巴東地區(qū)均衡重力異常與構(gòu)造活動特征*

楊光亮 申重陽 談洪波 吳桂桔 王嘉沛

1)中國科學院計算地球動力學實驗室，北京 100049

2)湖北省地震局，武漢 430071

3)地殼運動與地球觀測實驗室，武漢 430071

巴東地區(qū)均衡重力異常與構(gòu)造活動特征*

楊光亮1，2，3)申重陽2，3)談洪波2，3)吳桂桔2，3)王嘉沛2，3)

1)中國科學院計算地球動力學實驗室，北京 100049

2)湖北省地震局，武漢 430071

3)地殼運動與地球觀測實驗室，武漢 430071

基于巴東地區(qū)布格重力異常信息，采用艾黎-海斯卡寧均衡模型，計算了該區(qū)均衡重力異常。結(jié)果顯示，該區(qū)均衡重力異常變化范圍為－45×10－5ms－2～45×10－5ms－2，大部分區(qū)域基本處于重力均衡狀態(tài)，局部存在弱正異常與弱負異常，弱正均衡異常呈條帶狀。研究表明，太行-武陵重力梯級帶基本處于均衡狀態(tài)，內(nèi)部存在差異;巴東地區(qū)西北部存在一定程度的地殼均衡調(diào)整空間;巴東Ms5.1地震區(qū)域處于重力均衡狀態(tài)，推測其發(fā)震與地殼均衡調(diào)整無直接關系。

巴東地區(qū);地震;重力;布格異常;均衡異常

巴東地區(qū)處于揚子克拉通北緣與四川盆地東端，北部與秦嶺造山帶相連，東北及東南部分別為華北克拉通及華南塊體，區(qū)內(nèi)主要為一系列北東向弧形褶皺，褶皺軸自西向東漸轉(zhuǎn)為北東東，后以近東西向嵌入秭歸向斜中［1］。在三峽水庫蓄水前，巴東及鄰區(qū)地震活動具有低頻度、高強度的特點，蓄水后地震事件以微小震群特征出現(xiàn)［2］。三峽蓄水前后的精密重力測量和模擬研究均表明［3－5］，庫壩附近水荷載的最大重力變化約 200×10－8ms－2，影響范圍離庫岸約5 km隨后迅速衰減。由此可見，三峽水庫蓄水對該區(qū)地震活動存在一定影響，但其影響強度及范圍有限。因此，地震活動特征發(fā)生改變與其地殼構(gòu)造背景密切相關，厘清水庫地震深部成因機制是水庫地震監(jiān)測的重要方向。

近幾十年來，很多學者在該區(qū)開展了大量的地球物理觀測與研究［6－9］，獲得了該區(qū)地質(zhì)、速度結(jié)構(gòu)及密度結(jié)構(gòu)模型。本文利用收集到的布格重力異常信息對該區(qū)均衡重力異常及其特征進行分析，了解該區(qū)地殼均衡特點及構(gòu)造背景信息。

1 重力與地形數(shù)據(jù)

本文研究范圍為巴東地區(qū)3°×3°的區(qū)域(圖1)，圖1中紅色圓點為2013-12-16的Ms5.1地震震中。從圖1可見，區(qū)域重力場整體上為負異常，異常值自北西向南東方向逐漸遞增，存在約120×10－5ms－2的重力梯度變化。該區(qū)中部為橫亙中國東部的太行-武陵重力梯級帶的一部分，呈南東-北西向弧形展布。該梯級帶將研究區(qū)分隔為東南部的江漢幔隆區(qū)和西北部的鄂西幔陷區(qū)，該幔隆區(qū)和幔陷區(qū)布格異常分別集中在 －25×10－5ms－2和 －100×10－5ms－2附近(圖1中布格異常統(tǒng)計分布的兩個峰值)。在遠離重力梯級帶的區(qū)域，布格異常變化趨于平緩。該梯級帶的出現(xiàn)反映深部存在規(guī)模宏大的構(gòu)造變異帶，顯示本區(qū)在深部構(gòu)造變異帶的控制下，江漢幔隆向鄂西幔陷過渡的構(gòu)造特征。該區(qū)在歷史上經(jīng)歷了3次較大的構(gòu)造運動，導致區(qū)內(nèi)西北部重力異常局部劇烈變化，并導致重力梯級帶扭曲，反映了殼層中淺源構(gòu)造信息，如基底、侵入巖體、巖性構(gòu)造、斷陷盆地等導致的物性差異及密度不均勻。

該地區(qū)的ASTER GDEM數(shù)字高程模型顯示(圖2)，其垂直精度達到7 m，水平精度約30 m。該區(qū)地形高差接近3 000 m，西北部地形起伏較大，地勢較高，東南部地形平坦，最低處海拔高度接近0。

