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1、1浅谈青藏高原壳幔地电结构文献阅读课读书报告内容摘要：现阶段，运用多种地球物理手段研究地壳与上地幔的物性与结构特征，将为研究地球内部物质状态、地壳运动过程及其动力学机制等科学命题提供科学依据。大地电磁深探测方法作为研究地球壳-幔电性结构的主要地球物理方法，在国内外完成了大量探测工作，取得了许多重要的研究成果。大地电磁探测以天然电磁场作为场源，采取合适的野外观测技术，并通过数据精细处理与反演计算，获得高质量的大地电磁数据以及可靠的电阻率分布模型。本文在仔细阅读了国内外部分科学文献的基础上，就青藏高原南部和东北部的大地电磁测深方法及其结果进行思考和研究，加深理解了大地电磁测深探测方法的基本原理和科
2、学意义，具体以龙门山构造带、海原弧形构造区和班公湖-怒江缝合带等区域的大地电磁测深研究结果为例学习大地电磁测深方法的基本理论。到目前为止，许多国家和学者对青藏高原地区的地质特征、动力学活动及历史成因等等课题都作了深入研究，地球物理方面的研究是以大地电磁探测与地震探测作为主要手段，研究深部精细地球物理探测技术的集成，并且通过实验剖面研究该区的壳-幔结构特征。关键字：大地电磁测深；壳幔电性结构；青藏高原；缝合线AbstractNowadays, we have obtained the physical properties and structure features of the earths
3、 crust and upper mantle by multi-geophysics method. Thus scientific evidence further facilitates the understanding of the earths interior status, the process and mechanism of the movement of crust. As a primary geophysical method for the detection of the electrical structure of the earths crust and
4、mantle, magnetotelluric exploration has been widely adopted both in China and foreign countries, and numerous significant research results have been acquired. Using the natural electromagnetic field as its source, it is possible to acquire the MT data with high quality and consequently get a reliabl
5、e model of the underground electrical resistivity by choosing proper technique for field observation and taking discreet computation and inversion techniques. Based on a lot of the references relating to magnatotelluric, I had known about the principle of magnetotelluric. I have learned the MT sound
6、ing of the southern and northeastern Tibetan plateau, including the Longmenshan Fault Zone and the Haiyuan arcuate tectonic region, and the Banggong-Nujiang suture and so on. From now on, lots of academicians all over the world have taken attention to the research of the geological origin of Tibetan
7、 plateau. On the study of the structure of the earths crust and upper-mantle, the seismic and MT methods are mainly used to the integration of geophysical techniques for detailed deep detection.Key words: Magnetotelluric; Electrical structure of the Earths crust and mantle; the Tibetan plateau; the
8、suture2前言随着地球科学的发展以及人类对资源的需求不断增长，进行地球深部探测来研究大陆演化过程，寻找更多资源，进行环境保护，是当代地球科学的主要任务，而地球物理观测是进行地球深部探测的重要方法技术。大陆岩石圈导电性结构的研究是地球深部探测的一个重要组成部分，为大陆动力学、地质灾害防治、矿床成因研究等提供重要的支撑。大地电磁观测是研究地球深部电性结构与构造的主要地球物理方法，被广泛应用于油气勘探、矿产资源勘探以及深部地球物理调查等领域，而在研究壳-幔构造方面，大地电磁测深也是最重要的方法之一。青藏高原是现今构造运动最强烈的地区之一，它的隆升机制、地壳-上地幔结构及其变形引起了世界各国地学家
