宜川—泰安重力剖面布格重力异常及归一化总梯度的构造意义.docx

1、第39卷第2期地震学报Vol.39No.22017年3月(220-229)ACTASEISMOLOGICASINICAMar.,2017罗翔&，方盛明，秦建增.李洋洋，李德庆，李勇江.2017.宜川一泰安重力剖面布格童力异常及归一化总梯度的构造意义.地震学报，39(2)：220-229.doi：10.U939/jass.2017.02.005.LuoXF.FangSM,QinJZ.LiYY»LiDQ.LiYJ.2017.ThetectonicsignificanceofliouguergravityanomalyancnormalizedtotalgradientinYich

2、uanTai'anprofile.ActaSeismologicaSinica.39(2)：220-229.doi：10.11939/jass.2017.02.005.宜川一泰安重力剖面布格重力异常及归一化总梯度的构造意义罗翔飞,方盛明秦建增李洋洋李德庆李勇江(中国郑州450002中国地震局地球物理勘探中心)摘要利用宜川一泰安剖面高精度重力观测及GPS测屋结果，计算得到该剖面较为精细的垂向一阶导数梯度和布格疆力异常归一化总梯度图像.结合前人相关研究结果，本文认为垂向一阶导数梯度主要反映浅部异常场源的位置和低密度地质体的特性.利用该梯度图像，对宜川一泰安剖面经过的7条主要断裂及其空间分布

3、特征进行分析解释，并推测各断裂的可能埋深和性质.关键词重力探测剖面垂向一阶导数梯度归一化总梯度构造意义doi：10.11939/jass.2017.02.005中图分类号：P315.72+6文献标志码：AThetectonicsignificanceofBouguergravityanomalyandnormalizedtotalgradientinYichuan-Tai'anprofileLuoXiangfei*FangShengmingQinJianzcngLiYangyangLiDeqingLiYongjiang(GeophysicalExplorationCenter,Chin

4、aEarthquakeAdministration,Zhengzhou450002,China)Abstract：BasedonthehighprecisiondataofgravityobservationandGPS,wehaveobtainedfinerfirstderivativegradientinverticaldirectionandthenormalizedtotalgradient(GH)imageofBouguergravityanomalyinYichuan-Tai9anprofile.Afurtherinvestigationontheverticalfirstderi

5、vativegradientcharacteristicsiscarriedoutwiththeresultsinliterature,fromwhichwecouldconcludethatitmainlyexpressestheshallowsourcelocationandfeaturesoflowdensitygeologicalbody.UsingtheGHimage,wealsoanalyzedandexplainedthespatialdistributioncharacteristicsofsevenmajorfaultsthattheprofilegoesthroughand

6、speculatedthepossibleburieddepthsandpropertiesofeachfault.Keywords:gravityprobeprofile；verticalfirstderivativegradient；normalizedtotalgradient；tectonicsignificance»基金项目收稿日期通讯作者»基金项目收稿日期通讯作者国家自然科学基金(41274113)和中国地震局地震行业科研专项(201508009,201208008)联合资助.2016-06-28收到初稿.2016-09-08决定采用修改稿.e-mail:433

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17、gshcct-likcbodiesbythenormalizedfullgradientmethodCjJ.PureApptGeophys«162(11):2179-2195.引言布格重力异常是地下不同深度的密度异常体在重力场上的综合反映（马宗晋等，2006）.重力成果是地质学家和地球物理学家用于研究区域地质构造的有效方法之一（唐新功等，2006）,重力资料不仅能直观地从平面上反映地质体的分布、深部构造特征和断裂构造的展布等信息，还包含着分布较广、深度较大的场源信息（郝天跳等，1997；邵平安,2013）.而有效的重力数据处理方法则可以帮助解释者从不同角度认识重力异常特征，进而对断裂

