嚴加永 , 張永謙 , 羅 凡 , 佘京瑾 , 姜昶旭 , 劉家豪

1)中國地質科學院, 北京 100037; 2)中國地質調查局中國地質科學院地球深部探測中心, 北京 100037;3)東華理工大學地球物理與測控技術學院, 江西 南昌 330013

地殼均衡是基于流體靜力平衡原理的一種假說, 認為地殼是由許多厚度不同的巖塊組成, 這些巖塊漂浮在密度較大的可塑性的巖漿上, 并按照阿基米德原理處于平衡狀態(tài), 即大陸和山區(qū)在平均海平面以上質量的過剩和海洋區(qū)海平面以下質量的不足, 要用密度較大的巖漿(一般在大陸區(qū)坳陷較深,海洋區(qū)相對隆起)來補償, 亦即地面上大面積的質量增減必然在地下有所補償(Heiskanen and Moritz,1967)。根據(jù)均衡重力異常形態(tài), 可以按其大小來判斷該處地殼深處是否達到了均衡狀態(tài), 當?shù)貧ぬ幱谕耆鉅顟B(tài)時, 均衡異常應接近于零; 反之, 地殼處于不均衡狀態(tài), 地面將出現(xiàn)較大的或正或負的均衡重力異常值。不均衡狀態(tài)勢必導致均衡運動的產生, 因此, 研究均衡重力異常有助于了解地殼深處結構及構造活動的特點。

華南大陸位于歐亞大陸東南端, 其北側以秦嶺—大別造山帶和郯廬斷裂帶為界與華北克拉通相鄰,西側以龍門山斷裂和紅河斷裂為界與青藏高原相鄰,東南側瀕臨太平洋。華南陸塊是全球新元古代以來地質演化歷史最復雜的地區(qū)之一, 經歷了多階段超大陸的聚合與裂解過程, 古生代、中生代復雜的碰撞、陸內造山過程, 以及隨后的伸展過程, 是創(chuàng)新大陸地質理論、認識大陸演化過程的經典地區(qū)(趙國春和張國偉, 2021)。雖然對華南陸塊的研究已持續(xù)近百年, 但在諸多問題上仍存在較大爭議, 比如,在前寒武紀基底組成、塊體劃分、揚子與華夏地塊俯沖-碰撞演化過程, 古生代造山屬性、中生代構造體制轉換過程、晚中生代古太平洋俯沖樣式, 以及構造-巖漿過程、多金屬成礦系統(tǒng)結構與深部制約等方面還存在諸多疑問, 亟需進一步的深化研究。本文嘗試利用衛(wèi)星布格重力計算均衡剩余重力異常,分析華南陸塊均衡程度, 探討其對華南陸塊動力學過程、地震形成及對礦產分布的制約。

1 地質構造背景

華南陸塊是歐亞板塊重要的地質塊體, 位于其東南一隅, 西部以龍門山斷裂為界與松潘—甘孜相連, 北部分別以襄樊—廣濟斷裂和郯廬斷裂與秦嶺—大別造山帶與華北克拉通相接, 南西以越南馬江斷裂與東南亞塊體相連(圖1)。華南陸塊由揚子、華夏地塊和江南造山帶組成, 普遍認為江南造山帶是新元古時期揚子與華夏地塊聚合、碰撞形成的造山帶。相對于穩(wěn)定的揚子地塊, 華夏地塊自新元古代以來, 經歷了多期復雜的構造運動, 包括: 古生代的陸內造山、早中生代華南板塊分別與華北和印支地塊的碰撞造山、區(qū)域構造(特提斯向古太平洋)體制的轉換, 和晚中生代古太平洋板塊的俯沖等, 是全球最復雜的大陸構造變形-變質區(qū)(張國偉等,2013)。目前, 關于華南構造變形事件的區(qū)域動力學背景、重大造山過程的細節(jié), 以及構造事件的深部過程尚未達成一致, 需要更多的深部數(shù)據(jù)、精細的年代學數(shù)據(jù)和細致的野外觀察。

圖1 華南區(qū)域構造地質地形圖(修改自Shi et al., 2015)Fig. 1 Regional tectonic and geological map of South China block overlapped on DEM (modified from Shi et al., 2015)

