姜文亮, 張景發(fā), 陳 丁, 路曉翠, 張 鵬, 李麗梅

1)中國地震局地殼應(yīng)力研究所, 北京 100085;

2)山東科技大學(xué), 山東青島 266003;

3)江蘇省地震局, 江蘇南京 210014

利用遙感、重力多源信息研究郯-廬斷裂帶蘇-魯段構(gòu)造特征

姜文亮1), 張景發(fā)1), 陳 丁2), 路曉翠2), 張 鵬3), 李麗梅3)

1)中國地震局地殼應(yīng)力研究所, 北京 100085;

2)山東科技大學(xué), 山東青島 266003;

3)江蘇省地震局, 江蘇南京 210014

本文利用遙感與重力多源信息對郯廬斷裂帶蘇魯段構(gòu)造特征進(jìn)行了研究。應(yīng)用構(gòu)造地貌學(xué)方法分析了斷裂帶晚第四紀(jì)構(gòu)造活動及地貌特征; 基于Parker界面反演法, 利用變密度模型計算了莫霍面深度; 隨后采用小波多尺度分析方法對局部重力場進(jìn)行分離, 進(jìn)而分析研究了蘇魯段地殼密度非均勻性及深部地殼結(jié)構(gòu)。沿蘇魯段斷裂帶發(fā)育的水系錯斷、斷層陡坎、地層錯斷、線性構(gòu)造等構(gòu)造地貌特征, 表明了斷裂帶在晚第四紀(jì)經(jīng)歷了明顯的右旋逆沖走滑運動。通過對布格重力場的反演分析可知, 郯廬斷裂帶蘇魯段底部莫霍面深度差異比較大, 斷裂帶錯斷了莫霍面, 在臨沭及泗洪地區(qū)存在強(qiáng)烈的莫霍面隆起與沿斷裂帶的上地幔與軟流層高密度物質(zhì)上涌現(xiàn)像, 西側(cè)莫霍面深度最大達(dá)到35 km。蘇魯段斷裂帶被數(shù)條NW向斷裂錯斷, 在地表與深部都具有很明顯的地質(zhì)地貌與地球物理場特征。該區(qū)地殼介質(zhì)密度具有顯著的非均勻性特征, 在中上地殼部位最明顯, 上地殼斷裂帶產(chǎn)生的布格重力異常與地表地形及地質(zhì)地貌特征具有很大的相關(guān)性。

郯廬斷裂帶蘇魯段; 構(gòu)造地貌學(xué); 變密度模型; 小波多尺度分析; 深部構(gòu)造特征

地震的發(fā)生與活動斷層的分布有密切的關(guān)系,對活動斷層開展深入的研究工作, 確定其在地表的分布形態(tài)及晚第四紀(jì)的活動特征, 掌握其在地殼深部的發(fā)育特征, 對地震研究工作具有非常重要的意義。遙感技術(shù)的快速發(fā)展, 為活動斷層的地表調(diào)查提供了新的技術(shù)手段, 通過對斷層所控制的晚第四紀(jì)地形地貌的研究, 可以對斷層活動性產(chǎn)生新的認(rèn)識。而作為地質(zhì)與地球物理學(xué)研究的傳統(tǒng)方法, 重力學(xué)為研究地殼深部構(gòu)造特征提供了技術(shù)手段。重力資料能相對直觀地從平面上反映地質(zhì)體分布、斷裂構(gòu)造的展布、深部構(gòu)造以及基底坳隆特征等信息,同時重力異常還包含著深度較大、分布較廣的場源信息。有效的位場分離方法可以幫助解釋者從不同角度認(rèn)識重力異常特征, 解釋斷裂。

然而, 由于地學(xué)信息普遍存在模糊性、多解性和不確定性, 傳統(tǒng)的單一技術(shù)方法無法全面真實地揭示活動斷層在地殼空間的發(fā)育特征, 于是, 人們越來越重視多源地學(xué)信息的綜合分析, 其優(yōu)點在于充分利用各種資料, 對所關(guān)注的問題進(jìn)行多角度、多層次的研究, 揭示不同信息之間的相關(guān)性, 克服依靠單一數(shù)據(jù)資料解釋引起的片面性, 獲取一些常規(guī)方法無法獲取的有用信息。因此, 為了準(zhǔn)確地把握活動斷層的幾何形態(tài)與分布特征, 在對斷層進(jìn)行研究時, 將遙感和重力技術(shù)充分結(jié)合在一起, 將不同技術(shù)方法獲得的信息進(jìn)行對比, 聯(lián)合解譯, 這可以實現(xiàn)對活動斷層的多角度、多層次的分析。

