华北地块及邻区重力异常特征及地质结构

2023-10-18郭雨帆付光明许志山李清武黄仁桂徐长文肖建华

地震工程学报 2023年5期

郭雨帆, 肖健, 付光明, 许志山, 李清武, 黄仁桂,赵影, 徐长文, 肖建华, 袁俊

(1. 江西省地震局, 江西南昌 330096;2. 河北省地震灾害防御与风险评价重点实验室, 河北三河 065201)

0 引言

中国大陆及邻区可划分为东北地块、华北地块、华南地块、西域地块、青藏地块和滇缅地块[1-2],其中,华北地块位于六大地块中心位置,区域内岩浆和断裂带活跃、强震频发、矿产资源丰富[3]。华北地块由西部的鄂尔多斯克拉通块体和东部的华北似环状裂谷盆地组成[4](图1)。华北克拉通于古元古代(2 500～1 600 Ma)逐渐形成。中元古代—三叠纪(1 600～205 Ma)是华北地台发育期,形成了典型的地台型沉积。在三叠纪末期(约205 Ma),华北地块和扬子地块碰撞形成秦岭—大别山构造带和郯庐断裂带,华北地台与蒙古微大陆通过兴蒙—吉黑造山带焊接。侏罗纪—白垩纪(205～65 Ma),燕山运动造成华北地台分化,表现为华北地台东部大陆“活化”,强烈的岩浆活动和构造运动导致地壳破坏改造,而西部鄂尔多斯地区保持稳定,基本不受影响。新生代以来(65 Ma至今),华北地区进入大陆伸展构造发育的环境,东部裂谷盆地岩石圈拆沉、地壳减薄,而西部鄂尔多斯块体较稳定,并整体隆升[4]。

虚线为块体边界及主要断裂:1.华北地块边界;2.鄂尔多斯克拉通块体与华北似环状裂谷盆地分界;3.河套断陷盆地断裂系;4.包头—张家口—平泉深断裂;5.济源—黄口深断裂;6.山西断陷盆地断裂系;7.渭河断陷盆地断裂系;8.太行山断裂带;9.邢台—唐山新断裂带;10.沧东断裂带;11.麻城—崇阳—新宁断裂;12.郯城—庐江断裂带;13.连云港—千里岩—开城断裂;红线为莫霍面测线,白圆点为莫霍面控制点(列于表1)图1 研究区水深地形和断裂展布图Fig.1 Regional topography and fracture distribution map

目前华北地块及邻区重力研究成果相对较少。Li等[5]使用EGM2008重力模型反演了华北克拉通岩石圈密度,发现克拉通活化和减薄尚未影响到华北克拉通中、西两个部分。玄松柏等[6]基于EGM2008重力模型数据,利用Parker-Oldenburg方法反演了中国大陆莫霍面深度。石岚[7]采用NGDC720地磁模型和WGM2012重力模型分别反演了华北克拉通及邻区居里等温面和莫霍面,并探讨了这两个界面的构造意义。许田等[8]基于EGM2008重力模型及ETOPO1地形模型,研究了华北地区重力和地形及其对克拉通破坏深部过程的约束作用。侍文等[9]使用WGM2012数据计算中国大陆岩石圈有效弹性厚度和初始载荷比,以探究强震构造区力学特征。上述研究没有针对华北地块及邻区地质结构进行系统而全面地分析,缺乏使用重力资料反演该区莫霍面并识别校正断裂的研究成果。基于上述原因,有必要使用重力数据,对华北地块及邻区地质结构与构造特征开展针对性研究。本文采用小波多尺度分解法对布格重力异常数据进行处理,得到华北地块及邻区布格重力异常小波分解逼近场和细节场。在此基础上,使用Parker-Oldenburg法反演莫霍面深度,并结合断裂资料,利用重力异常导数法识别和校正块体边界和主要断裂带。目的是为深入分析华北地块及邻区重力异常特征、地质结构、断裂构造提供基础地球物理证据和相关研究成果,为该区地震风险研判及矿产资源远景规划提供技术支撑和参考依据。

1 数据和方法

1.1 数据

布格重力异常数据来源于全球重力场数据库(Bureau Gravimétrique International,简称BGI)使用EGM2008模型计算得到的重力异常数据[10]。该数据空间分辨率约为2.5′×2.5′,地形改正使用了ETOPO1模型,布格改正应用了Fullea等[11]开发的FA2BOUGHT代码。EGM2008模型是由美国国家地理空间情报局(U.S. National Geospatial Intelligence Agency,简称NGA)EGM开发团队发布的,参考椭球面为WGS84椭球,它采用了GRACE卫星跟踪数据、卫星测高数据和地面重力数据。

