江蘇茅山斷裂帶中段重力異常多尺度分析及其構(gòu)造識別＊

滕 龍，邸兵葉，張 俊

（中國地質(zhì)調(diào)查局南京地質(zhì)調(diào)查中心，南京 210016）

茅山斷裂帶位于江蘇南部，總體呈北東走向，由茅山東西兩側(cè)斷裂組成，東側(cè)稱茅東斷裂，西側(cè)稱茅西斷裂［1］。斷裂帶向南延伸至安徽南陵盆地，向北至江都縣宜陵鎮(zhèn)?，F(xiàn)普遍認為茅山地區(qū)是一個由一系列外來巖片組成的推覆構(gòu)造帶，并伴有二次正斷層作用控制著上白堊統(tǒng)和下第三系的沉積［2］。該區(qū)為多組斷裂交匯的地區(qū)，地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜，曾于1974年和1979年分別發(fā)生5．5級和6．0級中強地震，造成大量的人員傷亡和經(jīng)濟損失［3］。茅山中段已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了一些鐵、銅、黃鐵礦礦床及鎢、鉬礦化，茅山東側(cè)前陸地帶的逆斷層和橫斷層是次火山巖的銅、金礦的控礦構(gòu)造。因此，研究茅山地區(qū)的構(gòu)造對區(qū)域地質(zhì)、礦產(chǎn)勘探和開發(fā)、現(xiàn)代地震研究都具有重要意義。

前人研究茅山斷裂帶采用了地質(zhì)、航磁、遙感等手段［4－6］。此外，重力勘探也是研究地質(zhì)構(gòu)造的有效地球物理方法，可以較直觀地反映斷裂構(gòu)造走向、規(guī)模等信息。重力勘探具有成本低、速度快的優(yōu)點，已經(jīng)成為解決地質(zhì)問題最好的地球物理方法之一。它通過測量與圍巖有密度差異的地質(zhì)體在其周圍引起的重力異常，確定這些地質(zhì)體的空間位置和形態(tài)。在構(gòu)造研究中經(jīng)過幾十年的發(fā)展，重力勘探的應(yīng)用范圍越來越廣泛，既可以用于區(qū)域地質(zhì)調(diào)查大尺度研究，也適合探測古墓、溶洞等小尺度目標體［7］。區(qū)域重力調(diào)查是研究區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造不可或缺的基礎(chǔ)性地球物理工作，已經(jīng)被廣泛用于深大斷裂的走向、延伸、地質(zhì)體密度界面、劃分大地構(gòu)造單元等方面的研究［8－10］。若能在地質(zhì)認識的基礎(chǔ)上，結(jié)合區(qū)域地球物理資料，將有助于提高構(gòu)造推斷的準確性。

重力勘探的結(jié)果反映了從地表到深部所有密度不均勻引起的疊加重力效應(yīng)，反映了巖石圈的不不均勻性。要研究單個目標體，需要從疊加的綜合重力效應(yīng)中提取出該目標體引起的剩余重力異常，進行異常分離，這是重力定量解釋中十分重要的環(huán)節(jié)。重力異常分離的方法有趨勢分析法［11，12］、高階導(dǎo)數(shù)法和解析延拓法［13－15］、小波變換法［16，17］及頻率域濾波法［18，19］。其中小波變換法是近幾年發(fā)展起來的數(shù)據(jù)分析方法，在信號處理、故障監(jiān)控、圖像分析等多個領(lǐng)域取得廣泛應(yīng)用，更多應(yīng)用到重力數(shù)據(jù)處理方面［20－22］。由于小波變換具有多尺度功能，斷裂分析更加準確可靠，在識別構(gòu)造方面更具優(yōu)勢［23，24］。

本文采用小波變換多尺度分解技術(shù)，對茅山中段采集的重力數(shù)據(jù)進行分解，得到不同階次的重力異常小波變換細節(jié)信息，用于揭示本區(qū)構(gòu)造不同深度的重力場特征。

1 區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造及巖石密度特征

1．1 區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造特征

茅山可分為北段（寶埝湖到丫鬟山）、中段（瓦屋山到高淳花山）和南延部分（安徽境內(nèi)）［25］。本文研究區(qū)位于貍橋－高淳一帶，屬于茅山中段。關(guān)于茅山構(gòu)造帶的研究已經(jīng)開展了很多年，先后提出了寧鎮(zhèn)反射弧脊柱［26］、推覆構(gòu)造［2，25，27］、伸展薄皮構(gòu)造［28］、疊覆造山［29］等多種觀點。研究區(qū)經(jīng)歷了多次地殼運動，巖石普遍發(fā)生了強烈的變形，遺留下錯綜復(fù)雜的構(gòu)造跡象。主要構(gòu)造特征主要為兩凹夾一隆，西部為蒲塘橋－石臼湖斷陷，東部為茅東凹陷區(qū)（也稱椏溪凹陷），中間為茅山斷裂帶隆起。

