蒙古中部剖面重力异常研究

黎哲君 徐如刚 陈 石 杨光亮 闫万生 袁洁浩 张 毅 顾左文

1 安徽省地震局，合肥市长江西路558号，230031

2 中国地震局地球物理研究所，北京市民族大学南路5号，100081

3 中国地震局地震研究所，武汉市洪山侧路40号，430071

4 甘肃省地震局，兰州市东岗西路450号，730000

目前对南北地震带向北延伸及中蒙大陆中轴构造带北段强烈地震活动的地质构造机制讨论较少［1－2］。对蒙古中部地区地球物理场进行观测，有助于分析蒙古中部地震构造、地震活动规律以及研究华北地区地震发生的地球动力学成因。本文通过在蒙古中部进行剖面重力测量，对测量值进行严密的改正计算，获取剖面重力异常结果，并结合蒙古中部地质构造和地震活动特征进行讨论。

图1 重力剖面测点分布、测区概略地质构造和地震震中 分布［4－5］Fig.1 Observe stations，tectonic outline，and earthquake activities of the profile［4－5］

1 重力剖面概况

重力剖面位于中蒙大陆中轴构造带东侧106°E附近（图1），测区属北亚造山区南部兴安－东蒙活动地块，构造活动强烈［3－5］。剖面南北跨度约750km，共有相对重力测点161个（平均点距5 km），其中有绝对重力值的测点10个。

对于蒙古地质构造特征和断裂分布格局，不同学者观点不尽相同［4－6］。从王鸿祯等［4］对蒙古大地构造的概略分区上看，剖面自南向北跨越南蒙古海西区带（SMB）、戈壁－阿尔泰－曼达尔戈壁加里东区带（GAB）、额尔古纳－蒙古地块（AMM）、中戈壁晚海西－印支区带（MGB）、杭爱－肯特海西区带（HHB）、哈拉加里东区带（HRB）、巴彦戈尔萨拉伊尔区带（BB）和色楞格晚海西－印支区带（SB），向北到达布提尔地块（BTM）南部边缘附近。其中HHB 与李锦轶等［5］所提到的蒙古－鄂霍茨克造山带位置大体相同，此造山带是东亚北部地区一条具有较长地质历史的造山带，通常被认为是板块缝合带［7］。但李锦轶等［5］通过板块构造理论并结合已有的资料认为，该造山带不是古板块之间的分界线，而是西伯利亚古板块向古太平洋边缘碰撞的结果。通常可按区域地质构造和地貌特征将蒙古划分为南北两个区域，北部为加里东期造山带，南部为海西期（或华力西期）造山带，GAB被认为是蒙古地貌和构造的概略南北分界带［4－6，8］。剖面总体处于蒙古地震活动自西向东由强烈向不强烈转变的过渡地带，两侧100km 以内自1119年至今共发生5级以上地震11次，6级以上地震2次。

2 数据处理与计算

重力数据由两台CG－5型重力仪同步观测得到，对重力数据进行气压改正、潮汐改正和仪器漂移改正等预处理后，用绝对重力数据对相对重力测量结果进行控制，经平差计算后得到测点处的绝对重力值。采用Helmert公式（式（1））对绝对重力值进行纬度改正，根据式（2）和测点高程值完成空间改正后获得测点处自由空气异常值（式（3））：

式中，Δg1980为纬度改正，φ为测点纬度，Δgf为自由空气改正，h为高程，gf为自由空气异常值，ga为绝对重力值。

地形改正所用数据来源于高精度数字高程模型ASTER GDEM2009，其网格分辨率达1″×1″，覆盖全球范围内的陆地，地形高程精度为20 m［9］。对于ASTER GDEM2009数据未覆盖的海区，用ETOPO1 数据补充。ETOPO1 数据网格分辨率为1′×1′［7］，可以满足远区地形改正的要求，即可将地形和均衡改正的外区扩展至足够大的范围，从而保证计算结果的准确性。为提高计算速度，采用分区地形改正的方法。验算发现，在蒙古中部地区，对于20km 以外的区域，柱体积分公式和点质量公式之间的相对误差一般不超过1%，因此，在内区（0～20km）计算时采用严密的柱体积分公式，外区（20～167km）采用点质量公式［10］。对自由空气异常值进行地形改正、布格板改正和曲率改正后便可得到完全布格重力异常值：

式中，gb为布格重力异常值，Δgc为地形改正值，Δgb为布格板改正值，BB为曲率改正值。

由于缺乏蒙古实测地壳厚度、密度等资料，地壳均衡模型的各项参数取自CRUST1.0地壳模型［11］。基于CRUST1.0数据插值出161个重力测点处的地形高程、地壳厚度、平均地壳密度和地幔密度（表1）。

