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中国陆域居里等温面深度特征
熊盛青1,2，杨海1，丁燕云1，李占奎1
1中国国土资源航空物探遥感中心
2国土资源部航空地球物理与遥感地质重点实验室
联合资助。
1 引言
居里等温面，简称居里面，首次出现于Spector和Grant(1970)的文献中，英译为“Curie Point isotherm”，Bhattacharyya和Lue(1975)沿用了这一概念，将其称为“Curie Point isotherm surface”.许多学者也给出了不同的称谓，如居里深度(Curie Depth)、居里点深度(Curie Point Depth)、居里温度等温面(Curie Temperature isotherm)、居里温度等温面深度(Depth to Curie Temperature isotherm, CTD)、磁性层底面深度(Magnetic Layer Bottom Depth, MLBD)等等.居里面实质上就是地球岩石圈上部磁性壳层的底界面.磁性壳层由具磁性的岩石矿物质组成，其中钛铁矿，磁黄铁矿的消磁温度为300~350 ℃，磁铁矿消磁温度为585 ℃，含钴镍铁矿的消磁温度为760~800 ℃.当含有上述矿物的岩石埋藏深度由地表向下增加，其温度也随之不断提高，当达到上述磁性矿物的消磁温度界面埋藏深度时，它们的铁磁性特征相继消失，该界面就称之为居里面.
居里面作为岩石圈的温度界面，展示了大陆地壳磁性层以及热流的分布状态，在大地构造、地震、地热、矿产资源、油气资源以及火山活动等研究中都有非常重要的意义.自20世纪80年代美国航空航天局(NASA)和美国地质调查局(USGS)在实施“MAGSAT”计划后几十年中，“Oersted and CHAMP”和“SWARM”计划的相继开展，掀起了国际上研究居里面的高潮，美国、日本、巴西、印度、东南亚、土耳其等国都对居里面进行了研究，探讨了大地构造格架、大地热流以及地震等与居里面的关系.
我国的居里面研究始于20世纪80年代，侯重初、李保国、刘寿彭、杨华(地矿部北京计算中心、地矿部航空物探总队)编制了1:1200万《磁性构造层底面深度图》，这幅基于老航磁资料编制的陆域及领域居里等温面深度图是我国目前唯一的全国性研究成果.张昌达等(2013)将侯重初和杨华的成果图件进行了简化，用等深线表示，从中国的地质特征出发对居里面特征进行了较为详细的阐述.也有许多学者对新疆、青藏高原、松辽盆地、南海、渤海、黄海等局部地区的居里面特征进行了研究，涉及大地构造、地热勘探、油气勘探、地震等多个领域.但是，由于当时科学技术条件的限制，航空磁测的精度较低，并且青藏高原西部还是航空磁测的空白区，导致计算的中国陆域居里面深度图也不完整.也没有开展过全国性的大地热流数据与居里面深度的对比研究.本文依据最新编制的全国航磁图数据，计算中国陆域的居里面深度，编制中国陆域居里面深度图，并对居里面特征及其与大地热流之间的关系进行研究.
2 居里面深度计算方法及结果分析
目前，基于磁异常来计算居里面深度的方法主要有两大类，一类是基于单体磁异常的谱分析方法；另一类是基于统计磁异常分析，主要计算方法有三种：
(1)谱峰法(Spectralpeakmethod)；
(2)谱斜率法(Spectralslopemethod)；
(3)基于自相似模型的幂定律改正(Powerlawcorrection)。
经反复对比试验，本次计算采用的方法是频率域高阶导数功率谱法，这种方法就是基于Spector－Grant在统计模型的基础得出的等效理论，即多个横向随机分布物体磁场频谱的统计平均值与单个物体磁场等效。方法原理与计算方法详见侯重初(1989)论文。
截至2011年底，中国陆域基本实现了航空磁力测量全覆盖。编制最终图件覆盖面积为979.6万km2。居里点深度的计算就是基于该新编制完成的1：100万中国陆域航磁AT化极场网格数据。采用中国国土资源航空物探遥感中心自主研发的GeoProbeMAGER软件完成数据处理与成图。计算的步骤如下：
(1)以中国陆域全变倾角化极磁场数据为数据源进行计算，数据的网格为5kmX5km；
(2)根据全区磁异常特征，确定一适当大小的方形窗口及其滑动距离，滑动窗口纵横向可以重叠，窗口的大小以选4〜6倍的顶部埋深为宜，经过多模型和实测数据的反复试验，本次计算确定滑动窗口大小为100kmX100km；
