長江中下游成礦帶及典型礦集區深部結構探測
——SinoProbe-03年度進展綜述

呂慶田, 史大年, 湯井田, 吳明安, 常印佛, SinoProbe-03-CJ項目組

1)中國地質科學院礦產資源研究所, 國土資源部成礦作用與資源評價重點實驗室, 北京 100037;

2)中南大學地球科學與信息物理學院, 湖南長沙 410083;

3)安徽省地質調查院, 安徽合肥 230001;

4)安徽省國土資源廳, 安徽合肥 230088

長江中下游成礦帶及典型礦集區深部結構探測
——SinoProbe-03年度進展綜述

呂慶田1), 史大年1), 湯井田2), 吳明安3), 常印佛4), SinoProbe-03-CJ項目組

1)中國地質科學院礦產資源研究所, 國土資源部成礦作用與資源評價重點實驗室, 北京 100037;

2)中南大學地球科學與信息物理學院, 湖南長沙 410083;

3)安徽省地質調查院, 安徽合肥 230001;

4)安徽省國土資源廳, 安徽合肥 230088

大陸現今的地殼結構和物質組成是地殼經歷了復雜的動力學演化過程形成的“產品”, 保留著演化過程中重大地質事件留下的痕跡, 使用現代地球物理探測技術對這個“產品”進行成像, 不僅可以了解現今的構造和物質狀態, 還可以推演過去曾經發生的動力學過程。長江中下游成礦帶是我國重要的鐵、銅多金屬資源基地, 其形成的深部動力學過程一直是礦床學家關注、爭論的焦點。2010年 SinoProbe-03項目在長江中下游成礦帶完成了300 km的寬頻地震探測, 在廬樅礦集區完成了5條剖面累計250 km的反射地震、MT和地球化學剖面測量, 經初步處理分析, 取得了一系列重要發現, 包括成礦帶上地幔存在低速體, 地幔各向異性呈小尺度變化特征, Moho面存在局部隆起, 巖石圈底部界面模糊, 地殼呈雙層結構, 上地殼厚度明顯大于下地殼, 并且經歷了早期強烈擠壓、后期伸展的變形過程等。這些新發現支持軟流圈上隆、巖石圈減薄, 富集地幔熔融、下地殼增厚、拆沉的深部動力學模式, 并可解釋成礦帶普遍發育的白堊紀埃達克巖(adakite)、橄欖玄粗巖(shoshonite)的成因和長江中下游巨型成礦帶的形成。

寬頻地震; 反射地震; 大地電磁; 層析成像; 各向異性; 接收函數; 地殼結構

長江中下游成礦帶是我國東部重要的Cu、Fe、Au、S多金屬資源基地, 由7個大型礦集區、200多個大中型礦床組成, 從北東到南西依次為寧鎮礦集區、寧蕪礦集區、銅陵繁昌礦集區、廬樅礦集區、貴池礦集區、九瑞礦集區和鄂東南礦集區(圖1), 區域上呈狹窄的帶狀分布(Pan et al., 1999)。為什么在此狹窄的空間內發生了如此大規模的巨量金屬富集？長期以來一直是礦床學家的難解之謎。探測成礦帶所根植的深部地殼結構, 分析控制區域成礦作用的動力學演化過程對理解成礦帶的成因機制、預測新的礦集區至關重要。

地殼深部結構和物質組成保留著其形成和動力學演化過程中重大地質事件留下的痕跡, 比如造山、伸展、拆沉、底侵等, 使用現代地球物理技術對地殼結構進行精細成像, 可以推演過去曾經發生的重大地質事件, 從而可以了解巨量金屬富集的深部奧秘。在國家“深部礦產資源立體探測技術與實驗(SinoProbe-03)”專項項目支持下, 2010年在長江中下游成礦帶部署了300 km的寬頻地震探測, 在廬樅礦集區開展了 5條地震反射、MT和鉆孔地球化學測量工作(呂慶田等, 2011), 經數據處理, 取得了初步成果。該成果被評為2010年中國地質科學院年度10大進展之一, 應《地球學報》的邀請, 本文介紹項目2010年的主要工作, 并對取得的初步成果進行綜合分析, 提出了關于成礦帶深部構造背景和變形歷史的初步認識。需要特別指出的是, 由于項目數據量巨大, 無論是遠震地震層析成像, 還是反射地震處理結果都是非常初步的, 尤其是寬頻地震層析成像、接收函數成像和各向異性參數計算結果,還有待使用更多的地震數據提高反演的分辨率, 確認成像的可靠性。

1 區域構造地質背景

圖1 長江中下游成礦帶主要礦集區、礦床分布及地震剖面位置示意圖(據Pan et al., 1999; 周濤發, 2008改繪)Fig.1 Sketch map showing the distribution of major ore Concentration areas, deposits and the location of seismic profiles over the middle and lower reaches of the Yangtze River (after Pan et al., 1999; ZHOU Tao-fa, 2008)

