郭雨帆, 肖 健, 付光明, 許志山, 李清武, 黃仁桂,趙 影, 徐長文, 肖建華, 袁 俊

(1. 江西省地震局, 江西 南昌 330096;2. 河北省地震災害防御與風險評價重點實驗室, 河北 三河 065201)

0 引言

中國大陸及鄰區(qū)可劃分為東北地塊、華北地塊、華南地塊、西域地塊、青藏地塊和滇緬地塊[1-2],其中,華北地塊位于六大地塊中心位置,區(qū)域內巖漿和斷裂帶活躍、強震頻發(fā)、礦產資源豐富[3]。華北地塊由西部的鄂爾多斯克拉通塊體和東部的華北似環(huán)狀裂谷盆地組成[4](圖1)。華北克拉通于古元古代(2 500～1 600 Ma)逐漸形成。中元古代—三疊紀(1 600～205 Ma)是華北地臺發(fā)育期,形成了典型的地臺型沉積。在三疊紀末期(約205 Ma),華北地塊和揚子地塊碰撞形成秦嶺—大別山構造帶和郯廬斷裂帶,華北地臺與蒙古微大陸通過興蒙—吉黑造山帶焊接。侏羅紀—白堊紀(205～65 Ma),燕山運動造成華北地臺分化,表現(xiàn)為華北地臺東部大陸“活化”,強烈的巖漿活動和構造運動導致地殼破壞改造,而西部鄂爾多斯地區(qū)保持穩(wěn)定,基本不受影響。新生代以來(65 Ma至今),華北地區(qū)進入大陸伸展構造發(fā)育的環(huán)境,東部裂谷盆地巖石圈拆沉、地殼減薄,而西部鄂爾多斯塊體較穩(wěn)定,并整體隆升[4]。

虛線為塊體邊界及主要斷裂:1.華北地塊邊界;2.鄂爾多斯克拉通塊體與華北似環(huán)狀裂谷盆地分界;3.河套斷陷盆地斷裂系;4.包頭—張家口—平泉深斷裂;5.濟源—黃口深斷裂;6.山西斷陷盆地斷裂系;7.渭河斷陷盆地斷裂系;8.太行山斷裂帶;9.邢臺—唐山新斷裂帶;10.滄東斷裂帶;11.麻城—崇陽—新寧斷裂;12.郯城—廬江斷裂帶;13.連云港—千里巖—開城斷裂;紅線為莫霍面測線,白圓點為莫霍面控制點(列于表1)圖1 研究區(qū)水深地形和斷裂展布圖Fig.1 Regional topography and fracture distribution map

目前華北地塊及鄰區(qū)重力研究成果相對較少。Li等[5]使用EGM2008重力模型反演了華北克拉通巖石圈密度,發(fā)現(xiàn)克拉通活化和減薄尚未影響到華北克拉通中、西兩個部分。玄松柏等[6]基于EGM2008重力模型數(shù)據,利用Parker-Oldenburg方法反演了中國大陸莫霍面深度。石嵐[7]采用NGDC720地磁模型和WGM2012重力模型分別反演了華北克拉通及鄰區(qū)居里等溫面和莫霍面,并探討了這兩個界面的構造意義。許田等[8]基于EGM2008重力模型及ETOPO1地形模型,研究了華北地區(qū)重力和地形及其對克拉通破壞深部過程的約束作用。侍文等[9]使用WGM2012數(shù)據計算中國大陸巖石圈有效彈性厚度和初始載荷比,以探究強震構造區(qū)力學特征。上述研究沒有針對華北地塊及鄰區(qū)地質結構進行系統(tǒng)而全面地分析,缺乏使用重力資料反演該區(qū)莫霍面并識別校正斷裂的研究成果?；谏鲜鲈?有必要使用重力數(shù)據,對華北地塊及鄰區(qū)地質結構與構造特征開展針對性研究。本文采用小波多尺度分解法對布格重力異常數(shù)據進行處理,得到華北地塊及鄰區(qū)布格重力異常小波分解逼近場和細節(jié)場。在此基礎上,使用Parker-Oldenburg法反演莫霍面深度,并結合斷裂資料,利用重力異常導數(shù)法識別和校正塊體邊界和主要斷裂帶。目的是為深入分析華北地塊及鄰區(qū)重力異常特征、地質結構、斷裂構造提供基礎地球物理證據和相關研究成果,為該區(qū)地震風險研判及礦產資源遠景規(guī)劃提供技術支撐和參考依據。

