利用布格重力資料研究太行山東南緣斷裂構(gòu)造特征

徐志萍 姜 磊 楊利普 李德慶 方盛明 熊 偉 徐順強(qiáng)

1 中國地震局地球物理勘探中心，鄭州市文化路75號(hào)，450002

太行山東南緣（112°10′～115°50′E，33°39′～37°00′N）是華北地區(qū)一級(jí)構(gòu)造單元的交接帶（圖1），太行山隆起西與山西斷陷帶相鄰，東與太行山山前斷裂帶和北華北凹陷為鄰，南與豫中差異沉降帶為鄰。沿太行山東南緣發(fā)育有一系列北東向和東西向斷裂構(gòu)造，如湯西斷裂、湯東斷裂、新鄉(xiāng)－商丘斷裂、盤古寺－新鄉(xiāng)斷裂、薄壁斷裂等。其中，湯西斷裂、湯東斷裂屬于太行山山前斷裂帶的南段，是太行山區(qū)和華北平原的分界，一些學(xué)者認(rèn)為它屬深大斷裂帶［1－2］，也有學(xué)者認(rèn)為它是一條活動(dòng)斷裂帶和地震構(gòu)造帶［3－4］，還有學(xué)者認(rèn)為它不是深大斷裂，只存在切穿上地殼的斷裂帶［5－6］。這些學(xué)者采用不同的地質(zhì)地球物理方法得到的結(jié)果存在一定差異，因此，研究太行山東南緣斷裂構(gòu)造特征，對(duì)進(jìn)一步探討該區(qū)深、淺部構(gòu)造關(guān)系及斷裂的空間分布特點(diǎn)具有重要意義。

圖1 太行山東南緣構(gòu)造分區(qū)Fig.1 The tectonic zoning map of the southeast segment of Taihang mountain

布格重力資料范圍為112°10′～115°50′E、33°39′～37°00′N，其中，研究區(qū)范圍是112°30′～114°42′E、34°48′～36°00′N。采用最鄰域法對(duì)豫北地區(qū)1∶20萬與1∶50萬重力資料進(jìn)行拼接后，選用Kriging插值法得到0.02°×0.02°的網(wǎng)格化平面布格重力異常數(shù)據(jù)，坐標(biāo)系為WGS84。采用小波多尺度變換方法，通過分析各階細(xì)節(jié)所包含的布格重力異常信息，研究太行山東南緣斷裂構(gòu)造在不同深度的分布特征。

1 方法原理

小波多尺度分析方法可將信號(hào)分解成不同尺度成分，對(duì)重力異常場進(jìn)行分離［7－9］。布格重力異常小波細(xì)節(jié)主要反映了不同深度地質(zhì)體的密度差異引起的重力異常［10］。低階細(xì)節(jié)代表淺源地質(zhì)體異常，高階細(xì)節(jié)則代表深源地質(zhì)體異常，小波逼近成分是區(qū)域場的反映。本文作小波多尺度分解采用的小波基是db小波：

利用式（1），可以根據(jù)尺度j＝J時(shí)的逼近部分和j＝1，2，…，J的細(xì)節(jié)部分進(jìn)行重構(gòu)，得到不同尺度的小波分離結(jié)果。式中，Aj代表第j＝J階的小波逼近系數(shù)，Dj代表第j＝1，2，…，J階的小波細(xì)節(jié)系數(shù)。然后可以利用功率譜分析法將各階細(xì)節(jié)成分代表的場源似深度計(jì)算出來，賦予小波細(xì)節(jié)具體的地質(zhì)含義［11］。

其中，s＝（u2＋v2）1／2，u、v分別為X、Y方向的圓率；lnR0（s）≈lnP0（s）＋2lns，lnP0（s）是場源的功率譜對(duì)數(shù)；h是似場源深度；B是與地質(zhì)體幾何尺寸、物性有關(guān)的常數(shù)。由式（2）即可得到不同尺度小波結(jié)果所對(duì)應(yīng)的似場源深度。

2 斷裂構(gòu)造分析

使用由中國地質(zhì)大學(xué)（武漢）劉天佑等編寫的重磁勘探軟件系統(tǒng)（GMS4.0）對(duì)研究范圍內(nèi)的布格重力資料進(jìn)行小波多尺度分解（圖2），并計(jì)算各階細(xì)節(jié)的似場源深度，進(jìn)而探討不同空間尺度的斷裂分布特征。

