蒙古及周边地区重力异常和地壳不均匀体分布

陈石，王谦身

1 中国地震局地球物理研究所，北京 100081

2 中国科学院地质与地球物理研究所，北京100029

1 引言

蒙古弧形构造带又称“蒙古弧”，其在地理位置上位于亚洲中北部，构造上位于西伯利亚古陆和塔里木—华北古大陆之间，在地貌上表现为一系列向南略凸的弧形褶皱地块（李述靖等，1998）.在地形上，由西高东低的弧形山系和高原组成.其形成时期可以追溯到古生代末期至中生代早期.其中，古生代时期的蒙古北部和南部构造差异明显，北部地体认为从古亚洲洋增生到西伯利亚克拉通边缘，从而属于北亚古生代增生型褶皱带；而南部为海西褶皱带，是沿纬向延伸的陆架型地体和不同年龄的板块缝合带，可能是古特提斯洋闭合的产物，属于碰撞型构造（车自成等，2011）.现今主要表现为不同地质特征的弧形构造变形带和构造缝合带（Cunningham，2001；Heumann et al.，2012）.蒙古弧形构造带作为影响中国大陆内部变形运动的重要边界条件，其复杂的形成和发展历史，在其现今的地球物理场特征中深刻地得到了体现.现今中国大陆南部由于印度板块向北俯冲在新生代早期特提斯洋闭合而产生陆陆碰撞，从而引起岩石圈大规模构造变形，地壳不断增厚从而产生了规模庞大、错综复杂的青藏高原构造变形带（Molnar and Tapponnier，1975；Peltzer and Saucier，1996；England and Molnar，1997；Royden et al.，1997；Clark and Royden，2000）.同时，中国大陆的东部受太平洋板块和菲律宾板块的持续俯冲，不但影响其大陆岩石圈底部的构造变形，而且与中国大陆内部地震活动密切相关（张培震等，2003）.而作为北部边界的蒙古弧形构造带，自古生代时期就因为西伯利亚古大陆的向南运动而开始逐渐形成了一些列弧形山地与盆地群，并与后期的印度板块和太平洋板块运动共同作用对中国大陆岩石圈形变产生深远影响，三者共同对中国大陆形成了规模广泛的复合边界作用.而通过重力异常可以识别和研究不同构造单元之间的关系（郭良辉等，2012；孟小红等，2012），因此，从中国大陆北部的蒙古弧形构造变形带入手，研究其重力异常特征，并进一步揭示地壳和岩石圈上地幔的变形特点，具有重要的地质和地球物理意义.但是由于现今地表观测的重力异常是由各个深度不同规模和尺度的构造变形形成的密度不均匀体场源的复合体现，如何定量分离和研究不同深度密度界面场源体特征，是应用重力异常研究地壳内部结构的主要难点之一.分层重力图像方法可以第三方地球物理资料为参考，建立分层模型再通过重力异常正演手段来研究不同深度场源体分布对重力异常的贡献（王谦身和杨新社，1997）.

本文首先依据EGM2008模型提供的自由空气重力异常数据（Sandwell et al.，2013），计算了蒙古大陆及其周边的布格重力异常模型和均衡重力异常模型.其次，依据最新的Crust 1.0地壳1°×1°精度模型数据（Laske et al.，2013），建立了蒙古大陆及其周边从地表至55km深度范围的参考密度模型，并正演了地壳内部不同深度分层布格重力异常.最后，在此基础上，结合已知的构造分布，从6条不同位置的经向和纬向剖面及分层重力场特征等角度，计算了各种重力异常的功率谱特征及Moho密度界面与横向密度不均匀分布对重力异常特征的影响，详细并定量地分析了蒙古大陆及周边地区地壳－岩石圈上地幔密度场源体的重力异常特点.在下面的第2部分详细介绍了本文使用的数据来源、特点、已知构造位置及计算得到的布格重力异常和均衡重力异常分布特征；第3部分主要是依据最新的Crust地壳模型数据，建立了分层地壳模型，提取了不同深度范围的地壳变形特征、计算了重力异常的特征及其径向对数功率谱特点，进行了相应的分析；第4部分对本文研究内容、发现的问题以及解释结果等进行了系统地总结和讨论.

2 蒙古及周边地区构造背景和重力异常特征

本文以蒙古及周边地区的构造和重力异常场为研究对象，具体选定的研究区范围为东经86°至120°，北纬40°至53°，如图1所示.从图1中的地形起伏和主要活动断裂分布可以看出，蒙古山系及断裂走向均向南突出呈现弧形分布，以北部贝加尔裂谷（Baikai rift）的西端约105°为边界，其西部山系明显高于东部.其中，蒙古最高山系—杭爱山（Hangai Dome）覆盖区域在水平方向延伸超过500km，最高地区高程超过4000m.从地壳厚度差异看，蒙古地壳厚度呈现西部厚东部薄的分区特征，蒙古西部平均地壳厚度约45km（Petit et al.，2002）.在杭爱山下方的地壳最厚，可以超过50km.