NNE向的郯廬斷裂帶是中國大陸東部一條巨大的構(gòu)造帶, 自1957年航磁大調(diào)查中被發(fā)現(xiàn)以來, 已經(jīng)有了四十余年的研究歷史。在平面展布特征上,郯廬斷裂帶表現(xiàn)為明顯的分段性, 許多學(xué)者針對郯廬斷裂帶的分段特征, 先后利用多種技術(shù)手段, 開展過深入的研究工作(鄭朗蓀等, 1988; 李家靈等, 1994a; 施煒等, 2003; 張鵬等, 2007)。本文所要研究的范圍位于郯廬斷裂帶的蘇魯段, 其中山東段是郯廬斷裂帶上活動性比較強(qiáng)的部位。盡管許多學(xué)者使用了地球物理方法對蘇魯段開展過深入的研究(馬杏垣, 1987; 杜曉娟等, 2005; 唐新功等, 2006), 然而由于數(shù)據(jù)比例尺比較小, 所利用的位場分離方法也比較傳統(tǒng), 不能夠完全反映郯廬斷裂帶深部的詳細(xì)結(jié)構(gòu), 在對郯廬斷裂帶的研究方面, 重力技術(shù)的應(yīng)用還具有很大的潛力可以發(fā)揮。因此, 為深入了解郯廬斷裂的淺層構(gòu)造及深部構(gòu)造的關(guān)系, 本文將利用 15 m 分辨率的遙感影像與數(shù)據(jù)采樣間隔為2 km的地面重力數(shù)據(jù), 應(yīng)用構(gòu)造地貌學(xué)法與重力位場分離方法, 對郯廬斷裂帶蘇魯段的地表與深部構(gòu)造特征進(jìn)行研究。

1 斷層研究多源信息提取技術(shù)介紹

利用遙感與重力多源信息進(jìn)行活動斷層的研究,工作開展的深入程度除與所使用的數(shù)據(jù)分辨率及比例尺有關(guān)外, 還取決于所采用的數(shù)據(jù)處理分析方法。在對郯廬斷裂帶的地表形態(tài)研究方面, 我們將構(gòu)造地貌學(xué)方法與高分辨率遙感技術(shù)相結(jié)合, 提取第四紀(jì)活動特征有關(guān)的信息, 對斷層活動性進(jìn)行研究。在重力位場分離方面, 不再基于傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理分析方法, 將充分應(yīng)用小波多尺度分解與功率譜分析方法, 對斷層的深部構(gòu)造特征進(jìn)行分析, 并利用變密度模型對莫霍面深度進(jìn)行反演分析。

1.1 遙感斷層構(gòu)造信息提取

遙感技術(shù)為活動斷層調(diào)查提供了快速有效的手段, 將遙感技術(shù)與構(gòu)造地貌學(xué)方法相結(jié)合, 可以對斷層第四紀(jì)以來的構(gòu)造特征進(jìn)行研究, 從而對斷層活動性進(jìn)行定性與定量分析?；顒訑嗔淹ǔ？刂屏说谒募o(jì)地形地貌的發(fā)展, 在地表留下比較直觀的斷層活動證據(jù)。地形不僅可以指示斷層的位置, 也可以記錄斷層位移的方向和位移量(江娃利, 2008)。在地貌特征方面, 活動斷層也具有比較明顯的控制作用, 沿斷裂帶通常發(fā)育斷層陡坎、洪積扇、階地、拉分盆地以及錯斷水系等構(gòu)造地貌現(xiàn)象, 這些地貌單元對研究斷層活動性具有很好的指示意義。通過利用高分辨率遙感影像, 可以對這些地貌單元進(jìn)行比較詳細(xì)的判讀, 從而對斷層第四紀(jì)活動特征進(jìn)行研究。

1.2 位場分離方法

重力場包含了巖石圈不同層次的場源信息, 深部場和淺部場信息疊加在一起, 區(qū)域場和局部場信息疊加在一起, 因此在利用重力數(shù)據(jù)研究構(gòu)造特征時, 需要采用合適有效的數(shù)據(jù)處理方法, 進(jìn)行重力場異常信息的分離, 提取出與研究對象相關(guān)的信息部分, 進(jìn)而對場源所引起的局部場異常進(jìn)行分析研究, 這是利用重力資料進(jìn)行地質(zhì)體反演和解釋的關(guān)鍵步驟(曾華霖, 2005; 刁博等, 2007)。

近年來發(fā)展起來的小波分析方法, 已經(jīng)廣泛地應(yīng)用于地球物理信號處理領(lǐng)域, 許多學(xué)者已做過很多有意義的探索和研究。侯遵澤、楊文采最初利用小波多尺度分析對中國大陸布格重力異常進(jìn)行了解析, 并取得了較好效果(侯遵澤等, 1997); 楊文采等將小波分析應(yīng)用于重力異常的分離和處理, 為重力異常的分離提出了新的途徑(楊文采等, 2001)。小波多尺度分解方法能將信號分解成交織在一起的多種尺度成分, 并采用相應(yīng)大小的空間域取樣步長, 獲得研究對象的不同細(xì)節(jié), 從而達(dá)到場分離的目的。許多學(xué)者也應(yīng)用小波方法開展了深入研究工作, 證明了該方法可以有效分解和重構(gòu)三維地質(zhì)體產(chǎn)生的重力異?，F(xiàn)象(陳冰, 2004; 汪海洪, 2005; 姜文亮等, 2010)。