長江中下游成礦帶(又稱中下揚子)構造上位于大別-蘇魯超高壓(UHP)變質帶的前陸。北西以襄樊-廣濟深斷裂、郯廬左旋走滑斷裂為界, 南東以陽新-常州斷裂為界, 總體上呈北西狹窄、北東寬闊的“V”字型地帶(常印佛等, 1991), 并呈北東—南西向狹窄的負地形, 又稱為下揚子坳陷。長江中下游成礦帶屬于揚子陸塊北東緣的一部分, 而揚子陸塊本身又由兩個前寒武紀陸核組成: 即太古(？)-古元古(約1800 Ma)的揚子陸塊和古元古-中元古的華夏陸塊,二者在晚中元古-早新元古時期(晉寧運動)碰撞拼貼在一起(Li, 1998), 后期又經歷了陸內裂谷和造山運動。震旦紀之后形成了統一蓋層, 震旦系-志留系為穩定的陸表海碳酸鹽巖→碎屑巖相沉積, 加里東運動隆起成陸, 缺失下-中泥盆統; 海西期沉積了上泥盆統-下三疊統的碎屑巖、碳酸鹽巖和海陸交互含煤系建造, 其間劇烈的升降運動形成了多個平行不整合面, 造成下石炭統部分地層缺失, 而在上石炭統底部形成塊狀硫化物層, 在二疊系形成孤峰和大隆組深水硅質巖。中三疊世受印支運動影響, 構成揚子板塊與華北板塊碰撞的前陸帶(董樹文, 1991), 主要為局限海含膏鹽碳酸鹽巖沉積, 之后開始大規模褶皺隆升, 至中侏羅世發育陸相盆地沉積。上侏羅統-下白堊統為燕山期大規模構造-巖漿活動形成的一套鈣堿性-堿性火山巖、火山碎屑巖建造, 指示本區進入陸內伸展構造環境。伴隨燕山期強烈的構造-巖漿-成礦活動, 形成長江中下游成礦帶現今的主體面貌, 其成礦作用呈現“層控”和“多位一體”的規律(常印佛等, 1991; 周濤發, 2008)。

在區域布伽重力異常圖上, 成礦帶對應“鼻”狀正異常帶, 很多專家認為該正異常由地幔隆起引起(唐永成等, 1986), 也可能由于地殼密度較大別或江南隆起高所致, 因為大別和南東測的江南隆起由大面積低密度花崗巖分布。對應地表郯廬斷裂和陽新-常州斷裂的位置, 重力異常呈現密集梯度帶, 對應地殼厚度的陡變帶, 或密度變化帶。經過高通濾波后的局部重力異常呈現北東走向、高低相間分布的異常特征(呂慶田等, 2004), 從地表地質可以推測,這些高、低異常分別對應上地殼的局部隆起(古生代-中生代沉積地層)和中新生代的斷陷盆地。

成礦帶的巖漿活動集中出現在 145～120 Ma,是伸展構造背景的產物。根據巖漿巖的巖石學、元素和同位素地球化學, 可以將其劃分為高鉀(富堿)鈣堿性系列和橄欖安粗巖系列(毛建人等, 1997)。很多學者研究認為(王強等, 2001, 2003; Xu et al., 2002),巖漿巖具有幔源特征, 為富集地幔的玄武巖漿底侵到下地殼底部, 發生熔融后經分離結晶形成的。巖漿巖的空間分布在區域航磁異常圖上十分清楚(呂慶田等, 2004), 主要分布在兩個帶上, 即懷寧－樅陽－廬江東, 銅陵-繁昌－馬鞍山－南京。磁異常軸向一般呈北東走向, 與火山巖、中酸性侵入巖分布范圍基本吻合。南京—鎮江一線出現近東西向的線性負異常, 并且平行近東西走向的山脈, 是區分長江中下游南北之間的重要構造分界線。郯廬斷裂兩側磁異常存在重大差異, 西側磁線性構造呈北西走向, 東側磁線性構造呈北東走向。反應出郯廬斷裂東、西兩側的構造變形是在兩種構造體制下形成的。

