長江中下游成礦帶及鄰區三維Moho面結構：來自人工源寬角地震資料的約束

張明輝， 徐濤， 呂慶田， 白志明， 武澄瀧， 武振波， 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 中國科學院大學, 北京 1000493 中國科學院青藏高原地球科學卓越創新中心， 北京 1001014 中國地質科學院地球物理地球化學勘查研究所, 河北廊坊 0650005 中國地質科學院地球深部探測中心, 北京 100037

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長江中下游成礦帶及鄰區三維Moho面結構：來自人工源寬角地震資料的約束

張明輝1,2， 徐濤1,3， 呂慶田4,5， 白志明1， 武澄瀧1,2， 武振波1,2， 滕吉文1

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 中國科學院大學, 北京 1000493 中國科學院青藏高原地球科學卓越創新中心， 北京 1001014 中國地質科學院地球物理地球化學勘查研究所, 河北廊坊 0650005 中國地質科學院地球深部探測中心, 北京 100037

為深入理解長江中下游地區在中生代成礦的深部動力學過程，對跨越寧蕪礦集區地質廊帶內的非縱剖面反射/折射地震數據進行動校正和時深轉換處理，獲得了非縱方向的Moho面深度；聯合縱測線和非縱測線上Moho面深度數據，獲得了長江中下游成礦帶及鄰區的三維Moho面深度結構.結果顯示寧蕪礦集區下方的Moho面整體較淺，約32～34 km，華北塊體合肥盆地內Moho面整體較深，約34～35 km.Moho面深度和區域布格重力異常變化趨勢對應良好.寧蕪礦集區下方Moho面呈上隆特征，支持長江中下游地區成礦模式中增厚巖石圈發生拆沉、軟流圈的上隆及底侵作用等動力學過程.Moho面平行于成礦帶走向的變化趨勢，預示長江中下游成礦帶地殼和上地幔在板塊邊界發生了NE-SW向的切向流動變形.郯廬斷裂帶兩側，Moho面深度變化較大，表明地表近陡立的郯廬斷裂為深大斷裂，深部可能切穿Moho面并延伸至上地幔.

長江中下游成礦帶; 三維地殼結構;寬角地震資料; 縱剖面; 非縱剖面

1 引言

長江中下游成礦帶位于中國東部揚子塊體的北緣，地處華北與揚子塊體的拼合地帶（Pan and Dong, 1999; Mao et al., 2006）.該成礦帶形成于燕山期，在長期的巖漿作用、構造活動及成礦作用下，形成了豐富的Cu、Fe、Au等金屬礦床組合，多金屬礦床有 200多個，由七個礦集區組成，自東向西分別為寧鎮、寧蕪、銅陵、廬樅、安慶—貴池、九瑞、鄂東南礦集區（常印佛等, 1991; Pan and Dong, 1999; Mao et al., 2006）.

針對該成礦帶為什么會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和動力學過程等焦點問題，在國土資源部“長江中下游成礦帶及典型礦集區深部結構探測研究專項”（呂慶田等, 2011, 2014; Dong et al., 2013;Lü et al., 2013a, 2013b, 2015）的支持下，啟動了NW-SE向橫穿成礦帶的廊帶式多學科深部探測工作，對區域構造模式和成巖、成礦的深部動力學過程提供了新的約束.寬頻帶地震資料的接收函數結果顯示成礦帶對應軟流圈上隆帶（史大年等, 2012; Shi et al., 2013）、上地幔各向異性特征顯示沿成礦帶方向（NE-SW）存在軟流圈物質的流動變形（Shi et al., 2013）、遠震層析成像的速度結果證實了巖石圈的拆沉（Jiang et al., 2013; 江國明等, 2014）；深地震反射結果顯示陸內俯沖或是巖石圈拆沉前增厚的主要機制（Lü et al., 2013b; 梁峰等, 2014）；人工源寬角反射/折射地震結果顯示寧蕪礦集區的下地殼為低速異常，可能與高速下地殼在燕山期的拆沉作用有關（徐濤等, 2014）.通過多學科的系列工作及相關成果（滕吉文等, 1985; 王強等, 2001; 張旗等, 2001, 2002; Dong et al., 2004; 呂慶田等, 2004; Wang et al., 2004, 2006; Zhang et al., 2005, 2007; Bai and Wang, 2006; Bai et al., 2007; 侯增謙等, 2007; Ling et al., 2009; 楊振威等, 2012; Shi et al., 2013; Lü et al., 2013b; 梁鋒等, 2014; 張永謙等, 2014; 強建科等, 2014），呂慶田等（2014）總結提出燕山期的陸內俯沖、巖石圈拆沉、熔融和底侵作用，是造成長江中下游晚侏羅和早白堊大規模成巖和成礦作用的主導機制.

