基于短周期密集台阵接收函数揭示的藏南错那洞穹窿地壳结构

Crustal structure beneath the Cuonadong dome in southern Tibet revealed by receiver functions from a short-period dense array

摘要

位于印度-欧亚板块碰撞前缘的北喜马拉雅构造带,是研究陆陆碰撞过程中地壳增厚和深部岩浆活动的典型区域之一。北喜马拉雅穹窿带作为其中重要的伸展构造,其形成过程与造山运动引起的地壳增厚以及地壳深熔作用引起的地壳流动密切相关。本文以近年新发现的错那洞穹窿为例,利用短周期密集台阵观测,通过远震P波接收函数共转换叠加成像方法获取了错那洞穹窿区域地壳结构。结果表明:错那洞穹窿区域的地壳结构在东西方向上存在差异,壳内速度间断面存在多处不连续现象,局部区域甚至发生界面错断;而在错那裂谷和错那洞穹窿中、上地壳内存在低速区。综合前人研究,本文认为印度-欧亚板块持续碰撞使喜马拉雅东南缘岩石圈经历过地壳尺度拉伸变形。在地壳增厚及持续的高温变质作用下,中、上地壳随藏南拆离系伸展减压发生部分熔融,而熔融岩浆沿着藏南拆离系薄弱处不断上涌并在错那洞穹窿下方聚集,并使错那洞穹窿及错那裂谷中、上地壳弱化,促进区域东西向伸展,进而发生岩浆底辟形成错那洞穹窿。

关键词

错那洞穹窿 / 短周期密集台阵 / 远震P波接收函数 / 共转换叠加成像 / 地壳结构

Key words

Cuonadong dome / short-period dense array / teleseismic P-wave receiver function / common-conversion-point (CCP) stacking / crustal structure

0 引言

印度-欧亚板块持续的碰撞使北喜马拉雅构造带经历了与造山相关的构造变形、岩浆作用、变质作用以及成矿作用等一系列地质过程,在地表形成了大反向逆冲断层(GCT)等与挤压相关的复式褶皱和逆冲断层,也发育着藏南拆离系(STD)、北喜马拉雅穹窿带(NHGD)和南北向裂谷(NSTR)等多种伸展构造,同时伴随着淡色花岗岩出露,最终形成错综复杂的北喜马拉雅构造带^[1⇓-3]。其中,北喜马拉雅穹窿带由北喜马拉雅构造带内(78°E~92°E)一系列东西向呈带状连续分布、近似平行于造山带的串珠状分布的穹窿体构造组成(图1^{[4⇓⇓⇓-8]}),如:马拉山、拉轨岗日、萨迦、康马、然巴、麻迦、雅拉香波及错那洞穹窿等。北喜马拉雅穹窿带地处印度-欧亚碰撞板块边界,是发育于碰撞造山过程中的伸展构造,穹窿在形成过程中可能记录了陆陆碰撞、地壳增厚、部分熔融、伸展、变质作用及浅表过程等重要信息^[4,9⇓-11]。研究北喜马拉雅穹窿带的形成机制,对于理解印度-欧亚碰撞早期板块边界的构造变形和喜马拉雅造山带形成过程中物质折返、构造变形、岩浆活动以及青藏高原的隆升等地球动力学过程具有重要意义^[3,11⇓-13]。

国内外学者对于穹窿形成机制已提出了多种模型:与构造叠置有关的逆冲模式^[14]、岩浆底辟作用^[9,11,13,15]、变质核杂岩模式^[16]、基于地球动力学模拟及地球物理观测的地壳流模式^[6,17-18]以及多种形成机制^[3,19-20]等。已有研究表明,穹窿带的形成与造山运动引起的地壳增厚的深部构造运动以及地壳深熔作用引起的地壳流动密切相关^{[4,21⇓⇓-24]}。目前在北喜马拉雅已开展的壳幔结构研究主要聚焦于印度与欧亚陆陆碰撞的前缘岩石圈结构以及青藏高原南北向裂谷形成等问题。由于深部地球物理探测工作较少,缺少有关穹窿成因的关键深部结构证据,对于穹窿的形成无法取得一致认识。因此在穹窿带开展深部探测,是揭示其深部结构、建立穹窿形成模型的必要手段。近年来得益于短周期地震仪的发展和完善,短周期密集台阵在复杂地壳结构地区成像能力显著提高^[25⇓-27],通过布设密集台阵开展地震学研究已成为探测地壳结构的重要手段之一^[28]。位于穹窿带东部的错那洞穹窿作为近年新厘定的北喜马拉雅穹窿构造,前人在该地区已开展相关岩石圈结构研究:INDETPTH 700测线的大地电磁结果表明在北喜马拉雅中、上地壳存在低阻层,地壳内可能发生部分熔融^[6];Shi等^[7]接收函数结果表明在俯冲前缘地壳界面存在“双莫霍”现象,推测下地壳可能发生榴辉岩化。由于错那洞穹窿的深部结构研究较少,因此本文以错那洞穹窿作为研究目标通过在错那洞穹窿及其邻区布设短周期密集线性台阵开展地壳结构研究,为北喜马拉雅穹窿带形成的深部机制研究提供新的地球物理证据。

