江苏沿海地区小波多尺度重力场特征与构造活动性分析

张大莲 张 平 李向前 张 硕

1 江苏省地质调查研究院，南京市珠江路700号，210018

重力异常是指不同深度、不同规模和不同密度地质异常体的重力异常总效应[1]，蕴含着丰富的地质信息。小波多尺度分解由于能够分离场源体的不同尺度细节，近年来在重力异常信息提取方面得到广泛应用[2-3]。本文采用小波多尺度分解方法对江苏沿海地区1∶25万布格重力异常进行分离，结合区内地质结构信息分析不同尺度的重力场分布特征和断裂构造展布情况，以实现对沿海地区深部构造特征的进一步认识。

1 区域地质背景

江苏沿海地区在大地构造上属于苏鲁造山带和下扬子陆块，其中下扬子陆块与华北陆块在印支期俯冲-碰撞形成苏鲁造山带，后期陆陆碰撞深俯冲剥蚀形成苏鲁高压-超高压变质带[4]。南侧下扬子陆块在中古生界印支晚期由稳定的洋-陆板块构造体制转变为陆内形变体制，形成苏北由NW向SE和苏南由SE向NW的对冲推覆构造格局[5]；中新生代以来，随着太平洋板块NW向的斜向俯冲，使得区域应力背景转变为NW-SE向的拉张环境，深部软流圈物质上涌，导致上部壳层裂陷等一系列连锁反应，在陆内造山成盆作用下断陷和凹陷交替发生，苏北盆地叠加于前期板块构造体制，造成区域上基底断裂继承性活动，形成复杂的箕状断陷系统[6]。

2 方法原理

在小波多尺度分析[7]基础上，假设重力异常Δg(x)属于零尺度空间，即

Δg(x)=A0f(x)∈V0

(1)

将其分解到N=J的空间，可简化为：

Δg(x)=

AJG+DJG+DJ-1G+…+D2G+D1G

(2)

式中，AJG为J阶小波逼近部分，D1G、D2G，…，DJG分别为1阶到J阶的小波变换细节部分。

对二维重力异常进行小波多尺度分解，可简化为：

Δg(x,y)=A0f(x,y)=

(3)

利用式(3)将Δg(x,y)分解到N=J的空间，记为：

Δg(x,y)=

AJG+DJG+DJ-1G+…+D2G+D1G

(4)

这样就可以根据J阶小波逼近部分和j=1,2，…，J的细节部分对Δg(x,y)进行重构。获得重力各阶细节成分后，可利用功率谱分析法计算场源似深度，赋予小波细节具体的地质含义[8]。

3 重力小波多尺度分析与断裂构造推断

3.1 重力小波多尺度分析

江苏沿海地区布格重力异常资料由中国地质调查局发展研究中心下发的1∶20万离散重力异常数据采用Kriging法网格化获得，网格间距为2 km×2 km，圆域、八方位搜索，搜索半径为10 km。

对布格重力异常场采用小波多尺度分析方法分解，得到的小波细节能够反映不同深度地质体的密度差异。本文将重点对沿海地区重力异常1～4阶小波细节所揭示的深部构造特征，尤其是不同空间尺度的断裂展布情况进行分析，具体见图1。

利用功率谱分析法计算获得沿海地区重力各阶小波细节场近似场源深度，并结合沿海地区大地构造格架、断裂发育与展布等情况对重力各阶小波细节作出如下分析：

1)1阶小波细节(图1(a))提取了沿海地区高频重力异常，代表的近似场源深度在上地壳1.2～2.4 km处。可以看出，区内高频局部异常星罗棋布，且北部比南部更加密集，说明北部岩性不均匀性明显，构造不稳定，小构造发育较活跃。以泰州-海安一带为界，北部布格重力圈闭表现为狭长条带状或串珠状，走向主要为NE向，多处为高梯度重力梯级带，反映该深度位置地壳密度在横向上变化十分剧烈，密度分界面横向分布支离破碎，地壳结构复杂程度高于南部。淮阴-响水断裂、洪泽-沟墩断裂、盐城-南洋岸断裂、陈家堡-小海断裂等主要断裂在异常图上呈断断续续的梯级带展布，可能与全新统沉积层覆盖厚度不均匀有关。南部地区，1阶小波细节基本无明显异常，但在重力变化整体比较宽缓平静的背景中仍存在局部短条带状重力梯级带。这些重力梯级带特征规律并不明显，其中一条走向近EW向，重力高异常呈条带状分布，大致对应的是栟茶河断裂。在高阶小波分析图上，断裂北侧重力异常值低，南侧重力异常值高，分别反映了苏南隆起和海安凹陷的重力特征。