人工源深地震測深資料是獲取地殼和上地幔頂部速度結構信息的重要途徑.為了解Moho面及地殼結構沿成礦帶方向（NE-SW）的變化，在實施450 km長的“利辛—宜興”人工源寬角反射/折射縱剖面過程中（徐濤等, 2014），同時開展了400 km長非縱剖面的地震數據采集工作（圖1），期望用最小的代價，獲得成礦帶三維深部結構，并探討其對成礦帶深部動力學過程的約束.

2 構造背景

長江中下游地區位于下揚子板塊的北緣，是大別—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，南部以江南斷裂為界與江南古陸為鄰，總體上呈南西狹窄、北東寬闊的“V”字型地帶（圖1）.揚子塊體呈現“一蓋多底”的地殼結構特征，蓋層的基底由震旦系-三疊系海相碎屑巖及海陸交互相沉積巖石、侏羅系-白堊系陸相碎屑巖和火山巖組成；而長江中下游地區的陸殼基底由晚太古-早元古代和中元古代變質巖系組成，呈“雙層結構”（常印佛等, 1991; 1996）.成礦帶內出露的地層有零星分布的前震旦紀變質基底和震旦紀碎屑巖、白云巖和硅質巖，廣泛發育有寒武紀至早三疊世的碎屑巖和碳酸鹽巖及侏羅紀-白堊紀陸相火山巖夾碎屑巖（常印佛等, 1991）.

圖1 長江中下游成礦帶人工源深地震測深觀測系統

長江中下游地區的巖漿作用和成礦作用主要發生于145～120 Ma（Chen et al., 2001; Sun et al., 2003; Mao et al., 2006; 周濤發等, 2008; 2012），是中國東部中生代大規模成巖成礦作用的典型代表.其形成的巖漿巖主要有高堿鈣堿性系列、橄欖安粗巖系列和堿性（A型）花崗巖系列（周濤發等, 2008; 2012）.周濤發等（2008; 2012）總結了四種長江中下游成礦帶中生代銅鐵金多金屬礦床成礦系統的基本類型：與高鉀鈣堿性巖系有關的矽卡巖-斑巖型成礦系統；與橄欖安粗巖系有關的“玢巖鐵礦型”成礦系統；與A型花崗巖有關的氧化物-銅-金（鈾）礦床成礦系統及與巖漿活動不明顯的Ti，Au，Sb，Pb，Zn低溫成礦系統.該區的巖漿活動在時空上表現出明顯的分區性，主要分布在斷隆區（如銅陵地區等）、斷凹區（如廬縱盆地、寧蕪盆地等）和隆凹過渡區（如鄂東南地區等）等不同的構造單元內，銅陵礦集區等地主要為高鉀鈣堿性巖石組合，寧蕪和廬樅礦集區為高納鈣堿性侵入巖、橄欖安粗巖系火山巖組合，寧蕪地區為堿性火山巖組合，以鄂東南為代表的隆凹過渡區以鈣堿性-堿鈣性巖漿巖為主等（常印佛等, 1991; 周濤發等, 2008），而其成礦具有較明顯的階段性和分帶性（周濤發等, 2008）.自西向東，該區的成礦時代有變小的趨勢（常印佛等, 1991; 周濤發等, 2008）.長江中下游地區不同礦集區的成礦時代大致分為145～137 Ma、135～127 Ma、126～123 Ma等三個階段，其中145～137 Ma的巖漿活動主要發生在斷隆區，是銅金礦化的主要時期，135～127 Ma的巖漿活動主要發生在斷凹區，是鐵礦化的主要時期（常印佛等, 1991; 周濤發等, 2008, 2012）.

