中国云南西部哈巴-玉龙山脉的隆升机制：高密度原位重力测量的启示

《Tectonophysics》：Uplift mechanism of the Haba-Yulong Mountains, Western Yunnan, China: Insights from dense in situ gravimetry

　　•通过397个站点的新密度重力/GNSS测量，重力异常场得到了更新。•识别出了哈巴-玉龙山下的低密度区域及局部莫霍面凹陷。•弯曲分析表明，中下地壳流动与地表侵蚀是导致哈巴-玉龙山抬升的原因。

引言
大约5500万年前开始的印度-欧亚板块碰撞，推动了青藏高原的抬升，并深刻影响了周边地区的构造与地貌演化（Tapponnier等人，2001；Royden等人，2008；Hou等人，2024）。位于青藏高原东南边缘的云南西北部也经历了显著的构造抬升（Hao等人，2016；Ling等人，2020）。这一过程由深部断层的重新活动、快速的地表抬升以及强烈的河流侵蚀所驱动，形成了独特的高海拔高山峡谷地貌（Liu-Zeng等人，2018；Ou等人，2021）。在如此动态的构造环境中，哈巴-玉龙山的抬升以及虎跳峡的深切，很可能是对持续进行的印度-欧亚板块碰撞的远场地貌响应（Yin等人，2017；Zheng等人，2022）（图1a）。哈巴-玉龙山的抬升不仅重塑了区域地形，还引发了包括强地震、滑坡和落石在内的多种地质灾害（Ji等人，2017；Chen等人，2023）。

地球物理研究显示，该地区存在极为复杂的岩石圈变形模式，属于重要的构造过渡带。GNSS观测记录显示，该区域的水平地壳运动方向从东南偏南逐渐变为西南偏南，呈顺时针旋转趋势（Wang和Shen，2020；Pietrolungo等人，2024）。此外，通过接收函数、地震层析成像以及大地电磁探测等多种地球物理方法，进一步发现了20–40公里深度处的显著地壳异常，这些异常表现为低地震波速（Yang等人，2023；Tian等人，2024）、强衰减特性（Zhao等人，2013a）以及高电导率（Bai等人，2010；Bao等人，2015；Li等人，2020a，Li等人，2020b）。例如，大地电磁成像在研究区域及其周边中下地壳内发现了两条高电导率通道（Bai等人，2010，图1b）。相比之下，云南中部地块下方的区域，对应于峨眉山大型火成岩省的内侧地带，却表现出高波速异常（Gao等人，2021；Han等人，2022）、高电阻率（Li等人，2020a，Li等人，2020b），以及较低的地表热流值（He等人，2003；Xu等人，2004）。这些不同的地球物理特征凸显了该区域在理解青藏高原向东地壳挤出过程中的重要性。

尽管该地区具有重要的地质动力学意义，但推动哈巴-玉龙山抬升的机制仍不十分清楚。目前的地质模型主要聚焦于上地壳断层作用，提出了背斜式正断层机制（Wu等人，2009；Kong等人，2009）或双剪切逆断层模型（Wang等人，2000；Yin等人，2017），这两种模型分别对应于刚性块体挤出模型（Tapponnier等人，1982）和地壳缩短模型（England和McKenzie，1982）。另外，也有学者提出中下地壳流动作为另一种机制，用以解释青藏高原东南部的抬升与变形现象（Royden等人，1997；Clark和Royden，2000；Royden等人，2008），即较软的延性地壳物质从加厚的青藏地壳向外流动，可能为云南西北部等地区的地表抬升做出贡献。最近的河流侵蚀研究认为，虽然河流侵蚀可能会增强局部地形的高差，但不太可能是区域造山运动的主要驱动力（Shi等人，2008；Zheng等人，2022）。因此，还需要进一步的研究来阐明哈巴-玉龙山的抬升机制，以及它们对青藏高原向东地壳挤出过程的含义。