本文主要研究区域为华北地块及邻区(102°～122°E,29°～45°N),研究区布格重力异常如图2。重力异常总体呈NNE向条带状分布,从西部到东部异常值逐渐增大。在西南部形成的重力异常极值圈闭对应青藏地块,它是整个研究区的重力异常低值区,最低值可达-543.49 mgal。华北地块西部鄂尔多斯克拉通块体的重力异常值低于东部华北似环状裂谷盆地的布格重力异常,表明这两个地区地壳结构和介质密度存在差异。从图2中还可以识别出秦岭—大别山构造带,其重力异常值呈NWW向延伸。

黑虚线为块体边界及主要断裂图2 华北地块及邻区布格重力异常场Fig.2 Bouguer gravity anomaly field in the North China block and surrounding areas

1.2 方法

小波多尺度分解法凭借其明显的技术优势已被应用到众多研究领域,在地球科学领域如重力异常场分解研究中也得到广泛应用,它可以将重力异常场分解成不同尺度成分,实现重力异常场分离[12-13]。本次研究采用杨文采等[12]和候遵泽等[14]的二维多尺度小波分解法对布格重力异常数据进行处理,设重力异常为Δg(x,y),其分解公式为:

Δg(x,y)=Ai+Di+Di-1+…+D1

(1)

式中:Ai为重力异常的i阶(i为不小于2的整数)近似,即重力异常的低频成分;Di为经i次分解后得到的各阶小波细节,即重力异常的高频成分。在重力异常的小波多尺度分解中,确定最优小波基是一个关键的问题,使用不同的小波基函数会产生不同的分解结果[15]。牟力等[16]经过理论层面分析、理论模型对比试验和华北地区实测重力数据对比试验,认为db11小波基为重力数据多尺度分析的最优小波基,因此本次研究由db11小波构造二维尺度函数和小波函数。刁博等[17]通过讨论信号长度、小波母函数的支撑长度与分解阶次的关系,发现对重力异常进行小波分解时,恰当的小波分解阶次为5阶,故本次研究将小波分解尺度确定为5阶。

Parker给出频率域内计算连续密度界面在地表平面内产生的重力异常公式[18]后,Oldenburg根据该公式的傅里叶级数展开,提取出第一项,得到密度界面反演的迭代公式[19]:

(2)

式中:F[h(x)]、F[Δg(x)]分别是界面深度和重力异常的傅里叶变换;z0为参考深度;k为波数;G为万有引力常数;ρ为壳-幔密度差。本次研究中,设置截断频率WH=0.01,SH=0.012。据表1的莫霍面控制点[20],它们的平均深度为38.8 km,结合反演的实际情况,设置z0=38 km。

表1 莫霍面深度反演结果与数据控制点结果[20]对比

重力异常导数法是重力勘探中识别和分析断裂构造最常用的方法。0°水平方向导数、90°水平方向导数和垂向二次导数(罗森巴赫公式)对识别不同产状断裂效果较好且各有优势。本文对剩余布格重力异常小波分解3阶细节场[21]求0°水平方向导数、90°水平方向导数和垂向二次导数,并根据导数图的线性特征、极值带等标识特征,识别和校正基底及以上断裂[22-23]。

2 结果与讨论

2.1 布格重力异常场小波多尺度分解结果

以db11为小波母函数进行小波多尺度分解,得到研究区布格重力异常场小波1～5阶逼近场(图3)和细节场(图4)。

黑虚线为块体边界及主要断裂图4 华北地块及邻区布格重力异常小波1～5阶细节场Fig.4 The 1st to 5th wavelet details of Bouguer gravity anomaly for the North China block and surrounding areas

各阶小波逼近场图像中反映的重力场源深度不同,但均可看出研究区不同大地构造单元的基本格局,即西南部的低值圈闭对应青藏地块,南部的华南地块与北部的华北地块通过秦岭—大别山构造带隔开,华北地块内部可以识别出重力异常较低的鄂尔多斯克拉通块体和重力异常较高的华北似环状裂谷盆地。低阶逼近场与原始布格重力异常形态接近,随着小波逼近阶数增大,不同构造单元及深大断裂的重力异常的浅源、局部信息得到了较好的抑制,区域异常信息显得更为突出。前人研究表明4阶逼近场可能是莫霍面引起的异常[12,21,24-27]。通过对比不同阶次的逼近场(图3),发现4阶逼近场既能一定程度地消除浅部信息影响,又对深部信息有较好反映,初步考虑使用4阶逼近场反演莫霍面深度。将小波分析法和径向对数功率谱法[28]两种方法结合有利于对地质结构进行定量分析[12,24,29-31],本次研究使用径向对数功率谱法估计4阶逼近异常场源埋深,计算结果为37.3 km,与表1的莫霍面控制点[20]平均深度38.8 km接近。可以推断4阶逼近场可能反映了研究区莫霍面的起伏,故选取4阶逼近场反演莫霍面深度。

