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自中外学者相继在大别和苏鲁地区的榴辉岩中发现柯石英及其假象以及微粒金刚石以来,大别一苏鲁造山带已成为继西阿尔卑斯和挪威之后的第三个高压超高压变质带,其出露规模、保存程度、岩样多样化等方面均属世界之最,是研究大陆碰撞造山作用及动力学的最佳场所之一。而苏鲁超高压变质带,夹持于华北与扬子板块之间的碰撞带,经历了华北板块与扬子板块碰撞、拼贴的构造演化历史和复杂的地球动力学过程,且含有世界罕见的大规模超高压变质岩而备受世人关注。本次研究通过对苏鲁地区航磁资料的处理、分析与反演,获得该区的地热结构、磁性结构,并初步探讨该区的地球动力学过程。
研究过程中,应用组合磁异常的统计功率谱分析方法计算居里面深度,该方法的理论基础是spector-Grant统计模型<[20]>,并由Okubo<[23]>等人进一步简化。对研究区航磁数据进行不同高度的向上延拓,获得该区深部场源磁性特征;计算该区的航磁异常导数,获得不同角度的水平一阶导数图;应用有限元方法,获得郯城—涟水剖面的地温场;最后对郯城—涟水剖面的航磁异常进行了约束反演,给出了改剖面的岩层结构特征。
本次研究主要获得以下五方面的成果:
1.通过对比不同上延高度的航磁异常,发现磁异常随着观测面高度的变化发生了明显变化,并且变化程度与磁性体形态有关。磁异常由复杂变为简单,浅部的局部异常逐渐被消除,深部的大尺度磁性体异常被突出。响水一带(苏北断陷区)异常在不同上延高度均表现为负,反映该区岩石磁性较弱,地质构造继承性好,未经历大的构造变动;郯城—五莲一带北东向正异常随着上延高度增加,异常范围逐渐扩大,磁异常突出,表明在该区深部存在一北东向磁性地质体,且磁性较强;胶南一带由超高压变质岩所引起的强正异常随上延高度的增加逐渐消失,说明超高压变质岩层厚度较小。
2.对研究区内的航磁异常进行导数计算,获得不同方向的一阶水平方向导数图。一阶水平方向导数是突出构造线方向的有力工具。从导数图上可以看出,一阶水平导数(0°)近EW向的构造得到最大的突出:而在45°的一阶水平导数图上,近NW向的构造得到最大的突出:在90°的一阶水平导数图上,近SN向的构造得到最大的突出;而在135°的一阶水平导数图上,近NE向的构造得到最大的突出。
3.利用航磁资料反演研究区的居里面深度,首次获得该区详细的地热结构,对讨论该区地壳热结构状态提供依据。居里面起伏与软流圈起伏具有明显的相关性,航磁异常场和居里面分布特征均揭示研究区地质构造发展具有继承性。侏罗纪晚期,苏鲁地区软流圈的上涌导致岩石圈减薄,从而使得居里点深度低于大陆平均值。岩石圈的减薄和热流的上涌,使得苏鲁地区大规模的花岗岩侵入体出露。苏北盆地地表出露大面积酸性岩浆岩,反映了该区地温较高,地壳比较热,下地壳与上地幔存在热交换,因而引起航磁负异常;研究区北部为居里面凹陷区,表明地温低,呈现明显的NW方向,郯庐断裂带穿过此区。该区属于华北地块,几乎没有较大规模的热事件发生,岩石圈厚度大,属稳定的冷地幔;研究区南部的蓝片岩带,按区域变质作用它代表高压低温的变质作用,扬子板块的陆内俯冲导致冷而轻的地壳俯冲至上地幔中,进而导致相当大浮力的积聚和周围地区热流的吸收,因此该区热流值较高。
4.利用有限元方法,反演郯城—涟水剖面的地温场。郯城—涟水剖面穿过郯庐断裂带、苏北高压(HPM)、超高压变质带(UHPM)和嘉山响水断裂,连接了华北克拉通、苏鲁地体和扬子克拉通,对了解中国东部地壳地质构造十分重要。该剖面地温场的获得,对研究深部动力学过程有重要意义,因为地壳热状态受深部动力学过程的控制,并且地球内的温度在模型结构和板块活动中是一个重要的参量。
5.以地震测深剖面提供的地壳结构为初始模型,结合大陆科学钻探岩芯资料,对郯城—涟水剖面进行约束反演,获得郯城—涟水剖面的岩层结构特征。剖面反演结果显示,超高压变质岩片向北倾斜至地表,说明很可能是华北克拉通的俯冲和原路折返的结果。
以下五方面工作值得今后进一步研究:
1.计算过程中约束条件和参数的选择,并没有一个确切的原则,要根据研究区域的地质条件并通过反复试验计算确定,而且计算结果合适与否也和计算者的判断有关。
2.计算窗口的大小选择,需要考虑的因素很多,需要进行反复计算确定。这对于计算的准确性和效率,会产生一定的影响。
3.编制的程序,并没有形成完善的计算机软件,因此在使用过程中会带来不便。需要对程序进行进一步的完善,使其达到实用程度。
4.应进一步探讨居里面起伏变化特征与大地热流分布的关系。
5.应对研究区内的诸城大寨到胶南泊儿镇和临沂市八湖到日照市虎山这两条剖面进行反演,获得其岩层结构特征,才能更全面地探讨苏鲁超高压变质带的动力学机制。