根据表1，取平均地幔密度ρm＝3.33g／cm3，平均地壳密度ρc＝2.79g／cm3，平均地形高程h＝1.28km。

采用Airy 模型进行地壳均衡改正。按照Airy均衡模型的假设，地表的地形起伏必然在地下通过山根或反山根进行补偿，以保证在地下某一深度处（均衡补偿面）的静压力处处相等。陆地地壳Airy均衡条件为：

其中，t为山根厚度：

则平均地壳厚度为：

可求得标准地壳厚度：

依据Airy模型计算出山根的位置和深度，采用和地形改正类似的方法计算出均衡改正值。由于均衡改正计算时没有类似于布格板改正的近似计算步骤，计算的范围要足够大才能避免出现较大偏差。验算发现，在蒙古中部地区1 000km 以外的山根或反山根对均衡改正值的影响很小（小于1%），因此在均衡改正时，将外区范围扩大至1 000 km 以确保均衡改正结果的准确性。在布格重力异常的基础上完成均衡改正得到均衡重力异常值：

式中，Δgi为均衡改正值。

除均衡模型参数以外，影响均衡改正精度的主要因素为低密度沉积层。CRUST1.0 反映剖面沿线没有明显的沉积层，因此本文未改正该项。

为了解均衡模型参数对重力异常计算结果的影响，采用同样方法计算取标准地壳均衡模型参数时（地壳密度取2.67g／cm3，地壳厚度取35 km，地幔密度取3.27g／cm3）的剖面布格重力异常和均衡重力异常，并与CRUST1.0参数计算结果进行比较。结果表明，采用标准参数计算的布格重力异常整体比采用CRUST1.0参数计算的大，差异量自南向北总体上随地形高程下降而减小，属于系统性偏差，差异均值约为3.0mGal，最大为11.9mGal。采用上述两种参数计算的均衡重力异常之间的差异则比较小，差异均值为0.4 mGal左右，最大为5.7 mGal。采用两种参数计算得到的剖面重力异常分布结果十分相似，其差异不影响对剖面重力异常状况的判读和分析。考虑到CRUST1.0参数可能比标准参数更能体现剖面附近的具体深部构造特征，本文采用CRUST1.0参数的计算结果作为分析对象。

3 剖面重力异常总体特征

将剖面测点垂直投影至一条沿测线展布的直线（图1），得到横坐标为距离、纵坐标为地形高程值和各项重力异常值的曲线图（图2）。由图2可知，剖面自由空气异常均为负值，变化范围在－80～－5mGal之间，其最显著的特征表现为变化趋势和地形起伏相一致。大致以640km 距离处为界，以南地区自由空气异常大多在－35mGal附近变化，以北地区其均值下降至－50mGal左右，在剖面的最北端迅速下降至－80mGal左右的最低值。

剖面布格重力异常变化范围为－220～－120mGal，变化的总体趋势和地形起伏呈良好的镜像关系，表明将纬度、高程和大地水准面之上质量对重力观测值的影响剔除后，仍然存在较大的剖面重力异常，可见剖面沿线普遍存在着与地形起伏相对应的山根。根据地壳均衡理论，布格重力异常值越小，山根越厚，莫霍界面的深度也就越深，布格重力异常总体上南低北高的变化趋势表明莫霍界面深度由南向北变浅。

整条重力剖面的均衡重力异常基本为负值，表明地壳厚度补偿过剩，为使地壳达到均衡状态，均衡作用趋向于使地壳抬升。均衡重力异常的变化大致以HRB 为界，南部均衡重力异常值在－30mGal左右变化，在HRB中北部迅速上升至－10mGal左右，在剖面最北端又迅速下降至－40 mGal。结合剖面地形起伏特征可以看出，地形高程较低的地区地壳均衡状态要明显优于高山地区，可见蒙古中部高山地区的地形隆起未得到充分的均衡补偿。

