郯廬斷裂帶南段重力異常及不同深度的橫向構(gòu)造特征

王　鑫　張景發(fā)　姜文亮　蔣洪波田　甜　高　敏　付萍杰

1)中國(guó)地震局地殼應(yīng)力研究所， 地殼動(dòng)力學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 北京　100085 2)山東科技大學(xué)， 青島　266590

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郯廬斷裂帶南段重力異常及不同深度的橫向構(gòu)造特征

王鑫1)張景發(fā)1)姜文亮1)蔣洪波1)田甜1)高敏1，2)付萍杰1，2)

1)中國(guó)地震局地殼應(yīng)力研究所， 地殼動(dòng)力學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 北京100085 2)山東科技大學(xué)， 青島266590

為研究郯廬斷裂帶南段及周邊構(gòu)造的深部特征、 空間展布、 交切關(guān)系， 文中利用小波多尺度分析方法對(duì)該地區(qū)的布格重力場(chǎng)進(jìn)行場(chǎng)源分離， 剖析不同深度下的地殼橫向構(gòu)造； 同時(shí)采用Parker變密度模型對(duì)莫霍面深度進(jìn)行反演分析。研究表明， 郯廬斷裂帶南段表現(xiàn)為NNE走向的大型重力區(qū)域場(chǎng)梯度條帶， 切割深度達(dá)巖石圈地幔， 其兩側(cè)密度結(jié)構(gòu)及構(gòu)造特征差異明顯。沉積層及上地殼密度結(jié)構(gòu)復(fù)雜， 郯廬帶東支2條斷裂形成線性異?？v貫區(qū)域； 而西支2條斷裂線性異常較弱， 截切EW向的重力異常體斷續(xù)延展。 中、 下地殼密度結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單， 斷裂帶形成寬緩的低異常條帶， 反映了白堊紀(jì)—古近紀(jì)伸展環(huán)境下造成的地塹式構(gòu)造。西支2條主干斷裂縱穿合肥市， 沿肥東凹陷西緣向S延伸， 由于舒城以南的高密度圈閉體遮擋， 尖滅于舒城縣一帶； 而肥中、 六安—合肥、 肥西—韓擺渡EW向的深大斷裂交切于西支， 未延伸至東支。該區(qū)近代小震多發(fā)生于斷裂構(gòu)造所對(duì)應(yīng)的重力高、 低異常轉(zhuǎn)化帶之間， 尤其是斷裂之間的交會(huì)處與郯廬構(gòu)造帶內(nèi)部， 郯廬斷裂帶南段為歷史強(qiáng)震空區(qū)段， 考慮到斷裂帶莫霍面陡變及與多條深大斷裂交切等深部環(huán)境， 中強(qiáng)震危險(xiǎn)性不容忽視。

郯廬斷裂帶南段布格重力異常小波多尺度分析橫向構(gòu)造莫霍面地震活動(dòng)性

0　引言

郯廬斷裂帶是位于中國(guó)東部大陸的大型活動(dòng)斷裂帶， 控制著東部地區(qū)的構(gòu)造格局、 巖漿活動(dòng)、 礦產(chǎn)資源分布、 地震活動(dòng)等諸多因素(方仲景等， 1986)， 一直是學(xué)者們的研究熱點(diǎn)。多數(shù)學(xué)者認(rèn)為， 郯廬斷裂帶起源于華北-下?lián)P子陸塊印支期的碰撞(徐嘉煒等， 1980； Xuetal.， 1987； Yinetal.， 1993； Zhuetal.， 2009)， 經(jīng)歷了強(qiáng)烈的左行平移、 伸展、 擠壓等復(fù)雜的演化過(guò)程后(徐嘉煒， 1992； 王小鳳等， 2000； 朱光等， 2004)， 第四紀(jì)以來(lái)表現(xiàn)為右旋走滑兼逆沖活動(dòng)性質(zhì)(國(guó)家地震局地質(zhì)研究所， 1987)。