2.1 一階小波變換細(xì)節(jié)分析

布格重力異常一階小波變換細(xì)節(jié)代表的場源深度約在上地殼2～4km 處。從圖2（a）可以看出，在研究區(qū)的西北部異常較為雜亂，主要是由地殼淺部密度不均勻體引起的；研究區(qū)的東北部沿湯陰－鶴壁－淇縣－衛(wèi)輝有一低重力異常條帶（圖中藍(lán)色區(qū)域），與湯陰地塹相對(duì)應(yīng)，在其兩側(cè)是北北東向的高重力異常構(gòu)造帶（圖中黃色區(qū)域），該條帶西側(cè)的重力異常梯級(jí)帶（藍(lán)色和黃色交接部位）是山西隆起區(qū)與北華北凹陷區(qū)的地球物理分界；在薄壁附近有一北東向低重力異常構(gòu)造帶，是薄壁地塹的反映；此外，在研究區(qū)的中西部沿著博愛－焦作有一東西向重力異常梯級(jí)帶，推測該梯級(jí)帶北側(cè)的高重力異常帶是山西隆起區(qū)和豫中差異沉降區(qū)的地球物理分界。

圖2 小波變換結(jié)果Fig.2 The result of wavelet transform

2.2 2階小波變換細(xì)節(jié)分析

布格重力異常2階小波細(xì)節(jié)（圖2（b））揭示的場源深度約7.5km，屬上地殼。與一階細(xì)節(jié)相比，該重力異常場所反映的地質(zhì)構(gòu)造特征更加明顯，對(duì)上地殼結(jié)構(gòu)特征的反映也更加直觀。研究區(qū)西北部開始出現(xiàn)低重力異常區(qū)（藍(lán)色范圍增加），與該區(qū)對(duì)應(yīng)的是太行山隆起區(qū)；研究區(qū)東北部沿湯陰－鶴壁－淇縣－衛(wèi)輝一帶展布的北北東向條帶狀低重力異常范圍增大，在其東側(cè)的高重力異常范圍也有所增加；研究區(qū)西部沿著博愛－焦作以北的高重力異常帶與中部武陟－新鄉(xiāng)的高重力異常帶相連，構(gòu)成一個(gè)東西向跨度更大的高重力異常條帶，武陟凸起處于該異常條帶內(nèi)；研究區(qū)中部薄壁地塹所對(duì)應(yīng)的低重力異常帶的范圍增大。

2.3 3階小波變換細(xì)節(jié)分析

布格重力異常3 階小波細(xì)節(jié)（圖2（c））揭示的場源深度約為13～14km。研究區(qū)西北部的太行山隆起區(qū)以高平為中心出現(xiàn)大范圍低重力異常區(qū)；研究區(qū)東北部沿湯陰－鶴壁－淇縣－衛(wèi)輝展布的北北東向低重力異常帶依然存在，但異常的寬度有所減小，其東側(cè)高重力異常區(qū)范圍繼續(xù)增大，與內(nèi)黃凸起相對(duì)應(yīng)；研究區(qū)中西部的高重力異常帶范圍更大，在濟(jì)源東部出現(xiàn)明顯的低重力異常，是濟(jì)源凹陷的反映。

2.4 4階小波變換細(xì)節(jié)分析

布格重力異常4階小波細(xì)節(jié)（圖2（d））揭示的場源深度約為24～25km，主要是反映下地殼密度的橫向不均勻分布特征。研究區(qū)東北部湯陰－鶴壁－淇縣－衛(wèi)輝處北北東向與湯陰地塹相對(duì)應(yīng)的低重力異常帶消失，以浚縣為中心的橢圓形高重力異常區(qū)范圍增加，與內(nèi)黃凸起相對(duì)應(yīng)；太行山隆起區(qū)的低重力異常范圍增大；研究區(qū)中西部和西南部的高重力異常帶相連，形成一環(huán)帶狀高重力異常，其中間的低重力異常區(qū)是濟(jì)源凹陷的反映，東部是開封凹陷的反映。

