中國大陸2000—2007年重力場變化多尺度分解*

玄松柏 邢樂林 談洪波 汪 健 申重陽 李 輝

(1)中國地震局地震研究所(地震大地測量重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室)，武漢 430071 2)武漢大學(xué)測繪學(xué)院，武漢430079)

中國大陸2000—2007年重力場變化多尺度分解*

玄松柏1，2)邢樂林1，2)談洪波1)汪 健1)申重陽1)李 輝1)

(1)中國地震局地震研究所(地震大地測量重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室)，武漢 430071 2)武漢大學(xué)測繪學(xué)院，武漢430079)

利用小波變換方法將2000—2007年中國大陸重力場動(dòng)態(tài)變化多尺度分解，獲得不同小波尺度意義下的重力場動(dòng)態(tài)累積變化。結(jié)果表明:1)一階小波細(xì)節(jié)基本與構(gòu)造活動(dòng)無關(guān);2)二階小波細(xì)節(jié)較好地反映了青藏高原的隆升和汶川Ms8.0地震的孕育;3)三階小波細(xì)節(jié)較好地反映了青藏高原的隆升及其內(nèi)部物質(zhì)向東運(yùn)移、昆侖地震、汶川地震等較大尺度構(gòu)造活動(dòng)信息;4)三階小波逼近較好地反映了印度板塊對青藏高原的碰撞、太平洋板塊向歐亞板塊下的俯沖、華北地塊現(xiàn)今運(yùn)動(dòng)趨勢等大尺度構(gòu)造活動(dòng)信息。

重力場變化;小波變換;多尺度分解;構(gòu)造活動(dòng);中國大陸

1 引言

覆蓋中國大陸范圍的重力測量包括20世紀(jì)90年代末開始實(shí)施的中國地殼運(yùn)動(dòng)觀測網(wǎng)絡(luò)和本世紀(jì)初開始實(shí)施的中國數(shù)字地震觀測網(wǎng)絡(luò)［1］，為地球空間環(huán)境及其變化、地球運(yùn)動(dòng)與動(dòng)力學(xué)等研究領(lǐng)域取得的成果［2-7］提供了基礎(chǔ)資料。

以往解釋重力場變化時(shí)大多是基于整個(gè)重力場變化的過程，也有采用基于重力場變化反演［8，9］、解析延拓［10］等方法來判定地殼不同深度物質(zhì)性質(zhì)的改變機(jī)制或過程。若對重力場變化的不同成分進(jìn)行分離，解釋構(gòu)造運(yùn)動(dòng)則更為直觀。小波變換具有低階細(xì)節(jié)不變的性質(zhì)［11］，可將重力場變化分解為表示不同深度、不同尺度的信息源在地表產(chǎn)生的重力場變化，為解釋重力場變化與深度、密度變化的關(guān)系提供了較為直觀、可靠的方法［12～14］。本文利用中國大陸2000—2007年重力場動(dòng)態(tài)累積變化進(jìn)行小波多尺度分解，獲得不同小波尺度意義下重力場動(dòng)態(tài)變化，并結(jié)合中國大陸重點(diǎn)地區(qū)的典型構(gòu)造活動(dòng)，分析不同小波尺度意義下重力場變化特征的意義及兩者相應(yīng)關(guān)聯(lián)。

2 重力場變化小波多尺度分解

2.1 重力場累積變化

利用中國地殼運(yùn)動(dòng)觀測網(wǎng)絡(luò)3期(2000、2002、2005年)和中國數(shù)字地震觀測網(wǎng)絡(luò)1期(2007年)的流動(dòng)重力觀測數(shù)據(jù)，獲得在絕對重力控制下的相對重力聯(lián)測的弱基準(zhǔn)平差結(jié)果，具體重力數(shù)據(jù)處理方法與精度說明參見文獻(xiàn)［1］。將結(jié)果中的2002、2005年和2007年數(shù)據(jù)分別減去2000年數(shù)據(jù)，獲得2000年以來的2～3年尺度的重力場動(dòng)態(tài)累積變化，即分別為2002、2005和2007年相對于2000年重力場變化，利用雙調(diào)和樣條插值方法［15］將離散數(shù)據(jù)網(wǎng)格化成(10°N～60°N，60°E～140°E)范圍內(nèi)的1°×1°規(guī)則數(shù)據(jù)(圖1)。圖1中較為明顯的重力變化區(qū)為塔里木盆地、大華北地區(qū)、川滇地區(qū)、青藏地區(qū)等，基本顯示了昆侖山口西Ms8.1地震的發(fā)生和發(fā)展、汶川Ms8.0地震的孕育、華北地區(qū)地殼運(yùn)動(dòng)、青藏高原地區(qū)隆升及其物質(zhì)向東運(yùn)移等國內(nèi)外地球動(dòng)力學(xué)研究領(lǐng)域的熱點(diǎn)問題所對應(yīng)的重力場變化特征。

