江國(guó)明 張貴賓 呂慶田 史大年 徐峣

1. 中國(guó)地質(zhì)大學(xué)地球物理與信息技術(shù)學(xué)院，北京 1000832. 中國(guó)地質(zhì)科學(xué)院礦產(chǎn)資源研究所，國(guó)土資源部成礦作用和資源評(píng)價(jià)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100037

1 引言

長(zhǎng)江中下游地區(qū)位于揚(yáng)子板塊北緣的長(zhǎng)江斷裂帶內(nèi)。在長(zhǎng)期的構(gòu)造作用、巖漿作用和成礦作用下，該地區(qū)形成了豐富的鐵、銅、金多金屬等礦床組合，已成為我國(guó)東部重要的銅、鐵、錳、鋅等金屬礦資源基地(Pan and Dong, 1999)。自20世紀(jì)20年代以來(lái)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者在該地區(qū)進(jìn)行了廣泛而深入的研究，在中生代構(gòu)造轉(zhuǎn)換與成巖成礦的地球動(dòng)力學(xué)背景、巖漿作用與深部過(guò)程、成礦系統(tǒng)及其演化、成礦潛力等方面取得了豐碩的研究成果(周濤發(fā)等，2012)。大量的研究結(jié)果表明長(zhǎng)江中下游地區(qū)成礦過(guò)程與中生代發(fā)生的構(gòu)造轉(zhuǎn)換及巖漿活動(dòng)密切相關(guān)，但不同的學(xué)者對(duì)構(gòu)造轉(zhuǎn)換或巖漿作用的時(shí)間仍持不同意見(jiàn)。李文達(dá)等(1998)認(rèn)為我國(guó)東南大陸巖石圈構(gòu)造環(huán)境經(jīng)歷了擠壓(176～150Ma)、擠壓-伸展擴(kuò)張轉(zhuǎn)換(145Ma)、擴(kuò)張?jiān)鰪?qiáng)(125～105Ma)、裂解(92Ma)等過(guò)程，而且在伸展過(guò)程中，伴隨著大規(guī)模的火山-巖漿侵入作用和地殼減薄等地質(zhì)現(xiàn)象，而有些學(xué)者則認(rèn)為轉(zhuǎn)換時(shí)間可能發(fā)生在侏羅紀(jì)-早白堊紀(jì)之間(任紀(jì)舜等，1999)或者中晚侏羅世初期(165±5Ma,董樹(shù)文等，2011)。近年來(lái)，隨著同位素定年技術(shù)的不斷提高，不同學(xué)者利用該技術(shù)分析了成礦帶地區(qū)的巖漿巖同位素年代(如，周濤發(fā)等，2010, 2011；馬立成等，2011)，結(jié)果表明145～135Ma期間的巖漿活動(dòng)主要發(fā)生在斷隆區(qū)(比如銅陵地區(qū))，而135～127Ma期間的巖漿活動(dòng)則主要發(fā)生在斷陷區(qū)(比如廬樅盆地和寧蕪盆地)。這些新的成果大大豐富了人們對(duì)成礦帶地區(qū)成礦與巖漿活動(dòng)關(guān)系的認(rèn)識(shí)。