蒙古弧地区在构造位置上处于西伯利亚南缘，由蒙古西部地块和兴安—东蒙地块拼接而成，块体分界约以现今105°为界.其中，蒙古西部地块从北向南可以分为萨彦、阿尔泰和阿拉善三个地块（张培震等，2003），蒙古1900年以来多次强震活动都集中于阿尔泰地块周围.根据地质调查资料在新生代中后期，蒙古西部和北部地区都有火山活动（Petit and Déverchère，2006）.至1905年以来共发生4次8级以上地震，其发震构造都位于蒙古西部地区的3条大型走滑断裂带上.其中，1905年BolnaiMw8.3地震和TsetserlegMw8.3地震都发生在位于杭爱山北部近东西走向的Bolnai左旋走滑断裂带；1931年Fu YunMw7.9地震发生在杭爱山西部北北西走向的阿尔泰右旋走滑断裂带；1957年BogdMw8.1地震发生在杭爱山南部近东西走向的Bogd左旋走滑断裂带.从地震活动作为构造运动的一种重要表现形式角度，可以认为蒙古弧西部构造变形带以杭爱山为中心，由于其受到南北两个方向的汇聚挤压作用，现阶段仍然发生持续的构造变形活动，不但在地表形成巨型高原隆起，而且在其周围形成了多条大型活动走滑断裂系统.从剪切波分裂得到的各向异性和地表GPS观测研究表明（Calais et al.，1998，2002；Calais and Amarjargal，2000），在杭爱山底部上地幔由于NS向挤压，可能存在岩石圈物质的东向流动，而西部由于阿尔泰山的阻挡没有明显的物质流动，并对克拉通底部岩石圈具有一定的减薄作用（Barruol et al.，2008）.

这些大规模的构造变形和地震活动事件，不但对现今的地形地貌产生重要改造，而且同时也会引起不同深度地壳内部变形以及壳内不同密度物质的运移或重新分布.这些构造变形特征都将反映到现今观测的重力异常之中（Jin et al.，1994，1996），因此，我们从蒙古及其周边的重力异常场入手，可以研究其壳内不同深度、不同尺度的界面变形特点.

图1 蒙古及周边地区地形及活动构造分布黑色实线为主要活动构造位置；红色虚线为中蒙活动地块边界；红色圆圈为地震震中位置；XDB为兴安—东蒙地块，SYB为萨彦地块，AETB为阿尔泰地块，ALSB为阿拉善地块，ZGRB为准格尔地块，TLMB为塔里木地块，HGD为杭爱山隆起，KT为肯特山隆起，BR为贝加尔裂谷，F1为Bolnai断裂，F2为Altay断裂，F3为Gobi－Altay断裂，F4为Bogd断裂，地震目录来源：http：／／www.isc.ac.uk／iscgem／.Fig.1 Tectonic setting and topography in Mongolia and adjacent areasSolid black lines are major active faults.Dashed red lines are the Sino－Mongolia active tectonic boundary.Red circles show epicenters of great earthquakes.XDB is Xing’an—Dongmeng block.SYB is Sayan block.AETB is Altay block.ALSB is Alxa block.ZGRB is Junggar block.TLMB is Tarim block.HGD is Hangai dome.KT is Kente dome.BR is Baikal rift.F1is Bolnai fault.F2is Altay fault.F3is Gobi—Altay fault.F4is Bogd fault.Earthquake catalogue is from http：／／www.isc.ac.uk／iscgem／.

图2 蒙古及周边地区自由空气重力异常图中自由空气重力异常基于EGM2008模型，重采样至1′网格精度，黑色实线为主要活动构造位置，红色虚线为中蒙活动地块边界，白色实线为Crust 1.0模型剖面位置，蓝色圆点为中蒙合作项目重力测点位置，黑色三角为中蒙合作项目流动地震台位置.Fig.2 Free－air gravity anomalies of Mongolia and its surrounding areasFree－air gravity anomalies are from the EGM2008model.Resampling size of dataset is 1minute.Solid black lines are major active faults.Dashed red lines show the Sino－Mongolia active tectonic boundary.White solid lines show profiles of Crust 1.0model.Blue dots are gravity measurement sites.Black triangles denote the seismic array.

本文主要基于EGM2008模型提供的自由空气重力异常模型计算蒙古及其周边地区重力异常场.根据EGM2008模型公布的数据来源和误差评估报告，蒙古国境内自由空气重力异常模型可靠性高（由于蒙古国重力数据开放，大量的蒙古国境内实测重力资料直接用于了EGM2008模型计算），数据标准偏差小于1.5mGal（Pavlis et al.，2008）.另外，从EGM2008公布的资料显示（Pavlis et al.，2012），对于如非洲、南美洲、中国大陆部分地区和俄罗斯等没有实测陆地重力资料约束的地区和海域面积上的重力异常模型精度并不高，而随着卫星测高技术的不断发展，Sandwell等不断对全球重力模型进行精化研究，主要思路是在陆地上基于EGM2008基础，在海域上融合更多的卫星测高资料计算出的重力异常，并将EGM2008提供的2160阶约5′网格精度数据，重新插值到1′网格上，并对海陆数据交界区域进行了优化处理.本文实际使用的重力异常数据来源于http：／／topex.ucsd.edu／网站提供的最新V22.1版本数据（Sandwell and Smith，2009；Sandwell et al.，2013）.蒙古及周边地区自由空气重力异常数据如图2所示.