經(jīng)過小波多尺度分解, 可以得到不同階次的小波變換逼近圖像與小波變換細(xì)節(jié)圖像。小波變換逼近圖像是對區(qū)域場布格重力異常信息的反映, 主要體現(xiàn)了深部場源所引起的較大規(guī)模的低頻異常信息;而小波變換細(xì)節(jié)圖像是對局部場布格重力異常信息的反映, 主要體現(xiàn)了淺部場源體引起的較小規(guī)模的高頻異常信息。目前人們知道小波多尺度分解的階數(shù)愈大, 反映的場源深度愈深, 至于各階異常所對應(yīng)的具體場源深度尚不得而知。功率譜是 20世紀(jì)70年代發(fā)展起來的一種重磁場解析處理方法(Cianciare et al., 1976), 在滿足一定假設(shè)條件的前提下, 場源深度與功率譜之間存在一定的相關(guān)關(guān)系,從而可以由功率譜曲線的斜率計算出相應(yīng)場源的平均埋深。根據(jù)此理論, 可以計算小波變換圖像所反映的近似場源深度。

2 構(gòu)造地貌特征分析

本文所研究部分位于郯廬斷裂帶的中段上, 自山東沂水縣向南, 過臨沂、宿遷、泗洪, 到嘉山。許多學(xué)者對郯廬斷裂帶中段做了大量深入的研究工作,包括斷層幾何結(jié)構(gòu)、活動方式與地球物理場特征等。

蘇魯段郯廬斷裂帶整體呈NNE方向展布, 具有比較明顯的線性構(gòu)造特征。沿斷裂帶發(fā)育的錯斷水系、沖溝、斷層陡坎、構(gòu)造線等構(gòu)造地貌都比較清晰地反映了斷裂帶的最新活動特征, 其中沿山東段的地貌遙感影像特征最清晰, 反映了沂沭斷裂帶在晚更新世以來的最新活動特征。

對于郯廬斷裂帶中段在更新世以來的活動方式,前人也開展了許多研究工作。新生代以來的沂沐斷裂帶, 已經(jīng)轉(zhuǎn)化為一條右旋逆走滑性質(zhì)的構(gòu)造帶(方仲景等, 1976; 國家地震局地質(zhì)研究所, 1987; 李家靈等, 1994b), 晚更新世晚期以來, 斷裂帶新活動主要表現(xiàn)在安丘－莒縣斷裂上, 它由多個獨立的破裂段組成, 1668年郯城8.5級地震就發(fā)生在該斷裂的中段(方仲景等, 1976; 國家地震局地質(zhì)研究所, 1987;高維明等, 1988; 李家靈等, 1994a, b; 晁洪太等, 1994a, b)。其他學(xué)者也對沂沐斷裂帶的安丘－莒縣斷裂進(jìn)行了研究, 證實了斷裂具有晚更新世晚期至全新世早期的活動特征(江娃利等, 1994; 郭芳等, 1999; 王志才等, 2005)。

2.1 山東段構(gòu)造地貌特征分析

在山東境內(nèi), 郯廬斷裂帶主要由昌邑－大店斷裂、白芬子－浮來山斷裂、沂水－湯頭斷裂、-葛溝斷裂 4條近于平行的斷裂組成, 構(gòu)成了郯廬斷裂帶中段“兩塹夾一壘”的結(jié)構(gòu)。新生代以來裂谷構(gòu)造遭受擠壓逐漸消亡, 裂谷中的中生代地層強(qiáng)烈褶皺隆起, 從而轉(zhuǎn)化為一擠壓性質(zhì)的右旋走滑構(gòu)造帶, 并產(chǎn)生了一條新的斷裂, 安丘－莒縣斷裂(李家靈等, 1989; 晁洪太等, 1992)。

在山東段, 郯廬斷裂帶在莒南以北至安丘, 表現(xiàn)出兩塹加一壘的地貌特征, 在遙感圖像上形成了十分顯著的線性構(gòu)造特征, 并控制了沂河和沭河的發(fā)育。根據(jù)各條斷裂所表現(xiàn)出的影像特征, 可以發(fā)現(xiàn)各斷裂并不是一條連續(xù)的斷裂帶, 而是有許多不同長度的次級斷裂呈雁行狀斜列組成。沿斷裂帶,水平錯斷水系、洪積扇等一系列反映斷裂走滑特征的地貌現(xiàn)象非常發(fā)育。其中沂水－湯頭與白芬子－浮萊山斷裂對水系的影響作用最明顯, 河流出現(xiàn)多處右旋走滑錯斷(圖)與沖溝現(xiàn)象。沿沂水－湯頭斷裂的水系位錯斷距最大達(dá)到 1.5 km, 沿白芬子－浮來山斷裂的水系位錯斷距最大達(dá)到 1.8 km, 反映了晚第四紀(jì)以來郯廬斷裂帶的右旋走滑活動特征。

