鐘清， 方李立， 袁永真， 裴發(fā)根

1 中國(guó)地質(zhì)科學(xué)院地球物理地球化學(xué)勘查研究所， 河北廊坊 065000 2 國(guó)土資源部地球物理電磁法探測(cè)技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 河北廊坊 065000

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上地幔高導(dǎo)層與內(nèi)生金屬礦產(chǎn)及油氣藏的關(guān)系

1 中國(guó)地質(zhì)科學(xué)院地球物理地球化學(xué)勘查研究所， 河北廊坊 065000 2 國(guó)土資源部地球物理電磁法探測(cè)技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 河北廊坊 065000

依據(jù)大地電磁測(cè)深所發(fā)現(xiàn)的上地幔高導(dǎo)層頂面深度可以給出大陸巖石圈-軟流圈界面(LAB)的空間發(fā)育特征，為認(rèn)識(shí)巖石圈結(jié)構(gòu)及殼幔相互作用等提供重要信息.本文在1996年編制的中國(guó)大陸上地幔高導(dǎo)層頂面深度圖的基礎(chǔ)上，補(bǔ)充了1995—2010年大地電磁測(cè)深結(jié)果和大地?zé)崃鲾?shù)據(jù)，以1°×1°網(wǎng)度編制了新的中國(guó)大陸上地幔高導(dǎo)層頂面深度圖.我國(guó)上地幔高導(dǎo)層頂面深度變化很大，具有南北分帶，東西分塊的特征，呈東淺、西深、北淺、南深的格局，從最淺的50～60 km到最深的230 km,平均深度為100～120 km.據(jù)上地幔高導(dǎo)層頂面分布形態(tài)，全國(guó)共可劃分出27個(gè)隆起區(qū).通過(guò)與中國(guó)已知內(nèi)生金屬礦產(chǎn)和油氣田的分布對(duì)比，發(fā)現(xiàn)我國(guó)大陸80%以上中生代內(nèi)生金屬礦床分布在上地幔高導(dǎo)層隆起帶或其梯度帶上方.中國(guó)大陸東部含油氣盆地主體對(duì)應(yīng)上地幔隆起區(qū)，油氣田多位于隆起區(qū)上方或其邊部的過(guò)渡帶上；西部主體位于幔坳區(qū)，主要油氣田對(duì)應(yīng)盆地中心的幔坳向周邊幔隆過(guò)渡的梯度帶上；中部表現(xiàn)為僅盆地腹地對(duì)應(yīng)幔坳，盆地周邊對(duì)應(yīng)規(guī)模較大的上地幔隆起帶，主要油氣田位于隆起帶.總的來(lái)看內(nèi)生金屬礦床一般分布在上地幔隆起區(qū)靠近造山帶一側(cè),而油氣田一般分布在上地幔隆起區(qū)靠近盆地一側(cè).軟流圈的不斷上隆，造成巖石圈減薄、拉張，張性斷裂的出現(xiàn)成為地球深部物質(zhì)和熱量向地殼上部運(yùn)移的有利通道，為內(nèi)生金屬礦產(chǎn)的形成提供了成礦物質(zhì)和能量保障，也為含油氣盆地帶來(lái)了生烴催化劑、熱能和無(wú)機(jī)成因的石油與天然氣.地球深部超臨界流體的存在對(duì)上地幔高導(dǎo)層的形成、成礦物質(zhì)運(yùn)移可能發(fā)揮了重要作用.

大地電磁測(cè)深; 上地幔高導(dǎo)層; 電性巖石圈; 內(nèi)生金屬礦床; 油氣藏

1 引言

巖石圈包括地殼和軟流圈之上的上地幔高速蓋層，已被廣泛用作地球剛性外殼的代名詞.巖石圈與軟流圈之間存在的邊界被稱(chēng)作巖石圈-軟流圈界面(LAB).在對(duì)巖石圈進(jìn)行定量研究時(shí), 基于不同的物理化學(xué)性質(zhì)產(chǎn)生了不同的巖石圈定義，如力學(xué)巖石圈、熱巖石圈、地震學(xué)巖石圈、彈性巖石圈、化學(xué)巖石圈、巖石學(xué)巖石圈、電性巖石圈等(陳凌等,2007).在大陸巖石圈下，不同定義的巖石圈所確定的LAB常常存在較大的差異，顯示出大陸巖石圈下的LAB 具有復(fù)雜的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)，也顯示出不同方法各自所具有的局限性.依據(jù)上地?！败浟魅Α本哂械偷牡卣鸩ㄋ佟⒏唠妼?dǎo)率、高溫?zé)霟岷拖喈?dāng)強(qiáng)的塑性等特征，人們可以根據(jù)大地電磁測(cè)深所發(fā)現(xiàn)的上地幔高導(dǎo)層頂面深度給出電性巖石圈厚度的變化(魏文博等,2008).已有結(jié)果表明，在克拉通地區(qū)大地電磁測(cè)深所確定的LAB與熱-流變底部邊界具有較好的一致性，而后者是從力學(xué)的角度來(lái)定義的，因而與板塊構(gòu)造理論的定義更為接近(魏榮強(qiáng)和李午陽(yáng),2015)，這在一定程度上反映出依據(jù)上地幔高導(dǎo)層所確定的LAB的物理意義.

