武陵—江南造山带中段地壳结构及其物质组成差异
——基于地球化学和地球物理异常特征研究

陈昌昕 , 严加永 , 刘卫强, 罗 凡 , 张 冲,徐 峣, 程志中, 汪 洋

1)中国地质科学院, 北京 100037; 2)自然资源部深地科学与探测技术实验室, 北京 100094;3)自然资源部深地动力学重点实验室, 中国地质科学院地质研究所, 北京 100037;4)东华理工大学地球物理与测控技术学院, 江西 南昌 330013;5)中国地质调查局发展研究中心, 北京 100037; 6)合肥市测绘设计研究院, 安徽 合肥 231200

华南陆块由华夏地块和扬子地块及两者于新元古代俯冲、碰撞形成的江南造山带组成, 其后,在不同地质时期, 经历复杂的板块构造运动以及陆内多期次构造演化过程, 最终形成了目前的基本面貌(舒良树, 2012; 张国伟等, 2013)。武陵—江南造山带中段地区位于华南陆块中西部, 在图 1中用蓝色框标出, 研究区包含四川盆地东部, 江南造山带中段部分区域(图1)。已有研究表明受中—新生代构造演化过程影响, 在武陵—江南造山带地区西部形成了典型的侏罗山式褶皱带。复杂的褶皱变形特征表现为在华蓥山断裂以东及齐岳山断裂以西以隔挡式褶皱为特征, 而齐岳山断裂以东及张家界断裂以西以隔槽式褶皱为特征(颜丹平等, 2018; 王宗秀等,2019; 李春麟等, 2020; 张永谦等2021)。研究区西部是我国重要的含油气地区, 随着“页岩气革命”的推进, 涪陵地区已成为国内乃至国际重要的页岩气研究基地。如果说石油是工业发展的“血液”, 金属矿产则是工业发展的“骨骼”(秦克章等, 2017)。研究区东部以金属矿产为主, 尤其区内湘西—鄂西成矿带在成矿作用和矿床系列与华南东部钦杭成矿带、武夷成矿带、南岭成矿带和长江中下游成矿带亦大不相同(罗凡等, 2019; Yan et al., 2021)。湘西—鄂西成矿带是全国20条重点成矿带之一, 跨越湘、鄂、川、黔、陕五省及重庆直辖市, 矿产资源丰富,优势矿产有锰、钒、铁、锑、铅、锌、金、银、煤炭、重晶石、黏土等, 且具有明显的地层相关特性,是我国重要的钨锑金-铅锌铜-铁锰多金属成矿带(周云等, 2014; 肖克炎等, 2016; 罗凡等, 2019; Yan et al., 2021)。

纵贯中国南北的大兴安岭—太行山—武陵山重力异常梯度带(南北重力梯度带, 图1中灰色实线)穿过研究区, 将研究区一分为二。已有地质及地球物理研究表明南北重力梯度带东西两侧的地形地貌、地质构造背景、岩浆活动、大地热流值、地壳厚度、浅层及深部物质组成和岩石圈结构等方面都存在巨大差异(马杏垣, 1989; Deng and Levandowski,2018; Deng et al., 2021)。梯度带两侧差异是不同地质时期、不同构造作用下深部与浅部综合作用的结果, 因此, 可以利用地球物理及地球化学方法探测其不同尺度深部过程遗留“痕迹”。

图1 区域地质图(改编自Shi et al., 2015)Fig. 1 Regional geological map (adapted from Shi et al., 2015)

大量的基础地质和地球物理工作为武陵—江南造山带中段地区构造特征研究奠定了良好基础。但侏罗山式褶皱的形成过程及其动力学机制尚存在争议; 武陵—江南造山带中段地区湘西—鄂西成矿带是我国重要的多金属成矿带, 西部则是我国重要的含油气地区, 造成这一现象的深部结构差异仍未厘清; 南北重力梯度带东西地球物理场和构造差异的原因及其动力学背景仍在探讨中; 以上争议均与深部地质结构和物质组成差异有关。因此, 加强武陵—江南造山带中段地区深部结构和物质组成研究,可以为深入理解华南陆块地质背景及演化过程和资源组合差异提供地球物理和地球化学约束。

1 区域地质背景

新元古代时期, 扬子与华夏地块发生俯冲、碰撞和拼贴, 形成统一的华南大陆, 扬子地块是华南陆块重要组成部分, 东与华夏地块以江南造山带相隔, 北与华北板块以秦岭—大别造山带相望, 西部及南部以龙门山断裂和马江断裂为界分别与松潘—甘孜地块及印支地块相接(舒良树, 2012; 张国伟等,2013)。武陵—江南造山带中段区域位于华南陆块中西部, 横跨扬子地块东部和江南造山带中段大部分区域, 受华南陆块多阶段的碰撞、拼贴、裂解和再造等构造演化影响, 武陵—江南造山带中段区域构造样式复杂(张国伟等, 2013; Wang et al., 2013; 王宗秀等, 2019)。

