東大別地磁剖面磁異常的匹配濾波分析與地震研究①

徐如剛，張 毅，王 雷，朱志春，顧左文

（1．安徽省地震局，安徽 合肥 230031；2．中國地震局地球物理研究所，北京 100081）

0 引言

東秦嶺—大別—蘇魯造山帶是華北—揚子陸塊之間的陸—陸碰撞造山帶［1－3］。大別造山帶位于中央造山帶的東段，是秦嶺—大別—蘇魯造山帶的重要組成部分。20世紀80年代，由于超高壓變質巖，特別是大量出露柯石英［4］和微粒金剛石［5］的發(fā)現(xiàn)，大別造山帶超高壓變質作用及其動力學問題成為地學界研究的熱點，吸引了國內外眾多科學家的廣泛的興趣［6－8］。90年代中期以來，地質學家從巖石學、地球化學等多方面研究大別造山帶的超高壓變質作用及地球動力學，取得了大量的研究成果［9－12］，同時以地震方法為主的地球物理探測、大地電磁方法提供了大別造山帶地殼速結構、莫霍面起伏及電性結構特征的重要信息，為認識大別造山帶深部結構提供了重要的研究成果［13－20］。但是，利用重力、地磁地球物理場探測方法在大別造山帶開展深部構造及動力學過程的研究甚少［21］。

本文旨以貫穿東大別造山帶內的六安—英山、白塔畈—無為、金寨青山—萬佛湖三條地磁剖面磁異常數(shù)據(jù)為基礎，利用匹配濾波方法對地磁觀測數(shù)據(jù)進行局部與區(qū)域異常場分離，基于區(qū)域異常場分離結果利用近似線性反演方法，對三條剖面的居里面埋深進行定量地計算，并結合研究區(qū)域內已有的研究成果、地震資料，對東大別造山帶內的地震活動與居里面的關系及其地震成因機制進行初步研究，并從地磁探測角度為東大別造山帶的結構和動力學研究提供深部證據(jù)。

1 構造背景、地磁剖面布設

2010年11月，安徽省地震局在東大別造山帶內布設了三條地磁剖面，點位分布如圖1所示。研究區(qū)域南、北方向分別以襄樊—廣濟斷裂、六安—合肥斷裂為界，與揚子陸塊和合肥盆地相接；東、西方向分別以烏江—羅昌河斷裂、麻城—商城斷裂為界，與秦嶺—蘇魯造山帶相鄰。

圖1 東大別造山帶地磁剖面分布及構造背景Fig．1 Distribution of geomagnetic profiles and tectonic background in Eastern Dabie Orogen．

六安—英山剖面（Ⅰ）全長約180km，方向SSW，布設總強度測點33個。剖面由北起始于華北地塊南緣，貫穿北淮陽構造帶，向南延伸至東大別造山帶，與土地嶺—落兒嶺斷裂平行，跨越曉天—磨子潭、梅山—龍河口、肥西—韓擺渡斷裂。白塔畈—無為剖面（Ⅱ）全長約190km，走向SEE，布設總強度測點35個。剖面位于曉天—磨子潭斷裂與梅山—龍河口斷裂之間，跨越土地嶺—落兒嶺及郯廬斷裂。金寨青山—萬佛湖剖面（Ⅲ）全長90km，方向近EW，位于曉天—磨子潭、梅山—龍河口斷裂之間，近乎與曉天—磨子潭平行，布設總強度測點18個。

2 數(shù)據(jù)采集及資料處理

剖面測點野外總強度數(shù)據(jù)、測點坐標數(shù)據(jù)的采集分別由G856AX質子旋進式磁力儀和星站SF2050差分GPS完成。對獲取的剖面總強度觀測數(shù)據(jù)進行日變化通化、長期變通化改正、化極、局部與區(qū)域磁異常場的分離處理。

2．1 數(shù)據(jù)通化

（1）選擇地磁剖面觀測期間內的磁靜日作為地磁數(shù)據(jù)通化日［22］，使用蒙城地磁臺的地磁連續(xù)觀測分均值數(shù)據(jù)進行日變通化改正，日變改正的總強度通化均方誤差小于1．5nT；

（2）基于“1995．0－2010．0中國地區(qū)地磁基本場長期變化6階NOC非線性模型”，對經(jīng)日變化通化改正后的觀測數(shù)據(jù)進行長期變通化改正，通化至2010．0年代；

