蒙古中部剖面重力異常研究

黎哲君 徐如剛 陳 石 楊光亮 閆萬生 袁潔浩 張 毅 顧左文

1 安徽省地震局，合肥市長(zhǎng)江西路558號(hào)，230031

2 中國(guó)地震局地球物理研究所，北京市民族大學(xué)南路5號(hào)，100081

3 中國(guó)地震局地震研究所，武漢市洪山側(cè)路40號(hào)，430071

4 甘肅省地震局，蘭州市東崗西路450號(hào)，730000

目前對(duì)南北地震帶向北延伸及中蒙大陸中軸構(gòu)造帶北段強(qiáng)烈地震活動(dòng)的地質(zhì)構(gòu)造機(jī)制討論較少［1－2］。對(duì)蒙古中部地區(qū)地球物理場(chǎng)進(jìn)行觀測(cè)，有助于分析蒙古中部地震構(gòu)造、地震活動(dòng)規(guī)律以及研究華北地區(qū)地震發(fā)生的地球動(dòng)力學(xué)成因。本文通過在蒙古中部進(jìn)行剖面重力測(cè)量，對(duì)測(cè)量值進(jìn)行嚴(yán)密的改正計(jì)算，獲取剖面重力異常結(jié)果，并結(jié)合蒙古中部地質(zhì)構(gòu)造和地震活動(dòng)特征進(jìn)行討論。

圖1 重力剖面測(cè)點(diǎn)分布、測(cè)區(qū)概略地質(zhì)構(gòu)造和地震震中 分布［4－5］Fig.1 Observe stations，tectonic outline，and earthquake activities of the profile［4－5］

1 重力剖面概況

重力剖面位于中蒙大陸中軸構(gòu)造帶東側(cè)106°E附近（圖1），測(cè)區(qū)屬北亞造山區(qū)南部興安－東蒙活動(dòng)地塊，構(gòu)造活動(dòng)強(qiáng)烈［3－5］。剖面南北跨度約750km，共有相對(duì)重力測(cè)點(diǎn)161個(gè)（平均點(diǎn)距5 km），其中有絕對(duì)重力值的測(cè)點(diǎn)10個(gè)。

對(duì)于蒙古地質(zhì)構(gòu)造特征和斷裂分布格局，不同學(xué)者觀點(diǎn)不盡相同［4－6］。從王鴻禎等［4］對(duì)蒙古大地構(gòu)造的概略分區(qū)上看，剖面自南向北跨越南蒙古海西區(qū)帶（SMB）、戈壁－阿爾泰－曼達(dá)爾戈壁加里東區(qū)帶（GAB）、額爾古納－蒙古地塊（AMM）、中戈壁晚海西－印支區(qū)帶（MGB）、杭愛－肯特海西區(qū)帶（HHB）、哈拉加里東區(qū)帶（HRB）、巴彥戈?duì)査_拉伊爾區(qū)帶（BB）和色楞格晚海西－印支區(qū)帶（SB），向北到達(dá)布提爾地塊（BTM）南部邊緣附近。其中HHB 與李錦軼等［5］所提到的蒙古－鄂霍茨克造山帶位置大體相同，此造山帶是東亞北部地區(qū)一條具有較長(zhǎng)地質(zhì)歷史的造山帶，通常被認(rèn)為是板塊縫合帶［7］。但李錦軼等［5］通過板塊構(gòu)造理論并結(jié)合已有的資料認(rèn)為，該造山帶不是古板塊之間的分界線，而是西伯利亞古板塊向古太平洋邊緣碰撞的結(jié)果。通?？砂磪^(qū)域地質(zhì)構(gòu)造和地貌特征將蒙古劃分為南北兩個(gè)區(qū)域，北部為加里東期造山帶，南部為海西期（或華力西期）造山帶，GAB被認(rèn)為是蒙古地貌和構(gòu)造的概略南北分界帶［4－6，8］。剖面總體處于蒙古地震活動(dòng)自西向東由強(qiáng)烈向不強(qiáng)烈轉(zhuǎn)變的過渡地帶，兩側(cè)100km 以內(nèi)自1119年至今共發(fā)生5級(jí)以上地震11次，6級(jí)以上地震2次。