3 地震資料采集與處理

3.1 地震數據采集

廣角反射/折射深部地震探測剖面約850 km，其中縱剖面長450 km，非縱剖面長400 km；沿縱探測剖面設計6個人工源爆破激發點（總數達 13.2 噸TNT），采用多深井組合激發方式，炮點間距 60～90 km；地震觀測采用三分量數字地震儀，共450臺（縱測線250臺，非縱測線200臺），道間距為1.5～2.0 km，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.

縱測線（圖1）為NW-SE走向，起始于宜興附近，然后跨過江南斷裂（JNF）、茅山東側斷裂（MSF）、滁河斷裂（CHF）和郯廬斷裂（TLF），終止于利辛附近.自東向西依次穿過的構造單元有揚子塊體，長江中下游成礦帶內的寧蕪盆地、滁河盆地，然后進入華北塊體.非縱測線（圖1）呈NE-SW走向，與縱測線近乎垂直，長約400 km，穿過滁河斷裂，與縱測線的交點在Sp03炮附近.

3.2 非縱折合走時剖面

縱剖面折合走時記錄的裝配過程中，以炮點到每個接收器的距離為偏移距，在炮點的兩側分別定義為正或負方向.而非縱剖面的裝配需要以縱剖面和非縱剖面的交點（圖1中Sp03炮點附近）作為坐標零點，該點到接收器的距離作為橫坐標，接收器到該點兩側定義為正或負方向（本文中定義NE為正方向，SW為負方向）.6炮計算得到的剖面如圖2所示.由于計算偏移距的參考點一致，因此6炮折合走時剖面的接收器的橫坐標（樁號）都一樣，為-200～210 km左右.需要注意的是，在圖2（a—f）縱坐標折合走時T-X/6.0的計算中，X為炮點到接收器的距離（即偏移距），而非圖中的橫坐標，這是非縱剖面和縱剖面成圖的差異所在.

圖2 長江中下游成礦帶折合走時非縱觀測記錄剖面

3.3 非縱剖面數據動校正和時深轉換

非縱剖面數據處理包括兩個步驟（Cerveny, 2001; 徐濤等, 2004; Xu et al., 2006; 2010; 2014）：動校正和時深轉換處理.

（1） 動校正和時深轉換

非縱剖面地震記錄動校正過程與縱剖面記錄處理過程類似，都需要基于已有平均地殼速度模型將觀測反射到時數據校正為反射點的零偏移距自激自收到時數據.假定地殼平均速度為v，實際觀測到時為tobs，接收器炮檢距為x，則動校正后反射點的零偏移距自激自收到時t0表示為：

（1）

時深轉換的反射點深度為：

（2）

值得注意的是，接收器R得到的Moho面深度最終要歸位到炮點S和接收器R的中點M處（圖3）.

圖3 非縱剖面數據動校正和時深轉換示意圖

上述處理過程中，選擇合適的地殼平均速度比較關鍵.我們利用“利辛—宜興”剖面的二維速度結構（徐濤等, 2014）得到了該剖面的地殼平均速度結構，具體計算過程如下.

（3）

可以看出，某點下方的地殼平均速度（（3）式）是該點下方水平薄層平均慢度的倒數.根據上述過程，便可得到縱剖面的地殼平均速度結構（圖4）.