除了構(gòu)造轉(zhuǎn)換時(shí)間上的不統(tǒng)一，學(xué)術(shù)界對(duì)長(zhǎng)江中下游地區(qū)成礦的深部動(dòng)力學(xué)過(guò)程及巖漿活動(dòng)機(jī)制也存在著不同觀點(diǎn)。歸納起來(lái)，基本上可分為三種：(1)大陸伸展模式(Liouetal., 1995；鄧晉福和吳宗絮，2001)，認(rèn)為長(zhǎng)江中下游地區(qū)大規(guī)模巖漿活動(dòng)與揚(yáng)子-華北板塊間的陸-陸碰撞以及碰撞后的伸展事件有關(guān)；(2)板塊俯沖模式(Chen and Jahn, 1998；陳斌等，2006；Li and Li, 2007)，認(rèn)為該地區(qū)大規(guī)模巖漿活動(dòng)與古太平洋板塊俯沖有關(guān)；(3)拆沉模式(Yin and Nie, 1993；呂慶田等，2004；史大年等，2012)，認(rèn)為揚(yáng)子-華北板塊碰撞過(guò)程中，揚(yáng)子板塊東部首先發(fā)生碰撞并擠入華北板塊，隨后的大規(guī)模巖漿活動(dòng)是華北和揚(yáng)子板塊相對(duì)旋轉(zhuǎn)而導(dǎo)致的巖石圈地幔拆沉和軟流圈物質(zhì)上涌。當(dāng)然，以上三種觀點(diǎn)并不是完全割裂的，只不過(guò)表述的側(cè)重點(diǎn)不同，比如拆沉模式中陸-陸板塊碰撞后發(fā)生的相對(duì)旋轉(zhuǎn)，其驅(qū)動(dòng)力可能來(lái)自于古太平洋板塊的俯沖，而且相對(duì)旋轉(zhuǎn)的后果有可能造成大陸伸展。之所以對(duì)深部動(dòng)力學(xué)過(guò)程存在著如此多的觀點(diǎn)，其根本原因是對(duì)成礦帶及周邊地區(qū)地殼結(jié)構(gòu)，尤其是深部(上地幔和地幔過(guò)渡帶內(nèi))結(jié)構(gòu)并不是十分清楚所致。

現(xiàn)代地球物理技術(shù)和地球化學(xué)測(cè)量方法為人們推測(cè)地下深部結(jié)構(gòu)和動(dòng)力學(xué)過(guò)程提供了更加科學(xué)、更加直觀的證據(jù)。比如，人工深地震反射剖面清楚地顯示出巖漿底侵作用的垂向作用范圍(呂慶田等，2004)；天然地震接收函數(shù)結(jié)果表明成礦帶地區(qū)下方莫霍面深度變淺，似乎意味著該地區(qū)存在“幔隆構(gòu)造”(史大年等，2012；Shietal., 2013)；區(qū)域布格重力異常結(jié)果也表明成礦帶地區(qū)存在著“幔隆構(gòu)造”或地殼減?。惶烊坏卣饘游龀上窠Y(jié)果直接顯示出上地幔內(nèi)存在著低速異常和高速異常，被認(rèn)為可能是上涌的軟流圈物質(zhì)和拆沉的巖石圈(Jiangetal., 2013)；同位素測(cè)量結(jié)果顯示長(zhǎng)江中下游地區(qū)的巖漿巖具有幔源特征(王強(qiáng)等，2001；Xuetal., 2002)，而且其空間分布被航磁測(cè)量結(jié)果所圈定(呂慶田等，2004)，該特征可解釋為富集地幔的玄武巖漿底侵到下地殼底部，發(fā)生熔融后經(jīng)分離結(jié)晶而形成。從這些所列的資料中，不難看出地球物理和地球化學(xué)結(jié)果為地質(zhì)工作者提供了前所未有的地球深部物質(zhì)的空間賦存狀態(tài)信息，結(jié)合地質(zhì)同位素定年資料，我們可以更加準(zhǔn)確地描述成礦的深部動(dòng)力學(xué)過(guò)程，為開(kāi)辟深部“第二找礦空間”，尋找深部隱伏礦床提供新思路和新途徑。

為了獲得長(zhǎng)江中下游成礦帶地區(qū)更加詳實(shí)的深部結(jié)構(gòu)，在“深部礦產(chǎn)資源立體探測(cè)與實(shí)驗(yàn)(SinoProbe-03)”項(xiàng)目支持下，在該地區(qū)開(kāi)展了天然地震觀測(cè)、人工地震剖面、大地電磁、重力和地球化學(xué)測(cè)量等工作，取得了一系列成果(Lüetal., 2013；Shietal., 2013；呂慶田等, 2014；強(qiáng)建科等, 2014；徐濤等, 2014；張永謙等, 2014)。筆者有幸參與該項(xiàng)目，并利用天然地震觀測(cè)數(shù)據(jù)研究了成礦帶地區(qū)深部速度結(jié)構(gòu)，獲得了一些初步認(rèn)識(shí)(Jiangetal., 2013)。在此基礎(chǔ)上，筆者和課題組其他成員收集了更多的天然地震波形數(shù)據(jù)，提高了空間分辨率，同時(shí)進(jìn)行了地殼校正工作，使得結(jié)果更加可信。最后，結(jié)合已有的地質(zhì)、地球物理、地球化學(xué)等成果，對(duì)所得結(jié)果進(jìn)行綜合解釋，強(qiáng)化拆沉模式成礦的合理性。