大陸內(nèi)部深層殼、幔結(jié)構(gòu)和構(gòu)造乃當(dāng)今地球科學(xué)研究的主體，它是研究與探索深部物質(zhì)與能量交換和運(yùn)移的基礎(chǔ)(滕吉文等,2014).中國(guó)大陸巖石圈由眾多小地塊所組成，經(jīng)歷了漫長(zhǎng)、曲折的演化過(guò)程，內(nèi)部結(jié)構(gòu)十分復(fù)雜，并由此派生出較強(qiáng)的構(gòu)造變形、巖漿活動(dòng)與內(nèi)生成礦作用(萬(wàn)天豐,2012).研究我國(guó)巖石圈電性特征，包括依據(jù)上地幔高導(dǎo)層所確定的LAB的分布特征，可以為認(rèn)識(shí)這些問(wèn)題提供重要信息.但目前多數(shù)成果集中在一定的地區(qū)范圍內(nèi)，對(duì)全國(guó)陸域范圍內(nèi)上地幔高導(dǎo)層的整體發(fā)育狀況與分布規(guī)律鮮有研究.筆者之一李立根據(jù)1994年前我國(guó)大地電磁測(cè)深調(diào)查結(jié)果編制了中國(guó)大陸30 km、90 km和150 km三個(gè)深度的電阻率圖以及殼內(nèi)高導(dǎo)層和上地慢高導(dǎo)層的頂面深度圖，并據(jù)此分析了中國(guó)大陸巖石圈的電性特征(李立,1996).在這項(xiàng)工作基礎(chǔ)上，本文補(bǔ)充了1995—2010年大地電磁實(shí)測(cè)資料，編制了新的中國(guó)大陸上地幔高導(dǎo)層頂面深度圖，并分析了上地幔高導(dǎo)層起伏形態(tài)與內(nèi)生金屬礦產(chǎn)及油氣藏的空間對(duì)應(yīng)關(guān)系.

2 上地幔高導(dǎo)層成因

隨著地下深度的增加，地溫逐漸上升，大約150 km深度范圍內(nèi)，高熱流密度地區(qū)地溫隨深度的增大上升快，低熱流密度地區(qū)地溫隨深度的增大上升慢；大于這一深度時(shí)，地溫隨深度變化的梯度減小(ВАНЪЯН,2001)(圖1).隨著深度的增加，地殼、上地幔的電阻率降低(圖2a)；高溫高壓地幔巖石的電性測(cè)試結(jié)果表明，巖石的電阻率隨溫度的升高而下降(圖2b)(Пархоменко,1989;李立等,1998a)；當(dāng)溫度達(dá)到巖石的初始熔融溫度(巖石的固相線)時(shí)，巖石電阻率急劇下降，因此，如果在上地幔的某一深度上地溫達(dá)到地幔巖石的初始熔融溫度(一般在1100～1200 ℃),則在相應(yīng)的層位上出現(xiàn)電阻率異?！系蒯８邔?dǎo)層.巖石的電阻率值對(duì)其熔融體狀態(tài)十分敏感，實(shí)驗(yàn)已證明,尖晶石二輝橄欖巖熔融物含量達(dá)到3%時(shí)，其電阻率值只有5 Ωm(金振民和白武明,1993)，接近上地幔高導(dǎo)層的電性值.而部分熔融物引起礦物顆粒邊界弱化，使上地幔流變強(qiáng)度和有效粘度減低，呈塑性的軟流層，多數(shù)人認(rèn)為它就是地幔中的軟流圈(路鳳香,1989)，也就是說(shuō)上地幔高導(dǎo)層大致對(duì)應(yīng)上地幔軟流圈.王傳遠(yuǎn)等(2005)根據(jù)目前對(duì)地球內(nèi)部壓力和溫度的估算結(jié)果，認(rèn)為在下地殼及深部，流體均處于超臨界狀態(tài)，超臨界流體有助于高礦化度流體、部分熔融、礦物顆粒反應(yīng)邊及點(diǎn)缺陷等的形成，這些都是造成高導(dǎo)層的主要因素.

由于大地電磁測(cè)深不受高阻層屏蔽的影響(如巨厚的玄武巖覆蓋地區(qū))，對(duì)高導(dǎo)層反應(yīng)靈敏，所以很容易確定軟流圈的頂界面，但由于軟流圈厚度一般都在100～200 km以上，且電阻率只有幾至幾十歐姆米(如圖3的中國(guó)39°線剖面所示，該剖面軟流圈厚度可達(dá)300 km)，目前大地電磁測(cè)深觀測(cè)所采用的頻率范圍內(nèi)，電磁波已被巨厚的軟流圈吸收，一般情況下達(dá)不到軟流圈底界面，但在有些地方上地幔高導(dǎo)層薄，可以探測(cè)到上地幔第二高導(dǎo)層.考慮到上地幔第一高導(dǎo)層頂界面指示的是地幔巖石的部分熔融深度(彭偉等，2012)，是塑性的軟流層，因此本文用基于大地電磁探測(cè)的上地幔第一高導(dǎo)層頂界面代表軟流圈頂界面，通過(guò)研究其埋藏深度、位置及其形態(tài)特征來(lái)判斷內(nèi)生金屬礦床及幔源油氣藏的有利地段.

圖1 大陸的地溫分布(據(jù)ВАНЪЯН,2001)Fig.1 The geothermal distribution of the continent (ВАНЪЯН,2001)

3 大地?zé)崃髦倒浪闵系蒯ｍ斆媛裆?/h2>

大地?zé)崃魇堑厍騼?nèi)熱向地表傳輸，并在地表單位面積上向外部空間散發(fā)的熱量，常以下式表示：

(1)

從上面公式可以看出，大地?zé)崃髦蹬c地溫梯度和巖石的導(dǎo)熱率成正比，而巖石電阻率又與地下深部的溫度密切有關(guān)，當(dāng)溫度達(dá)到巖石的初始熔融溫度(即巖石的固相線)時(shí)，其值急劇下降.dám(1978)統(tǒng)計(jì)了多個(gè)地區(qū)的大地?zé)崃髦蹬c上地幔頂面深度的關(guān)系，得出大地?zé)崃髦?Q)與上地幔頂面深度(HL)之間的經(jīng)驗(yàn)公式:

圖2 (a)大陸地殼和上地幔的綜合地電斷面(據(jù)ВАНЪЯН,2001)； (b)榴輝巖高溫高壓電阻率測(cè)試結(jié)果(據(jù)Пархоменко,1989;李立等,1998)Fig.2 (a) Geoelectric sections of continental crust and upper mantle (ВАНЪЯН,2001)； (b) Eclogite resistivity under high temperature and high pressure condition(Пархоменко,1989;Li et al. 1998)

圖3 中國(guó)沿北緯39°線的深部地球物理剖面(在Liu et al.2004年結(jié)果上補(bǔ)充了MT結(jié)果)Fig.3 Deep geophysical profile along the N39°line of China (added the MT on the basis of the result of Liu et al.2004)

(2)

式中HL為上地幔頂面埋藏深度(單位為km)，Q以HFU為單位的大地?zé)崃髦?目前我們使用的大地?zé)崃髦?Q′)的單位是mW·m-2，1HFU=41.87 mW·m-2.因此，公式(2)中的Q=Q′/41.87， 即

(3)

選擇了二條同時(shí)開(kāi)展大地電磁測(cè)深和大地?zé)崃鞴ぷ鞯牡貙W(xué)剖面，對(duì)大地?zé)崃髦倒浪愕纳系蒯ｍ斆嫔疃扰c大地電磁測(cè)深反演的上地幔高導(dǎo)層深度進(jìn)行了對(duì)比，一條是內(nèi)蒙古東烏珠穆沁旗—遼寧義縣地學(xué)剖面(史書(shū)林等,1991)，另一條是黑龍江黑河—吉林扶余地學(xué)剖面，對(duì)比結(jié)果見(jiàn)圖4和圖5.從圖中可以看出，用大地?zé)崃髦倒浪愕纳系蒯ｍ斆嫔疃?HL)與大地電磁測(cè)深反映的深度接近，其變化形態(tài)特征也基本一致，說(shuō)明dám經(jīng)驗(yàn)公式應(yīng)用在我國(guó)境內(nèi)是可行的.

為了進(jìn)一步證明利用大地?zé)崃髦倒浪闵系蒯ｍ斆嫔疃鹊目尚行?，選擇了地?zé)嵫芯砍潭容^高，大地?zé)崃髻Y料豐富，而大地電磁測(cè)深資料極少的塔里木盆地做了對(duì)比研究.馮昌格等(2009)利用塔里木盆地的大量地溫測(cè)井資料和巖石熱導(dǎo)率數(shù)據(jù),計(jì)算了塔里木盆地大地?zé)崃髦?獲得了全盆地的大地?zé)崃鲌D，而塔里木盆地大地電磁測(cè)深數(shù)據(jù)很少，只有1條地學(xué)斷面的4個(gè)大地電磁測(cè)深點(diǎn)和1個(gè)位于葉城凹陷內(nèi)的測(cè)深點(diǎn).用dám經(jīng)驗(yàn)公式，根據(jù)馮昌格發(fā)表的塔里木盆地大地?zé)崃髦倒浪懔嗽撆璧厣系蒯ｍ斀缑嫔疃?圖6).從圖中可見(jiàn)盆地內(nèi)的5個(gè)大地電磁測(cè)深獲得的上地幔高導(dǎo)層頂界面深度與根據(jù)大地?zé)崃鞴浪愕慕Y(jié)果吻合得很好，這也證明在沒(méi)有大地電磁測(cè)深資料的地區(qū)可利用大地?zé)崃髦倒浪闵系蒯ｍ斀缑嫔疃?

圖4 義縣—東烏珠穆沁旗大地電磁反演上地幔高導(dǎo)層深度與大地?zé)崃髦倒浪闵系蒯Ｉ疃葘?duì)比Fig.4 The depth of high conductive layer in upper mantle according to MT and the average heat flow along Yixian-East Ujimqin profile

圖5 黑龍江黑河—吉林扶余剖面大地電磁反演結(jié)果與大地?zé)崃鞴浪闵系蒯８邔?dǎo)層埋深對(duì)比Fig.5 The depth of high conductive layer in upper mantle according to MT and the average heat flow along Heihe-Fuyu profile

圖6 塔里木盆地上地幔頂界面深度圖(據(jù)馮昌格等(2009)大地?zé)崃髦倒浪?Fig.6 The top interface in upper mantle in Tarim basin (according to Feng et al. (2009) heat flow resluts)

鄧晉福等(2008)通過(guò)對(duì)比不同資料對(duì)巖石圈厚度的研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)，大地電磁測(cè)深與大地?zé)崃魉贸龅膸r石圈厚度吻合率高達(dá)80%(誤差在10%～15%以?xún)?nèi)).

因此，本文在部分較大的空白區(qū)收集了大地?zé)崃髦档馁Y料，用它的估算結(jié)果補(bǔ)充完善上地幔高導(dǎo)層頂界面深度.