安丘－莒南斷裂是一條新生的構(gòu)造帶, 是郯廬斷裂帶中段晚更新世以來活動的最新證據(jù)(李家靈等, 1989; 晁洪太等, 1992), 斷裂形成的構(gòu)造地貌非常發(fā)育。在遙感影像中, 沿斷裂可以發(fā)現(xiàn)水系斷錯、沖溝、斷層陡坎、地層斷錯、小型洪積扇、線性構(gòu)造等一系列構(gòu)造地貌現(xiàn)象。郯城麥坡附近, 斷裂帶斷錯地層及斷層陡坎現(xiàn)象在遙感影像中十分清晰,長約 15 km。通過對該區(qū)域野外調(diào)查可知, 斷裂的NE盤白堊系王氏組紫紅色砂巖逆沖到SW盤上新世紅色粘土地層之上, 造成地層的斷錯, 并形成斷層陡坎, 以及跌水與沖溝現(xiàn)象, 安丘－莒南斷裂表現(xiàn)為明顯的右旋逆沖走滑運動, 對于麥坡地震陡坎是否為1668年郯城8.0級地震所致, 目前仍存在爭議。

圖1 郯廬斷裂帶水系位錯圖Fig.1 Offset streams along the Tan-Lu fault zone

圖2 麥坡斷層陡坎Fig.2 Fault scarp along the Tan-Lu fault zone

山東境內(nèi)在郯廬斷裂帶基礎(chǔ)上, 發(fā)育了多條NW向斷裂, 從南至北由銅冶店-孫祖斷裂、新泰-蒙陰斷裂、蒙山山前斷裂與蒼尼斷裂, 在它們的共同作用下郯廬斷裂帶呈斜列式展布, 這些斷裂的生成發(fā)育與沂沭斷裂帶有著密切關(guān)系。四條NW向斷裂對地形地貌具有很明顯的控制作用, 控制了水系的發(fā)育, 形成了沖溝、斷錯地貌、斷層三角面等構(gòu)造地貌, 在遙感影像中具有清晰的反映, 反映了 NW向斷層晚第四紀(jì)以來的強(qiáng)烈活動性。這四條NW向斷裂的最新活動時期主要在晚更新世末－全新世初,與沂沭帶最新強(qiáng)烈活動時段相一致, 這表明魯中地區(qū)甚至更大范圍內(nèi)晚更新世－全新世初是地殼斷裂活動的重要階段(晁洪太等, 1992)。

2.2 江蘇段構(gòu)造地貌特征分析

郯廬斷裂帶的江蘇段也是由一系列近乎平行的斷裂組成, 自西而東有紀(jì)集－王集斷裂、墨河－凌城斷裂、新沂－新店斷裂、馬陵山－重崗山斷裂、山左口－泗洪斷裂, 這些斷裂組成了琴鍵式構(gòu)造。

江蘇段郯廬斷裂帶是山東沂沭斷裂帶的南延,從新沂向南, 但兩塹加一壘的構(gòu)造地貌格局不復(fù)存在, 遙感影像特征斷斷續(xù)續(xù), 僅斷裂帶東側(cè)的北段影像較明顯, 南段較模糊, 地表出露的構(gòu)造地貌現(xiàn)象比較弱, 總體表現(xiàn)不如山東段清晰, 現(xiàn)代水系及地貌可以反映出斷裂帶的總輪廓。馬陵山－重崗山斷裂為新生代以來產(chǎn)生的比較新的斷裂(李起彤等, 1994; 晁洪太等, 1994a), 是江蘇段最新活動的斷裂,在馬陵山與南部重崗山可看到明顯的構(gòu)造地貌特征。馬陵山－重崗山斷裂控制了馬陵山東部邊界,沿斷裂分布有串珠狀水洼, 野外調(diào)查中在馬陵山東側(cè)發(fā)現(xiàn)了斷層破碎帶。

3 重力場分離分析

有關(guān)郯廬斷裂帶中段地球物理場特征, 前人也利用多種方法對此帶開展了許多研究工作。馮銳等(1981)的地震面波研究表明, 郯廬斷裂帶中段所在的華北地區(qū), 莫霍面起伏大, 在30～36 km之間; 巖石圈厚度相對較薄, 在80 km即可見到上地幔低速層的存在。區(qū)域重力場資料表明, 穿過郯廬斷裂帶時, 重力值變化不明顯(馬杏垣, 1987)。唐新功等(2006)利用布格重力資料對沂沭段斷裂帶進(jìn)行了研究, 表明郯廬斷裂帶莫霍面及地殼內(nèi)界面均發(fā)生錯斷, 斷裂帶兩側(cè)地殼各界面起伏平緩, 莫霍面深度在斷裂帶附近整體是向西增加的。

