(包括壳幔过渡带).其密度值从沉积盖层的1.97～2.48g/cm3到上地幔顶部最大的3.03～3.38g/cm3;横向上可分为南天山山前、天山以及准噶尔盆地三个部分.天山造山带沉积盖层的密度(2.08～2.12g/cm3)较塔里木盆地北缘(1.97～2.07g/cm3)的高,但比准噶尔盆地(2.08～2.33g/cm3)的低;结晶基底的密度:在塔里木盆地北缘为2.63～2.68g/cm3,天山内部为2.65～2.71g/cm3,准噶尔盆地为2.80～2.84g/cm3,横向上密度由南向北逐渐增大;上地壳底部的密度:南天山为2.73g/cm3,中天山与北天山为2.84g/cm3,塔里木盆地北缘为2.82g/cm3,准噶尔盆地为2.90～2.92g/cm3,可见,在南天山该层的密度较小;中地壳的密度:天山为2.89～2.93g/cm3,塔里木盆地北缘为2.92～2.93g/cm3,准噶尔盆地为3.01～3.03g/cm3,表明天山的中地壳的密度较塔里木盆地北缘与准噶尔盆地的低;下地壳:天山为2.98g/cm3,塔里木盆地北缘为3.06g/cm3,准噶尔盆地为3.03～3.05g/cm3,即天山造山带下地壳的密度较两侧的低;上地幔顶部:天山造山带上地幔顶部的密度比两侧盆地明显偏低:塔里木盆地北缘为3.32g/cm3;准噶尔盆地为3.38g/cm3,二者接近;而天山造山带仅为3.03g/cm3,与前二者的密度差分别为0.29g/cm3与0.35g/cm3.但天山造山带上地幔顶部的密度却与塔里木盆地北缘下地壳的密度(2.92～2.93g/cm3)颇为接近,推测为塔里木盆地北缘下地壳物质进入天山造山带上地幔顶部的结果,这与用小波分析所获得的天山造山带壳幔间平均速度较低的多薄层结构相吻合.天山地区地壳与上地幔顶部的相对低密度而产生的质量亏损是引起天山造山带快速隆升的重要因素之一,为天山造山带动力学“层间插入消减”模型的建立提供了重要依据.4.2地壳二维密度结构与磁化强度根据库尔勒—吉木萨尔剖面的地壳上地幔二维密度结构与二维磁性结构(见图3,4),塔里木盆地北缘、天山造山内部和准噶尔盆地南缘的岩石圈同样具有明显的垂向分层与横向分区的特点.垂向上可将地壳划分为上地壳、中地壳、下地壳以及上地幔顶部几个主要的层位,随着深度的增加呈现出密度增加、磁化强度减小的整体趋势.但局部存在密度分布倒转、磁化强度随机分布的异常现象;横向上可将整个剖面划分为塔里木盆地北缘、天山造山带和准噶尔盆地南缘三个部分.对应不同的地质构造单元密度与磁化强度发生明显的变化,即使在同一构造单元内部密度结构与磁性结构也存在着差异.塔里木盆地北缘与准噶尔盆地南缘地壳的平均密度较大,天山造山带的地壳平均密度较小.但天山造山带具有较强的磁化强度,尤其在准噶尔盆地南缘至天山造山带的中部的整个地壳范围表现出较强的磁化强度,预示着天山南北可能具有不同的构造演化历史、构造运动方式以及构造运动强度.这三者之间的密度与磁性的差异与它们的地壳厚度和地壳平均速度的差异是统一的.