茅東凹陷區(qū)主要指椏溪凹陷，也稱直溪橋－椏溪港凹陷，為中新生代的斷陷盆地；始于燕山晚期，古茅山大幅度向西逆掩，當與根部脫離后，推覆體后緣形成張性凹陷。東界斷裂破碎帶拉張，形成北北東向分布狹槽狀凹陷盆地，沉積了巨厚的浦口組和阜寧群，厚度＞3000m［2］。

茅山隆起為茅山上推覆體，呈北東向延伸，一般寬度為2～3km，兩側(cè)分別為茅西斷裂和茅東斷裂。茅西斷裂在茅山中北段的具體位置、性質(zhì)尚存爭議，有人認為出露于茅山中段山脈西側(cè)坡下［30］。茅東斷裂是一條連續(xù)性好的多期活動斷裂帶，其位置已較準確圈出［1］。涉及到較老的地層為志留系，其次是泥盆系，最新的地層為三疊系。兩側(cè)均較密集地出露走向斷層，垂直走向的橫切斷層也較發(fā)育。

1．2 巖石密度特征

本區(qū)主要存在四個密度層?：第一密度層由第四系組成，平均密度值2．00×103kg／m3左右；第二密度層由第三系泥巖、細砂巖等組成，平均密度值2．35×103kg／m3左右；第三密度層由白堊系、侏羅系及中、上三疊系組成，平均密度值2．51×103kg／m3左右；第四密度層由下三疊系青龍組至下元古界淺變質(zhì)巖系組成，該層內(nèi)部不同時代地層巖性間密度值變化較大，但當其呈垂向疊置時，如龍?zhí)督M、茅山組等的低密度特征，往往被總體高密度效應(yīng)掩蓋，該層密度平均值在2．68×103kg／m3以上，為地殼淺部的高密度標志層。

2 數(shù)據(jù)及處理方法

重力數(shù)據(jù)采集按網(wǎng)度500m（線距）×250m（點距）開展，測線方位125°。重力儀使用美制LCR－G型和一臺加拿大制CG－5型全自動重力儀。測點定位采用高精度差分GPS－Trimble 5800。以RTK 和JSCORS兩種模式相結(jié)合，實時獲得重力測點的高精度三維坐標（北京1954坐標系和1985年國家高程基準）。由于研究區(qū)橫跨江蘇和安徽兩省，江蘇省已經(jīng)實現(xiàn)CORS 網(wǎng)全覆蓋（JSCORS），而安徽省當時并未覆蓋CORS 信號。故江蘇省內(nèi)的區(qū)域采用JSCORS以提高工作效率；涉及到安徽省的區(qū)域則采用傳統(tǒng)的RTK 模式。因此布設(shè)了GPS控制網(wǎng)，其平面均方誤差和高程均方誤差分別為0．069 m和0．017m。通過比較JSCORS與RTK 測量結(jié)果，二者誤差非常小，可實現(xiàn)無縫結(jié)合。由于重力勘探對高程要求較高，我們采用江蘇省似大地水準面精化，獲得區(qū)內(nèi)任意點的高精度高程值。中區(qū)地形改正采用的高程DEM 數(shù)據(jù)，遠區(qū)地形改正采用RGIS2006包含的高程數(shù)據(jù)。經(jīng)過各項改正，獲得研究區(qū)的重力布格異常（圖1）。

從圖1可以看出凹－隆相間的構(gòu)造特征。東邊椏溪、上沛一帶為大范圍北東向展布的重力低異常，與茅東凹陷位置相對應(yīng)。由于存在巨厚的晚白堊世浦口組－第三系沉積，相對于基底密度低，因此重力異常低十分明顯，較清晰地顯示了凹陷的輪廓。凹陷內(nèi)呈南低北高趨勢，且向北東未封閉，說明茅東凹陷繼續(xù)向北東延伸。茅東凹陷西側(cè)為一變化較劇烈的重力梯級帶，同為北東走向，與茅東斷裂位置對應(yīng)。茅東斷裂西側(cè)的重力異常高對應(yīng)茅山隆起［1］。圖1中茅西斷裂的位置并不明顯，而是掩蓋在一片重力高異常過渡帶之中。由于該過渡帶的存在，茅西斷裂西側(cè)的蒲塘橋－石臼湖凹陷區(qū)在過渡帶的位置也表現(xiàn)為重力異常高，直至石臼湖南側(cè)才表現(xiàn)為重力異常低。茅山隆起帶西南有一大片重力高異常，且向南未封閉，主要由深部寒武紀－奧陶紀灰?guī)r地層引起，出露的高家邊組砂頁巖、墳頭群、茅山組和五通組地層也對該重力高異常有貢獻?？傮w看來，重力觀測數(shù)據(jù)質(zhì)量良好。