图2 剖面地形高程和各项重力异常Fig.2 Elevations and gravity anomalies of the profile

4 剖面重力异常与地质构造

由于布格重力异常和莫霍界面起伏之间存在良好的对应关系，因此在对剖面重力异常的地质构造解释过程中以布格重力异常为主要讨论对象。剖面布格重力异常的变化趋势总体上呈由南向北阶梯状上升，根据其变化特征可粗略分为4段：1）0～150km 范围对应SMB、GAB 和AMM南部，布格重力异常从－210mGal左右逐渐上升至－190mGal，在GAB范围内，布格重力异常上升趋势明显，自南向北由－200mGal左右上升至－180mGal以上。GAB通常被认为是蒙古地质构造的南北分界带，布格重力异常自南向北较快上升表明，GAB 除了是地貌和浅部构造变化带外，还可能是地壳厚度等深部构造的变化带。2）150～520km 范围主要对应AMM 北部、MGB和HHB，该处布格重力异常基本保持在－190mGal左右，自南向北轻微下降，在HHB 北部，布格重力异常近乎保持不变。HHB 通常被认为是古板块缝合带，然而该处布格重力异常并未表现出明显的高梯度变化特征，两侧也未出现布格重力异常高低差异分布现象，此结果更支持李锦轶等［5］关于蒙古－鄂霍茨克造山带不是板块缝合带的判断。3）520～630km 范围主要对应着HRB，布格重力异常值由－200mGal陡升至－130mGal，这种快速上升表明HRB 可能是深部构造的陡变带。4）630～750km 范围主要对应着SB 和BB，该范围内布格重力异常保持在－140mGal左右的相对高值，只在剖面最北端轻微下降，在没有明显地壳密度横向变化的情况下，可以推论SB 和BB地壳厚度要明显薄于南部各构造单元。

总地来看，并非所有构造单元之间都存在不同的布格重力异常分布，表明相关构造单元在深部构造上的差异并不十分明显。但是在GAB 和HRB附近均存在布格重力异常的较快变化，极有可能是其地壳厚度等深部构造变化造成的。

5 剖面均衡重力异常与地震活动

均衡重力异常是地壳在垂向上是否达到静力平衡的直接指标，均衡调整的作用可能对地壳垂向运动产生影响，和地震活动之间存在一定联系［12－15］。为研究蒙古中部重力异常和地震活动之间的关系，根据公元19～2011年地震目录，绘出剖面两侧100km 以内的5 级以上地震震中，并对均衡重力异常变化进行快速傅立叶变换滤波处理，得到剖面均衡重力异常变化和地震震中分布关系图（图3）。

图3 剖面均衡重力异常与地震震中分布Fig.3 Isostatic anomaly and distribution of earthquakes of the profile

由图3看出，剖面沿线有3个地震分布相对集中的区域，分别是HHB 南部边缘附近、HRB中部地区和SB 中北部，这3 个区域均处于均衡重力异常变化曲线的相对低值区附近，均衡重力异常最低值均小于－30mGal。从地壳重力均衡的角度考虑，均衡重力异常值越低，则地壳均衡状态越差，说明地壳可能在构造力的作用下整体下陷或是由于受到挤压而在垂向上发生变形后过多地陷入地幔，这些地区的构造活动往往也相对活跃。剖面均衡重力异常的另一个明显特征为BB和SB南部地区对应着一个均衡高值区，其均衡重力异常值达到－10mGal以上，可以认为地壳接近重力均衡状态。该地壳均衡区两侧为较明显的均衡重力异常陡变区，均衡重力异常值从－10 mGal左右向两侧迅速下降至－30mGal以下，南北两侧陡变区的终止部位对应两个地震分布相对集中的区域，可以认为地震活动在地壳由重力均衡向不均衡快速转变的陡变区上表现出明显的集中分布特征。

6 结 语

研究表明，蒙古中部剖面自由空气异常和地形起伏关系密切，地形起伏所引起的质量扰动是造成重力场局部变化的主要原因之一。剖面布格重力异常变化较为平缓，只在GAB和HRB 附近区域存在1mGal／km 左右的较快变化，而分布于各构造单元之间的深大断裂带并未造成明显的布格重力异常陡变，特别是在蒙古－鄂霍兹克造山带所对应的HHB 范围内，布格重力异常变化十分平缓，这一结果支持李锦轶等［5］关于蒙古－鄂霍茨克造山带不是板块缝合带的判断。剖面均衡重力异常以负值为主，除北部少部分地区地壳接近均衡状态外，大部分地区地壳处于负均衡状态，说明剖面所在地区地壳均衡补偿状况较差，这可能是因为蒙古处于北方西伯利亚地台、南方中朝地台和塔里木地台之间广阔而复杂的造山带地区［4－5］，地壳在长期的挤压作用下不均匀增厚并陷入地幔引起。根据蒙古中部地区的地壳负均衡状态初步判断该地区在未来很长一段时间内仍有保持较强烈构造活动性的条件，可能会为华北地区地震孕育提供外部构造环境。

将剖面附近5.0级以上地震震中分布和均衡重力异常变化特征进行对比分析后发现，地震活动在均衡重力异常低值区，特别是在剖面北部近似均衡区向负均衡区过渡的均衡重力异常陡变区上分布较为集中。从布格重力异常变化特征来看，这些部位也很有可能是莫霍面等深部构造的变异带，这一结果与我国南北地震带北段的均衡重力异常研究成果一致［15］，这也在一定程度上证实了均衡重力异常和构造活动之间存在联系。均衡重力异常的存在说明地壳内物质分布不均匀，而构造活动则是造成地下物质不均匀分布的主要原因之一，也是导致地震活动的主要原因。

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