该剖面的上地幔二维密度结构与二维磁性结构给出了塔里木盆地北部边缘、天山造山带内部以及准噶尔盆地南缘地壳上地幔顶部的密度与磁化强度分布,特别是在塔里木盆地与天山造山带,以及准噶尔盆地与天山造山带的接触部位的上地幔顶部分别发现了低密度体,推测在塔里木地块由南而北向天山造山带“层间插入与俯冲消减”,以及准噶尔地块由北而南向天山造山带俯冲过程中,塔里木盆地北缘和准噶尔盆地南缘下地壳物质被带进天山造山带上地幔顶部的结果.介质的密度与磁性结构研究为塔里木地块与准噶尔地块向天山造山带对冲提供了深部证据,同时,也为塔里木地块与准噶尔地块在向天山造山带对冲过程中所表现出来的南北差异特征提供了信息.该剖面地壳上地幔二维密度结构表明,天山两侧的塔里木盆地和准噶尔盆地的地壳与上地幔具有较高的密度,说明这两个盆地是刚性板块,在印度大陆与欧亚大陆敛合的过程中具有较小的变形;天山造山带的岩石圈平均密度较低,特别是在盆山结合部位的下地壳与上地幔顶部的密度很低,这是位于其南北两侧的塔里木地块和准噶尔地块向天山造山带对冲、它们下地壳的部分物质被带到上地幔顶部的结果.上地壳的逆掩冲断、中上地壳的层间叠覆以及塔里木地块与准噶尔地块下地壳物质向天山造山带上地幔顶部的插入是天山造山带地壳缩短、岩石圈增厚与快速隆升的重要因素.该剖面地壳上地幔二维磁性结构支持了塔里木地块和准噶尔地块向天山造山带对冲.然而,以库米什为界天山造山带南北两侧的磁性结构存在较大的差异:北部磁化强度较大,可能与准噶尔地块与天山(博格达山)的碰撞所引起的博格达山的快速隆升与吐鲁番盆地的快速沉降以及在地质历史中由于伸展拉张作用而形成的裂陷槽的活动有关.库米什以南,磁化强度明显变小,说明塔里木地块与天山造山带在天山东段的碰撞相对较弱.而南天山的下地壳和上地幔顶部的相对低密度又预示着塔里木地块向天山造山带的层间插入与俯冲消减,可能反映更为年轻的动力学过程.横跨天山造山带的沙雅—布尔津剖面与库尔勒—吉木萨尔剖面所揭示的岩石圈尺度的盆山关系的显著差别表现在前者为塔里木地块向天山造山带单向俯冲,准噶尔地块与天山造山带以走滑接触为主;而后者为塔里木地块与准噶尔地块向天山造山带对冲.这两条近于平行、相间数百公里的综合地球物理剖面刻画了天山造山带岩石圈的精细结构,给出了天山造山带的构造分段及其深部依据,揭示了不同的构造段内盆山耦合类型的差异特征.5中山南北磁化强度5.1库尔勒—吉木萨尔剖面的岩石圈密度与磁性结构具有明显的垂向分层、横向分区的特点.垂向上可将地壳划分为上地壳、中地壳、下地壳以及上地幔顶部几个主要的层位;横向上可将整个剖面划分为塔里木盆地北缘、天山造山带和准噶尔盆地南缘三个部分.5.2塔里木盆地北缘与准噶尔盆地南缘具有较大的地壳平均密度,而天山造山带的地壳平均密度较小.但天山造山带,尤其是准噶尔盆地南缘至中天山的整个地壳范围具有较高的磁化强度,预示着天山南北可能具有不同的构造演化历史、构造运动方式以及构造运动强度.5.3在塔里木盆地与天山造山带,以及准噶尔盆地与天山造山带的接触部位的上地幔顶部分别发育规模较大的低密度体,这可能是在塔里木地块由南而北向天山造山带“层间插入与俯冲消减”,以及准噶尔地块由北而南向天山造山带俯冲过程中,塔里木盆地北缘和准噶尔盆地南缘下地壳物质被带进天山造山带上地幔顶部的结果.5.4天山南北具有明显的磁性结构差异:北部磁化强度较大,推测与准噶尔地块、天山(博格达山)的碰撞所导致的博格达