依据该数据，我们通过计算得到蒙古及其周边地区的布格重力异常和均衡重力异常，通过对比三种重力异常场特征，讨论构造运动变形与重力异常场之间的关系.

由于在蒙古及周边地区可用的地球物理资料不多，本文为了对使用的EGM2008重力模型和Crust 1.0地壳模型的数据质量和精度情况进行验证，因此，选择中蒙双边合作开展的“远东地区地磁场、重力场及深部构造观测与模型研究”项目（中蒙合作项目）中取得的实际观测资料作为依据，通过对比有限区域的实际观测资料和模型资料之间的数据差异，来近似对本文研究中使用的整个蒙古及周边地区的模型数据进行评价.图3给出的模型评价结果表明，在蒙古中部地区的实测数据与模型之间线性相关较好；其中，图3a为中蒙合作项目在蒙古中部地区布设的64个宽频带流动地震台（测点位置见图2中黑色三角形标注），通过2年时间观测资料进行反演得到的测点位置 Moho面深度与Crust 1.0模型提供的Moho面深度之间对比，结果表明两者结果均方根误差（RMS）为1.0km.图3b为中蒙合作项目在蒙古中部实测的160个测点自由空气重力异常结果（相对重力测量，5km间距，以乌拉巴托绝对重力点为起算，测点位置见图2中蓝色圆点标注）与EGM2008模型之间的对比，统计结果表明两者之间的均方根误差为7.42mGal.因此，基于在蒙古地区局部实测数据与模型数据之间的统计分析，使用EGM2008重力异常数据和Crust 1.0地壳模型数据，在精度上可用于研究整个蒙古及周边地区的构造变形问题.

我们对图2所示的自由空气重力异常数据，首先进行坐标投影变换，采用Lambert投影，中央经纬度分别为105°和46°.再采用Fa2boug程序计算了该区的布格重力异常和均衡重力异常（Fernández et al.，2008），其中地形数据来源于topex.ucsd.edu网站公布的V16.1版本地形数据（Smith and Sandwell，1997），数据网格分辨率与自由空气重力异常相匹配，地形校正后得到的布格重力异常输出网格间距为4km.其中，对计算得到的布格重力异常和均衡重力异常，采用Guass低通滤波器进行区域异常和局部异常的分离（Li and Oldenburg，1998），滤波器参数空间尺度为50km，分离得到了如图4和5所示的区域布格和均衡重力异常场.

图3 模型数据与实测数据对比图中（a）为中蒙合作流动地震台阵位置实测Moho面深度与Crust 1.0模型提供的Moho面深度对比，（b）为中蒙合作重力剖面位置的实测自由空气重力异常与EGM2008模型提供的异常对比，流动台震位置和实测重力剖面位置如图2所示.Fig.3 Comparison of model data and the observed data（a）Comparison Moho depths derived from Seismic array of China－Mogolia project and Crust 1.0model；（b）Free－air gravity anomalies derived from the observation and EGM2008model.Locations of seismic array and gravity profile are shown in Fig.2.

图4 所示的蒙古及其周边地区布格重力异常整体上为负异常，异常范围在－309.3～ －18.79×10－5m·s－2之间.其中，西部地区的杭爱山和阿尔泰山为最大的负异常区，表明该区的地表隆起在深部对应大范围的“山根”.而东部地区布格重力异常明显高于西部，这主要是由于该区地壳明显较西部薄，特别是图中东部（在图4中坐标x＝500，y＝100周边）区域内，对应的NE向异常梯度带，与蒙古—鄂霍茨克（Mongol－Okhotian）缝合带位置相关性很好.图4所示的NE走向布格重力异常特征位置与在侏罗纪闭合的蒙古—鄂霍茨克海槽相对应，可能由于海槽两侧大陆地壳物性差异较大，在闭合时形成了该NE向布格异常梯度带，蒙古—鄂霍茨克海槽的闭合从构造演化过程上标志着蒙古地体拼合的结束，从现阶段蒙古大陆东部的布格重力异常特征上看，其地壳物质组成物性差异是明显的.

在图4的重力异常分布图上可以看出，蒙古大陆不同地体之间深部物性结构差异性特征明显，块体在构造力作用下完成拼接后，在重力异常上仍表现出明显的分块分带特征.其中西部异常特征与现今断裂构造相关，东部与不同块体之间的缝合带相关.