4 中國(guó)大陸上地幔高導(dǎo)層的分布特征

4.1 中國(guó)大陸上地幔高導(dǎo)層頂面深度圖編制

在李立(1996)發(fā)表的中國(guó)大陸1°×1°上地幔高導(dǎo)層頂界面深度圖的基礎(chǔ)上，補(bǔ)充了1997—2010年期間，我們自己實(shí)測(cè)的大地電磁測(cè)深數(shù)據(jù)和國(guó)內(nèi)各種刊物公開(kāi)發(fā)表的大地電磁測(cè)深上地幔高導(dǎo)層頂界面深度,在部分較大的空白區(qū)補(bǔ)充了大地?zé)崃鲾?shù)據(jù).收集了青藏高原大地電磁測(cè)深資料(張勝業(yè)等,1996;孔祥儒等,1996;馬曉冰等,2001;劉宏兵等,2001;孫潔等,2003;譚捍東等,2004;趙國(guó)澤等,2004,2008;湯吉等,2005;馬曉冰等,2005;金勝等,2006,2009,2010;魏文博等,2006a,2009)；東北地區(qū)大地電磁測(cè)深資料(牛雪和盧造勛,1998;盧造勛等,2005;劉國(guó)興等,2006a,2006b;劉財(cái)?shù)?2009)；其他地區(qū)大地電磁測(cè)深資料(鄧前輝等,1990,2001;徐常芳,1996;李立等,1998a,1998b;趙國(guó)澤等,1997,1999,2009;詹艷等,2000,2004,2008;楊文采等,2005;朱介壽等,2005;魏文博等,2006b;于鵬等,2008;張森琦等,2008;葉高峰等,2009;張繼紅等,2010;王鑫等,2010)；大地?zé)崃鲾?shù)據(jù)(王鈞等,1995;馮昌格等,2009).將獲得的上地幔高導(dǎo)層頂界面深度，按經(jīng)緯度1°×1°的網(wǎng)度為單元，對(duì)網(wǎng)格內(nèi)所有測(cè)點(diǎn)上地幔高導(dǎo)層的深度求取平均值，作為相應(yīng)單元內(nèi)的上地幔高導(dǎo)層頂面深度值.本次參與編圖所用的1°×1°網(wǎng)度的上地幔頂面深度數(shù)據(jù)分布情況見(jiàn)圖7.從圖中可以清楚地看出東部地區(qū)的數(shù)據(jù)情況明顯要好于西部地區(qū)的，西部缺數(shù)據(jù)區(qū)域主要集中在高山地區(qū)，如昆侖山脈、阿爾金山、岡底斯山脈、念青唐古拉山等地區(qū).根據(jù)1°×1°經(jīng)緯網(wǎng)度的上地幔高導(dǎo)層頂面深度數(shù)據(jù)，編制了中國(guó)大陸上地幔高導(dǎo)層頂界面深度圖(圖8).

4.2 中國(guó)大陸上地幔高導(dǎo)層的分布特征

從圖8中可以看出，我國(guó)上地幔高導(dǎo)層頂面深度具有南北分帶、東西分塊的特征，以南北地震帶為界，東部淺，西部深；以西昆侖—秦嶺—大別山—上海為界，北部淺，南部深的分布態(tài)勢(shì).其深度變化很大，最淺處位于東北松遼盆地，深度為50～60 km，最深處位于長(zhǎng)沙-桂林一帶，深達(dá)230 km，平均深度約為100～120 km.根據(jù)中國(guó)大陸上地幔高導(dǎo)層頂界面深度的隆坳格局，將我國(guó)大陸劃分了27個(gè)上地幔高導(dǎo)層的隆起區(qū)(巖石圈的減薄區(qū))，每個(gè)隆起區(qū)根據(jù)所處位置進(jìn)行了命名，并統(tǒng)計(jì)了其頂面深度，結(jié)果見(jiàn)表1.從表中可以看出，上地幔高導(dǎo)層隆起區(qū)多數(shù)對(duì)應(yīng)于高熱流區(qū)與強(qiáng)地震分布區(qū)，具有活動(dòng)構(gòu)造帶的特征，多位于現(xiàn)今的裂谷、盆地構(gòu)造之下，深部的上地幔高導(dǎo)層與其上部的盆地、裂谷呈鏡像關(guān)系.例如華北裂谷盆地(江釗等,1990)(圖9)、汾渭裂谷(鄧晉福等,2008; 刑集善等,1989)(圖10)等.

圖7 中國(guó)大陸大地電磁測(cè)深研究程度圖Fig.7 The research intensity map of MT method in the continent of China

圖8 中國(guó)大陸上地幔高導(dǎo)層頂界面深度圖Fig.8 The depth of the top interface of the high conductive layer in upper mantle in the continent of China

編號(hào)隆起區(qū)上地幔高導(dǎo)層埋深(km)備注1松遼盆地?50～802海拉爾盆地?70～1003錫林浩特—東烏珠穆沁90～1004二連盆地?90～1005虎林—綏芬河?80～906華北裂谷盆地?55～907呂梁山北90～1008鄂爾多斯盆地?80～1009南襄—江漢盆地?73～9010蘇北盆地?60～9011贛閩(武夷山地區(qū))70～9012陽(yáng)江—河源—梅州?70～90三水盆地13康滇古陸(川西—滇中)80～10014汾渭地塹?80～9015阿拉善右旗—柴達(dá)木山90～11016昌都—玉樹(shù)—瑪多?100～12017敦煌盆地(敦煌—嘉峪關(guān))?90～10018額濟(jì)納旗—北天山—吐哈盆地?80～12019羌塘盆地(可可西里—阿爾金山之間)?80～10020措勤盆地?100～11021滇西地區(qū)70～10022準(zhǔn)格爾盆地?140～15023布爾津—阿勒泰地區(qū)130～14024巴楚地區(qū)(塔里木盆地西北端)110～13025且末地區(qū)100～12026若羌地區(qū)90～12027博斯騰湖—那拉提山100～120

注：*為上地幔高導(dǎo)層隆起區(qū)對(duì)應(yīng)于淺表已知含油氣盆地.

通過(guò)對(duì)上地幔高導(dǎo)層的研究發(fā)現(xiàn)，它們的埋深與分布不僅與內(nèi)生金屬礦產(chǎn)的分布有關(guān)，還與油氣藏的分布有關(guān).