圖1的重力異常是一種體效應(yīng)，在處理解釋時需要對重力異常進行分離，劃分出對應(yīng)地質(zhì)體的有意義的剩余異常。本文采用二維小波變換多尺度分析對圖1的重力異常進行分離，獲得不同尺度的剩余重力異常。小波變換多尺度分析可以分解出埋藏較淺的小尺度地質(zhì)體和埋藏較深的大尺度地質(zhì)體，對應(yīng)重力場的表現(xiàn)是獲得小波變換細節(jié)和小波變換逼近［23］。數(shù)據(jù)處理軟件采用中國地質(zhì)大學(xué)（武漢）開發(fā)的GMS4．0重磁勘探軟件系統(tǒng)。該軟件為固體礦產(chǎn)勘探而開發(fā)的數(shù)據(jù)處理軟件，具有多個處理模塊，可用于重力、磁法勘探。

圖1 江蘇茅山斷裂帶中段布格異常圖Fig．1 Map of bouguer gravity anomalies in the middle segment of the Maoshan faulted zone in Jiangsu Province

3 茅山中段多尺度重力異常特征

對本區(qū)重力布格異常進行1～5階小波變換多尺度分解，得到不同階次的小波變換逼近和小波變換細節(jié)。小波變換逼近主要體現(xiàn)深部場源引起的較大規(guī)模的重力異常信息；而小波變換細節(jié)體現(xiàn)的是淺部場源引起的較小規(guī)模的重力異常信息，以高頻信息為主。分析各階小波變換細節(jié)信息（圖2），獲得不同場源深度地質(zhì)體的重力異常特征，對比本區(qū)的構(gòu)造綱要圖?，觀察茅山斷裂帶不同尺度的重力場響應(yīng)。

3．1 一階小波變換細節(jié)

據(jù)一階小波變換細節(jié)可以看出，茅山隆起的位置為一條串珠狀重力異常高值帶，而兩側(cè)的蒲塘橋－石臼湖凹陷和茅東凹陷均表現(xiàn)為平穩(wěn)重力場，布格異常等值線變化比較平緩，說明在該深度位置，凹陷區(qū)的密度變化差異不大，茅山隆起的密度明顯大于凹陷區(qū)，且隆起帶內(nèi)局部變化較大。由于茅山隆起帶內(nèi)各個時代、各種類型的巖體密度差異較大，且在近地表的規(guī)模也不一樣，導(dǎo)致茅山隆起帶內(nèi)重力布格異常的變化。在兩側(cè)凹陷區(qū)，由于地表沉積層的覆蓋，一階小波變換細節(jié)重力異常變化并不明顯。在研究區(qū)北東上沛附近有一明顯高重力異常圈閉，其直徑約1km，與該點采石場位置相吻合。通過實地踏勘，采石場以新近紀玄武巖為主，平均密度高達2．92×103kg／m3。因此該異常為由地表出露的玄武巖引起，且有一定的規(guī)模。研究區(qū)西南貍橋東側(cè)有多條串珠狀高重力異常帶，延伸方向并不一致，為北東向斷裂和北西向斷裂切割造成的隆起，因一階小波變換細節(jié)反映的場源較淺，故未能完全反映出該隆起，但可初步看出隆起淺部的不均勻。

3．2 二階小波變換細節(jié)

圖2 茅山斷裂帶中段小波變換細節(jié)及構(gòu)造綱要圖Fig．2 Maps showing details of the wavelet transforms and tectonic outline in the middle segment of the Maoshan faulted zone