18、进行解释（方盛明等，2002）.但是，传统的解释方法和图像处理技术存在不足，在地质构造复杂的地区，异常信号相互叠加干扰，微弱信号与误差并存，使重力异常变得十分复杂，从而造成地质构造的多解性，且难以解释其成因（马宗晋等，2006）.常规作法是在重力异常等值线图上解释断裂，而对重力异常进行等值线网格化成图时会造成微弱信息丢失，从而导致重磁异常有时不能很好地解释断裂的性质.2013年，在国家自然基金的资助下，中国地震烬地球物理勘探中心实施完成了一条西起陕西宜川，东至山东泰安，且与2008年人工地震探测剖面（deepseismicsounding,简写为DSS）完全重合的高精度重力勘探测线（罗翔飞等，

19、2016）.尽管前人在利用重力方法研究地质构造方面已开展了不少工作（马宗晋等，2006；邵平安，2013）,旦取得了有意义的研究成果，但用垂向一阶导数梯度和重力归一化总梯度法能更直观地在平面上反映地质体的分布和断裂构造的展布（吴桂桔等，2015；玄松柏等，2015）,使获得的解释结果更接近探测剖面的实际情况.因此利用垂向一阶导数梯度和重力归一化总梯度法联合研究该剖面经过地区的构造情况具有重要的现实意义.本文拟以宜川一泰安重力剖面为例，通过对布格重力异常进行处理得到垂向一阶导数梯度和重力归一化总梯度（GH）图像（曾华霖，2005）,强化突出断裂构造和断层的空间展布，并对沿线经过的地质构造进行讨论

20、.1研究区地质构造和重力异常本文的研究区主要由冀鲁断块、太行山断块、鄂尔多斯断块等构成（苏树朋等，2010；李自红等，2014；王椿镭等，2016）,块体边界分布有汾渭断裂带、山西断陷带、太行山山前断裂系、聊南断裂带和麹庐断裂带（苏树朋等，2010）,属于我国现代板内构造活动和地震活动较为强烈的构造区.研究区具有明显的分块构造特征和强烈的变形特征，断块间的相互作用使断块内产生许多毛细断裂，断裂纵横交错，形成了复杂的构造特征.宜川一泰安重力勘探剖面位于华北克拉通南部.该剖面自西向东依次穿越了吕梁山隆起、临汾断陷盆地、山西隆起、太行山隆起、华北断陷盆地和鲁西隆起等不同地质单元（徐杰等，2000）,

21、经过的主要断裂有罗云山断裂、霜山山前断裂、晋获断裂、林县断裂、汤东断裂、长坦断裂和聊城一兰考断裂等（邓起东.2007）（图1）.剖面地质构造特征极为复杂，测线穿过部位具有典型的构造意义（刘占坡等，2003）.在宜川一泰安重力勘探剖面的测量中，使用两台CG5型相对重力仪和一台TrimbleR8-4GNSSGPS接收机进行同址观测，按照大比例尺重力勘查规范（中华人民共和国地质矿产部，1997）和区域重力调查规范（中华人民共和国国土资源部，2006）开展相对重力联测和高精度位置测定，以已有重力观测网络的重力点为基本控制点，选取了长约620km的剖面和363个测点，并对野外采集的重力观测数据在绝对重力

22、控制下进行平差计算，获得各测点的重力值，精度优于30X10-8m/s2；同时把WGS-84坐标系下观测得到的GPS数据转换成北京54坐标和1985国家基准高程结果，保证所有测点的点位误差控制在平面精度V0.2m,高程精度V0.3m的范围内；最后按照大比例尺重力勘查规范对各测点的实测重力观测值进行各项改正，得到各测点的布格重力异常值（图2）.TIM*116,118*110-EIO*N38,34.图1研究区地质构造和剖面位置图(那起东，2007)Fit罗云山断裂F2»霍山山前断裂，Fit晋获断裂；Fo林必断裂；F”汤东断裂，长坦断裂；Fix聊城-兰考断裂Fig.1Geologicalst

