首都圈及鄰區(qū)均衡重力異常研究*

唐新功

(油氣資源與勘探技術(shù)教育部重點實驗室(長江大學(xué))，荊州 434023)

首都圈及鄰區(qū)均衡重力異常研究*

唐新功

(油氣資源與勘探技術(shù)教育部重點實驗室(長江大學(xué))，荊州 434023)

利用首都圈地區(qū)的高精度高程數(shù)據(jù)，通過Airy均衡補(bǔ)償模型計算出莫霍面的深度，進(jìn)一步運(yùn)用Parker公式計算出地殼所產(chǎn)生的重力異常值。然后從實際布格重力異常觀測值中減去均衡校正值，得到該地區(qū)的均衡異常值。通過對首都圈地區(qū)的均衡重力異常進(jìn)行分析，討論了該地區(qū)的均衡狀態(tài)。研究結(jié)果表明，首都圈大部分地區(qū)基本處于重力均衡狀態(tài)，非均衡區(qū)域多集中在首都圈的西部和北部山區(qū)。

首都圈地區(qū);Airy均衡模型;均衡異常;布格重力異常;高程數(shù)據(jù)

1 引言

首都圈及鄰近(34°～43°N，112°～120°E)位于中國華北活動地塊的北部，該區(qū)歷史上曾經(jīng)發(fā)生過多次大地震。據(jù)不完全統(tǒng)計，自有記載以來共發(fā)生8級以上地震1次，7級以上地震7次，6級以上地震20次，5級以上地震47次。其中，1679年9月2日的三河-平谷8.0級地震［1］，對北京造成了烈度8度以上的影響。因此，作為我國地震重點監(jiān)視防御區(qū)，研究首都圈及鄰近地區(qū)的構(gòu)造背景場特征及孕震發(fā)震規(guī)律，對于加強(qiáng)首都圈地區(qū)地震監(jiān)視防范，搞好首都圈防震減災(zāi)工程建設(shè)，進(jìn)一步提高首都的防震減災(zāi)能力，具有非常重大的意義。

首都圈及鄰近地區(qū)包括燕山-陰山隆起區(qū)、太行-五臺隆起區(qū)和華北平原區(qū)3個不同的新構(gòu)造單元［2］。該區(qū)應(yīng)力場主要受來自印度板塊的擠壓和應(yīng)力場的右旋拉張作用［2-4］，大陸構(gòu)造活動比較活躍。過去已有人對首都圈地區(qū)的構(gòu)造運(yùn)動及影響做過一些研究［5-7］，但針對首都圈地區(qū)的均衡重力異常尚缺少系統(tǒng)研究。本文將從重力均衡的角度，利用首都圈地區(qū)高精度的高程觀測數(shù)據(jù)，通過均衡模型得到首都圈地區(qū)的均衡異常，并結(jié)合該地區(qū)的地質(zhì)構(gòu)造背景，對首都圈地區(qū)的構(gòu)造運(yùn)動和形成原因進(jìn)行探討。

2 理論模型及計算

根據(jù)Airy均衡補(bǔ)償模型，高度為h的大陸，其山根的深度為：

其中ρc和ρm分別為地殼和地幔密度，通常分別取為2 670 kg/m3和3 270 kg/m3，對于研究區(qū)，可得

若H0代表正常地殼厚度，參照大陸平均值取35 km，則該地區(qū)莫霍面的深度為：

求均衡異常值的公式為：

式中δg均衡校正為使用Parker公式［8］計算。

3 計算結(jié)果及討論

圖1為首都圈及鄰區(qū)的實測布格重力異常圖。由圖1可見，以太行山、燕山重力梯度帶為界，布格重力異常呈現(xiàn)NE-SW向條帶狀分布。條帶以西隆起區(qū)的異常值均為較大的負(fù)值(最低約為-140× 10-5ms-2)，表明西北部莫霍面較深。條帶以東布格重力異常值整體較大，表明莫霍面較淺。

通過使用首都圈地區(qū)高精度地形數(shù)據(jù)(高程數(shù)據(jù)來源于GTOPO30，分辨率為30弧度秒)計算出的山根深度如圖2，山根產(chǎn)生的重力值的分布如圖3，均衡重力異常值的分布如圖4。