圖4 利辛—宜興縱剖面平均速度

由于縱剖面基本上和主要的構造延伸及斷裂走向垂直，因此動校正過程中，將三維地殼速度結構近似為垂直于縱剖面的2.5維速度結構，即速度結構沿垂直于縱剖面方向進行均勻延拓.這樣的近似處理基本上符合三維速度結構真實情況.

非縱剖面某接收點R（圖3）的動校正速度，用縱剖面上的投影點O點與炮點S點之間的速度曲線（圖4），求取OS間的平均值來近似.

（2）非縱剖面Moho面深度

經過動校正和時深轉換，獲得6炮的深度剖面（圖5），再在深度剖面上進行人工拾取Moho面深度.可以看出，Sp02-05炮非縱剖面震相信噪比高，測線端點附近的炮點Sp01和Sp06炮信噪比稍低.

4 長江中下游成礦帶及鄰區Moho深度4.1 Moho面深度

如圖3所示，每個接收器R拾取的Moho面深度要歸位到炮點和接收器的中點M處.將圖5中6條非縱剖面拾取的Moho面深度歸位到相應的位置，并聯合跨越寧蕪礦集區的長450 km的縱剖面的Moho面深度結果（徐濤等, 2014），通過插值及一定程度的平滑獲得寧蕪礦集區及其鄰域的Moho面深度結構（圖6）.圖中只顯示了信噪比較高的Moho面深度區域.

Moho面深度結構顯示，揚子塊體內部寧蕪礦集區及華北塊體合肥盆地內部，Moho面深度呈現較大的非均勻性.在郯廬斷裂的兩側，Moho面深度呈現一定的差異.長江中下游成礦帶中的寧蕪礦集區內的Moho面存在隆起，深度約32～33 km，華北塊體中的合肥盆地內Moho面深度約34～35 km.炮點Sp01和Sp06 附近Moho面深度均比較淺，由于受端點兩側射線覆蓋的限制，誤差稍大.

4.2 結果比較

圖7為衛星布格重力異常分布圖.圖中的布格重力異常值分布只選取了和Moho面深度范圍一致的區域.從圖中可以看出，研究區內的重力異常值范圍為-30～20 mGal，且和Moho面深度有很好的相關性，如郯廬斷裂東側地區，布格異常值普遍較高，變化范圍約為-10～20 mGal；郯廬斷裂西側，異常值相對東側較低，變化范圍約-30～5 mGal；寧蕪礦集區下方為正異常，異常值范圍大約為0～10 mGal.通常情況下，正的布格重力異常表示地殼物質虧損、Moho面較淺等基本特征，正值越大，Moho面深度越淺，其異常結果和Moho面深度有很好的相關性.比較Moho面深度和布格重力異常結果，可以看出整體特征吻合較好，差異較大的區域主要集中在Sp01和Sp06炮等邊緣地區.由于這兩炮的地震剖面偏移距較大，信噪比較低，且射線覆蓋密度非常低，因此誤差相對較大，與該區域的重力異常值特征吻合性差.嚴加永等（2011）利用區域重力異常反演得到的Moho面深度顯示，寧蕪火山巖盆地下方的Moho面存在隆起.寬頻資料的遠震接收函數結果顯示寧蕪礦集區下方Moho面為隆起特征，郯廬斷裂帶兩側的Moho面深度存在差異，且西側較東側的Moho面要深（Shi et al., 2013）.反射地震結果也顯示Moho面在寧蕪火山巖盆地下方較淺，在合肥盆地下方較深（呂慶田等, 2014）.這些結果都與我們的結果特征相一致，顯示了結果的可靠性.