23、ructureofthestudiedareaandprofilelocation(afterDeng,2007)Fi:Luoyunshanfault:Fz:Huoshanpiedmontfault；Fa:Jinhuofaulti:Linxianfault：F-,:Tangdongfault；Fo:Changtanfault:F.：Liaocheng-Lankaofault:E-图2宜川一泰安剖面布格重力异常及对应的GPS商程值Fig.2liouguergravityanomaly(redline)oftheYichuan-Tai'anprofileanditscorrespondin

24、gGPSelevation(blueline)从图2可以看出，布格异常变化范围为（一161.75.5）X1O-5m/s2.以太行山为界，剖面以西地形较为陡峭，高差起伏较大，布格重力异常呈现低背景平缓下降的趋势,异常幅度为（-161.772.6）X10fm/s2,布格重力异常变化与地形高程呈现“同步型”变化的特点；剖面以东地形平缓，异常呈现高背景逐渐上升的趋势，异常幅度为（一74.8-5.5）X1O-5m/s2,布格重力异常变化与地形高程变化趋势呈“镜像型”关系，且在重力异常高背景下分布了许多局部异常梯度带，形成了东部独特而复杂的布格重力异常.2方法原理及断裂构造分析2.1垂向一阶导数梯度与浅部

25、地质构造浅部异常场源产生的小幅值高频成分的重力异常，与因深部和区域性地质因素产生的低频成分重力异常叠加后常常被弱化.为了突出浅部异常场源的特征，采用频率法重新计算布格重力异常（李才明，李军，2013）,并得到垂向一阶导数梯度（图3）（曾华霖，2005）.垂向一阶导数梯度具有突出和放大重力场高频成分、压制重力场低频成分的特征，即压制深层区域背景场的影响，放大浅层近地表地质体的重力效应，从而突出浅部异常场源引起的局部异常.其表达式为（p（u,p）=q=i（ou+伽）+y2+v2,（1）式中：。，们7分别为求导数不同方向的三个余弦；q为一阶导数的频率响应；i为虚数单位；分别为工，/方向上的频数.宜川

26、恭安阳谷临汾安洋安阳太行山隆起内黄降起鲁西隆起山西毒起2000300距离/km南乐魏|荷泽凸起I目梁山隆起|格汾盆地长治太行山林县W270、-2100图3宜川一泰安重力剖面垂向一阶导数梯度Fig.3GradientofthefirstverticalderivativeforYichuan-Tai'angravityprofile600宜川一泰安剖面自西向东依次穿过吕梁山隆起、临汾盆地、山西隆起、太行山隆起、汤阴地堑、内黄隆起、东明坳陷、荷泽凸起、鲁西隆起等构造（嘉世旭，刘昌铃，1991;郝天跳等，1997）（图3）.对垂向一阶导数梯度进行分析得到，吕梁山隆起、山西隆起、太行山隆起、鲁

27、西隆起属区域构造，与垂向一阶导数梯度无明显对应关系，其余则属浅部（局部）构造，与垂向一阶导数梯度存在一定的对应关系.林县是该剖面构造的明显分界线，在林县以西的临汾，其垂向一阶导数梯度出现了明显低值，最低可达一3X10-5（ms2）/km,表明在临汾盆地上地壳内存在明显的低密度构造.根据削面密度结构（罗翔飞等，2016）,临汾上地壳内低密度构造的深度最大可达18km,密度介于2.732.81g/cm3,与围岩之间存在0.03-0.11g/cm3的密度差，低于临汾盆地左右两侧的密度值2.84g/cm',出现密度“亏损，现象，与国家地震局郛尔多斯周缘活动断裂系课题组（1988）所得结果相互印

28、证，在垂向一阶导数梯度中体现为相对低值（图3）.林县以东的垂向一阶导数梯度呈现高、低相间分布的特点，浅部构造表现为隆起、凹陷相间分布，剖面的垂向一阶导数梯度清楚地显示出了这种堑-垒共存的构造形态.限于篇幅，本文仅分析汤阴地堑和内黄隆起.汤阴地堑是内黄隆起与太行山隆起之间的NE向凹陷，总体走向N、E,东西宽2025km,南北K约100km（刘保金等，2012）.汤阴地堑是中新生代早期凹陷，以中生代沉积为主，地堑两侧地层的岩性和厚度均不同（韩慕康，赵景珍，1980；任青芳等，1998）.地堑以西地表出露主要为太古界、寒武系和二叠系等地层，局部为中生界地层（刘保金等，2012）,地堑以东为丘陵和平原

