华北断块区均衡重力异常、构造特征及地震活动

2015-12-14黎哲君徐如刚张玮晶毅李杨光亮龙剑锋

地震地质 2015年2期

关键词：柱体断块新生代

黎哲君徐如刚* 张玮晶张毅李辉杨光亮龙剑锋

1)安徽省地震局，合肥 230031

2)中国地震局应急搜救中心，北京 100049

3)中国地震局地震研究所，武汉 430071

0 引言

华北断块区为中国最古老的岩石圈断块区，在早前寒武纪就已克拉通化并形成稳定的结晶基底，经过中生代燕山构造期较强烈的构造岩浆活动及新生代喜马拉雅构造期的新构造运动，形成了断块区内构造特征各异的次级断块并维持着较高的构造活动水平(张文佑等，1983;丁国瑜等，1989;汪一鹏等，1989;邢集善，2002)，断块区内许多地方虽远离板块边界，却地震频发，华北断块区是中国强震活动较为集中的地区之一。为追踪华北地区地震形势，中国地震局在华北地区布设了流动重力监测网络，测网覆盖首都圈、内蒙古、辽宁、山西、河北、河南、山东、湖北、安徽、江苏等地区，监测数据在大华北地区年度地震趋势研判中发挥了积极作用，为了更好地利用流动重力观测数据来分析震情，迫切需要全面认清华北地区地壳重力均衡背景。20世纪80年代至今，许多学者(殷秀华等，1982;冯锐等，1987a，b，1989;唐新功，2011;陈石等，2011)基于不同的重力和地形资料，从重力均衡角度对华北断块区部分地区的构造特征和地震活动规律等开展了一系列研究工作，初步揭示了华北部分地区的地壳重力均衡状态及其与地震活动的关系，以往研究主要集中于华北不同局部地区各自的均衡重力异常特征，采用了不同的原始数据类型、计算方法和模型参数，得到的计算结果精度和分辨率也各不相同，但研究结果都基本认同华北地区并未完全达到地壳均衡状态，部分地区地震活动可能受到均衡调整作用的影响。本文基于EGM2008的自由空气异常，利用数字地形模型高程数据，根据Airy均衡模型计算得到华北地区完整的5'×5'网格分辨率均衡重力异常，计算结果完整、详细地反映了华北断块区地壳重力均衡状况，而后基于计算结果探讨均衡重力异常的构造特征含义及其与地震活动的关系。本文研究区域(105°～124°E，30°～43°N)如图1所示，以华北断块区为主要研究对象，图中同时给出了公元前780年至2013年10月31日研究区域内6.0级以上地震震中(中国地震台网中心，2011)分布、断块分区及主要断裂分布情况。

图1 研究区域位置、构造背景及地震分布(断块分区引自邓起东等，2009;断层引自任纪舜等，2002)Fig.1 Location，tectonic background and earthquake distribution of the study area(Block boundaries are from DENG Qi-dong et al.，2009;faults are from REN Ji-shun et al.，2002).

1 数据

原始数据包括重力数据和地形数据两部分，本文所用重力数据为获取自高精度地球重力场模型EGM2008的自由空气异常，陆地地形资料来自ASTER GDEM 2009数据，海底地形采用ETOPO1数据。

1.1 自由空气异常

EGM2008由美国国家地理空间情报局(NGA)开发，利用了GRACE卫星重力资料和全球5'×5'重力异常数据库，最高阶数可达2 190阶(NGA，2011)，也是本文计算的阶数。

地球重力场模型是地球引力位按球谐函数展开中引力位系数的集合，利用地球重力场模型EGM2008，按照式(1)可计算得到华北地区自由空气异常(图2)。

式(1)中，Δgf为自由空气异常，fM为地球引力常数，是完全正常化地球扰动引力位系数，R是地球平均半径，θ是地心余纬，λ是地心经度，为完全正常化缔合勒让德函数。

图2 华北地区EGM2008自由空气异常Fig.2 Free-air gravity anomaly in North China area from EGM2008.