2 方法與數(shù)據(jù)

遠(yuǎn)震P波層析成像法(若無(wú)特別說(shuō)明，簡(jiǎn)稱為遠(yuǎn)震層析成像法)，作為地震層析成像方法的分支之一，經(jīng)過(guò)40多年的不斷發(fā)展，已向地學(xué)界提供了諸如全球構(gòu)造演化、大陸與海洋的深部結(jié)構(gòu)、火山、地震斷層以及其它多種地質(zhì)環(huán)境下的復(fù)雜結(jié)構(gòu)的最新證據(jù)，成為地震學(xué)家研究地球深部速度結(jié)構(gòu)的強(qiáng)有力工具之一。本研究所采用的遠(yuǎn)震層析成像法是由Zhaoetal.(1994)提出的。該方法不僅原理簡(jiǎn)單、計(jì)算速度快、易于收斂，而且通過(guò)檢測(cè)板模型定性地分析反演結(jié)果的空間分辨率和可信度，其步驟主要包括模型參數(shù)化、正演(三維射線追蹤)、反演(求解大型稀疏矩陣)和分辨率分析等(Zhaoetal., 1994)。為消除研究區(qū)以外速度不均勻體對(duì)結(jié)果造成的影響，遠(yuǎn)震層析成像法往往采用相對(duì)走時(shí)殘差，而不是走時(shí)殘差。盡管該方法能夠很好地用以研究地球深部速度結(jié)構(gòu)，但由于遠(yuǎn)震射線在靠近臺(tái)站下方的的地殼內(nèi)交叉較差，無(wú)法分辨地殼內(nèi)的速度異常。為消除地殼橫向不均勻性對(duì)遠(yuǎn)震層析成像結(jié)果的影響，或者添加近震數(shù)據(jù)約束地殼速度結(jié)構(gòu)，或者采用地殼校正法(江國(guó)明等, 2009)。由于長(zhǎng)江中下游地區(qū)近震較少，使得可利用的近震波形數(shù)據(jù)較少，所以本研究選擇地殼校正法消除地殼的影響。在第3部分將詳細(xì)介紹地殼校正過(guò)程。

本研究所采用的遠(yuǎn)震波形數(shù)據(jù)來(lái)自三種不同的途徑(圖1)：(1)由國(guó)家測(cè)震臺(tái)網(wǎng)數(shù)據(jù)備份中心提供(Zhengetal., 2010)的固定臺(tái)站記錄的遠(yuǎn)震事件波形數(shù)據(jù)，記錄時(shí)間自2007年9月至2011年4月，有效臺(tái)站共計(jì)46個(gè)，分布在安徽和江蘇兩省，臺(tái)站間隔約50km；(2)由中國(guó)地質(zhì)科學(xué)院礦產(chǎn)資源所提供的流動(dòng)臺(tái)站(型號(hào)：Guralp 3ESPCD)記錄的連續(xù)波形數(shù)據(jù)(SinoProbe-03項(xiàng)目資助)，自2009年11月至2011年8月，有效臺(tái)站共計(jì)47個(gè)，臺(tái)站間隔約5km；(3)由中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(北京)負(fù)責(zé)布設(shè)的流動(dòng)臺(tái)站(型號(hào)：Guralp 3ESPC)記錄的連續(xù)波形數(shù)據(jù)，自2012年6月至2013年6月，有效臺(tái)站共20個(gè)，臺(tái)站間隔約50km。

圖1 研究區(qū)位置及地震臺(tái)站分布紅色方塊代表固定臺(tái)站; 藍(lán)色三角形代表由中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(北京)負(fù)責(zé)布設(shè)的流動(dòng)臺(tái)站; 黑色加號(hào)代表由中國(guó)地質(zhì)科學(xué)院負(fù)責(zé)布設(shè)的流動(dòng)臺(tái)站. 右下角插圖內(nèi)的灰色方塊表示研究區(qū)域位置Fig.1 Distributions of studied region and seismic stationsRed squares represent the static stations. Blue triangles and black pluses denote temporary stations belonging to Chinese University of Geosciences (Beijing) and Chinese Academy of Geological Sciences, respectively. The gray square in the inset map at the down-right indicates the location of studied regions