2 均衡重力異常

采用艾黎-海斯卡寧均衡模型計算均衡重力異常。按離計算點的距離將地形劃分為近、中、遠3個方形區(qū)域，其距離分別為10、30和166.7 km。3個區(qū)域分別采用不同的公式［10］，計算獲得該區(qū)均衡重力異常分布如圖3。

該區(qū)均衡重力異常變化范圍為(－45～45)×10－5ms－2，呈弱正異常及弱負異常分布，主要集中在±20 ×10－5ms－2以內(nèi)(圖 3(b))。均衡理論認為，均衡重力異常為0時，地殼處于完全均衡狀態(tài)，均衡重力異常為正值表示實際的地殼厚度比均衡時的地殼厚度小，反之則厚度大。通常認為，±20×10－5ms－2時基本處于均衡狀態(tài)。據(jù)此，本研究區(qū)大部分區(qū)域基本接近均衡狀態(tài)。該區(qū)局部均衡正異常以條帶狀出現(xiàn)，主要集中在三峽水庫兩側(cè)的神農(nóng)架林區(qū)及五峰、長陽和石門一帶，且主要分布在太行-武陵重力梯級帶的西部，弱正均衡異常包圍了三峽庫首區(qū);三峽庫區(qū)、江漢平原、竹山及澧縣的江漢幔隆區(qū)則顯示弱負異常。

圖1 巴東地區(qū)布格重力異常(a)及統(tǒng)計分布(b)Fig.1 Bouguer gravity anomaly in Badong region(a)and statistical chart(b)

圖2 巴東地區(qū)地形圖(ASTER GDEM 2009)Fig.2 Topography of Badong region(ASTER GDEM 2009)

3 討論

為了進一步分析該區(qū)重力異常特征，對該區(qū)均衡重力異常及布格重力異常圖，分別作沿該區(qū)兩個對角線及兩條正交穿過2013-12-16巴東Ms5.1地震震中的縱切剖面。其中剖面A-A1、B-B1分別作布格重力(圖5(a))和均衡重力剖面(圖5(b))。剖面A-A1是太行-武陵重力梯級帶的一部分，顯示的均衡異常變化范圍為(－25～20)×10－5ms－2，存在一定正負異常的起伏變化，但基本處于重力均衡狀態(tài);剖面均衡異常呈現(xiàn)中間高、兩端低，呈弧形。因此，太行-武陵重力梯級帶基本處于均衡狀態(tài)，局部存在差異。其布格重力異常變化幅度為－(100～30)×10－5ms－2，沿剖面依次遞增，可見太行-武陵重力梯級帶沿西南向逐漸消減。

剖面B-B1與太行-武陵重力梯級帶基本正交，其均衡重力異常在東北端呈現(xiàn)較為劇烈的變化，在160 km范圍內(nèi)依次出現(xiàn)弱負異常(－50×10－5ms－2)和弱正異常(40×10－5ms－2)，顯示該區(qū)存在一定的地殼結(jié)構(gòu)調(diào)整的可能;其布格重力異常變化幅度為120×10－5ms－2左右，在房縣斷裂附近也存在一定幅度的劇烈變化，顯示斷裂帶兩側(cè)物質(zhì)的不均勻性。

2013 -12 -16 巴東Ms5.1地震基本處于地殼均衡至弱負均衡間，附近也無已知斷裂，地質(zhì)結(jié)構(gòu)較為穩(wěn)定。圖5中C-C1剖面及D-D1剖面過該地震震中，分別在0.4°范圍內(nèi)以2 km間距作150 km正交采樣，圖中疊加顯示了各剖面的均衡重力變化及其平均值。震中南北向剖面穿過了均衡異常正負過渡區(qū)，平均變化范圍為(－20 ～40)×10－5ms－2，相鄰各切面變化幾乎一致(圖5(c))。震中東西向剖面與三峽水庫走向一致，平均變化范圍為±20×10－5ms－2，但相鄰切面存在差異，顯示局部物質(zhì)分布不均勻。總體上，該區(qū)均衡重力變化幅度不大，基本處于均衡狀態(tài)。由此可見，巴東Ms5.1地震無均衡調(diào)整導致構(gòu)造運動的直接證據(jù)。

4 結(jié)論

圖3 巴東地區(qū)均衡重力異常及統(tǒng)計分布Fig.3 Isostatci gravity anomaly in Badong region and statistical chart

