秦岭地区岩石圈结构特征

层圈结构_东秦岭－大别造山

1．1．2．1 地壳结构的基本特征

造山带及两侧磁性界面分布概貌：磁性基底出露在造山带的大别山、桐柏山和西峡—丹凤，豫西隆起，黄陵隆起的宜昌西北、石首、临湘一带。磁性基底埋藏区，主要分布在沉积层覆盖区内的构造隆起或凸起地带，如太康隆起（太康附近为1000～2500m）、霍邱凸起（寿县附近为1500～2500m）、钟祥隆起（2500m左右）。沉积岩层厚的区域分布在坳陷或凹陷区，如舒城凹陷（大于5000m）、临汝凹陷（大于5500m）、沔阳凹陷（大于4500m）。此外，神农架附近沉积岩层厚达4500m以上，湘鄂西构造带在咸丰县附近大于7000m，详见图1－1－5。

图1－1－5 秦岭－大别造山带及其两侧磁性基底埋深分布图（吴其反，2009）

研究区居里等温界面，大致对应中地壳附近的速度界面或是壳内低阻层，大别造山带地区在12km上下，东秦岭造山带地区在20～23km之间变化。

东秦岭－大别造山带及邻区的莫霍面等深线，由布格重力异常反演结果显示（图1－1－6）。由图可知，东秦岭－大别造山带地区地壳厚度的总体为北西西向，莫霍面起伏轴线为北西向，总体上为正常的地壳厚度（32～35km），地壳厚度变化5～7km。

研究区莫霍面从东向西，由浅变深，过了太行－武陵重力梯度带后，深度急剧加大，为从32km至35km再到45km的激剧增厚状态，与北东走向的地壳厚度梯级带相对应。研究区内地壳厚度起伏变化为29～41km，总的趋势为东秦岭造山带地区一般较厚，达34～35km。大别造山带地区比东秦岭地区明显减薄，一般为32～35km，在大别山地区（东大别造山带）显示下凹，地壳增厚，为40～42km，而其两侧多为32km左右；桐柏地区下凹的深度为38～40km，规模较小，其两侧多为35km左右；东秦岭造山带下凹较深，可达45km，其两侧多为38～35km。下凹中心区域位置，在东秦岭造山带位于商丹断裂带北侧的栾川、洛南一带（北秦岭造山带）；在大别造山带则位于商丹断裂带南侧的桐柏、英山北部的南大别造山带地区（吴其反等，2009）。

莫霍面变化梯度带与区域上的主要断裂相对应，如襄－广断裂、栾川断裂、晓天断裂、舒城断裂等。

1．1．2．2 岩石圈层圈结构

以前人研究报告和文献中的地球物理数据和横穿东秦岭－大别造山带的深部地球物理面为依据（图1－1－6），来探测研究区岩石圈深部介质与结构是目前最直观有效的方法。

图1－1－6 横贯造山带地区地球物理剖面位置简图

①襄－广断裂；②商丹－舒城断裂；③栾川断裂；④桐柏断裂；⑤鲁山－舞阳断裂；⑥十堰断裂；⑦城口－房县断裂东秦岭造山带：Ⅰ．房县—伊川；Ⅱ．南漳—叶县大别造山带：Ⅲ．钟祥—许昌；Ⅳ．红安—沙洋；Ⅴ．麻城—通山；Ⅵ．瑞昌—六安

多学科的最新研究成果表明，岩石圈在热状态、化学成分和力学行为等方面具有高度非均匀性。不同介质的岩石圈（多层、多块）之间、岩石圈层（块）状地壳之间、岩石圈地壳与岩石圈地幔之间、岩石圈地幔与软流圈地幔之间，普遍存在着相互作用。

我们主要依据地震波传播速度和电阻率在纵向上的突变来分层，结合地震反射影像特征、地震层析成像剖面特征等资料佐证。岩石圈地壳和岩石圈地幔在地震波速和地震反射影像上有明显的跳跃变化，同样，在岩石圈内部，利用介质导电性差异特征，划分出岩石圈（地壳）尺度的层圈（块）结构。

表1－1－4 造山带地区岩石圈宏观结构与组成

根据人工地震测深波速、大地电磁测深电阻率资料，结合地表地质、岩石学实验数据（高山等，2000）研究，可以将东秦岭－大别造山带地区岩石圈结构及其介质组成归纳如表1－1－4。