圖9 華北裂谷盆地大地電磁測(cè)深結(jié)果(在江釗等1990的基礎(chǔ)上增加了新資料)Fig.9 MT result in the rift basin of NC (new data was added base on Jiang et al.1990)

5 上地幔高導(dǎo)層與內(nèi)生金屬礦產(chǎn)分布的關(guān)系

國(guó)內(nèi)外有關(guān)專(zhuān)家從不同的角度出發(fā)，研究了內(nèi)生金屬礦產(chǎn)的分布與深部構(gòu)造之間的關(guān)系(Щеглов,1990; 徐兆文等,1996).Щеглов通過(guò)對(duì)世界各地金屬礦產(chǎn)的研究認(rèn)為錫、鎢礦產(chǎn)一般富集于上地幔隆起的長(zhǎng)垣或地幔底辟上方，地幔隆起的斜坡上方(特別是陡傾的梯度帶上方)常易富集銅、鉛、鋅、鉬等礦產(chǎn).上部地幔的起伏受控于軟流圈的起伏(單家增等,1987).Щеглов還指出，上述地幔形態(tài)的不均勻形變有其繼承性，能長(zhǎng)期存在，它們對(duì)各時(shí)代礦藏的形成都是有利的.雖然地球物理探測(cè)的深部地電特征反應(yīng)現(xiàn)代的深部狀態(tài)，但由于發(fā)生在早期的深部地球物理場(chǎng)有它的存留性，不可能在短時(shí)間內(nèi)消失，就拿對(duì)巖石電阻率影響較大的溫度場(chǎng)來(lái)說(shuō)，并不是瞬間就能下降的，如果將巖石圈內(nèi)某一地段的溫度從軟流圈上涌時(shí)的1200 ℃(地幔巖石熔融狀態(tài)的最低溫度)降至500～600 ℃絕不是瞬間所能達(dá)到的.有人從理論上計(jì)算了古深部構(gòu)造存留的時(shí)間，至少可達(dá)2～3億年之久(葛良勝等,2009)，這與Щеглов所說(shuō)的地幔形態(tài)的不均勻性能長(zhǎng)期存在基本一致.下面舉兩個(gè)實(shí)例來(lái)說(shuō)明.

(1) 云南哀牢山地區(qū)用地球物理方法仍可清晰地識(shí)別出晚古生代至中生代早期發(fā)生的明顯的軟流圈上隆事件(葛良勝等,2009)，在早期軟流圈隆起的背景下，又疊加了晚期軟流圈隆起的效應(yīng)，并得出了該礦集區(qū)軟流圈多期脈動(dòng)隆起的成礦模型(圖11).

(2) 四川攀西古裂谷帶是加里東—印支期的古裂谷，初始形成于加里東期(500 Ma前)，海西早期擴(kuò)大張裂，印支末期-燕山期裂谷萎縮消亡(張洪榮和蔣航,1988).從大地電磁測(cè)深在攀西裂谷上的觀測(cè)結(jié)果(圖12)來(lái)看，總體上已觀測(cè)不到現(xiàn)代裂谷那樣強(qiáng)烈的熱流異常以及探不到底界的上地幔低阻異常(李立和金國(guó)元,1987)，但它還保留了軟流圈上隆的痕跡——上隆的很薄的上地幔高導(dǎo)層.除此，在古裂谷帶巖石圈內(nèi)得到巨厚的高阻異常，說(shuō)明這里曾經(jīng)有過(guò)大量的幔源巖漿巖上涌，現(xiàn)已冷卻形成了巨大的高阻異常.據(jù)張洪榮和蔣航(1988)的資料，攀西裂谷帶內(nèi)生金屬礦產(chǎn)的成礦時(shí)間貫穿于晚加里東期、海西期、印支期和燕山期，它的成穹期、破裂期、升降期及萎縮期都是內(nèi)生金屬礦產(chǎn)的成礦期.內(nèi)生礦產(chǎn)主要分布于裂谷軸部的斷裂帶上方，深部與曾經(jīng)的軟流圈上隆相對(duì)應(yīng).

圖10 汾渭地塹系上的大地電磁測(cè)深結(jié)果(據(jù)鄧晉福等,2008; 刑集善等1989)Fig.10 MT result in Fenwei graben system(Deng et al. 2008; Xing et al. 1989)

圖11 哀牢山礦集區(qū)殼幔結(jié)構(gòu)與礦產(chǎn)分布(葛良勝等,2009資料簡(jiǎn)化)Fig.11 Crust mantle structure and distribution of mineral resources at Ailao Mountain ore district (Simplified Ge et al.2009)

秦嶺地區(qū)是我國(guó)重要的成礦區(qū)之一，是研究礦產(chǎn)分布與深部構(gòu)造關(guān)系的有利地區(qū).物化探所于1997—1999年從深部電性特征的研究著手，探索了秦嶺地區(qū)深部地電結(jié)構(gòu)與內(nèi)生金屬礦產(chǎn)分布之間的關(guān)系(Li et al.,1999).從圖13中可以看出，礦床大部分位于上地幔高導(dǎo)層的突起或其兩側(cè)的陡傾梯度帶上方，其中的鉬、鎢礦床多位于突起上方，而銅、鉛、鋅、金、銻、汞等分布于上地幔高導(dǎo)層的陡傾梯度帶上方，上地幔高導(dǎo)層的凹陷區(qū)很少有內(nèi)生金屬礦產(chǎn)分布.

在此基礎(chǔ)上，我們又將中國(guó)內(nèi)生金屬成礦圖(郭文魁和劉夢(mèng)庚,1989)上的中生代以來(lái)的鎢、錫、鉬、銻、金、鐵、鉻、銅、鎳、鉛、鋅、汞12種元素的已知內(nèi)生金屬礦床疊合在中國(guó)大陸上地幔高導(dǎo)層頂界面深度圖上(圖14)，并對(duì)12種元素的礦產(chǎn)分別進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)，結(jié)果如圖15所示，不論哪種元素的內(nèi)生礦床80%以上分布在上地幔高導(dǎo)層頂界面梯度帶、隆起帶上方.軟流圈的不斷隆升，造成巖石圈減薄、拉張，張性斷裂的出現(xiàn)成為地球深部物質(zhì)和熱量向地殼上部運(yùn)移的有利通道.而地球深部存在超臨界流體，它能從礦源中萃取金屬和非金屬成礦元素，形成多組分的成礦混合溶液，由于它的溶解能力較強(qiáng), 能有效地溶解成礦物質(zhì)，而且極易與圍巖發(fā)生相互作用，形成各種構(gòu)造裂隙或次生溶孔，改善運(yùn)移條件，為成礦物質(zhì)搬運(yùn)起著重要的作用(王傳遠(yuǎn)等,2005).因此可以說(shuō)上地幔高導(dǎo)層頂界面梯度帶、隆起帶是地幔物質(zhì)上涌的通道，是形成內(nèi)生金屬礦產(chǎn)的有利地區(qū)；超臨界流體對(duì)成礦物質(zhì)運(yùn)移可能發(fā)揮了重要作用，深入研究上地幔高導(dǎo)層的形態(tài)，能為內(nèi)生金屬礦產(chǎn)的預(yù)測(cè)提供重要依據(jù).