1 數(shù)據和方法

1.1 數(shù)據

布格重力異常數(shù)據來源于全球重力場數(shù)據庫(Bureau Gravimétrique International,簡稱BGI)使用EGM2008模型計算得到的重力異常數(shù)據[10]。該數(shù)據空間分辨率約為2.5′×2.5′,地形改正使用了ETOPO1模型,布格改正應用了Fullea等[11]開發(fā)的FA2BOUGHT代碼。EGM2008模型是由美國國家地理空間情報局(U.S. National Geospatial Intelligence Agency,簡稱NGA)EGM開發(fā)團隊發(fā)布的,參考橢球面為WGS84橢球,它采用了GRACE衛(wèi)星跟蹤數(shù)據、衛(wèi)星測高數(shù)據和地面重力數(shù)據。

本文主要研究區(qū)域為華北地塊及鄰區(qū)(102°～122°E,29°～45°N),研究區(qū)布格重力異常如圖2。重力異?？傮w呈NNE向條帶狀分布,從西部到東部異常值逐漸增大。在西南部形成的重力異常極值圈閉對應青藏地塊,它是整個研究區(qū)的重力異常低值區(qū),最低值可達-543.49 mgal。華北地塊西部鄂爾多斯克拉通塊體的重力異常值低于東部華北似環(huán)狀裂谷盆地的布格重力異常,表明這兩個地區(qū)地殼結構和介質密度存在差異。從圖2中還可以識別出秦嶺—大別山構造帶,其重力異常值呈NWW向延伸。

黑虛線為塊體邊界及主要斷裂圖2 華北地塊及鄰區(qū)布格重力異常場Fig.2 Bouguer gravity anomaly field in the North China block and surrounding areas

1.2 方法

小波多尺度分解法憑借其明顯的技術優(yōu)勢已被應用到眾多研究領域,在地球科學領域如重力異常場分解研究中也得到廣泛應用,它可以將重力異常場分解成不同尺度成分,實現(xiàn)重力異常場分離[12-13]。本次研究采用楊文采等[12]和候遵澤等[14]的二維多尺度小波分解法對布格重力異常數(shù)據進行處理,設重力異常為Δg(x,y),其分解公式為:

Δg(x,y)=Ai+Di+Di-1+…+D1

(1)

式中:Ai為重力異常的i階(i為不小于2的整數(shù))近似,即重力異常的低頻成分;Di為經i次分解后得到的各階小波細節(jié),即重力異常的高頻成分。在重力異常的小波多尺度分解中,確定最優(yōu)小波基是一個關鍵的問題,使用不同的小波基函數(shù)會產生不同的分解結果[15]。牟力等[16]經過理論層面分析、理論模型對比試驗和華北地區(qū)實測重力數(shù)據對比試驗,認為db11小波基為重力數(shù)據多尺度分析的最優(yōu)小波基,因此本次研究由db11小波構造二維尺度函數(shù)和小波函數(shù)。刁博等[17]通過討論信號長度、小波母函數(shù)的支撐長度與分解階次的關系,發(fā)現(xiàn)對重力異常進行小波分解時,恰當?shù)男〔ǚ纸怆A次為5階,故本次研究將小波分解尺度確定為5階。

Parker給出頻率域內計算連續(xù)密度界面在地表平面內產生的重力異常公式[18]后,Oldenburg根據該公式的傅里葉級數(shù)展開,提取出第一項,得到密度界面反演的迭代公式[19]:

(2)

式中:F[h(x)]、F[Δg(x)]分別是界面深度和重力異常的傅里葉變換;z0為參考深度;k為波數(shù);G為萬有引力常數(shù);ρ為殼-幔密度差。本次研究中,設置截斷頻率WH=0.01,SH=0.012。據表1的莫霍面控制點[20],它們的平均深度為38.8 km,結合反演的實際情況,設置z0=38 km。

表1 莫霍面深度反演結果與數(shù)據控制點結果[20]對比

重力異常導數(shù)法是重力勘探中識別和分析斷裂構造最常用的方法。0°水平方向導數(shù)、90°水平方向導數(shù)和垂向二次導數(shù)(羅森巴赫公式)對識別不同產狀斷裂效果較好且各有優(yōu)勢。本文對剩余布格重力異常小波分解3階細節(jié)場[21]求0°水平方向導數(shù)、90°水平方向導數(shù)和垂向二次導數(shù),并根據導數(shù)圖的線性特征、極值帶等標識特征,識別和校正基底及以上斷裂[22-23]。