郯廬斷裂帶南段又稱嘉山—廬江段， 位于安徽省境內(nèi)， 北起嘉山縣， 南到廬江縣， 全長(zhǎng)約180km， 由4條主干斷裂組成， 自西向東分別為五河-合肥斷裂、 石門山斷裂、 池河-太湖斷裂、 嘉山-廬江斷裂。 西側(cè)為華北塊體大別山構(gòu)造帶， 東側(cè)為下?lián)P子塊體(安徽省地質(zhì)礦產(chǎn)局， 1987)。郯廬斷裂帶南段東支2條斷裂構(gòu)造地貌明顯， 出露于NNE向延伸的低山丘陵邊界。 西支2條斷裂構(gòu)造地貌微弱， 多隱伏于地表之下， 因此關(guān)于西支研究尚不夠深入且其南延問題存在分歧： 安徽省地質(zhì)礦產(chǎn)局(1987)及湯加富等(2003)認(rèn)為， 西支2條斷裂近平行展布， 縱穿合肥市， 南延至大別山一帶， 其中石門山斷裂消失于大別雜巖中， 五河-合肥斷裂消失于大別山造山帶北部北淮陽(yáng)地區(qū)原盧鎮(zhèn)關(guān)群中； 而張交東等(2010)提到， 西支2條斷裂尖滅于定遠(yuǎn)縣一帶， 未南延至合肥市。

隨著地球物理技術(shù)的快速發(fā)展， 重力、 航磁、 大地電磁、 天然地震、 人工地震等探測(cè)方法廣泛的應(yīng)用到郯廬斷裂帶南段的研究之中， 取得了豐富的成果(馬杏垣， 1987； 杜曉娟等， 2005； 李云平等， 2006； 李春峰等， 2009； 霍光輝等， 2009； 張交東等， 2010； 張毅等， 2011； 黃耘等， 2011)。 郯廬斷裂帶南段表現(xiàn)為1條大規(guī)模的重磁梯度條帶(馬杏垣， 1987； 李云平等， 2006； 李春峰等， 2009； 霍光輝等， 2009； 張毅等， 2011)， 兩側(cè)構(gòu)造塊體的速度結(jié)構(gòu)差異明顯， 具有構(gòu)造塊體邊界特征(黃耘等， 2011)， 其經(jīng)歷過(guò)復(fù)雜的擠壓走滑—引張正斷層變形過(guò)程(杜曉娟等， 2005)； 斷裂帶內(nèi)部為西支伸展、 東支走滑的構(gòu)造樣式(張交東等， 2010)。在這些研究之中， 大地電磁、 人工反射地震等測(cè)深剖面具有較好的探測(cè)深度和垂向分辨率， 但由于測(cè)線數(shù)量有限， 無(wú)法全面反映區(qū)域地殼深部的橫向構(gòu)造； 而在重磁平面場(chǎng)的研究中， 所用的數(shù)據(jù)比例尺較小且場(chǎng)源分離方法有限， 展現(xiàn)的主要是斷裂帶的宏觀展布特征， 不能完全反映出不同深度下的深部詳細(xì)結(jié)構(gòu)， 因而在郯廬斷裂帶的深部構(gòu)造研究上， 重磁技術(shù)仍具有很大的發(fā)揮潛力。

本文選取116°～118.5°E， 30.5°～33°N作為研究區(qū)(圖1)， 收集較大比例尺布格重力數(shù)據(jù)， 利用小波多尺度分析方法與Parker變密度模型， 反演區(qū)域地殼密度結(jié)構(gòu)及莫霍面深度分布， 分析多尺度重力異常及不同深度下的橫向構(gòu)造特征， 旨在揭示郯廬斷裂帶南段及周邊構(gòu)造的深部特征、 空間展布、 交切關(guān)系， 進(jìn)一步探討其西支2條主干斷裂的南延情況， 為該地區(qū)的地球物理場(chǎng)及活動(dòng)構(gòu)造研究提供參考。

1　數(shù)據(jù)與方法

重力異常是地殼質(zhì)量分布不均所引起的重力值偏離正常重力值的異常響應(yīng)， 它能夠直觀地反映地質(zhì)體的分布、 地殼深部結(jié)構(gòu)以及斷裂構(gòu)造展布等信息。然而， 重力場(chǎng)是疊加場(chǎng)， 包含巖石圈不同層次的場(chǎng)源信息， 區(qū)域場(chǎng)與局部場(chǎng)信號(hào)疊加在一起， 深部場(chǎng)與淺部場(chǎng)信號(hào)疊加在一起， 因此在利用重力數(shù)據(jù)研究深部構(gòu)造時(shí)， 場(chǎng)源信息的有效分離至關(guān)重要(曾華霖， 2005)。傳統(tǒng)的高次導(dǎo)數(shù)、 解析延拓、 趨勢(shì)面、 頻率濾波等方法很難有效地分離重力場(chǎng)信號(hào)， 而先進(jìn)的傅里葉分析方法雖然是地球物理信號(hào)強(qiáng)有力的科學(xué)工具， 但它只能獲得函數(shù)F的整體頻譜， 不能獲取函數(shù)的局部特性(方盛明等， 2002)。