中—新元古代时期, 华夏地块向扬子地块俯冲,于两者碰撞拼贴处, 形成了江南造山带, 武陵—江南造山带中段区域表现为北隆南凹的升降运动(Li et al., 2002; Zhao and Cawood, 2012; 张国伟等,2013; Wang et al., 2013; 王孝磊等, 2017)。受Rodinia超大陆裂解事件的影响, 华夏地块向南漂移, 在华夏和扬子地块间出现了南华纪裂谷盆地,发育与伸展有关的碱性玄武岩和双峰式岩浆岩, 武陵—江南造山带中段区域转入拉张裂陷阶段(Li et al., 2003; Wang et al., 2003; Zheng et al., 2008; 李三忠等, 2011)。最终因为裂谷作用的终止, 并未形成深切岩石圈断裂构造, 仅形成边缘海(Ren and Chen,1989; 张国伟等, 2013)。在早古生代, 华南大陆受控于物质和结构的非均衡状态, 发生了广泛的面型陆壳物质的变质-岩浆活动, 岩浆物质多由陆壳物质深部熔融形成, 导致江南造山带经历了区域性陆内造山作用, 在碰撞挤压处, 发生地壳挤压增厚、部分熔融、大面积褶皱断裂发育、岩浆活动和变质作用广泛出现。这一期构造运动在江南造山带和华夏地块上形成大量近N-S、NNE和NE向构造线, 武陵—江南造山带中段区域同样卷入了强烈的挤压构造运动; 同期, 西部扬子克拉通并行演化, 形成巨厚沉积, 构成了华南早古生代独特的大陆构造特征(Charvet, 2013; 张国伟等, 2013)。武陵—江南造山带中段区域内古生代晚期不整合面为伸展构造向挤压构造转换面, 被认为是华南印支期挤压造山或活化造山的开端; 武陵—江南造山带中段不同区域先后遭受强烈逆冲推覆作用, 使得基底再次隆升, 逐步转为陆相沉积环境(李三忠等, 2011)。晚古生代到早中生代, 华南陆内没有出现大规模幔源火山岩、蛇绿岩、岛弧岩浆岩和深海沉积岩, 总体上为海陆交互沉积环境, 属于板内构造背景, 这一阶段, 研究区接受了巨厚海相碳酸盐沉积(舒良树, 2012; 舒良树等, 2020)。古生代末期到早中生代, 华南北侧向华北板块俯冲, 形成秦岭—大别造山带; 南侧受到古特提斯洋闭合影响, 与印支地块发生碰撞形成马江蛇绿岩混杂岩带; 受南北两侧挤压应力影响,华南陆块内部发生广泛陆内变形和岩浆作用, 形成现今大陆基本格架(毛建仁等, 2014; Faure et al.,2014, 2018)。中生代构造事件后, 华南地区从特提斯构造域向古太平洋构造域转换, 这期构造强烈改造-置换了华南陆块的EW向特提斯构造线为NE向古太平洋构造线(张岳桥等, 2012; 董树文等,2019)。中生代中晚期以来, 受到古太平洋俯冲方向/角度、速率变化以及回撤的影响, 华南东部发生挤压与伸展构造的交织作用, 造成区域上强烈的多期次岩浆活动和变形叠加; 中西部则呈现出由东向西推进的活化变形, 武陵—江南造山带中段区域西部形成以隔挡、隔槽式断层为特征构造; 中部形成了持续至新生代的雪峰陆内复合逆冲推覆构造(Chu et al., 2012; 颜丹平等, 2018)。新生代以来, 中国大陆及周边发生了几个重要地质事件, 约55 Ma印度板块与欧亚大陆发生碰撞(许志琴等, 2016)、约40 Ma菲律宾海板块扩张(臧绍先和宁杰远, 2001)、约35 Ma南海扩张(徐义刚等, 2012), 已有研究表明这些重大地质事件仅对华南陆块产生有限影响, 基本以远程应力为主, 其陆块内部各块体处于相对稳定状态(张国伟等, 2013)。

侏罗山式褶皱是武陵—江南造山带中段区域西部最显著的构造特征之一, 褶皱-逆冲作用主要发生于晚侏罗—早白垩世, 齐岳山断裂带被认为是隔挡式褶皱和隔槽式褶皱的分界线。齐岳山断裂带以西为隔挡式褶皱, 高陡背斜的核部多出露三叠系地层, 宽缓向斜的核部多为侏罗系地层。齐岳山断裂带以东为隔槽式褶皱, 宽缓的背斜核部以出露南华系—奥陶系为主, 向斜的核部多为三叠系地层。在齐岳山断裂带和张家界断裂带之间, 发育多条与二者平行的次级断裂带。断裂带倾向以南东为主, 倾角在深部逐渐变缓, 最终汇聚在主滑脱层之上, 表现出地壳尺度的叠瓦式逆冲断层特点(颜丹平等,2018; 王宗秀等, 2019)。