從圖4可見，大部分地區(qū)基本達(dá)到了均衡。但仍然有部分地區(qū)如張家口至邢臺之間部分地區(qū)還未完全均衡。

圖1 首都圈地區(qū)觀測布格重力異常等值線(單位：10-5ms-2)Fig.1 Bouguer gravity anomaly map of Capital Circle area(unit：10-5ms-2)

圖2 首都圈地區(qū)莫霍面深度等值線分布(單位：km)Fig.2 Moho depth distribution calculated from Airy isostasy model of Capital area(unit：km)

圖3 首都圈地區(qū)莫霍面變化產(chǎn)生的重力場分布(單位：10-5ms-2)Fig.3 The gravity field calculated from variation of Moho of Capital Circle area(unit：10-5ms-2)

根據(jù)文獻(xiàn)［9］關(guān)于均衡異常值不大于±20× 10-5ms-2為均衡的觀點，首都圈地殼大部分已基本達(dá)到或接近均衡狀態(tài)。從圖4可見，首都圈地區(qū)均衡異常區(qū)總體上分為東部基本均衡和西部非均衡兩大區(qū)塊，其中比較明顯的地區(qū)如太行山構(gòu)造帶及其山前區(qū)域，燕山-陰山構(gòu)造，秦嶺等地區(qū)，目前仍處于欠均衡狀態(tài)。這與羅照華等［10］的研究結(jié)論基本一致。

圖4 首都圈地區(qū)均衡重力異常圖及地震分布(單位：10-5ms-2)Fig.4 Isostatic gravity anomaly and earthquake distribution of Capital Circle area(unit：10-5ms-2)

從圖4還可看到，地震多發(fā)地區(qū)大都處于均衡異常變化梯度帶，如唐山、北京、張家口、大同地區(qū)，太行山東緣的石家莊、邢臺一帶，山西地塹的東緣等地區(qū)，地震震級大，強(qiáng)度高。過去的研究表明，均衡異常和地震活動性關(guān)系密切，強(qiáng)震多發(fā)生在均衡異常梯度值大或者正負(fù)異常交替的地帶，以及異常走向發(fā)生變化而均衡狀態(tài)無明顯變化的地區(qū)，Simpson等［11］用均衡異常研究美國整個大陸的均衡重力異常時，也發(fā)現(xiàn)了地震大都沿著均衡異常的梯度帶發(fā)生的規(guī)律。

4 結(jié)論

根據(jù)Airy均衡模型，使用高精度的數(shù)字地形數(shù)據(jù)計算首都圈及鄰區(qū)的均衡改正值，并利用布格重力異常值得到了均衡異常值。結(jié)果表明，東部大部分地區(qū)基本處于重力均衡狀態(tài)，西部和北部的一些地區(qū)多處于非均衡狀態(tài)。從重力均衡的角度來看，目前首都圈周邊地區(qū)尤其是西北部地區(qū)仍處于構(gòu)造活動期。

致謝 感謝國家地理信息中心提供重力數(shù)據(jù)!

1 吳晶，等，首都圈西北部地區(qū)地殼介質(zhì)地震各向異性特征初步研究［J］.地球物理學(xué)報，2007，50(1)：209-220.(Wu Jin，et al.Seismic anisotropy in the crust in northwestern capital area of China［J］.Chinese J Geophys，2007，50 (1)：209-220)

2 周曉燕，楊國華，韓月萍.華北近十年來水平運(yùn)動動態(tài)與地震活動危險區(qū)的討論［J］.華地震科學(xué)，2002，20(4)：28-33.(Zhou Xiaoyan，Yang Guohua and Han Yueping.Discussion on the trend of horizontal movement of North China in current decade and the active risk area of earthquake［J］.North China Earthquak Science，2002，20(4)：28-33)