1．东秦岭造山带及其邻区的层圈结构

1）房县—伊川岩石圈剖面。

该剖面横过东秦岭造山带、中朝准地台（华北）两大构造单元，其大地构造单元边界为栾川断裂。划界的深部地球物理依据，由深地震测深得到的波速结构差异和大地电磁测深得到的电性结构差异给予证实，即两侧地壳物性结构差异（断裂带以南，地壳的物性分层为5套，上地壳电阻率相对低，小于80Ω·m；断裂带之北，地壳物性分层可以分为4层，电阻率相对高得多，为200～300Ω·m）。显然，该断裂带可以作为东秦岭造山带与中朝准地台（华北）两大构造单元的分界。

造山带地区磁场特征为正、负跳跃变化“高”磁异常（－100～＋300n T）；其重力异常特征则总体平缓，南秦岭地区为重力高异常（－50×10－5m／s2），北秦岭地区为相对重力低（－100 ×10－5m／s2）。

造山带地区，壳内普遍发育低速层（5．70～6．00km／s）、低阻层（20～40Ω·m）。华北地块南缘，地壳地震波速范围在5．90～6．60km／s。

岩石圈地壳：南秦岭地区浅层（上地壳）为脆性形变，中、下壳层为韧性形变层，脆－韧性转换层埋深15～20km（高、低速突变、高、低阻突变），与壳内低速层、低阻层埋深相当，推断具一定厚度的构造破碎岩石层或残留热液熔融岩浆层。造山带壳内广泛发育侵入岩，北秦岭地区，地壳以侵入岩为主。壳内侵入岩引起近地表磁异常变化。壳－幔边界波速相对较低（7．75～7．82km／s），电阻率也仅大于等于100Ω·m，与岩石圈的高温场和软流圈顶界面向上隆起有关。

岩石圈地幔：北秦岭造山带对应软流圈地幔顶界面向上隆起区，岩石圈地幔以低电阻为主，相对为高温背景。华北地区南缘的深部岩石圈地幔相对“刚性”，但有软流圈异常地幔柱侵入（柱状低电阻10Ω·m）。南秦岭造山带－扬子地块北缘，岩石圈地幔厚度变化，造山带往地台方向渐趋增厚，岩石圈地幔温度相对降低，但同样存在低阻异常体（100～300Ω·m），岩石圈底界面的埋藏深度在70～80km，其强度由塑性往相对“刚性”转化。软流圈地幔在青峰断裂附近呈现了脉状上涌现象。

2）南漳—叶县岩石圈剖面（图1－1－7）：东秦岭造山带向东被南阳中新生代盆地覆盖。该剖面主要区段穿越南阳盆地，但地表地球物理场变化，依旧具造山带的特征：重力异常在（－10～－20）×10－5m／s2间起伏变化；磁力异常范围在＋50～＋200n T。

造山带北界，磁力异常梯度突变（＋100～－200n T），大致对应地表的栾川断裂。地球物理场所对应地表的商丹断裂，变化反映也很明显，断裂以南跳跃变化高正磁异常，高热流值（70～80m W／m3）；断裂之北侧，呈低热流40m W／m3和升高正磁异常。造山带岩石圈为高温低阻背景（≤1000Ω·m），局部呈团块状高阻体（104Ω·m），大致以造山带南侧襄－广断裂和北侧的栾川断裂为界，扬子地块北缘和华北地块南缘区的深部岩石圈壳－幔为低温、高阻背景。

岩石圈地壳：据袁学诚等（2002）提供的反射地震剖面，结合野外地质调查成果，对岩石圈地壳结构进行了重新认识（图1－1－7）。

图1－1－7 南漳—叶县反射地震剖面地质解释图

上地壳（双程反射时间为0～5．0s）：栾川断裂与襄樊断裂之间，0～5．0s总体特征是弱反射到透明的反射面貌（地表对应南秦岭造山带，透明部分为低速层）。襄樊断裂与新野断裂之间，0～2．0s中新生界地层反射。2．0～5．0s杂乱反射特征（扬子准地台基底：主要由下元古界武当群所组成）。新野断裂与商丹断裂之间，0～2．0s中新生界地层反射。2．0～3．0s反射，中泥盆统复理石的巨厚岩层。2．0（3．0）～5．0s为穹隆状反射［元古宇随县群（与武当群的中上部相当）］和耀岭河群、陡岭群。商丹断裂与栾川断裂之间，0～5．0s，出现丘状－杂乱反射特征，对应北秦岭造山带构造单元——深变质岩和基性、超基性岩以及加里东、海西、燕山期中酸性侵入岩。