F1为淮阴-响水断裂，F2为洪泽-沟墩断裂，F3为盐城-南洋岸断裂，F4为陈家堡-小海断裂，F5为泰州断裂，F6为栟茶河断裂，F7为湖苏断裂；图中黑色圆点表示1970～2019年上、中、下地壳发生的地震震中位置，地震数据来源于中国地震台网中心图1 沿海地区布格重力异常小波多尺度分析Fig.1 Wavelet multi-scale analysis maps of Bouguer gravity anomaly in coastal area

2)2阶小波细节(图1(b))代表的近似场源深度在上地壳4～5 km处。宏观上看，沿海地区北部重力异常主要表现为NNE或NE向条带状或串珠状圈闭，高低相间，反映了不同凹陷及隆起的空间展布。具体来看，郯庐断裂带以东、淮阴-响水断裂以北，局部异常展布方向多为NE向，重力高异常整体反映高压、超高压变质基底的隆起，局部的重力高异常凸起与东海岩群中的表壳岩、榴辉岩和锦屏岩群中的含磷岩系分布有密切关系。重力低异常带主要为云台岩群的反映，较为醒目的重力低异常则是中、新生代凹陷的反映。淮阴-响水断裂以南、泰州-海安一带以北的区域位于苏北断陷，重力异常复杂，重力高、低异常相间分布，总体呈“扫帚状”向东散开，分布众多凹陷与凸起，反映该区地质环境复杂、地质事件频发。重力梯级带连续性好，较完整地反映了区内重大断裂的走向与分布，如洪泽-沟墩断裂、盐城-南洋岸断裂、陈家堡-小海断裂等。

沿海地区南部(泰州-海安一带以南)主要表现为块状重力异常特征，异常稳定，背景场较高，总体反映了印支面埋深较浅、中新生界沉积较薄的地质特征。平稳重力高异常背景上叠加有局部重力高、低异常，形态以等轴状为主，局部重力高异常反映古生界隆起，局部重力低异常反映中、新生代凹陷。另外，栟茶河断裂附近的异常也较1阶小波细节更连续、清晰。

3)3阶小波细节(图1(c))反映的近似场源深度约为9～11 km。布格重力异常圈闭现象更加明显，圈闭空间逐渐扩大，很多1～2阶局部异常呈相连趋势。在3阶小波细节中，郯庐断裂带以东、淮阴-响水断裂以北区域主要表现为前震旦系变质岩隆起区的重力高异常特征。重力异常与低阶小波细节分析图相比成片性明显，自北向南分布赣榆相对重力低异常、东海-连云港重力高异常、泗阳-灌云相对重力低异常，其中东海-连云港重力高异常、泗阳-灌云相对重力低异常之间等值线呈NE向延伸，可能为断裂构造的反映。淮阴-响水断裂以南、泰州-海安一带以北区域，在剥离了上层沉积盖层、岩浆侵入等影响及排除了浅部断裂体系干扰之后，区内隆凹特征更加明显，主要由滨海重力高异常、阜宁重力低异常、建湖重力高异常、东台重力低异常4个规模较大的重力异常带组成，分别对应滨海隆起、阜宁凹陷、建湖隆起和东台凹陷。凹陷隆起之间的重力异常梯级带反映的洪泽-沟墩断裂、盐城-南洋岸断裂、陈家堡-小海断裂也更加清晰明了。

沿海地区南部重力异常为局部分散的正异常，无明显规律可循，因苏南隆起区原为裂陷盆地，喜山晚期转为隆升，上地壳基本齐全，陆相中生界剥蚀较多，该区3阶小波细节异常主要反映了海相中古生界及变质岩系的分布情况。

4)4阶小波细节(图1(d))所揭示的近似场源深度约为18～20 km，主要反映的是中下地壳密度横向不均匀分布的特征。整体异常情况与3阶小波细节类似，局部异常展布方向多为NE向，除一些梯级带、高低异常带依然清晰外，一般断裂标志消失，反映区内浅部断裂构造发育，深部断裂构造不发育。其中，淮阴-响水断裂在区内走向与1～3阶小波细节场的走向有所不同；洪泽-沟墩断裂、盐城-南洋岸断裂、陈家堡-小海断裂、栟茶河断裂所产生的重力梯级带连续延伸入海，反映出断裂两侧岩性密度的巨大差异，也是这4条断裂在下地壳继续存在的证据。

3.2 断裂构造推断

根据布格重力异常1～4阶小波细节的分析结果，对江苏沿海地区的7条主要断裂进行分析。

1)淮阴-响水断裂(F1)。淮阴-响水断裂为华北块体与下扬子块体之间的分界断裂，在重力1～4阶小波细节中均有反映，断裂走向NE，浅部倾向SE，倾角较大，近乎直立，深部转向NW倾，可能与扬子板块俯冲于苏鲁造山带之下切穿地壳有关。断裂在江苏响水口至内蒙古满都拉地学大断面上也有明显反映。