與多期構造運動相對應, 華南自新元古代(970～750 Ma)的巖漿事件之后, 經歷了多期巖漿活動。早古生代(加里東期)的陸內造山過程產生了一次明顯的巖漿活動, 花崗巖在 450～430 Ma時期達到頂峰, 主要呈面狀分布, 以 S型為主, 源自地殼的深熔作用。主要出露于武夷—云開、萬洋山—諸廣山等地區(qū), 出露面積達2萬km2。早中生代(印支期)花崗巖以強過鋁花崗巖和弱過鋁花崗巖為主(約占 90%), 年齡分布范圍在 250～205 Ma之間, 主要為S型和I型, 主要分布在桂東南、湖南、贛南、粵北、閩西等, 整體上呈面狀分布, 出露面積約1.43萬 km2。由于缺乏高精度年代學資料, 不同學者對印支期花崗巖形成的構造背景、時空分布規(guī)律仍無統(tǒng)一的認識。

晚中生代早期(180～142 Ma, 燕山早期)巖漿活動最為強烈, 巖石類型多樣(S、I和 A型), 南嶺地區(qū)W-Sn-Nb-Ta-Sb-Bi有色-稀有金屬成礦“大爆發(fā)”與之密切相關。這一期的巖漿巖主要出露在粵、閩、湘、贛等地區(qū), 主體呈北東向分布, 南嶺地區(qū)表現(xiàn)為近東西向。晚中生代晚期(140～67 Ma, 燕山晚期),巖漿活動主要出露在浙、閩、粵沿海及長江中下游等地區(qū)。巖性主要為準鋁、弱過鋁鈣堿性花崗巖, 東南沿海 Cu-Au-Ag-Pb-Zn多金屬成礦作用和長江中下游的 Cu-Fe-Au-S-Pb-Zn多金屬成礦作用與之密切相關。與這些花崗巖同期有兩倍以上的流紋質火山巖出露, 分布在東南沿海地區(qū), 而且具有從內陸向沿海年代漸新、地幔組分加入漸多的趨勢。這些火山巖在東南沿海形成巨型的火山機構, 但巨型火山機構的形成機制及相關的成礦作用還缺乏深入的研究。

華南是我國稀有、稀土和戰(zhàn)略性礦產資源的“大糧倉”, 其中鎢錫銻鉍儲量居世界第一, 銅鈾釩鈦汞鈮鉭等稀有金屬儲量居全國第一, 鉛鋅金銀鉑族元素等在全國名列前茅(胡瑞忠等, 2015)。與華南復雜的構造-巖漿作用密切相關的是豐富多彩的成礦系統(tǒng), 空間上形成了具有明顯成礦特色和金屬組合的成礦系統(tǒng), 主要包括: 南嶺的W-Sn-Nb-Ta-Sb-Bi有色-稀有金屬成礦系統(tǒng), 浙中—武夷山的 Cu-Au-Ag-Pb-Zn多金屬成礦系統(tǒng), 長江中下游的Cu-Fe-Au-S-Pb-Zn多金屬成礦系統(tǒng), 欽杭東段的 Cu-Au-Pb-Zn-Ag多金屬成礦系統(tǒng)和江南隆起W(Sn)-Cu多金屬成礦系統(tǒng)等。時間上, 各成礦系統(tǒng)有明顯的分期性: 南嶺成礦主要為 165～150 Ma之間, 長江中下游成礦主要為145～130 Ma,欽杭東段成礦集中為 150～142 Ma, 而浙中—武夷山成礦主要為165～150 Ma和110～90 Ma兩期?？傮w來看, 各成礦系統(tǒng)的深部過程和構造背景長期以來尚未達成一致認識。

2 數(shù)據(jù)

均衡重力異常、均衡深度計算需要布格重力異常、高程數(shù)據(jù)和地殼密度等數(shù)據(jù), 布格重力異常采用衛(wèi)星重力數(shù)據(jù)解算校正結果, 高程數(shù)據(jù)采用ETOPO1地形數(shù)據(jù), 殼幔密度差等物性數(shù)據(jù)采用Crust1.0 模型(羅凡等, 2022)。