湘西—鄂西成矿带位于东南部扬子地块边缘(图 1), 是我国重要的钨锑金-铅锌铜-铁锰多金属矿产资源储量和生产基地, 也是我国 20个重点金属成矿带之一(肖克炎等, 2016)。初步估算锌铅资源量超过800万吨, 远景锌铅储量超过1500万吨。预计锑储量占世界锑总储量的 70%以上, 是世界著名的锑都, 具有进一步找矿潜力(周云等, 2014)。已有研究表明湘西—鄂西成矿带铅锌矿具有以下特点: 分布点多、面广, 且成片、成带分布; 覆矿层位多, 从震旦系、寒武系至奥陶系均有铅锌矿体(层)存在; 成矿具有地层相关性(曹亮等, 2010); Pb、Zn沉淀成矿与有机质相关; 成矿流体温度较低, 可能受控于相同的动力学背景(周云等, 2018)。

2 区域地球化学

2008年, 中国地质调查局完成了覆盖华南地区12个省及自治区的76种元素水系沉积物地球化学数据采集工作(Cheng et al., 2014; Lin et al., 2019)。本文选取位于武陵山—江南造山带中段区域的数据进行了研究。本次选用的数据共889个测点。受地形等因素的限制, 四川东部及重庆部分地区未采集数据。首先对889个测点的76种元素进行了层次聚类分析(Carlsson and Memoli, 2010), 并与研究区主要地质单元进行了对比, 结果如图 2所示。当聚类数为 2时, 在江南造山带西南部出现了分异; 当聚类数为 3时, 江南造山带西南部和东北部都出现了分异; 当聚类数为 4时, 扬子地块内部大致以齐岳山断裂为界也出现了分异; 当聚类数为 5时, 江南造山带内部出现了进一步的分异。

图2 武陵山—江南造山带中段区域化探数据聚类分析结果Fig. 2 Cluster analysis results of regional geochemical data in Wuling-Middle part of the Jiangnan Orogenic Belt

采用相关分析方法研究了聚类数为 5时, 各块体的元素富集规律, 与区域地质图进行对比发现:聚类 1富集 Er、Yb、Ho、Tm、Lu、Y、Dy和 Tb等元素, 贫失Ni、Cr、CaO、MgO、Cu和Rh等元素, 可能反映了江南造山带西南部前寒武基底的分布。聚类 2富集 Sb、Au、Ge、W、Cs、Bi、B和Sn等元素, 贫失MgO、Na2O、K2O、Cl和Ba等元素, 可能反映了白垩纪砾岩、砂岩等物质的分布。聚类 3富集 Sn、Rb、W、Bi、Cs、Be、Th、Tl和Ta等元素, 贫失 Cr、Sr、Eu、V、Ti、CaO、MgO、Co、Ni和Fe2O3等元素, 可能反映了研究区内志留纪岩浆岩的分布。聚类4富集Na2O和Sr元素, 贫失 Se、N、Br、TC、Hg、Mo、I、U、Cd、S、As、Sb、Zn和B等元素, 属于扬子地块中靠近江汉盆地、四川盆地的区域。聚类5富集Cd、F、Mo、Tc、Se、MgO、S、Br、V、P、Mn、CaO、U、Hg、Os、Cl、N、Zn、Cu 和 Ni等元素, 贫失 Ge、SiO2、Al2O3、Na2O、W和Sn等元素, 反映了扬子地块上覆沉积盖层分布。整体而言聚类1、2、3均位于江南造山带内, 沉积盖层剥蚀严重, 前寒武基底出露、且分布有古生代和早中生代岩浆岩, 聚类4、5位于扬子块体, 上覆巨厚沉积盖层, 幔源相容性元素富集、壳源不相容元素贫失。

在整体元素聚类分析的基础上, 挑选了九种对区域构造有指示作用的元素, 分析了研究区构造特征。根据前人的研究(任天祥和汪明启, 2004; 岑况和陈媛等, 2011; 向运川等, 2018)可知, 亲核亲地幔的铁族元素(Fe、Ni、Cr、Co)和铜元素(Cu)在准地台等陆块中呈现高背景值分布, 亲地壳的 SiO2和K2O等在造山带呈现高异常分布, 碱土金属 MgO和 CaO等元素在沉积岩类分布地区中具有高异常值, 因而上述元素对陆块与造山带的边界及主要缝合带、大陆壳消减带和深大断裂带等位置分布具有指示作用。图3展示了上述九种元素的归一化异常值。江南造山带块体局部贫失MgO(图3a)、CaO(图3b)、Ni(图 3c)、Co(图 3d)、Cr(图 3e)、Fe(图 3f)和Cu(图3g)等强相容元素, 富集SiO2元素(图3h)、零散富集K2O元素(图3i), 这表明江南造山带整体活动性较强, 且呈现酸性。扬子地块内大致以齐岳山断裂为界, 东西两侧元素富集情况存在明显差异,表明两侧虽同属于扬子地块, 但在深部具有不同的构造特征。地球化学聚类结果表明武陵山—江南造山带中段不同的块体之间在物质组成及元素富集规律上存在较大差异, 扬子地块在齐岳山断裂东西两侧存在较大差异, 江南造山带可分为多个子块体,同样反映出江南造山带由若干不同性质的地体组成(舒良树等, 2012)。