關于長江中下游巖漿巖帶形成的構造背景有很多模型, 并且存在較大爭議。Lapierre等(1997)認為晚侏羅-早白堊紀該地區屬于安第斯型的板塊邊緣,發育陸源巖漿弧, 巖漿活動與古太平洋板塊西向俯沖有關, 晚白堊紀以后古太平洋板塊停止俯沖, 該地區轉為伸展環境, 形成NE向的斷陷盆地, 并伴隨有大陸拉斑玄武巖和堿性流紋巖的噴出; Zhou and Li(2000)提出在180～80 Ma之間, 由于古太平洋板塊俯沖角度從低角度向中等角度的變化, 華南大陸巖漿活動從遠離俯沖邊界近1000 km的內陸逐漸向大洋方向退縮, 退縮過程中由于不同傾角的地幔楔熔融和底侵作用, 導致中下地殼熔融形成了華南大規模酸性巖漿活動, 形成了與之相關的礦床; Li等(2007)嘗試使用平板俯沖、板片拆沉和折退(roll-back)來解釋中國東部近千公里寬的巖漿巖帶及其時空分布規律。還有學者認為, 長江中下游成礦帶的巖漿活動與古太平洋板塊的俯沖沒有關系, 而與大陸巖石圈的拆沉、軟流圈物質上隆有關(張旗等, 2001)。董樹文等提出晚侏羅紀東亞板塊匯聚構造造成巖石圈加厚, 早白堊紀垮塌伸展引發巖漿火山作用, 伴有大規模成礦作用(董樹文等, 2007)。

2 數據采集與處理

2.1 成礦帶寬頻地震數據采集與處理

按照項目的總體設計(呂慶田等, 2011), 在長江中下游成礦帶部署了一條跨越不同構造單元的綜合探測剖面, 剖面北西起自安徽定遠, 經馬鞍山, 南東到達江蘇溧陽, 計劃長度300 km。剖面穿過的構造單元主要有: 華北地塊(合肥盆地)、郯廬斷裂帶(TLF)、滁河斷裂(CHF)、沿江坳陷帶(成礦帶)、茅山斷裂(MSF)和揚子古陸(圖 2)。沿剖面計劃開展寬頻地震、深地震反射、折射和MT探測。寬頻地震臺站部署從2009年11月開始, 先期部署了46個臺站, 使用 Guralp 3ESPCD型寬頻地震儀, 臺站間距約為5 km, 剖面長度近250 km。截止2010年12月,一共進行了3次臺站查巡、取數和臺站維護工作, 最終使觀測點數增加到 60個, 已經獲得數據約600 GB。

圖2 長江中下游成礦帶寬頻地震剖面位置及周邊地質構造圖Fig.2 The tectonic map of the middle and lower reaches of the Yangtze River with the locations of broadband stations

對所獲得的天然地震數據進行了預處理, 從連續記錄的地震記錄中篩選出信噪比較高的天然地震事件約 253個。在此基礎上初步開展了接收函數成像處理, 各向異性分析及參數計算和遠震層析成像研究。初步獲得了300 km地質廊帶巖石圈和上地幔(410 km以上)的主要速度界面結構圖像, P波速度結構和地殼及上地幔的各向異性參數(Jiang et al., 2010; Shi et al., 2010; 史大年等, 2011)。

天然地震接收函數成像研究: 根據所采集的數據進行天然地震接收函數成像研究, 目前已經初步完成了現有數據的接收函數成像處理, 研究結果已經初步給出了長江中下游成礦帶地表至 410 km深度上的主要速度界面結構圖像(Shi et al., 2010; 史大年等, 2011)。

地震波各向異性研究: 在所采集的數據中觀測到了很好的遠震SKS和SKKS震相, 對這些震相進行了初步的橫波分裂分析以測量研究區上地幔各向異性, 目前已經初步完成了現有震相的分析, 這些結果對研究該區的地殼和上地幔變形狀態具有重要意義(Shi et al., 2010; 史大年等, 2011)。

地震層析成像研究: 利用已采集的數據進行了地震層析成像研究, 目前已經完成了已有數據的數據處理和層析成像反演并給出了研究區地殼和上地幔速度結構的初步研究結果(Jiang et al., 2010)。

2.2 廬樅礦集區反射地震數據采集與處理

在廬樅礦集區部署了 5條相互交叉的反射地震剖面, 其中北西-南東向剖面3條(Lz-1、Lz-2、Lz-3),大致垂直火山巖走向; 北東-南西剖面 2條(Lz-4、Lz-5), 基本與火山巖走向平行(圖 3)。北西-南東向剖面穿過郯廬斷裂、孔城凹陷、火山巖區和長江斷裂帶; 北東-南西剖面北起楊家橋基底隆起, 近乎平行穿過火山巖區, 向南終止于早侏羅統羅嶺組分布區。5條剖面滿覆蓋長度250 km。野外地震反射數據采集由中石化西南石油局云南物探公司于 2009年 11月至 2010年 1月完成。使用法國生產的SN428XL數字地震儀, 觀測系統采用 7190-10-20-10-7190(m), 接收道數 720道, 炮點間距 80 m,檢波點距20 m, 疊加次數90; 震源為爆炸震源, 在試驗的基礎上確定的藥量和井深參數為: 平原區井深14～16 m, 16 m為主, 藥量4～6 kg, 6 kg為主; 山區井深16～18 m, 高陡區18 m為主藥量8～10 kg,高陡區增加到12～14 kg; 使用20DX-10檢波器, 12個檢波器組合, 記錄長度12 s, 采樣間隔2 ms。其中LZ-2線為寬線, 采用1S2R三線方式寬線施工(即單線激發、雙線接收), 兩條接收線距40 m, 同一樁號錯開10 m, 激發線位于兩條接收線中間。