2)洪泽-沟墩断裂(F2)。洪泽-沟墩断裂为洪泽凹陷、阜宁凹陷与建湖隆起之间的分界断裂，在重力1～4阶小波细节上呈NEE向条带状梯度带，总体走向NEE，倾向NW。断裂具生长断层性质，多期活动，长期控制阜宁凹陷的发育，导致不同时期地层中的垂直断距不同。

3)盐城-南洋岸断裂(F3)。盐城-南洋岸断裂是研究区内的深大断裂，在小波细节上表现为明显的梯级带，重力值从高到低急剧变化。断裂西北侧为盐城凹陷，东南侧为建湖隆起，走向NEE，倾向NE，切割深度大，至少错断中、古生界地层。

4)陈家堡-小海断裂(F4)。陈家堡-小海断裂位于吴堡凸起北缘，是吴堡凸起与高邮凹陷之间的分界断裂。在小波细节上呈梯级带，走向NE，倾向NW。断裂形成于晚白垩世末期，主要活动时期为始新世末期，经浅层人工地震探测断层断至新近系地层上部，反映断裂的最新活动时代为新近纪末期，属于活动断裂。

5)泰州断裂(F5)。泰州断裂为隐伏断裂，在重力1阶小波细节上异常断断续续，2～4阶小波细节上有明显的梯度带异常反映，总体呈NE向延伸，局部为EW向，断面浅部较陡，倾向NW，深部较缓，倾向SE。断裂北侧重力高异常分别反映的是泰州低隆起和小海隆起，南侧重力低异常反映的是海安凹陷。

6)栟茶河断裂(F6)。栟茶河断裂呈EW向分布于海安县城以东，倾向N，属正断层，重力各阶小波细节场沿断裂表现为梯级带。断裂北侧重力异常值低，南侧重力异常值高，分别反映了苏南隆起和海安凹陷的重力特征。地质资料显示，断裂两侧地层发育存在较大差异，为一条多期活动断裂，且全新世仍在活动。

7)湖苏断裂(F7)。湖苏断裂是一条区域性隐伏断裂，走向NE，倾向SE。地质调查资料显示，断裂两侧不同时期的沉积岩相有一定差异，说明该断裂为一条区域性的大断裂，同时又在不同地段切穿过侏罗系火山岩、上白垩统和下第三系红层，反映其活动时间较长。重力1阶小波细节场无明显断裂异常反眏，高阶细节场断裂两侧重力异常存在明显差异。

4 构造活动分析

4.1 下扬子对冲构造格局

根据沿海地区重力各阶小波细节推断断裂(图2) 发现，以兴化-大丰一线为界，南北两侧断裂走向与倾向存在明显差异：北部断裂大部分走向NNE，倾向NW，且坡度较陡；南部断裂大部分走向NEE，倾向SE，且坡度较缓。这种南北差异的断裂构造特征可能是下扬子对冲构造格局的反映。

图2 各阶小波细节推断断裂叠加分布Fig.2 The superimposed distribution map of inferred faults by each order wavelet details

下扬子地区中生代印支期以来由于扬子板块与华北板块的拼合导致北部的逆冲推覆构造系统向南运动，同时由于江南隆起带的板内造山导致南部的逆冲推覆构造系统向北运动，在两套逆冲推覆系统相对交接部位形成沿江(长江)对冲带，最终在下扬子地区形成一种对冲构造格局[9]。北部构造单元的主构造线以NNE向为主，南部则以NEE向为主，这种断裂展布情况与本文所推测的断裂构造特征相符。

另外，重力各阶小波细节所推断的断裂叠加分布(图2)显示，北部断裂坡度较陡，南部较缓，可能与南北两套逆冲推覆系统的动力来源不同有关。北部推覆系统的动力来源为华北板块与扬子板块晚印支-早燕山期的碰撞，南部的动力来源应该是华夏板块与扬子板块沿江绍断裂发生碰撞拼合及之后的“江南隆起”逐步抬升的共同作用。同样是板块碰撞产生的动力，由于碰撞的剧烈程度不同，离碰撞位置的距离不同，受挤压的程度不同，便会出现陡缓不一的断裂系统。

研究区属于大别山区，位于安徽省安庆市岳西县东北部的主簿镇境内，大歇村-余畈村一带，以大凸山、天麻埂山、烧鸡窝山、梅岭头山的分水岭为分界线，面积约49.2 km2，地理坐标：东经116°23′59″～116°29′36″，北纬30°58′30″～31°04′46″。

