天山地區均衡剩余地形特征及其地質意義

孔繁良 張星宇 梁 青 陳 超

1 中國地質大學(北京)地球物理與信息技術學院,北京市學院路29號,100083 2 新疆維吾爾自治區地質礦產勘查開發局地球物理化學探礦大隊,新疆維吾爾自治區昌吉市延安南路119號,831100 3 新疆維吾爾自治區地質礦產勘查開發局第八地質大隊,新疆維吾爾自治區阿克蘇市北京路55號,843000 4 中國地質大學(武漢)地球物理與空間信息學院地球內部多尺度成像湖北省重點實驗室,武漢市魯磨路388號,430074

天山地區構造運動活躍,晚古生代時期,在西伯利亞和塔里木地塊碰撞作用下,準噶爾、吐哈、博格達、哈爾里克等多個塊體拼貼增生,形成近東西向的天山造山帶(圖1)。天山造山帶屬于典型的新生代復活型造山帶,其基本格架形成于古生代晚期[1]。新生代時期,受印度板塊碰撞與俯沖歐亞大陸的遠程效應影響,塔里木地塊向北俯沖擠壓天山,致使天山造山帶復活隆升,形成天山地區現今的大型盆山相間格局[2]。板塊碰撞和俯沖強烈改造了天山及相鄰盆地的巖石圈結構,GPS水平垂向觀測數據顯示[3],天山造山帶當前仍處于整體隆升狀態,而塔里木盆地則表現為下沉趨勢。為了更好地研究天山地區的巖石圈演化和形變過程,仍需要更多證據。

圖1 天山地區地形與構造單元示意圖

地形是研究巖石圈形變最直接的地球物理觀測量之一,可刻畫不同構造單元的地表特征。然而,即使是在活躍的和最新的地質構造區域,地形仍被巖石圈密度差異極大地均衡補償[4],使得研究各種動力學作用對巖石圈形變的影響變得困難。一種有效的方法是首先從觀測地形中扣除巖石圈均衡貢獻的部分,得到剩余地形[5];然后從剩余地形中濾波扣除其中的長波長部分(如地幔對流),得到中短波長部分(也稱作均衡剩余地形)[6],其可反映其他各種構造運動(如碰撞和俯沖作用)對地形的貢獻,有助于了解巖石圈形變過程。本文基于巖石圈撓曲均衡理論,考慮有效彈性厚度的變化,計算研究區均衡剩余地形。首先聯合重力、地震橫波速度和莫霍面數據,反演巖石圈剩余密度結構,然后結合有效彈性厚度和地形數據計算均衡剩余地形,最后討論天山地區的均衡剩余地形特征及其對巖石圈形變的啟示。

1 方法理論

剩余地形包含兩部分,分別為長波長部分的動力剩余地形(也稱動力地形)和中短波長部分的均衡剩余地形[6]。為了得到均衡剩余地形,首先需要計算剩余地形。根據前人研究中對剩余地形的定義[5],可從觀測地形中扣除巖石圈均衡貢獻的部分后得到。在Airy均衡情況下,即假設巖石圈有效彈性厚度為0,剩余地形可表示為[6-7]:

(1)

式中,ρtop為觀測地形Hobs的改正密度,在陸地通常設置為2 670 kg·m-3;ρres為剩余地形Hres的平均密度,設置為2 670 kg·m-3;Δρ(z)為巖石圈內部的密度異常,z為大地水準面以下巖石圈深度;Z為積分深度;R為地球平均半徑。

然而,上述計算忽略了巖石圈的有效彈性厚度。盡管在研究長波長部分的動力剩余地形時,其可以忽略,但對中短波長部分的均衡剩余地形而言,有效彈性厚度的變化至關重要。根據巖石圈具有的濾波器(Q)特性[8],式(1)可以進一步寫為:

(2)

由于巖石圈有效彈性厚度通常為變量,因此在荷載ρH作用下,濾波器Q通常描述為一個四階偏微分方程[9]:

(3)

