長江中下游成礦帶及鄰區地殼速度結構：來自利辛-宜興寬角地震資料的約束*

徐濤 張忠杰 田小波 劉寶峰 白志明 呂慶田 滕吉文

1. 中國科學院地質與地球物理研究所，巖石圈演化國家重點實驗室，北京 1000292. 中國地震局地球物理勘探中心，鄭州 4500023. 中國地質科學院礦產資源研究所，國土資源部成礦作用和資源評價重點實驗室，北京 100037

1 引言

在印支-早燕山期，華北和揚子兩大塊體碰撞對接，標志著新的中國大陸的形成，大別-蘇魯地區的變質雜巖是這一碰撞的重要標志。大量放射性同位素測年數據表明這一超高壓變質帶形成于238～218Ma(Amesetal., 1993; 李曙光等，1997)。伴隨燕山期強烈的構造-巖漿-成礦活動，在揚子塊體的北緣，華北和揚子塊體的邊界，形成長江中下游成礦帶(董樹文等，2007; 寧蕪研究項目編寫小組, 1978)。

長江中下游成礦帶，包括寧鎮、寧蕪、銅陵、廬樅、安慶-貴池、九瑞、鄂東南7個礦集區以及超過200種多金屬礦種(常印佛等, 1991; Maoetal., 2006; Pan and Dong, 1999)，對中國東部經濟的發展有舉足輕重的地位。成礦主要源自140～125Ma的早白堊紀的矽卡巖、斑巖等類型火成巖(Chenetal., 2001; Maoetal., 2006; Sunetal., 2003)。在如此狹窄的區域內發生如此大規模的金屬聚集，深部的巖漿活動機制及動力學過程是什么，一直是爭論的焦點。目前有關多種礦石起源及白堊紀巖漿巖的形成的模型已經被提出，主要包括：(1)增厚的下地殼熔融(張旗等, 2001, 2002)；(2)拆沉的下地殼熔融(侯增謙等, 2007;Wangetal., 2004, 2006)；(3)底侵的玄武巖下地殼熔融(王強等, 2001)；(4)太平洋板塊洋中脊的俯沖(Lingetal., 2009)。因此，獲取深部殼幔結構有關的地球物理信息，有助于理解上述構造運動及巖漿活動過程。

盡管該地區已經有大量礦產勘查的地球物理調查(常印佛等, 1991)，地球物理研究結果表明成礦帶下方及相鄰區域Moho面的深度在28～32km左右(滕吉文等, 1985; 陳滬生, 1988; Dongetal., 2004; 呂慶田等, 2004；Zhangetal., 2005, 2007; Bai and Wang, 2006; Baietal., 2007)；下地殼顯示為低速(陳滬生, 1988)和層狀強反射(呂慶田等, 2004)，被普遍認為是上地幔物質對下地殼的侵入(呂慶田等, 2004)。由于資料使用的有限，深部殼幔大尺度的中生代成礦過程，仍然有待理解。

為了更好的理解長江中下游成礦帶巖漿活動過程的深部構造背景及動力學機制，國土資源部“深部探測技術與實驗研究專項”(Dongetal., 2013；呂慶田等，2014)在該地區實施了一條橫穿寧蕪礦集區的多學科深部探測剖面。剖面東南起自揚子克拉通北緣的江蘇宜興，向北西方向穿過寧蕪礦集區和郯廬斷裂帶，終止于華北塊體的安徽利辛。主要探測手段包括寬角地震反射/折射，近垂直反射地震剖面(Lüetal., 2013；梁鋒等，2014)，寬頻帶天然地震剖面(史大年等，2012；Shietal., 2013；Jiangetal., 2013；江國明等，2014)和大地電磁剖面(強建科等，2014；張昆等，2014；肖曉等，2014；嚴加永等，2014)，并結合了區域巖石地球化學、成礦學和年代學等方面的分析測試研究。本文利用寬角地震數據，來揭示該地區殼幔精細速度結構，并探討成礦帶深部動力學過程與殼幔結構關系。