重力异常能够直接反映地下质量（密度）分布的情况，且与岩石圈的均衡状态及力学状态密切相关（Watts，2001）。具体而言，由重力数据衍生的有效弹性厚度（Te）和加载比（F）等参数，不仅能定量区分刚性块体与弱区，更重要的是，还能为区分不同的典型模型提供关键的力学约束条件（Watts和Burov，2003；Shi等人，2023）。这些方法已被广泛用于研究造山带中的岩石圈强度及抬升机制，包括龙门山逆冲带、秦岭造山带以及喜马拉雅山脉东部构造区（Fielding和McKenzie，2012；Wang等人，2018；She和Fu，2020）。为了从均衡角度探讨哈巴-玉龙山的抬升机制，我们在云南西北部开展了新的高密度重力测量工作（图2）。通过将这些实地重力测量数据与全球重力场模型相结合，我们进行了地壳密度反演和弯曲均衡分析。本研究旨在明确该区域的均衡状态及岩石圈的弯曲变形情况，从而为这一重要构造过渡带的垂直变形机制提供新的地球物理解释。

数据采集部分
为了获取高精度的重力数据，我们在云南西北部建立了由397个站点组成的新高密度重力观测网络，并开展了两次联合重力与GNSS观测活动（图2）。第一次观测于2022年10月进行，涉及132个站点；第二次观测则在2023年8月和9月开展，共覆盖265个站点。各站点之间的平均间距约为7公里，而最小观测距离则小于……

云南西北部的自由空气重力异常与布格重力异常
为提高整个研究区域的空间覆盖度，我们将上述实地重力数据与EIGEN-6C4全球重力场模型（F?rste等人，2014）相结合，采用了基于最小二乘配置法的去除-恢复方法。这种方法被广泛用于整合来自不同观测源的重力数据（Hwang和Parsons，1995；Wang等人，2023）。为减少后续频谱分析中的边缘效应，合并后的数据集还进行了1°–2°的扩展处理。

方法论部分
源自地下密度变化的布格重力异常，为地壳密度反演提供了重要约束条件（Zhang等人，2014；Deng等人，2017）。在本研究中，我们沿着重力观测网络构建了五条横截面剖面（P1-P5；图3d），以此探究地壳密度结构。研究中使用了广泛应用的重力与磁力反演工具——重力与磁力建模软件（GMSYS）（Zhang等人，2014；Deng等人，2017）……

哈巴-玉龙山地区的岩石圈弯曲情况
岩石圈的长期强度通常通过其有效弹性厚度（Te）来量化，该参数表示岩石圈在长期应力作用下抵抗变形的能力（Burov和Diament，1995；Watts，2001）。估算Te最常用的方法是通过对地形和重力数据进行频谱分析（Forsyth，1985；McKenzie，2003）。初始加载比F则表示来自密度界面处的应力所占据的比例……

哈巴-玉龙山地区的地壳均衡状态
地壳均衡指的是地壳与下方地幔之间处于静水力平衡的状态（Watts，2001）。板块碰撞和造山运动等构造过程会打破这种平衡状态，而均衡状态的恢复往往与持续的构造活动同时发生（Molnar等人，2015）。目前，对于哈巴-玉龙山地区的当前均衡状态，我们还缺乏足够的了解。Shen等人（1994）早先的研究曾探讨过该地区的均衡异常，得出的结论是……

结论
在本研究中，我们对哈巴-玉龙山地区进行了高分辨率的重力/GNSS测量，旨在研究地壳均衡状态以及驱动该地区抬升的机制。通过结合地壳密度结构分析、均衡状态分析以及岩石圈弯曲建模，我们得出以下主要结论：
1. 研究区域内布格重力异常整体呈负值，数值从西北部的?460 mGal逐渐变为东南部的?150 mGal，呈现出西北-东南走向的梯度变化。

作者贡献说明
李莱月：写作——审稿与编辑、写作——初稿撰写、可视化、方法论、研究工作、正式分析。傅光宇：写作——审稿与编辑、写作——初稿撰写、验证、监督、资金申请、数据管理、概念构思。谢亚文：写作——审稿与编辑、软件应用、方法论、正式分析。王振宇：写作——审稿与编辑、可视化、方法论、正式分析。孔向奎：写作——审稿与编辑、正式分析。

利益冲突声明
作者声明不存在任何可能影响本文研究结果的已知财务利益或个人关系。

致谢
本研究得到了“地震韧性科学计划”（XH25051C，XH25052YA）、“国家深地探测与矿产资源勘查重大科技专项”（2024ZD1002700）以及“国家自然科学基金”（42274008，42504041）的资助。

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