現(xiàn)階段， 快速發(fā)展的小波變換方法成為重力異常分解的重要技術(shù)手段， 該方法可以分離重力場(chǎng)中交織在一起的信號(hào)， 提取出研究對(duì)象中不同尺度的局部異常信息， 從而達(dá)到位場(chǎng)分離的目的。Mallat(1989)首先提出了小波多尺度分析的塔式算法； 侯遵澤等(1997)闡述了小波多尺度分析原理， 并成功地應(yīng)用于中國(guó)大陸布格重力異常的研究； 楊文采等(2001)利用低階細(xì)節(jié)不變準(zhǔn)則實(shí)現(xiàn)了具有地質(zhì)意義的重力異常分解； 此外， 還有諸多學(xué)者利用小波變換方法在重力場(chǎng)的地質(zhì)構(gòu)造研究中取得了豐碩的成果(高德章等， 2000； 方盛明等， 2002； 姜文亮等， 2012； 路曉翠等， 2012； Jiangetal.， 2012， 2014； 王鑫等， 2015)。

二維重力異常的小波多尺度分解表達(dá)式可簡(jiǎn)寫為ΔF(x)=AjG+D1G+D2G+…+DjG， 其中AjG是j階小波變換低頻逼近部分， DjG是第j階小波變換高頻細(xì)節(jié)部分， j=1， …， n(劉天佑， 2007)。利用小波多尺度分析方法對(duì)重力場(chǎng)進(jìn)行場(chǎng)源分離， 可以得到n階小波變換逼近場(chǎng)與n階小波變換細(xì)節(jié)場(chǎng)。 其中小波變換逼近場(chǎng)是深部場(chǎng)源所引起的大規(guī)模低頻異常信號(hào)， 主要反映區(qū)域場(chǎng)異常信息； 小波變換細(xì)節(jié)場(chǎng)是淺部場(chǎng)源體引起的小規(guī)模高頻異常信號(hào)， 主要反映局部場(chǎng)異常信息。

本文收集了研究區(qū)較大比例尺的布格重力場(chǎng)資料， 數(shù)據(jù)采樣間隔為2km。 利用重磁勘探軟件(GMS4.0)的二維小波多尺度分析模塊進(jìn)行場(chǎng)源分解， 得到1—4階小波變換逼近場(chǎng)和1—5階細(xì)節(jié)場(chǎng)(圖2)。 為了更為精細(xì)地刻畫斷裂構(gòu)造分布及地殼內(nèi)部結(jié)構(gòu)， 下文將簡(jiǎn)要介紹小波逼近場(chǎng)， 重點(diǎn)研究小波細(xì)節(jié)場(chǎng)特征。功率譜是20世紀(jì)70年代發(fā)展起來(lái)的一種重磁場(chǎng)換算方法(Spectoretal.， 1970)， 通過(guò)定量分析對(duì)數(shù)功率譜曲線的斜率， 來(lái)估算各階次小波變換場(chǎng)所對(duì)應(yīng)的近似場(chǎng)源深度。 文中結(jié)合功率譜方法， 計(jì)算得到區(qū)域1—4階小波變換逼近場(chǎng)和1—5階細(xì)節(jié)場(chǎng)對(duì)應(yīng)的近似場(chǎng)源深度值(表1)。

圖2　布格重力場(chǎng)的小波多尺度分解過(guò)程Fig. 2　The process of wavelet multi-scale decomposition of Bouguer gravity field

表1　各階小波變換重力場(chǎng)所反映的場(chǎng)源深度

Table1　Depth reflected by each wavelet transform

階次近似場(chǎng)源深度/km階次近似場(chǎng)源深度/km1階逼近8～91階細(xì)節(jié)32階逼近13～142階細(xì)節(jié)63階逼近24～263階細(xì)節(jié)124階逼近40～424階細(xì)節(jié)245階細(xì)節(jié)38

圖3　區(qū)域布格重力異常圖Fig. 3　Bouguer gravity anomaly map of the study area.