本文首先在深地震測深資料的約束下, 利用重力數(shù)據(jù)對蘇魯段斷裂帶兩側(cè)莫霍面埋深進(jìn)行計算。隨后采用小波多尺度分解方法, 對區(qū)域及局部重力場特征進(jìn)行反演, 研究深部地殼結(jié)構(gòu)特征。研究中對布格重力數(shù)據(jù)進(jìn)行多階次的小波多尺度分解, 直到分解得到的逼近圖像中不再包含局部高頻重力異常信息。由于分解后得到的五階逼近圖像不再包含小尺度的局部信息, 因此能夠反映莫霍面起伏產(chǎn)生的區(qū)域重力異常, 而與此對應(yīng)的同階次細(xì)節(jié)圖像則基本反映出下地殼底部至上地幔場源產(chǎn)生的重力異常。之后, 利用對數(shù)功率譜方法計算細(xì)節(jié)圖近似場源深度信息(表1)。根據(jù)郯廬斷裂帶中段莫霍面起伏在34～35 km之間(唐新功等, 2006), 可知1～2階小波細(xì)節(jié)圖像反映了上地殼布格重力場異常特征, 3階小波細(xì)節(jié)圖像反映了中地殼布格重力異常特征, 4階小波細(xì)節(jié)圖像反映了下地殼布格重力異常特征, 5階小波細(xì)節(jié)圖像反映了下地殼底部至上地幔頂部布格重力異常特征。

3.1 莫霍面反演分析

本文利用Parker密度界面反演法(Parker, 1973)對莫霍面深度進(jìn)行計算, 該方法要求反演界面平均深度值與界面上下密度差值, 因此以深地震測深資料作為約束條件(表2)。以往該區(qū)利用重力資料對莫霍面的反演均基于殼幔密度差為一常數(shù), 然而實際中密度是隨深度變化的, 殼幔密度差也是變化的,因此本文采用密度隨深度呈指數(shù)變化的變密度模型來反演莫霍面深度。假定地殼表層與地幔的密度差為Δ0ρ, 殼幔密度差指數(shù)模型為:

式中μ為變密度因子, Z為深度。

文中利用密度與 P 波速度的經(jīng)驗公式ρ= 0.77 + 0.32VP(Berteussen, 1977)計算出不同層次的地殼密度(表2)。以地震測深資料作為約束條件, 計算得到該區(qū)最佳變密度因子為0.035。

表1 各階小波變換所反映的場源深度Table 1 Depth reflected by each wavelet transform

表2 地殼厚度、P波速度、密度列表Table 2 Thickness, P-wave velocity, density list

通過對布格重力數(shù)據(jù)進(jìn)行上延20 km處理, 得到的布格重力異常圖中基本去除了局部重力異常的影響, 根據(jù)對數(shù)功率譜計算, 其反應(yīng)的近似場源深度約為 34 km, 基本反映了莫霍面及上地幔引起的布格重力異常, 因此可以用來反演莫霍面深度圖。利用Parker密度界面反演計算得到了該區(qū)域莫霍面深度圖(圖3)。

對莫霍面深度圖進(jìn)行分析可知, 在橫向上莫霍面深度有明顯差異, 地殼由西向東逐漸減薄, 莫霍面從東到西逐漸加深, 并形成了一條NNE向展布的過渡帶呈舒緩波狀延伸。沿斷裂帶, 臨沭和泗洪兩個地區(qū)存在莫霍面嚴(yán)重上隆現(xiàn)象, 莫霍面深度約為31 km; 在郯廬斷裂帶西側(cè)存在兩個沉降中心, 莫霍面深度最大達(dá)到 35 km, 其中北部的沉降中心位于沂南－費縣西側(cè), 在地貌上該區(qū)為魯中南隆起區(qū),該沉降中心為重力均衡調(diào)整作用所致。另一個比較大的沉降中心位于五河附近, 在地質(zhì)單元上為阜陽－固鎮(zhèn)凹陷的東段。

圖3 蘇魯段斷裂帶莫霍面深度圖Fig.3 Depth of Moho along Su-Lu segment of Tan-Lu fault zone

3.2 區(qū)域場分析

在布格重力原平面圖中, 郯廬斷裂帶中段表現(xiàn)為一條NNE向延伸的重力梯級帶, 東側(cè)為布格重力高異常, 最高布格重力值達(dá)到25 mGal, 西側(cè)為布格重力低異常, 最低重力異常值為－15 mGal, 反映了郯廬斷裂帶兩側(cè)的區(qū)域重力場分布特征, 也說明了郯廬斷裂帶東側(cè)莫霍面埋深小于西側(cè)。在布格重力異常小波多尺度分析逼近圖中, 由郯廬斷裂帶產(chǎn)生的NNE向的重力梯度帶也十分明顯, 隨著場源深度的增加, 沿布格重力異常具有一定的變化特征。在1～3階小波逼近圖中, 斷裂帶產(chǎn)生的重力梯度帶呈舒緩波狀延伸, 并形成了兩個條帶狀布格重力高異常圈閉現(xiàn)象, 分別分布在臨沭和泗洪地區(qū), 圈閉長軸沿NNE方向展布, 與郯廬斷裂帶走向一致。在4階逼近圖中, 以臨沭為中心的重力高異常圈閉現(xiàn)象增大, 重力梯度帶也逐漸變得平直。在 5階小波逼近圖中, 局部重力異?，F(xiàn)象消失, 表現(xiàn)為重力梯級帶東部大范圍的以東海為中心的布格重力高異常以及西部的重力低異常。根據(jù)重力場的分析可知, 地殼厚度在郯廬斷裂帶兩側(cè)具有比較大的變化, 郯廬斷裂帶構(gòu)成了該地區(qū)重要的地球物理分界線。

