楊 瀅，王樹(shù)琴，潘 瑩，高國(guó)明

(云南大學(xué) 地球科學(xué)學(xué)院 地球物理系，云南 昆明 650500)

重力異常是由地球內(nèi)部密度分布不均勻引起.由于地球物質(zhì)密度特性及其構(gòu)造演化的差異，重力異常攜帶著地球內(nèi)部物質(zhì)的分布、運(yùn)移和地質(zhì)構(gòu)造等大量信息. 重力異常由地球內(nèi)部不同深度和不同尺度場(chǎng)源位場(chǎng)的疊加而成. 因此，要想獲得構(gòu)造在不同深度和空間位置的展布特征，必須對(duì)重力異常數(shù)據(jù)進(jìn)行一定的處理和轉(zhuǎn)換，實(shí)現(xiàn)場(chǎng)源的有效分離. 小波多尺度分解的方法可以有效地將重力場(chǎng)分解到不同的尺度空間，以便更好地揭示不同規(guī)模大小和埋藏深淺地質(zhì)體的分布情況[1-2]，此方法被廣泛應(yīng)用到區(qū)域重力異常研究[3-5]，為區(qū)域地殼動(dòng)力學(xué)過(guò)程及構(gòu)造活動(dòng)機(jī)制的研究提供重力場(chǎng)的依據(jù).

川滇地區(qū)（97°～108°E，21°～34°N）位于青藏高原東南緣，是印度板塊與青藏高原塊體的交接部位. 該地區(qū)是研究印度板塊和歐亞板塊碰撞作用的理想場(chǎng)所. 國(guó)內(nèi)外學(xué)者運(yùn)用各種地球物理場(chǎng)的資料對(duì)該區(qū)域開(kāi)展許多的研究. 地震資料[6-8]和重力資料[9-13]揭示了川滇地區(qū)的地震活動(dòng)構(gòu)造、巖石圈結(jié)構(gòu)和地質(zhì)演化. 大地電磁測(cè)深資料[14-17]揭示了川滇地區(qū)地殼及上地慢電性結(jié)構(gòu). 然而，川滇地區(qū)地質(zhì)構(gòu)造非常復(fù)雜，該區(qū)域地殼結(jié)構(gòu)和殼內(nèi)變形機(jī)理仍存在爭(zhēng)議. 重力測(cè)量資料覆蓋范圍廣，包含了豐富的地球內(nèi)部物質(zhì)分布和地質(zhì)構(gòu)造的信息. 利用高精度、覆蓋均勻的重力資料研究川滇地區(qū)的重力異常特征可以很好地揭示該區(qū)域的地殼構(gòu)造特征.

本文基于高精度的全球重力模型WGM2012，分析川滇地區(qū)的自由空氣重力異常、布格重力異常和均衡重力異常的空間展布特征，利用小波多尺度分析方法對(duì)布格重力異常進(jìn)行分解，分析各階小波細(xì)節(jié)和逼近的異常信息. 最后，結(jié)合其他地球物理與地質(zhì)資料，討論了重力異常的揭示的地質(zhì)意義.

1 構(gòu)造背景

川滇地區(qū)是歐亞板塊和印度板塊匯聚和相互作用的邊緣地帶，同時(shí)也是青藏高原與揚(yáng)子地塊、印支地塊交接的過(guò)渡地帶（圖1）. 在地域上，除云南、四川外，還包括了貴州、廣西和西藏的部分地區(qū)，以及東南亞的越南、緬甸北部的部分地區(qū). 該地區(qū)地殼厚度變化大，莫霍面深度從西南部的30 km 變化到西北部的60 km 左右，變化幅度接近30 km[6].

圖1 川滇地區(qū)地形、斷裂帶及構(gòu)造分區(qū)Fig. 1 Topography，fault zone and structural division in the Sichuan-Yunnan region

由于印度—亞歐板塊強(qiáng)烈的碰撞擠壓作用，川滇地區(qū)成為討論青藏高原物質(zhì)東流的理想場(chǎng)所. 該地區(qū)構(gòu)造活動(dòng)強(qiáng)烈，斷裂帶發(fā)育. 根據(jù)斷裂帶分布和活動(dòng)特征將川滇地區(qū)分為5 個(gè)不同的構(gòu)造塊體.如圖1 所示，川滇地區(qū)的北部為松潘—甘孜地塊，它被鮮水河斷裂、龍門(mén)山斷裂所圍限. 該地塊屬青藏高原前緣地段，地殼柔軟且流變性好. 東北部是地處揚(yáng)子克拉通西部的四川盆地，地殼堅(jiān)硬且流變性較弱. 川滇菱形塊體位于研究區(qū)中部，以麗江—小金河斷裂為界，進(jìn)一步被劃分為川西北次級(jí)塊體和滇中次級(jí)塊體. 研究區(qū)西部為滇西地塊，位于中國(guó)揚(yáng)子克拉通和印度克拉通之間，是印度板塊和青藏高原擠壓碰撞的強(qiáng)作用地區(qū).