圖3 廬樅礦集區周邊地質及反射地震、MT剖面位置示意圖Fig.3 Geological map of the Lujiang-Zongyang ore concentration area with the locations of seismic reflection and MT profiles

使用CGG、OMEGA、Promax和部分自行開發的軟件進行了處理。在對野外數據品質進行充分分析的基礎上, 認為影響資料處理質量的主要問題有:靜校正問題、信噪比問題、頻率問題、不同激發條件造成的采集資料振幅、相位不一致問題、低降速層造成的地震子波拉伸畸變、偏移方法及參數選擇等。針對上述處理關鍵問題, 處理中采用以下關鍵處理技術: (1)精細的疊前預處理, 包括廢炮廢道剔除, 嚴格的觀測系統定義與線性動校正工作; (2)采用球面擴散補償和地表一致性振幅補償相結合的方法進行振幅補償處理, 使橫向和淺中深層能量變化合理, 真實反映地下巖性變化的特點; (3)使用層析靜校正技術, 避免了巖石裸露區無法進行折射靜校正的問題; (4)采用多反射界面剩余靜校正與速度分析結合的技術, 提高成像質量; (5)使用疊前多域組合去噪技術, 有效壓制各種干擾, 提高數據的信噪比。包括: 采用自適應面波衰減技術和區域濾波技的方法識別出線性干擾, 并從原始數據中減去, 實現線性干擾的濾除; 對高能干擾采用分頻壓制技術,提高去噪的保真程度; (6)采用地表一致性反褶積及多道預測反褶積來展寬頻帶, 提高波組特征; (7)通過制作高質量速度譜, 利用多種輔助手段, 如動校道集、常速掃描疊加剖面、變速掃描疊加段以及動態的疊加段等, 識別速度, 保證速度的準確拾取; (8)采用DMO處理技術為偏移提供高質量的疊加數據,同時通過 DMO速度分析, 為偏移提供消除地層傾角影響的初始速度場; (9)使用基于起伏地表的疊前時間偏移技術, 提高成像精度。實際資料處理中, 以處理地質效果為目標, 采用邊試驗邊處理的思路進行。最終確定的處理流程如圖4。

2.3 廬樅礦集區MT及地球化學數據采集與處理

圖4 廬樅礦集區反射地震處理流程圖Fig.4 The seismic data processing flow chart of Lujiang-Zongyang ore concentration area

沿 5條地震剖面, 一共完成了 523個大地電磁測量點, 其中檢測點 10個、實驗點 13個。使用 5套加拿大鳳凰公司的 V5-2000(配 MTC-50磁探頭,頻率范圍為300～0.0005 Hz), 和1套V8系統進行測量, 點距500 m, 觀測時間24小時。在測量前對6套儀器進行了一致性試驗, 從視電阻率和相位曲線表明 6套儀器一致性較好, 所采集的數據可以進行統一處理和解釋工作(肖曉等, 2011)。依據《大地電磁測深技術規程(DZ/T 0173-1997)》中關于數據質量評價標準規定, 對廬樅礦集區 MT數據質量進行了評價, 達到一類數據點354個, 占整個數據的71.6%,二類點119個, 占23.8%。對MT數據質量分析結果表明, 礦山活動是最大的噪聲源, 其它還有工業電力線、發射塔、通訊光纜、鐵路、高速公路等。數據處理的最大難點是去噪, 為此, 我們研究了噪聲時頻特征, 劃分了噪聲類型, 嘗試了遠參考、小波分析、最小二乘、自適應濾波、人機交互去噪等技術,最后提出了時間域形態濾波技術, 并在5條MT剖面上應用, 取得了較好效果。開展了非線性共軛梯度反演方法研究, 獲得了 5條電阻率剖面反演初步結果(肖曉等, 2011)。

在進行反射地震數據采集時, 沿地震剖面炮點鉆孔采集了3579個地球化學樣品, 采樣位置一般在炮井最底部, 取樣介質以巖屑為主, 部分炮點為泥沙。在實驗室進行了樣品處理, 分析了As、Sb、Hg、W、Mo、Cu、Pb、Zn、Ag、Au 10個元素。為深入了解盆地與基底地球化學元素空間分布規律和深部成礦預測奠定了基礎。