2.5 斷裂分析

根據(jù)布格重力異常1～4階小波變換結(jié)果，對(duì)研究區(qū)內(nèi)太行山東南緣的11條主要斷裂進(jìn)行分析（表1）。

表1 斷裂分析結(jié)果Tab.1 Results of faults analysis

1）湯西（F1）和湯東（F2）斷裂

在1～3 階小波變換細(xì)節(jié)圖中，湯西斷裂（F1）和湯東斷裂（F2）位于北北東向布格重力異常條帶的正負(fù)異常梯級(jí)帶上，它們分別控制湯陰地塹的西邊界和東邊界，屬于太行山山前斷裂帶。其中湯西斷裂更是太行山區(qū)和南華北平原的主要分界線，傾向SE，下延深度較大，切割了中上地殼，是一條深大斷裂；湯東斷裂下延深度較小，約13km，傾向NW，與深地震反射剖面結(jié)果一致（圖3）。劉保金等［12］認(rèn)為湯東斷裂（圖3，F(xiàn)2）發(fā)育在上地殼底層，其斷裂深度大約為15～16km。

2）盤古寺－新鄉(xiāng)斷裂（F3）

該斷裂位于太行山東南麓，呈近東西向展布，西起克井盆地以西的山區(qū)，向東經(jīng)交地、盤谷寺、河口、仙神口、柏山后進(jìn)入平原地區(qū)，過朱村，再向東延伸，直到新鄉(xiāng)市南的郎公廟，全長約160km，是一條規(guī)模較大、切割較深的區(qū)域性斷裂，為隱伏斷裂。走向分為3段，在焦作以西地區(qū)為近東西向，在焦作西南部由東西向轉(zhuǎn)換為北西向斷裂，隨后在焦作東南部又轉(zhuǎn)換為近東西向斷裂。該斷裂在布格重力異常1～3階小波細(xì)節(jié)中均有反映，且呈現(xiàn)明顯的分段特征（在焦作西南部斷裂的走向發(fā)生了改變），斷裂西段下延深度較大（4階小波細(xì)節(jié)中有反映），約為24km，且傾角較大，向南傾；斷裂東段下延深度較淺，傾角較大，向北傾。

圖3 深地震反射剖面解釋結(jié)果Fig.3 Interpretation of the deep seismic reflection profile

3）新鄉(xiāng)－商丘斷裂（F4）

由圖2可見，在薄壁－新鄉(xiāng)－延津－封丘一線以北，以北北東向重力異常構(gòu)造帶為主，以南則以東西向重力異常為主，兩側(cè)的異常特征明顯不同，反映了兩側(cè)構(gòu)造特征上的重要差異。根據(jù)重力異常斷裂識(shí)別標(biāo)志，表明沿該線存在一條規(guī)模較大的區(qū)域性斷裂。根據(jù)重力異常小波多尺度分析結(jié)果，結(jié)合該區(qū)地質(zhì)構(gòu)造特征，認(rèn)為新鄉(xiāng)－商丘斷裂是北華北凹陷區(qū)和豫中差異沉降區(qū)的分界帶，下延深度在24km 左右，傾向SW。該斷裂控制了開封凹陷及新生界的沉積，構(gòu)成開封凹陷的北緣斷裂。該斷裂以北，以北東向和北北東向構(gòu)造塊體和斷裂為主，河流的流向自南西向北東，二者走向一致；該斷裂以南，以近東西向和北西向構(gòu)造盆地和斷裂為主，河流的流向自北西向南東，與構(gòu)造線的方向趨于一致，說明該斷裂是一條控制構(gòu)造和地貌差異的分界斷裂。

4）薄壁斷裂（F5）、九里山斷裂（F6）和馬坊泉斷裂（F7）

薄壁斷裂位于太行山東南麓，是盆地與山區(qū)的邊界斷裂，全長約80km，整體走向?yàn)楸睎|向，傾角較大，斷裂北段向北西傾，南段向南東傾，在布格重力異常1～3階小波細(xì)節(jié)中均有反映，該斷裂下延深度在13km 左右。九里山斷裂全長超過45km，走向?yàn)楸睎|向，傾角較大，向南東傾，在布格重力異常一、二階小波細(xì)節(jié)中均有反映，下延深度約為7km。馬坊泉斷裂為一北東向斷裂，與東西向的朱營斷裂相交，傾角約60°，傾向北西向，全長約40km。該斷裂在布格重力異常一、二階小波細(xì)節(jié)中均有明顯反映，下延深度約7km。