(3)计算窗口内数据的对数功率谱；
(4)根据对数功率谱计算直立棱柱体的顶深、中心深度或底面深度，并把底面深度值放在窗口中心作为该点处的居里面深度；
(5)按照沿测线与测点方向分别重叠50km滑动距离移动窗口至下一个位置进行计算，重复和两步，直至得到全区反演居里面结果，共获得8004个深度点；
(6)编制中国陆域居里面深度图如图1所示。
图1 中国陆域居里面深度图
侯重初等于20世纪80年代编制的《磁性构造层底面深度图》是我国最早开展全国性居里面研究的成果，该成果几乎覆盖了除青藏高原西部以外的整个中国陆域。通过对比分析，主要地区的居里面深度特征如表1所示，两幅居里面深度图显示的特征对应较好，在相应的地区都具有一致的居里面特征，在某些地区也出现了一定的差异。两个版本的计算结果所显示的居里面深度特征是一致的，但新的计算结果普遍偏浅6〜10km。这可能主要是由两方面原因导致，一是原始数据有差异，本次计算是基于全国最新编制的1／100万中国陆域航磁图；二是数据处理方法的差异，如侯重初（1989）在计算居里面深度之前，仅对中国东部的数据进行了分带化极处理，西部地区未做细分。本次计算采用的全国航磁数据都统一进行了化极处理．
表1 居里面深度计算结果对比表
地区 | 侯重初版(km) | 本次计算(km) |
塔里木盆地 | 36〜50 | 30〜42 |
四川盆地 | 36〜50 | 30〜40 |
松辽盆地 | 28〜40 | 22〜33 |
拉萨地区 | 28〜36 | 20〜28 |
准噶尔盆地 | 36〜44 | 30〜38 |
东南沿海 | 28〜36 | 18〜28 |
巴颜喀拉 | 32〜36 | 36〜44 |
3 中国陆域居里等温面特征
图2 塔里木盆地居里面特征
图3 喀喇沁旗—随县剖面磁性层居里面分布
居里面深度值表明(图 4)，华北盆地区居里面埋深起伏变化大，并且居里面深度较塔里木盆地和扬子盆地区偏浅，揭示了华北地区自中生代以来遭受了强烈的改造，软流圈上隆及岩石圈的减薄，使华北陆块的地壳热结构显得尤为复杂.
鄂尔多斯盆地有2个居里面坳陷区，分布在盆地的中北部，埋深都在28~36 km，围绕坳陷区的隆起区居里面埋深在20~26 km.地震测深剖面显示，盆地莫霍面深度大约为39~46 km，地壳平均速度较高，约6.3 km·s-1，壳内无低速层发育，反映了鄂尔多斯地块内部变形弱的稳定构造特征(邓晋福等，2007).盆地内居里面深度均浅于莫霍面深度.沁水盆地呈南北向展布的居里面坳陷，埋深在28~36 km.渤海湾—华北南部盆地居里面的起伏变化较大，约18~30 km.除渤海湾盆地北部的辽东湾居里面较浅外，其他地区居里面普遍较深.平原地区居里面变化较剧烈，居里面有从陆地向渤海有明显变浅的趋势；太行山以东、郯庐断裂带以西的河淮平原居里面亦表现出隆起和坳陷相间的团块状结构，深度为23~34 km.
在华北陆块北缘、鲁西—山东半岛、郯庐断裂带变质基岩和岩浆岩大面积出露，表明这些区域岩浆活动强烈，因而使大地热流值升高，居里面均显示出条带状上隆，埋深为18~23 km.
包括四川盆地、江汉盆地、南黄海—苏北盆地、右江—十万大山盆地，居里面总体上显示为块状沉降区，埋深变化范围在25~40 km之间.
四川盆地是我国中西部非常重要的含油气盆地，地壳厚度约41~43 km，地壳平均速度约6.15 km·s-1，上地幔顶部介质速度约8.15~8.20 km·s-1，地壳、上地幔结构稳定，与鄂尔多斯盆地、塔里木盆地相似，为典型的克拉通地壳结构特征(嘉世旭等，2014).四川盆地居里面主要有2处坳陷：雅安—绵阳坳陷区和湘鄂西—黔西南坳陷区，埋深为28~40 km，中部被华蓥山断裂带所分隔，华蓥山断裂北至万源，经达县南至宜宾，在华蓥山地区有峨眉山玄武岩出露，表明该断裂带在二叠纪时为一切穿硅镁层的深大断裂，是岩浆活动的通道，居里面呈一相对的“凹中隆”，埋深为29~32 km，表明在深部仍有一定的岩浆热活动.盆地西部龙门山断裂带，是目前十分活跃的断裂带之一，地震活动频繁，也呈现为“凹中隆”特征.江汉盆地主要为居里面坳陷区，其坳陷程度不及四川盆地，埋深在26~33 km之间.两个盆地起伏变化幅度较小，仅南侧的贵阳—威信地区和四川盆地的宣汉—阆中地区为居里面隆起区，前者居里面埋深为22~26 km，并呈北西向的条带状，后者埋深为24~26 km，呈块状分布特点.