29、区，地表出露主要为新近系和第四系地层.汤阴地堑内堆积的新生代低密度陆相沉积最大厚度约3km,图3清晰地反映出东西向宽度与垂向一阶导数梯度相对应的特征.内黄隆起是华北平原最后沉陷的地区，受周围4条主干断裂强烈活动的影响（安卫平等，1995）,内部发育了多组次级断裂，并将内黄隆起切割成许多小地块.内黄隆起的覆盖层厚度为十几米至几百米（商宏宽，吕梦林，1985）,覆盖层东西两侧为较厚的低密度沉积层，中部覆盖厚度较薄，形成了东西两侧隆起、中部拱曲的鞍形结构（张成科等，1994）.图3清晰地显示出内黄隆起垂向一阶导数梯度两侧低、中部高的鞍形结构特点.通过以上分析可以看出：盆地内和凹陷区基底埋深较深，沉积

30、层厚度较厚，垂向一阶导数梯度偏低；隆起部位基底埋深较浅，沉积层厚度较薄，垂向一阶导数梯度偏高.不同的垂向一阶导数梯度特征与不同的浅部地质构造相对应，表明垂向一阶导数梯度与浅部异常场源不仅具有度好的对应关系，且其大小范围和幅值也能体现出浅部异常场源的范围和埋深.2.2重力归一化总梯度成像尸（）=借京重力归一化总梯度法利用地面上实测重力异常值的特征点（如极大点或极小点）或解析函数的奇点，探测重力异常的场源体、断裂及密度界面并估计其位置（曾华霖，2005年）.该方法虽不能直接计算场源体、断裂及密度界面的位置和参数，但这些构造附近的归一化总梯度解析函数具有收敛性，比重力异常在估计场源体和断裂位置及密度

31、界面分布方面更加“直接”和优越.其表达式为M，z）+v%&z）式中：GH（z,Z）为重力异常归一化总梯度场，是一个无量纲的比值；G（z,z）为（1,z）点处重力异常总梯度值；G（工,Z）为深度Z处水平线上总梯度的平均值；Vu，V,分别为（z,Z）点处布格重力异常在水平方向和垂直方向的一阶导数；M为重力测点数.在平面内,按一定深度间隔求取各点的GH&,最后绘出G"（z,z）等值线图.将图2所示的剖面布格重力异常按照1km点距进行线性内插.应用曾华霖（2005）介绍的数值计算方法，综合已有研究结果（Dondurur,2005；Aghajanietal,2009）进行多次试

32、算.按=50阶对该剖面进行有限级数展开，采用2km层间距向下延拓.获得剖面的重力异常归一化总梯度图（图4）.由图4可以看出：GH在整条重力剖面上的分布表现为自西向东渐趋复杂，除在罗云山断裂与霍山山前断裂之间呈高值外，在其它地区基本为低值；在深度50km以上，该剖面约在101,150,260,334,380,485,530km处存在7个G"1值的差异转换带，分别与罗云山断裂（日）、霍山山前断裂（F。、晋获断裂（比）、林县断裂（FQ、汤东断裂（已）、长垣断裂（卜6）、聊城一兰考断裂（FQ相对应.GH值的起伏变化是由密度分布差异引起的，若密度Kifr-kijihHJ!Kifr-kijihH

33、J!rtniil'Wkm-C'JJ图4宜川泰安爪力剖而归化总梯度成像Eig.II'heimageofnormalizedtotalgradicnlofYichuan-'Iai'angravityprofile未发生变化.则（A等伉线连续分布.剖面所跨越的断裂*J；"（ft起伏变化的对应关系如下所述.罗云山断裂（FQ属于汾渭断裂带,是全新世活动断裂（邓起东等,1999；马宗晋等,2006）.断裂运动性质为右旋走滑正断层.主要控制临汾盆地的发育.该断裂位于罗云山东箍.北起万圣寺一带.南达西跄【1与NNE向的韩城断裂相接（刘瑞春.季史运,2014）.