為獲得信噪比較高的遠(yuǎn)震事件波形資料，一般選擇震級(jí)大于5.5級(jí)的遠(yuǎn)震作為有效地震；為消除上地幔和地核內(nèi)物質(zhì)速度不均勻性的影響，通常將震中距限制在30°～90°(圖2)。最終，有678個(gè)遠(yuǎn)震事件符合要求。從遠(yuǎn)震震中位置來(lái)看，遠(yuǎn)震主要分布在研究區(qū)域的東、南、西三個(gè)方向，而北向的事件非常少。

遠(yuǎn)震層析成像反演時(shí)所用的數(shù)據(jù)為相對(duì)走時(shí)殘差，所以必須從遠(yuǎn)震事件波形資料中提取相對(duì)走時(shí)殘差信息，通常的做法是首先手動(dòng)拾取每條波形的初至P波到時(shí)，然后根據(jù)Zhaoetal.(1994)的方法計(jì)算相對(duì)走時(shí)殘差。對(duì)于數(shù)據(jù)量較大時(shí)，若仍采用人工識(shí)別的方式處理數(shù)據(jù)，往往造成效率低和精度低的局面。筆者曾改進(jìn)了Vandecar and Crosson(1990)提出的多道互相關(guān)方法，可直接從遠(yuǎn)震波形中直接提取相對(duì)走時(shí)殘差信息(江國(guó)明等，2012；Jiangetal., 2013)，而無(wú)需反演走時(shí)的過(guò)程，大大提高了數(shù)據(jù)處理的效率和數(shù)據(jù)精度。本研究采用改進(jìn)后的多道互相關(guān)方法處理所有的遠(yuǎn)震事件波形資料，最終得到17118條有效的P波相對(duì)走時(shí)殘差數(shù)據(jù)，精度達(dá)到0.01～0.02秒。圖3顯示了分別利用人工手動(dòng)拾取方法和多道互相關(guān)方法(簡(jiǎn)稱MMCC，江國(guó)明等，2012)得到的45個(gè)臺(tái)站上的相對(duì)走時(shí)殘差均方根值。通過(guò)對(duì)比，不難發(fā)現(xiàn)，多道互相關(guān)方法得到的數(shù)據(jù)精度普遍比人工手動(dòng)方式得到的數(shù)據(jù)精度高。

圖3 遠(yuǎn)震相對(duì)走時(shí)殘差對(duì)比紅線和藍(lán)線分別表示手動(dòng)拾取和MMCC(多道互相關(guān))自動(dòng)拾取結(jié)果(據(jù)江國(guó)明等, 2012)Fig.3 Comparison of relative residuals for teleseismic dataRed and blue lines represent the results obtained by hand-picking and by the MMCC method, respectively (after Jiang et al., 2012)

3 地殼校正

如前所述，本研究中所用的遠(yuǎn)震震中距均在30°～90°范圍內(nèi)，這就使得遠(yuǎn)震射線入射到臺(tái)站的角度較小(入射角小于30°)，導(dǎo)致射線在地殼內(nèi)的交叉非常差。根據(jù)天然地震層析成像原理可知，射線交叉越差，其空間分辨率越低(在第4部分進(jìn)行詳細(xì)討論)，因此利用遠(yuǎn)震層析成像方法研究深部速度結(jié)構(gòu)時(shí)必須進(jìn)行地殼校正，以消除地殼內(nèi)速度非均勻性對(duì)成像結(jié)果的影響。

(1)

圖4 一維和三維速度隨深度分布情況四條速度剖線的位置示于圖5a中Fig.4 1D and 3D velocity modelsThe locations of four velocity profiles are shown in Fig.5a

為了定量說(shuō)明地殼校正對(duì)最終反演結(jié)果的影響程度，我們分別利用地殼校正前、后的相對(duì)走時(shí)殘差數(shù)據(jù)進(jìn)行反演，得到兩種速度異常模型，然后將兩種模型中的速度異常相減得到的差值示于圖6中，不難看出地殼校正對(duì)淺部的速度結(jié)構(gòu)影響較大(≤100km)，而對(duì)深部幾乎沒(méi)影響。從差值上看，最大值達(dá)到±0.75%，實(shí)際上反演得到的速度異常值范圍為-2%～2%(圖7)，若不進(jìn)行地殼校正，那么淺部的速度將會(huì)嚴(yán)重畸變。