图5所示的是蒙古及其周边地区Airy－Heiskanen均衡重力异常.本文是采用该区的平均地壳深度45km和壳幔平均密度差0.45g·cm－3为参数进行计算，计算得到的均衡重力异常范围在－154.7～26.65×10－5m·s－2之间.一般认为，均衡重力异常的产生与构造活动引起的物质再分布相关.不均衡地区是由于地幔物质未得到相应的均衡补偿，以及岩石圈上地幔横向密度分布不均匀等因素引起的.物质的分布与构造运动关系表现为，均衡正异常区对应新构造隆起区，负异常对应沉降区，地震活动多发生在均衡异常梯度带上.在正负异常分布与隆起和沉降不协调的地区也多发生地震活动.

在临床中应用紫杉醇涂层支架的给药方式以局部给药为主，以涂层支架方式较为常用。经房凌海，英海荣等人[7] 的临床相关研究中，认为并未完全吸收的聚合物涂层聚丙烯酸酯，所带来的动脉壁局部发生炎症反应，极有可能是致使发生远端再狭窄的关键成因。也有相关研究者经研究提出，虽然磷酸胆碱涂层支架，在减少术后再狭窄这一方面的临床作用并未对其加以肯定，但是人体针对磷酸胆碱涂层的支架存在较好耐受性，可以对不良炎症反应有效减少。

图5所示的均衡重力异常分布以负异常为主，其中东部异常明显高于西部异常.在西部地区以坐标（x＝－300，y＝200）为中心周围的杭爱山地区的负异常特征最为明显，而地形最高的杭爱山地区对应均衡负异常表明，该区下方存在过补偿的低密度“山根”，这可能说明在古生代加里东期造山运动后，山系在深部得到均衡补偿后，受南北向构造挤压作用明显减弱.这个地质时期内主导该区的变形作用，表现为南北断裂的左旋走滑，南北向持续挤压作用减弱，地形隆升的构造力缺乏，再加上地表部分由于受到风化、剥蚀和搬运等作用影响，地表形变不再以隆起为主，并形成“过补偿”型重力均衡异常形态特征.

而其西南部的阿尔泰山（Altay）地区，均衡异常明显高于杭爱山地区，从造山时间上属于海西期，而且有逆冲型断裂带分布，在均衡异常上表现为北西向分布，这种形态均衡异常表明与持续的新构造运动相关.特别是在西部多条大型走滑断裂带上，都伴随串珠状分布的均衡异常带，这表明存在局部的隆起与沉降之间的不协调分布，对应壳内物质的局部不均衡，这些异常特征与区域地震活动密切相关.

3 基于Crust 1.0模型的重力异常正演

最新的Crust 1.0地壳模型共分为8层，将全球地壳从上至下分为水、冰、上沉积层、中沉积层、下沉积层、上地壳、中地壳、下地壳，模型分别给出每层界面的深度，密度，Vp和Vs波速度，该模型数据下载地 址 为：http：／／igppweb.ucsd.edu／～gabi／crust1.html.在图2中，我们给出了跨研究区4横4纵的8条剖面，将剖面对应的界面结构和密度结构经过三维插值后得到如图5所示的Crust 1.0密度结构剖面.在剖面中横纵坐标采用经／纬度和深度表示，其中，图6a为左侧4幅为按经度切割，图6b为右侧4幅为按纬度切割.其中密度变化最大的区域为中、下地壳和壳幔之间的结晶基底位置.

由图6a的LA1—LA4四条东西向纬向剖面的地壳结构看，蒙古及周边地区Moho面深度从西向东逐渐变浅，最大起伏超过10km.在图6a中LA3剖面的92°E范围对应的阿尔泰山断裂位置的地壳存在明显起伏，下地壳底界深度由41km快速过渡到50km；而向东紧邻的杭爱山隆起，下地壳底界深度也约为50km.图6b中99°E位置的LO2剖面上46°N位置对应杭爱山隆起，该处Moho面深度相比南侧深约5km.图6中99°E位置的LO3剖面在50°N—52°N范围内的贝加尔裂谷区下方地壳底部存在明显的高密度地幔隆起.

图4 蒙古及周边地区布格重力异常图中坐标变换采用Lambert投影，中央经纬线分别为105°和46°，布格重力异常网格输出间距为4km，并采用50km Guass低通滤波进行异常分离.Fig.4 Bouguer gravity anomalies of Mongolia and its surrounding areasMap projection uses Lambert method.Central longitude and latitude are 105°and 46°，respectively.Grid size of Bouguer gravity anomaly map is 4km and separated by Gaussian low－pass filtering with 50km.