重力數(shù)據(jù)本身蘊涵了豐富的地下信息, 對其處理可以用于分析地球動力學(馬國慶等, 2019)、礦產資源勘查(王彥國等, 2017)等多個領域。由于傳統(tǒng)陸地重力測量方法在水域、高海拔等艱苦區(qū)域難于開展, 故中國大陸目前地面重力還沒有完全覆蓋, 無法為大尺度研究提供完備數(shù)據(jù)。衛(wèi)星重力雖然精度相對較低, 但覆蓋面積廣, 數(shù)據(jù)獲取方便。衛(wèi)星重力一般為自由空氣異常, 通過加上地形改正和減去中間層改正值, 即可解算出地面布格重力異常, 黃宗理等(2016)通過試驗, 認為其精度相當于地面觀測1: 50萬比例尺的布格重力異常。世界上各大研究機構以三大專業(yè)重力衛(wèi)星 CHAMP、GRACE及GOCE獲取的海量衛(wèi)星重力數(shù)據(jù)為基礎, 結合常規(guī)測量方式的重力數(shù)據(jù), 建立了 EIGEN、GGM 及EGM 等不同系列的地球重力場模型(Luo et al.,2020)。不同的地球重力場模型采用的數(shù)據(jù)來源不同,產生的重力數(shù)據(jù)的異常精度和空間分辨率不一樣。根據(jù)球諧理論, 球諧展開次數(shù)越高, 產生的數(shù)據(jù)異常精度和分辨率越高。為選取重力異常精度和空間分辨率高的地球重力場模型的重力數(shù)據(jù), 對GFZ公開發(fā)布的超高階(＞1000階)地球重力場模型的重力異常精度和空間分辨率進行對比(萬曉云等, 2017)。綜合重力異常精度、空間分辨率、研究區(qū)范圍及計算效率問題, 本文選取高階重力場模型EIGEN-6C4中重力觀測數(shù)據(jù)和全球地形起伏模型ETOPO1的地形高程數(shù)據(jù)解算布格重力異常。同時, 由于該地形數(shù)據(jù)包括海底地形, 在計算均衡深度的過程中所需高程也采用該地形數(shù)據(jù)(圖1)。

地面布格重力異常數(shù)據(jù)校正是在平面直角坐標系下進行的, 一般不考慮地球曲率的影響。對于大尺度布格重力計算, 江麗(2014)通過實驗對比,發(fā)現(xiàn)在大于30 km區(qū)域使用球面重力校正方法進行校正, 能顯著提高重力地形校正精度。華南研究區(qū)東西長1900余 km, 南北寬1300多km, 對于如此大范圍的重力異常求取更需要基于球坐標的解算方法。本文利用羅凡等(2019)根據(jù) Uieda et al.(2016)提出的 Tesseroid模型基礎上完善的球坐標計算方法解算了華南布格重力異常(圖 2), 異常精度與地面1:20萬重力上延7 km相當(羅凡, 2022), 網格間距為5600 m。

3 方法與結果

3.1 均衡剩余重力異常

均衡重力是一普遍的地球物理現(xiàn)象, 曾提出過多種均衡假說, 其中應用最廣的是Airy假說和Pratt假說, 經大量研究實驗(張赤軍等, 2013; 陳石等,2014)表明合理的均衡模型產生的均衡效應幾乎相同。這是由于所有均衡模型的補償質量都是相等的,而且又分布在較大的深度上, 它們在大地水準面上的重力效應因為被距離平滑過, 使得不同均衡模型產生的均衡改正之間的差值就變得很小。此外, 地殼均衡模型和模型參數(shù)的變化僅對均衡改正值在長波長上產生微小變化, 而對均衡重力異常的短波長異常沒有太大影響。

由于均衡補償?shù)淖饔? 在正常地殼的底部形成了山根與反山根, 將消除山根與反山根剩余物質所產生的重力影響稱為均衡校正。均衡校正的本質是對已經去除大地水準面之上的地形起伏影響的質量差異外的布格重力異常, 進一步考慮水準面到均衡面之間的地殼密度補償?shù)挠绊?李姍姍等, 2004)。均衡剩余重力異?？赏ㄟ^布格異常進行均衡校正獲得,其計算表達式如下所示:

式(1)中, △gIC為均衡剩余重力異常, △gB為布格重力異常, AC為地殼的垂向補償運動之后的重力值與地殼正常厚度時的重力值之差, 即均衡重力校正值。

在計算均衡重力校正值時, 略去幾乎可以忽略的遠區(qū)量級很小的均衡重力影響值后, 求解均衡重力校正值的實質即為: 計算由補償界面 h(x, y)和補償密度σ(x, y)所產生的三維重力場, 通過馮銳等(1987)對 Parker公式(Parker, 1973)改進后的頻率域中重力場的快速正演公式, 即可快速實現(xiàn)均衡重力校正值的計算, 下式為計算公式:

式中F[·]為括號內變量的二維傅里葉變換, k為波數(shù)場, D是正常補償面深度。

計算均衡重力的地形采用圖1所示的ETOPO1高程數(shù)據(jù), 該數(shù)據(jù)由NGDC美國地球物理中心發(fā)布,與Srtm、Aster Gdem一樣, 均為高程數(shù)據(jù), 所不同的是它還包括海洋海底地形數(shù)據(jù), 非常適合研究區(qū)范圍包括海域的均衡重力計算。根據(jù)Crust1.0結果,統(tǒng)計了研究區(qū)殼幔密度及密度差: 陸殼平均密度2.824 g/cm3, 洋殼平均密度2.877 g/cm3, 地幔平均密度3.3 g/cm3, 因此, 陸地殼幔密度差為0.476 g/cm3,洋殼殼幔密度差為 0.433 g/cm3。陸域平均Moho深度為 34.67 km, 海域平均 Moho深度為23.925 km。陸域高程平均值為395 m, 海域平均水深646 m。

根據(jù)式(2), 取 D為 34.67, 計算的均衡重力校正值, 采用經過球坐標系下校正后獲得的去除掉沉積層的布格重力異常(圖 2), 經過計算得到華南均衡剩余重力異常(圖3)。

圖2 基于球坐標解算的華南衛(wèi)星布格重力異常Fig. 2 Bouguer gravity anomalies of South China block calculated using satellite gravity calculation under spherical coordinates

圖3 華南陸塊均衡剩余重力異常Fig. 3 Residual isostatic gravity anomalies of South China block

3.2 均衡深度異常

通過基于經典的 Airy地殼均衡理論計算相應均衡狀態(tài)下該區(qū)應有的理論均衡地殼厚度, 并與已有研究成果中利用布格重力異常資料計算得到的地殼厚度進行對比, 是另外一種分析地殼均衡狀態(tài)的方法(張永謙, 2010a)。本文以陸地為例, 介紹均衡深度異常計算原理、方法與步驟。

根據(jù)浮力原理, 大陸山區(qū)的均衡條件為:

由(3)式可解出

上面兩式中, H為地表高程, ρc為地殼平均密度,ρm為地幔密度,σm-c為殼幔密度差, t為山根厚度,該式說明在地殼均衡狀態(tài)下, 山越高巖柱陷入越深并形成山根, 即為山體的“質量盈余”, 由山根排開巖漿所引起的質量“虧損”來補償。

大陸地區(qū)理論地殼厚度(TCT)可以表示為下式:

T為標準均衡地殼厚度, 通過上述均衡模型可以看出, 均衡重力異常是與地殼垂向的重力均衡補償運動密切相關。在地殼厚薄不同的地區(qū), 由于靜壓力不平衡, 地殼物質在重力作用下會產生垂向均衡補償運動。由于地殼物質的驅動力為垂向靜壓應力差, 當垂向靜壓差平衡, 地殼垂向補償運動終止。

(1)“山根”厚度t的確定

前人一般取地殼平均密度σ0=2.67 g/cm3, 地幔平均密度σ1=3.27 g/cm3, 海水密度=1.027 g/cm3, 洋殼平均密度=2.67 g/cm3, 代入公式(4), 陸地區(qū)t＝4.45 H, 計算的山根值與高程呈線性關系。但實際的地殼密度是橫向變化的, 需要考慮地殼密度的橫向變化。Crust1.0地殼模型提供了全球1°×1°的分層地殼密度信息, 在一定程度上反映了地殼密度的橫縱兩個方向上的變化(Laske et al., 2013)?；诖?本文將華南作為一個整體, 運用 Crust1.0地殼模型提供的橫向變密度信息對華南地質單元的重力均衡狀態(tài)進行分析: 首先對 Crust1.0提供陸地地殼密度和殼幔密度差分布進行插值, 插值點距與地形數(shù)據(jù)一致, 然后根據(jù)公式(4)計算變密度的山根厚度 t(圖4)。

圖4 華南陸塊變密度計算的山根厚度(t)Fig. 4 Root thickness (t) calculated by variable density in the South China block

(2)標準均衡地殼厚度T的確定

根據(jù) Airy均衡模型理論, 在重力均衡的地區(qū),其TCT與M是一致的。因此, 在進行地殼標準均衡厚度 T的確定時, 應以均衡(穩(wěn)定)地區(qū)的實際地殼厚度M為依據(jù), 從而確定該區(qū)的地殼標準均衡厚度T(張永謙, 2010b)。根據(jù)公式(5), 計算陸地區(qū)標準均衡厚度T=32.49 km, 海洋區(qū)T=21.525 km。