4 結(jié)果分析

4.1 檢測(cè)板測(cè)試

地球物理反演問(wèn)題中基本上都涉及到地層介質(zhì)網(wǎng)格化問(wèn)題，即把三維地層介質(zhì)剖分成離散的網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)或塊體。在天然地震層析成像中，通常將網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)上的速度作為未知量，通過(guò)反演走時(shí)殘差而得到。剖分節(jié)點(diǎn)的間隔，即空間分辨率，決定于射線交叉的程度。為了獲得最佳的網(wǎng)格剖分間隔，一般采用檢測(cè)板測(cè)試的方式：(1)對(duì)地層按照某一間隔進(jìn)行剖分；(2)對(duì)相鄰兩個(gè)節(jié)點(diǎn)處的速度分別賦給3%和-3%的異常，以構(gòu)建“三維理論速度模型”；(3)在三維理論模型中，根據(jù)遠(yuǎn)震和臺(tái)站位置計(jì)算走時(shí)，并添加標(biāo)準(zhǔn)偏差為0.1秒的隨機(jī)誤差，生成“觀測(cè)走時(shí)”；(4)將所有節(jié)點(diǎn)處的速度異常值設(shè)定為0%，同樣根據(jù)遠(yuǎn)震和臺(tái)站的實(shí)際位置計(jì)算走時(shí)，作為“理論走時(shí)”；(5)將“觀測(cè)走時(shí)”減掉“理論走時(shí)”得到“走時(shí)殘差”，反演計(jì)算得到每個(gè)節(jié)點(diǎn)處的速度異常值；(6)將反演得到的異常值與“三維理論速度模型”中的異常值(即3%和-3%)進(jìn)行對(duì)比，如果網(wǎng)格間隔設(shè)計(jì)恰當(dāng)，那么反演后的速度模型應(yīng)與原始理論模型一致。本研究中，水平方向的間隔為0.5°，垂向間隔為50～100km，檢測(cè)板測(cè)試結(jié)果如圖7所示，從淺部至深部，理論速度異常值基本上能得到恢復(fù)，說(shuō)明所設(shè)定的網(wǎng)格間隔是合理的。但在淺部，空間分辨率受臺(tái)站分布的影響較大，隨著深度的增加，分辨率逐漸提高。當(dāng)?shù)竭_(dá)500km時(shí)，研究區(qū)西北部的分辨率顯著比其它部分要低，這是因?yàn)槲鞅辈康倪h(yuǎn)震較少(圖2)，所以射線也比較少，導(dǎo)致射線交叉較差。

圖5 研究區(qū)下方莫霍面深度(a)和地殼內(nèi)走時(shí)殘差分布(b)

圖a中，白色三角形為Shietal.(2013)計(jì)算莫霍面深度時(shí)所用臺(tái)站，黑色加號(hào)表示Crust1.0模型①中的網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)位置，圖中的數(shù)字對(duì)應(yīng)圖4中4個(gè)速度采樣點(diǎn)的位置，白色折線表示(b)的顯示范圍;圖b中，地殼內(nèi)走時(shí)殘差分布，白色方塊表示本研究所用臺(tái)站的位置. 兩個(gè)圖里的白色曲線代表郯廬斷裂

Fig.5 Moho depths under the study region (a) and distributions of travel time residuals in the crust (b)

In Fig.5a, white triangles indicate the stations for calculating the Moho used by Shietal. (2013) and black pluses denote the locations of grids in the model of Crust1.0. The numbers correspond to the locations of sampling points shown in Fig.4. In Fig.5b, white squares represent the stations used in this study. The curved line means the Tanlu fault

4.2 層析成像結(jié)果

利用地殼校正后的相對(duì)走時(shí)殘差數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)反演即可得到不同深度層上的速度分布。為了全方位地展示研究結(jié)果，我們將分水平剖面和縱向剖面兩種方式進(jìn)行描述。但需要說(shuō)明的是，所有結(jié)果顯示的物理屬性均是以全球一維速度模型——iasp91速度模型(Kennett and Engdahl，1991)為背景的相對(duì)速度異常(單位：%)，正、負(fù)值分別表示高速和低速異常。

