大地电磁成象揭示的青藏高原东部的地壳变形

1、大地电磁成象揭示的青藏高原东部的地壳变形Denghai Bai，MartlnJ.Unsworth摘要：印度与亚洲大陆持续的碰撞已通过一系列的变形过程产生了喜马拉雅山脉和青藏高原。这个过程包括地壳加厚，岩石圈下部从板块的分离（分层）与软弱下地壳的流动1-6。关于这些过程中，哪个过程最重要的争论仍在进行7。在青藏高原东部，大尺度的表面的运移在发生，但是在深部变形的性质仍然悬而未决。大尺度的地壳渠流作为一种局部抬升的解释被提出，但是现存的地球物理数据不能够约束流动的模式。大地电磁运用自然发生的电磁波来对地下进行成像。我们展示了大地电磁数据，其形成了两个主要的区域或者高导电率的渠道，在深度20-40k

2、m。这个渠道从青藏高原到中国西南延伸800km。通道的电学性质，意味着与弱地壳相一致的升高的流体水平允许在地质时间尺度上的流动。这些发现支持了一些假设，地壳流动能够发生在造山带内，也有助于高原的隆升。我们的结果揭示了这些地壳流先前未知的复杂。许多先前的关于印度-亚洲碰撞的研究，主要发生在喜马拉雅青藏高原南部边界。然而，高原东部边界的变形对于推进这个陆-陆碰撞全面的理解也是很重要的（图1）。地质学和大地测量学确定了地壳块体沿东部喜马拉雅山结顺时针旋转。在中地壳的变形不会受制于大地测量，其运动也可能不于从表面的观察。地震研究表明地壳和地幔可能绕着东喜马拉雅构造节连续运动（参考15）。地质的研究表明

3、在四川盆地与东喜马拉雅构造节高地区域，伴随着内部少量的变形6,8。这种隆升常被认为由下地壳流的流入引起，正如在图1中展示的那样。在这样变形的类型中，流体被强迫集中在岩石圈较厚稳定的区域周围，例如四川盆地。地下构造的地球物理成象是需要的，用来确定在一个地区的地壳流动是否活跃，例如青藏高原。这样一个流体通道被预想将为以减弱的地震的波速和增强的导电率为特征（底电阻），与稳定的大陆地壳相比之下。在藏东地震勘探探测到一个分布广泛的地震波低速层区，它的上表面在1525km，这被解译为一个水状流体或者部分熔融10,11。这种低速层是空间变化的，向南减薄,但是大规模的站间间隔不允许推断流动渠道的详细图像。大地

4、电磁探测能判定地壳和上地幔的电阻率（或者相应的数量为导电率）。导电率在地壳结构的研究中是很重要的，因为他对流体的存在很敏感。藏南的大地电磁研究给出了一张向南流动的地壳流动通道，这表明从大地电磁数据中推断出来的地壳流体含量，与地壳流动所需要的流变学条件相一致。在藏东提出的地壳流体模式在地理上有别于藏南，而且是发生在更大的水平比例尺上。在深600线路输入藏北的大地电磁数据以及在四川的刨面P3（图1）探测到的一个有较高中地壳导电率的层面，这也许代表着伴随地壳流东的流体富集区域。然而，这两个大地电磁调查的距离太大而不足以让人相信从一个刨面到另外一个的可靠关联性的特征。该文章描述了藏东地区一个新的大地电

5、磁调查的结果，探测到两个高地壳导电率的地壳主要区域，看起来像区域扩展层的一部分，她被推断为变形发生迅速有高含量的流体的区域。从2004年到2007年在东喜马拉雅构造结325个地点记录的宽频大地电磁调查，总共有2110km的泡面长度（图1）。大地电磁数据分析的详细信息会展现在补充资料。土地电的传播方向通过张量计算，也发现其大体上平行于主要的地表地质特征。相对应的大地二维电磁数据的性质允许2d反演用于产生电阻率的模型（图2）。在每个模型中的上地壳有一个高的电阻率（低的导电率），而这却是典型的干燥地壳岩石。在这些模型中最明显的特征是一个位于中地壳的升高的导电率的层，平均开始于25公里的深度。层的导电

6、性在横向上变化，这里有两个主要的非常高的导电率的区域。在这个导电层之下，岩石圈似乎有一个更低的导电率，尽管大地电磁数据还不能可靠地找出这样一个导电层的基础。近地表的底电阻区域与主要的转换断层和地热现象的区域相一致。中地壳高导电性区域先前在西藏和其他活动的造山带中报道过，并把它归因于水流体的存在或者部分熔融的存在。流体的存在是重要的，因为它使地壳变弱，能够定义地壳流可能发生的区域。在西藏东部的新的大地电磁数据有一个更大的空间尺度，高导电层的分布能够更好地理解东青藏高原的变形的空间分布。大地电磁数据主要是对深度集成的导电率比较敏感而不是电导率和厚度的个别值。因此，数据分析集中在导电的中地壳层的电导