(3)理論均衡地殼厚度TCT的確定

計算出山根深度 t, 和確定的標準均衡厚度后,可以計算全區(qū)內的相應理論均衡地殼厚度TCT=T+t,為了削弱由于地形高程而引起的 TCT的小區(qū)域極端變化, 本文對高程數(shù)據(jù)以 2 km為窗口在不同方向上共取9個高程點進行了平均。

(4)地殼均衡程度

為了探討研究區(qū)的深部地殼均衡程度, 可將研究區(qū)范圍內的理論均衡地殼厚度 TCT與實際地殼厚度 M進行對比, 通過求其差值 ΔI來表征其所處的均衡狀態(tài)(ΔI=TCT-M)。實際地殼厚度 M 采用變密度計算的 Moho深度, 經過計算得到華南地殼厚度的均衡差異程度(ΔI)的分布(圖5)。

圖5 華南陸塊地殼厚度均衡差異程度(ΔI)與地震分布Fig. 5 Isostatic difference of crustal thickness (ΔI) and earthquake distribution in the South China block

4 討論

4.1 華南均衡狀態(tài)與動力學機制

大陸地殼在漫長的演化發(fā)展過程中在不停息地進行著水平和垂直方向上的運移和調整, 并逐漸趨于均衡的穩(wěn)定狀態(tài)。而事實上, 作為地球演化史中短暫的一幕, 現(xiàn)階段的大陸地殼中并非所有構造單元都達了到穩(wěn)定狀態(tài)(張永謙等, 2010a)。多數(shù)地球物理工作者都把均衡剩余重力異常值接近零或者不超過某一限值, 一般認為在±20 mGal之間的地區(qū)解釋為該地區(qū)地殼已經達到均衡狀態(tài)(張赤軍等,2013)。本文認為單純用異常幅度值大小來判斷地殼是否處于均衡狀態(tài)是不全面的。因為均衡改正僅僅改正了地殼深度的補償效應, 而且目前的均衡模型都是不完善的, 特別是均衡參數(shù)難以確定, 使得不同模型間、參數(shù)不同的同一模型間都存在一定的差異, 則求得的均衡剩余重力異常也就未必準確。因此, 推斷地殼是否處于均衡狀態(tài)也可以從均衡剩余重力異常的梯度變化來加以分析, 即在一定范圍內均衡剩余重力異常幅度值雖然比較大, 但其變化平緩, 那么也認為該異常所反映的地殼是處于均衡的,而那些幅度值不大, 但其異常梯度較大或劇烈的地區(qū), 則可認為是不均衡的。

根據(jù)上述劃分原則, 可以發(fā)現(xiàn)研究區(qū)大部分區(qū)域地殼達到了均衡(圖3), 同時, 也可以劃分出若干負均衡重力異常區(qū)和正均衡重力異常區(qū)。負均衡重力異常區(qū)主要分布在大別造山帶、揚子和華夏結合帶。在大別—秦嶺造山帶, 越靠近造山帶腹地, 均衡重力異常值越低, 從該帶南東的-20 mGal到北西逐漸變化為-50多mGal。說明秦嶺—大別造山帶地殼尚未達到均衡, 地殼物質補償過剩, 也即地殼深入地幔程度較大。另外一條明顯的負均衡重力異常區(qū)北東向橫亙于研究區(qū)中部, 從南東的百色—河池一帶呈喇叭口狀往北東收縮, 經懷化、長沙、南昌一直延伸到景德鎮(zhèn)、黃山一帶。負均衡重力異常幅值也從南西往北東減弱, 從南寧一帶的-30多mGal逐漸變化為萍鄉(xiāng)一帶的-20多mGal, 再到景德鎮(zhèn)、黃山一帶的-5 mGal。該負異常帶形態(tài)與天然地震獲取的泊松比形態(tài)基本一致(He et al., 2013; Zhang et al., 2021), 低泊松比一般指示以下兩種構造環(huán)境:一種是在構造擠壓環(huán)境中, 處于相同溫壓條件下的長英質巖石比鐵鎂質巖石更容易形成推覆構造或褶皺, 從而造成地殼波速比隨地殼厚度增大而降低。另一種情況為拆沉作用會造成下地殼部分基性巖石厚度的減薄, 也會引起地殼泊松比的降低(陳昌昕等, 2022)。綜合泊松比結果, 我們認為該負均衡剩余重力異常記錄了揚子塊體和華夏塊體的碰撞結合帶造成地殼層增厚, 后續(xù)又經歷拆沉作用, 因此,負均衡剩余重力異常是二者共同作用的結果。結合其他地球物理探測資料(嚴加永等, 2022), 我們認為該負均衡剩余重力異常帶主體范圍為江南造山帶,也即揚子與華夏碰撞拼合帶。反之, 根據(jù)負均衡剩余重力異常的分布, 也可以追蹤江南造山帶的深部邊界和范圍。本文認為江南造山帶的北部深部邊界可能大致沿宣州—黃山—九江—咸寧—益陽—常德—吉首—銅仁—凱里分布, 而欽杭結合帶不僅是揚子板塊和華夏板塊結合帶的南界, 亦是江南造山帶的南邊界, 其大致沿寧波—金華—上饒南—贛州北—郴州—臨武—梧州—玉林東—北海東分布。該帶內出現(xiàn)了南昌、吉安和衡陽等局部正均衡剩余重力異常, 這可能反映了江南造山帶后期活動, 局部Moho上涌, 形成了這些局部高均衡剩余重力異常。