圖1 長江中下游成礦帶人工源深地震探測觀測系統★為炮點，▲為接收器；▲為寬頻帶地震臺站；青色粗線條為大地電磁剖面；TLF-郯廬斷裂；SDF-壽縣-定遠斷裂；CHF-滁河斷裂；MSF-茅山東側斷裂；JNF-江南斷裂Fig.1 Geophysical surveys in the Middle-Lower Yangtze metallogenic belt★denote active sources，▲ denote receivers；▲ denote transportable broadband stations；Cyan thick line denotes magnetotelluric (MT) profile; TLF-Tan-Lu Fault; SDF-Shouxian-Dingyuan Fault；CHF-Chuhe Fault；MSF-East Maoshan Fault；JNF-Jiangnan Fault

2 構造背景

圖2 “利辛-宜興”剖面Sp01炮(a)-地震震相和走時擬合；(b)-射線追蹤結果；(c)-理論地震圖Fig.2 Shot Sp01 of the “Lixin-Yixing” profile(a)-picked seismic phases and calculated traveltimes; (b)-theoretical ray-paths ; (c)-synthetic seismograms

圖3 “利辛-宜興”剖面Sp02炮(a)-地震震相和走時擬合；(b)-射線追蹤結果；(c)-理論地震圖Fig.3 Shot Sp02 of the “Lixin-Yixing” profile(a)-picked seismic phases and calculated traveltimes; (b)-theoretical ray-paths ; (c)-synthetic seismograms

圖6 “利辛-宜興”剖面Sp05炮(a)-地震震相和走時擬合；(b)-射線追蹤結果；(c)-理論地震圖Fig.6 Shot Sp05 of the “Lixin-Yixing” profile(a)-picked seismic phases and calculated traveltimes; (b)-theoretical ray-paths ; (c)-synthetic seismograms

圖7 “利辛-宜興”剖面Sp06炮(a)-地震震相和走時擬合；(b)-射線追蹤結果；(c)-理論地震圖Fig.7 Shot Sp06 of the “Lixin-Yixing” profile(a)-picked seismic phases and calculated traveltimes; (b)-theoretical ray-paths ; (c)-synthetic seismograms

圖8 “利辛-宜興”剖面6炮震相的走時擬合結果藍色十字為拾取走時;紅色圓圈為計算走時Fig.8 Comparision between observed (blue cross) and calculated (red circle) traveltimes for all reflection events obtained from the 6 shot gathers

圖9 “利辛-宜興”剖面6炮地震射線覆蓋圖Fig.9 Summarized diagram showing the seismic ray-path coverage of the whole crust along the profile

圖10 衛星布格重力異常曲線(上)及“利辛-宜興”剖面二維地殼速度結構(下)TLF-郯廬斷裂； CHF-滁河斷裂；MSF-茅山東側斷裂；JNF-江南斷裂Fig.10 Bouguer gravity anomalies (upper panel) and crustal velocity structure of the “Lixin-Yixing” profile (lower panel)TLF-Tan-Lu Fault; CHF-Chuhe Fault；MSF-East Maoshan Fault；JNF-Jiangnan Fault

長江中下游地區位于大別-蘇魯超高壓變質帶的前陸，北部以北西向的襄樊-廣濟斷裂和北東向的郯-廬斷裂帶為界，南部以江南斷裂與江南古陸為鄰，總體上呈北西狹窄、北東寬闊的“V”字型地帶。晉寧-澄江運動使多個基底聯合, 之后發育了震旦紀之后的統一蓋層, 構成“一蓋多底”的格局(常印佛等, 1996)。震旦系-志留系為陸表海碳酸鹽巖-碎屑巖相沉積, 加里東運動晚期隆起成陸, 缺失下-中泥盆統。海西期開始沉積了上泥盆統-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, 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(呂慶田等，2007)。

長江中下游成礦帶被廣泛認為是形成于陸內環境(董樹文等, 2011; 毛景文和王志良, 2000)和大陸演化的非造山階段(侯增謙等，2007)，是在被動的大陸邊緣基礎上發展形成的(Yin and Nie, 1993)。成礦帶內的礦床與具有不同含量富集地幔物質的的埃達克型巖有關，該類型巖石有高含量K2O、中低到負的εNd含量及高氧逸度狀態特征(侯增謙等，2007; Wangetal., 2004, 2006; Xuetal., 2002)。上述特征與其它世界級的成礦帶明顯不同：比如安第斯山成礦帶，形成于典型的活動大陸邊緣，與海洋板片的俯沖有關(Hildreth and Moorbath, 1988)；又如青藏高原的岡底斯成礦帶，形成于過去的活動大陸邊緣且與大陸之間碰撞有關(Hou and Cook, 2009；Náběleketal.，2009)。因此，長江中下游成礦帶是研究陸內成礦理論的理想場所。