表1 本研究所用參數

2 數據計算與分析

本文采用聯合反演方法,利用布格重力異常、地震橫波速度和莫霍面數據得到研究區巖石圈密度異常。研究區初始重力數據(圖2(a))是基于地球重力場模型EIGEN-6C4得到,觀測面高度為10 km。地形重力效應是基于ETOPO1全球高程/水深模型,采用球冠體積分的重力異常正演方法[10]計算166.7 km范圍地形產生的10 km高度重力效應(圖2(b))。從自由空間重力異常中扣除地形產生的重力效應,得到研究區布格重力異常(圖2(c))。

圖2 天山地區重力異常及地形重力效應

利用地震橫波速度和莫霍面數據構建巖石圈(0～150 km)初始密度異常模型。地震數據采用Lü等[11]針對天山地區研究獲得的地殼-上地幔橫波速度結構,該模型具有較高的水平分辨率,約為0.5°～0.75°。莫霍面深度數據來自Stolk等[12]發布的亞洲地殼模型,該模型由地震數據獲得,在研究區具有較高的分辨率,約為1°×1°。基于上述數據,將地震橫波速度轉換為初始地殼密度[13]。對于地幔部分,將橫波速度異常轉換為地幔密度異常[14],其與平均地幔密度3 270 kg·m-3之和被設置為初始地幔密度。對于參考密度模型,通常的做法是采用平均莫霍面深度或正常地殼厚度30 km作為劃分均勻水平層狀地殼和地幔之間的參考深度(也稱作補償深度)。張星宇等[15]根據均衡理論研究顯示,天山地區補償深度最佳值約為39 km。因此,本文將劃分地殼和地幔的參考深度設置為39 km,初始密度模型與參考密度模型之差即為初始密度異常模型。本文使用Audet等[16]基于Fan小波譜分析方法計算得到的有效彈性厚度模型。

根據布格重力異常和初始密度異常模型,采用聯合反演方法[17]獲得最終的巖石圈密度異常結構(圖3(a))。為了驗證反演結果的可靠性,對反演得到的巖石圈密度異常結構進行正演計算,并將正演得到的重力異常與輸入的布格重力異常(圖2(c))作差,結果如圖3(b)所示。從圖中可以看出,擬合差幅值整體較小,基本在±10 mGal以內。

圖3 巖石圈密度異常

3 結果與討論

3.1 均衡剩余地形特征

基于反演獲得的巖石圈密度異常結構,結合研究區有效彈性厚度模型,利用式(2)和(3)即可計算得到天山地區剩余地形(圖4(a))。為了消除邊界效應的影響,撓曲計算向外擴展574 km,即假設有效彈性厚度為70 km時第一撓曲節點[8]的距離。同時,為了減小地球曲率的影響,本文采用蘭勃特圓錐保角投影進行有限差分的撓曲計算。從圖4(a)可以看出,剩余地形結果仍然受到顯著的長波長動力影響(如地幔對流)。Kaban等[7]通過對全球剩余地形和均衡重力異常進行球諧分析,發現球諧階次小于20階的部分(對應波長大于2 000 km)能較好地指示深部地幔對流信號。Flament等[5]同樣將剩余地形中波長大于2 000 km的部分用來討論全球尺度的地幔對流過程。因此,為了更好地研究巖石圈尺度的形變特征,本文將剩余地形中波長大于2 000 km的部分(圖4(b))進行高斯濾波扣除,得到中短波長部分的均衡剩余地形,結果如圖4(c)所示。

圖4 天山地區剩余地形

由圖4可知,研究區均衡剩余地形與構造單元具有良好的對應性。負值主要出現在年輕造山帶,如天山中部和西部、阿爾泰山、青藏高原等,最低可達-1.6 km。正值則主要出現在部分老塊體,如塔里木盆地、吐哈盆地、準噶爾盆地北部、哈薩克斯坦塊體等,最高可達0.9 km。其中,天山西部和中部顯示出大片負值,且西部幅值較低,約為-0.2～0 km,中部幅值較高,約為-0.5～0 km,而東部(>88°E)則基本為較低幅值的正值,約為0～0.3 km。相比之下,阿爾泰山均衡剩余地形負值較低,最低值約為-0.9 km,青藏高原負值最低,極小值約為-1.6 km。另外,塔里木盆地北緣中部和準噶爾盆地南部雖然顯示出局部負值,但塔里木盆地整體為大片正值,極大值約為0.9 km,準噶爾盆地北部同樣顯示出大片正值,最大值約為0.8 km。研究區西北部的哈薩克斯坦塊體基本為正值,約為0～0.6 km,而吐哈盆地均衡剩余地形正值較低,不超過0.4 km。