5）武陟斷裂（F8）

該斷裂走向?yàn)楸蔽飨?，全長約30km，在焦作西部與盤古寺－新鄉(xiāng)斷裂相交，隨深度的增加，向南西方向傾斜，傾角約為70°。在布格重力異常1～4階小波細(xì)節(jié)中，該斷裂清晰可見，是一條深大斷裂，下延深度在24km 左右，它是濟(jì)源凹陷和武陟凸起的邊界。

6）濟(jì)源－博愛斷裂（F9）、朱營斷裂（F10）和鳳凰嶺斷裂

濟(jì)源－博愛斷裂從濟(jì)源西部延伸至博愛東南部，走向近東西向，全長約55km，向南傾，傾角約60°。在布格重力異常一、二階小波細(xì)節(jié)中均有明顯反映，下延深度約7km。朱營斷裂和鳳凰嶺斷裂是兩條近東西向的平行斷裂，西部與馬坊泉斷裂相交，傾角較大，僅布格重力異常一階小波細(xì)節(jié)中有反映，屬于上地殼淺部斷裂。

3 結(jié) 語

1）小波多尺度變換方法可對(duì)布格重力異常進(jìn)行分離，得到不同地殼深度范圍內(nèi)重力異常特征，不同階次的小波變換細(xì)節(jié)重力異常的高低與地殼內(nèi)各種規(guī)模的隆起、凹陷以及斷裂構(gòu)造有著密切聯(lián)系。其中，一、二階小波變換細(xì)節(jié)反映了上地殼內(nèi)地質(zhì)構(gòu)造的分布特征，如湯陰地塹低重力異常帶，薄壁地塹低重力異常帶和武陟凸起高重力異常帶；三、四階小波變換細(xì)節(jié)主要反映了中、下地殼密度的橫向不均勻性和構(gòu)造特征，如濟(jì)源凹陷低重力異常區(qū)、開封凹陷低重力異常區(qū)、太行山隆起低重力異常區(qū)和內(nèi)黃凸起高重力異常區(qū)。

2）太行山東南緣發(fā)育的一系列斷裂帶主要以北東向和東西向斷裂為主，它們多是規(guī)模較大、切割較深的區(qū)域性斷裂，在構(gòu)造上位于一、二級(jí)構(gòu)造單元的邊界，如湯西斷裂是山西隆起區(qū)和北華北凹陷區(qū)的邊界，盤古寺－新鄉(xiāng)斷裂是山西隆起區(qū)和豫中差異沉降區(qū)的邊界，新鄉(xiāng)－商丘斷裂是北華北凹陷區(qū)和豫中差異沉降區(qū)的邊界。此外，湯西斷裂和湯東斷裂還控制湯陰地塹的西邊界和東邊界，薄壁斷裂是太行山東南麓盆地與山區(qū)的邊界斷裂，武陟斷裂是濟(jì)源凹陷和武陟凸起的邊界。

3）本文得到的湯東斷裂分析結(jié)果與深地震反射剖面結(jié)果［12］基本一致，斷裂深度在13km 以上；湯西斷裂分析結(jié)果和已有的地質(zhì)地球物理成果［6－7］基本一致，認(rèn)為太行山山前斷裂帶為分隔地塊、深切下地殼、規(guī)模宏大的斷裂帶。

4）在前人已有成果的基礎(chǔ)上，利用重力資料給出了太行山東南緣斷裂的大致埋深及其空間分布特征，認(rèn)為太行山東南緣存在一系列深大斷裂，它們不僅是地貌和地球物理場的分界，更是區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造單元的邊界，為今后該區(qū)斷裂構(gòu)造的進(jìn)一步研究提供了較好的地球物理學(xué)依據(jù)。

5）小波多尺度分解和功率譜分析結(jié)果與重力異常資料的數(shù)據(jù)范圍和網(wǎng)格大小具有密切聯(lián)系，其推測斷裂深度存在一定誤差，可以作為認(rèn)識(shí)斷裂大致空間延伸情況的一種輔助手段。

謹(jǐn)以此文獻(xiàn)給中國地震局地球物理勘探中心成立60周年。

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