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内蒙古苏尼特左旗—辽宁丹东剖面深部电性结构研究

董泽义  
【摘要】:西太平洋俯冲带是世界上最典型、俯冲距离最远的俯冲带,太平洋板块、菲律宾海板块在此与欧亚板块相互作用,以俯冲为主兼有碰撞,影响着板块边缘及板块内部的动力过程、应力场特征及构造运动。特别是在我国东北地区的地幔过渡带(410-660km),地震层析成像结果发现了异常高速带,呈沿近水平方向,形似“舌”状结构的停滞板片,所以,这一地区成为地学家们研究地幔动力学及全球构造的重点地区。 我国东北华北位于西太平洋板块消减带弧后区,属于地震和第四纪火山活动区,该区的地质构造、盆地的形成和演化以及固体矿产和能源资源分布与西太平洋俯冲带有着极为密切的联系。因此,研究东北和华北地块及其过渡带的深部电性结构,对于认识板块俯冲带弧后区东北和华北地区的构造演化、裂谷形成、岩石圈裂解和减薄等动力学问题,以及了解地震和火山活动和阴山成矿带的深部构造背景等有着重要的意义。 为了查明我国东北、华北及其过渡地区的岩石圈-地幔过渡带结构特征,区内构造块体之间的深层耦合关系,在国家自然科学基金项目“西太平洋俯冲带弧后区东北和华北地块边界带岩石圈-地幔过渡带电性结构研究”支持下,设计了一条穿越东北华北地块长约1150km的内蒙古苏尼特左旗-辽宁丹东大地电磁测深剖面,开展了常规、长周期和超长周期的大地电磁探测工作。 本论文主要利用常规MT与长周期MT数据,对苏尼特左旗-丹东剖面展开深部电性结构研究。为了获得研究区域可靠的地壳上地幔电性结构,作者采用了先进的大地电磁数据处理分析技术,对观测资料进行了由定性到定量全面地分析,通过二维非线性共轭梯度反演得到了沿剖面的较为详细的地壳上地幔电性结构。最后结合其它地质和地球物理资料的分析,对得到的地电模型进行了解释。论文主要研究内容和取得成果概述如下: 1.大地电磁测深理论基础与应用的归纳和总结 简要概况了大地电磁测深的原理,基于大地电磁测深中的两个假设,从麦克斯韦方程组出发,详细推导了视电阻率、阻抗相位的计算表达式;介绍了二维大地电磁测深的特点,对二维电性介质中电磁场的结构特征进行了讨论,详细分析了TE、TM两种极化模式。 总结了大地电磁测深法在各个领域应用的最新成果,主要包括大地电磁法在中国大陆主要地块或盆地区、大陆造山带、强震活动区的深部构造探测、近代火山区或新生代裂谷区、能源、矿产资源探测等方面中的应用成果。 2.大地电磁测深数据处理方法与反演方法的概述 介绍了大地电磁测深法数据处理的流程,包括对时间域的电场和磁场信号进行频谱分析,求出相应频谱信息;计算测量方位所对应的阻抗张量元素;判断地下介质的电性主轴;计算主轴方位上的阻抗张量元素和视电阻率等。对数据处理过程中应用的先进方法进行了讨论,包括远参考道技术,Robust技术估算阻抗张量,Swift、Bahr、GB等阻抗张量分解技术。同时对大地电磁测深法中常用的二维反演方法(OCCAM、RRI、NLCG)进行了比较。 3.苏尼特左旗-丹东剖面的大地电磁数据采集与数据分析 综合分析研究地质与地球物理的资料,经过野外踏勘,制定了野外测点的布置方案,严格按照野外操作规范完成了野外数据采集工作。对沿剖面的36个常规MT点、12个长周期MT点的原始时间序列数据,利用SSMT2000、MTEDITOR软件进行处理,最终得到各测点的视电阻率与阻抗相位曲线。通过对视电阻率与阻抗、区域的二维偏离度等进行定性分析,基本了解了研究区域内电性结构的基本变化情况。分析发现绝大部分数据具有二维构造的特征,可以采用二维反演进行近似解释,同时分析了区域的主轴方位角,结合区域地质构造走向,确定区域电性构造走向基本与测线垂直。将数据直接旋转到测线方向,此时XY模式对应TE极化模式,YX模式对应TM极化模式。选择二维非性共轭梯度反演作为本剖面的反演解释方法。 4.二维反演参数的选择 在二维非线性共轭梯度反演中,对反演数据采用不同极化模式,正则化因子的选择、误差门槛值的选取进行了测试,本文对三个问题分别进行了讨论。通过取不同的正则化因子值进行多次反演,进行正则化因子L曲线分析,确定出最佳的正则化因子,同时选择不同的误差门槛值,进行多次反演,通过分析反演模型结果以及数据拟合情况,确定最合适的误差门槛值。 采用TE、TM、TE+TM三种极化模式数据分别进行反演,比较了不同极化模式数据的反演结果,发现TM模式对表层结构敏感,而TE模式对深部结构更敏感,TM模式对三维高导异常体的响应更加稳定,而TE模式对高阻异常体的响应更加稳定。最终选择对本剖面进行TM极化模式数据反演。 5.苏尼特左旗-丹东剖面的带地形二维反演 经过各种测试后,利用测点中心网格的自动生成技术构建带地形网格,采用TM模式进行二维反演。初始模型选用均匀半空间,正则化因子取50,TM门槛误差为2%,经过116次迭代,反演模型的总拟合均方差为4.41,最终得到了研究区域的地电模型。 6.苏尼特左旗-丹东剖面深部电性结构的解释 对苏尼特左旗-丹东剖面的二维电性结构进行解释,确定了主要断裂和边界带的位置以及深部延伸情况,同时确定了壳内高导层的分布位置,上地幔高导层顶界面的深度。壳内高导层的分布、上地幔高导层顶界面的起伏状况反映了研究区域内大地构造的性质和演化历史,从电性结构上,给出西太平洋俯冲带对东北、华北地块的影响的依据。


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