3.3 局部場分析

對于小波細(xì)節(jié)圖的分析, 我們依由下而上的原則進(jìn)行。根據(jù)功率譜計算所得的近似場源深度, 可知 5階細(xì)節(jié)圖主要反映了莫霍面至上地幔頂部產(chǎn)生的布格重力異常特征。圖中, 沿郯廬斷裂帶形成的密集的重力梯級帶呈NNE向延伸, 局部地段呈近南北向。沿斷裂帶分別產(chǎn)生了臨沭和泗洪兩個重力高異常區(qū), 由于郯廬斷裂帶錯斷了巖石圈, 沿斷裂帶發(fā)生上地幔及軟流層物質(zhì)上涌, 莫霍面起伏也比較強(qiáng)烈, 使得兩個地區(qū)密度值大于周圍其他地區(qū), 故表現(xiàn)為比較明顯的重力高異?，F(xiàn)象。航磁資料也證明了郯廬斷裂帶在渤海灣地區(qū)也存在巖漿上涌現(xiàn)象,切割非常較深(李文勇等, 2010)。在五河南部, 受NW 向斷裂錯斷影響, 郯廬斷裂帶重力梯級帶發(fā)生中斷。在 4階細(xì)節(jié)圖中由郯廬斷裂帶產(chǎn)生的比較連續(xù)的重力梯級帶消失, 表現(xiàn)出沿斷裂帶分布的串珠中重力高與重力低異常, 反映了郯廬斷裂帶中段下地殼的密度結(jié)構(gòu)差異狀況。其中以泗洪和臨沂為中心的兩個重力高異常區(qū)仍然存在, 而在郯城至宿遷段, 表現(xiàn)為相對重力低異?，F(xiàn)象, 在宿遷地區(qū), 郯廬斷裂帶被 NW 向無錫－宿遷斷裂錯斷, 形成了NW 向串珠狀展布的布格重力異常圈閉, 而在郯城附近產(chǎn)生了布格重力低異常圈閉。

圖4 布格重力異常2階(a)與4階(b)小波逼近變換圖Fig.4 2nd(a)and 4th(b) order approximate images of wavelet multi-scale analyses

3階細(xì)節(jié)圖中, 沿郯廬斷裂帶分布的重力異?，F(xiàn)象逐漸復(fù)雜, 反映了中地殼密度結(jié)構(gòu)更加復(fù)雜。郯廬斷裂帶受NW向與NE向斷裂的影響更加明顯,其中在嘉山地區(qū), NE向的淮陰－響水口斷裂錯斷了郯廬斷裂帶, 與之相關(guān)的重力異?，F(xiàn)象也存在顯著的變化。以泗洪為中心的重力高異常圈閉開始表現(xiàn)為NNE向延伸的細(xì)長條帶狀重力高, 而兩側(cè)呈截然不同的重力低異常, 反映了中地殼仍然存在高密度地幔物質(zhì)的上涌。沂水至郯城段, 形成了NNE向條帶狀重力高異常圈閉, 圈閉兩側(cè)形成重力梯級帶,重力高異常區(qū)與兩側(cè)的梯級帶對應(yīng)了沂沭斷裂帶“兩塹加一壘”的構(gòu)造地貌現(xiàn)象。2階細(xì)節(jié)圖與 3階細(xì)節(jié)圖具有很大的相似性, 但又具有更多的信息。由郯廬斷裂帶產(chǎn)生的重力異?，F(xiàn)象呈高低相間排列, 展布在南北向上。除兩段依然呈現(xiàn)為條帶狀重力高異常之外, 郯廬至泗洪段的重力異常現(xiàn)象變化最大, 斷裂帶兩側(cè)表現(xiàn)為重力高異常, 沿斷裂帶則形成重力低異?，F(xiàn)象, 反映了郯廬斷裂帶在晚白堊世伸展作用下在蘇皖地區(qū)控制形成了一系列斷陷盆地, 在該區(qū)主要為郯城－嘉山地塹式盆地(朱光等, 2001), 該斷陷盆地主要發(fā)育于中地殼以上部位, 表現(xiàn)為低密度結(jié)構(gòu)區(qū), 因此產(chǎn)生了條帶狀重力低異常現(xiàn)象。受NW向無錫－宿遷斷裂的影響, 郯城－嘉山斷陷盆地重力低異常發(fā)生大幅度的左旋位錯, 斷裂同時錯斷了郯廬斷裂帶。魯中地區(qū), NW向斷裂產(chǎn)生的重力異?，F(xiàn)象與地表地形與地貌開始具有很大的相關(guān)性, 并與沂沭斷裂帶的重力異常特征耦合在一起。