7、的空间变化。这层的电导计算使用约束二维反演在指定深度以下的岩石圈被迫有低电导率。被选择的深度范围，最后发现电导对50-100km的值选择敏感。请注意，图2a显示了无约束的反演。最后模型中的层的电导已经被计算出来，排出一些不重要的特征。在图2b中显示的电导值比在稳定大陆地壳地区（200500S）高出1-2个数量级，当地为20000S.图2显示了两个高电导的区域，能够在EHS3D剖面中联系起来。在西边导电的区域(A)位于临近EHS，东部导电区域（B）沿着XianShui河和Xiaojiang断层分布。为了利用这些模型来约束东青藏高原的变形模式，首先有必要去计算用来产生观察到的地壳电导所需要的流体的

8、量。升高的地壳导电性可以归因于热效应，水流体、矿化或者石墨。巨大的A与B的空间范围，很可能排除了金属矿化的解释。当熔融引起导电率上的显著增长时，由升高的温度造成的显著的作用就会发生。在一个活动构造区域高导电率的更加偏好的解释，就是部分水的液体或者/和部分熔融的组合。电导用于估计存在于地壳中的流体/熔融体。实验室试验显示纯的岩浆有电学的导电率在3-10Sm-1（电阻率0.1-0.3欧姆米）的范围内，含水流体的有稍微高一点的导电率值。岩石中空隙空间中的流体的几何分布，控制着主要的导电率，实验室研究也表明部分熔融与含水流体之间存在高度的相关联性。流体含量的值（孔隙度）和层厚需要给出一个可以计算出来的

9、给定的电导（图三）。显示，当层厚增加，流体分数需要给以特别的电导的增长。电导值可以用来给出每个EHS3D剖面中的流体含量的定量估计。这需要一个额外的约束，来克服在厚度和流体含量之间的固有的权衡。假设导电层厚度为20km，地震低速层区域的基础之上，那么需要的流体的含量就能够计算出来。可以用在A和B的区域5-20%的流体含量来集市观测到的导电性。流体含量的高于5%，是足以产生与相同组构的周围物质相比强度降低10倍的一个因素。地球动力模型表明这种强度差异满足地球流的产生。富流体层的机械和电学分析表明流速与电导成正比，电导值大于7000-10000S对应着平均1cm/年流速（参考27）。流体可以来自在

10、加厚的地壳中的进变质作用，或者来自底辟作用。A与B的空间范围支持一种观点，他们属于渠流，因为他们的边界避免了稳固的区域，例如四川盆地，预示着他是地壳流的障碍。例如，区域B的低速低阻层北部的范围与东昆仑断层相一致(图2中P2)，它的东部边界限制在剖面3和xsh断层和西川断层的西部边界。尽管不是很好的采样，但这看起来导体结束在线剖面2的西南部，靠近Yarlung-Zangbo缝合线。高电导率主要分布在两个渠道（A和B），表明是比先前给出的地壳流一个更加复杂的变形模式。A与B的性能，在先前部分中描述的，与这些通道中发生的流动相一致。相反，在AB之间中地壳相对较高的电阻不需要有一个较高的流体含量，以上

11、争论的存在表明一个弱的中地壳层缺失。地震探测表明地壳和上地幔机械的粘合在一起，一起变形。这些参数表明，区域A和B可以作为岩石圈块相对运动的剪切带。实验室研究表明中下地壳岩石的剪切会形成和维持一个定向的网络，相互关联的充满流体的裂隙，这种流体分布的变化也会加强这些区域的点到电导率。有关A与B是一个剪切带来更近一步的证据，来源于对剖面P2和P4的观察，导体位于水平表面速率变化最快的区域。在图2中的电导率模型，解释了一个比先前提出的更加复杂的变形模式。较高的流体含量要求局部地壳流动的发生在变形区域的边界，这表明变形包括地壳流东和A与B区域的剪切。最近的数字模拟已经表明这种样式的地壳流动是难以维持的。

12、这可能是剪切是可能需要维持区域，足够的相互关联的流体来降低地壳强度，允许迅速的变形。里氏8.0级汶川地震发生在龙门山地区在2008.5.12日（参考30）。在这篇文章中展现的EHS3D剖面中没有直接的穿过汶川地震的龟裂区。然而，这个模型揭示出此次大地电磁研究嫩够够潜在的有助于去理解引起这次地震的机制。图一，地图显示东青藏高原及邻区的地势。红点代表大地电磁站点，阴影矩形是高地壳电导（10000S）的大地电磁剖面的区域。P1-P4分别代表大地电磁剖面EHS3D-3，EHS3D-2，CZMT-WE和ESHS3D-1.蓝色亮点代表2008年汶川里氏7.9级地震的震中，黑色点表示余震。BNS=班公湖-怒江缝合带；NJF=东喜马拉雅构造结；EK