1 区域地质背景

错那洞穹窿位于北喜马拉雅穹窿带东南端,距离雅拉香波穹窿以南约40 km,分别在西、南方向上靠近错那裂谷和藏南拆离系,北面紧邻拿日雍错(图1b)。其中藏南拆离系是在晚渐新世—中新世期间形成的一条近东西向分布,自上而下向北伸展的巨型低角度正断层或者韧性剪切带^[2,29-30]。与北喜马拉雅穹窿带内大部分穹窿类似,错那洞穹窿在结构上由外向内被两条拆离断层划分为盖层、滑脱系和核部3部分:错那洞穹窿核部主要由糜棱状花岗质片麻岩、淡色花岗岩和伟晶岩组成^{[31⇓⇓-34]}。下拆离断层将滑脱系与核部分开,是该研究区内变形最为强烈的地质界线,主要发育在错那洞穹窿的北侧、东侧以及东南侧;而上拆离断层则将滑脱系与盖层分开,其中盖层受区域变质作用,普遍发生浅变质,褶皱变形较为强烈,形成大量倒转褶皱和次级褶皱^[34]。除此以外,围绕错那洞穹窿存在多个金属矿区,如扎西康铅锌多金属矿、柯月铅锌多金属矿、错那洞铍稀有多金属矿和马扎拉金矿等。李光明等^[32]认为该区域多金属成矿系统受控于错那洞伸展热穹窿构造与穹窿内的中新世深熔花岗质岩浆-热液作用。

关于穹窿的构造变形,付建刚等^[33-34]通过构造调查发现错那洞穹窿主要发育四期线理构造:近N-S向逆冲、N-S向伸展线理、近E-W向线理和围绕核部向四周外侧倾伏线理,分别对应了穹窿构造经历的四期主要变形:初期向南逆冲、早期近N-S向伸展、主期近E-W向伸展和晚期滑塌构造运动,其中主期近E-W向伸展对应于错那洞穹窿的形成。而丁慧霞等^[35]通过变质及年代学研究发现该区片岩的变质作用发生在47~29 Ma,并认为穹窿核部淡色花岗岩是高分异花岗岩,是高喜马拉雅结晶岩系下部高温高压麻粒岩部分熔融所形成的熔体经历高程度分离结晶的产物。焦彦杰等^[36]在错那洞地区开展了重力、磁法和大地电磁测深工作,重力和磁法结果显示该区域整体为低重力异常和低磁异常,大地电磁结果显示地下以中高阻为主,但高阻中存在低阻通道。郭镜等^[37]通过横穿错那洞穹窿、藏南拆离系及扎西康矿集区的南北向大地电磁测深剖面,建立了扎西康深部构造-热事件的空间关系。薛帅等^[5]通过三维大地电磁反演结果显示,错那洞穹窿核部正下方发育明显的穹形低阻异常,上覆高阻体且环穹窿分布显著的低阻异常带。

由于目前针对错那洞穹窿的研究主要还是基于地质及地球化学研究方法,而相关的地球物理研究^[5,36-37],特别是深部地壳结构的高分辨率数据相对较少,尚无法有效约束错那洞穹窿的深部构造。

2 数据与研究方法

2.1 数据采集

研究区位于北喜马拉雅构造带东部92°E附近,布设的短周期密集线性台阵主要跨过错那裂谷、错那洞穹窿等地质单元(图1b)。测线近似E-W方向布设,台间距约500 m,总长约80 km。受地形交通条件影响,测线中部地区不具备布台条件,存在长度约4 km空区,实际野外工作布设的台站共计155台。观测仪器为FairField生产的便携式三分量地震仪ZLAND 3C,仪器主频为5 Hz。野外工作于2021年8—9月开展,持续观测时间约为33 d。