2.2 重力場變化小波多尺度分解結(jié)果分析

利用小波分解的Mallat塔式算法［16］將2000—2007年中國大陸重力場變化進(jìn)行多尺度分解，結(jié)果見圖2～5。

圖2為中國大陸2002、2005和2007年相對于2000年重力場變化一階小波細(xì)節(jié)，主要反映了上地殼淺層因各種因素引起的重力場高頻變化信息，大多數(shù)地區(qū)變化量級(jí)較小，這里不詳細(xì)闡述。

圖3為中國大陸重力場變化二階小波細(xì)節(jié)，重力場變化有以下幾個(gè)典型特征:1)圖3(a)為2002年相對于2000年重力場變化二階小波細(xì)節(jié)，重力變化幅值較小。青海省中部、郯廬地震帶華北段存在小幅值負(fù)重力變化，內(nèi)蒙東部、甘肅西部、四川西北部、河南南部存在小幅值正重力變化;2)圖3(b)為2005年相對于2000年重力場變化二階小波細(xì)節(jié)，相對于2002年重力變化幅值明顯增強(qiáng)，主要表現(xiàn)在從湘鄂西-廣西東北一線到拉薩由東向西分布著近南北向的正、負(fù)重力變化相間條帶，在成都-昆明一線正重力變化最為明顯;東北地區(qū)重力場變化呈現(xiàn)正負(fù)分異;3)圖3(c)為2007年相對于2000年重力場變化二階小波細(xì)節(jié)，中國大陸南部由東向西重力場變化正負(fù)條帶愈為明顯，川滇菱形塊體以西負(fù)重力變化幅值達(dá)到-80×10-8ms-2以上，西藏高原約以95°E為軸心的南北向正重力變化亦達(dá)到80× 10-8ms-2左右。

圖4為中國大陸重力場變化三階小波細(xì)節(jié)，較二階小波細(xì)節(jié)，三階小波細(xì)節(jié)所反映的重力場變化更具有區(qū)域性，其主要表現(xiàn)如下特征:1)圖4(a)為2002年相對于2000年重力場變化三階小波細(xì)節(jié)，東北地區(qū)中部存在小幅值負(fù)重力變化，而其東部存在小幅值正重力變化;華北平原為正重力變化區(qū);鄂爾多斯地塊為負(fù)重力變化，云南北部為負(fù)重力變化，這兩個(gè)負(fù)重力變化區(qū)中間的成都平原為正重力變化;青藏高原東緣地區(qū)正重力變化最為明顯，從昆侖山口西到拉薩為南南東方向的負(fù)重力變化;存在較小幅值正重力變化的區(qū)域還有西藏西南和塔里木盆地;2)較之2002、2005年相對于2000年重力場變化三階小波細(xì)節(jié)(圖4b)引以注意的是青藏東緣的正重力變化向東移動(dòng)至川西高原，其他地區(qū)基本為負(fù)重力變化區(qū);東北地區(qū)東西重力變化分異;華北地區(qū)出現(xiàn)正負(fù)重力變化四象限分布形態(tài);塔里木盆地地區(qū)正重力變化增加;3)圖4(c)為2007年相對于2000年重力場變化三階小波細(xì)節(jié)，與2005年相比，青藏高原負(fù)重力變化增強(qiáng)，北部的正重力變化與川西高原的正重力變化連成一片;華北地區(qū)正負(fù)重力變化四象限分布更加明顯;塔里木盆地地區(qū)的正重力變化達(dá)到80×10-8ms-2以上。

圖5分別為中國大陸2002、2005和2007年相對于2000年重力場變化三階小波逼近，主要表現(xiàn)為西部、西南部為正重力變化區(qū)，且幅值逐漸增大;大華北地區(qū)為負(fù)重力變化區(qū)，極值逐漸向西北移動(dòng);華南地區(qū)重力變化較小。

圖1 中國大陸重力場變化(單位:10-8ms-2;等值線間隔:20×10-8ms-2)Fig.1 Gravity field variations in China mainland(Unit:10-8ms-2;Contour interval:10×10-8ms-2)