5 討論

根據寬頻地震、反射地震、折射地震、大地電磁等多學科地球物理深部探測結果，呂慶田等（2014）提出了長江中下游成礦帶成礦地球動力學模型.模型認為發生在研究區的印支運動和燕山運動是兩次獨立的造山過程.印支運動在長江中下游地區并沒有產生強烈的地殼變形（Zhu et al., 2009），但因古太平洋板塊NW向低角度俯沖遠程效應引起的燕山期造山運動（Chen et al., 2006），是決定研究區構造格局、并產生強烈巖漿活動的根源.燕山運動是一期快速造山過程，不僅造成長江中下游成礦帶強烈的地殼變形，同時還發生了陸內俯沖或疊瓦，使巖石圈增厚.增厚的巖石圈在隨后的區域應力減弱和自身不穩定性的雙重因素作用下，發生拆沉和軟流圈的上隆.拆沉巖石圈的熔融（包含下地殼的熔融）、底侵和軟流圈上隆的熱流作用，導致了長江中下游地區大規模的巖漿作用和成礦作用.

增厚巖石圈發生拆沉、軟流圈的上隆及底侵作用等動力學過程，可能會導致寧蕪礦集區下方Moho面呈上隆特征，這已經被二維的寬頻地震接收函數結果所證實（史大年等，2012; Shi et al., 2013）.縱測線的寬角折射地震結果顯示礦集區下方Moho呈現整體上隆，局部凹陷的特征（徐濤等, 2014）.三維Moho面深度特征同樣顯示，寧蕪礦集區下方Moho面整體偏淺，為32～34 km左右（圖6）.布格重力異常結果顯示，寧蕪礦集區下方整體為正異常（圖7），約為0～10 mGal，通常情況下對應Moho面隆起特征.區域重力異常反演及反射地震結果等也顯示了這樣的特征.

圖6 聯合縱剖面和非縱剖面獲得的Moho面深度

圖7 Moho面深度區域對應的布格重力異常分布

從Moho面的深度結構可以看出，在郯廬斷裂東側，Moho深度的變化基本上平行于成礦帶的NE-SW走向（圖6）；布格重力異常結果（圖7）呈現同樣的清晰特征.不僅如此，主要反映上地幔流變特征的SKS分裂特征也顯示，成礦帶附近快波偏振方向呈現NE-SW向（Shi et al., 2013）.上述結果支持了在總體NW-SE擠壓下，長江中下游成礦帶地殼和上地幔由于受到華北克拉通的阻擋，在板塊邊界發生了切向（垂直擠壓應力方向）流動變形，而上地殼仍然發生NW-SE向的褶皺或沖斷變形（呂慶田等, 2014）.

郯廬斷裂帶在中國東部綿延數千公里，中生代以來，上地殼的走滑達500余公里（Zhu et al., 2009）.早白堊世巖漿巖的巖石學和地球化學研究，反映它們既有殼源的信息，又有幔源的信息，指示走滑期的郯廬斷裂帶可能已切入了殼幔邊界（牛漫蘭等, 2002）.新生代中國東部最大規模的玄武巖噴發帶的出現, 反映郯廬斷裂帶此時已切入了上地幔, 構成了幔源玄武巖噴發的通道（朱光等, 2004a, 2004b）.垂直反射地震剖面顯示郯廬斷裂下方Moho存在一定的錯斷（呂慶田等, 2014; Lü et al., 2015）.寬頻地震剖面接收函數結果（Shi et al., 2013）和寬角反射/折射地震剖面（徐濤等, 2014）均顯示Moho面在郯廬斷裂下方深度最深，達36公里左右.寬角折射地震剖面的二維速度結構還顯示，在整個地殼內郯廬斷裂東西兩側的速度結構相差較大（徐濤等, 2014）.不僅如此，研究區內三維Moho面深度（圖6）以及布格重力異常結果（圖7）同樣顯示了郯廬斷裂兩側的Moho面深度變化較大.因此，我們推測，地表近陡立的郯廬斷裂，深部可能切穿到了Moho面深度.