图5 蒙古及周边地区均衡重力异常图中坐标变换采用Lambert投影，中央经纬线分别为105°和46°，布格重力异常网格输出间距为4km，并采用50km Guass低通滤波进行异常分离，均衡重力异常计算参数选择：地壳平均深度45km，壳幔密度差0.45g·m－3.Fig.5 Isostatic gravity anomalies of Mongolia and its surrounding areasMap projection uses Lambert method.Central longitude and latitude are 105° and 46°，respectively.Grid size of Bouguer gravity anomaly map is 4km and separated by Gaussian low－pass filtering with 50km.Parameters for computing isostatic anomalies are 45km for the crustal average depth and 0.45g·m－3 for the density difference.

图6 Crust 1.0模型的剖面结果及密度分布图中（a）LA1—4剖面按经度切割，图中（b）LO1—4剖面按纬度切割，图中水平方向根据Crust 1.0模型进行0.25°网格间距插值，在深度方向的密度变化采用1km深度网格进行插值.Fig.6 Crust 1.0profiles and density structuresProfiles on left are along longitudes.Profiles on right are along latitudes.Horizontal grid size is 0.25degree by interpolation with Crust 1.0model.Vertical density is gridded with 1km spacing.

因此，从Crust 1.0数据结构中，我们可以看出该数据不仅包含了主要壳内界面的起伏，同时也包含壳内密度横向不均匀分布信息.特别对于一些大型断裂构造与深部界面结构之间的关系，该模型可以给出非常有价值的信息.在此参考模型约束下，我们可以通过正演计算其重力异常，并与实测异常对比，来定量分析不同壳内深度异常场源产生的重力异常特点，进一步可以定量分析主要地壳界面起伏与横向密度不均匀等因素作为已知特征场源如何影响实测重力异常.

本文基于六面体模型，依据Crust 1.0地壳分层模型的密度结构和界面起伏，将地壳以水平方向25km×25km，深度方向1km的单元尺度进行剖分.通过正演计算得到了不同深度场源体的布格重力异常.图7给出了基于Crust 1.0地壳模型分层数据的密度结构信息和相关正演结果.图7a给出了Crust 1.0模型的0～55km深度地壳模型密度正演布格重力异常，对于重力异常正演问题，需要给出地壳正常密度，我们通过统计不同地壳正常密度模型的正演布格重力异常与模型布格重力异常之间的误差平方和，发现在地壳正常密度取2.99g·cm－3时，两者误差平方和最小.因此，图7a—d计算正演布格重力异常，均以该正常密度值为参考计算每个单元的不均匀密度异常值.图7a正演的总布格重力异常在总体形势与模型重力异常趋势同为西低东高，最大差异在研究区东南部位置，这可能与实际该区地壳内存在低密度异常体分布有关.图7b为Crust 1.0模型给出的上地壳浅部（0～20km）密度不均匀体重力异常正演结果，整体异常为负值，在少数浅地表盆地区域呈现负异常高值区外，整体异常分布比较均匀.

图7 基于Crust 1.0模型的正演布格重力异常（a）0～55km正演总布格异常；（b）0～20km正演分层布格重力异常；（c）20～30km正演分层布格重力异常；（d）30～55km正演分层布格重力异常；（e）Crust模型给出的Moho面深度分布；（f）Crust模型给出的Moho横向密度变化；（g）采用平均密度正演的Moho面起伏重力异常，其中正演密度值为0.39g·cm－3；（h）采用f给出的变密度正演的Moho面起伏重力异常分布.Fig.7 Bouguer gravity anomalies from forward modeling based on Crust 1.0model（a）Total Bouguer gravity anomalies（BGA）in 0～55km depth；（b）BGA in 0～20km depth；（c）BGA in 20～30km depth；（d）BGA in 30～55km depth；（e）Moho relief based on Crust 1.0model；（f）Horizontal density variation of Moho surface based on Crust 1.0model；（g）Gravity anomalies of Moho surface using average density 0.39g·cm－3；（h）Gravity anomalies of Moho surface using varied density of Crust 1.0model.

图7 c给出的中地壳（20～30km）深度范围密度异常体正演重力异常趋势与图7b相似，异常分布较均匀仍以负值为主体，但整体均值略高于图7b.图7d给出了下地壳和岩石圈上地幔（30～55km）深度范围密度异常体正演重力异常结果，从异常的空间分布特征上看与图7a趋势相似，呈现出整体的西低东高特点，但异常以正值为主.并与图7e所示的Moho面深度分布趋势相似，这也说明Crust 1.0版本的地壳模型给出的主要密度变化或异常源位置在下地壳.图7f给出了该地壳模型Moho面上下的密度横向变化，密度变化均值为0.39g·cm－3，变化范围在0.24～0.54g·cm－3之间，其中北部贝加尔裂谷周围壳幔之间密度差最小，这与构造拉张作用引起的下地幔物质上涌有关.图7g和7h是依据图7e所示的Moho面深度起伏，分别依据常密度和变密度模型在频率域进行了正演计算（Parker，1972；Oldenburg，1974），给出由 Moho起伏引起的重力异常.从异常特征对比发现，壳幔密度的横向变化对Moho异常影响较大，在密度横向变化差异大于0.2g·cm－3的地区，密度的横向不均匀性在 Moho面反演计算中应该予以考虑.