2 數(shù)據(jù)處理與計(jì)算

重力數(shù)據(jù)由兩臺(tái)CG－5型重力儀同步觀測(cè)得到，對(duì)重力數(shù)據(jù)進(jìn)行氣壓改正、潮汐改正和儀器漂移改正等預(yù)處理后，用絕對(duì)重力數(shù)據(jù)對(duì)相對(duì)重力測(cè)量結(jié)果進(jìn)行控制，經(jīng)平差計(jì)算后得到測(cè)點(diǎn)處的絕對(duì)重力值。采用Helmert公式（式（1））對(duì)絕對(duì)重力值進(jìn)行緯度改正，根據(jù)式（2）和測(cè)點(diǎn)高程值完成空間改正后獲得測(cè)點(diǎn)處自由空氣異常值（式（3））：

式中，Δg1980為緯度改正，φ為測(cè)點(diǎn)緯度，Δgf為自由空氣改正，h為高程，gf為自由空氣異常值，ga為絕對(duì)重力值。

地形改正所用數(shù)據(jù)來源于高精度數(shù)字高程模型ASTER GDEM2009，其網(wǎng)格分辨率達(dá)1″×1″，覆蓋全球范圍內(nèi)的陸地，地形高程精度為20 m［9］。對(duì)于ASTER GDEM2009數(shù)據(jù)未覆蓋的海區(qū)，用ETOPO1 數(shù)據(jù)補(bǔ)充。ETOPO1 數(shù)據(jù)網(wǎng)格分辨率為1′×1′［7］，可以滿足遠(yuǎn)區(qū)地形改正的要求，即可將地形和均衡改正的外區(qū)擴(kuò)展至足夠大的范圍，從而保證計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性。為提高計(jì)算速度，采用分區(qū)地形改正的方法。驗(yàn)算發(fā)現(xiàn)，在蒙古中部地區(qū)，對(duì)于20km 以外的區(qū)域，柱體積分公式和點(diǎn)質(zhì)量公式之間的相對(duì)誤差一般不超過1%，因此，在內(nèi)區(qū)（0～20km）計(jì)算時(shí)采用嚴(yán)密的柱體積分公式，外區(qū)（20～167km）采用點(diǎn)質(zhì)量公式［10］。對(duì)自由空氣異常值進(jìn)行地形改正、布格板改正和曲率改正后便可得到完全布格重力異常值：

式中，gb為布格重力異常值，Δgc為地形改正值，Δgb為布格板改正值，BB為曲率改正值。

由于缺乏蒙古實(shí)測(cè)地殼厚度、密度等資料，地殼均衡模型的各項(xiàng)參數(shù)取自CRUST1.0地殼模型［11］?；贑RUST1.0數(shù)據(jù)插值出161個(gè)重力測(cè)點(diǎn)處的地形高程、地殼厚度、平均地殼密度和地幔密度（表1）。

根據(jù)表1，取平均地幔密度ρm＝3.33g／cm3，平均地殼密度ρc＝2.79g／cm3，平均地形高程h＝1.28km。

采用Airy 模型進(jìn)行地殼均衡改正。按照Airy均衡模型的假設(shè)，地表的地形起伏必然在地下通過山根或反山根進(jìn)行補(bǔ)償，以保證在地下某一深度處（均衡補(bǔ)償面）的靜壓力處處相等。陸地地殼Airy均衡條件為：