34、总K为120km.总体走向为NNE.M向为SE.倾角为45°80°.第四系地层厚度达700m以1结晶基底以度达3.5km上地壳以度为23km（李松林等2011）.深部地球物理勘探研究表明（张成科等,1994）,该断裂深度大于20km.从图4可以明显地看出:罗云山断裂向下切割沉积层、结品基底和上地壳.一直延伸至30km的地壳深处；当深度大于15m时.该断裂倾向向西，可能是受临汾盆地影响，盆地地壳内存:在明显的低密度构造.出现密度“亏损"所致；当深度小于15m时.该断裂倾向向东.被认为是断层的反应.所以从图4可可出罗云山断裂裂向向东.倾角为65°.切割深度为

35、30km.很山山前断裂（HW于汾渭地堑断裂系,起自临石.止于洪洞县虎头山.断层长度为100km.断错性质为右旋正走滑,断层走向为NE.倾向为NW倾角为65°70°（江娃利等,2001）.该断裂的活动具有明显的分段性（山西洪洞H.亭M,.5.。地丧现场I：作队.2001）,大致可分为北、中、南等3段.北段和中段占现为全新世活动断裂.南段去现为晚更新型活动断裂（徐锡伟,邓起东.1990）,剖面经过的部分为该断裂的中段.图4表明:'*1深度大于15m时.断裂倾向向东.可能是因临汾盆地地壳内存在明显的低密度构造所致；当深度小于15m时，断裂倾向向西.断层向下延伸约20km.

36、昔狭断裂（FQ.曾称井降黎城断裂.属于汾渭地堑断裂系.起门河北井隆.止于山西晋城.由多条平行断层及紧密榔曲组成,该断裂是山西隆起I.一条币:要的构造带,沿该断裂发育了一系列盆地,其中长治盆地内新生代沉积层障度达248m.盆地东侧老顶山组成断裂上升盘.高出现代盆地425m（孙丽娜等.2009）.反映了断裂两盘的升降烂异.断层长350km.宽18km.以正断层为主.总体走向为NNE,与太行山走向近于平行.断层倾向为NW,倾角为40°60°,从图4可以看出,晋获断裂倾向向西,倾角为50°.其两侧冲分布明显不同.西侧从高到低.而东侧从低到高.向下延伸约23km.林11断裂

37、（F,）W于太行山山前断裂系（徐杰等2000）.起门林必任村.止于林县合涧.形成于燕山运动晚期（刘锡大等.1998）.断裂深度已达变质结晶岩底与花岗岩界面附近.第四纪以来仍在活动.表现为西盘上升.东盘下沉.断层长40km断错性质为正断层.走向为NNE10。，倾向为SEE,倾角为50°70°,断裂破碎带宽几十米，断裂深度达10km以上，属基底性断裂.从图4可以看出，断层倾向向东，倾角为60°,向下延伸约15km.汤东断裂（R）属于太行山山前断裂系（刘锡大等，1998；徐杰等，2000）,起自临漳,止于卫辉，被NWW向安阳断裂所截断，长度为100km,以正断层为主，走

38、向NNE30。，倾向NW,倾角在地表浅部约为50°-60°,向下逐渐变缓.刘保金等（2012）的深地震反射剖面结果表明汤东断裂下延深度较小，约13km,与图4所示结果相同.长垣断裂（F6）属于聊南断裂带，起自阴城西北，止于封丘，由数条平行的断裂组成.该断裂形成于燕山期，喜山期第四纪早、中期有继承性活动，为早、中更新世断裂（国家地震局鄂尔多斯周缘活动断裂系课题组，1988）.该断裂从古近系顶部断至寒武一奥陶系，东盘下沉、西盘E升，断距可达2km.它不仅控制了中生代地层的沉积，还切割了新、古近系地层.该断层错动性质为正走滑断层，断层长度为120km,断层走向为NNE250,倾向