下扬子及雪峰山地区居里面埋深起伏变化大，多以团块状、条带状隆起和坳陷为特点.南黄海—苏北盆地、右江—十万大山盆地为居里面坳陷区，埋深为25~36 km.南京地区、雪峰山—南昌地区居里面埋深浅，为18~24 km.
(4) 可可西里—巴颜喀拉坳陷区
可可西里—巴颜喀拉褶皱带，位于青藏高原北东部，北至昆仑山，南抵金沙江，西起帕米尔高原，东达龙门山.在中国地质图上可以清晰的分辨该区域，因其发育大面积的三叠系沉积地层和较少的岩浆活动，三叠系的沉积岩厚度可达10000 m左右.嘉世旭等(2014)在松潘—甘孜地区地震测深显示，该地区地壳厚约53~57 km，地壳平均速度约6.23 km·s-1.居里面显示为东宽西窄的长条状坳陷带，埋深为30~44 km，成为青藏高原居里面埋深最大的地区，仅在甘孜—班玛一带发育一条宽约200 km、埋深为20~25 km、走向北东向的居里面隆起带.
(5) 准噶尔盆地
准噶尔盆地是在前寒武系结晶基底与前石炭系褶皱基底的基础上发展起来的大型沉积盆地(何登发等，2005).盆地中部居里面呈坳陷性质，埋深在28~38 km之间.盆地周围有3处隆起，分别为准噶尔北部隆起、西部的车排子隆起以及准东隆起，居里面埋深较浅，为20~28 km.准噶尔盆地整体呈居里面坳陷特征，但坳陷程度较塔里木盆地、四川盆地浅，地震测深资料显示，盆地莫霍面深度变化较大，介于44~56 km之间，有向南北两侧加深的趋势，出现盆地特有的中心莫霍面隆起现象(熊小松等，2010).大地热流资料显示，该盆地热流值较低，为一典型的“冷盆地”.
(6) 柴达木盆地
柴达木盆地地理位置特殊，受到了印度板块、西伯利亚板块以及太平洋板块的共同影响，围绕中部刚性基底周边发育了祁连山、东昆仑及阿尔金三大构造体系，盆地内新生代地层发育良好，最大厚度超过12 km(吕宝凤等，2011).居里面呈坳陷性质，埋深在26~40 km之间.地震测深显示，柴达木盆地正好处于一个莫霍面斜坡，深度由52 km加深到75 km.
(7) 松辽盆地
盆地是在比较稳定的环境下形成的，沉积盖层厚度大，虽然在中生代岩浆活动频繁，但规模不大，分布局限，对居里面分布状态影响不大，居里面仍呈坳陷性质，埋深主要在26~32之间.在长春—哈尔滨—绥化一线呈居里面隆起，这些地区都广泛出露华力西期花岗岩，残余岩浆的热活动以及放射性放热可能是导致居里面隆起的主要原因，埋深为21~26 km.大庆地区位于松辽盆地中部，该区主要呈现出“凹中隆”的居里面特征，埋深为24~26 km.满洲里—绥芬河地学断面显示松辽盆地位于莫霍面隆起，地壳平均速度为6.15～6.40 km·s-1，莫霍面埋深30～40 km.
(8) 二连盆地
盆地也是在比较稳定的环境下形成的，沉积盖层厚度大，在中生代岩浆活动频繁，在火山活动区居里等温面隆升非常明显，表明来自深部强烈的岩浆或其它地热活动对居里面分布状态有一定的影响.盆地区居里面起伏变化较大，岩浆活动剧烈的东北部和中偏西部居里面埋深很浅，为19~24 km，南部和最西部地区为居里面坳陷区，埋深为25~30 km.
(9) 巴彦浩特—武威—潮水盆地
这3个盆地位于河西走廊东部，是该区最重要的盆地群.由于它们是在相对稳定的环境下形成的，岩浆活动微弱，居里面埋深也相对较大，为25~33 km，其中南部和北部为居里面坳陷区，埋深为26~33 km，中部为宽约50 km、呈东西向展布的居里面隆起带，埋深小于25 km.