研究表明[18]，研究區(qū)內(nèi)大地?zé)崃鳈M向變化較大，地?zé)釄?chǎng)具有東高西低的特點(diǎn). 大地?zé)崃髦堤幱?5.4～118 mW/ m2之間. 熱流高值區(qū)位于云南西部瀾滄江以西地區(qū)，是喜馬拉雅高地?zé)釒У囊徊糠?其中，新構(gòu)造運(yùn)動(dòng)最強(qiáng)烈的騰沖地區(qū)還是中國(guó)近代火山活動(dòng)地區(qū)之一，熱流極大值為118 mW/ m2. 滇東地區(qū)、四川盆地大地?zé)崃髦迪鄬?duì)小. 四川盆地的大地?zé)崃鳛?5.4～68.8 mW/ m2，平均值為53.2 mW/ m2，具有典型克拉通盆地中低熱流的特征.

2 數(shù)據(jù)與方法

本文使用的地形和重力數(shù)據(jù)由全球重力場(chǎng)模型WGM2012 提供（http://bgi.obs-mip.fr/），此模型由BGI（Bureau Gravimétrique International）基于現(xiàn)今可用的地球全球重力模型EGM2008 和DTU10，以及1′×1′的全球地形模型ETOPO1 創(chuàng)建而成，并且考慮了地球表面質(zhì)量（大氣、陸地、海洋、內(nèi)海、湖泊、冰蓋和冰架）的影響. 由于模型以球諧級(jí)數(shù)的方式給出，可以方便地實(shí)現(xiàn)精確的全球或區(qū)域的重力異常的計(jì)算，此模型給出了2′×2′分辨率的自由空氣重力異常、布格重力異常和均衡重力異常的網(wǎng)格數(shù)據(jù). 為了更直觀(guān)地反映重力異常的空間分布及其與地質(zhì)構(gòu)造的關(guān)系，地圖的底圖中疊加了國(guó)界、省界及部分?jǐn)鄬樱〝?shù)據(jù)來(lái)源于GMT 中文社區(qū)：https://gmt-china.org/data/）.

利用小波多尺度分析方法可以開(kāi)展區(qū)域重力異常分布、區(qū)域構(gòu)造和內(nèi)部物質(zhì)分布的研究. 其原理如下[19-20]：

對(duì)于二維重力場(chǎng)的多尺度分解，設(shè)重力異常為g(x,y)=f(x,y)，若選擇將重力異常進(jìn)行N階分解，可得到N個(gè)正交子空間，AN代表N階逼近，DN代表N階細(xì)節(jié). 重力異常分解表示為：

式中，AN f（x，y）為第N階小波逼近，為重力異常低頻成分；DN為1～N階小波細(xì)節(jié)，為重力異常高頻成分. 為了實(shí)現(xiàn)地球內(nèi)部重力異常的有效分離，一般采用正交小波基函數(shù).

3 重力異?？臻g展布特征

重力異常包括自由空氣重力異常、布格重力異常和均衡重力異常[21]. 自由空氣重力異常反映地表和近地表地形起伏. 自由空氣重力異常消除局部、淺層的干擾和布格校正得到布格重力異常，它更好地反映地下物質(zhì)密度的分布. 均衡重力異常由布格重力異常經(jīng)過(guò)均衡校正得出，它的分布與地球內(nèi)部結(jié)構(gòu)有密切的關(guān)系. 本文分析這3 種重力異常的分布，可以了解川滇地區(qū)的物質(zhì)分布和構(gòu)造活動(dòng)特征.

3.1 自由空氣重力異常圖2 顯示了川滇地區(qū)自由空氣重力異常的分布. 從圖1 和圖2 可以看出，川滇地區(qū)的自由空氣重力異常與其地表起伏具有很高的相關(guān)性. 在地面平緩地區(qū)異常值接近于零，區(qū)域內(nèi)地形起伏與自由空氣重力異常值呈正相關(guān).整體上，川滇地區(qū)異常的變化呈現(xiàn)由西北向東南遞減，與該地區(qū)西北高、東南低的地形特征一致.