圖12 攀西裂谷帶大地電磁測(cè)深推斷剖面圖 (據(jù)李立等,1987)Fig.12 MT section in the western Panzhihua rift belt (Li et al.1987)

6 上地幔高導(dǎo)層的隆坳格局與油氣藏的對(duì)應(yīng)關(guān)系

為了研究上地幔高導(dǎo)層的分布與已知油氣藏是否存在某種對(duì)應(yīng)關(guān)系.將現(xiàn)已發(fā)現(xiàn)的油氣田以及含油氣盆地與全國(guó)上地幔高導(dǎo)層深度圖疊合在一起(見(jiàn)圖14)，從圖14和表1可以看到如下規(guī)律：我國(guó)東部地區(qū)主要含油氣盆地主體對(duì)應(yīng)上地幔高導(dǎo)層隆起區(qū)，油氣田多位于隆起區(qū)上方或其邊部的過(guò)渡帶上，如松遼盆地、渤海灣盆地、二連盆地等.西部地區(qū)大型盆地主體位于幔坳區(qū)，如塔里木盆地，主要油氣田對(duì)應(yīng)于盆地中心的幔坳向周邊幔隆過(guò)渡的梯度帶上；中部地區(qū)主要含油氣盆地表現(xiàn)為僅盆地腹地對(duì)應(yīng)幔坳，盆地周邊地區(qū)對(duì)應(yīng)規(guī)模較大的上地幔高導(dǎo)層隆起區(qū)，如鄂爾多斯盆地，主要油氣田就位于上地幔高導(dǎo)層隆起區(qū).這一特征與中國(guó)東部多熱盆、西部多冷盆、中部多中熱盆的盆地?zé)峤Y(jié)構(gòu)特征一致(羅志立,1999).

圖13 秦嶺地區(qū)上地幔高導(dǎo)層深度(據(jù)Li et al.1999)與中生代內(nèi)生金屬礦床的分布(據(jù)郭文魁等,1989;徐兆文等,1996)Fig.13 The depth of high conductive layer in upper mantle (Li et al.1999) and distribution of the Mesozoic endogenetic metallic ore in Qinling area (Guo et al.1989;Xu et al.1996)

圖14 中國(guó)大陸上地幔高導(dǎo)層頂界深度與已知內(nèi)生金屬礦、油氣田分布1松遼盆地；2二連盆地；3海拉爾盆地；4虎林盆地；5三江盆地；6華北裂谷盆地；7南華北盆地；8鄂爾多斯盆地；9蘇北盆地；10四川盆地；11額濟(jì)納旗—銀根盆地；12柴達(dá)木盆地；13準(zhǔn)噶爾盆地；14塔里木盆地；15羌塘盆地；16措勤盆地.Fig.14 The depth of high conductive layer in upper mantle and the distribution of endogenetic metallic ore and oil gas field in the continent of China

圖15 上地幔高導(dǎo)層的形態(tài)與內(nèi)生金屬礦產(chǎn)分布的相關(guān)圖Fig.15 Correlogram of the pattern of high conductive layer in upper mantle and endogenetic metallic ore distribution

地殼深部構(gòu)造及其演化控制著盆地的形成，進(jìn)而控制著盆地內(nèi)油氣的生成、運(yùn)移和聚集.軟流圈的隆起，使巖石圈拉伸變薄，會(huì)造成基底發(fā)生裂陷或坳陷成盆.如松遼盆地的形成過(guò)程就是由于庫(kù)拉—太平洋板塊向歐亞大陸之下俯沖，導(dǎo)致地幔隆起促使地殼拆沉減薄，同時(shí)導(dǎo)致上地殼伸展沉降及其后期的熱沉降，形成大型斷陷、坳陷盆地，表現(xiàn)出盆地整體凹陷與地幔凸起成鏡像關(guān)系(云金表等,2003)(圖16).軟流圈的隆起常伴有地幔底辟的產(chǎn)生，使巖石圈拉張變薄，形成一系列大體平行的深大斷裂束(多為近于直立的正斷層)，由于斷裂密集，形成了一個(gè)高滲透帶，深部的巖漿、氣體、液體可以大規(guī)模上涌，并在地殼內(nèi)的有利地段富集成藏.深反射地震資料就揭示松遼盆地深部可能有熱流底辟體由上地幔進(jìn)入地殼上部(云金表等,2003).來(lái)自地幔的流體( 包括二氧化碳和大量烴等氣體) 不僅可以直接形成天然氣藏, 也有利于盆地內(nèi)生物的大量繁殖, 并為生物有機(jī)質(zhì)生烴演化提供溫度條件( 李楊鑒等,1996).