图3 武陵山—江南造山带中段九种典型元素的归一化丰度值Fig. 3 Normalized abundances of nine typical elements in Wuling-Middle part of Jiangnan Orogenic Belt

3 区域地球物理

3.1 区域卫星重磁异常特征

重磁位场数据是用来刻画、识别地下深部结构和构造最有效的方法之一。重磁位场数据蕴含着丰富的地下介质密度和磁化率物性信息, 可以利用这些物性差异进行深部结构、断裂系统、褶皱变形和陆内构造机制等方面研究(严加永等, 2011; 吕庆田等, 2014; 李桐林等, 2018)。卫星重磁异常特征解释被广泛应用在区域地质填图、划分断裂构造、区分地下地质体密度、推断盆地隆起、基底深度、区分火成岩及其密度特征等方面(严加永等, 2014, 2022;李桐林等, 2018; 冯旭亮等, 2018; 鲁宝亮等, 2018;罗凡等, 2022)。本文自由空气重力异常(图4a)和均衡重力异常数据(Airy-Heiskanen, Tc=30 km, 图4b)来源于网站(https://bgi.obs-mip.fr/data-products/grids-and-models/wgm2012-global-model/), 数据网格 大 小 为 2’×2’(2’约 3.7 km), 坐 标 系 统 为WGS84(Balmino et al., 2012; Bonvalot et al., 2012)。布格重力异常选取高阶重力场模型 EIGEN-6C4中重力观测数据, 地形校正选取ETOPO1地形高程数据(图 4c); 由于武陵—江南造山带中段区域存在较厚的沉积层, 具有不可忽略的影响, 因此需要消除区域沉积层的影响。利用Crust1.0获得武陵山—江南造山带中段区域的沉积物厚度数据(Laske et al.,2013)进行沉积层校正, 获得校正后布格重力异常(图4d, 罗凡等, 2019)。磁测数据来自EMAG2, 数据大小为 2’×2’, 坐标系统 WGS84, 该数据的主体组成部分是卫星测量数据, 另外还有部分航空测量、船测和地面测量数据。卫星为CHAMP, 飞行高度350 km, 全球岩石圈磁场模型为MF6, 最终数据的参考椭球面是大地水准面上方4 km。

3.1.1 区域卫星重力数据异常特征

在重力观测中, 只经过纬度和高度改正的异常叫自由空间异常, 该异常反映的是实际地球的形状和质量分布与大地椭球的差异, 因此对地表和近地面的质量分布很敏感, 具有很强的地形相关性。大范围内负异常表明地壳内部存在相对质量亏损; 反之, 则为质量盈余。自由空气异常结果显示在四川盆地、武陵山部分地区及江汉盆地出现明显负异常;其余地区均表现出正异常。值得关注的是在齐岳山断裂东西两侧出现明显差异, 断裂以西隔挡式断裂大范围分布负异常, 而断裂以东隔槽式断裂则以正负异常间或分布为特征(图4a)。

“地壳均衡理论”是假定密度较低的地壳漂浮在密度较高的地幔之上, 地壳和地幔趋于静止的一种理想状态(Watts, 2001)。板块碰撞、造山等构造运动会破坏地壳原有的均衡, 因此, 重力均衡异常能够反映实际地壳厚度偏离均衡地壳的情况(王谦身等, 2009; 张永谦等, 2010; 陈石和王谦身, 2015)。本文均衡重力异常选用Airy-Heiskanen深度补偿模式, 地壳正常厚度(Tc)30 km。均衡正异常反映补偿不足, 常与Moho实际埋深较Tc浅有关, 即“山根”太浅; 均衡负异常源于补偿过剩, 可能反映了Moho超过了地壳正常厚度, 即“山根”太深。具有一定量级的均衡异常区, 即为反映构造运动发育的地区, 均衡异常的符号和幅值反映了垂直运动的方向和强度, 构造运动都具有反均衡特征(王懋基和程振炎, 1982)。通过对理论均衡地壳厚度与实际地壳厚度进行对比分析发现, 在均衡重力状态异常转换带及其附近地区均对应于Moho隆升、幔源热物质上涌, 常常导致地壳的差异运动, 因此构造活动强烈而产生深大断裂。均衡正负异常转换区对应张家界断裂带, 齐岳山断裂带以及四川盆地东北部喇叭状联合弧附近(图4b)。布格重力异常是经过纬度改正、布格改正和地形改正获得的异常。由于布格改正相当于把大地水准面以上的物质质量去除, 因此在山区或者高原布格异常大多为负值, 布格异常主要反映深部异常质量的影响。图4c显示研究区布格重力异常均为负值, 在南北重力梯度带以东负重力异常出现明显降低, 与地形的相关性明显减小。经过沉积层改正后, 在四川盆地和江汉盆地布格异常幅值有明显提升, 在齐岳山断裂两侧隔挡和隔槽式褶皱带范围内异常幅值有约30 mGal差异(图4d)。