圖2 川滇地區(qū)自由空氣重力異常的分布Fig. 2 The distribution of the free-air gravity anomalies in the Sichuan-Yunnan region

研究區(qū)異常值為-287～489 mGal，異常走向與斷裂帶的走向基本一致. 松潘—甘孜地塊、川滇菱形塊體和滇西地塊的東部以正異常為主，最大值位于川西北次級(jí)塊體，為489 mGal. 揚(yáng)子地塊和滇西地塊的西部以負(fù)異常為主，最小值位于滇西地塊的西部，為-287 mGal. 沿龍門(mén)山斷裂存在1 條近東北—西南走向的異常梯度帶，為松潘—甘孜地塊和四川盆地的分界. 異常值由松潘—甘孜地塊的約60 mGal 降至四川盆地的約-40 mGal，反映了四川盆地與松潘—甘孜地塊巨大的地形落差.

3.2 布格重力異常圖3 為川滇地區(qū)布格重力異常的分布. 從圖3 可以看出，整體上，異常呈現(xiàn)西北低、東南高的特征，有明顯的分區(qū)現(xiàn)象. 松潘—甘孜地塊和川西北次級(jí)塊以負(fù)異常為主，異常最低可以達(dá)到-455 mGal，反映了該地區(qū)處于物質(zhì)虧損狀態(tài). 揚(yáng)子地塊、滇中次級(jí)塊體和滇西地塊以正異常為主. 龍門(mén)山斷裂帶為四川盆地與松潘—甘孜地塊的正負(fù)異常的分界，異常值從-200 mGal 變化到50 mGal. 這一現(xiàn)象與松潘—甘孜地塊與四川盆地間高海拔差的地形特征相吻合. 四川盆地內(nèi)部，異常變化幅度小，異常值接近為零，表明該盆地物質(zhì)成分較均勻且結(jié)構(gòu)較為穩(wěn)定. 麗江—小金河斷裂將川滇菱形塊體劃分為川西北次級(jí)塊和滇中次級(jí)塊體，這在布格重力異常上有明顯的表現(xiàn). 斷裂帶的北邊為近負(fù)異常的川西北次級(jí)塊，而南邊為正異常的滇中次級(jí)塊體. 此斷裂帶與龍門(mén)山斷裂帶表現(xiàn)為相同的的重力異常特征，均為正負(fù)異常的分界且兩側(cè)異常值驟減. 因此，推測(cè)麗江—小金河斷裂帶為龍門(mén)山斷裂帶向西南的延伸.

圖3 川滇地區(qū)布格重力異常的分布Fig. 3 The distribution of the Bouguer gravity anomalies in the Sichuan-Yunnan region

3.3 均衡重力異常地球內(nèi)部動(dòng)力學(xué)過(guò)程中必然破壞重力均衡，引起了重力均衡的重新調(diào)整. 根據(jù)均衡異常的大小及分布，可以判斷地殼深部的構(gòu)造活動(dòng)狀態(tài). 異常值接近于零，表明地殼基本上處于均衡狀態(tài)，均衡異常表現(xiàn)為正負(fù)異常，說(shuō)明地殼是處于不均衡狀態(tài).

圖4 為川滇地區(qū)均衡重力異常的分布. 該地區(qū)均衡異常的幅值處于-131～175 mGal 之間. 四川盆地為剛性的冷的克拉通，表現(xiàn)為較低的均衡異常值. 該盆地在均衡調(diào)整推動(dòng)下地殼不斷下降、變薄，導(dǎo)致了該盆地平均地殼厚度為35 km，遠(yuǎn)小于盆地西邊松潘—甘孜地塊的平均地殼厚度60 km[6]. 同時(shí)，盆地內(nèi)部存在低密度的沉積物填充，引起淺部的質(zhì)量虧損，這可能也是造成盆地負(fù)均衡的重要原因. 在印度—?dú)W亞板塊的碰撞擠壓下，龍門(mén)山地區(qū)地殼增厚（地殼厚度達(dá)58 km），表現(xiàn)正均衡異常.該地區(qū)板塊碰撞的構(gòu)造力大于均衡調(diào)整力是該區(qū)強(qiáng)烈持續(xù)隆升的原動(dòng)力. 滇中次級(jí)塊體的北部為正異常，研究表明[22]，該區(qū)域內(nèi)存在劇烈的巖漿活動(dòng)，深部物質(zhì)能量交換強(qiáng)烈、深層動(dòng)力活動(dòng)頻繁，造成該地區(qū)處于不均衡狀態(tài).