其中，t為山根厚度：

則平均地殼厚度為：

可求得標(biāo)準(zhǔn)地殼厚度：

依據(jù)Airy模型計(jì)算出山根的位置和深度，采用和地形改正類似的方法計(jì)算出均衡改正值。由于均衡改正計(jì)算時(shí)沒有類似于布格板改正的近似計(jì)算步驟，計(jì)算的范圍要足夠大才能避免出現(xiàn)較大偏差。驗(yàn)算發(fā)現(xiàn)，在蒙古中部地區(qū)1 000km 以外的山根或反山根對(duì)均衡改正值的影響很?。ㄐ∮?%），因此在均衡改正時(shí)，將外區(qū)范圍擴(kuò)大至1 000 km 以確保均衡改正結(jié)果的準(zhǔn)確性。在布格重力異常的基礎(chǔ)上完成均衡改正得到均衡重力異常值：

式中，Δgi為均衡改正值。

除均衡模型參數(shù)以外，影響均衡改正精度的主要因素為低密度沉積層。CRUST1.0 反映剖面沿線沒有明顯的沉積層，因此本文未改正該項(xiàng)。

為了解均衡模型參數(shù)對(duì)重力異常計(jì)算結(jié)果的影響，采用同樣方法計(jì)算取標(biāo)準(zhǔn)地殼均衡模型參數(shù)時(shí)（地殼密度取2.67g／cm3，地殼厚度取35 km，地幔密度取3.27g／cm3）的剖面布格重力異常和均衡重力異常，并與CRUST1.0參數(shù)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行比較。結(jié)果表明，采用標(biāo)準(zhǔn)參數(shù)計(jì)算的布格重力異常整體比采用CRUST1.0參數(shù)計(jì)算的大，差異量自南向北總體上隨地形高程下降而減小，屬于系統(tǒng)性偏差，差異均值約為3.0mGal，最大為11.9mGal。采用上述兩種參數(shù)計(jì)算的均衡重力異常之間的差異則比較小，差異均值為0.4 mGal左右，最大為5.7 mGal。采用兩種參數(shù)計(jì)算得到的剖面重力異常分布結(jié)果十分相似，其差異不影響對(duì)剖面重力異常狀況的判讀和分析?？紤]到CRUST1.0參數(shù)可能比標(biāo)準(zhǔn)參數(shù)更能體現(xiàn)剖面附近的具體深部構(gòu)造特征，本文采用CRUST1.0參數(shù)的計(jì)算結(jié)果作為分析對(duì)象。

3 剖面重力異?？傮w特征

將剖面測(cè)點(diǎn)垂直投影至一條沿測(cè)線展布的直線（圖1），得到橫坐標(biāo)為距離、縱坐標(biāo)為地形高程值和各項(xiàng)重力異常值的曲線圖（圖2）。由圖2可知，剖面自由空氣異常均為負(fù)值，變化范圍在－80～－5mGal之間，其最顯著的特征表現(xiàn)為變化趨勢(shì)和地形起伏相一致。大致以640km 距離處為界，以南地區(qū)自由空氣異常大多在－35mGal附近變化，以北地區(qū)其均值下降至－50mGal左右，在剖面的最北端迅速下降至－80mGal左右的最低值。

剖面布格重力異常變化范圍為－220～－120mGal，變化的總體趨勢(shì)和地形起伏呈良好的鏡像關(guān)系，表明將緯度、高程和大地水準(zhǔn)面之上質(zhì)量對(duì)重力觀測(cè)值的影響剔除后，仍然存在較大的剖面重力異常，可見剖面沿線普遍存在著與地形起伏相對(duì)應(yīng)的山根。根據(jù)地殼均衡理論，布格重力異常值越小，山根越厚，莫霍界面的深度也就越深，布格重力異?？傮w上南低北高的變化趨勢(shì)表明莫霍界面深度由南向北變淺。

整條重力剖面的均衡重力異?；緸樨?fù)值，表明地殼厚度補(bǔ)償過剩，為使地殼達(dá)到均衡狀態(tài)，均衡作用趨向于使地殼抬升。均衡重力異常的變化大致以HRB 為界，南部均衡重力異常值在－30mGal左右變化，在HRB中北部迅速上升至－10mGal左右，在剖面最北端又迅速下降至－40 mGal。結(jié)合剖面地形起伏特征可以看出，地形高程較低的地區(qū)地殼均衡狀態(tài)要明顯優(yōu)于高山地區(qū)，可見蒙古中部高山地區(qū)的地形隆起未得到充分的均衡補(bǔ)償。