1.2 数字地形模型

陆地地形改正所用地形数据来源于高精度数字地形模型ASTER GDEM 2009，其网格分辨率达到1″×1″，地形高程精度为20m(METI，2011)，ASTER GDEM 2009地形数据只覆盖陆地部分，对于ASTER GDEM 2009数据未覆盖的海区则用ETOPO1数据补充，ETOPO1陆地高程数据来源于数字地形模型SRTM30，海底地形数据来源于世界大洋深度图(GEBCO)和海洋测深数据，网格分辨率为1'×1'(Amante et al.，2011)，基本可以满足地形改正的需求。如此可将地形改正的外区范围扩展至全球，从而保证计算结果的准确性，并得到华北地区跨海、陆的完整均衡重力异常结果。

2 计算方法

2.1 地壳均衡模型及参数

目前最为常用的地壳均衡模型有Airy模型、Pratt模型和维宁－曼尼兹模型等，实际应用中发现不同均衡模型的选择及模型参数较小的变化不会造成均衡重力异常结果的明显差异(冯锐等，1987;Woldetinsae et al.，2005)，本文不再就均衡模型的选择进行讨论。由于在华北地区Airy模型补偿效果略好于Pratt模型(张文佑等，1983)，因此本文直接采用Airy均衡模型。Airy均衡理论认为山根密度与周围物质密度相同，地形相对于大地水准面的起伏越大，对应的山根或反山根越厚，按照式(2)计算Airy山根和反山根厚度，按照式(3)计算均衡补偿深度。

式(2)、(3)中，t为山根或反山根厚度，ρc为标准地壳密度，取为2.67g/cm3，ρm为标准地幔密度，取为3.27g/cm3，ρw为海水密度，取为1.03g/cm3，hj为地形高程，T为均衡补偿深度，D为标准地壳厚度。

标准地壳厚度根据地壳模型CRUST2.0确定。由CRUST2.0数据统计得到研究区域平均地壳厚度为35.88km，平均地形高程，在假设地壳达到均衡状态的情况下，由式(2)可知陆地平均山根厚度已知研究区域平均地壳厚度为

可求得研究区标准地壳厚度:

因而计算中采用32.45km作为Airy均衡模型的标准地壳厚度。

2.2 地形－均衡改正

地形改正就是将相对于大地水准面的地形起伏对重力观测值的影响去除，传统的地形改正方法将地形划分为布格板和残余地形两部分，而布格板只是对地形的粗略近似，计算精度比较低，在地形复杂地区误差更大(Heck et al.，2007)。高分辨率DEM的出现为精确计算地形改正值提供了方便，DEM将地形按地理经纬度坐标划分为一个个的地形单元柱体，可以很容易地建立起计算点和地形柱体间的几何关系。如图3所示，以计算点O为原点建立直角坐标系，X轴沿经度方向，Y轴沿纬度方向，Z沿高程方向，地形柱体中心点为P，则可按式(4)(Nagy et al.，2000;Fullea et al.，2008)采用严格积分方法计算地形柱体对O点的重力改正值。根据Airy均衡模型计算出对应的山根柱体的深度，可以采用和地形改正类似的方法计算出地形柱体所对应的山根柱体重力改正值，两者之和便是地形－均衡改正值。

式(4)中，x1、x2为地形柱体的x坐标范围，y1、y2为地形柱体y坐标范围，H1、H2为地形柱体高程范围，r为计算点至地形柱体中心的距离，ρ为地形柱体密度，G为万有引力常数(6.67×10－11N·m2/kg2)。

为提高计算效率，地形－均衡改正通常采用分区计算的方法。经过验算，对于距离计算点10km以上的地形柱体，点质量模型公式和严格积分公式之间的相对误差＜1%(图4)。因而按距计算点的距离将地形分为近、远2个区，分别采用不同的质量模型计算地形－均衡改正值，近区半径为10km，地形柱体采用严格积分公式，近区以外为远区，地形改正采用计算效率更高的点质量公式(程振炎等，1985)，由于山根距离计算点均超过10km，因而近、远区均衡改正均采用点质量公式。

图3 地形柱体、山根柱体与计算点几何关系示意图Fig.3 Geometric relationship of topographic prism，root prism and calculation point.

图4 点质量模型公式与严格积分公式相对误差随距离衰减曲线Fig.4 Attenuation curve of relative error between point-mass and prism approaches with the increasing of distance.