圖6 地殼校正前后速度異常差值分布Fig.6 Differences caused by the crust-correction for velocity anomalies at different depths

圖7 檢測(cè)板測(cè)試結(jié)果每個(gè)子圖正上方的數(shù)值代表各層的深度值；實(shí)心圓和空心圓分別表示負(fù)異常和正異常，圓的大小代表異常值的大小Fig.7 Results of checkerboard testThe numbers at the top of each subgraph represent the depths. Closed and open circles denote lower and higher anomalies, respectively. And the size of circle is proportional to the anomaly

圖8顯示了6個(gè)不同深度層上的速度異常分布情況。通過(guò)對(duì)比檢測(cè)板結(jié)果(圖7)，不難判斷出大部分速度異常是可信的。由50km遞增到500km，每一層上的橫向速度變化均較劇烈，而且隨深度的增加，縱向速度變化亦較明顯，這說(shuō)明成礦帶地區(qū)下方速度結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜。進(jìn)一步分析，還發(fā)現(xiàn)成礦帶地區(qū)下方的速度異常隨深度變化而交替轉(zhuǎn)換。在50km深度層上，成礦帶地區(qū)對(duì)應(yīng)著高速異常，而在100km和200km深度層上，該高速異常被低速異常所代替；但到了300～400km深度，低速異常又被高速異常取代。由于500km深度層上的檢測(cè)板結(jié)果不是十分理想，所以不對(duì)該層位的速度異常進(jìn)行分析。

圖8 不同深度層上的速度異常分布各層深度標(biāo)在每個(gè)子圖的右上角；紅色和藍(lán)色分別代表低速和高速異常；色彩棒示于圖的最下方Fig.8 Velocity anomalies at different depthsThe depth value is shown at the top right corner of each subgraph. Red and blue colors represent the lower and the higher anomalies, respectively. The scale bar is shown at the bottom

為了更加清楚地展示速度異常隨深度的交替變化，我們?cè)O(shè)計(jì)了六條剖線(圖9)，其中三條剖線(AA′、BB′和CC′)垂直于成礦帶走向，而另三條剖線(DD′、EE′和FF′)則平行于成礦帶走向。從圖9所示的剖面圖上，可以看出速度異常整體表現(xiàn)為“兩高一低”的特征：淺部和深部分別存在著一個(gè)高速層，而中間夾著一個(gè)低速層。為了描繪深部的高速層和中間的低速層之間的空間分布特征，我們抽取±0.5%的等值面，并作了透視圖(圖10)。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，無(wú)論是低速體還是高速體，基本上都是沿著平行于成礦帶走向的方向分布，而且南部較深、北部較淺。

一般而言，高速異常對(duì)應(yīng)著溫度低且堅(jiān)硬的物質(zhì)(比如俯沖的板塊或巖石圈)，而低速異常則對(duì)應(yīng)著溫度高且較軟的物質(zhì)(比如軟流圈熱物質(zhì)或巖漿)(比如Zhaoetal., 1994)。對(duì)于本研究地區(qū)，地球化學(xué)研究結(jié)果表明寧鎮(zhèn)地區(qū)發(fā)現(xiàn)的中生代埃達(dá)克侵入巖可能與中生代時(shí)期下地殼的消融有關(guān)(Xuetal., 2002)，而且深反射地震和接收函數(shù)結(jié)果也都顯示出長(zhǎng)江中下游成礦帶地區(qū)下方的地殼發(fā)生了減薄(呂慶田等，2004；Shietal., 2013)，而引起下地殼消融或減薄的熱源可能來(lái)自上侵的軟流圈物質(zhì)(Xuetal., 2000)。結(jié)合這些研究成果，我們將本研究中獲得的“兩高一低”速度異常體分別解釋為：淺部的高速異常體為現(xiàn)在的巖石圈(厚度約80km)；中部的低速異常體為上涌的軟流圈熱物質(zhì)；深部的高速異常體為拆沉的巖石圈物質(zhì)。

5 討論

本研究利用遠(yuǎn)震層析成像方法獲得了深至500km范圍(主要是上地幔)內(nèi)的速度結(jié)構(gòu)，不但為分析成礦的深部動(dòng)力學(xué)機(jī)制提供了直接的天然地震學(xué)證據(jù)，而且使討論的深度范圍不再局限于地殼或殼幔邊界，而是可擴(kuò)展至上地幔底部。