3 初步結果及其動力學與找礦勘查的意義

3.1 寬頻地震處理結果及動力學意義

遠震層析成像(Jiang et al., 2010)初步結果發現:沿成礦帶地球物理綜合剖面從北西的合肥盆地, 過長江中下游成礦帶到江南古陸, 巖石圈(70～80 km±)P波速度存在較大的變化, 滁河斷裂(CHF)至江南斷裂(JNF)之間總體表現為高速, 合肥盆地總體表現為低速特征, 對應寧蕪火山巖盆地和溧陽火山巖盆地為相對低速。在上地幔200～100 km深處(軟流圈), 大致以滁河斷裂為界, 西側為高速異常,東側為低速異常, 而且低速異常中心位于150 km深;在上地幔300～200 km深處, 同樣以滁河斷裂為界,西側呈現低速異常, 而東側呈現高速異常。西側的低速異常體與上地幔200～100 km深的低速異常體連接, 形成上地?！皢♀彙毙偷退佼惓?圖5)。軟流圈中出現低速異常通常解釋為局部熔融造成的, 而局部熔融狀態的形成可能與巖石圈拆沉和伸展減壓有關。

圖5 長江中下游成礦帶遠震層析成像初步結果Fig.5 Preliminary results of teleseismic tomography crossing over the middle and lower reaches of Yangtze River

接收函數成像(Shi et al., 2010; 史大年等, 2011)結果發現: 郯廬斷裂以東Moho面明顯抬升, 抬升幅度大約在3～5 km; 巖石圈底界面(70～80 km±)不清晰, 很有可能與軟流圈中的局部熔融有關, 熔融使巖石圈底部與軟流圈物性或物質狀態趨于均一; 410 km界面清晰, 近似水平。殼內存在明顯的轉換界面, 在合肥盆地中下地殼存在南東傾的高速轉換界面, 而在寧蕪火山巖盆地附近中下地殼存在低速轉換界面。這些速度轉換界面要么解釋為伸展構造體制下的殼內區域滑脫面, 要么為巖漿活動留下的殘晶體(高速體)。

地震各向異性參數計算(Shi et al., 2010)結果呈現復雜的方位變化(圖6), 利用來自E和SE方向的地震(射線穿過揚子板塊)計算得到的快波偏振方向總體呈NE方向, 平行地表構造線方向; 而利用來自W和NW方向的地震計算出的快波偏振方向呈復雜變化, 滁河斷裂以西快波偏振方向呈NW、NNW, 滁河斷裂以東快波偏振方向變化不穩定, 具有小尺度變化的特征。這種特征指示華北板塊上地幔和長江中下游成礦帶具有多層、且流動變形方向不同的各向異性層; 快波偏振方向的短距離變化可以用上地幔小尺度變形流動來解釋(Helffrich et al., 1994), 與巖石圈復雜的拆沉過程有關。

上述地震層析成像、接收函數和各向異性結果所反映的深部過程可以用同樣的地球動力學模型來解釋, 該模型至少應包括: 下地殼和巖石圈拆沉、軟流圈上隆和富集地幔熔融等過程, 這些過程也得到了巖石元素、同位素地球化學的佐證(王強等, 2001, 2003; Wang et al., 2006)。拆沉的巖石圈可能是古太平洋板塊(Kula或Izanagi板塊)水平俯沖巖石圈的前緣(Li et al, 2007), 也可能是在古太平板塊擠壓下揚子板塊增厚的巖石圈, 在古太平洋板塊俯沖擠壓減弱或停止俯沖后, 增厚的巖石圈在重力作用下垮塌,區域構造體制由擠壓轉為伸展。

3.2 廬樅礦集區反射地震結果及動力學意義

5條相互交叉的反射地震疊加剖面揭示廬樅礦集區地殼結構、深部過程和陸內變形特征, 揭示了早白堊紀以前的擠壓變形和晚早白堊紀以后伸展變形之間的相互關系。以垂直廬樅火山巖區走向的Lz-2剖面和平行火山巖區走向的 Lz-4剖面為例(圖7), 可以清楚地看出地殼厚度在30 km上下變化, 在靠近郯廬斷裂帶附近Moho深度增加到35 km, 在火山巖區地殼厚度減薄到 30 km。但在 NE-SW 方向(Lz-4剖面), Moho深度沒有明顯變化。從反射特征看, 可明顯劃分出上、下地殼, 上地殼厚度在 15～18 km, 下地殼厚度在10～12 km。