3 楊國華，謝覺民，韓月萍.華北主要構(gòu)造單元及邊界帶現(xiàn)今水平形變與運(yùn)動機(jī)制［J］.地球物理學(xué)報，2001，44 (5)：645-653.(Yang Guohua，Xie Juemin and Han Yueping.Current horizontal deformation and kinetic mechanism of major tectonic units and boundary zones in north China［J］.Chinese J Geophys.，2001，44(5)：645-653)

4 楊國華，等.首都圈地殼垂直形變與未來強(qiáng)震活動［J］.地震，2002，22(3)：27-32.(Yang Guohua，et al.The crustal vertical deformation and the action of future strong earthquake in Capital Circle area［J］.Earthquake，2002，22(3)：27-32)

5 黃金莉，趙大鵬.首都圈地區(qū)地殼三維P波速度細(xì)結(jié)構(gòu)與強(qiáng)震孕育的深部構(gòu)造環(huán)境［J］.科學(xué)通報，2005，50(4)：348-355.(Huang Jinli and Zhao Dapeng.Three dimensional P wave veocity structure of the crust beneath the Capital and the deep tectonic environment of strong earthquakes［J］.Chinese Science Bulletin，2005，50(4)：348-355)

6 賴院根，等.首都圈地區(qū)橫波分裂與地殼應(yīng)力場特征［J］.地球物理學(xué)報，2006，49(1)：190-196.(Lai Yuangen，et al.Shear wave splitting and the features of the crustal stress field in the Ccapital Circle［J］.Chinese J Geophys.，2006，49(1)：190-196)

7 馮銳，等.論華北地區(qū)的均衡狀態(tài)(一)——方法和局部補(bǔ)償［J］.地震學(xué)報，1987，9(4)：406-416.(Feng Rui，et al.About the isostatic status of north China——Method and local compensation［J］.Acta Seismologica Sinica，1987，9(4)：406-416)

8 Parker R L.The rapid calculation of potential anomalies［J］.Geophys J R astr Soc.，1973，31：447-455.

9 袁學(xué)誠主編.中國地球物理圖集［M］.北京：地質(zhì)出版社，1996.(Yuan Xuecheng.The geophysical atlas of China［M］.Beijing：Geology Press，1996)

10 羅照華，等.太行山中生代板內(nèi)造山作用與華北大陸巖石圈巨大減薄［J］.地學(xué)前緣，2006，13(6)：13(6)：52-63.(Luo Zhaohua，et al.The Mesozoic intraplate orogeny of the Taihang Mountains and the thinning of the continental lithosphere in North China［J］.Earth Science Frontiers，2006，13(6)：52-63)

11 Simpson R W，Jachens R C and Blakely R J.A new isostatic residual gravity map of the conterminous United States with a discussion on the significance of isostatic residual anomalies［J］.J Geophys Res.，1986，91(B8)：8 348-8 372.

ISOSTASY GRAVITY ANOMALY OF CHINESE CAPITAL CIRCLE AND ITS ADJACENT AREA

Tang Xingong
(Key Laboratory of Exploration Technologies for Oil and Gas Resources of MOE(Yangtze University)，Jingzhou 434023)

By using the elevation data and Airy model，the Moho depth can be calculated.Through applying Parker’s formula，the isostasy gravity correction of the crustal deformation can be obtained as well.Therefore，the isostasy gravity anomalies gained by subtracting the corrections from observed Bouguer anomalies approximately represent the isostatic features of Chinese capital area，which plays an important role for investgating the deep structure and earthquake prediction in the future.The results show that the isostatic value which is of around±20× 10-5ms-2in eastern part of capital and its adjacent areas，indicates that basically isostatic has been reached，while some places in west and north of capital area are still in unisostitc status.

Chinese Capital circle aera;Airy isostasy model;isostasy gravity anomaly;Bouguer anomaly;topography data

1671-5942(2011)05-0044-03

2011-06-19

國家自然科學(xué)基金(40774073，40774074);國家重點基礎(chǔ)研究發(fā)展計劃(973)項目(2007CB209607);湖北省教育廳優(yōu)秀中青年基金(Q20081206)

唐新功，男，1968年生，博士，副教授，主要研究方向為地球電磁學(xué)和地球動力學(xué).E-mail：tangxg@yangtzeu.edu.cn

P315.72+6

A