3 计算结果及讨论

均衡重力异常计算结果受到局部地形剧烈起伏的影响，表面很不平滑，经小波变换方法进行滤波，剔除地形剧烈起伏干扰后得到较平滑的结果(图5)，和由实测资料整理、计算得到的结果(冯锐等，1987，1989;唐新功，2011)总体相符，主要的均衡高值区和低值区对应良好，总体变化趋势较一致，本文计算结果由于分辨率更高而能反映出更细节的特征。陈石等(2011)曾利用TopexV18.1自由空气异常和GTOPO30地形数据计算了华北地区(109°～124°E，30°～43°N)陆地Airy均衡重力异常，亦与本文计算结果相似。

图5 华北地区Airy均衡重力异常计算结果Fig.5 Airy isostatic gravity anomaly in North China area.

3.1 均衡重力异常总体特征

从计算结果来看，华北断块区均衡重力异常值处于(－90～40)×10－5m/s2，均值为－6×10－5m/s2左右，全区以绝对值不超过30×10－5m/s2的均衡重力异常为主，燕山隆起南侧、太行山隆起靠近华北平原一侧及胶辽隆起为主要的均衡高值区，最高超过40×10－5m/s2，环鄂尔多斯断块四周的张性断陷盆地为显著均衡异常低值区，均衡重力异常在河套断陷带内最低可达－90×10－5m/s2左右。区内均衡重力异常在空间分布上极不均匀，存在显著的横向变化，均衡高值区和低值区呈现交替分布的特征。

均衡重力异常计算结果受地壳均衡模型、均衡理论和计算方法等多种因素影响。如地壳参数和实际情况的差异以及Airy均衡模型未考虑到地壳弹性形变对均衡补偿作用的影响(Armstrong et al.，2001)等，这些都会导致计算结果存在一定的偏差，在对均衡重力异常计算结果进行讨论时，通常认为当均衡重力异常值处于(－20～20)×10－5m/s2时地壳已经接近均衡状态(程振炎等，1985)，基于这一原则，对华北断块区内各断块的地壳均衡状态进行初步划分。1)地壳均衡区(异常绝对值＜20×10－5m/s2):鄂尔多斯断块以东的大多数地区已经接近地壳均衡状态，特别是D3和D7断块，全区均衡重力异常值普遍较小，此外D2、D4、D5和D6的大部分地区以及D1的东北部地区都接近地壳均衡状态;2)地壳亚均衡区(异常绝对值为(20～40)×10－5m/s2):地壳亚均衡区以负重力异常区为主，如D1中部和西南部、D4中部、HTB内的呼包盆地和SXB内的太原盆地等，除此之外，D2、D5和D6内零散分布的局部均衡高值区也可以认为是地壳亚均衡区;3)地壳失衡区(异常绝对值超过40×10－5m/s2):地壳失衡区以显著负均衡重力异常区为主，主要集中在鄂尔多斯断块(D1)及其周边地区，如HTB内的河套平原断陷、SXB内的渭河地堑和D1西侧的局部地区。从均衡状态分区特征来看，华北断块区内的大多数地区都已接近地壳均衡状态，地壳均衡状态分区的空间分布的规律性并不十分明显，不以断块为单位成片出现，主要是反映了新生代隆起或沉降等局部构造特征，如均衡重力异常为负值的亚均衡区以新生代沉积盆地为主，均衡重力异常为正值的亚均衡区以新生代隆起区或结晶基底埋深浅的地区为主，地壳失衡区则主要是新生代沉积很厚的断陷盆地，可见华北断块区地壳均衡状况和新生代构造特征的关系密切。

3.2 均衡重力异常与构造特征

计算结果表明华北断块区均衡重力异常有着明显的空间差异性，分析认为这种差异性不能简单地归结为地壳均衡状况的差异，对区内均衡重力异常产生影响的因素主要有2个:1)地壳表层物质密度的横向变化;2)深部构造特征的差异。

3.2.1 均衡重力异常与地壳表层物质

中国现代地貌轮廓基本上奠定于新构造时期，华北地区的现代垂直构造运动基本上沿袭着新构造运动发展格局(丁国瑜等，1989;李志义等，1989)。从均衡重力异常空间分布来看，相对高值区主要对应着新生代构造隆起区，相对低值区主要对应着新生代下降区。这与新生代隆起区多为基岩出露地区，结晶基底埋深较浅，地壳表层密度较大，而新生代下降区被巨厚沉积物所填充，地壳表层物质密度较小有关。