3 “宜興-利辛”剖面寬角地震數據

3.1 地震數據采集

如圖1所示，“宜興-利辛”深地震寬角反射/折射探測剖面，穿過了茅山、小丹陽-南棱、滁河、郯廬等斷裂構造帶。探測剖面橫跨江蘇、安徽兩省，穿過的主要地區有宜興、溧水、溧陽、全椒、定遠、淮南、利辛等地。2011年9月-10月，沿探測剖面設計6個人工源爆破激發點(總數達 13.2噸TNT)，采取井下組合爆破激發地震波場的方式，炮點間距 60～90km；沿剖面布設450臺(縱測線 250臺，非縱測線 200臺)人工地震測深專用便攜式三分量數字地震儀同時記錄觀測，接收器間距1.5～2.0km，剖面總長450km左右，記錄來自地殼上地幔頂部不同深度范圍、不同屬性的深層地震波信息。

3.2 震相分析與數據處理

震相識別包括淺層地殼結晶基底的反射和折射震相Pg，表現為初至波；來自一級間斷Moho面的Pm反射強震相；上地幔頂部弱速度梯度層的折射波，即Pn震相，視速度為8.0～8.1km/s；地殼內部二級速度間斷面的反射波，能量較弱，不同區域分為不同的幾組，統稱為Pc震相，本地區細分成P1、P2和P3殼內反射震相。經過模型的多次修正，并利用射線追蹤正演計算進行多震相的走時擬合(Cervenyetal., 1988; Cerveny, 2001; 徐濤等，2004; Xuetal., 2006, 2010, 2014; 李飛等，2013; Vidale, 1988; Zelt and Smith, 1992)，獲得最終的殼幔結構模型。震相擬合過程中，震相曲線的截距主要反映反射界面的深度；震相曲線斜率主要反映界面上部地層的平均速度，如Pm震相，遠偏移距的視速度即近似為反射點所在下地殼的速度。寬頻帶地震結果顯示長江中下游成礦帶下地殼存在5%左右的速度各向異性(Shietal., 2013)，對于高頻近似的射線走時擬合影響不大。6炮最終的震相擬合、射線追蹤及理論地震圖見圖2-圖7。

3.3 走時擬合和射線覆蓋

“利辛-宜興”剖面6炮的走時擬合結果(圖8)和射線覆蓋圖(圖9)顯示該區域剖面的射線覆蓋密度足夠，走時擬合非常理想，走時擬合得到的二維速度結構是可靠的。

4 “宜興-利辛”剖面速度結構

4.1 剖面二維速度結構

通過6炮走時數據擬合，最終獲得450km長二維地殼速度結構(圖10)?？梢钥闯?，整條剖面的Moho面深度和地殼的速度結構在郯廬斷裂兩側東西方向存在明顯的差異。在東部揚子塊體內部，地殼覆蓋層厚度3～5km，西部的合肥盆地下方，則達到4～7km。剖面平均Moho面深度為30～32km左右(本文Moho面深度均指相對大地水準面深度)。在郯廬斷裂下方，Moho面深度在35km左右；在寧蕪礦集區下方，Moho面整體深度偏淺，達30～31km左右，但局部范圍內，Moho面深度至34km左右。

地殼結構可以近似分為上(地表至P1，圖10)、中(P1至P3)、下(P3至Moho)地殼。剖面的下地殼平均速度在6.5～6.6km/s左右，在寧蕪礦集區下方，下地殼速度偏低，為6.4～6.5km/s左右。剖面上地幔頂部的速度結構平均在8.0～8.2km/s。但在寧蕪礦集區下方，速度偏低，為7.9～8.1km/s左右。郯廬斷裂帶的下方，從地表開始，還存在20多千米長的低速異常帶，一直延伸到Moho面附近。

圖10的上方為該剖面的衛星布格重力異常結果，和Moho面深度有很好的相關性，如在郯廬斷裂的西側的合肥盆地表現出較明顯的低重力異常，和該地段Moho面較深有很好的對應；結果表明了在該區域，Moho形態，即殼幔間斷面形態是布格重力異常的主要因素(張永謙等，2014)。