图9所示的4种重力异常曲线，黑色和蓝色曲线分别表示计算布格重力异常、基于地壳模型正演的布格重力异常，数据范围依据左侧坐标轴；红色和绿色曲线分别代表计算均衡重力异常、黑线和蓝线差值的剩余布格重力异常，数据范围依据右侧坐标轴.从图9各图中的黑色和蓝色曲线对比，容易发现，基于地壳模型正演的布格重力异常（蓝线）异常中低频成份占主体，异常幅值范围相差不大，但如SX1－3曲线所示，东部异常之间具有明显差异，其中基于地壳模型正演的布格重力异常大于EGM2008模型给出的重力异常.而在南北方向的剖面上，如SY1－3曲线所示，异常趋势性差异不明显，但是SY3所在的东部仍然具有一定差异.分析这种重力异常之间的差异性特征，首先，由于在现有的Crust地壳模型中对于浅部可以引起高频重力异常的密度不均匀体成份描述较少；其次，两种异常趋势性特征较一致，说明深部地壳界面起伏和不均匀性是引起重力异常趋势性变化的主要因素.在蒙古地区东部由于Moho面深度较浅，深部高密度体在异常中占较大比例，浅部的一些盆地等上地壳低密度异常体缺少描述，而目前又采用的是均一厚度模型（55km），因此，基于地壳模型正演的布格重力异常值高出了实际模型给出的布格重力异常.图9各图中，红色曲线所示的剖面位置Airy－Heiskanen均衡重力异常，起伏特征小于绿色曲线，说明蒙古弧范围内大部分区域属于地质年龄较老的构造单元体，多数地区处于较均衡状态.而绿色曲线所示的模型剩余布格重力异常，更体现的是实际观测到的壳内界面变形与实际重力观测模型之间的异常差异，且具有异常变化起伏大，高频成分多的特点，与中上地壳内密度不均匀体分布密切相关.因此，基于该异常进一步反演浅部地壳密度不均一体分布，开展重力异常与地壳模型之间的联合反演，可以进一步提高地壳模型的空间尺度描述能力，提高地壳模型的分辨率.

4 结论和讨论

本文基于最新全球自由空气重力异常数据，计算了蒙古及周边地区的布格重力异常和均衡重力异常.并采用Crust 1.0地壳模型为参考，对蒙古及周边地区不同深度地壳密度结构模型进行了计算，并对得到的正演布格重力异常与实际重力异常进行了对比和分析.研究得出如下结论：

（1）基于EGM2008重力模型给出的蒙古及周边地区自由空气重力异常场，计算得到的均衡重力异常表明，在蒙古西部杭爱山隆起周围不存在高值均衡重力异常分布，这说明该区已经得到较充分的均衡补偿，而“过补偿”特征的形成说明在新生代以来南北向的挤压造山作用已并不为主导；而阿尔泰山地区西南部存在明显的高均衡异常梯度带，这说明该区存在新构造变形运动，地表隆起的同时，在深部没有形成完整的“山根”.因此，蒙古深部地壳介质的自西向东的运移模型，力源可能不再以北部西伯利亚板块与南部欧亚板块的挤压为主，更多与阿尔泰山西南地块的北东向运动有关，杭爱山南北两个方向的走滑断裂构造的形成原因也于此相关.

（2）通过Crust 1.0模型正演的布格重力异常场，与实际模型给出的布格重力异常在趋势上存在一致性，但两种异常在频率成份上仍存在较大差异.这主要是因为Crust地壳分层模型给出的浅部和中上层地壳密度异常体分布较均匀，且分辨率仍较低.因此，使用该地壳模型估计浅部密度不均匀体分布需要充分考虑其适用性.

图8 壳内剩余不均匀体重力异常特征Fig.8 Gravity anomalies of residual heterogeneous bodies

图9 重力异常剖面对比图中黑色实线布格重力异常，蓝色实线正演布格重力异常，红色实线均衡重力异常，绿色实线为剩余布格重力异常，左侧三列剖面方向从西向东，右侧三列剖面方向从南向北.Fig.9 Comparison of gravity anomaly profilesSolid black lines are Bouguer gravity anomalies derived from EGM2008model.Solid blue lines are Bouguer gravity anomalies derived from forward modeling based on Crust 1.0model.Solid red lines are Isostatic gravity anomalies.Solid green lines are residual gravity anomalies.Direction of figures in left side is from west to east.Direction of figures in right side is from south to north.

（3）该Crust 1.0模型给出的三层地壳深部界面起伏，与地表断裂分布有一致性且对应良好，与地形之间的相关关系和重力均衡作用基本一致.在贝加尔裂谷区下方可以给出明确的地幔高密度物质异常，在阿尔泰山的均衡重力异常高值区即新构造运动区域内，断裂下方的地壳分界面变形特征明显，正演的重力异常特征与实际观测基本一致.