39、为SE,倾角为50°.从图4可以看出，该断裂倾向向东，倾角为50°,向下延伸约12km.聊城一兰考断裂（F；）亦属于聊南断裂带（于平等，2003）,起自禹城，止于河南兰考，是鲁西隆起与内黄凹陷的分界断裂.钻孔对比（向宏发，2000）和浅层地震勘探（王基华等，1994）获得的资料表明，该断裂是一条晚更新世一全新世早期的活动断裂，因其切断了晚更新世地层，可能影响到上部全新世早期地层的发育1937年荷泽Ms7.0地震即发生在该断裂附近.布格重力异常沿该断裂形成了窄且密的陡变带，航磁异常明显显示，地壳厚度和上地幔高导层埋深沿该断裂呈明显的梯度分布（徐杰等，2000）.断层长度为26

40、0km,断层错动性质为右旋正断层，断层走向为NNE25。，倾向为NW,倾角为50°70°.从图4可以看出，该断裂倾向向西，倾角为60°,向下延伸约15km.通过上述分析可以看出，归一化总梯度成像总体展示的倾角和断裂分布与前人的研究成果较为吻合，该剖面走向为EW,沿线经过的断裂倾向主要为向东和向西，较好地反映了各断裂的倾向，并据此推测了断裂的下延深度.结果表明：除罗云山断裂和霍山山前断裂受临汾盆地影响，盆地地壳内存在明显的低密度构造，出现密度“亏损”，致使浅部表现出的断裂倾向与实际倾向有出入外，其它沿线经过的断裂倾向均与实际倾向相吻合.汾渭地堑断裂系（E,F2,F3

41、）下延深度约为2030km,太行山山前断裂系（F“FQ和聊南断裂带（F$,R）下延深度约为1215km,可以看出沿线经过的汾渭地堑断裂系属深大断裂，太行山山前断裂系和聊南断裂带并非深大断裂，仅存在切穿上地壳的断裂带.3讨论与结论对宜川一泰安剖面高精度重力观测和GPS测量数据进行各项改正和处理，得到该剖面的布格重力异常，并计算得到该剖面较为精细的垂向一阶导数梯度和布格重力异常归一化总梯度（Gb图像.结合前人的相关研究成果，利用垂向一阶导数梯度图像对剖面经过的隆起、凹陷进行了分析，认为垂向一阶导数梯度主要反映浅部异常场源的位置.利用GH图像，对剖面经过的7条主要断裂及其空间分布特征进行分析，认为主

42、要活动断裂均对应于GH等值线的条带或切分局部区，这些部位通常显示出强变形特征.该剖面走向为EW向，归一化总梯度成像结果显示的断裂分布和倾角与地质上的断裂分布及倾角较为吻合，能较好地反映各个断裂的倾向，并推测断裂的下延深度，结合地质构造环境推测各断裂的可能埋深和性质.结果表明，沿线经过的断裂倾向主要是向东和向西，汾渭地藜断裂系下延深度约为2030km,太行山山前断裂系和聊南断裂带下延深度约为1215km,说明沿线经过的汾渭地量断裂系属深大断裂，而太行山山前断裂系和聊南断裂带为仅存在切穿上地壳的断裂带.感谢中国地震局地球物理研究所陈石研究员和中国地震局地震研究所吴桂桔博士在数据处理、解释过程中提供

43、的帮助，以及中国地震局地球物理勘探中心项目组的同事们在野外工作中的付出.参考文献安卫平，苏宗正，程新原.1995.临汾盆地的横向断裂J.山西地震，(3/4)：68-77.AnWP,SuZZ,ChengXY.1995.LateralfracturesinLinfenbasinJ.EarthquakeResearchinShanxi»(3/4):6877(inChinese).邓起东.2007.中国活动构造图M.北京：地震出版社:2-22.DengQD.2007.MapofActiveTectonicsinChinaM.Beijing：SeismologicalPress：2-22(in

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