2 結果與討論

2.1 布格重力異常場小波多尺度分解結果

以db11為小波母函數(shù)進行小波多尺度分解,得到研究區(qū)布格重力異常場小波1～5階逼近場(圖3)和細節(jié)場(圖4)。

黑虛線為塊體邊界及主要斷裂圖4 華北地塊及鄰區(qū)布格重力異常小波1～5階細節(jié)場Fig.4 The 1st to 5th wavelet details of Bouguer gravity anomaly for the North China block and surrounding areas

各階小波逼近場圖像中反映的重力場源深度不同,但均可看出研究區(qū)不同大地構造單元的基本格局,即西南部的低值圈閉對應青藏地塊,南部的華南地塊與北部的華北地塊通過秦嶺—大別山構造帶隔開,華北地塊內部可以識別出重力異常較低的鄂爾多斯克拉通塊體和重力異常較高的華北似環(huán)狀裂谷盆地。低階逼近場與原始布格重力異常形態(tài)接近,隨著小波逼近階數(shù)增大,不同構造單元及深大斷裂的重力異常的淺源、局部信息得到了較好的抑制,區(qū)域異常信息顯得更為突出。前人研究表明4階逼近場可能是莫霍面引起的異常[12,21,24-27]。通過對比不同階次的逼近場(圖3),發(fā)現(xiàn)4階逼近場既能一定程度地消除淺部信息影響,又對深部信息有較好反映,初步考慮使用4階逼近場反演莫霍面深度。將小波分析法和徑向對數(shù)功率譜法[28]兩種方法結合有利于對地質結構進行定量分析[12,24,29-31],本次研究使用徑向對數(shù)功率譜法估計4階逼近異常場源埋深,計算結果為37.3 km,與表1的莫霍面控制點[20]平均深度38.8 km接近?？梢酝茢?階逼近場可能反映了研究區(qū)莫霍面的起伏,故選取4階逼近場反演莫霍面深度。

1階和2階小波細節(jié)[圖4(a)、(b)]場源信息豐富而復雜,主要反映的是淺部高頻重力異常信息。其分布特征顯示出西南部青藏地塊的地殼橫向變化劇烈且比較破碎,而華北地塊的重力異常變化則相對平緩,大部分數(shù)據在-5～5 mgal之間變化,尤其是華北似環(huán)狀裂谷盆地的重力異常變化更為平緩。研究區(qū)重力異常的走向、規(guī)模、分布位置與區(qū)內斷裂一致性較好,例如太行山斷裂帶東西兩側的重力異常差異明顯,能清晰地勾勒出太行山斷裂帶輪廓。隨著小波細節(jié)階數(shù)的增加,重力異常變得寬緩平滑,主要體現(xiàn)了深部場源所引起的較大規(guī)模的低頻重力異常信息。同3階小波細節(jié)[圖4(c)]相比,4階和5階小波細節(jié)[圖4(d)、(4e)]中小規(guī)模的條帶狀及串珠狀異常逐漸消失,重力異常圈閉現(xiàn)象更加明顯,圈閉空間逐漸擴大,呈帶狀和塊狀分布。4階和5階小波細節(jié)顯示塊體邊界處重力異常變化劇烈,表明塊體邊界深大斷裂對重力異常的分布特征具有較好的控制作用。

綜上所述,逼近場和細節(jié)場共同顯示華北地塊內部出現(xiàn)西、東兩個子單元,分別對應鄂爾多斯克拉通塊體和華北似環(huán)狀裂谷盆地。子單元內部變化較為平緩,而在子單元邊界及塊體邊界處變化較劇烈。

2.2 莫霍面特征

莫霍面是地殼與地幔的分界面,本文通過Parker-Oldenburg方法迭代反演得到莫霍面深度。圖5(a)是華北地塊及鄰區(qū)莫霍面埋深平面圖,將其與CRUST1.0地殼厚度模型圖[圖5(b)]對比,發(fā)現(xiàn)兩者變化趨勢一致,但本次研究得到的莫霍面深度變化細節(jié)更加豐富。同時,與前人深地震探測得到的莫霍面控制點[20]進行比較(表1),發(fā)現(xiàn)莫霍面深度偏差較小,說明本次研究得到的莫霍面深度結果可信度較高。

黑線為莫霍面測線,黑圓點為莫霍面控制點(列于表1),黑虛線為塊體邊界及主要斷裂圖5 華北地塊及鄰區(qū)莫霍面埋深平面圖及CRUST1.0地殼厚度模型圖Fig.5 Moho depth plan and CRUST1.0 crustal thickness model for the North China block and surrounding areas