如前文所述，關(guān)于長(zhǎng)江中下游地區(qū)成礦的深部動(dòng)力學(xué)機(jī)制主要有大陸伸展、板塊俯沖和巖石圈拆沉等三種模式。本研究的結(jié)果更傾向于支持拆沉模式(呂慶田等，2004)，因?yàn)樵撃Ｊ剿婕暗膸r石圈拆沉和軟流圈物質(zhì)上涌均可在本研究提出的速度模型中得到驗(yàn)證。盡管我們的結(jié)果僅能反映地下介質(zhì)當(dāng)前的空間特征，但仍可依據(jù)現(xiàn)有的狀態(tài)反推初始條件。我們的結(jié)果顯示拆沉的巖石圈已下沉至上地幔底部(圖9)，那么巖石圈拆沉之前應(yīng)該是靠近地表并處于增厚階段。長(zhǎng)江中下游地區(qū)的類埃達(dá)克巖石的存在為地殼增厚提供了有力證據(jù)(許繼峰等，2001；Xuetal., 2002)。不僅如此，在晚三疊世-早侏羅世，由于受到古太平洋板塊北西向擠壓力作用，華南板塊的東北部產(chǎn)生強(qiáng)烈的大陸擠壓形變并導(dǎo)致下?lián)P子地區(qū)的巖石圈逐漸增厚(呂慶田等，2004)。約在早侏羅世-早白堊世，華北塊體與華南塊體發(fā)生相反方向的旋轉(zhuǎn)，大陸由擠壓向拉張轉(zhuǎn)換，導(dǎo)致增厚的巖石圈發(fā)生拆沉(鄧晉福等，1994)。巖石圈的拆沉可能又引起軟流圈物質(zhì)的上涌(Nelson，1992)和地殼的隆升(史大年等，2012)。上涌的軟流圈物質(zhì)發(fā)生減壓熔融，底侵在殼幔邊界和下地殼中。隨著底侵作用的增強(qiáng)，下地殼溫度增高并發(fā)生部分熔融，熔融的巖漿通過(guò)早期形成的斷裂上侵，導(dǎo)致了長(zhǎng)江中下游地區(qū)爆發(fā)大規(guī)模的巖漿活動(dòng)，并伴隨著大規(guī)模成礦作用(呂慶田等，2004)。

地質(zhì)學(xué)觀點(diǎn)認(rèn)為我國(guó)東部自中生代以來(lái)曾爆發(fā)過(guò)兩次大規(guī)模的巖漿活動(dòng)：第一次爆發(fā)于中侏羅世-晚白堊世(Zhangetal., 2004)；第二次爆發(fā)于新生代(Li, 2000)。地球化學(xué)同位素定年資料顯示九瑞、銅陵、廬樅-寧蕪等地區(qū)的巖漿活動(dòng)鼎盛時(shí)期雖然都集中于148～125Ma之間，但存在著自南向北逐漸過(guò)渡的趨勢(shì)(Yangetal., 2011)，這與圖10所示的速度異常體表現(xiàn)出的“南深北淺”的特征之間似乎存在著某種聯(lián)系。古地磁研究表明，華北塊體與華南塊體在早三疊世時(shí)在華北塊體的東部開(kāi)始碰撞(現(xiàn)今成礦帶的南部)(Zhao and Coe，1987)。晚三疊世-早侏羅世時(shí)，華北和華南地塊進(jìn)入大規(guī)模碰撞拼合期，郯廬走滑斷裂形成并向北延伸。在碰撞的過(guò)程中，下?lián)P子地殼和巖石圈逐漸增厚。由于碰撞開(kāi)始于成礦帶的南部，所以南部地區(qū)的巖石圈增厚較快，重力不穩(wěn)定性較強(qiáng)。一旦大陸進(jìn)入伸展拉張期(早白堊世-中白堊世)，越不穩(wěn)定的巖石圈越容易發(fā)生拆沉，也就越有可能先發(fā)生巖漿活動(dòng)和成礦作用。因此， 成礦帶南部的巖石圈可能先發(fā)生拆沉，然后向北過(guò)渡，也就造成了速度異常體“南深北淺”的構(gòu)造格局和成礦帶由南至北逐漸變新的成礦順序。