（3）以《2010．0中國地磁圖》曲面樣條模型計算值作為地磁正常場，對剖面地磁觀測數(shù)據(jù)進行主磁場剝離，獲取各剖面的巖石圈磁異常場。

2．2 剖面磁異常數(shù)據(jù)匹配濾波處理

根據(jù)前人的研究經(jīng)驗［23］，匹配濾波法是區(qū)分局部和區(qū)域磁異常場的有效手段之一。此方法為一個低通濾波器，有一個較為復雜的匹配濾波器。與向上延拓方法不同之處在于，提取高頻成分時不會放大導致高頻成分的振蕩效應。本次研究采用匹配濾波法對東大別造山帶內的三條經(jīng)過通化處理、主磁場剝離和化極后的剖面數(shù)據(jù)進行局部和區(qū)域地磁異常場分離。該方法的基本原理見文獻［24］，文中僅給出對數(shù)功率譜曲線擬合得到的直線斜率、局部和區(qū)域異常場分離的最佳深度變化關系公式：

其中H為局部和區(qū)域異常場分離的最佳深度；Δx為點距；k為對數(shù)功率譜曲線擬合得到的直線斜率。根據(jù)剖面的對數(shù)功率譜確定了研究區(qū)域匹配濾波最佳平均尺度為5km，分離出了三條剖面的區(qū)域磁異常場，如圖2所示。

2．3 居里面反演計算

基于匹配濾波法分離的區(qū)域地磁異常場結果，使用連續(xù)模型法及Peters的近似線性反演公式［24］，把居里面的相對于平均深度的起伏表示為有限項傅里葉級數(shù)，使用最小二乘法求得相對起伏深度的傅里葉級數(shù)即可計算出剖面的居里面埋深。反演計算過程中居里面的平均埋深取為24km、平均磁化率取值為2 800×10－3A／m，傅里葉諧波次數(shù)取為2次。

3 剖面磁異常變化特征解譯

磁異常反映了地殼中、深部介質與磁性構造屬性的信息，其形態(tài)、走向及結構在一定程度上可作為推斷基底構造性質、斷裂走向，不同構造單元與邊界帶的依據(jù)［25］。基于各剖面磁異常變化特征曲線分析發(fā)現(xiàn)，剖面磁異常變化曲線表現(xiàn)出不同的特征。

圖2 各剖面磁異常變化曲線Fig．2 Geomagnetic anomaly curves of geomagnetic profiles．

剖面Ⅰ磁異常變化曲線顯示，在上土市、霍山兩處存在磁異常陡變帶，其中霍山附近的磁異常變化最為劇烈，極值異常接近300nT，表明存在斷裂構造。由圖1可知，兩處陡變帶分別對應于梅山—龍河口、曉天—磨子潭斷裂。磁異常變化曲線直觀地將剖面分為三段：英山至上土市段，呈高值異常分布并伴隨一定起伏，反映出該段基底巖系磁性較強，基底構造相對連續(xù)；上土市至霍山段，異常起伏較為劇烈，表明該段基底構造較為破碎，兩側區(qū)域的磁異常變化劇烈，區(qū)域磁性構造與兩側差異較大；霍山至三十鋪段，總體表現(xiàn)平緩，由南向北緩慢上升，反映出該段基底巖系磁性較弱，基底構造相對連續(xù)。

剖面Ⅱ磁異常變化曲線在舒城和廬江之間產生異常幅度較大的陡變帶，變化幅度達500nT，表明該段跨越不同的地質構造單元，存在斷裂構造。極值異常對應于郯廬斷裂帶，異常曲線顯示出郯廬斷裂帶內外兩側的磁異常變化差異較為顯著。剖面磁異常曲線大致可分為磁異常曲線形態(tài)截然不同的兩段：白塔畈至舒城段的磁異常整體變化較為平緩，起伏較小，磁異常不發(fā)育，顯示出該段基底巖系磁性較弱，埋藏較深，基底構造相對連續(xù)，磁性基底略有起伏；廬江至無為段的磁異常起伏較為劇烈，異常幅度明顯弱于陡變帶，反映出該段基底巖系的性質較大差異，磁性基底破碎。

剖面Ⅲ磁異常曲線整體表現(xiàn)為負磁異常背景下的呈現(xiàn)規(guī)律性的諧波狀起伏變化，極值異常變化幅度約為400nT。曲線整體顯示曉天—磨子潭斷裂兩側之間的磁性構造差異較大：青山至霍山段異常幅值較低，呈現(xiàn)緩降－緩升趨勢，顯示不同磁性地質體間隔分布；霍山至萬佛湖段，磁異常呈現(xiàn)出整體抬升，起伏變化減弱。

4 居里面與地震活動的關系分析

居里面反映了地殼深部的溫度場，而地殼深部熱運動與地震活動性密切相關［26－27］。因此研究居里面不但可以了解地溫梯度研究地熱演化、地殼深部結構，而且對進一步全面認識地震孕育的深部構造背景環(huán)境有重要的意義。為此以研究區(qū)域116．52°E，31．21°N為中心105km為半徑的區(qū)域內地震為對象，將1990年1月1日－2012年2月1日ML≥2．0地震分別向各地磁剖面進行投影。結合剖面磁異常反演所得居里面以及研究區(qū)域的相關研究成果給出了居里面埋深與地震分布，如圖3所示。