正均衡重力異常主要分布于東南沿海和揚子塊體南緣。揚子塊體南緣高均衡剩余重力異常沿曲靖—昭通—重慶—宜昌—武漢—安慶一帶分布。西段基本沿著武陵隆起呈弧形分布, 到宜昌一帶, 開始沿長江分布, 在湖北境內, 異常為北西向帶狀,到九江、黃梅一線突然轉向為北東向, 在北至淮南、南至紹興地段異常范圍逐漸呈放射狀擴大。說明沿長江一線多種地球物理探測均認為Moho面埋深較淺, 為地幔相對隆起區(qū), 印證了高均衡剩余重力異常反映出的地殼物質補償不足。東南沿海的高均衡剩余重力異常區(qū)分布在廣州—河源—梅州—龍巖—三明一線以東區(qū)域, 異常北寬南窄, 可能反映了古太平洋板塊從NE向的俯沖對地殼的影響。

地殼厚度的均衡差異程度(圖 5)可以分析地殼的穩(wěn)定狀態(tài), 根據(jù) Airy大陸均衡理論(王謙身等,2008, 2009): 當?shù)貧ず穸鹊木獠町惁(標準均衡厚度TCT與Moho面厚度M之差)相差很小或接近于零時, 即表明該處已處于或已近于大陸均衡的狀態(tài), 地下深處的物質和能量一般不再需要進行特別強烈的交換、運移和調整, 構造活動相對比較穩(wěn)定。當TCT與M差異較大時, 則意味著該區(qū)的大陸地殼處于不均衡狀態(tài), 差異值越大則表明其不均衡狀態(tài)越強烈, 相應地其地下深處介質的物質與能量交換和運移與調整也應更為強烈。

從地殼厚度的均衡差異程度(圖 5)來看, 華南均衡差異幅值小于10 km, 整體基本處于均衡狀態(tài),但也可以看出厚度差異。與均衡剩余重力異常類似(圖4), ΔI＞0的區(qū)域主要集中于武陵山、長江中下游、欽杭結合帶和東南沿海。ΔI＜0的區(qū)域主要集中于大別—秦嶺造山帶和華夏、揚子結合帶。

從本研究區(qū)所處的均衡狀態(tài)來看, 造成現(xiàn)今這種復雜格局的動力學機制是揚子和華夏的碰撞、華南與華北碰撞、古太平洋板塊和青藏高原東流物質的擠壓多期次的綜合作用。新元古代華夏塊體與揚子塊體的拼合, 強烈的造山作用使得結合帶地殼加厚, 形成了北東向顯著的負均衡剩余重力異常。印支期華北板塊和揚子板塊(華南板塊)的陸陸碰撞拼合, 形成了秦嶺—大別造山帶, 使得該帶地殼加厚,在本區(qū)北部形成了北西向的負均衡剩余重力異常。燕山期中國東部構造體制從特提斯構造域向太平洋構造域轉換, 中國東部受古太平洋板塊強烈影響,地殼減薄, 形成了東南沿海和長江中下游等地的正均衡剩余重力異常, 由于板塊俯沖的遠程效應, 對江南造山帶進行了改造, 局部拉張或巖漿上涌, 使得地殼減薄, 形成了南昌、衡陽等地區(qū)的局部正均衡異常。到了新生代, 印度板塊與歐亞板塊的碰撞導致了青藏高原的深部物質發(fā)生運移, 可能一直影響到武陵山一帶, 改變了地殼均衡狀態(tài), 促使華鎣山斷裂、齊岳山斷裂、大巴弧形斷裂等斷裂活化。