對比二階小波變換細節(jié)和一階小波變換細節(jié)，發(fā)現(xiàn)茅山隆起帶范圍變得更寬，北部呈條帶狀，南部呈串珠狀，表明在底部地質(zhì)體密度變化更大。上沛玄武巖區(qū)圈閉異常變得更寬，但幅值變小，說明此深度內(nèi)玄武巖相對于周圍地質(zhì)體的密度差異變小。茅東凹陷區(qū)內(nèi)出現(xiàn)多處異常不均勻變化，可能是第四系沉積厚度和新近紀阜寧群厚度不均所致。西側(cè)蒲塘橋－石臼湖凹陷亦有此特征，但石臼湖正下方出現(xiàn)了一個串珠狀重力高，其走向與茅山隆起平行。南京地質(zhì)調(diào)查中心相關(guān)專家曾在此發(fā)現(xiàn)局部出露凝灰?guī)r，由于第四系覆蓋，未能實現(xiàn)追蹤。結(jié)合密度資料分析，本區(qū)凝灰?guī)r的密度為2．52×103kg／m3，高于第三系沉積物（2．35×103kg／m3）和第四系沉積物（2．00×103kg／m3），故推測該重力高值帶由凝灰?guī)r和其它火山碎屑巖的混雜體引起。貍橋東側(cè)多條串珠狀重力高異常已經(jīng)變?yōu)橐粭l重力高異常帶，且范圍變大，推斷該異常為北東向和北西西向兩組斷裂交錯切割造成隆起?，可看出隆起的初步形態(tài)和規(guī)模。

3．3 三階小波變換細節(jié)

通過三階小波變換細節(jié)圖可見，上沛玄武巖異常已經(jīng)消失，說明玄武巖的延伸深度與二階小波變換反映的場源深度一致。三階小波變換細節(jié)異常圈閉空間逐漸擴大，說明此時巖性密度差異現(xiàn)象更加顯著。重力異常高最明顯的是茅山隆起帶和火山碎屑巖混雜巖帶。茅山隆帶重力異常高的范圍基本反映了隆起帶的寬度變化。其西側(cè)重力高異常帶比二階細節(jié)范圍更大，說明火山碎屑巖混雜巖帶埋藏的深度比較大，或者深部比淺部規(guī)模更大。

3．4 四階小波變換細節(jié)

四階小波變換細節(jié)使得之前出現(xiàn)的小異常圈閉被合并，轉(zhuǎn)變?yōu)楦蟮漠惓Ｈ﹂]。茅山隆起表現(xiàn)為比較直的高異常帶，兩側(cè)凹陷區(qū)也表現(xiàn)為高、低相間的圈閉異常。茅東凹陷內(nèi)的異常變化應(yīng)當與江南深斷裂有關(guān)［2］。貍橋兩側(cè)的高重力異常區(qū)變?yōu)闄E圓形圈閉，西側(cè)高異常主要由深部相對隆起的寒武紀－奧陶紀灰?guī)r地層引起。蒲塘橋－石臼湖凹陷內(nèi)的火山碎屑混雜巖帶在4階細節(jié)仍表現(xiàn)明顯的重力高異常帶，預(yù)示這條混雜巖帶延深較大。

3．5 五階小波變換細節(jié)

當進行到第5階小波變換時，其小波變換細節(jié)清晰的反映了研究區(qū)“兩凹夾一隆”的構(gòu)造特征，與布格異常表現(xiàn)十分相似。茅山隆起的東界（茅東斷裂）為一重力梯級帶，而西界（茅西斷裂）掩蓋在一片高異常的過渡帶之中。此時茅山隆起的形態(tài)已不明顯。石臼湖凹陷內(nèi)的火山混雜巖帶引起的異常消失，可能是混雜巖帶下延未達此深度；抑或在此深度，場源的密度差異很小，掩蓋了異常的存在。此時茅東凹陷邊界形態(tài)清晰，反映了白堊紀浦口組和葛村組的規(guī)模。茅東凹陷南西和北東各形成一個圈閉重力低異常，推測中部相對隆起或存在北西向斷裂。

4 主要斷裂構(gòu)造

根據(jù)1至5階小波變換細節(jié)分析，結(jié)合已有研究成果，推斷出8條主要斷裂（圖3，表1）。推斷依據(jù)是在已有成果的基礎(chǔ)上，根據(jù)重力異常等值線的疏密變化、異常錯斷或突變、狹長的串珠狀異常、等值線有規(guī)模的扭曲等標志，提取區(qū)內(nèi)的斷裂構(gòu)造。茅山地區(qū)構(gòu)造十分復(fù)雜，本次重力資料的精度尚不能達到全部分辨的精度，僅推斷出部分規(guī)模較大的斷裂，并在全區(qū)覆蓋重力資料的基礎(chǔ)上對它們的局部位置進行了修正。

茅西斷裂（F1）和茅東斷裂（F2）位于重力異常等值線變化較為劇烈的梯級帶上，北東近平行走向，二者之間為茅山斷裂帶隆起。茅山隆起表現(xiàn)為重力異常高，具有南西向窄、中間變寬、至北東又逐漸變窄的特征，這也反映出了茅西斷裂和茅東斷裂的展布形態(tài)。茅西斷裂某些位置在重力場上表現(xiàn)不甚明顯，是因為志留系－三疊系的地層及侏羅系的火山雜巖系逆沖到前陸白堊系下統(tǒng)葛村組紅層之上［2］，導(dǎo)致斷裂兩側(cè)的密度差異相對較小。而茅東斷裂西側(cè)為茅山隆起，東側(cè)為椏溪凹陷，密度差異明顯，斷裂位置清晰。