3.2 均衡剩余地形對巖石圈形變的啟示

通常在無外力擾動情況下,由于地形被巖石圈密度差異均衡補償,均衡剩余地形應當趨近于0,全球大范圍的低值均衡重力異常[18]也可證實該特征。然而,這在構造活躍的地區往往并不成立,板塊碰撞、俯沖等過程導致巖石圈發生形變,造成額外的地形。研究區均衡剩余地形的劇烈變化表明,該地區曾經經歷復雜的構造運動。

自新生代以來,印度板塊與歐亞大陸持續發生劇烈碰撞,其遠程效應波及整個天山地區。GPS水平觀測數據顯示[19],天山地殼當前仍處于持續縮短狀態,且自西向東地殼縮短速率逐漸減小,西部可達20 mm/a,東部僅約1 mm/a。在剛性塔里木塊體的碰撞和俯沖作用下,天山不僅復活隆升,且發生更為劇烈的下地殼增厚,形成天山中西部(<88°E)負值均衡剩余地形。相比之下,天山西部(約74°～80°E)均衡剩余地形幅值略小于天山中部(80°～88°E),這可能與軟流圈上涌有關。地震橫波速度結果顯示[11],天山西部存在明顯的軟流圈上涌,可能會貢獻部分正地形,在一定程度上抵消下地殼劇烈增厚所形成的負值均衡剩余地形。此外,根據地震波速度結構可知,天山東部(>88°E)并無明顯的增厚山根,表明巖石圈形變主要以地表抬升為主,并形成正值均衡剩余地形。由圖4(c)可知,天山中西部均衡剩余地形幅值小于阿爾泰山和青藏高原,這可能與巖石圈強度有關。天山巖石圈有效彈性厚度較高,表明天山塊體整體具有較高的力學強度,在板塊碰撞和擠壓過程中,巖石圈形變相對較小。而與區內造山帶形成顯著對比的是,塔里木盆地、吐哈盆地和哈薩克斯坦等塊體基本為正值均衡剩余地形,地質上通常認為塔里木盆地是具有前寒武陸殼基底的穩定地塊,而哈薩克斯坦塊體同樣被認為是相對穩定的克拉通,這些說明在板塊碰撞和擠壓過程中,相對較老的剛性塊體整體發生抬升。

4 結 語

本文根據撓曲均衡理論,首先采用聯合重力和地震數據反演方法,獲得天山地區巖石圈密度異常結構;然后考慮巖石圈有效彈性厚度的橫向變化,采用有限差分方法,計算得到研究區均衡剩余地形。得到以下認識:

1)天山地區顯示出復雜的均衡剩余地形特征,且與各構造單元具有良好的對應性,不同塊體的均衡剩余地形幅值均較高,表明研究區中新生代以來經歷了復雜的演化過程。

2)區內山脈(天山中西部、阿爾泰山和青藏高原)主要為負值均衡剩余地形,而塔里木盆地、吐哈盆地和哈薩克斯坦等較老塊體主要為正值均衡剩余地形。這說明在板塊碰撞和擠壓過程中,較老塊體巖石圈整體發生抬升,而年輕造山帶巖石圈形變主要表現為地表抬升和更為劇烈的下地殼增厚。

3)天山各段均衡剩余地形存在差異,中部(80°～88°E)和西部(約74°～80°E)基本為負值,反映出俯沖導致的下地殼增厚,且西部幅值相對較小,可能與軟流圈上涌有關;而天山東部(>88°E)則為低幅值的正值,表明巖石圈形變主要以地表抬升為主。