2　重力場(chǎng)分析

2.1布格重力場(chǎng)

布格重力異常是區(qū)域場(chǎng)宏觀信息的反映。布格重力異常圖顯示(圖3)， 區(qū)域重力場(chǎng)總體呈現(xiàn)東高西低的格局， 重力值變化范圍為-92.9～19.7mGal。郯廬斷裂南段縱穿區(qū)域中央， 沿嘉山、 定遠(yuǎn)東、 肥東、 廬江、 桐城等地形成了1條NNE方向的重力梯度帶； 梯度帶異常值變化劇烈， 且由北向南逐漸增加， 最大梯度值變化超過(guò)1.5mGal/km。合肥以北， 斷裂帶形成了NNE向的深凹條帶， 密度異常低于兩側(cè)； 而合肥以南， 斷裂帶則形成了東高西低的大型重力過(guò)渡帶。郯廬斷裂帶分隔了華北塊體、 大別山構(gòu)造帶與下?lián)P子塊體， 構(gòu)成了區(qū)域內(nèi)重要的地質(zhì)與地球物理分界線， 其兩側(cè)密度結(jié)構(gòu)及構(gòu)造特征存在明顯差異， 東側(cè)以NE向重力構(gòu)造為主， 而西側(cè)呈現(xiàn)近EW向的重力異常形態(tài)。

區(qū)域東側(cè)為下?lián)P子塊體， 重力異常整體高， 最高值分布在巢湖—全椒縣一線， 達(dá)19.7mGal。 區(qū)域西側(cè)由華北塊體和大別山構(gòu)造帶組成， 西北側(cè)的華北塊體表現(xiàn)為中高值異常區(qū)， 而西南側(cè)的大別山構(gòu)造帶表現(xiàn)為低異常區(qū)， 最低值分布于岳西縣以西， 達(dá)-92.9mGal， 反映了大別山地塊強(qiáng)烈的隆升機(jī)制。此外， 圖中清晰地界定了其余一級(jí)斷裂構(gòu)造邊界， 如近EW向的定遠(yuǎn)-壽縣斷裂、 肥中斷裂、 肥西-韓擺渡斷裂等。

2.2小波逼近場(chǎng)

小波逼近場(chǎng)反映的是深部場(chǎng)源引起的低頻異常信息， 壓制淺層及局部地質(zhì)體的重力異常， 突出區(qū)域優(yōu)勢(shì)構(gòu)造單元。重力1—4階小波逼近場(chǎng)對(duì)應(yīng)的近似場(chǎng)源深度見表1， 伴隨小波逼近階次的增加， 所體現(xiàn)出的重力異常趨于簡(jiǎn)單化、 集中化。

1—2階逼近圖中(圖4a， b)， 異常值變化范圍分別為-86.3～17.2mGal、 -81.8～10.4mGal， 區(qū)域大地構(gòu)造格局清晰可見。 東側(cè)為高值區(qū)的下?lián)P子塊體， 西北側(cè)為中值區(qū)的華北塊體， 西南側(cè)為低值區(qū)的大別山構(gòu)造帶。 郯廬斷裂帶產(chǎn)生的NNE走向重力梯度帶尤為明顯， 呈舒緩波狀延伸， 形成東高西低的重力場(chǎng)格局， 反映了中、 上地殼的介質(zhì)結(jié)構(gòu)橫跨斷裂帶的急劇變化。3—4階逼近圖中(圖4c， d)， 異常值變化范圍分別為-79.5～4.9mGal、 -74.6～1.0mGal， 局部異常信息逐漸壓制， 塊體構(gòu)造及深大斷裂的重力異常更為突出， 區(qū)域繼承著低階次東高西低的重力場(chǎng)特征， 郯廬斷裂梯度條帶變得平直而陡立， 控制著塊體之間的邊界。 4階逼近圖場(chǎng)源深度約41km， 推測(cè)斷裂帶切穿下地殼至上地幔深度， 為巖石圈深大斷裂系。

圖4　1—4階布格重力異常小波逼近圖Fig. 4　1-4 order approximate images of Bouguer gravity anomaly using multi-scale wavelet analysis method.