圖5 布格重力異常1-5階小波細(xì)節(jié)變換圖Fig.5 1stto 5th-order detailed images of wavelet multi-scale analyses

1階細(xì)節(jié)圖中, 沿郯廬斷裂帶蘇魯段產(chǎn)生的布格重力異常更加復(fù)雜, 反映了斷裂帶在上地殼密度結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性。沿斷裂帶形成了多個小規(guī)模條帶狀重力高與重力低異常圈閉現(xiàn)象, 重力高與重力低異常之間形成了平直密集的重力梯級帶。山東境內(nèi),白芬子－浮來山斷裂與沂水湯頭斷裂之間的地壘表現(xiàn)為重力高異常, 而沂沭斷裂帶的兩個地塹則表現(xiàn)為重力低異常現(xiàn)象, 在魯中南NW向斷裂的影響下,沂沭斷裂帶重力異常產(chǎn)生了不同程度的彎曲, 呈不連續(xù)狀延伸。江蘇境內(nèi), 郯城－嘉山斷陷盆地產(chǎn)生的重力低異?，F(xiàn)象依然存在, 斷裂帶的兩側(cè)則表現(xiàn)為條帶狀重力高異?，F(xiàn)象, 呈不連續(xù)狀沿NNE向延伸。在嘉山東地區(qū), 淮陰－響水口斷裂使得郯廬斷裂帶重力高發(fā)生中斷。

4 結(jié)論與認(rèn)識

本文利用遙感與重力資料結(jié)合野外考察資料,對蘇魯段郯廬斷裂帶晚第四紀(jì)地貌特征以及深部結(jié)構(gòu)特征進(jìn)行了初步研究。應(yīng)用構(gòu)造地貌學(xué)方法, 對晚第四紀(jì)以來蘇魯段斷裂帶控制的地形地貌特征進(jìn)行了分析, 研究了其活動特征; 通過利用變密度模型, 對莫霍面深度進(jìn)行了反演分析; 采用小波多尺度分解與功率普計算方法, 對蘇魯段重力位場進(jìn)行了反演分析, 對深部結(jié)構(gòu)特征及密度的非均勻性進(jìn)行了初步分析。并得到如下認(rèn)識:

(1)遙感圖像中, 沿郯廬斷裂帶蘇魯段形成了許多構(gòu)造地貌, 包括水系錯斷、沖溝、地震陡坎、線性構(gòu)造等構(gòu)造地貌現(xiàn)象。沿沂水－湯頭斷裂與白芬子－浮來山斷裂形成的水系位錯反映了晚第四紀(jì)以來郯廬斷裂帶表現(xiàn)為右行走滑運動, 最大水系位錯分別為1.5 km和1.8 km。麥坡地震陡坎反映了郯廬斷裂帶晚更新世以來最新活動具有強(qiáng)烈的逆沖作用。

(2)通過利用變密度模型對莫霍面深度進(jìn)行計算可知, 斷裂帶兩側(cè)莫霍面深度差異比較大, 位于斷裂帶上的臨沭與泗洪莫霍面發(fā)生上隆, 莫霍面深度僅為31 km, 西側(cè)莫霍面最大深度為35 km, 形成莫霍面東高西低的格局。通過對布格重力位場的反演分析, 該區(qū)密度結(jié)構(gòu)在橫向上表現(xiàn)為非均勻性特征,郯廬斷裂帶切斷了地殼與上地幔, 在布格重力異常小波逼近圖中表現(xiàn)為一條密集的重力梯級帶, 沿斷裂帶存在上地幔及軟流層高密度物質(zhì)的上涌, 其中在臨沭與泗洪地區(qū)上涌比較嚴(yán)重, 形成了臨沭與泗洪兩個布格重力高異常中心, 郯城至泗洪北在伸展構(gòu)造作用下于中上地殼發(fā)育了規(guī)模比較大的斷陷盆地, 在小波細(xì)節(jié)圖中表現(xiàn)為條帶狀重力低異?，F(xiàn)象。此外, 郯廬斷裂帶蘇魯段從北向南被數(shù)條 NW方向的斷裂錯斷, 形成比較明顯的分段現(xiàn)象。郯廬斷裂帶構(gòu)成了該區(qū)非常重要的地球物理分界線。

致謝：感謝江蘇省地震局劉建達(dá)研究員、李起彤研究員與范小平博士等提供的幫助及深地震測深資料;研究中使用了中國地質(zhì)大學(xué)(武漢)地球物理與空間信息學(xué)院的重磁勘探軟件(GMS3.0), 對其實驗室人員所提供的幫助, 在此表示感謝。感謝編輯與審稿專家對本文提出的寶貴修改意見。

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“首都圈深孔地應(yīng)力測量與實時監(jiān)測臺網(wǎng)建設(shè)”取得階段性重要成果