關(guān)于軟流圈熱物質(zhì)的起源，可能來(lái)自古太平洋巖石圈深俯沖脫水而引起的軟流圈物質(zhì)熔融的產(chǎn)物，但由于我們的研究深度只有500km，從而在結(jié)果中未能發(fā)現(xiàn)俯沖的古太平洋巖石圈，因此無(wú)法進(jìn)行深入的討論。但有一點(diǎn)可以肯定，上涌的軟流圈物質(zhì)為成礦帶地區(qū)提供了足夠的熱量，當(dāng)這些熱量傳遞至下地殼時(shí)，引起下地殼物質(zhì)的大規(guī)模熔融，與幔源巖漿混染，上升至上地殼淺部就位成礦(史大年等，2012)。

圖9 速度異常縱剖面圖六條剖線的位置示于右側(cè)平面圖內(nèi). 速度剖面圖中的虛線分別表示莫霍面和410-km速度不連續(xù)面. 倒三角表示剖線與郯廬斷裂的交叉位置. 色彩棒示于圖的中間Fig.9 Cross-section views of velocity anomaliesThe locations of six profile lines are shown in the plan figure at the right. The dashed lines in the velocity profiles represent the Moho and the 410-discontinuity depths, respectively. The inversed triangles in the profiles of AA’, BB’ and CC’ denote the crossing location between the profile lines and the Tanlu fault. The scale bar is shown in the middle

圖10 速度異常分別為0.5%和-0.5%的等值面透視圖(a)-自西南方向觀測(cè); (b)-自西北方向觀測(cè). 藍(lán)色和黃色分別代表高速體和低速體. 底圖為研究區(qū)域內(nèi)的地形圖. 紅色曲線代表不同的斷層Fig.10 Perspective of velocity anomaly contour as to be 0.5% and -0.5% respectively(a)-viewing from the south-west direction and (b)-from the north-west direction. Blue and yellow colors denote the higher and the lower anomalies, respectively. The base map is the topography of the studied region. The red curved lines indicate different faults

6 結(jié)論

長(zhǎng)江中下游地區(qū)成礦的深部動(dòng)力學(xué)背景一直是地學(xué)界研究的熱點(diǎn)。本研究利用遠(yuǎn)震層析成像方法獲得了深至500km范圍內(nèi)的三維速度模型，為討論成礦的深部動(dòng)力學(xué)機(jī)制提供了確鑿的天然地震學(xué)依據(jù)。

本研究結(jié)果表明長(zhǎng)江中下游地區(qū)地下速度結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜，在上地幔內(nèi)存在“兩高一低”的速度異常體。這些異常體的空間分布與成礦帶走向基本一致，而且表現(xiàn)為“南深北淺”的空間特征。結(jié)合其它已有成果，將深部的高、低速異常體分別解釋為拆沉的巖石圈和上涌的軟流圈熱物質(zhì)。這種解釋與成礦的拆沉模式非常吻合。拆沉模式認(rèn)為巖石圈的拆沉引起了軟流圈物質(zhì)的上涌，進(jìn)而導(dǎo)致了大規(guī)模巖漿活動(dòng)。我們的結(jié)果則顯示出拆沉的巖石圈已下沉至上地幔底部，這為拆沉模式提供了有力證據(jù)。但遺憾的是，我們的結(jié)果無(wú)法提供軟流圈物質(zhì)起源的依據(jù)，下一步還需收集更多的數(shù)據(jù)進(jìn)行更大范圍的速度反演，以期為深部動(dòng)力學(xué)討論提供更好的結(jié)果。

致謝感謝國(guó)家數(shù)字測(cè)震臺(tái)網(wǎng)數(shù)據(jù)備份中心提供的遠(yuǎn)震事件波形資料；感謝日本東北大學(xué)趙大鵬教授提供的遠(yuǎn)震層析成像程序；感謝兩位匿名專家提出的寶貴意見(jiàn)和建議，使文章內(nèi)容和結(jié)構(gòu)更加完整；文中的大部分圖件由GMT軟件完成，感謝Wessel and Smith(1998)提供的免費(fèi)作圖軟件。

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