圖16 上地幔高導(dǎo)層隆起與淺部盆地的鏡像關(guān)系示意圖Fig.16 The image relationship between the uplift of high conductive layer in upper mantle and shallow basin

近年來(lái)一系列油田的原油微量元素分析發(fā)現(xiàn)，源于地幔流體的異常高的金屬微量元素，它們不是源于沉積巖(戴金星等,1995;滕吉文等,2009)，例如：塔里木油田原油中的V、Ni；塔里木油田瀝青中的Pb、Sr、Nd；勝利油田原油中的Au；遼河油田原油中的Pb、Sr、Nd；大慶油田原油中的金屬U等等.油氣中常含或伴生有多種可能來(lái)自地球深部的氣體或金屬元素等，揭示了它們?cè)诔梢蛏嫌兄欢ǖ年P(guān)聯(lián).對(duì)這種現(xiàn)象的解釋目前存在兩種觀點(diǎn)：一是認(rèn)為油氣或伴生的金屬元素可能都來(lái)源于深部地幔，油氣是無(wú)機(jī)成因的.這種無(wú)機(jī)生油假說(shuō)已經(jīng)得到地質(zhì)實(shí)地觀察、化學(xué)室內(nèi)合成和工業(yè)生產(chǎn)等方面的支持(袁學(xué)誠(chéng)和李善芳,2012).根據(jù)化學(xué)熱力學(xué)理論分析，只有當(dāng)壓力大于3×106kPa(相當(dāng)于地表下深度大于100 km處)，溫度大于700 ℃時(shí)，H-C體系才能生成乙烷及更重的碳?xì)浠衔?松遼盆地和塔里木盆地都發(fā)現(xiàn)了非生物成因烴類(lèi)物質(zhì)的跡象(郭占謙等,1998;王先彬等,2009).還有一種觀點(diǎn)認(rèn)為來(lái)自深部的超臨界水提供了大量的氫離子,使有機(jī)質(zhì)熱解生成的碎片能立即加氫而穩(wěn)定,尤其是對(duì)貧氫的腐質(zhì)型有機(jī)質(zhì)導(dǎo)致了液態(tài)烴產(chǎn)率的提高，同時(shí)溶解和擴(kuò)散能力很強(qiáng)的深部熱流體所攜帶的高熱能可使沉積盆地的地溫升高, 加快烴源巖的熱演化, 促進(jìn)油氣的生成(王傳遠(yuǎn)等,2005).

總之，油氣田的成礦環(huán)境也與深部動(dòng)力環(huán)境、深部物質(zhì)的運(yùn)移有關(guān),使油氣田的產(chǎn)出位置與軟流圈上隆或地幔底辟的分布存在空間上的對(duì)應(yīng)關(guān)系.中國(guó)已發(fā)現(xiàn)的油氣田多與活動(dòng)斷裂相伴分布，表明油氣田分布與現(xiàn)今地殼運(yùn)動(dòng)存在著內(nèi)在聯(lián)系(彭威和郭占謙,2001)，這也許是這種對(duì)應(yīng)關(guān)系的地表顯現(xiàn).

無(wú)論是內(nèi)生金屬礦床的分布,還是油氣田的分布都與軟流圈隆起區(qū)存在空間上的對(duì)應(yīng)關(guān)系.但二者在空間位置上并未重疊,前者分布在上地幔隆起區(qū)靠近造山帶一側(cè),后者分布在上地幔隆起區(qū)靠近盆地一側(cè), 在空間上形成了“礦包油”的態(tài)勢(shì).來(lái)自地球深部的物質(zhì)和熱量，不僅在含油氣盆地周邊的造山帶中形成了熱液礦床，同時(shí)還為含油氣盆地帶來(lái)了生烴催化劑和無(wú)機(jī)生成的石油與天然氣，就是熱液礦床與油氣田相伴分布的緣故與內(nèi)在聯(lián)系(郭占謙,2001).

7 結(jié)論

(1)我國(guó)大陸上地幔高導(dǎo)層頂面深度分布具有南北分帶、東西分塊的特征，總體表現(xiàn)為東部淺，西部深，北部淺，南部深.上地幔高導(dǎo)層頂面深度變化很大，最淺位于東北的松遼盆地，深度僅50～60 km；最深位于長(zhǎng)沙-桂林一帶，深達(dá)230 km，平均深度一般為100～120 km.根據(jù)其分布形態(tài)特征，將我國(guó)大陸上地幔高導(dǎo)層劃分出27個(gè)隆起區(qū).

(2)我國(guó)大陸中生代內(nèi)生金屬礦床的分布與上地幔高導(dǎo)層的隆坳格局有很好的相關(guān)性，80%以上的內(nèi)生金屬礦產(chǎn)分布于上地幔高導(dǎo)層隆起帶上方或其梯度帶上方.

(3)我國(guó)大陸含油氣盆地分布特征具有明顯的三分性.東部地區(qū)含油氣盆地主體對(duì)應(yīng)上地幔隆起區(qū)，油氣田多位于隆起區(qū)上方或其邊部的過(guò)渡帶上；西部地區(qū)主體位于幔坳區(qū)，油氣田多對(duì)應(yīng)于盆地中心的幔坳向周邊幔隆過(guò)渡的梯度帶上；中部地區(qū)表現(xiàn)為僅盆地腹地對(duì)應(yīng)幔坳，盆地周邊對(duì)應(yīng)規(guī)模較大的上地幔隆起區(qū)，主要油氣田位于上地幔隆起區(qū).無(wú)論是內(nèi)生金屬礦床的分布,還是油氣田的分布都與上地幔隆起區(qū)存在空間上的對(duì)應(yīng)關(guān)系，前者分布在上地幔隆起區(qū)靠近造山帶一側(cè),后者分布在上地幔隆起區(qū)靠近盆地一側(cè).

(4)上地幔隆起區(qū)是地球深部的物質(zhì)和熱量向地殼上部運(yùn)移的有利通道，為內(nèi)生金屬礦產(chǎn)的形成提供了成礦物質(zhì)和能量的保障，也為含油氣盆地帶來(lái)了生烴催化劑、熱能和無(wú)機(jī)生成的石油與天然氣.地球深部超臨界流體的存在對(duì)上幔高導(dǎo)層的形成、成礦物質(zhì)運(yùn)移可能發(fā)揮了重要作用.