圖2 重力場變化一階小波細(xì)節(jié)(單位:10-8ms-2;等值線間隔:10×10-8ms-2)Fig.2 First-order wavelet details of gravity field variations(Unit:10-8ms-2;Contour interval:10×10-8ms-2)

圖3 重力場變化二階小波細(xì)節(jié)(單位:10-8ms-2;等值線間隔:10×10-8ms-2)Fig.3 Second-order wavelet details of gravity field variations(Unit:10-8ms-2;Contour interval:10×10-8ms-2)

圖4 重力場變化三階小波細(xì)節(jié)(單位:10-8ms-2;等值線間隔:10×10-8ms-2)Fig.4 Third-order wavelet details of gravity field variations(Unit:10-8ms-2;Contour interval:10×10-8ms-2)

圖5 重力場變化三階小波逼近(單位:10-8ms-2;等值線間隔:10×10-8ms-2)Fig.5 Third-order wavelet approximations of gravity field variations(Unit:10-8ms-2;Contour interval:10×10-8ms-2)

3 重力場變化特征與構(gòu)造活動(dòng)

中國大陸構(gòu)造活動(dòng)呈現(xiàn)明顯的分區(qū)分塊特征［17-19］。不同階次小波細(xì)節(jié)反映地下不同尺度、不同深度介質(zhì)密度變化或形變信息，一般說來，一階小波細(xì)節(jié)對應(yīng)淺部環(huán)境變化引起的重力場高頻變化，二階小波細(xì)節(jié)對應(yīng)上、中地殼介質(zhì)運(yùn)動(dòng)引起的重力場變化，三階小波細(xì)節(jié)對應(yīng)中、下地殼介質(zhì)運(yùn)動(dòng)引起的重力場變化，三階小波逼近對應(yīng)上地幔介質(zhì)運(yùn)動(dòng)引起的重力場變化［11-13］。

3.1 青藏高原地區(qū)

青藏高原內(nèi)部分為拉薩、羌塘、巴顏喀拉、昆侖、柴達(dá)木和祁連等塊體［17，18］。受印度板塊與歐亞板塊碰撞后持續(xù)的向北推擠和楔入作用而形成隆升和強(qiáng)烈變形，其影響范圍直達(dá)祁連山北緣和河西走廊盆地帶，河西走廊盆地帶南部發(fā)育著一系列近南北向的正斷裂-地塹系，中部發(fā)育數(shù)條北西西走向的左旋走滑斷裂，北部因受擠壓和新疆?dāng)鄩K區(qū)阻擋而表現(xiàn)為地殼縮短。2001年11月14日發(fā)生的昆侖山口西Ms8.1特大地震震中位于東昆侖斷裂帶上。

青藏高原的隆升主要為南部的拉薩和羌塘地塊［17］，與二、三階小波細(xì)節(jié)(圖3、4)顯示的拉薩附近負(fù)重力變化區(qū)相對應(yīng)，特別是二階小波細(xì)節(jié)反映出負(fù)重力變化不斷增強(qiáng)，與絕對重力結(jié)果［20，21］較好吻合，說明因青藏高原隆升所引起的地下介質(zhì)密度變化主要集中在中、下地殼。另外，印度板塊插入青藏高原下方后因擠壓造成高原物質(zhì)增多、密度增加，使得三階小波逼近(圖5)顯示青藏高原為正重力變化區(qū)。

2005年、2007年相對于2000年重力場變化三階小波細(xì)節(jié)(圖4(b)、(c))顯示，在青藏高原內(nèi)部重力場正負(fù)變化分界線基本與高原下地殼物質(zhì)東流的主流線［22］一致。說明重力場變化三階小波細(xì)節(jié)較好反映了青藏高原物質(zhì)東流過程。在90°E左右的羌塘地塊北邊界處因受高原南部推擠和北部新疆?dāng)鄩K區(qū)阻擋使得地下介質(zhì)致密而呈現(xiàn)正重力變化，可以推斷，下地殼物質(zhì)向北推移止步于羌塘地塊與巴顏喀拉地塊邊界的甘孜-玉樹斷裂帶而轉(zhuǎn)為SEE方向。