中下地壳［双程反射时间5．0～10．0（11．0）s］：襄樊断裂以北的中下地壳，为反射薄层与透明薄层相间特征，具明显的反射波组侧向错断特征，可能与大地电磁测深所揭示的岩石圈壳内低阻层（＜50Ω·m）相对应。代表扬子地块（上太古界—中下元古界）系列的层状反射壳层，沿襄樊断裂南侧的深部，呈“犁式”往北呈楔状插入；同样，在叶县—方城一带，华北地块（太古宇—下元古界）南倾层状反射的中下地壳，沿栾川断裂深部大倾角往南下插。商丹断裂和栾川断裂之间的深部有燕山期侵入岩的残留，反射杂乱。

地壳底界（10．0～11．0s双程反射时间）：全剖面反射同相轴连续性相对较好，据地震波速推算，相当于地壳底界反射，总体上自南往北呈平缓起伏抬升。明显的错断处，对应于地表构造单元分界大断裂——襄－广断裂、商丹断裂、栾川断裂。南襄盆地对应的地壳底部，出现小于正常上地幔顶部波速（7．8km／s），反映深层次的脆韧性－韧性形变——在壳－幔之间的拆离面，可以发生在地壳底部附近（30～40km）。

岩石圈地幔：扬子地块北缘岩石圈地幔内部，华北地块南缘岩石圈地幔，都出现中—高热背景，地幔岩相对软弱，代表造山带与地块之间的深部岩石圈内部，曾发生过深层次的“构造拆离作用”。究其原委，软流圈热物质底侵上涌，造山带对应的深部岩石圈地幔厚度减薄。南阳盆地深部“弱”岩石圈热活动影响（岩石圈底界1100℃等温线，地壳底界600℃等温线上隆），导致地壳脆－脆韧性形变层发育，以及部分含热液熔融岩石的残留，伴生了高温、塑性岩石圈地幔岩。

2．大别造山带及邻区层圈结构

1）钟祥—许昌剖面：剖面横贯扬子地块、大别造山带、华北地块三大构造单元。与此相对应，重力异常和磁力异常都有很好的一致性：磁异常在造山带地区正负跳跃变化（－150～＋300n T），重力异常为平缓重力低［（0～－50）×10－5m／s2］，与区域重力场相一致。造山带与地块接触地带，表现为重力梯度变化和磁力异常突变带。异常变化带所对应的地表地质特征，代表了大地构造单元分界的深大断裂（襄－广断裂、方城－确山断裂）。

同样，在地震波速和地电电阻率方面，造山带与地块之间也显现出物性差异，差异突变带与地表大地构造单元边界相对应。大别造山带地区，地震波速随深度增加而增大（6．0～7．2km／s），电性结构上则局部发育壳内低阻层（20Ω·m）；扬子准地台区地壳分层清晰，地震波速度正常，随深度加大而递增（5．2～6．97km／s），襄－广断裂深部发育壳内低速层（6．02 km／s）和壳内低阻层（≤20Ω·m）；中朝准地台（华北）地区，地壳成熟度高，地壳速度呈正梯度增加（6．0～7．1km／s），但发育壳内低阻层（≤10Ω·m）。参考岩石与地震波关系的实验测试资料（张本仁等，2004），大别造山带地区的上地壳以高压－超高压变质岩为主，中地壳以榴辉岩或侵入岩为主，下地壳大致以高压麻粒岩相和部分榴辉岩组成。上地壳普遍发育冲断构造，中、下地壳相对完整，成熟度高。

大别造山带的岩石圈厚度，相对于两侧的扬子地块和华北地块为减薄状态（约70km），岩石圈地幔以低阻5600Ω·m为特征，推断其内部存在残留热熔的燕山期岩浆体。中朝准地台（华北）岩石圈地幔超高阻（7000Ω·m），岩石圈厚度为90～120km，扬子地块岩石圈地幔高阻（4000Ω·m），岩石圈厚度为80～100km。

