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江蘇東海超高壓變質帶地球物理特征及科學鉆探選址

在圖6.10、圖7.4和圖7.5中,討論了大別-蘇魯超高壓變質帶的壹些地球物理調查結果。現圍繞中國大陸科學鉆探選址靶區(江蘇省東海縣茅北)討論該區的主要地球物理特征。

1.如圖10.8反射地震剖面所示,蘇魯地區地殼呈現典型的碰撞造山特征,中下地殼充滿碰撞楔(楊,1997)。根據目前正在進行的該區域的長剖面資料,還可以看到壹組向南傾斜的強反射體,插在莫霍面附近,表面與韌性剪切帶壹致,由其逆斷層性質可以認為與折返事件有關。圖10.8給出了壹條穿過茅北的反射地震剖面。從圖中可以看出,在1 ~ 3s之間至少有4條向南傾斜的韌性剪切帶,在壹些剪切帶上方有強烈的反射。

圖10.8東海縣茅北地震重力反射剖面。

南傾韌性剪切帶反映為壹個強反射波組,其上有兩個強反射體,對應於正重力異常,推測為折返過程中帶起的幔源超基性巖。

2.與大別山不同,東海縣UHPM帶存在兩個系列的強正重力異常,幅度在24×10-5m/s2以上(見圖10.9)。發現這些重力異常與基巖裸露區淺孔中的高密度橄欖巖和榴輝巖有關。從圖10.8可以看出,重力異常對應的是強反射體,以地震反射體上下界面深度為約束,這些高密度強反射體的密度差為++0.5g/cm3。假設圍巖密度為2.75g/cm3,則這些強反射體的密度為3.25g/cm3。根據第壹講和第三講,這種高密度巖應該是幔源橄欖巖和榴輝巖。

圖10.9江蘇東海布格重力異常等值線圖和蛇紋石-榴輝巖分裂圖

3.在東海科學深鉆靶區進行的大地電磁測量證實,上地殼1 ~ 10 km深度內巖石電阻率較高,除表層外壹般在5000ω·m以上。根據第五講原理反演得到的縱波速度和電阻率的反演結果見圖10.10,圖上對比了東海目標區三個部位的物性參數直方圖。從圖中可以看出,後選的三個孔位的上地殼中有波速相對較高(6.8km/s)的巖石,就是前面提到的強反射高密度體,深度在3 ~ 5 km範圍內。

4.根據上述地球物理資料推斷的茅北地質構造剖面見附圖10.11。從圖中可以看出,如果按照設計的鉆孔進行全部取心鉆孔,在淺部(800m以內)會看到超高壓變質巖,如榴輝巖和含有柯石英和金剛石的蛇紋巖(A組),然後會看到反映韌性剪切帶的糜棱巖。在1 ~ 3 km深度應見到退化角閃石片麻巖(B組)。預計在其下方可見到高密度高波速的目的層,估計其中含有大量β相橄欖巖和含大量超高壓礦物的榴輝巖(C組)。在4.3km的深度,這組超高壓巖石會被穿透,下面主要是片麻巖(D組),可能含有壹些降解的超高壓礦物。如果有可能進行10km的超深鉆探,我們還可能打到第二個高波速的目的層,從而進壹步了解超高壓變質帶的內部結構和關系。

圖10.10大陸科學鉆探目標區候選孔位置物理直方圖

圖10.11推斷地質構造剖面圖(許誌琴、楊文才等。,1998)的茅北地球物理剖面(圖10.8)。

高波速、高密度的高壓目標層。

科學鉆探孔位的主要原則是以最低的成本達到預期的科學目標,其中包含的含義是,如果可以利用地面取樣觀測,就不做昂貴的鉆探。如果設計垂直鉆井,地層應盡可能平緩,以防止在單壹巖石中鉆井。如果在大別山碧溪嶺進行科學鉆探,很可能出現在單壹巖石中,不利於獲取豐富的地質信息。同時,在陡峭巖層中鉆井存在許多工程困難,如難以控制井斜。最後,超深科學鉆探的設計要求孔位地溫梯度不能太高,因為在300℃以上的高溫下鉆探還有很多工程技術難題難以解決。

根據上述原則的分析,可以看出東海茅北孔位的選擇符合科學鉆探的原則。目的層密度大、電阻率高、波速高、反射強,位於整個UHPM帶的最高構造位置,但未被揭露。可以用5公裏深的鉆頭鉆穿。同時也是UHPM帶中傾角最慢的部分,可以穿過多層UHPM巖石,了解它們之間的接觸關系。此外,近期的地溫測量表明,此處地溫梯度不高(約18C/km),有利於鉆井工程的實施。