2002年相對于2000年重力場變化為昆侖山口西Ms8.1地震同震變化，其三階小波細(xì)節(jié)(圖4 (a))顯示，震區(qū)呈現(xiàn)負(fù)重力變化區(qū)，西南部和東部呈現(xiàn)正重力變化區(qū)，特別是東北的大片高值正重力變化區(qū)。由于同震的近東西向左旋破裂運(yùn)動(dòng)，震源區(qū)的閉鎖狀態(tài)消失，中、下地殼介質(zhì)向東和西南分異運(yùn)移，阻擋了青藏高原北推作用，使得東部和西南部呈現(xiàn)正重力變化區(qū)，同時(shí)造成震區(qū)物質(zhì)虧損導(dǎo)致震區(qū)呈負(fù)重力變化區(qū)。2005年相對于2000年重力場變化三階小波細(xì)節(jié)無此現(xiàn)象，說明昆侖地震震后影響呈現(xiàn)逐漸減弱的趨勢。

3.2 藏東和川滇地區(qū)

藏東和川滇地區(qū)包括川滇菱形塊體、滇西南塊體和羌塘塊體東南部，受青藏高原物質(zhì)向東運(yùn)移和成都盆地剛性塊體的阻擋而呈現(xiàn)順時(shí)針旋轉(zhuǎn)和南南東方向總體運(yùn)動(dòng)。2008年5月12日汶川Ms8.0地震發(fā)生在巴顏喀拉地塊東邊緣的龍門山斷裂帶上，是青藏高原地下物質(zhì)向東運(yùn)移的結(jié)果。

成都、昆明一線處在青藏、華南兩大I級(jí)塊體的邊界構(gòu)造帶上［17］，縱觀小波多尺度分解結(jié)果可以看出二階小波細(xì)節(jié)(圖3)和三階小波細(xì)節(jié)(圖4)中成都以西的南北向正重力變化趨勢，二階小波細(xì)節(jié)在2007年達(dá)到最大(圖3(c))，三階小波細(xì)節(jié)在2005年達(dá)到最大(圖4(b))。這種趨勢基本與成都基準(zhǔn)臺(tái)重力變化趨勢［23］吻合。說明汶川Ms8.0地震前，成都盆地以西重力變化一直在增加，中、下地殼物質(zhì)和能量處于逐漸累積的過程。重力場變化與汶川地震孕育研究表明:大震往往發(fā)生在正負(fù)重力變化梯級(jí)帶上［7］，龍門山斷裂帶位于重力場變化二、三階小波細(xì)節(jié)的正負(fù)梯級(jí)帶，因此，可以認(rèn)為汶川地震孕育在中、下地殼或其分解面上，是青藏高原下地殼物質(zhì)向東運(yùn)移的結(jié)果。

位于川滇菱形地塊和羌塘地塊交界的三江地區(qū)(瀾滄江、金沙江、怒江)，處于青藏高原物質(zhì)向東運(yùn)移的通道之上［22］，使川滇菱形地塊向南南東方向總體運(yùn)動(dòng)的構(gòu)造背景下，地殼介質(zhì)向南南東方向運(yùn)移。二階小波細(xì)節(jié)(圖3)顯示負(fù)重力變化逐漸增強(qiáng)，反映了物質(zhì)運(yùn)移過程，表明該過程發(fā)生在中、下地殼。

3.3 華北地區(qū)

華北地區(qū)包括鄂爾多斯、太行山、華北平原、河淮平原、陰山-燕山、膠遼、蘇滬等塊體［17］，是我國最古老的板塊之一，經(jīng)多次構(gòu)造運(yùn)動(dòng)形成了風(fēng)格迥異的構(gòu)造單元。通過對中國大陸重力場變化多尺度分解結(jié)果可以看出，華北地區(qū)具有以下基本特征:

1)2005、2007年相對于2000年重力場變化三階小波細(xì)節(jié)(圖4(b)、(c))顯示華北地區(qū)重力場變化大致以陰山-燕山一線和太行山為軸呈正負(fù)四象限分布形態(tài)，幅值逐漸增大，2000年至今沒有強(qiáng)震活動(dòng)發(fā)生，石家莊附近的地震危險(xiǎn)性應(yīng)值得注意。這種正負(fù)四象限分布可能是由鄂爾多斯-岷山地塊下地殼物質(zhì)向東運(yùn)動(dòng)受太行山阻擋而得以累積、陰山-燕山塊體向NE方向運(yùn)動(dòng)、張家口-渤海斷裂的左旋走滑［24］等構(gòu)造活動(dòng)的綜合反映;亦或因日本海溝地震與華北地震同受西太平洋板塊俯沖控制，兩者存在著相關(guān)性［25，26］，日本海溝2003年發(fā)生的Mw8.0地震，此次地震加速了太平洋板塊的西向俯沖，是華北地幔物質(zhì)上涌［26］的結(jié)果，石家莊附近恰位于上地幔隆起區(qū)［27］。郯廬斷裂帶以西有較明顯的負(fù)重力變化，可能說明其仍處于活動(dòng)狀態(tài)。