2）沙洋—红安剖面：剖面位于扬子地块和大别造山带南缘，大致以襄－广断裂为界，跨两个大构造单元。断裂以南的地台区，平缓正磁异常（＋100n T上下）、缓慢升高重力异常（约为零）为特征，断裂以北的造山带地区，变化跳跃正磁异常（－40～＋200n T）和相对降低重力异常［（0～－25）×10－5m／s2］为特色。同样，在地震波速结构或电性结构上也有相应的差异：断裂以南，上地壳电阻率平缓变化100～1000Ω·m，局部高阻＞1000Ω·m，壳内低阻层侧向上埋深不一（部分接近上地壳底，部分位于下地壳顶）；断裂以北，地壳以高速波场为特征（6．0～6．8km／s），局部发育壳内低速层（6．0km／s）。电性结构总体上以高阻为主（＞1000Ω·m），普遍发育壳内低阻层（＜20Ω·m）。

地壳大致三分。扬子准地台上地壳，主要以绿片岩相为主的古生界和元古界地层组成，在电性上表现为中、高阻特征，浅部为中新生代江汉盆地；造山带地区中地壳相对薄，且有高温、低阻的侵入岩残留分布。整个地区的中－下地壳，是以高阻、高速为特性的角闪岩相－麻粒岩相为主，但造山带地区的岩浆侵入活动迹象明显，呈高温、低阻物性特征。

扬子地块区的岩石圈厚度呈阶梯状向北增厚，其地幔介质相对大别造山带地区，向北作黏滞性蠕散运动，地壳底界面，显示埋藏深（莫霍面）、明显北倾，显示向造山带方向地壳增厚。代表了扬子地块岩石圈发生伸展构造作用，通过岩石圈地幔黏滞性蠕散，沿“北大巴－大别山大陆消减带”（任纪舜等，2000），相对于大别造山带，作岩石圈尺度“陆内俯冲”构造运动过程。

3）通山—麻城剖面：剖面横跨两大构造单元，经过扬子地块北缘，到达大别造山带的南缘。

（1）构造单元分界主要反映在磁力异常方面：扬子地块北缘，跳跃变化强磁异常［－200～（＋300～＋400）n T］；大别造山带地区为变化升高磁异常（－200～＋150n T），异常分区部位，大致对应地表襄－广断裂附近。其次，重力异常总体由地台区往造山带地区平缓升高［（－50～＋50）×10－5m／s2］。

（2）地壳。扬子地块区的地壳，电性层可划分为：上地壳为沉积层和部分浅变质岩石层（100～700Ω·m），局部为花岗质侵入岩相对高阻（2000～2400Ω·m）。靠近襄－广断裂附近，下地壳发育残留的燕山期侵入岩（高温、低阻）；中－下地壳为热液渗入碎裂层，呈中阻（500～700Ω·m）至低阻（20～40Ω·m）。造山带地区，地壳上部以高阻为背景（1000～4000Ω·m），地壳内部局部相对低阻（200～1300Ω·m），下地壳低阻（5～40Ω·m）；地块区中－下地壳发育低阻层（＜50Ω·m），分布在大于等于20km层位。上地壳主要为深成变质岩为主（高阻块体），下地壳含热液岩浆岩（高温、低阻）。地壳底界在剖面上显示，自南段的地块区30～32km往北段的造山带地区，趋于加深至32～34km。

（3）岩石圈地幔。造山带地区因软流圈地幔的上涌而导致岩石圈地幔减薄，厚度仅50～60km。扬子准地台地区总体岩石圈厚度为120～160km。受大别造山带地区岩石圈地幔高温减薄影响，毗邻大别造山带，位于扬子地块北缘的“江汉盆地”深部岩石圈厚度，相对扬子地块主体岩石圈厚度要减薄30～40km。造山带地区岩石圈地幔为低电阻（脉状）特征，推断其组成应该为热的玄武质榴辉岩，而扬子地块主体岩石圈地幔相对高阻（数百～数千欧姆·米），推断其介质为尖晶石二辉橄榄岩。

4）瑞昌—六安剖面：剖面主体横贯大别造山带东段，具体表现为以下三点。

（1）重力、磁力。区域重力低（－50×10－5m／s2），高正变化磁异常（0～300n T）。造山带与华北地块的分界为信阳－舒城断裂，在地球物理场方面，表现为重力异常梯度变化带［（0～－50）×10－5m／s2］和磁力异常变化带（＋250～－300～＋100n T）。造山带与扬子地块分界，以襄－广断裂磁异常特征突变带为代表（变化区间为＋200～－50n T）。