6 結論

（1）聯合縱測線和非縱測線寬角反射/折射地震數據，獲得了長江中下游成礦帶及鄰區的Moho面結構.結果顯示，寧蕪礦集區下方Moho面呈上隆特征，支持長江中下游地區成礦模式中增厚巖石圈發生拆沉、軟流圈的上隆及底侵作用等動力學過程.Moho面平行于成礦帶走向的變化趨勢，顯示長江中下游成礦帶地殼和上地幔在板塊邊界發生了NE-SW向的流動變形.郯廬斷裂帶兩側的Moho面深度變化較大，這表明地表近陡立的郯廬斷裂，深部可能切穿到Moho面深度.我們期望通過聯合縱剖面和非縱剖面的觀測資料，利用最小的代價，實現長江中下游成礦帶及鄰區的三維地殼結構探測.

（2）本文獲得的Moho面的深度結構信息，為進一步的三維速度結構反演提供了初始的Moho面深度約束，是得到精確三維速度結構成像的重要條件.

致謝 謹以此文紀念中國科學院地質與地球物理研究所張忠杰研究員（1964—2013）.感謝中國地震局物探中心及中國科學院地質與地球物理研究所參加野外地震數據采集工作的所有人員；感謝王夫運研究員、史大年研究員、田小波研究員、劉寶峰副研究員的指導和幫助.

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（本文編輯 劉少華）

3D Moho depth beneath the middle-lower Yangtze metallogenic belt and its surrounding areas: Insight from the wide angle seismic data

ZHANG Ming-Hui1,2, XU Tao1,3, Lü Qing-Tian4,5, BAI Zhi-Ming1, WU Cheng-Long1,2, WU Zhen-Bo1,2, TENG Ji-Wen1

1StatekeyLaboratoryofLithosphericEvolution,InstituteofGeologyandGeophysics,ChineseAcademyofSciences,Beijing100029,China2UniversityofChineseAcademyofSciences,Beijing100049,China3CASCenterforExcellenceinTibetanPlateauEarthSciences,Beijing100101,China4InstituteofGeophysicalandGeochemicalExploration,ChineseAcademyofGeologicalSciences,HebeiLangfang065000,China5ChinaDeepExplorationCenter-SinoProbeCenter,ChineseAcademyofGeologicalSciences,Beijing100037,China

To understand the formation and the tectonic processes of the Mesozoic Middle Lower Yangtze metallogenic belt（MLYMB）, the SinoProbe-03-02 program conducted a 450 km long in-line controlled-source seismic experiment with a 400 km long off-line data collection across the Ning-wu ore-district. We deal with the off-line seismic data using normal moveout correction and time-depth conversion in order to obtain the off-line Moho depth. Using the Moho depth derived both from in-line and off-line seismic data, we construct a Moho depth map in the Middle-Lower Yangtze metallogenic belt and its surrounding areas. The results show that the Moho depth is about 32～34 km beneath the Ning-Wu ore-district, shallower than that beneath the Hefei basin in North China which is about 34～35 km. The variation tendency of Moho depth coincides with the Bouguer gravity anomaly well. The uplifting characteristic of Moho depth in Ning-Wu ore-district supports the model of lithosphere delamination, asthenosphere welling, and mantle-derived magmatic underplating during the formation of MLYMB. The variation of Moho beneath metallogenic belt parallels the strike of the MLYMB. It supports the tangential flow deformation in NE-SW direction in the plate boundary of the crust and mantle. On both sides of Tanlu fault zone, the depth of the Moho changes greatly, which indicates that the Tanlu fault may extend to the mantle.

Middle-lower Yangtze metallogenic belt; Moho depth; Wide angle seismic data; In-line; Off-line

國家深部探測專項第3項目（SinoProbe-03）,地質調查項目（1212011220243）和國家自然科學基金（41174075，41274070，41474068）聯合資助.

張明輝，女，1990年生，博士研究生，主要從事地震射線理論及殼幔結構成像研究. E-mail: zhangmh1990@mail.iggcas.ac.cn

10.6038/cjg20151203.

10.6038/cjg20151203

P631

2015-05-06，2015-10-18收修定稿

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