由圖5(a)可知,研究區(qū)莫霍面埋深范圍在28～52 km之間,橫向上起伏較大,等值線呈NNE走向,從西到東莫霍面逐漸變淺,呈現(xiàn)“東西分帶”的特點。第一條帶主要集中于研究區(qū)西南的青藏地塊,該地區(qū)莫霍面深度可達52 km;第二條帶包括四川盆地和鄂爾多斯克拉通塊體,后者莫霍面深度略大于前者,約為40 km;第三條帶主要為華北似環(huán)狀裂谷盆地(莫霍面平均深度為34 km),及華南地塊和東北地塊的部分區(qū)域。石嵐[7]使用WGM2012重力模型反演了華北克拉通及鄰區(qū)莫霍面深度,分析認為華北克拉通西部—中部和東部莫霍面埋深分別為37～45 km和33～36 km,與本次研究“鄂爾多斯克拉通塊體莫霍面深度約為40 km、華北似環(huán)狀裂谷盆地莫霍面深度約為34 km”的結果基本一致。值得注意的是,郯廬斷裂帶走向與其莫霍面等值線走向近乎平行,且莫霍面深度較同緯度其他區(qū)域更淺,可能指示了郯廬斷裂帶為地幔熱物質上涌提供了通道[32]。除此之外,-35 km莫霍面埋深等值線在(116°E,30°N)附近由北部的NE向轉為西部的近EW向,支持了喬計花等[33]關于郯廬斷裂帶并未跨過長江繼續(xù)向南延伸的觀點。

結合研究區(qū)水深地形及構造單元特征,選取AA′、BB′、CC′三條測線繪制莫霍面埋深剖面圖(圖6)。在AA′測線剖面圖中,莫霍面埋深與水深地形呈現(xiàn)良好的“鏡像對稱”關系。從西北到東南,莫霍面逐漸變淺,形成四級上升臺階,分別對應①阿拉善地塊、②鄂爾多斯克拉通塊體、③華北似環(huán)狀裂谷盆地陸區(qū)和④黃海海域。由BB′和CC′測線剖面圖可以發(fā)現(xiàn),莫霍面埋深在塊體內部變化較平緩,而在塊體邊界呈“V”字形劇烈變化。CC′測線剖面的莫霍面比BB′更淺,可能與華北地塊東部巖石圈拆沉、地殼減薄作用較西部更顯著有關[5]。

①、②、③、④分別對應阿拉善地塊、鄂爾多斯克拉通塊體、華北似環(huán)狀裂谷盆地陸區(qū)、黃海海域圖6 華北地塊及鄰區(qū)莫霍面埋深剖面圖Fig.6 Moho depth profiles of the North China block and surrounding areas

2.3 斷裂體系的重力異常特征

收集和整理研究區(qū)斷裂資料[3-5,34-43],根據斷裂構造在重力異常導數(shù)圖上識別出六種標志:線性重力高與重力低之間的過渡帶、異常軸線明顯錯動的部位、串珠狀異常的兩側或軸部所在位置、兩側異常特征明顯不同的分界線、封閉異常等值線突變的部位、等值線同行扭曲部位[44],在0°水平導數(shù)圖、90°水平導數(shù)圖和垂向二次導數(shù)圖上識別和校正了華北地塊13條邊界及內部主要斷裂帶(圖7)。鄧起東等[45-46]依據主要活動帶上的幾何學和運動學定量數(shù)據資料,編制了《1∶400萬中國活動構造圖》,將其與這13條邊界及內部主要斷裂帶的平面分布位置進行對比分析,發(fā)現(xiàn)兩者基本吻合,表明本次結果可靠性較高。由于篇幅所限,本文不再展示兩者對比圖件。下面描述這13條邊界及內部主要斷裂帶的重力異常場導數(shù)圖特征。

藍色、綠色、黑色虛線分別代表一、二塊體邊界及三級斷裂,名稱及編號同圖1圖7 華北地塊及鄰區(qū)重力異常導數(shù)及其斷裂解釋圖Fig.7 Gravity anomaly derivative and its correlation to fractures in the North China block and surrounding areas

一級塊體邊界:(1)華北地塊邊界。其西北邊界為銀川—吉蘭泰斷陷盆地斷裂系,產狀為40°/SE∠60°,正右旋性質,它在0°水平導數(shù)圖上沿著串珠狀正負異常間分界線發(fā)育;北邊界由西—中部的陰山北緣斷裂帶和東部的赤峰—開源深斷裂組成,近EW走向,它們在90°水平導數(shù)圖上沿著串珠狀正負異常間分界線分布,局部可見異常軸線錯動;西南邊界包括海原斷裂和六盤山斷裂,海原斷裂NWW走向,逆左旋性質,它在90°水平導數(shù)圖上是正負高值與正負低值異常的分界線,識別度較高,而六盤山斷裂NW走向,它在垂向二次導數(shù)圖上沿串珠狀正負異常間分界線展布;南邊界為秦嶺—大別山構造帶,NWW走向,華南地塊朝華北地塊NNE向逆沖,它在90°水平導數(shù)圖上大體沿著串珠狀正負異常間分界線發(fā)育,局部存在異常軸線錯動。