經(jīng)初步探討，得出如下方面的認識：

（1）居里面埋深定量反演計算結果顯示研究區(qū)域內的居里面埋深起伏較大，變化幅度約14km。六安—英山剖面居里面平均埋深約為24km，剖面縱穿合肥盆地、北淮陽及東大別造山帶，起伏較大約為11km，其中位于霍山地區(qū)下方的居里面埋深起伏最大，地震事件也最為密集；橫穿合肥盆地及郯廬斷裂帶的白塔畈—無為剖面居里面埋深起伏最大約14km，位于郯廬斷裂兩側的居里面埋深起伏最大；金寨青山—萬佛湖剖面居里面埋深起伏約為12 km，居里面埋深反演結果與研究區(qū)域的航磁資料計算所得的居里面埋深相一致［28］。

（2）剖面磁異常變化曲線與其對應的居里面反演結果呈現(xiàn)出較好的鏡像關系。

（3）通過對三條剖面的居里面埋深的綜合分析發(fā)現(xiàn)，東大別造山帶內居里面自西向東、自南向北逐漸抬升，合肥盆地內居里面由北往南逐漸抬升，六安—英山、金寨青山—萬佛湖剖面相交處的霍山地區(qū)下方的居里面埋深最淺、起伏較大。

圖3 居里面埋深與地震分布Fig．3 Depth of Curie surface and earthquakes distribution along the profiles

（4）通過研究區(qū)域的地震分布與居里面埋深的分布關系分析發(fā)現(xiàn)二者存在著較為密切的關系，大部分地震的分布主要集中在居里面發(fā)生扭折的部位，如霍山地區(qū)下方區(qū)域。

5 討論與結論

通過匹配濾波法對東大別造山帶內的六安—英山、白塔畈—無為、金寨青山—萬佛湖三條剖面觀測數(shù)據(jù)進行局部和區(qū)域異常場分離，獲取了磁異常變化曲線，并以此為基礎反演計算了研究區(qū)域居里面埋深，結合研究區(qū)域內的地震活動及已有的地質研究成果，初步探討了研究區(qū)域的地震成因、深部動力學環(huán)境及其與居里面關系，并得出如下認識：

（1）各剖面磁異常變化曲線呈現(xiàn)出不同的特征，研究區(qū)磁異常變化幅度較大，尤其在深大斷裂兩側如郯廬斷裂帶、曉天—磨子潭斷裂帶兩側產生異常幅更大的陡變帶。磁異常變化特征曲線較好的反映出東大別造山帶內構造基底性質之間的差異性。

（2）六安—英山、金寨青山—萬佛湖剖面交匯部位霍山地區(qū)下方的居里面埋深最淺同時地震事件也最為密集，考慮影響居里面埋深的主要因素、研究區(qū)域的地質構造及剖面的具體分布位置，推測霍山地區(qū)下方構造區(qū)的深部可能存在地幔熱流上涌的通道，熱流上涌是造成該區(qū)域居里面隆起的主要原因，而切穿大別山碰撞造山縫合帶的曉天—磨子潭斷裂［19］?則可能為熱流的上涌提供了交換通道。

（3）地震是在區(qū)域構造應力及深部流體的巨大能量轉換過程，由于震源區(qū)巖石在彈性形變臨界時突然發(fā)生破裂而能量釋放的結果［26］。位于震源區(qū)附近居里面坳陷區(qū)的地殼塊體溫度相對偏低，為地殼中的“硬塊體”，巖石塑性差，構造應力易于集中。震源區(qū)附近的居里面隆起區(qū)溫度較高，為地殼中的“軟塊體”，巖石塑性強，為地震孕育過程中的巖石錯動及能量的釋放提供了調整單元［29］。

（4）若取居里面溫度為600℃，高溫區(qū)、低溫區(qū)埋深分別為17km、30km，則兩個區(qū)域的平均溫度梯度分別為35℃和20℃，由此在10km以下深度上將會產生100～200℃的溫差，由溫差產生的熱應力關系式［30］

σT＝0．1αEΔT

可計算出上述區(qū)域溫差將產生與引起巖石破裂力同量級的熱應力。因此，居里面梯度區(qū)之間的溫度差異有利于熱應力的形成，在熱應力和區(qū)域構造應力的共同作用下促使深部介質運移，進行能量轉換，從而易于地震的發(fā)生。剖面居里面反演結果顯示霍山構造區(qū)下方為地殼中的 “軟塊體”，利于能量的積累、調整和釋放，使得該區(qū)域內的中小地震活動頻次和強度顯得甚為突出。

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