2.2 接收函数计算

在进行数据处理前,首先导出各台站记录的三分量连续波形数据,并将数据转换为SAC格式。在对所有台站的数据进行格式转换后,下载观测周期内的地震目录,筛选震中距30°~95°内震级 5.0以上(包含震级5.0级)的地震事件共计36个(图2)。根据IASP91模型计算理论P波到时,截取远震P波初至前50 s和后150 s总长为200 s的三分量波形数据。使用ZLAND-3C仪器的仪器响应文件移除三分量地震记录中的仪器响应,并对地震记录进行去均势、去均值和滤波等操作,滤波频率选择保留0.05~2 Hz之间的信号^[38-39],最后对数据重采样至50 Hz。在获得已截取的地震波数据后对数据进行坐标系旋转,将原始的Z-N-E(垂向-北南-东西)坐标系转换为Z-R-T(垂向-径向-切向)坐标系。为保证获取的接收函数质量及后续叠加成像结果的准确性,在进行时间域反褶积计算前需对数据进行初步筛选,删除原始波形较差、噪声影响较大的数据,最后经筛选获得质量较好的地震事件记录共计4 237条。考虑到研究区复杂的地质构造背景,本文采用时间域迭代反褶积方法提取接收函数^[39-40],并将高斯滤波系数设置为3.0。在剔除信噪比较低、质量较差的接收函数后,经遴选最终得到质量较好并用于后续共转换点叠加成像的接收函数共计2 044条。

2.3 CCP成像

在进行共转换叠加成像(CCP)前需要选取背景速度模型,速度模型的选取直接影响成像准确度。已有研究表明在喜马拉雅造山带及拉萨地体地壳中广泛存在高导低速层^[6,41⇓-43],USTClitho2.0模型^[44]具有较高的精度(0.5°×0.5°)并考虑到地壳中低速层的影响(图3a)。为对比USTClitho2.0模型与其他速度模型CCP成像结果,本文选取IASP91、CRUST1.0和USTClitho2.0速度模型分别进行CCP成像,提取成像剖面中主要的3条正转换震相界面并进行界面深度对比(图3b)。利用USTClitho2.0模型进行成像得到的转换震相界面的几何形态及界面深度与IASP91及CRUST1.0模型结果类似。受地壳中低速层的影响,USTClitho2.0模型结果相较其他模型在中地壳30~35 km界面深度较浅。为获得错那洞穹窿及其邻区下方准确的地壳结构,本文选取USTClitho2.0作为背景速度模型进行共转换点叠加成像,最终得到成像结果如图4所示。

3 结果

在远震P波接收函数剖面(图4a)和共转换叠加成像结果中(图4b),根据正转换震相的能量和相对P波震相的时间延迟信息判断,壳内分层明显且存在3个主要速度间断面,界面深度由浅到深大致分布在10~15、28~38、60~67 km范围内,且中、下转换震相能量相较浅层转换震相更强。在前人的研究中^{[1,3,7⇓-9,45]},喜马拉雅造山带地壳内主要存在Moho、MHT和STD 3个重要构造单元,结合前人开展的地震学研究和CCP剖面中各界面的深度分布信息^[7-8,45],本文推测CCP剖面中的速度间断面由深到浅依次推测为Moho、MHT和STD的底界面。在CCP剖面中各界面的几何形态在东西方向上存在差异:西侧地壳界面整体向东倾斜,而东侧地壳界面则相反向西倾斜,并在错那洞穹窿下方地壳存在多处异常。其具体表现为:(1)如图4中Q1区域所示,错那洞穹窿东侧下方28.6~30 km深处存在垂直方向上的错断,在错断位置东侧的MHT界面深度较深且错断的最大垂直变化在10 km左右;(2)STD在错那裂谷及错那洞穹窿下方连续性较弱(图4b Q2);(3)在错那裂谷及错那洞穹窿下地壳的MHT及Moho界面之间还存在一正转换震相D1,该界面主要分布在约50 km深度范围内且形态与西侧地壳内其他界面类似,向东倾斜并追踪到错断区域Q1下方;(4)在MHT界面与STD界面之间还存在一较强振幅的负转换震相区域,根据转换震相的极性变化推测在MHT界面上方可能存在一低速区。