4.2 均衡調節(jié)與地震活動

均衡剩余重力異常差異往往體現(xiàn)了殼幔結構的差異, 殼幔結構差異又為地震孕育和發(fā)生提供構造環(huán)境, 均衡調節(jié)作用與地震形成具有一定相關性,從華南地震分布和均衡剩余重力異常圖(圖 5)可以看出, 三級以上地震集中分布區(qū)域多位于正均衡區(qū)和負均衡區(qū)交會或過渡部位?？傮w來看, 華南地震集中分布于四川盆地周緣、東南沿海—臺灣海峽、大別造山帶北緣—郯廬斷裂南段和曲靖—百色—玉林一帶等四個區(qū)域。四川盆地西緣和東緣地震呈弧形帶狀密集分布, 地震也多位于正負均衡重力異常過渡帶偏正異常一側, 特別是沿龍門山斷裂正均衡深度區(qū)地震密集分布, 在次級高均衡深度異常梯度帶(如華鎣山斷裂)和正異常中的梯度帶(宜昌—常德)也有較為密集的地震分布, 該區(qū)地震活動可能主要受到青藏高原東擴及其遠程效應的影響。東南沿海地震集中區(qū)多位于正負均衡剩余重力異常過渡帶偏正異常一側, 多沿福建近海斷裂、長樂—南澳斷裂和政和—大浦斷裂分布, 可能受控于古太平洋板塊的俯沖。大別造山帶—郯廬斷裂南段的地震密集分布區(qū), 大別地區(qū)位于正負均衡重力異常過渡帶偏正異常一側, 郯廬斷裂及其東側多位于正均衡剩余重力異常梯度帶上, 多沿長江斷裂帶、滁河斷裂等分布。曲靖—百色—玉林一帶地震總體呈北西向密集分布, 局部有北東向趨勢, 地震多分布于負均衡異常中心, 該地震密集帶推測與紫云—羅甸—南丹—都安斷裂有關, 該斷裂始于中三疊世晚期的印支運動, 強烈的變形發(fā)生在晚侏羅世早燕山運動, 與華南地塊擠壓有關(張榮強等, 2009)。

正、負均衡剩余重力異常的轉換帶或梯度帶通常與深斷裂有關, 如郯廬斷裂帶和四川盆地東緣斷裂帶等。研究區(qū)內顯著的正、負均衡區(qū)交會地帶通常為深部構造轉換部位, 或者說是地殼斷裂交叉部位, 可見具備上述均衡剩余重力異?？臻g分布特征的區(qū)域很有可能具備地震孕育和發(fā)生的構造條件,應當成為地震活動研究的重點區(qū)域。

4.3 對礦產資源的控制

近年來, 在正的高均衡剩余重力異常區(qū)的湖南沅江流域, 發(fā)現(xiàn)了多處金剛石礦(龍昭陵, 1998)。根據(jù)金剛石幔源成因論認為, 金剛石在巖石圈底部、軟流圈頂部早已形成2～4 Ga, 相對年輕得多的金伯利巖或鉀鎂煌斑巖僅是一種載體, 將含金剛石的地幔巖石崩解物帶出成礦。湘西—鄂西正均衡剩余重力異常反映了 Moho隆起, 地殼減薄, 而地表多出露大面積寒武紀及前寒武紀地層, 說明該區(qū)域曾經是“老、厚、冷、干”揚子地塊, 后期地殼均衡的調整使得巖石圈減薄, 形成了多條脆性深斷裂, 在有利地段形成了金剛石礦床(圖3)。此外, 在正均衡剩余重力異常區(qū)的浙江省龍游發(fā)現(xiàn)了原生金剛石(包超民等, 2000), 含金剛石似金伯利巖主要見于紹興—鷹潭—藤縣—北海斷裂帶的北東段, 已發(fā)現(xiàn)80余個巖管或巖脈, 龍游和衢州等地構成若干個巖管群, 也有呈零星分布者; 巖性以角礫狀?；x橄巖為主。第二個條帶是弋陽—歙縣—湖州斷裂帶的北東段, 由超基性火山角礫巖和橄輝玢巖等組成。第三個條帶是華南中生代重要的余姚—麗水—政和—蓮花山斷裂帶的北東段, 已知巖管20余個。第四個條帶是鎮(zhèn)?！獪刂輸嗔褞? 已發(fā)現(xiàn)巖管30余個。從湘西和浙江發(fā)現(xiàn)的金剛石及其指示礦點, 大多分布于正均衡重力場的局部凸起部位, 結合地球化學鉑(Pt)的異常(圖 6), 這些區(qū)域也是 Pt含量較高的區(qū)域。整體來看, 湘西—鄂西成礦帶Pt異常明顯且具有條帶狀分布特征, 加之該區(qū)域正均衡剩余重力異常形態(tài)完整, 說明該區(qū)具有良好的金剛石和鉑族元素的找礦前景。欽杭成礦帶東段浙江一帶正均衡剩余重力異常也比較完整, 但 Pt異常范圍小, 因此,該區(qū)域金剛石找礦應該綜合二者, 結合地表發(fā)現(xiàn)的蛇綠巖帶或可能隱伏的蛇綠巖帶開展。