圖2 剖面地形高程和各項(xiàng)重力異常Fig.2 Elevations and gravity anomalies of the profile

4 剖面重力異常與地質(zhì)構(gòu)造

由于布格重力異常和莫霍界面起伏之間存在良好的對(duì)應(yīng)關(guān)系，因此在對(duì)剖面重力異常的地質(zhì)構(gòu)造解釋過程中以布格重力異常為主要討論對(duì)象。剖面布格重力異常的變化趨勢(shì)總體上呈由南向北階梯狀上升，根據(jù)其變化特征可粗略分為4段：1）0～150km 范圍對(duì)應(yīng)SMB、GAB 和AMM南部，布格重力異常從－210mGal左右逐漸上升至－190mGal，在GAB范圍內(nèi)，布格重力異常上升趨勢(shì)明顯，自南向北由－200mGal左右上升至－180mGal以上。GAB通常被認(rèn)為是蒙古地質(zhì)構(gòu)造的南北分界帶，布格重力異常自南向北較快上升表明，GAB 除了是地貌和淺部構(gòu)造變化帶外，還可能是地殼厚度等深部構(gòu)造的變化帶。2）150～520km 范圍主要對(duì)應(yīng)AMM 北部、MGB和HHB，該處布格重力異?；颈３衷冢?90mGal左右，自南向北輕微下降，在HHB 北部，布格重力異常近乎保持不變。HHB 通常被認(rèn)為是古板塊縫合帶，然而該處布格重力異常并未表現(xiàn)出明顯的高梯度變化特征，兩側(cè)也未出現(xiàn)布格重力異常高低差異分布現(xiàn)象，此結(jié)果更支持李錦軼等［5］關(guān)于蒙古－鄂霍茨克造山帶不是板塊縫合帶的判斷。3）520～630km 范圍主要對(duì)應(yīng)著HRB，布格重力異常值由－200mGal陡升至－130mGal，這種快速上升表明HRB 可能是深部構(gòu)造的陡變帶。4）630～750km 范圍主要對(duì)應(yīng)著SB 和BB，該范圍內(nèi)布格重力異常保持在－140mGal左右的相對(duì)高值，只在剖面最北端輕微下降，在沒有明顯地殼密度橫向變化的情況下，可以推論SB 和BB地殼厚度要明顯薄于南部各構(gòu)造單元。

總地來看，并非所有構(gòu)造單元之間都存在不同的布格重力異常分布，表明相關(guān)構(gòu)造單元在深部構(gòu)造上的差異并不十分明顯。但是在GAB 和HRB附近均存在布格重力異常的較快變化，極有可能是其地殼厚度等深部構(gòu)造變化造成的。

5 剖面均衡重力異常與地震活動(dòng)

均衡重力異常是地殼在垂向上是否達(dá)到靜力平衡的直接指標(biāo)，均衡調(diào)整的作用可能對(duì)地殼垂向運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生影響，和地震活動(dòng)之間存在一定聯(lián)系［12－15］。為研究蒙古中部重力異常和地震活動(dòng)之間的關(guān)系，根據(jù)公元19～2011年地震目錄，繪出剖面兩側(cè)100km 以內(nèi)的5 級(jí)以上地震震中，并對(duì)均衡重力異常變化進(jìn)行快速傅立葉變換濾波處理，得到剖面均衡重力異常變化和地震震中分布關(guān)系圖（圖3）。

圖3 剖面均衡重力異常與地震震中分布Fig.3 Isostatic anomaly and distribution of earthquakes of the profile