1阶和2阶小波细节[图4(a)、(b)]场源信息丰富而复杂,主要反映的是浅部高频重力异常信息。其分布特征显示出西南部青藏地块的地壳横向变化剧烈且比较破碎,而华北地块的重力异常变化则相对平缓,大部分数据在-5～5 mgal之间变化,尤其是华北似环状裂谷盆地的重力异常变化更为平缓。研究区重力异常的走向、规模、分布位置与区内断裂一致性较好,例如太行山断裂带东西两侧的重力异常差异明显,能清晰地勾勒出太行山断裂带轮廓。随着小波细节阶数的增加,重力异常变得宽缓平滑,主要体现了深部场源所引起的较大规模的低频重力异常信息。同3阶小波细节[图4(c)]相比,4阶和5阶小波细节[图4(d)、(4e)]中小规模的条带状及串珠状异常逐渐消失,重力异常圈闭现象更加明显,圈闭空间逐渐扩大,呈带状和块状分布。4阶和5阶小波细节显示块体边界处重力异常变化剧烈,表明块体边界深大断裂对重力异常的分布特征具有较好的控制作用。

综上所述,逼近场和细节场共同显示华北地块内部出现西、东两个子单元,分别对应鄂尔多斯克拉通块体和华北似环状裂谷盆地。子单元内部变化较为平缓,而在子单元边界及块体边界处变化较剧烈。

2.2 莫霍面特征

莫霍面是地壳与地幔的分界面,本文通过Parker-Oldenburg方法迭代反演得到莫霍面深度。图5(a)是华北地块及邻区莫霍面埋深平面图,将其与CRUST1.0地壳厚度模型图[图5(b)]对比,发现两者变化趋势一致,但本次研究得到的莫霍面深度变化细节更加丰富。同时,与前人深地震探测得到的莫霍面控制点[20]进行比较(表1),发现莫霍面深度偏差较小,说明本次研究得到的莫霍面深度结果可信度较高。

黑线为莫霍面测线,黑圆点为莫霍面控制点(列于表1),黑虚线为块体边界及主要断裂图5 华北地块及邻区莫霍面埋深平面图及CRUST1.0地壳厚度模型图Fig.5 Moho depth plan and CRUST1.0 crustal thickness model for the North China block and surrounding areas

由图5(a)可知,研究区莫霍面埋深范围在28～52 km之间,横向上起伏较大,等值线呈NNE走向,从西到东莫霍面逐渐变浅,呈现“东西分带”的特点。第一条带主要集中于研究区西南的青藏地块,该地区莫霍面深度可达52 km;第二条带包括四川盆地和鄂尔多斯克拉通块体,后者莫霍面深度略大于前者,约为40 km;第三条带主要为华北似环状裂谷盆地(莫霍面平均深度为34 km),及华南地块和东北地块的部分区域。石岚[7]使用WGM2012重力模型反演了华北克拉通及邻区莫霍面深度,分析认为华北克拉通西部—中部和东部莫霍面埋深分别为37～45 km和33～36 km,与本次研究“鄂尔多斯克拉通块体莫霍面深度约为40 km、华北似环状裂谷盆地莫霍面深度约为34 km”的结果基本一致。值得注意的是,郯庐断裂带走向与其莫霍面等值线走向近乎平行,且莫霍面深度较同纬度其他区域更浅,可能指示了郯庐断裂带为地幔热物质上涌提供了通道[32]。除此之外,-35 km莫霍面埋深等值线在(116°E,30°N)附近由北部的NE向转为西部的近EW向,支持了乔计花等[33]关于郯庐断裂带并未跨过长江继续向南延伸的观点。

结合研究区水深地形及构造单元特征,选取AA′、BB′、CC′三条测线绘制莫霍面埋深剖面图(图6)。在AA′测线剖面图中,莫霍面埋深与水深地形呈现良好的“镜像对称”关系。从西北到东南,莫霍面逐渐变浅,形成四级上升台阶,分别对应①阿拉善地块、②鄂尔多斯克拉通块体、③华北似环状裂谷盆地陆区和④黄海海域。由BB′和CC′测线剖面图可以发现,莫霍面埋深在块体内部变化较平缓,而在块体边界呈“V”字形剧烈变化。CC′测线剖面的莫霍面比BB′更浅,可能与华北地块东部岩石圈拆沉、地壳减薄作用较西部更显著有关[5]。

①、②、③、④分别对应阿拉善地块、鄂尔多斯克拉通块体、华北似环状裂谷盆地陆区、黄海海域图6 华北地块及邻区莫霍面埋深剖面图Fig.6 Moho depth profiles of the North China block and surrounding areas