（4）以Crust 1.0模型揭示的Moho面起伏和界面上下密度横向不均匀分布为正演模型，计算得到的Moho面重力异常与均一密度界面模型正演得到的重力异常特征差异性十分明显，因此，对构造复杂区域应用布格重力异常资料进行Moho界面反演时如何考虑界面密度分布的横向不均匀性，可能是提高反演结果合理性的重要途径.

（5）从研究区的整个地壳上下密度不均匀体分布特征看，在蒙古弧形构造内部密度差比较均匀，与整体均值0.39g·cm－3较接近，而其南部的壳幔密度差异明显大于北部，形成这种趋势的原因在北部由于贝加尔湖裂谷的拉张作用，地幔高密度物质上涌，因此，Moho面上下密度差异明显减小.而古老的蒙古弧构造其形成、发展、以及后续重力均衡作用不断对其改造，使其深部的横向密度差异性特征不明显.这种特征表明，依据地表构造特点上划定的蒙古弧形构造变形带，与其深部物性分布具有一致性.

本文根据EGM2008重力场模型数据结果，对蒙古及周边地区的重力异常场与Crust 1.0模型正演结果之间进行了对比分析，并得到以上结论.本文认为从地震学给出的地壳内部主要界面起伏和密度分布在趋势上与观测重力异常具有较好的一致性，但是浅部特别是上地壳范围深度内，缺少与重力高频异常相对应的密度不均匀分布.但Crust 1.0模型给出的壳幔横向密度不均匀体分布对于计算Moho面起伏引起的重力异常作用明显，同时给出的地壳内深界面起伏变化能在一定程度上体现较大规模断裂构造的深部变形特征.本文研究结果对于认识蒙古东西部构造特征差异，以及现今西部活动断裂的地球物理场特征具有参考意义.

致谢 本文研究过程中得到了蒙古科学院天文与地球物理研究中心BatsaikhanTserenpil博士提供的部分数据资料，中国地震局地球物理研究所吴庆举研究员提供了中蒙合作项目流动台阵观测获得的Moho面深度数据，中蒙合作项目重力剖面测量与数据处理工作由安徽省地震局徐如刚，甘肃省地震局闫万生和中蒙联合工作组共同完成，在此一并表示感谢.

Barruol G，Deschamps A，Déverchère J，et al.2008.Upper mantle flow beneath and around the Hangay dome，Central Mongolia.EarthandPlanetaryScienceLetters，274（1－2）：221－233，doi：10.1016／j.epsl.2008.07.027.

Calais E，Lesne O，Déverchère J，et al.1998.Crustal deformation in the Baikal Rift from GPS measurements.GeophysicalResearch Letters，25（21）：4003－4006，doi：10.1029／1998GL900067.

Calais E，Amarjargal S.2000.New constraints on current deformation in Asia from continuous GPS measurements at Ulan Baatar，Mongolia.GeophysicalResearchLetters，27（10）：1527－1530，doi：10.1029／1999GL005444.

Calais E，Vergnolle M，Déverchère J，et al.2002.Are post－seismic effects of theM＝8.4Bolnay earthquake（1905July 23）still influencing GPS velocities in the Mongolia－Baikal area？Geophysical JournalInternational，149（1）：157－168，doi：10.1046／j.1365－246X.2002.01624.x.

Che Z C，Luo J H，Liu L.2011.The Regional Geotectonics of China and Its Adjacent Area （in Chinese）.2nd ed.Beijing：Science Press.

Clark M，Royden L H.2000.Topographic ooze：building the eastern margin of Tibet by lower crustal flow.Geology，28（8）：703－706.

Cunningham W D.2001.Cenozoic normal faulting and regional doming in the southern Hangay region，Central Mongolia：implications for the origin of the Baikal rift province.Tectonophysics，331（4）：389－411，doi：10.1016／S0040－1951（00）00228－6.

England P，Molnar P.1997.Active deformation of Asia：from Kinematics to Dynamics.Science，278（5338）：647－650，doi：10.1126／science.278.5338.647.

Fernández M，Fullea J，Zeyen H.2008.FA2BOUG－A FORTRAN 90code to compute Bouguer gravity anomalies from gridded freeair anomalies：Application to the Atlantic－Mediterranean transition zone.Computers＆Geosciences，34（12）：1665－1681.

Guo L H，Meng X H，Shi L，et al.2012.Preferential filtering method and its application to Bouguer gravity anomaly of Chinese continent.ChineseJournalGeophysics（in Chinese），55（12）：4078－4088，doi：10.6038／j.issn.0001－5733.2012.12.020.

Heumann M J，Johnson C L，Webb L E，et al.2012.Paleogeographic reconstruction of a late Paleozoic arc collision zone，southern Mongolia.GeologicalSocietyofAmericaBulletin，124（9－10）：1541.

Jin Y，McNutt M K，Zhu Y S.1994.Evidence from gravity and topography data for folding of Tibet.Nature，371（6499）：669－674.