上地殼(6 s TWT)除了近地表的一些“箕狀”盆地反射外, 總體上呈現“波浪”狀密集反射, “波峰”相對連續、“波谷”被高角度斷裂斷開, 使上地殼呈現斷塊結構(Lu et al., 2010)。上地殼的變形特征保留了從擠壓造山到伸展的構造轉換過程, 可以想象造山階段形成的一列緊密褶皺、膝折、斷坡和逆沖, 在后期伸展構造作用下, 一些斷層滑脫面重新活動, 形成區域滑脫構造。無論是剪切帶、破碎帶、層間滑脫帶, 還是原始沉積地層之間的巖性變化帶, 都可以形成地震反射, 上地殼的反射多數源自這些構造地質特征, 它們是擠壓階段形成的構造形跡。尤其引人矚目的是過去認為的長江破碎帶是一個很典型的逆沖斷層(圖 7a)CDP 6000-7201), 逆沖的滑脫底面很有可能是志留紀高家邊組的頁巖。下地殼反射明顯減少, 除了對應火山巖區下地殼有稀疏的、向西傾斜的反射外, 幾乎沒有很強的反射, 下地殼的反射可能反應巖漿活動留下的痕跡。Moho面反射明顯,在下地殼底部以一組相對連續、但有一定起伏的反射出現。下地殼以塑性變形為主, 后期伸展階段可能破壞擠壓造山階段形成的構造(如, 厚皮構造形成的山根), 而形成新的塑性拉伸構造。在Lz-3、Lz-4疊加剖面的北西和北端, 剖面上出現一組向南傾斜的、延深到9～12 km深的高角度滑脫構造, 目前還不清楚它是南北擠壓時期形成的逆沖構造, 還是伸展階段新形成的滑脫構造。

如果將該地區的反射特征和美國典型“盆嶺”(Basin and Range)地區(Allmendinger et al., 1983)做一個對比, 發現二者既有相同之處, 也有不同之處。地殼厚度幾乎相同, 都在30 km左右; 美國盆嶺地區上地殼存在垂直構造走向的、長達百余公里的低角度滑脫帶, 可延伸到地殼 15～20 km深; 而廬樅地區可能成為伸展構造標志的滑脫構造是平行區域構造方向的, 而且呈高角度; 下地殼的反射特征也有很大差別, 美國盆嶺地區下地殼有密集的近水平反射, 而廬樅地區僅有稀疏的向西傾斜的反射。這種差異可能反映二者伸展作用的強度不同, 或下地殼巖漿活動的性質不同。

圖6 長江中下游地震各向異性計算初步結果(a, 紅線: E、SE方向地震各向異性快波偏振方向和快慢波時差; 黃線: W、NW方向地震各向異性快波偏振方向和快慢波時差)和長江中下游地震接收函數成像初步結果(b)Fig.6 Preliminary results of seismic anisotropy crossing over the middle and lower reaches of Yangtze River(a, Red lines: fast wave directions and time delay between fast and slow waves using events coming from E and SE direction; Yellow lines: fast wave direction and time delay between fast and slow waves using events coming from W and NW direction) and preliminary results of Stacked receiver function image crossing over the middle and lower reaches of Yangtze River(b)

廬樅地區的地殼反射特征指示區域上至少存在2期重要構造變形事件, 早期(晚侏羅-早白堊紀早期)為北西向強烈擠壓, 造成上地殼逆沖、褶皺和疊瓦,晚期(晚早白堊至今)是區域伸展。伸展構造既有東西向, 又有南北向, 控制了成礦帶北東向盆地的發育和南北向隆拗格局的形成。兩期的構造背景形成了兩種不同的巖漿系統(王強等, 2001, 2003; Wang et al., 2006)。反射地震結果支持前節提出的下地殼拆沉模型。在強烈擠壓階段, 上地殼強烈褶皺、逆沖,下地殼塑性變形必然增厚, 當厚度超過50 km, 地殼底部巖石將發生密度逆轉(榴輝巖化), 重力不穩定可能導致下地殼和巖石圈拆沉(Kay et al, 1993)。

圖7 廬樅礦集區Lz-2、Lz-4反射地震偏移剖面線條圖Fig.7 Line drawings of migrated section of Lz-2 and Lz-4 profiles over Lujiang-Zongyang ore concentration area