图4 研究区卫星重力异常Fig. 4 Satellite gravity data for the study area

3.1.2 区域卫星磁异常特征

区域卫星磁异常数据显示(图 5a), 在齐岳山断裂及其西北出现明显高磁异常, 张家界断裂带附近卫星磁异常出现不同程度高值异常。为了便于解释,采用滑动窗口化极方法对研究区域的卫星磁异常数据进行化极处理, 得到化极磁异常图(图 5b)。化极磁异常结果表明, 四川盆地出现区域高磁异常, 区域主断裂带附近出现不同程度高磁异常, 齐岳山断裂以西隔挡式褶皱带相比断裂以东隔槽式褶皱带出现明显高磁异常。

磁性基底和居里面是研究深部构造及热活动地质效应的重要磁性界面。磁性基底又称为磁性层顶界面, 可以利用磁性基底特征研究沉积盖层厚度、构造及其性质、圈定隆起和拗陷范围; 居里面作为磁性层底界面, 反映了现今地壳及岩石圈的热状态。本文对化极后磁异常数据利用场源深度成像(Source Parameter Imaging, Thurston and Smith,1997)。成像结果显示(图5c), 磁性基底呈明显条带状分布, 走向以NE-SW为主, 尤其在华蓥山断裂、齐岳山断裂东部和张家界断裂带东部, 分别出现磁性基底明显隆起现象。在湘西—鄂西成矿带出现由四周向内部呈现磁性基底隆起现象。地壳由具磁性的岩石矿物质组成, 其中钛铁矿、磁黄铁矿的消磁温度为300～350 ℃, 磁铁矿消磁温度为585 ℃, 含钴镍铁矿的消磁温度为760～800 ℃。从地表至地下,温度向下增高, 当温度达到上述磁性矿物的消磁温度界面时, 铁磁性矿物转变为顺磁性或者无磁性,该界面被称为居里等温面(熊盛青等, 2016; 陈安国等, 2017)。居里等温面(居里面)展示了地壳热活动的地质效应, 在大地构造研究中具有十分重要的意义。在稳定的克拉通陆块区居里面呈现为深的块状拗陷, 在活动性造山系及岩浆岩发育区居里面主要呈现为浅的区域性隆起(熊盛青等, 2016)。对化极后磁异常数据利用滑动窗口的径向功率谱分析法对居里面进行反演计算(陈安国等, 2017), 结果显示(图5d): 武陵山—江南造山带中段区域居里面整体表现为凹陷区; 居里面由北西向南东方向减薄, 整体特征表现为西凹东隆; 以南北重力梯度带为界, 东西两侧表现出明显差异。

图5 研究区磁异常特征Fig. 5 Magnetic anomalies in the study area

3.2 天然地震接收函数研究

天然地震接收函数(Receiver Function)利用反褶积消除震源效应和震源附近的传播路径影响, 进行台站下方结构成像。H-κ叠加成像方法是利用接收函数获取地壳厚度及地壳平均波速比的常用手段。其基本原理为, 远震P波进入地壳时会产生一次转换震相 Ps和壳内多次反射和转换震相 PpPs、PsPs+PpSs, 利用各震相之间的到时差关系, 计算层状地壳厚度及壳内波速比(Zhu and Kanamori, 2000)。莫霍面深度及地壳平均泊松比(σ)变化反映了地壳厚度及壳内平均物质组成的变化(Christensen and Mooney, 1995; Zhu and Kanamori, 2000), 包含有大陆地壳形成和构造演化信息, 对研究地壳生长及其地球动力学过程具有重要意义。泊松比(σ)与纵横波波速比(κ)关系表示为(1)式(Christensen, 1996)。

常见岩石类型的κ值从1.63到2.08不等, 其中波速比＜1.75、1.75～1.81和＞1.81分别反映地壳具有酸性(长英质)、中性和基性(镁铁质)特征(Zandt and Ammon, 1995), 镁铁质成分的增加和/或长英质成分的减少会造成波速比的增大; 部分熔融、流体成分增加也会造成波速比增大。

本文搜集前人已发表H-κ成果(He et al., 2013;He et al., 2014; Wei et al., 2016; Song et al., 2017;Guo et al., 2019; 韩如冰, 2020; Zhang et al., 2021;Chen et al., 2022; 图6a), 进行插值显示。由于台站间距较大, 穿刺点(pierceing point)仅限于台站附近,因此插值结果仅做区域地壳厚度和物质组成差异研究。结果表明地壳厚度表现出明显的东西差异(图6b), 南北重力梯度带以东地壳厚度较小, 基本小于38 km; 梯度带以西地壳均在40 km以上, 尤其在西北部喇叭状联合弧附近, 地壳厚度达到最大值约50 km。在张家界断裂、齐岳山断裂带附近, 地壳沿断裂走向出现条带状增厚特征。波速比结果显示(图6c): 在江南造山带内部地壳平均波速比较低, 基本小于1.7, 表明地壳酸性程度较高; 在川东—武陵地区, 北部喇叭状联合弧周边和西南部出现波速比高异常, 与地表断裂系统相对应。