(10) 珠江口—琼东南盆地
盆地处于较稳定的构造环境中，沉积地层厚度大，岩浆活动频繁，多以花岗岩侵入为主，因此显示为居里面隆起.居里面走向与磁异常走向大体是一致的.由北向南有2个隆坳相间的特征区，而且居里面隆坳大体与盆地中发育的隆起和坳陷相对应.如分布于珠江口盆地北部的珠一坳陷、琼东南盆地为居里面坳陷区，埋深为26~36 km.
3.2 居里面隆起区
以埋深小于26km等深线圈出地区为磁性层减薄或居里面隆起的地带，这些地带大体上与造山系对应比较明显的主要分布于我国东北部山岭区、西北部山岭区、秦岭—大别山地区、西昆仑—西藏—三江—康滇地区、东南沿海地区等，居里面埋藏深度主要在20〜26km之间。总体上显示为条块状、条带状，反映出这些地区构造活动性大、岩浆活动剧烈或较剧烈，热流值高。
(1) 东北部山岭区
包括大兴安岭、张广才岭、燕山及胶辽山地，居里面显示为隆起区带，埋深18~24 km，局部地区埋深为25~26 km.地壳测深揭示，这些地区地壳内发育低速、低阻层带，其埋藏深度与居里面深度吻合，推断壳内孕育有高温热矿化水及岩浆房，壳内部分岩石发生了消磁及局部重熔活动.地质资料也证实这些地区分布了大量不同时期的花岗岩，放射性放热也可能是地温升高的原因之一.
(2) 西北部山岭区
包括阿尔泰山、天山、阿尔金山、北山、东昆仑及祁连山，居里面显示为隆起区带，埋深19~24 km，这些地区岩浆活动强烈，热流值高而发生消磁作用，具磁性的老变质岩大面积出露，导致居里面埋深浅(或磁性层薄).发育其中的盆地和沉积坳陷区居里面埋深增大为25～32 km，如酒泉盆地、伊宁盆地、焉耆坳陷、库米什坳陷、哈拉湖—苏干湖坳陷等.
(3) 秦岭—大别地区
秦岭—大别地区位于中央造山带的东段，是扬子与华北陆块间陆—陆碰撞造山带.深地震探测结果表明大别构造带具有典型的俯冲、碰撞造山带地壳结构特征，保存有大量碰撞挤压及伸展拆离构造，造成居里面埋深起伏变化较大.地壳厚度变化范围为29~40 km，平均为34 km，地壳厚度较薄，无山根(高山等，1999).在洛南至红安段居里面埋深最浅，为19~24 km，最大起伏有5 km左右，东部过红安、西部过洛南后居里面埋深增大，为25~29 km，在西安南部局部埋深可达30~33 km，东段进入合肥盆地后居里面埋深由南往北逐渐变深.
(4) 西昆仑—西藏—三江—康滇地区
从居里面深度图可以看出，大致沿西昆仑北缘、拜若布错、西金乌兰、玉树、康定、雷波、昭通、广南一线以南，包括西昆仑、西藏、三江流域及康滇的广大地区，为一大片居里面隆起区.在该区域内发育有我国规模最大、连贯最好的蛇绿岩带和数条板块缝合带，构造上最显著的特点是地壳内叠瓦构造十分发育，是印度板块向欧亚板块俯冲、碰撞和挤压，形成前陆褶皱带的结果.同时伴随构造变动，在晚古生代和中新生代岩浆活动剧烈，使该区域地温升高而发生消磁，磁性层变薄.居里面深度图显示，该区总体上为居里面隆起区，埋深主要在18~27 km，局部地区为28~30 km，个别可达32 km.不同地区居里面埋深是有差别的，西昆仑呈现为隆坳的团块状，隆起区埋深为20~25 km，坳陷区埋深26~30 km.
西藏地区居里面埋深最浅，呈现为大面积隆起区，埋深为18~30 km.南部雅鲁藏布江流域及拉萨地块呈东西向隆起.西藏中南部埋深较浅，有3个隆起中心，分别位于西部的改则地区、中部的申扎南地区和东部的那曲地区，居里面埋深为18~23 km，著名的羊八井、那曲地热田就位于东部隆起中心.从反演结果看，西藏地区居里面埋深除扎达—定日坳陷区、羌塘盆地埋深达26~33 km外，一般在20 km左右，很少超过25 km，表明西藏地区地壳温度较周缘块体高.