2.3 断裂体系的重力异常特征

收集和整理研究区断裂资料[3-5,34-43],根据断裂构造在重力异常导数图上识别出六种标志:线性重力高与重力低之间的过渡带、异常轴线明显错动的部位、串珠状异常的两侧或轴部所在位置、两侧异常特征明显不同的分界线、封闭异常等值线突变的部位、等值线同行扭曲部位[44],在0°水平导数图、90°水平导数图和垂向二次导数图上识别和校正了华北地块13条边界及内部主要断裂带(图7)。邓起东等[45-46]依据主要活动带上的几何学和运动学定量数据资料,编制了《1∶400万中国活动构造图》,将其与这13条边界及内部主要断裂带的平面分布位置进行对比分析,发现两者基本吻合,表明本次结果可靠性较高。由于篇幅所限,本文不再展示两者对比图件。下面描述这13条边界及内部主要断裂带的重力异常场导数图特征。

蓝色、绿色、黑色虚线分别代表一、二块体边界及三级断裂,名称及编号同图1图7 华北地块及邻区重力异常导数及其断裂解释图Fig.7 Gravity anomaly derivative and its correlation to fractures in the North China block and surrounding areas

一级块体边界:(1)华北地块边界。其西北边界为银川—吉兰泰断陷盆地断裂系,产状为40°/SE∠60°,正右旋性质,它在0°水平导数图上沿着串珠状正负异常间分界线发育;北边界由西—中部的阴山北缘断裂带和东部的赤峰—开源深断裂组成,近EW走向,它们在90°水平导数图上沿着串珠状正负异常间分界线分布,局部可见异常轴线错动;西南边界包括海原断裂和六盘山断裂,海原断裂NWW走向,逆左旋性质,它在90°水平导数图上是正负高值与正负低值异常的分界线,识别度较高,而六盘山断裂NW走向,它在垂向二次导数图上沿串珠状正负异常间分界线展布;南边界为秦岭—大别山构造带,NWW走向,华南地块朝华北地块NNE向逆冲,它在90°水平导数图上大体沿着串珠状正负异常间分界线发育,局部存在异常轴线错动。

二级块体边界:(2)鄂尔多斯克拉通块体与华北似环状裂谷盆地分界,位于山西断陷盆地断裂系与太行山断裂带之间,NNE走向,它在垂向二次导数图上沿异常轴线明显错动的部位和串珠状正负异常间分界线发育。

三级断裂:(3)河套断陷盆地断裂系,近EW走向,N或S倾向,陡倾角,正断性质,它在90°水平导数图上沿串珠状正负异常间分界线发育;(4)包头—张家口—平泉深断裂,近EW向展布,正左旋性质,它在90°水平导数图上沿着串珠状正负异常间分界线分布,局部可见异常轴线错动;(5)济源—黄口深断裂,NWW—EW走向,它在90°水平导数图上沿着串珠状正负异常间分界线发育;(6)山西断陷盆地断裂系,产状为NNE—NE/NW或SE∠(40°～80°),正右旋性质,它在0°水平导数图上沿着串珠状正负异常间分界线和等值线同形扭曲部位分布;(7)渭河断陷盆地断裂系,产状为EW—NEE/N或S∠(50°～80°),正左旋性质,它在90°水平导数图上沿着串珠状异常发育;(8)太行山断裂带,NNE—NE走向,NWW—NW或SEE—SE倾向,正断性质,它在垂向二次导数图上沿异常轴部错动的部位展布;(9)邢台—唐山新断裂带,产状为50°/NW∠(70°～85°),正右旋性质,隐伏断裂,它在垂向二次导数图上沿异常轴线错动的部位和串珠状正负异常间分界线分布;(10)沧东断裂带,走向约为30°,倾向为SEE,是新生代渤海湾盆地黄骅坳陷和沧县隆起共有的隐伏边界非活动断裂,它在垂向二次导数图上沿异常轴线错动的部位发育;(11)麻城—崇阳—新宁断裂NE—NNE走向,为鄂南、湘北湖盆区的东部边界断裂,它在垂向二次导数图上沿异常轴线错动的部位展布;(12)郯城—庐江断裂带,包括北部的沂沐断裂和南部的宿迁—广济断裂,沂沐断裂产状为(5°～25°)/SE或NW∠(60°～80°),逆右旋性质,宿迁—广济断裂为NNE—NE走向,逆右旋性质,它们在垂向二次导数图上沿串珠状正负异常间分界线和异常轴线错动的部位延伸;(13)连云港—千里岩—开城断裂,产状为50°/S,正断性质,它在垂向二次导数图上沿串珠状正负异常间分界线分布。