二級塊體邊界:(2)鄂爾多斯克拉通塊體與華北似環(huán)狀裂谷盆地分界,位于山西斷陷盆地斷裂系與太行山斷裂帶之間,NNE走向,它在垂向二次導數(shù)圖上沿異常軸線明顯錯動的部位和串珠狀正負異常間分界線發(fā)育。

三級斷裂:(3)河套斷陷盆地斷裂系,近EW走向,N或S傾向,陡傾角,正斷性質,它在90°水平導數(shù)圖上沿串珠狀正負異常間分界線發(fā)育;(4)包頭—張家口—平泉深斷裂,近EW向展布,正左旋性質,它在90°水平導數(shù)圖上沿著串珠狀正負異常間分界線分布,局部可見異常軸線錯動;(5)濟源—黃口深斷裂,NWW—EW走向,它在90°水平導數(shù)圖上沿著串珠狀正負異常間分界線發(fā)育;(6)山西斷陷盆地斷裂系,產狀為NNE—NE/NW或SE∠(40°～80°),正右旋性質,它在0°水平導數(shù)圖上沿著串珠狀正負異常間分界線和等值線同形扭曲部位分布;(7)渭河斷陷盆地斷裂系,產狀為EW—NEE/N或S∠(50°～80°),正左旋性質,它在90°水平導數(shù)圖上沿著串珠狀異常發(fā)育;(8)太行山斷裂帶,NNE—NE走向,NWW—NW或SEE—SE傾向,正斷性質,它在垂向二次導數(shù)圖上沿異常軸部錯動的部位展布;(9)邢臺—唐山新斷裂帶,產狀為50°/NW∠(70°～85°),正右旋性質,隱伏斷裂,它在垂向二次導數(shù)圖上沿異常軸線錯動的部位和串珠狀正負異常間分界線分布;(10)滄東斷裂帶,走向約為30°,傾向為SEE,是新生代渤海灣盆地黃驊坳陷和滄縣隆起共有的隱伏邊界非活動斷裂,它在垂向二次導數(shù)圖上沿異常軸線錯動的部位發(fā)育;(11)麻城—崇陽—新寧斷裂NE—NNE走向,為鄂南、湘北湖盆區(qū)的東部邊界斷裂,它在垂向二次導數(shù)圖上沿異常軸線錯動的部位展布;(12)郯城—廬江斷裂帶,包括北部的沂沐斷裂和南部的宿遷—廣濟斷裂,沂沐斷裂產狀為(5°～25°)/SE或NW∠(60°～80°),逆右旋性質,宿遷—廣濟斷裂為NNE—NE走向,逆右旋性質,它們在垂向二次導數(shù)圖上沿串珠狀正負異常間分界線和異常軸線錯動的部位延伸;(13)連云港—千里巖—開城斷裂,產狀為50°/S,正斷性質,它在垂向二次導數(shù)圖上沿串珠狀正負異常間分界線分布。

3 結語

本文基于小波多尺度分解法、Parker-Oldenburg迭代反演法和重力異常導數(shù)法對華北地塊及鄰區(qū)布格重力異常數(shù)據進行分析處理,獲得了布格重力異常小波分解逼近場和細節(jié)場、莫霍面深度和重力異常導數(shù),主要得出如下結論:

(1) 布格重力異常小波分解逼近場圖和細節(jié)場圖揭示了華北地塊可以分為西部的鄂爾多斯克拉通塊體和東部的華北似環(huán)狀裂谷盆地兩個子單元,子單元內部變化較為平緩,而塊體邊界處變化較劇烈。

(2) 莫霍面深度范圍在28～52 km之間,呈現(xiàn)NNE走向,從西到東莫霍面逐漸變淺,具有顯著的“東西分帶”特征。尤為顯著的是鄂爾多斯克拉通塊體和華北似環(huán)狀裂谷盆地,兩者莫霍面平均深度分別為40 km和34 km,塊體內部莫霍面變化較平緩,塊體邊界莫霍面呈“V”字形變化劇烈。

(3) 根據重力異常導數(shù)結果識別并校正了研究區(qū)13條塊體邊界及主要斷裂帶,包括1條一級塊體邊界,1條二級塊體邊界,11條三級斷裂帶。