3.3 廬樅礦集區MT和地球化學測量結果及對深部找礦的意義

廬樅礦集區MT數據的反演采用中國石油大學戴世坤副教授提供的Geo_GMES反演軟件, 進行二維連續介質人機交互式反演(戴世坤等, 1997)。在完成時間域信號的濾波去噪后, 進行MT數據測深曲線的去除飛點、靜校正、空間濾波等數據處理工作;為保證反演結果更加接近真實情況, 在進行反演之前, 根據數據質量評價的結果去掉了質量不合格的測深點(肖曉等, 2011)。以Lz-2和Lz-4線為例來說明廬樅礦集區大地電磁測深雙模聯合反演的結果的地質及對深部找礦的意義?；鹕诫s巖地區的電阻率實際測量研究表明(Katsube et al., 1994): 致密巖石的電阻率一般在 1×104～7×104Ω.m, 一般情況下, 電阻率與巖石的孔隙度成反比, 孔隙度的增加會迅速降低巖石的電阻率, 但極低電阻率并不完全都與高孔隙度有關, 一些極低電阻率(幾十Ω.m)還可能與巖石含炭有關?？v觀圖8, 可以看出電阻率的分布反映了巖性和構造(孔隙度)的綜合影響。白堊紀沉積盆地, 如孔城紅盆, 長江破碎帶以及火山巖區北側的蜀山凹陷等都表現出低阻特征, 大致以 300 Ω.m等值線勾畫的沉積盆地形態基本反映沉積盆地的形態。我們注意到火山巖區周邊的主要深大斷裂, 比如反射地震發現的沿江逆沖斷裂(thrusting)、火山巖區北側反射地震發現的殼內滑脫帶以及郯廬斷裂帶等, 都表現出很寬的低阻帶, 而且延深可達5～6 km;斷裂帶破碎充水可能是造成低阻的主要原因。在對應火山巖區, 表層 1.0 km內總體呈低阻特征, 這與火山巖孔隙度大的特點相一致。以 800 Ω.m等值線所反映的低阻層厚度大致在 800 m左右, 我們認為很可能代表了火山巖層的平均厚度。如果確實這樣,在廬樅火山巖區以下尋找“銅陵式”礦床還是很有希望的。MT剖面穿過的巖基, 如將軍廟-施家灣巖體、井邊巖體等, 都表現為極高阻特征, 這與巖體致密、沒有孔隙的特征相一致。Lz-4線穿過的小嶺、浮山等低重力電阻率表現各異, 小嶺低重力異常深部表現為巨大的高阻體, 很可能是深部正長巖基; 而浮山火山機構雖然也是低阻, 但可能由于破碎和充水的原因呈現近垂直的低阻異常。

沿地震剖面地球化學分析結果令人振奮, 不僅在火山巖區發現了很多金屬元素異常, 而且在覆蓋區也發現一批新的找礦線索(圖9)。沿沙溪成礦帶向南, 在Lz-1線的白堊紀赤山組粉砂巖、鈣質粉砂巖分布區發現很高的Cu、Zn、Pb、Ag, As、Hg異常組合, 異常寬約 3.5 km, 如果砂巖深部存在巖體,是很有前景的找礦靶區。在距 Lz-1線起點 30～40 km前后的西牛山一帶Cu、Zn、Pb含量較高, 為雙廟組火山巖地層分布區, 火山口發育, 極具找礦遠景; 沿Lz-2剖面在牛頭山、石門庵、井邊、黃梅尖一帶Cu含量較高, 牛頭山Ag含量也偏高, 可以作為下一步找礦的重點地區。沿Lz-4線的(圖3、圖9)小嶺、大嶺、岳山一帶的 Cu、Pb、Zn、Ag、Hg含量較高, 與已知礦的分布吻合, 但在岳山的北東部還有一較寬的 Cu、Pb、Zn、Ag異常帶; 另外在楊家樓一帶具Ag、Cu及Pb、Zn異常, 在牛安、陳家咀、浮山一帶具Pb、Zn、Ag異常, 對應的是火山巖、火山機構分布區, 具有找礦潛力。

4 討論與結論

綜上所述, SinoProbe-03項目已經在長江中下游成礦帶完成了300 km的寬頻地震探測, 在廬樅礦集區完成了5條滿覆蓋250 km的地震反射剖面, 5條MT剖面 500個觀測點和沿地震剖面鉆孔地球化學測量工作, 取得的主要進展概括如下:

圖8 廬樅礦集區Lz-2、Lz-4大地電磁測深二維反演結果Fig.8 2D magnetotelluric sounding inversion results of Lz-2 and Lz-4 profiles over Lujiang-Zongyang ore concentration area

圖9 反射地震鉆孔地球化學測量剖面，顯示沿剖面成礦元素的變化Fig.9 The seismic drill-hole geochemical profiles showing ore-elements variations along the profiles

1)發現了長江中下游成礦帶巖石圈拆沉的寬頻地震證據, 包括上地?！皢♀彙毙偷退袤w, 各向異性快波偏振方向出現小尺度變化, 巖石圈底界面不清楚, Moho界面抬升和地殼變薄等。為認識長江中下游成礦帶構造背景和深部動力學模型提供了新的信息;