CCP剖面中地壳及其内部界面结构的明显差异说明在印度板块与欧亚板块碰撞地壳发生缩短增厚过程中,北喜马拉雅东南缘地壳在东西方向上可能发生不同程度的形变。作为印度下地壳与上地幔的速度间断面,Moho发生形变说明在板块俯冲过程中岩石圈可能经历了塑性形变、物质交换以及岩性相变等地质作用过程^[46-47]。作为印度板块沿低角度俯冲喜马拉雅造山带印度下地壳的顶界面,MHT的结构及形态变化受到喜马拉雅造山运动过程中地壳增厚、物质折返等构造活动影响^[48⇓-50],其转换震相的极性在喜马拉雅造山带不同地区观测结果不尽相同^[49⇓-51]。已有研究表明MHT的极性变化与其所处的地壳环境有关。在MHT从脆韧性带逐渐转化成韧性剪切带的过程中,板块俯冲应变生热并使MHT倾角较小区域上方发生中地壳部分熔融^[52];特别是在高喜马拉雅及北部下方地壳区域,在高压环境下岩性相变会使MHT的转换震相极性发生正向改变^[51]。在CCP剖面中MHT界面是不连续甚至是“错断”的形态说明研究区中部地壳经历过较强程度变形,位于MHT上方存在的低速区则代表错那洞穹窿的中、上地壳可能还发生部分熔融。STD作为目前已知世界上规模最大的滑脱断层,被认为是一个宽度超过10 km的大型韧性剪切带^[3,9,53]。而在图4b中可以观测到在Q2区域内STD连续性较弱,STD韧性剪切区在向北伸展过程中可能发生消减并形成局部薄弱区。沿着MHT上方低速区以及Q2区域可向上追溯到地表的错那裂谷,中、上地壳中复杂的界面结构暗示研究区中、上地壳的形变与地表地质浅部构造响应存在联系。

4 讨论

4.1 地壳结构东西向差异及成因

在前人针对喜马拉雅造山带地壳结构的研究中,印度板块和欧亚板块的俯冲碰撞变形在东西方向上存在差异^{[54⇓⇓⇓-58]}。GPS数据计算平均应变率结果表明研究区处于强挤压环境中^[59],地壳内可能存在强烈的横向不均匀区域。为观察地壳内各速度间断面的空间分布特征,本文利用不同方向的地震事件分别进行CCP成像。图5a和图5b是分别利用NE和SE方向地震事件的接收函数进行共转换叠加成像结果。CCP剖面均显示错那洞穹窿下方MHT界面存在近垂直方向上错断,并且该不连续现象能追踪到D1界面和Moho(图5a)。除此以外不同的方向上均能观察到代表速度增加的异常界面D1,与前人开展接收函数研究结果类似,在北喜马拉雅俯冲前缘中、下地壳观察到双莫霍现象^{[11,49,51,60-61]}。岩石学和年代学研究建立的岩石的温度-压力-时间(p-T-t)轨迹表明,喜马拉雅造山带下地壳在高温高压条件下发生麻粒岩相-榴辉岩相变质作用^[62-63],联合接收函数、重力及震源分析等方法推测双莫霍形成可能与下地壳发生榴辉岩化有关^[7,49,51]。对于图5中Moho与MHT之间代表速度增加的D1界面,本文推测在错那洞穹窿西侧的下地壳岩性可能发生了榴辉岩化,并且在NE和SE方向的接收函数CCP剖面中,D1界面的深度及在壳内的分布存在差异,说明壳内速度变化存在各向异性,造成这种差异可能与下地壳榴辉岩化作用分布不均有关^[51]。