地壳表层物质对均衡重力异常的影响在鄂尔多斯断块周缘断陷盆地尤为明显，如鄂尔多斯断块东南缘近S形分布的山西断陷带内的渭河地堑、汾河地堑、太原盆地、大同盆地，以及断块北缘的河套平原、呼包盆地和西缘的银川盆地等新生代张性断陷盆地均为显著的局部均衡低值区。其较大的负均衡值不能简单地归结于均衡补偿过剩，由于这些断陷盆地为新生代剧烈下降区，被巨厚的年轻堆积物填充(刘光亚，1964)，低密度的新生代沉积物可能是造成负均衡的重要原因。以渭河地堑为例，其最大沉积厚度可达8km(殷秀华等，1994;滕吉文等，2008)，沉积物与盆地四周密度差异估计为0.25g/cm3左右(殷秀华等，1994)，将沉积物质假定成1个规模为50km×280km×8km的均匀密度异常体，定量计算得到其地形－均衡影响为78×10－5m/s2，已经基本可以抵消该处的负均衡异常(极值为－80×10－5m/s2左右)。虽然这种近似估算的方法得到的只是粗略的结果，但是可以看出地表物质密度的横向变化对均衡异常值的影响是显著的。根据已有的资料(冯锐等，1989;殷秀华等，1994;滕吉文等，2008;杨卓欣等，2009)可以确定，环鄂尔多斯断块四周的断陷盆地普遍存在数千米厚的新生代沉积，推测是造成相关地区均衡重力异常值偏低的重要原因，由于缺乏准确的资料进行定量计算，仍无法断定低密度新生代沉积物就是这些地区均衡异常相对较低的惟一原因。除此之外，华北平原断块的坳陷区、河淮平原、渤海湾盆地等新生代下降区(张存德等，1990;嘉世旭等，2005)均表现出明显的负均衡重力异常，鄂尔多斯断块和阴山隆起西北侧虽为新生代隆起区，但鄂尔多斯断块广泛分布的中生代沉积层(殷秀华等，1994)及阴山造山带北侧可能存在着数千米厚的沉积建造(滕吉文等，2008;阮小敏等，2011)，因而均表现出负均衡重力异常。而太行山隆起、阴山隆起南侧和燕山隆起南侧等均衡高值区的结晶基底几乎出露地表(滕吉文等，2008;嘉世旭等，2005，2009)，较浅的高密度古老基岩对高均衡重力异常有一定的贡献。华北断块东南部的鲁溪隆起、鄂尔多斯断块东北部的朔左地台隆起和吕梁山隆起均表现出相对高值，可能也与这些地区地壳表层物质密度相对较高有关。地壳表层物质对均衡的影响不仅体现在不同块体之间，在块体内部同样明显，如华北平原断块内的沧县隆起及其东西两侧的黄骅坳陷和冀中坳陷呈现出规则的低－高－低相间分布的近NE向均衡异常条带，这与黄骅坳陷古近系以来沉积厚度达3km，而夹持于两坳陷区之间的沧县隆起仅约1km的沉积分布特征(嘉世旭等，2009)有良好的对应关系，同样的，苏沪－黄海断块内的坳陷区(嘉世旭等，2005)也与均衡异常低值区相对应。

3.2.2 均衡重力异常与深部构造

均衡重力异常受到莫霍界面起伏及地表至莫霍界面之间物质分布的综合影响，除受地壳表层物质密度差干扰外，同时也反映了深部构造信息。虽然区内均衡重力异常受新构造升降运动影响较大，但两者之间并不成比例关系，新构造升降幅度对均衡重力异常的影响程度在各块体之间存在差异，这极有可能是各块体深部构造或地壳重力均衡补偿状态差异的体现。

均衡重力异常反映不同构造块体的深部构造差异。研究(张文佑等，1983;李文勇等，2010;唐有彩等，2010)表明，鄂尔多斯地块莫霍界面较为平缓，山西断陷盆地带下莫霍界面明显上隆，太行山裂谷岩浆带受中生代地幔隆起所控制，均衡重力异常特征很好地印证了这一点。根据地壳均衡理论，地幔上隆导致“山根”不足，密度明显高于地壳的地幔造成深部物质过剩，从而强化了山西断陷带和太行山隆起的高均衡重力异常值，与鄂尔多斯断块显著负均衡重力异常形成鲜明对比。均衡重力异常还揭示出华北断块区东西部的深部构造差异，如太行山断块新构造隆升幅度远大于胶辽断块，却有着相近的均衡重力异常值，鄂尔多斯断块为新构造隆起区，但均衡重力异常却明显低于新构造下降的河淮平原断块和华北平原断块(有着数千米厚的新生代沉积)，而作为新生代沉降盆地的苏沪－黄海断块则表现出广泛的正均衡重力异常，可见在相近的隆升幅度或沉积厚度下，太行山以东断块倾向于呈现出更高的均衡重力异常，在地壳密度不存在显著差异的情况下，可以认为是新生代以来断块区东部地壳的减薄拉张和地幔强烈隆起(张文佑等，1983)综合作用的结果。