下壩－上興斷裂（F3）的推斷依據(jù)是椏溪凹陷內(nèi)部重力異常等值線扭曲或錯動。該斷裂在一階和二階小波變換細節(jié)基本沒有反應(yīng)，三階小波變換細節(jié)之后才出現(xiàn)重力異常等值線扭曲，說明本斷裂可能較深。據(jù)前人研究成果，江南深斷裂穿過椏溪凹陷，隱伏在數(shù)千米的白堊世浦口組和第三系阜寧群之下，屬于基底斷裂［2］。因此，下壩－上興斷裂應(yīng)該是江南深斷裂穿過的位置。

石臼湖－獅樹斷裂（F4）位于線性重力異常梯級帶上，西側(cè)為新近系阜寧群，東側(cè)為白堊系葛村組?？赡苁怯苫鹕交祀s巖帶引起，也可能是溧水火山構(gòu)造洼地中某一火山機構(gòu)的放射狀斷裂之一。在小波4階細節(jié)和5階細節(jié)均表現(xiàn)為變化較為劇烈的重力梯級帶。考慮到階數(shù)比較高時才出現(xiàn)，推測本條斷裂較深。

北西向的斷裂在重力場上總體沒有北東向表現(xiàn)明顯，馬鞍山－郎溪斷裂（F5）、石臼湖－殷橋斷裂（F6）、博望－椏溪斷裂（F7）、陶吳－上沛－橫澗斷裂（F8）均穿過茅山斷裂帶，重力異常等值線出現(xiàn)不同程度的錯動扭曲。F7處茅山斷裂帶錯動尤為明顯，在區(qū)域性右行扭動作用下，形成南段和北段的“S”型構(gòu)造［2］。F5 與北東向的F2、F3 交互切割，造成貍橋東側(cè)的隆起（重力異常高）。

圖3 研究區(qū)推斷的主要斷裂構(gòu)造Fig．3 Inferred main faults in the studied area

表1 茅山中段主要斷裂地質(zhì)地球物理特征Table．1 Geologocal－geophysical characteristics of the main faults in the middle segment of the Maoshan faulted zone

5 結(jié)論

利用小波變換多尺度分析，對江蘇茅山斷裂帶中段的重力場進行分離，得到反映不同場源深度的重力異常信息。根據(jù)各階小波變換細節(jié)分析，提取研究區(qū)的主要斷裂構(gòu)造。

（1）江蘇茅山斷裂帶中段的典型重力場特征是凹－隆相間。西側(cè)蒲塘橋－石臼湖凹陷和東側(cè)的茅東凹陷（椏溪凹陷）為重力低，兩凹陷之間的重力高為茅山斷裂帶隆起。由于志留系－三疊系的地層及侏羅系的火山雜巖系逆沖到前陸白堊系下統(tǒng)葛村組紅層之上，蒲塘橋－石臼湖凹陷區(qū)在石臼湖與茅西斷裂之間形成重力高異常過渡帶。

（2）小波變換多尺度分析不同階次的結(jié)果能有效反映不同場源深度的地質(zhì)體信息。本文中1～5階小波變換細節(jié)反映了從淺到深的場源信息，據(jù)此可以觀察到以茅山斷裂帶為主的各地質(zhì)體在不同深度的形態(tài)。1～3階小波變換細節(jié)較好的反映出茅山斷裂帶的延伸特征，4～5階小波變換細節(jié)則包含了更多深部的信息。

（3）在前人研究基礎(chǔ)上，結(jié)合各階小波變換細節(jié)分析的結(jié)果，推斷了研究區(qū)8條主要斷裂。受茅山斷裂帶和江南深斷裂控制，北東向斷裂在重力場上表現(xiàn)更為明確。這些斷裂重力場反映與地質(zhì)推斷吻合，某些位置根據(jù)重力場進行了修正。

（4）茅山斷裂帶構(gòu)造十分復(fù)雜，本文雖已取得了一定進展，但仍有待進一步深化。下一步將對更多的次一級斷裂加以推斷和解釋。

致謝：本文寫作過程中，地質(zhì)解釋方面得到了南京地質(zhì)調(diào)查中心胡存禮老師的大力協(xié)助，在此表示感謝。

注釋

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