结合错那洞穹窿两侧地壳结构差异及其下方界面结构形变特征,在错那洞穹窿下方可能经历地壳尺度变形,形成原因可能与板块俯冲以及藏南地区的东西向伸展有关。前人在喜马拉雅造山带开展的壳幔结构地球物理探测成果显示,印度板块在东西方向上俯冲的角度、样式和距离都存在差异,具体表现为印度岩石圈由西向东从平俯冲变化为陡俯冲形态,俯冲距离逐渐减小^[64-65]。目前对于青藏高原发生东西向伸展的机制有自西向东发生横向挤出^[66]、岩石圈向东流动^[67-68]、印度岩石圈向东横向拆离^[69]或者板片撕裂^[70⇓-72]等模型解释,东西两侧因应力环境不同导致相邻板片可能产生不同的拉张应力,中、下地壳发生张性形变从而使中、下地壳界面发生错断。而导致板片发生形变有可能来自岩石圈中软弱的下地壳向东流动并对上地壳产生的水平剪切^[67-68],由西向东板片依次发生拆离^[69],撕裂的印度板片发生差异俯冲^[70⇓-72]或地幔物质上涌使下地壳发生弱化^[8,61,71,73]等。印度板片的高角度俯冲^[64-65]可能导致板片俯冲前缘在板片发生撕裂的局部区域软流圈热物质上涌^[72-73]。Shi等^[7]研究表明印度下地壳在特提斯喜马拉雅下方约60 km处与岩石圈地幔发生分离,印度板块的岩石圈地幔与其上覆的印度下地壳可能发生解耦,导致在印度岩石圈持续向北俯冲过程中俯冲前缘地壳发生榴辉岩化并发生逐步拆沉^[73⇓-75],该过程中因密度增大发生拆沉的印度岩石圈下沉地幔进而使地幔物质上涌^[72-73,76]并使印度下地壳弱化并发生岩性转变。由于相邻板片的差异俯冲产生不同的拉张应力使印度下地壳发生拉张伸展的同时,拉伸应力耦合到中地壳,并随着印度板块持续向北俯冲使印度的中地壳发生较高程度的拉张形变。随着喜马拉雅的地壳增厚以及岩石圈减薄,地壳弱化区域对中、上地壳施加较大的拉张应力和热量,促使上地壳发生东西向伸展,弱化区域同时也抑制软流圈上涌形成的拉张力^[77](图6)。

4.2 错那洞穹窿形成机制

在前人的研究中,MHT相对Moho以更大倾斜角度的近平板-斜坡几何形态向北延伸^{[7,49⇓-51,54-55]},较平坦的MHT界面上方区域因俯冲应变生热脱水发生部分熔融形成低速区^[52](图5 Q2)。由于片麻岩穹窿的形成过程与地壳深熔作用引起的地壳流活动有关,而错那洞穹窿的构造变形记录表明其形成主要经历了初期向南逆冲、早期近N-S向伸展、主期近E-W向伸展和晚期滑塌构造运动^[33-34]。同位素测年结果表明,与穹窿相关的淡色花岗岩主要是藏南拆离系伸展下滑伸展拆离,导致高喜马拉雅发生减压熔融而成引起的减压熔融的结果^{[78⇓⇓⇓-82]}。利用不同方向接收函数进行共转换叠加显示出STD在空间上分布不连续性,说明STD在南北向伸展过程中可能了发生局部消减并形成薄弱区。我们推测在青藏高原后碰撞阶段中,高喜马拉雅发生变质及部分熔融的影响下,STD的伸展过程引发上地壳减薄(图5 Q2),导致中、上地壳减压引发熔融,为岩浆上涌提供了有利条件。在青藏高原南部中、下地壳E-W伸展的背景下,错那洞穹窿地区的中、上地壳熔融物质经STD薄弱处形成的通道不断聚集在穹窿的下方同时促进错那裂谷发生东西向伸展(图6),最终经岩浆底辟作用形成错那洞穹窿^{[3,5,9,11,36]}。

5 结论

本文利用布设在藏南错那洞穹窿及其邻区的东西向短周期密集剖面数据开展地震学研究,运用远震P波接收函数共转换叠加成像方法获得了错那洞穹窿地壳的界面结构。结果表明错那洞穹窿区域地壳存在多处不连续界面甚至发生错断,北喜马拉雅东南缘可能经历过地壳尺度拉伸变形;而MHT上方地壳则可能发生部分熔融使错那洞穹窿区域中、上地壳发生弱化,促进北喜马拉雅穹窿带东缘发生东西向伸展。

错那洞穹窿的中、上地壳经历了长期的大陆俯冲、地壳增厚及持续的高温变质作用。随着藏南拆离系伸展减压,中、上地壳发生部分熔融,熔融岩浆沿着藏南拆离系伸展薄弱处不断上涌并在错那洞穹窿下方聚集,在后碰撞阶段喜马拉雅造山带东西向伸展环境下发生岩浆底辟,进而形成现今的错那洞穹窿。

衷心感谢责任编辑和匿名审稿人的意见和建议。

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基金资助

中国地质调查局地质调查项目(DD20221647)

自然资源部深地科学与探测技术实验室开放课题(202206)

国家自然科学基金项目(91962109)

国家自然科学基金项目(42174124)

地质过程与矿产资源国家重点实验室科学技术部专项(MSFGPMR2022-4)

湖北巴东地质灾害国家野外科学观测研究站开放基金项目(BNORSG-202214)

湖北省自然科学基金联合基金重点项目(2023AFD211)