图6 台站分布及接收函数结果Fig. 6 Station distribution and receiver function results

3.3 人工源地震特征

3.3.1 深地震反射

深反射地震剖面提供了高分辨率地壳内反射体的几何形状, 深反射地震成像已成为研究大陆基底、解决深部地质问题和探测岩石圈精细结构的有效技术手段(吕庆田等, 2015, 2020)。通过对比研究区内深反射剖面结果(Dong et al., 2015; 颜丹平等,2018; Li et al., 2019; Zhu et al., 2020), 可以发现隔挡式褶皱区域出露地层以晚侏罗统为主, 下覆地层保存较完整, 且变形明显, 上地壳出现明显的向西北逆冲推覆特点, 中下地壳无明显可追踪同相轴;而齐岳山断裂以东隔槽式褶皱出露地层以二叠系地层为主, 部分地区出现三叠系地层, 变形主要发生在浅部, 在深部中下地壳出现拆离断层。张家界断裂以东江南造山带中下地壳出现明显变形, 断裂系统发育, 出现明显的叠瓦状反射, 中下地壳分层均匀, 反射轴以雪峰山为对称, 东西两侧分别倾向南东和北西(图7a)。

图7 深反射剖面和宽角反射/折射剖面Fig. 7 Deep seismic reflection and wide-angle reflection/refraction profiles

3.3.2 宽角反射/折射

Li et al.(2019)通过对Sinoprobe专项地震数据进行宽角反射/折射处理, 发现地壳内部速度结构具有横向分块和垂向分层的特点。以张家界断裂为界, 东部江南造山带与西部川东侏罗山式褶皱在速度结构上有明显差异; 在垂向上, 华蓥山断裂带下方出现地壳明显增厚, 张家界断裂及其西部梵净山地区Moho发生明显隆升。以西四川盆地向华蓥山下俯冲, 而华蓥山断裂带以东扬子地块东向俯冲,在张家界断裂东部梵净山发生 Moho叠置, 导致张家界断裂及其西部梵净山地区出现明显Moho隆起(图 7b)。

4 讨论

4.1 江南造山带地球物理特征及其中生代动力学背景

江南造山带处于扬子地块和华夏地块之间, 呈线性隆起, 为一套新元古代沟-弧-盆体系, 是扬子地块和华夏地块碰撞拼贴的产物(王孝磊等, 2017)。造山带主体呈现为走向 NW 的大型逆冲断层-褶皱弧形构造体系, 陆内变形核部为元古界构造隆升带,自印支中晚期至燕山期呈不对称扇形分布(张国伟等, 2013)。目前, 对于江南造山带的范围仍有不同认识。有学者根据岩石学、区域构造特征或地壳厚度差异提出九江—石台—吉首为江南造山带北部边界(舒良树, 2012; He et al., 2013; Yao et al., 2019);Guo et al.(2019)利用接受函数和重力联合反演地壳厚度和物质组成差异提出宜昌—吉首—百色为江南造山带中段北部边界; 有学者根据重磁边界识别提出益阳—常德—吉首—铜仁为江南造山带中段北部边界(Lü et al., 2020; Yan et al., 2021); Zhang et al.(2021)根据接收函数地壳厚度和物质组成差异提出江南造山带中段北界以安化—罗城为界。由于地表沉积覆盖、地表露头出露较少以及较低程度的综合地球物理覆盖, 江南造山带北界位于何处, 仍需探讨。均衡重力异常显示在张家界断裂带下方出现正负过渡带(图 4b), 由于地壳反均衡运动作用, 断裂带下方地壳的差异运动造成构造活动异常, 同时也说明张家界断裂为区域深大断裂; 而江南造山带内则表现区域均衡负异常, 反映出相对正常地壳,江南造山带具有较厚“山根”, 或与中生代古太平洋西向俯冲远程应力有关, 由于坚硬的扬子地块阻挡, 俯冲作用最终导致江南造山带地壳增厚。去除沉积层改正后的布格重力异常结果显示: 除了江汉盆地和四川盆地幅值较高外, 江南造山带大面积覆盖高幅值负异常(图 4d), 反映出地下构造复杂, 具有明显密度差异。化极磁异常图中江南造山带块状分布高磁异常(图 5b), 或与中生代古太平洋俯冲、角度/方向变化、回撤导致区域挤压-伸展应力变化有关; 磁性基底特征显示沿张家界断裂下方出现磁性基底凹陷, 而两侧出现隆起(图 5c), 这一现象反映断裂有一定倾角, 并可以判断张家界断裂倾向东南; 随着断裂深度的延伸, 其断裂面所处位置也存在差异, 这样就合理解释江南造山带中段北界存在差别的原因。居里面深度整体表现为拗陷特征(图5d), 与稳定克拉通居里特征相对应, 反映出本区构造活动相对微弱, 岩浆活动弱, 大地热流值低等特征。另一明显特征是江南造山带与扬子地块的差异;在区域凹陷的基础上, 江南造山带表现出宽缓隆起特征, 显示出江南造山带与扬子地块地壳热结构的差异。接收函数H-κ结果显示江南张家界断裂以东地壳厚度小于38 km, 以西则大幅加深至40 km及以上(图 6b); 波速比结果显示仅江南造山带内波速比小于1.7(图6c), 表现为酸性地壳, 反映江南造山带内地壳基性成分较低。中生代古太平洋西向俯冲,与坚硬扬子地块和华夏地块相比, 俯冲远程应力引发江南造山带中上地壳出现大面积拆离, 导致地壳增厚明显; 已有研究表明, 古太平洋存在多期次俯冲角度/方向变化以及后撤作用(毛建仁等, 2014; Li et al., 2016, 2018), 挤压-伸展转换导致地壳减薄,同时, 受地幔上涌影响, 增厚的“山根”开始减薄。已有深反射地震和宽角反射/折射结果表明, 江南造山带内地壳厚度由东向西逐渐增厚, 且在中地壳出现大面积拆离构造; 在上地壳表现出明显的复合逆冲构造(Dong et al., 2015; 颜丹平等, 2018)。中生代晚期随着古太平洋板块俯冲作用远程应力减弱,挤压-伸展背景转换, “山根减薄”作用由东向西减弱, 因此造成地壳厚度由西向东减薄, 也合理解释了为什么江南造山带范围内波速比较低, 地壳厚度却表现出由东向西增厚的特点。