分隔不同构造块体的深断裂带对均衡重力异常的分割作用明显。如郯庐断裂带沈阳—渤海段东支作为岩石圈断裂(张文佑等，1983)造成胶辽断块和华北平原断块之间明显的均衡重力异常差异，反映了断面倾角大及断层两侧块体密度差异大(李文勇等，2010;王新胜等，2012)。郯庐断裂带山东段两侧的鲁西隆起和胶东隆起新构造上升幅度接近(李志义等，1989)，却有着较大的均衡重力异常差距，东侧的均衡重力异常值明显高于西侧，显示郯庐断裂带对两侧地壳深部构造特征的控制作用。太行山山前断裂带等深断裂带对均衡重力异常的分割作用同样明显，地震层析成像也显示这些深断裂一直延续到莫霍面附近(李志伟等，2006)。深断裂对均衡异常分布特征的分割作用反映了这些断裂对深部构造和浅部构造的制约作用。

3.3 均衡重力异常与地震活动

均衡重力异常差异往往体现了壳幔结构的差异，壳幔结构差异又为地震孕育和发生提供良好的构造环境。华北地区均衡重力异常等值线及6级以上地震(公元前780年—2013年10月31日)震中分布关系如图6所示，区内地震活动和均衡重力异常有一定的联系，可以依据均衡重力异常背景和地震空间分布特征进行以下区域划分:

图6 华北地区Airy均衡重力异常等值线及6级以上地震震中分布图Fig.6 Contours of airy isostatic gravity anomalies and distribution of earthquake epicenters(M S≥6)in North China area.

(1)环鄂尔多斯断块四周。鄂尔多斯断块四周分布了明显的局部负均衡重力异常区，形成一个个闭合等值线密集分布的狭长区域，地震活动多分布于这些等值线密集区的外围，且多数分布在等值线密集区长轴方向的两端。值得注意的是，此处均衡重力异常受地壳表层物质影响较大，密集的等值线不一定代表均衡状态的剧烈变化，但却是地壳结构横向剧烈变化的区域。

(2)华北平原断块外围区域。华北平原断块、太行山断块和阴山－燕山断块交会部位是不同类型构造块体交会地带，均衡重力异常等值线密集成带分布的同时还存在剧烈转向，在北京西侧和天津东北侧为2个明显的正均衡区，夹持于2个正均衡区之间的是一个显著负均衡区，地震活动在正均衡区周边，特别是正均衡区向负均衡区过渡方向集中分布。断块东缘的郯庐断裂带，同时也是华北平原断块和胶辽断块的分界带，是均衡重力异常自西向东由负均衡过渡到正均衡的部位，表现出地震成带分布的趋势。断块西南部靠近太行山断块和河淮平原断块的广阔负均衡区边缘也有较密集的地震分布。

(3)苏沪－南黄海断块南部凹陷东缘。南部坳陷为苏沪－南黄海断块内的均衡重力异常负值区，地震活动在负均衡区东部向正均衡区过渡的部位集中分布，此处可能对应着苏北近岸隐伏断裂(李桂群等，1994)。

由上述分析可知，华北断块区地震分布和均衡重力异常的关系在各次级断块之间各不相同，但可以归纳出以下特点:地震通常在显著正均衡区或负均衡区周围分布，正均衡区和负均衡区交会或过渡部位地震分布尤为集中。正、负均衡重力异常的转换带通常与深断裂有关，如郯庐断裂带和太行山山前断裂等，多个显著正、负均衡区交会地带通常为深部构造转换部位，或者说是地壳断裂交叉部位，如北京、天津、唐山至张家口一带，可见具备上述均衡重力异常空间分布特征的区域很有可能具备地震孕育和发生的构造条件，应当成为地震活动研究的重点区域。