2)大華北地區(qū)三階小波逼近(圖5)最顯著特征為逐漸增強(qiáng)的負(fù)重力變化，說明該區(qū)域深部物質(zhì)為遷出狀態(tài)，基本與GPS結(jié)果顯示的現(xiàn)今華北地塊因拉張而向SEE方向運(yùn)動(dòng)總體趨勢［28］吻合。

3.4 其他地區(qū)

三階小波逼近(圖5)顯示的西昆侖地區(qū)正重力變化是青藏高原向北推擠而不斷累積的結(jié)果;塔里木盆地南為昆侖山，北為天山，因處于擠壓環(huán)境下［17］應(yīng)呈正重力變化，三階小波細(xì)節(jié)(圖4)對應(yīng)此變化;三階小波細(xì)節(jié)(圖4)顯示東北地區(qū)亦存在類似于華北地區(qū)的正負(fù)重力變化四象限分布形態(tài)，因該地區(qū)構(gòu)造運(yùn)動(dòng)與華北地區(qū)一樣受太平洋板塊俯沖作用的控制［29］，同樣可能是因2003年日本海溝Mw8.0級(jí)地震的影響;東北地區(qū)三階小波逼近(圖5)的正重力變化反映了因太平洋板塊西向歐亞板塊下深度俯沖擠壓［1，19］的致密作用。

4 結(jié)束語

通過2002、2005、2007年相對于2000年3期中國大陸重力場動(dòng)態(tài)累積變化的小波多尺度分解獲得的不同小波尺度意義下的重力場變化，得到以下幾點(diǎn)認(rèn)識(shí):

1)一階小波細(xì)節(jié)反映地表及淺層高頻信息，基本與構(gòu)造運(yùn)動(dòng)無關(guān);

2)二階小波細(xì)節(jié)較好地反映了青藏高原的隆升、汶川Ms8.0地震等發(fā)生在中、下地殼的構(gòu)造活動(dòng)信息;

3)三階小波細(xì)節(jié)較好地反映了發(fā)生在中、下地殼的青藏高隆升及其原內(nèi)部物質(zhì)向東運(yùn)移、昆侖山口西Ms8.1地震同震效應(yīng)、汶川Ms8.0地震震前物質(zhì)與能量的累積等較大尺度構(gòu)造活動(dòng)信息;

4)三階小波逼近較好地反映了印度板塊對青藏高原的擠壓、太平洋板塊向歐亞板塊下的俯沖、華北地塊現(xiàn)今運(yùn)動(dòng)趨勢等大尺度構(gòu)造活動(dòng)信息。

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WAVELET MULTI-SCALE DECOMPOSITION OF GRAVITY FIELD VARIATIONS DURING 2000—2007 IN CHINA MAINLAND

Xuan Songbai1，2)，Xing Lelin1，2)，Tan Hongbo1)，Wang Jian1)Shen Chongyang1)and Li Hui1)

(1)Key Laboratory of Earthquake Geodesy，Institute of Seismology，CEA，Wuhan 430071 2)School of Geodesy and Geomatics，Wuhan Universtiy，Wuhan 430079)

Dynamic gravity field variations during the period from 2000 to 2007 in China mainland are decomposed after the method of multi-scale decomposition of wavelet transform.The dynamic gravity field variations of the different-scale wavelet and the following results are drawn:1)The first-order wavelet details are independent of tectonic activities basically.2)The second-order wavelet details well reflect the uplift of Tibetan Plateau and the preparation of Wenchuan Ms8.0 earthquake.3)The third-order wavelet details well give information about larger scale tectonic activities，such as uplift and eastward mass flow of Tibetan Plateau，Kunlun earthquake and Wenchuan earthquake.4)The third-order wavelet approximations well give information about large-scale tectonic activities，such as the collision of India plate with Tibetan Plateau，the subduction of Pacific plate to Eurasian plate and the movement tendency of north China block.

gravity field variations;wavelet transform;multi-scale decomposition;tectonic activities;China mainland

1671-5942(2012)03-0007-10

2012-01-15

地震行業(yè)科研專項(xiàng)(201008007)

玄松柏，男，1980年生，博士生，助理研究員，主要從事重力場與重力反演研究.E-mail:song_bai_whu@163.com

P315.72+6

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