2)發現廬樅礦集區地殼厚度在 30 km左右, 對應火山巖區Moho存在3～5 km的抬升; 地殼呈雙層地殼結構, 上地殼由褶皺、膝折、斷坡和逆沖組成的斷塊結構, 下地殼以塑性伸展構造為主, 可能保留了巖漿活動留下的痕跡, 如巖漿結晶分異作用留下的殘晶體。認為該地區至少發生兩期構造變形,早期(晚侏羅-早白堊紀早期)為北西向強烈擠壓造山,晚期(晚早白堊至今)區域伸展。伸展構造既有東西向,又有南北向, 控制了成礦帶北東向盆地的發育和南北向隆拗格局的形成, 兩期的構造背景形成了兩種不同的巖漿系統。提出了下地殼拆沉模型, 在強烈擠壓階段, 下地殼塑性變形增厚, 當厚度超過50 km,地殼底部巖石將發生密度逆轉(榴輝巖化), 重力不穩定導致下地殼和巖石圈拆沉;

3)獲得了廬樅礦集區上地殼反射和電性 3D結構框架。認為廬樅礦集區火山巖層厚度平均在800 m左右, 提出在火山巖區下面尋找“銅陵式”礦床的建議。在火山巖內部和周邊覆蓋區發現了一批地球化學異常, 指出了一批深部找礦靶區。

致謝: 感謝中石化西南石油局云南物探公司在極其艱苦的條件下, 完成了廬樅礦集區高質量的反射地震數據。感謝專項負責人董樹文研究員、李廷棟院士, 項目專家委員會陳毓川、滕吉文院士, 黃宗理、肖慶輝、柴育成、鄧軍、王瑞江、王椿庸研究員等對項目的一貫支持和鼓勵。感謝財政部、國土資源部和國家自然科學基金委對項目的資助。

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Probing on Deep Structure of Middle and Lower Reaches of the Yangtze Metallogenic Belt and Typical Ore Concentration Area: A Review of Annual Progress of SinoProbe-03

Lü Qing-tian1), SHI Da-nian1), TANG Jing-tian2), WU Ming-an3), CHANG Yin-fo4), SinoProbe-03-CJ Team
1) MLR Key Laboratory of Metallogeny and Mineral Assessment, Institute of Mineral Resources, Chinese Academy of Geological Sciences, Beijing 100037;
2) School of Geosciences and Info-physics, Central South University, Changsha, Hunan 410083;
3) Geological Survey of Anhui Province, Hefei, Anhui 230001;
4) Department of land and Resources of Anhui Provinces, Hefei, Anhui 230088

The present crustal structure and composition are "products" of complex geodynamic processes through geological time, which maintains the relics and fabrics formed during the major geological movement.The image of the “products” based on modern geophysical technology can help not only comprehend the current state of thestructure and material, but also deduce the geodynamic events occurred in the geological time.The middle and lower reaches of Yangtze River metallogenic belt is an important iron, copper and polymetallic base in China, whose deep dynamic processes have constituted the debate focus among researchers.In 2010, a broadband seismic detection about 300km long has been performed in this belt by SinoProbe-03 project, and five seismic reflection, MT and geochemical profiles totally 250km long have been completed over Lujiang-Zongyang ore concentration area.A couple of significant discoveries were made on the basis of preliminary processing and analysis, such as the existence of low-velocity bodies in the upper mantle of the metallogenic belt, short-distance variations of upper mantle anisotropy, local Moho uplift, blur interface between lithosphere and asthenosphere, double-layer crustal structure with thicker upper crust than lower crust.The reflection pattern of crust indicates that it has experienced early compression and later extensional deformation.These discoveries support the dynamic model of asthenosphere uplift, lithospheric thinning, melting of enriched mantle and lower crust thickening and delamination.With these discovers, the extensive development of Cretaceous adakite, shoshonite in metallogenic belt and the causes for the formation of the giant Yangtze River metallogenic belt can also be explained.

Broadband Seismics; Reflection Seismics; Magnetotelluric; Tomography; Anisotropy; Receiver function; Crustal structure

P542.1; P61

A

10.3975/cagsb.2011.03.01

本文由國家科技專項“深部礦產資源立體探測技術與試驗”(編號: SinoProbe-03)、國家自然科學基金重點基金項目(編號: 40930418)聯合資助。獲中國地質科學院2010年度十大科技進展第五名。

2011-04-20; 改回日期: 2011-04-22。責任編輯: 魏樂軍。

呂慶田, 男, 1964年生。研究員, 博士生導師。主要從事深部探測和金屬礦勘查技術方法研究。E-mail: lqt@cags.ac.cn。SinoProbe-03-CJ項目組成員還有: 薛愛民, 張貴賓, 張中杰, 孟小紅, 韓立國, 李桐林, 鄧居智, 嚴加永, 江國明, 肖曉, 李兵, 杜建國, 周濤發, 徐文藝, 孟祥金, 徐曉春等。