圖4 川滇地區(qū)均衡重力異常分布Fig. 4 The distribution of the isostatic gravity anomalies in the Sichuan-Yunnan region

麗江—小金河斷裂帶和龍門(mén)山斷裂帶是川滇地區(qū)南北的重要分界線(xiàn)，也是該區(qū)域物質(zhì)轉(zhuǎn)換、地質(zhì)活動(dòng)構(gòu)造、地殼運(yùn)動(dòng)的關(guān)鍵. 這體現(xiàn)在以下兩方面的觀(guān)測(cè)事實(shí)：一是與其它斷裂帶的近南北走向不同，這兩條斷裂帶為北東走向；二是這兩條斷裂帶的南北兩側(cè)表現(xiàn)為截然不同的布格重力異常特征（圖3）和均衡重力異常特征（圖4）.

4 重力異常小波多尺度分解

重力異常由不同深度的場(chǎng)源共同作用而形成，為了獲得不同深度構(gòu)造體引起的重力異常的展布特征，我們利用小波多尺度分析方法對(duì)布格重力異常（圖3）進(jìn)行分解. 為了滿(mǎn)足重力異常分解重構(gòu)的準(zhǔn)確性，我們選擇震蕩較為平緩、有較好正交性和較高消失矩的小波基函數(shù)db5 為母函數(shù)進(jìn)行小波6 階分解.

圖5 為布格重力異常的1～6 階小波細(xì)節(jié)的分布. 隨著階數(shù)的增大，異常分布越來(lái)越簡(jiǎn)單，對(duì)應(yīng)的場(chǎng)源深度越深. 重力異常在小波1～2 階細(xì)節(jié)顯示為尺度較小且分布雜亂、正負(fù)相間的點(diǎn)狀異常，反映了川滇地區(qū)地殼構(gòu)造活躍，淺部地體較破碎. 3階小波細(xì)節(jié)圖中，滇西地塊出現(xiàn)明顯的正負(fù)串珠狀異常. 負(fù)異常由巖石擠壓破碎引起，而正異常則可能是由于巖漿巖沿破碎帶侵入而形成的. 4 階細(xì)節(jié)顯示龍門(mén)山斷裂帶的西段為負(fù)異常，而中段和北段為正異常，表明了龍門(mén)山斷裂帶的西段與中段—北段在構(gòu)造上具有顯著差異.

圖5 布格重力異常小波細(xì)節(jié)場(chǎng)Fig. 5 The approximation of the wavelet transform details of the Bouguer gravity anomalies.

5 階細(xì)節(jié)顯示滇中次級(jí)塊體的北部為高值正重力異常區(qū). 此異常區(qū)由該區(qū)域上涌的高密度物質(zhì)產(chǎn)生，這與大地電磁測(cè)深[15]和地震[18]研究揭示該地區(qū)是一個(gè)高阻區(qū)、高密度區(qū)的結(jié)論一致. 高值正重力異常區(qū)為堅(jiān)硬塊體，此塊體的東西兩邊為負(fù)異常帶，這反映了青藏高原物質(zhì)東南流的走向. 來(lái)自青藏高原羌塘地塊的地殼流從鮮水河斷裂帶流入，遇到堅(jiān)硬的四川盆地，物質(zhì)流沿鮮水河斷裂帶南北兩側(cè)流動(dòng). 北側(cè)沿龍門(mén)山斷裂帶向東北流，南側(cè)地殼流遇到滇中地塊表現(xiàn)高正值異常區(qū)的堅(jiān)硬塊體，沿此塊體東西兩邊的斷裂帶向南流出. 西邊沿紅河斷裂帶以及瀾滄江斷裂向滇南地區(qū)流動(dòng)，向南逐漸減弱. 東邊沿小江斷裂帶流動(dòng)，一直延伸到紅河斷裂帶. 這與大地電磁測(cè)深[15]、GPS[23]和地磁[24]的研究結(jié)果一致.