由圖3看出，剖面沿線有3個(gè)地震分布相對(duì)集中的區(qū)域，分別是HHB 南部邊緣附近、HRB中部地區(qū)和SB 中北部，這3 個(gè)區(qū)域均處于均衡重力異常變化曲線的相對(duì)低值區(qū)附近，均衡重力異常最低值均小于－30mGal。從地殼重力均衡的角度考慮，均衡重力異常值越低，則地殼均衡狀態(tài)越差，說明地殼可能在構(gòu)造力的作用下整體下陷或是由于受到擠壓而在垂向上發(fā)生變形后過多地陷入地幔，這些地區(qū)的構(gòu)造活動(dòng)往往也相對(duì)活躍。剖面均衡重力異常的另一個(gè)明顯特征為BB和SB南部地區(qū)對(duì)應(yīng)著一個(gè)均衡高值區(qū)，其均衡重力異常值達(dá)到－10mGal以上，可以認(rèn)為地殼接近重力均衡狀態(tài)。該地殼均衡區(qū)兩側(cè)為較明顯的均衡重力異常陡變區(qū)，均衡重力異常值從－10 mGal左右向兩側(cè)迅速下降至－30mGal以下，南北兩側(cè)陡變區(qū)的終止部位對(duì)應(yīng)兩個(gè)地震分布相對(duì)集中的區(qū)域，可以認(rèn)為地震活動(dòng)在地殼由重力均衡向不均衡快速轉(zhuǎn)變的陡變區(qū)上表現(xiàn)出明顯的集中分布特征。

6 結(jié) 語(yǔ)

研究表明，蒙古中部剖面自由空氣異常和地形起伏關(guān)系密切，地形起伏所引起的質(zhì)量擾動(dòng)是造成重力場(chǎng)局部變化的主要原因之一。剖面布格重力異常變化較為平緩，只在GAB和HRB 附近區(qū)域存在1mGal／km 左右的較快變化，而分布于各構(gòu)造單元之間的深大斷裂帶并未造成明顯的布格重力異常陡變，特別是在蒙古－鄂霍茲克造山帶所對(duì)應(yīng)的HHB 范圍內(nèi)，布格重力異常變化十分平緩，這一結(jié)果支持李錦軼等［5］關(guān)于蒙古－鄂霍茨克造山帶不是板塊縫合帶的判斷。剖面均衡重力異常以負(fù)值為主，除北部少部分地區(qū)地殼接近均衡狀態(tài)外，大部分地區(qū)地殼處于負(fù)均衡狀態(tài)，說明剖面所在地區(qū)地殼均衡補(bǔ)償狀況較差，這可能是因?yàn)槊晒盘幱诒狈轿鞑麃喌嘏_(tái)、南方中朝地臺(tái)和塔里木地臺(tái)之間廣闊而復(fù)雜的造山帶地區(qū)［4－5］，地殼在長(zhǎng)期的擠壓作用下不均勻增厚并陷入地幔引起。根據(jù)蒙古中部地區(qū)的地殼負(fù)均衡狀態(tài)初步判斷該地區(qū)在未來很長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)仍有保持較強(qiáng)烈構(gòu)造活動(dòng)性的條件，可能會(huì)為華北地區(qū)地震孕育提供外部構(gòu)造環(huán)境。

將剖面附近5.0級(jí)以上地震震中分布和均衡重力異常變化特征進(jìn)行對(duì)比分析后發(fā)現(xiàn)，地震活動(dòng)在均衡重力異常低值區(qū)，特別是在剖面北部近似均衡區(qū)向負(fù)均衡區(qū)過渡的均衡重力異常陡變區(qū)上分布較為集中。從布格重力異常變化特征來看，這些部位也很有可能是莫霍面等深部構(gòu)造的變異帶，這一結(jié)果與我國(guó)南北地震帶北段的均衡重力異常研究成果一致［15］，這也在一定程度上證實(shí)了均衡重力異常和構(gòu)造活動(dòng)之間存在聯(lián)系。均衡重力異常的存在說明地殼內(nèi)物質(zhì)分布不均勻，而構(gòu)造活動(dòng)則是造成地下物質(zhì)不均勻分布的主要原因之一，也是導(dǎo)致地震活動(dòng)的主要原因。

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