（2）人工地震测深。地壳地震波速呈梯度变化，造山带区域4．8～7．0km／s，两侧地块区地壳波速在4．9～6．9km／s范围内梯度变化。

由地表至4～6km深度：该层底面平缓、稳定，横向变化明显。造山带两侧古生界地层4．5～5．8km／s，中－新生界红层盆地3．5～4．5km／s；大别山内，北大别正变质岩区5．5～5．9km／s，超高压变质岩带5．6～6．0km／s，南大别高压变质岩区4．8～5．6km／s。在4～6km深度出现速度界面，其下层介质速度为6．0～6．25km／s。

地下5～12km深度范围内，地壳速度6．0～6．25km／s，厚度稳定，底面平缓略向造山带内倾。横向变化特征表现为造山带地区速度较高（6．1～6．25km／s），两侧准地台地区速度较低（6．05～6．1km／s）。

壳内低速异常层（12～18～26km）：厚度变化大（6～14km），底界面大幅度起伏，横向速度变化不明显（6．26～6．30km／s）。该层厚度在北大别地区，地震揭示深达14km，在二郎河最薄，仅6km。

中－下地壳（18～26～31～41km）：总厚13～15km，全层起伏大，最深部位在大别山腹地岳西之下，速度为6．35～6．75km／s。在扬子准地台可分为上亚层速度（6．26～6．35km／s）和下亚层速度（6．4～6．7km／s），该层底面为地壳底界面——莫霍面。

莫霍面：莫霍面在大别造山带中心部位深达41km，而扬子地块与华北地块为32～34km。莫霍面深度差异达8km左右，指示造山带存在“山根”。剖面上自南向北分3段：南为扬子地块；中为大别造山带；北为华北地块。扬子地块北界，地表大致以长江为界（襄－广断裂东段），为5层速度结构，莫霍面深度34km；大别造山带，4层速度结构，地壳厚度大（38～41km），中－下地壳厚度大，界面起伏剧烈，平均速度较高。

（3）电性特征：上地壳（0～20km）超高压变质岩或榴辉岩和燕山期的混合花岗岩，为超高阻（20 000～35 000Ω·m）；中－下地壳（10～15km）为燕山期含热液残留岩浆为主（高温低阻≤30Ω·m），局部低速（5．9～6．0km／s）。

造山带地壳内部，部分高导层与深部小于30～50Ω·m的低阻体相连，尤其是在靠近舒城断裂附近和襄－广断裂附近的深部电阻率也逐渐减小。

位于莫霍面以下的岩石圈地幔电阻率，相对华北地块和扬子地块为低电阻（＜1000 Ω·m），因该地区地表出露大量的燕山期花岗岩，加上研究区内断裂十分发育，电阻率的降低与岩石圈高温场（图1－1－8）现象一致，推测与燕山期残留熔融侵入岩和燕山晚期以来的构造活动有关（图1－1－9）。

图1－1－8 大别造山带深部温度等值线剖面图

图1－1－9 六安—黄石地震反射剖面地质解释图

1．1．2．3 层圈结构的横向差异

根据沿东秦岭－大别造山带走向所作的深地震测深和大地电磁测深数据，以及相应的重、磁场特征差异，由表1－1－5可知：南襄盆地两侧造山带地区的地壳－岩石圈地幔结构存在明显差异。

表1－1－5 南襄盆地及两侧地壳结构差异（据林中祥等，1993，改编）

注：H．地壳厚度（km）；VP．地壳波速（km／s）；ΔH．壳层厚度（km）；¯VP．壳层波速（km／s）

上地壳构造在东秦岭－大别造山带不均一，地形高差相对近千余米；近地表地质出露地层也有所差异，地层的褶皱形变强度、构造样式自东至西相差悬殊。

总体上，莫霍面起伏平缓，仅在大别造山带的东部，对应深部出现深凹“山根”现象，而东秦岭造山带对应的深部并无“山根”体现。下地壳顶部或被认为是中地壳一部分的壳内低速层或壳内低阻层，断续分布在准地台边缘与造山带区域。

岩石圈底界的起伏变化在60～150km范围内，其中岩石圈地幔厚度变化较大。相对较冷的“厚幔薄壳”特征，主要分布在扬子地块北缘和华北地块南缘与东秦岭造山带接壤地区；相对较热的“薄幔薄壳”特征，主要分布在南襄盆地地区。大别造山带主体，相对“薄幔厚壳”。由此推断，与软流圈活动有关的岩石圈地幔底部起伏，是造成岩石圈介质冷热不均的重要因素。