Jin Y，McNutt M K，Zhu Y S.1996.Mapping the descent of Indian and Eurasian plates beneath the Tibetan Plateau from gravity anomalies.JournalofGeophysicalResearch：SolidEarth，101（B5）：11275－11290，doi：10.1029／96JB00531.

Laske G，Masters G，Ma Z T，et al.2013.Update on CRUST1.0－A 1－degree global model of Earth′s crust.Geophys.Res.Abstracts，15（Abstract EGU2013－2658）.

Li S J，Zhang W J，Geng M S，et al.1998.Introduction on Tectonic and Evolution of Mongolia arc（in Chinese）.Beijing：Geological Publishing House.

Li Y G，Oldenburg D W.1998.Separation of regional and residual magnetic field data.Geophysics，63（2）：431－439.

Meng X H，Shi L，Guo L H，et al.2012.Multi－scale analyses of transverse structures based on gravity anomalies in the northeastern margin of the Tibetan Plateau.ChineseJournal Geophysics（in Chinese），55（12）：3933－3941，doi：10.6038／j.issn.00015733.2012.12.006.

Molnar P，Tapponnier P.1975.Cenozoic tectonics of Asia：effects of a continental collision.Science，189（4201）：419－426，doi：10.1126／science.189.4201.419.

Oldenburg D W.1974.The inversion and interpretation of graivty anomalies.Geophysics，39（4）：526－536.

Parker R L.1972.The rapid calculation of potential anomalies.Geophys.J.R.Astron.Soc.，31（4）：447－455.

Pavlis N K，Holmes S A，Kenyon S C，et al.2008.An earth gravitational model to degree 2160：EGM2008.／／The 2008 General Assembly of the European Geoscience Union.Vienna，Austria，13－18.

Pavlis N K，Holmes S A，Kenyon S C，et al.2012.The development and evaluation of the Earth Gravitational Model 2008（EGM2008）.JournalofGeophysicalResearch：SolidEarth（1978—2012），117（B4），doi：10.1029／2011JB008916.

Peltzer G，Saucier F.1996.Present－day kinematics of Asia derived from geologic fault rates.JournalofGeophysicalResearch：SolidEarth，101（B12）：27943－27956，doi：10.1029／96JB02698.

Petit C，Déverchère J，Calais E，et al.2002.Deep structure and mechanical behavior of the lithosphere in the Hangai－Hövsgöl region，Mongolia：new constraints from gravity modeling.EarthandPlanetaryScienceLetters，197（3－4）：133－149，doi：10.1016／S0012－821X（02）00470－3.

Petit C，Déverchère J.2006.Structure and evolution of the Baikal rift：A synthesis.Geochemistry，Geophysics，Geosystems，7（11）：Q11016，doi：10.1029／2006GC001265.

Royden L H，Burchfiel B C，King R W，et al.1997.Surface deformation and lower crustal flow in Eastern Tibet.Science，276（5313）：788－790，doi：10.1126／science.276.5313.788.

Sandwell D，Garcia E，Soofi K，et al.2013.Toward 1－mGal accuracy in global marine gravity from CryoSat－2，Envisat，and Jason－1.TheLeadingEdge，32（8）：892－899，doi：10.1190／tle32080892.1.

Sandwell D T，Smith W H F.2009.Global marine gravity from retracked Geosat and ERS－1altimetry：Ridge segmentation versus spreading rate.JournalofGeophysicalResearch，114：B01411，doi：10.1029／2008JB006008.

Smith W H F，Sandwell D T.1997.Global sea floor topography from satellite altimetry and ship depth soundings.Science，277（5334）：1956－1962，doi：10.1126／science.277.5334.1956.

Wang Q S，Yang X S.1997.Stratified gravity image and its application.ChineseJournalGeophysics（in Chinese），40（5）：649－659.

Zhang P Z，Deng Q D，Zhang G M，et al.2003.The active－tectonic blocks and strong earthquakes in the China mainland.Sciencein China（SeriesD）（in Chinese），33（S）：12－20.

附中文参考文献

车自成，罗金海，刘良.2011.中国及其邻区区域大地构造学.2版.北京：科学出版社.

郭良辉，孟小红，石磊等.2012.优化滤波方法及其在中国大陆布格重力异常数据处理中的应用.地球物理学报，55（12）：4078－4088，doi：10.6038／j.issn.0001－5733.2012.12.020.

李述靖，张维杰，耿名山等.1998.蒙古弧地质构造特征及形成演化概论.北京：地质出版社.

孟小红，石磊，郭良辉等.2012.青藏高原东北缘重力异常多尺度横向构造分析.地球物理学报，55（12）：3933－3941，doi：10.6038／j.issn.00015733.2012.12.006.

王谦身，杨新社.1997.分层重力图像方法及其应用.地球物理学报，40（5）：649－659.

张培震，邓起东，张国民等.2003.中国大陆的强震活动与活动地块.中国科学（D辑），33（S）：12－20.