9、的关注。迄今为止，许多国家的地质研究者利用多种方法对高原内部结构和变形研究及深部动力学作了大量深入的研究，目前，对青藏高原的研究也逐步扩展到其周边的碰撞造山带和变形带。青藏高原东北缘和鄂尔多斯地块的接触带以其特殊的弧形构造和构造转换区为特点，是我国西南部的青藏高原和东北部的丘陵地带的分界线，是我国的重要地震活动带。该区发育有一些较大的北西向和近南北向断裂带，如玛沁断裂带、西秦岭北缘断裂带、海原断裂带、香山-天景山断裂带、罗山-云雾山断裂带等。青藏高原东缘有龙门山构造带，由一系列大致平行的叠瓦状冲断构成，具备典型的逆冲推覆构造特征，自西北向东南划分为 4 个构造带，分别为松潘一甘孜褶皱带、褶皱冲
10、断带、逆掩推覆带和川西前陆盆地。在青藏高原腹地的班公湖-怒江缝合带，是岛弧对大陆的缝合带，该区域蛇绿岩分布很分散，覆盖多条火山岩浆岩带。大地电磁测深方法在研究这些区域的地壳上地幔电性结构起到了至关重要的作用，但同时其本身技术问题也有需要改进之处，比如大地电磁探测的抗干扰能力较弱，特别是在矿集区及经济发达区等强干扰地区往往很难采集到高信噪比的数据。因此，加强在不同地质条件及干扰水平地区的大地电磁数据采集方法和进一步完善大地电磁反演方法也是大地电磁测深理论研究的重点。1. 研究背景和基本理论1.1 地球的导电性描述岩矿石导电性通常使用电阻率与电导率参数，它们互为倒数。矿物与岩石的导电性具有很大差别
11、，比如纯金属和石墨的导电性很好，具有低电阻、高电导特征；而水晶的导电性则很差，具有高电阻、低电导特征。地球的地壳与上地幔是由多种岩石与矿物组成的，其导电性受到构造特征、物质成分、晶体结构、岩石矿物和密度、温度、压力等多种因素的影响，在估算地壳与上地幔的总体导电性时必须考虑不同的矿物组合与导电机制。根据地震学的研究结果，地球内部主要划分为地壳、地幔和地核 3 个主要的圈层，按照当前地学界比较一致的认识，地壳加上地幔盖层也就是人们通常所指的岩石圈。总体上看，地壳最上部发育的是沉积层，其下即上地壳，主要是花岗质岩层，中地壳是花岗闪长质-闪长质岩层，下地壳则是玄武质岩-变质玄武质岩层；而上地幔盖层主要
12、是由纯橄榄岩和橄榄岩组成。由于上、下地壳与上地幔的物质组成及所处物理状态的不同，其导电性是有明显差异的，图 1 是根据探测结果总结的稳定大陆岩石圈的电阻率典型电阻率分布。 3沉积盆地或沉积盖层由于孔隙、裂隙发育及水流体的作用而表现为低阻特征；上地壳主要由火成岩与变质岩组成，通常为高阻特征；但是，在许多区域下地壳却通常表现为低阻特征，研究表明，地壳中的低阻层可能主要是与地下介质出现局部熔融、塑性、流变等物质状态的改变等有密切关系；由于下地壳低阻层的存在，使得利用大地电磁数据确定上地幔的电阻率变得困难，但是在下地壳相对缺失的地区，对上地幔的电阻率可以进行估算，大致在 100500m。1.2 大地电
13、磁测深基本理论 大地电磁测深是研究地壳和上地幔构造的一种地球物理探测方法。它以天然交变电磁场为场源，当交变电磁场以波的形式在地下介质中传播时，由于电磁感应作用，地面电磁场的观测值将包含有地下介质电阻串分布的信息。面且，由于电磁场的集肤效应，不同周期的电磁场信号又有不同的穿透深度，因此，研究大地对天然电磁场的频率响应，可获得地下不同深度介质电阻率分布的信息。在大地电磁测深的经典理论中，往往假定大地电磁场为垂直入射的平面波场。对于平面波场，在地下均匀各向同性介质的条件下，电场 和磁场 是正交的。平面波的波阻抗定 义为： HZE波阻抗的单位是欧姆。通过对地面电磁波的测量，可以求得介质的电阻率： 21
14、其中的标量阻抗 ， ， ， ， 为地面上互相正交的电磁场分xyyxHEZyxy量的振幅谱，地面波阻抗 Z 是地下介质电阻率分布和信号周期 T 的函数。上式是在均匀各向同性大地介质的条件下，地面电磁场的振幅测量值和介质电阻率之间的关系式，也是大地电磁测深法中最基本的关系式。实际上，地下岩层的导电性一般不可能满足均匀各向同性，更普遍的情况是非均匀各向异性的条件。在在非均匀介质中，把非均匀介质的地面波阻抗代入上式，称相应的电阻率为视电阻率，用 表示：T21sTHE4其中 分别是地面电场和磁场的实测值。与 通常，视电阻率 不是介质的真正电阻率，他是介质电阻率分布的综合反映，并和电T磁波的周期有关，因为
15、不同周期电磁波的穿透深度不同，当频率很高时，由于集肤效应，电磁波可能只集中在第一层 介质中，电磁场不受下伏岩层电阻率的影响，这时的视电阻1率 = 。随着电磁波信号周期的增大，它的穿透深度也增大，视电阻率将受到深部介质T1电阻率分布的影响。地球物理工作者通常把野外观测求得的不同周期的地面波阻抗，换算为视电阻率，利用随信号周期变化的视电阻率曲线（ 曲线）研究地下介质电阻率的分布。T1.3 大地电磁测深的发展状况大陆岩石圈导电性结构的研究是地球深部探测的一个重要组成部分，有关大陆岩石圈导 电性的研究可以为大陆动力学、地质灾害防治、矿床成因研究等提供重要的支撑。大地电磁观测是研究地球深部电性结构与构造
16、的主要地球物理方法，被广泛应用于油气勘探、矿产资源勘探以及深部地球物理调查等领域。上世纪 8 O 年代以后，随着数字电子技术的飞速发展和新的资料处理和解释手段的研究开发，大地电磁法进入了快速发展的新阶段。数据采集的质量和效率不断提高；资料处理方法不断改进。使用 Robust 估计方法取代传统最小二乘处理方法 ( Egbert et al., 1986)处理时间序列资料，能最大程度地压制不相关噪声的影响，获得高质量的阻抗张量元素；阻抗张量 分解技术(Groom et al., 1995; Gary et al., 2001)能有效分析地下地电构造的复杂程度和提供丰富的构造信息；实用化的二维反演算法(De Grootet al., 1990)多种多样；三维反演正在逐步实用化。可以说，大地电磁探测方法已经成为深部地球物理探测不可替代的地球物理方法之一。 国际上，大地电磁测深已被广泛应用于岩石圈尺度的探测工作。例如，美国等其他欧美国家对圣安德烈斯活动断裂带的电性结构研究结合地震数据