2011年3月4—5日, 中國地質(zhì)科學(xué)院地質(zhì)力學(xué)研究所組織召開了“首都圈深孔地應(yīng)力測量與實時監(jiān)測臺網(wǎng)建設(shè)”階段性成果匯報座談會。項目負(fù)責(zé)人譚成軒研究員匯報交流了前期已取得的成果, 經(jīng)與參會專家研究討論后提出了下一步工作建議和部署。

通過2008—2010年的工作, “北京地區(qū)主要活動斷裂工程地質(zhì)穩(wěn)定性評價與地應(yīng)力測量”項目在首都圈的北京平谷、北京十三陵、北京西郊、河北昌黎等北部地區(qū)分別開展了深孔(500～800 m)地應(yīng)力測量與實時監(jiān)測工作, 已初步揭示首都圈北部地區(qū)地殼淺表層現(xiàn)今主應(yīng)力狀態(tài)隨深度的變化規(guī)律, 并獲得連續(xù)的地應(yīng)力大小相對變化的實時監(jiān)測數(shù)據(jù), 為首都圈地震地質(zhì)研究積累了寶貴的資料。

“十二五”期間, 研究人員將繼續(xù)在首都圈西、南和東部地區(qū)選擇5個關(guān)鍵構(gòu)造部位進(jìn)行深孔地應(yīng)力測量與實時監(jiān)測, 構(gòu)建完善首都圈深孔地應(yīng)力測量與實時監(jiān)測臺網(wǎng), 填補(bǔ)首都圈深孔地應(yīng)力測量與實時監(jiān)測臺網(wǎng)的空白, 揭示首都圈現(xiàn)今地應(yīng)力環(huán)境。為服務(wù)首都經(jīng)濟(jì)社會建設(shè)及地質(zhì)安全評價增加一份保障。

趙文津院士對該項工作給予了高度評價, 指出深孔地應(yīng)力測量與實時監(jiān)測工作是探索深部地殼活動的重要方法, 對地震預(yù)測預(yù)報具有重要意義, 但需進(jìn)行長期穩(wěn)定的地應(yīng)力數(shù)據(jù)實時監(jiān)測與積累, 并希望將李四光的地質(zhì)力學(xué)思想發(fā)揚(yáng)光大。

本刊編輯部 采編

Tectonic Characteristics of Su-Lu Segment of the Tan-Lu Fault Zone Derived from RS and Gravity Multi-source Information

JIANG Wen-liang1), ZHANG Jing-fa1), CHEN Ding2), LU Xiao-cui2), ZHANG Peng3), LI Li-mei3)
1) Institute of Crustal Dynamics, China Earthquake Administration (CEA), Beijing 100085;
2) Technique and Science University of Shandong, Qingdao, Shandong 252600;
3) Jiangsu seismological bureaui, Nanjing, Jiangsu 210014

Tectonic characteristics of Su-Lu segment of the Tan-Lu fault zone were studied in this paper.The method of tectonic geomorphology was used to study tectonic activity and geomorphological features of Su-Lu segment in late Quaternary.Moho depths were inversed using the variable density model.Meanwhile, wavelet multi-scale analytical method was applied to separating gravity fields, and the approximate depth of the field source was calculated by using the power spectrum analytical method.Then inhomogeneous features of crust density along Su-Lu segment were analyzed, and deep tectonic characteristics were studied.Geomorphological features, such as offset streams, fault scarps and linear tectonics, are developed along Su-Lu segment.These phenomena indicate that the Tan-Lu fault zone experienced strong right-lateral strike-slip movement in Late Quaternary.According to the Bouguer gravity field features, Moho depths undulate greatly, and Su-Lu segment cuts through the lithosphere.The uplift of the Moho occurs obviously beneath Linshu and Sihong areas, and the upwelling of high density materials of the upper mantle and asthenosphere occurs along the fault.On the west side of the fault, Moho depths reach 35 km.Su-Lu segment intersects other NW-striking faults.Geological andgeophysical characteristics are clear.The density structure displays inhomogenous features laterally along the fault.The Bouguer gravity anomalies produced by the upper crust are correlated with the surface geology and topographic features.

Su-Lu segment of Tan-Lu fault zone; tectonic geomorphology; variable density model; wavelet multi-scale analysis; deep structure

P627; P631.1

A

10.3975/cagsb.2011.02.02

本文由中國地震局地殼應(yīng)力研究所中央級公益性科研院所基本科研業(yè)務(wù)專項(編號: ZDJ2007-1、ZDJ2010-11)和徐州市新城區(qū)、開發(fā)區(qū)活斷層探測與地震危險性評價項目聯(lián)合資助。

2011-01-21; 改回日期: 2011-03-16。責(zé)任編輯: 魏樂軍。

姜文亮, 男, 1982生。助理研究員。主要從事遙感、重磁多源信息技術(shù)地學(xué)應(yīng)用研究。E-mail:jiang_wenliang@163.com。