位于扬子陆块区西部的三江流域和康滇基底断隆带，居里面深度范围在20~33 km之间，个别地区浅至18~24 km.北部的若尔盖地块及四川陆块，居里点深度均在30 km以下.上扬子的川南滇北地区也属陆块，但其居里点深度较浅，局部地区浅至20 km，推断是海西期及以后受构造运动影响产生岩浆活动而使地温升高所致.褶皱带地区，一般居里深度较浅，玉树—义敦褶皱带及金沙江褶皱带，居里面深度为20~25 km.雅鲁藏布江结合带居里深度较上二者深，约为26~30 km.楚雄盆地、思茅盆地沉积厚度大，构造稳定居里点深度大，为26~33 km.康定、西昌南经会理到元谋，是攀西裂谷的轴部，居里深度呈南北向浅埋区，而两侧(西侧楚雄盆地、东侧四川盆地等)为居里面深埋区，说明至今裂谷带之下的热源物质仍较两侧丰富，符合地温场的分布规律.总的来说，本区的居里等温面的起伏形态自东向西为南北、北西、北西西走向，与本区地质构造线大体相符.
(5) 东南沿海地区
范围包括上海、杭州、铅山、汝城、北海一线以东至海岸线地区.该区构造变动和岩浆活动强烈，地面出露的主要是含放射性元素较丰富的中生代壳熔性花岗岩及火山岩，表明我国东南沿海陆壳曾在中生代时期受到强烈改造.目前壳层已经基本冷却稳定，结晶及磁化作用转移至壳下，居里面在下降和调整.壳块趋向固结稳定状态，地表展布的主要是对流及残余热型低中温温泉.
居里面深度图显示出，东南沿海地区居里面埋深起伏变化较大，形态多呈团块状和不规则块状，埋深最浅为19 km，最深为30 km，多数埋藏深度在20~26 km之间.可以看出，居里面深部浅于莫霍面深度(30~32 km)，仅局部地区埋深与莫霍面一致，如泉州、汕头地壳测深揭示，居里面与地壳底面(莫霍面)埋藏深度基本一致.
4 居里等温面与大地热流
图5 中国热流数据分布
2011年，中国科学院地质与地球物理研究所编制了新版的热流图（图6）。
图6 中国大陆地区热流图（2011年编制）
为了研究热流值与居里面的关系，本文将大地热流值划分为不同的区间进行研究（图7）。
图7 大地热流分布与居里面深度关系
图8 居里面深度与热流值分布散点图
图9 居里面深度与地温梯度分布散点图
5 结论
（1）稳定的地块居里面特征
稳定的地块都以居里面坳陷为特征，居里面埋深为28〜45km，如准噶尔盆地、塔里木盆地、柴达木盆地、扬子盆地区、华北盆地区、松辽盆地、二连盆地、可可西里—巴颜喀拉坳陷区等。
塔里木盆地与扬子盆地区的居里面坳陷特征十分明显，显示了刚性基底的特征，居里面埋深约28〜42km。
可可西里一巴颜喀拉坳陷区以巨厚的沉积和较少的构造、岩浆活动为特征，呈现出NWW向展布的居里面坳陷，埋深为30〜45km。
华北盆地区居里面特征变化较大，因该地区自中生代以来遭受了强烈的改造，软流圈上隆及岩石圈的减薄，使华北陆块的地壳热结构显得尤为复杂居里面深度明显浅于塔里木盆地与扬子盆地区，埋深为18〜37km。
松辽盆地也具有相对较高的大地热流值，居里面埋深较浅，为26〜32km。
（2）活动的褶皱带居里面特征
居里面在活动的褶皱带都呈现出隆起特征，比较明显的主要分布于我国东北部山岭区、西北部山岭区、秦岭—大别山地区、西昆仑—西藏—三江—康滇地区、东南沿海地区等，居里面埋藏深度主要在20〜26km之间。反映出这些地区构造活动性大、岩浆活动剧烈或较剧烈，热流值高。
东北部山岭区，围绕松辽盆地都有大面积多期次的花岗岩分布，说明该区构造、岩浆活动十分活跃，地震测深显示，在地壳内存在低阻、低速层，推测为高温卤水或岩浆囊因此，岩浆活动可能是东北部山岭区居里面隆起的主要原因，居里面埋深约18〜26km。
西昆仑一西藏—三江—康滇地区是我国最大的一条居里面隆起带，显示了印度板块与欧亚板块碰撞产生的一系列地温异常
（3）居里面深度与大地热流值得对比分析结果
居里面深度与816个大地热流值得对比分析结果显示热流值及地温梯度与居里面深度值呈弱的负相关。但是不具有简单的线性关系，随着居里面深度增加，地温梯度和热流值都发生了显著的降低，当居里面埋深达到30km以上，热流值均小于100mW•m-2，地温梯度均小于50K•km-1。
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