四川盆地在5 和6 階小波細(xì)節(jié)表現(xiàn)為強(qiáng)的正異常，且此正異常區(qū)向西越過(guò)龍門(mén)山斷裂帶. 這反映了低密度的松潘—甘孜地塊巖石圈俯沖到高密度的四川盆地的下方. 在5 階小波細(xì)節(jié)圖中，四川盆地內(nèi)存在1 條近南北走向的重力異常梯度帶，此帶為盆地正負(fù)異常的分界線(xiàn). 這反映了在5 階細(xì)節(jié)反映的深度內(nèi)，四川盆地的東部與西部物質(zhì)分布具有很大差異. 為了進(jìn)一步認(rèn)識(shí)此差異，我們對(duì)均衡重力異常（圖4）也進(jìn)行了小波多尺度分解. 結(jié)果顯示，在4 階的均衡重力異常的小波細(xì)節(jié)中（圖6），也存在類(lèi)似的分界線(xiàn). 受青藏高原的持續(xù)擠壓作用，四川盆地西部剛性特征增強(qiáng)，而盆地東部由于距離遠(yuǎn)，增強(qiáng)作用不明顯，導(dǎo)致盆地東西兩邊的重力異常差異顯著. 6 階細(xì)節(jié)顯示，四川盆地表現(xiàn)為大范圍正異常，反映了在6 階細(xì)節(jié)反應(yīng)的深度內(nèi)，地殼較為穩(wěn)定，進(jìn)一步揭示了四川盆地的剛體特性.

圖6 均衡重力異常小波4 階細(xì)節(jié)場(chǎng)Fig. 6 The 4th order wavelet transform detail field of the isostatic gravity anomalies

圖7 為布格重力異常的6 階小波逼近場(chǎng)的分布. 從圖7 可以看出，研究區(qū)6 階逼近場(chǎng)的重力異常值呈現(xiàn)西北低，東南高. 松潘—甘孜塊體和川西北次級(jí)塊體表現(xiàn)大范圍的負(fù)異常，華南地塊、滇西南及滇中次級(jí)塊體表現(xiàn)為正異常. 重力異常走向?yàn)闁|南方向，反映了青藏高原的物質(zhì)向東沿川滇地區(qū)流動(dòng). 沿龍門(mén)山斷裂帶和麗江—小金河斷裂帶有1條明顯的重力異常梯度帶，該區(qū)域?yàn)檠芯壳嗖馗咴镔|(zhì)東流的關(guān)鍵地區(qū).

圖7 布格重力異常小波6 階逼近場(chǎng)Fig. 7 The approximation of 6th order wavelet transform of the Bouguer gravity anomalies

Clark 和Royden[25-26]對(duì)青藏高原不同地區(qū)的下地殼黏度進(jìn)行了研究，結(jié)果表明川滇地區(qū)下地殼存在大范圍的物質(zhì)流動(dòng). 關(guān)于川滇地區(qū)地殼流存在很多爭(zhēng)議，但是現(xiàn)階段川滇地區(qū)中下地殼存在弱物質(zhì)，并具有流動(dòng)性是基本可以肯定的. 地形（圖1）和重力異常（圖2～4 和5（e））顯示了龍門(mén)山斷裂帶為高程梯度帶和重力異常梯度帶，反映了四川盆地與松潘—甘孜塊體間的地殼存在較大的高程差和密度差，這為青藏高原物質(zhì)東流提供了充要條件.

5 結(jié)論

（1）自由空氣異常、布格重力異常、均衡重力異常和小波多尺度分解均顯示龍門(mén)山斷裂帶為重力異常梯度帶，東西兩側(cè)的四川盆地與松潘—甘孜塊體之間顯示了截然不同的重力特征. 這為青藏高原物質(zhì)東流提供了必要而充分的條件. 重力異常分布特征表明麗江—小金河斷裂帶和龍門(mén)山斷裂帶是川滇地區(qū)南北的重要分界線(xiàn)，也是該區(qū)域物質(zhì)轉(zhuǎn)換、地質(zhì)活動(dòng)構(gòu)造、地殼運(yùn)動(dòng)的關(guān)鍵.

（2）松潘—甘孜塊體和川西北次級(jí)塊體在6 階小波逼近場(chǎng)顯示為大范圍的負(fù)異常，異常走向?yàn)闁|南方向，這說(shuō)明了青藏高原的物質(zhì)向東沿川滇地區(qū)流動(dòng). 滇中塊體的北部為高值正重力異常區(qū)，其東西兩邊為負(fù)異常帶. 這反映了青藏高原地殼流遇到四川盆地，一方面沿龍門(mén)山斷裂帶向東北流；另一方面沿小江斷裂帶、紅河斷裂帶以及瀾滄江斷裂向南流出.