4.2 結果比較

平行于寬角地震剖面，“深部探測技術與實驗研究專項”(SinoProbe-03-02)還同時進行了寬頻帶流動地震臺站觀測、近垂直反射地震探測及大地電磁探測等綜合地球物理探測。遠震體波成像結果顯示成礦帶下方150km深度的上地幔中存在著明顯的低速異常(Jiangetal., 2013; 江國明等，2014)，認為是長江中下游成礦帶曾發生軟流圈物質上涌和地殼減薄所殘留的痕跡(史大年等，2012)。寬角剖面速度結果同樣顯示寧蕪礦集區下方下地殼，尤其是上地幔頂部，存在明顯的低速異常(圖10)。盡管兩種方法的分辨尺度不同，但均顯示了類似的低速異常區。體波接收函數結果顯示郯廬斷裂下方Moho面深度為36km，寧蕪礦集區Moho面上隆至28～30km，成礦過程類似MASH過程(Melting, Assimilation, Storage, Homogenisation)(史大年等，2012；Shietal., 2013)。地震深反射結果同樣顯示寧蕪礦集區下方Moho面整體上隆，但局部存在西傾的反射結構(Lüetal., 2013)。寬角剖面結果同樣顯示在郯廬斷裂下方，Moho深度在35km左右，在寧蕪礦集區，Moho面整體上隆，但在局部區域卻存在下沉。

大地電磁剖面較短，如在郯廬斷裂西側的合肥盆地，顯示了大片的低電阻率異常，該異常不僅和重力異常有很好的對應，一方面說明該區段在地殼范圍內確實存在低密度、高電導率的物質；另一方面也說明此區段上地幔埋深較大，和地震剖面的結果非常吻合。寧蕪礦集區下方上中地殼速度偏高，和大地電磁顯示高阻異常結果一致(強建科等，2014)。

5 長江中下游成礦動力學過程與殼幔結構

華北板塊和揚子板塊在印支-早燕山期(238～218Ma)碰撞對接，在燕山期(140～125Ma)巖漿活動形成長江中下游成礦帶，深部殼幔運動及成礦的動力學過程如何，值得關注。

根據超高壓變質巖在蘇北-膠南和膠東地區的分布，華北與揚子塊體的地表地?？p合線應位于五蓮斷裂一線。然而Li(1994)根據南京以東的東西走向航磁負異常，提出華北與揚子陸塊的深部巖石圈地縫合線應位于南京以東一線，并提出俯沖陸殼上、下地殼發生分離的構造模型來解釋。Chung(1999)通過對蘇北新生代玄武巖的地球化學研究，以及與華北和揚子陸塊內部新生代玄武巖的對比也指出，蘇北六合一帶的玄武巖的地球化學特征表明巖石圈地幔是華北型的，而非揚子型的。觀測結果有力的支持了郯廬斷裂以東深部地?？p合線應位于長江一線。應當指出郯廬斷裂以東的深部地?？p合線不都是東西走向的。如果南京以東東西走向的航磁負異?？芍甘旧畈康蒯？p合線的位置，則在南京以西，該航磁負異常帶拐向南西方向延伸，并在桐城附近與郯廬斷裂帶相接見。這說明郯廬斷裂帶以東深部地?？p合線受郯廬斷裂的左行走滑的影響向北發生了位移，并在桐城—南京段被拖曳呈北東向走向。據此，這一位移距離約為120～150km(李曙光，2001)，與Li(1994)和Chung(1999)的估計一致。

長江中下游成礦大地構造背景和過程經歷了由板緣到板內的環境, 成礦作用發生在擠壓向伸展的轉換過程；其次, 成巖成礦受基底構造和深部作用控制、與特有的基底有關(董樹文等，2011)。從全球大型成礦帶的構造背景而言, 成礦帶多形成于板塊的邊緣, 這是因為板塊邊緣的活動型決定了板緣成為能量交換、物質交換、流體活動的界面, 非常有利成礦。長江中下游這種曾經“板緣”的背景作為巖石圈結構的不連續帶, 對后期在板內環境的活化和成礦產生了深刻的影響。