4.2 断裂构造与地震活动分析

地震孕育、发生和发展的深部介质和构造环境条件包括深大断裂、低速高导层、板块边界等因素[10]，其中深大断裂是强震孕育、发生及发展的必要条件之一。从重力4阶小波细节(图1(d))可以看出，淮阴-响水断裂、洪泽-沟墩断裂、盐城-南洋岸断裂、陈家堡-小海断裂、栟茶河断裂在中下地壳依然有断裂特征反映，为沿海地区可能存在的深大断裂。将研究区1970～2019年的地震数据投影到上、中、下地壳尺度的重力2～4阶小波细节(图1(b)～1(d))上，以此来分析沿海地区地震分布情况。从图中可以看出，陆域地震主要分布在重力高、低异常过渡带上，这些过渡带往往是一些构造的边界。地震的震源深度主要分布在5～20 km范围内的中、上地壳，中、上地壳呈现为弹性或近似弹性，其破坏形式以脆性破裂为主，是孕震过程中弹性积累和能量最终以突发失稳方式释放而发生地震的基本环境条件之一[11]。海域地震不是本文论述的重点，但从2～4阶小波细节的地震分布情况来看，其震源深度无明显规律可循，上、中、下地壳发生地震的概率具有一定的随机性，但发震位置依然在深大断裂延伸入海的线性带上。

江苏沿海地区的地震活动具有明显的海强陆弱及成团成片分布的丛集性特征(图2)。据历史记载和仪器记录，沿海3市陆域发生的最高地震震级为MS5.3，位于盐城市射阳县。布格重力异常小波多尺度分析(图1)显示，射阳县位于洪泽-沟墩断裂南侧，是重力场推断的盐城凹陷和下玉港隆起的交界处，为地震孕育提供了一定的地质构造背景。另外，NW向苏北-滨海断裂附近发生5.0级以上地震3次；苏北-滨海断裂与近EW向栟茶河断裂交汇处地震频繁，发生MS≥5.0地震4次；NE向盐城-南洋岸断裂附近发生MS≥4.0地震3次，推断地震分布与NE向和NEE向、NW向、近EW向(活动)断裂关系密切。区域内3.0级以上地震主要发生在盐城市域内及苏北-滨海断裂与栟茶河断裂交汇的地震构造带上。

江苏沿海地区地震动峰值加速度分区结果(图2)显示，区域内大部分地区地震动峰值加速度为0.05 Gal(地震烈度为Ⅵ度)和0.10 Gal(地震烈度为Ⅶ度)，其中在盐城和东台东部地区、赣榆-东海一带地震动峰值加速度相对较高，为0.15 Gal(地震烈度为Ⅶ度)，在东海-赣榆西北部、大丰港沿海一带地震动峰值加速度达0.20 Gal(地震烈度均为Ⅷ度)。东海-赣榆西北部位于郯庐断裂带附近，是华北和下扬子板块碰撞的接触地带，断裂活动性较强，所以地震烈度较高。大丰港沿海一带位于下扬子两套逆冲推覆系统的沿江对冲带上，两侧的逆冲推覆系统动力来源不同，应力场相对不稳定，地震烈度也较高。

5 结 语

本文基于江苏沿海地区重力资料，通过小波多尺度分析方法提取不同深度的重力异常特征，并对其反映的地壳结构进行由浅至深的多层次分析与研究，获得了沿海地区不同深度地质体分布情况及深大断裂构造的基本信息。根据断裂信息结合地质构造活动情况进一步论证了下扬子对冲构造格局，并结合地震数据资料阐述了断裂构造与地震分布之间的密切关系。主要结论如下：

1)重力1阶小波细节显示，沿海地区高频局部异常星罗棋布，且北部比南部更加密集，说明北部岩性不均匀性明显，构造更不稳定，小构造发育较活跃。重力2～4阶小波异常圈闭进一步扩大，异常特征更加明显，反映了不同凹陷及隆起的空间展布情况，主要包括沿海北部的滨海隆起、阜宁凹陷、建湖隆起、东台凹陷及南部的古生界隆起和中、新生代凹陷等。

3)结合地震资料分析认为，陆域地震主要分布在重力高、低异常过渡带上，这些过渡带往往是一些构造的边界，地震震源深度主要分布在5～20 km范围内的中上地壳。另外，江苏沿海地区地震活动具有明显的海强陆弱及成团成片分布的丛集性特征，地震分布与NE向和NEE向、NW向、近EW向(活动)断裂关系密切。区域内3.0级以上地震主要发生在盐城市域内及苏北-滨海断裂与栟茶河断裂交汇的地震构造带上。

4)地震烈度高的地区包括东海-赣榆西北部和大丰港沿海一带，这2个地带断裂活动性较强，应力场相对不稳定，发生地震的风险较高。