4.2 川东—武陵地区深部结构

均衡重力异常结果显示齐岳山断裂为正负转换带, 断裂两侧隔挡式褶皱和隔槽式褶皱均显示均衡负异常(图 4b), 反映出齐岳山断裂为一构造活动强烈的区域深大断裂; 西部隔挡式褶皱负异常值相比东部隔槽式褶皱高, 说明整个川东—武陵地区补偿“过剩”, 且齐岳山断裂以西隔挡式褶皱“山根”较东部隔槽式褶皱深。沉积层校正后布格重力异常结果显示川东—武陵地区均为负值。异常特征表现出明显的分区性, 以齐岳山断裂为界, 东部异常幅值要大于西部(图4d)。这一特征反映出断裂东侧基底和 Moho面密度差较大, 与东部“山根”较浅或深部具有复杂构造相关。

已有基础地质研究表明, 齐岳山和张家界断裂之间, 发育有多条 NE-SW 向断裂, 断裂向深部延伸, 最终汇聚在主滑脱层之上, 形成地壳尺度叠瓦式逆冲断层(王宗秀等, 2019)。通过化极磁异常获得的磁性基底深度结果显示在齐岳山断裂下方出现条带状基底凹陷, 断裂两侧则出现基底隆起条带(图5c), 反映出东部隔槽式褶皱范围内受构造或深部活动影响, 大地热流值高; 这也反映出华蓥山断裂、齐岳山断裂均为区域深大断裂, 且倾向东南,因此造成条带状磁性基底隆起。

居里面结果显示区内几条重要的断裂附近均表现出“凹中隆”的特点, 表明断裂深部或仍有一定构造活动(图 5d)。H-κ结果显示在齐岳山断裂东南出现条带状地壳增厚现象(图 6b), 直观反映出齐岳山断裂为一深大断裂; 波速比结果显示在川东—武陵地区具有较高波速比, 尤其在 NE-SW 方向出现波速比大于 1.8现象(图 6c), 在重庆—铜仁一线出现低波速比异常, 由于台站稀疏不能准确圈定高异常范围(图 6a)。波速比增加与地表具沉积覆盖增加、镁铁质成分的增加和(或)长英质成分的减少、部分熔融或流体成分增加相关, 本文引用台站基本分布于山区或盆山结合带附近, 沉积层较薄, 因此与扬子地块稳定克拉通具有较厚基性、超基性下地壳有关; 北部喇叭状联合弧区域、东南部出现波速比大于1.8现象或与新生代以来青藏高原隆升及其远程挤压应力有关, 远程应力引发扬子地块与秦岭—大别造山带相互作用, 造成局部地区部分熔融。GPS速度场结果显示区域应力场以 SE方向为主,局部地区出现 SEE方向应力场(Wang and Shen,2020, 图 8), 也反映出现研究区应力场主要受青藏高原隆升远程应力作用影响。

图8 研究区GPS速度场(据Wang and Shen, 2020)Fig. 8 GPS velocity field of the study area(from Wang and Shen, 2020)

4.3 南北重力梯度带地球物理场特征

南北重力梯度带位于扬子地块和江南造山带交汇处, 已有研究发现梯度带东西两侧地形起伏、地壳厚度、大地热流值和岩石圈厚度存在巨大差异(Deng and Levandowski, 2018), 这其中的原因仍有待深入研究。经沉积层校正后布格重力异常结果显示南北重力梯度带两侧均为负值, 异常特征以南北重力梯度带为界, 东部异常幅值要小于西部(图4d)。这一特征反映出梯度带东侧基底和Moho面密度差较小, 与东部“山根”坍塌相关。磁性基底结果显示区内出现团块状拗陷, 且与断裂表现出明显相关性(图 5c), 居里面深度图显示区域均处在居里面拗陷区, 埋深较大(图5d), 说明晚期的构造、岩浆活动较弱, 大地热流值不高。梯度带以东在区域拗陷的基础上表现出局部隆起, 显示出明显的东西差异, 表明梯度带东西两侧深部地质背景和演化过程存在差异, 梯度带以东居里面隆起或与中生代挤压-伸展构造体制转换引发深部构造运动及其热活动有关。接收函数H-k叠加结果反映梯度带东部地壳厚度较薄, 尤其在江南造山带范围内, 地壳厚度小于 40 km, 且东向减薄明显; 波速比较小, 基本小于1.7(图6b, c)。中生代晚期, 随着古太平洋板块俯冲角度/反向以及回撤影响, 构造体制由挤压向伸展转换, 受地幔上涌影响, 江南造山带开始坍塌,造成下地壳明显减薄, 在重力梯度带两侧造成地壳深度和物质组成迥异的地质特征。因此, 也反映出南北重力梯度带以东主要受古太平洋俯冲作用及其远程效应影响。