長江中下游原有的三疊紀前陸構造在晚侏羅紀構造作用下, 發生強烈改造, 主要受控于太平洋板塊斜向俯沖產生的構造環境,主應力場由南北向轉為近東西向(任紀舜，1991；陶奎元等，1998；戚建中等，2000), 巖石圈大增厚到大減薄(鄧晉福等，1999；董樹文等，2000)；與此同時，華北克拉通被破壞，東部巖石圈減薄(朱日祥等，2011；Chenetal., 2006)；郯-廬斷裂發生大規模的左行走滑變形,造成了郯廬斷裂東西兩側變形的差異，這同時也導致了郯廬斷裂兩側速度結構存在顯著差異。晚侏羅紀的匯聚構造造成了中國東部整體抬升、侵蝕, 缺失了晚侏羅統沉積, 晚侏羅紀開始的擠壓造山延續到早白堊紀早期,大致從140Ma后轉為大規模的伸展, 中生代以來太平洋板塊向東亞大陸的持續俯沖所引發的非穩態地幔流動，造成了晚侏羅紀加厚的巖石圈的跨塌, 軟流圈上涌,大規模的巖漿侵入和火山噴發，并沿著華北和揚子塊體的深部縫合帶位置(李曙光，2001)，直到地表，同時伴有巨量金屬的堆積和成礦(毛景文等,2005)。

寧鎮(南京-鎮江)地區的中生代安基山中酸性侵入巖以虧損重稀土和釔及富集鍶為成分特征，具有埃達克(adakite)成分特征。它們與消減過程的板片熔融無關，也不是基性巖漿分離結晶和地殼物質混染的產物，很有可能是相對較厚的地殼下部的鎂鐵質物質成分熔融產生的，意味著中生代寧鎮地區的地殼厚度可能大于40km(許繼峰等，2001；Xuetal., 2002)。預示著長江中下游成礦帶大陸地殼底部形成鐵鎂質/超鐵鎂質殼根，增厚的下地殼發生榴輝巖相變(呂慶田等，2004)。中生代以來，軟流圈上涌和底侵作用，下地殼和上地幔的拆沉，地殼厚度明顯減薄至目前的30～34km。寬角速度剖面顯示寧蕪礦集區下方下地殼和上地幔為低速特征(圖10)，揭示了長江中下游成礦帶下地殼不應該以榴輝巖殘留體為主體，寬頻地震結果解釋為MASH成礦過程產生的榴輝巖體可能已經隨著拆沉作用沉入到地幔深處(Shietal., 2013)。

寬角地震速度結構剖面、遠震接收函數CCP成像剖面、遠震體波成像速度結構、近垂直深反射地震剖面、衛星重力異常結果以及大地電磁測深等綜合地球物理信息，揭示了寧蕪礦集區下方Moho面上隆、下地殼及上地幔的低速異常等深部結構特征，可能是巖石圈地幔的薄弱地帶，支持了燕山期地幔巖漿上涌和侵入并成礦，是熱上涌物質的源地。綜合地球物理信息從不同的角度揭示了成礦帶及鄰域的深部殼幔結構特征，為深入了解成礦帶的構造演化及礦產資源的遠景預測提供重要的深部基礎。

6 結論

在印支-早燕山期，華北和揚子兩大塊體碰撞對接，形成了新的中國大陸。中生代以來太平洋板塊向東亞大陸的持續俯沖所引發的非穩態地幔流動，造成了晚侏羅紀加厚的巖石圈的跨塌, 軟流圈上涌,大規模的巖漿侵入和火山噴發，并沿著華北和揚子塊體的深部縫合帶位置，直到地表，產生長江中下游成礦帶。剖面的寧蕪礦集區下方Moho面上隆、下地殼及上地幔的低速異常等殼幔結構特征，預示下地殼不以榴輝巖殘體為主，支持燕山期地幔巖漿的上涌和侵入并成礦，是熱上涌物質的源地。

致謝感謝中國地震局物探中心的野外地震數據采集工作；感謝地震局物探中心王夫運、趙金仁、嘉世旭、張成科、張建獅研究員有益的幫助。感謝史大年研究員、強建科教授、江國明副教授的指導和幫助。感謝楊寶俊教授審稿中有益的批評和指導意見。

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