圖4 巴東地區(qū)重力異?？v切剖面位置Fig.4 Gravity anomaly profiles in Badong region

圖5 巴東地區(qū)重力異常縱切剖面Fig.5 gravity anomalies of profile in Badong region

對巴東地區(qū)布格重力進行均衡改正，獲得均衡重力異常。均衡改正相當于將有密度差的山根面引起的重力異常從實測布格重力異常中消除。該區(qū)均衡重力異常變化范圍為(－45～45)×10－5ms－2，大部分區(qū)域基本處于均衡狀態(tài)，局部存在弱正異常與弱負異常，局部區(qū)域存在地殼結(jié)構(gòu)調(diào)整空間，弱正均衡異常呈現(xiàn)條帶狀。研究表明:

1)太行-武陵重力梯級帶基本處于均衡狀態(tài)，局部存在差異。布格重力異常變化幅度為－(100～30)×10－5ms－2，沿剖面依次遞增，太行 － 武陵重力梯級帶存在一定的內(nèi)部差異。

2)巴東地區(qū)西北部的房縣一段存在弱正弱負均衡異常過渡帶，存在一定的地殼均衡調(diào)整空間。

3)巴東Ms5.1地震區(qū)域處于重力均衡狀態(tài)，推測其發(fā)震與地殼均衡調(diào)整無直接關系。這一結(jié)論與文獻［11］的研究結(jié)果存在差異，其原因可能是本文使用的模型比較簡單所致，實際的巖石圈模型更為復雜，殼幔的橫向、垂向密度均有變化;靜力均衡作用是建立在低密度殼上伏于高密度流體底層上的，地殼下的上地幔很難認為具有流體性或可塑性。

1 閆舉生，譚建民，李明.鄂西巴東縣地質(zhì)災害發(fā)育特征及分布規(guī)律初探［J］.華南地質(zhì)與礦產(chǎn)，2012，28(1):59－63.(Yan Jusheng，Tan Jianmin，Li Ming.Occurrence and distribution characteristics of geological hazards in Badong County，western Hubei Province［J］.Geology and Mineral Resources of South China，2012，28(1):59 －63)

2 李峰，等.三峽水庫巴東地區(qū)的地震活動分析［J］.大地測量與地球動力學，2008(4):63 －67.(Li F，et al.Analysis of seismicity in Badong area of Three Gorges reservoir［J］.J Geod Geodyn，2008(4):63 －67)

3 楊光亮，等.三峽水庫蓄水重力效應數(shù)值模擬［J］.大地測量與地球動力學，2005(1):19 －23.(Yang Guangliang，et al.Numerical simulation of gravity effect of water impoundment in Three Gorges reservoir［J］.J Geod Geodyn，2005(1):19－23)

4 孫少安，等.三峽工程蓄水前后的精密重力測量［J］.大地測量與地球動力學，2004(2):30 －33.(Sun Shaoan，et al.High precise gravity survey before and after impoundment of Three Gorges project［J］.J Geod Geodyn，2004(2):30 －33)

5 申重陽，等.長江三峽庫首區(qū)近期重力場動態(tài)變化［J］.大地測量與地球動力學，2004(2):6－13.(Shen Chongyang，et al.Dynamic variations of gravity field in head area of Three Gorges reservoir in recent years［J］.J Geod Geodyn，2004(2):6－13)

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ISOSTATIC GRAVITY ANOMALIES OF BADONG REGION AND TECTONIC ACTIVITY

Yang Guangliang1，2，3)，Shen Chongyang2，3)，Tan Hongbo2，3)，Wu Guiju2，3)and Wang Jiapei2，3)

1)Key Laboratory of Computional Geodynamics，CAS，Beijing 100049
2)Institute of Seismology，CEA，Wuhan 430071
3)Crustal Movement Laboratory，Wuhan430071

Isostatic gravity anomaly in Badong area was calculated using the Airy model.The results show that the isostatic gravity anomaly ranged from －45 ×10－5ms－2to 45 ×10－5ms－2，the most of the region was in the gravity isostatic state.Weak positive anomaly and weak negative anomaly appeaed in local areas，and weak positive isostatic anomaly presents in strip.The study shows that Taihang，Wuling gravity zone basically was in isostatic state with some differences in the internal.The northwestern in Badong area might occur isostatic adjustment.Badong Earthquake region was in the gravity isostatic state，that means the Badong Earthquake does not relate to the isostatic adjustment.

Badong area;earthquake;gravity;Bouguer anomaly;isostatic anomaly

P315.7

A

1671-5942(2014)03-0035-04

2014-03-26

國家自然科學基金青年基金項目(41204014);中國地震局地震預測研究所基本科研業(yè)務費專項(2011IES010103，2013IES010103，IS200916004)。

楊光亮，男，1980年生，博士，主要從事重力場變化與地球動力學研究。E－mail:ygl@eqhb.gov.cn。