圖6 華南陸塊Pt異常與金剛石及其指示礦點(據(jù)Cheng et al., 2014修編)Fig. 6 Pt anomalies and diamond or its indicator ore points in the South China block (modified from Cheng et al., 2014)

長江中下游成礦帶和欽杭成礦帶東段對應為正均衡剩余重力異常, 揭示了 Moho面隆起、地殼減薄。對比長江中下游均衡剩余重力異常和金屬礦床(點)分布發(fā)現(xiàn), 除九江和鄂東南的礦床分布在正均衡剩余重力異常的南側外, 其余礦床幾乎全部集中分布在正均衡剩余重力異常區(qū), 特別是正均衡重力異常區(qū)中局部較低地區(qū)的邊部礦床出現(xiàn)概率較大。前人的大量研究表明長江中下游銅、鐵、金礦床的物質來源以地幔物質為主, 本次計算的均衡剩余重力異常與礦床分布再次證明了這個觀點, 即長江中下游成礦帶與地幔隆起帶有著密切的關系(嚴加永, 2011)。因此, 正均衡剩余重力異常區(qū)與地幔來源金屬礦床相關, 負均衡異常區(qū)則多產出殼源相關金屬礦床。

5 結論

本文計算了華南陸塊均衡剩余重力異常和均衡深度異常, 綜合分析認為:

(1)華南陸塊大部分區(qū)域地殼處于均衡狀態(tài), 相對正均衡異常主要位于東部沿海地區(qū)和武陵山一帶,相對負均衡異常沿秦嶺—大別造山帶、江南造山帶及華南陸塊西緣分布。造成現(xiàn)今這種復雜格局的動力學機制是揚子和華夏的碰撞、華南與華北碰撞、古太平洋板塊和青藏高原東流物質的擠壓多期次的綜合作用。新元古代華夏塊體與揚子塊體的拼合,強烈的造山作用使得結合帶地殼加厚, 形成了北東向顯著負均衡剩余重力異常。印支期華北板塊和揚子板塊(華南板塊)的陸陸碰撞拼合, 形成了秦嶺—大別造山帶, 使得該帶地殼加厚, 在本區(qū)北部形成了北西向的負均衡剩余重力異常。燕山期中國東部構造體制從特提斯構造域向太平洋構造域轉換, 中國東部受古太平洋板塊強烈影響, 地殼減薄, 形成了東南沿海和長江中下游等地的正均衡剩余重力異常區(qū), 由于板塊俯沖的遠程效應, 對江南造山帶進行了改造, 局部拉張或巖漿上涌, 使得地殼減薄,形成了南昌、衡陽等地區(qū)的局部正均衡異常。到了新生代, 印度板塊與歐亞板塊的碰撞導致了青藏高原的深部物質發(fā)生運移, 可能一直影響到武陵山一帶, 改變了地殼均衡狀態(tài)。

(2)正、負均衡剩余重力異常的轉換帶或梯度帶通常為深部構造轉換部位, 即地殼斷裂交叉部位,具有上述均衡剩余重力異?？臻g分布特征的區(qū)域很有可能具備地震孕育和發(fā)生的構造條件, 應當成為地震活動研究的重點區(qū)域。

(3)對內生金屬礦床而言, 正均衡剩余重力異常區(qū)多分布地幔來源金屬礦床, 如長江中下游成礦帶和欽杭成礦帶東段多為銅、鐵、金礦, 武陵山區(qū)分布原生金剛石礦床(點); 而負均衡異常區(qū)則多產出殼源相關金屬礦床, 如南嶺成礦帶多產出鎢錫礦。

Acknowledgements:

This study was supported by China Geological Survey (Nos. DD20190012 and DD20221643), National Natural Science Foundation of China (Nos.92062108, 42074099 and 41630320).