4.4 湘西—鄂西成矿带物、化探异常分析

均衡重力异常显示成矿带正负异常成片分布,以正异常为主(图4b)。正负均衡异常转换带及其附近地区由于反均衡作用, 导致构造活动强烈, 常常产生深大断裂, 在成矿带西北和东南部分别对应齐岳山断裂和张家界断裂。成矿带内经沉积层校正布格重力异常出现东西差异, 南北重力梯度带东部相较于西部具有较低的负幅值异常(图 4d), 成矿带莫霍面深35～44 km, 自西向东逐渐减薄; 波速比较高,局部地区大于 1.8, 与喇叭状联合弧相连(图 6b, c),或与青藏高原隆升远程应力作用有关, 造成局部熔融, 还有待进一步深入研究。湘西—鄂西成矿带磁性基底和居里面总体较深(图5c, d), 表明岩浆活动较弱, 成矿物质以壳源为主。已有研究表明成矿带内矿床类型多为赋存于碳酸盐地层中与岩浆活动无关的浅层后生层状矿床, 成矿带中主要物源为具有高铅锌含量下寒武统—震旦系赋矿地层下伏地层(周云等, 2014, 2018; 李堃等, 2018, 2021)。在晚志留世—早泥盆世, 加里东运动导致江南造山带及其周边的构造变形, 其影响范围延伸至张家界断裂一带, 并在区域内形成了一系列脆-韧性剪切带, 造成矿源层中铅锌元素活化、迁移; 与此同时, 构造运动导致地热梯度增加, 使得源于盆地深部上升流体在运移过程中与围岩发生水-岩反应; 这其中, 有机质作为还原剂参与硫酸盐热化学反应, 生成还原硫, 与富含铅锌等金属离子流体混合并发生反应,最终在成矿地点发生沉淀富集成矿。进一步分析了研究区内Pb-Zn元素丰度的分布特征。如图9所示,已探明的典型矿床(张长青等, 2014)主要位于扬子块体东北部和江南造山带, 且大部分矿床与化探高值异常相对应。湘西—鄂西成矿带位于各块体结合部, 不同块体的相互作用为成矿提供了有利条件,成矿带外围西南部区域仍具有较好的成矿远景。在湘西—鄂西成矿带与齐岳山断裂和江南造山带边界处区域具有多处明显的化探高值异常, 推测其存在进一步找矿潜力。

图9 武陵山—江南造山带中段区域铅锌(Pb-Zn)元素归一化异常组合Fig. 9 Normalized anomalous combination of lead and zinc (Pb-Zn) elements in Wuling-Middle part of Jiangnan Orogenic Belt

5 结论

(1)南北重力梯度带两侧具有迥异地壳厚度和重磁异常, 梯度带东侧构造演化主要受古太平洋西向俯冲及其远程应力作用影响; 江南造山带地壳厚度由东向西增厚, 且波速比较低, 推测与中生代晚期古太平洋俯冲角度/方向、后撤引发挤压-构造伸展体质转换有关。

(2)武陵—江南造山带中段区域西部侏罗山式褶皱东西两侧具有差异化结构, 东部上地壳隔槽式褶皱断裂构造发育, 在中下地壳发育有大尺度叠瓦式逆冲断层; 西部仅在上地壳尺度存在隔挡式褶皱。

(3)湘西—鄂西成矿带与齐岳山断裂和江南造山带边界交汇区域具有多处明显的化探高值异常,推测其具有进一步找矿前景。

(4)武陵—江南造山带中段区域是研究陆内变形的绝佳场所, 受限于地球物理工作覆盖程度较低,难以提供大面积、高精度深部结构属性特征。仍需加大地球化学和地球物理综合解释投入, 为研究区域构造变形、演化及成矿过程提供进一步制约。

致谢: 感谢两位匿名审稿人和编辑对文章的完善提供了建设性意见和建议; 本文利用 GMT制作了部分图件, 在此致谢。

Acknowledgements:

This study was supported by China Geological Survey (Nos. DD20190012 and DD20221643),National Natural Science Foundation of China (Nos.41630320, 42074099 and 42174092), and Key Laboratory of Deep-Earth Dynamics of Ministry of Natural Resources, Institute of Geology, Chinese Academy of Geological Sciences (No. J1901-16).