(5)充分利用已有的深部地球物理資料，進(jìn)一步開(kāi)展區(qū)域三維大地電磁測(cè)深工作，獲得上地幔高導(dǎo)層更精細(xì)的空間發(fā)育狀態(tài)，可為尋找新的大型金屬礦產(chǎn)與油氣藏提供重要依據(jù).

致謝 成文過(guò)程中，中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局發(fā)展研究中心袁學(xué)誠(chéng)教授提出了很多寶貴意見(jiàn)和建議；外審專(zhuān)家提出了寶貴的修改意見(jiàn)，在此一并表示感謝.

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(本文編輯 胡素芳)

The relationship between high conductive layer in upper mantle and endogenous metallic ore and petroleum reservoir

1TheInstituteofGeophysicalandGeochemicalExploration(IGGE),LangfangHebei065000，China2TheGeophysicalElectromagneticDetectionTechnologyKeyLaboratoryofMinistryofLandandResources,LangfangHebei065000，China

The boundary between lithosphere and asthenosphere is called the lithosphere asthenosphere boundary (LAB), which is one of the most important interfaces of earth layer structure. The internal structure of continental lithosphere of China is very complex after a long evolution. Studies on the structure and properties of LAB of the continental lithosphere can provide important information for understanding the structure of lithosphere and crust mantle interaction. According to the upper mantle high conductive layers based on the magnetotelluric sounding results, the spatial distribution of electric lithospheric LAB can be given. However most scholars are concentrated in a certain area by now, there are only few studies on the overall development status and distribution of the high conductive layers in the upper mantle of continental lithosphere of China.According to the magnetotelluric sounding survey results of China before 1994, one of the authors of this paper Li Li had compiled the top surface depth map of high conductive layer in the upper mantle of continental lithosphere of China to analyze the electrical characteristics of the continental lithosphere of China. Based on this work, we add the results of high conductive layers in the upper mantle from 1995 to 2010, including the inversion results of magnetotelluric sounding data from our field works and publications, and the depth in the upper mantle from the heat flow data in the gap zones. For a 1 by 1 degree network, we calculate the average depth of the grid data of all upper mantle high conductive layers, then finish the new top surface depth map of the upper mantle high conductive layers of China.The depth of the upper mantle high conductive layers changes greatly in China, it appears as zones in northern-southern direction, and blocks in eastern-western direction. Overall, in the northern and eastern China the depths of upper mantle high conductive layers are relatively shallow, and in the southern and western China are relatively deep. The shallowest place is located in Songliao basin, about 50～60 km, the deepest place is located at Changsha-Guilin belt, about 230 km, and the average depth of upper mantle high conductive layers is about 100～120 km. According to the distribution of upper mantle high conductive layers, Chinese continent can be divided into 27 uplift units, the top surface depth map of upper mantle high conductive layers reflects the overall characteristics of the lithospheric thickness in Chinese continent. Comparing its distribution and the distribution of metallic ore, oil and gas fields in China, we have found that there are great correlations between the distribution of Mesozoic endogenous metallic ore deposit and the upper mantle high conductive layers uplift and depression pattern in China, about 80% of the metallic ore deposit are located in the upper mantle high conductive layers uplift areas. In eastern China, most of the petroliferous basins are located in the upper mantle high conductive layers areas, and most of the oil and gas field are above the uplift area or on the transitional zones of the edge; In Western China, most of the petroliferous basins are located in the mantle depression areas, the main oil and gas fields are located in the gradient belt of the transition areas; In Central China, only the interior of petroliferous basins are corresponding to the mantle depression areas, oil and gas fields are mainly located in the uplift areas. In general, there are space correlations between the distribution of endogenous metal ore deposit or the distribution of oil and gas fields and the asthenosphere upwelling areas, most of the endogenous metal ore deposits are distributed in the side of the upper mantle uplift area close to the orogenic belt, while most of the oil and gas fields are distributed in the upper mantle uplift near the basin side, formed “metallic ore surrounding petroleum” pattern in the space.The extensional faults generated by the uplift of the upper mantle high conductive layers is the main passageway of earth interior material and energy migrating to the upper crust, not only provided ore-forming materials and energy for the formation of endogenous metal mineral deposit, but also brought the catalyst for hydrocarbon generation, heat, inorganic oil and gas for petroliferous basin. The existence of supercritical fluid in deep earth may play an important role for the formation of upper mantle conductive layers and ore-forming material migration.

Magnetotelluric sounding； High conductive layers in upper mantle； Electric lithosphere； Endogenous metallic ore； Petroleum reservoir

10.6038/cjg20150629.

10.6038/cjg20150629

P542,P631

2014-02-20，2015-04-07收修定稿

國(guó)家深部探測(cè)技術(shù)與實(shí)驗(yàn)研究專(zhuān)項(xiàng)(SinoProbe-01-04)，中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局項(xiàng)目(1212011120971)，國(guó)土資源部公益性行業(yè)科研專(zhuān)項(xiàng)(200811039)聯(lián)合資助.

鐘清，女，1966年生，博士，教授級(jí)高工，主要從事地球物理綜合研究.E-mail:zhongqing@igge.cn

鐘清，方慧，楊辟元等.2015.上地幔高導(dǎo)層與內(nèi)生金屬礦產(chǎn)及油氣藏的關(guān)系.地球物理學(xué)報(bào)，58(6):2160-2176,

Zhong Q, Fang H, Yang P Y, et al. 2015. The relationship between high conductive layer in upper mantle and endogenous metallic ore and petroleum reservoir.ChineseJ.Geophys. (in Chinese),58(6):2160-2176,doi:10.6038/cjg20150629.