2.3不同深度的橫向構(gòu)造特征

小波細(xì)節(jié)場(chǎng)反映的是線層場(chǎng)源引起的高頻異常信息， 抑制深部場(chǎng)響應(yīng)， 突出局部場(chǎng)的地殼結(jié)構(gòu)特征。1—5階細(xì)節(jié)圖場(chǎng)對(duì)應(yīng)的場(chǎng)源深度見表1， 1—2階小波細(xì)節(jié)圖像反映沉積層上地殼重力異常， 3階小波細(xì)節(jié)圖像反映中地殼重力異常， 4階小波細(xì)節(jié)圖像反映下地殼重力異常， 5階小波細(xì)節(jié)圖像反映下地殼底界至上地幔的重力異常。

1階小波細(xì)節(jié)圖， 重力異常變化劇烈， 支離破碎， 異常值范圍為-13.7～10.6mGal， 對(duì)應(yīng)場(chǎng)源深度約3km， 反映的是地殼沉積層的密度差異(圖5a)。郯廬斷裂帶南段的4條主干斷裂(五河-合肥斷裂、 石門山斷裂、 池河-太湖斷裂、 嘉山-廬江斷裂)總體表現(xiàn)為NNE向的小尺度線狀條帶， 貫穿區(qū)域中央。 東支2條線性特征明顯； 西支2條線性異常較弱， 但卻切斷了多個(gè)EW走向的狹長(zhǎng)狀重力圈閉體， 使圈閉體發(fā)生收斂、 斷彎、 扭曲等現(xiàn)象， 斷續(xù)向S延伸至舒城縣。合肥—六安一帶發(fā)育多個(gè)長(zhǎng)軸方向近EW的高、 低重力異常圈閉條帶， 推斷為軸面近EW向展布的大型褶皺體， 相繼排列的高、 低圈閉條帶對(duì)應(yīng)著褶皺體的次級(jí)隆凹構(gòu)造， 在高、 低圈閉體之間形成線性重力梯度帶， 3條斷裂沿重力梯度帶分布， 由北向南依次為肥中斷裂、 六安-合肥斷裂、 肥西-韓擺渡斷裂。區(qū)域西南側(cè)大別山構(gòu)造帶中， 梅山-龍河口斷裂、 青山-曉天斷裂2條斷裂形成了NW向的串珠狀重力條帶， 與構(gòu)造地貌分布一致(姚大全等， 2003)。 NE向的落兒嶺-土地嶺斷裂與之交切， 并向N延伸至合肥盆地內(nèi)部， 切割六安-合肥斷裂、 肥西-韓擺渡斷裂， 使2條斷裂所形成的重力異常發(fā)生左旋扭曲。

2階小波細(xì)節(jié)圖， 重力異常凌亂， 場(chǎng)源信息豐富， 異常值在-12.9～9.7mGal之間， 反映了上地殼密度的非均勻性(圖5b)。 除斷裂構(gòu)造的線性特征之外， 隆凹構(gòu)造的重力異常形態(tài)逐漸呈現(xiàn)。繼承了1階細(xì)節(jié)圖的特點(diǎn)， 郯廬斷裂帶南段東支2條斷裂形成NEE走向狹長(zhǎng)的條帶狀或串珠狀重力異常， 而西支2條斷裂依然表現(xiàn)為截切EW向構(gòu)造體的重力圈閉斷續(xù)展布。肥中、 六安-合肥、 肥西-韓擺渡3條近EW走向的斷裂依然分布于相應(yīng)的重力梯度帶之中， 交切于郯廬斷裂帶西支， 交切之處的重力等值線見明顯扭曲、 斷折、 拖曳等現(xiàn)象， 而東支未見EW向擾亂異常， 說(shuō)明3條斷裂未延伸至東側(cè)。淮南一帶發(fā)育NWW或EW走向的大型斷裂構(gòu)造， 即臨泉-劉府?dāng)嗔选?阜陽(yáng)-鳳臺(tái)斷裂、 潁上-定遠(yuǎn)斷裂， 各自形成了重力梯度條帶， 其中潁上-定遠(yuǎn)斷裂南側(cè)出現(xiàn)2個(gè)低重力圈閉體， 分別對(duì)應(yīng)潁上凹陷、 定遠(yuǎn)凹陷， 斷裂控制凹陷北緣邊界。位于下?lián)P子塊體的含山—巢湖一帶， 形成了菱形高異常圈閉體， 對(duì)應(yīng)著巢湖-含山隆起構(gòu)造單元的雛形(蘇蓉， 2010)， 其兩側(cè)邊緣相應(yīng)形成的弧形斷裂構(gòu)造為滁河斷裂、 烏江-羅昌河斷裂。

3階小波細(xì)節(jié)圖， 重力異常圈閉有所增大， 隆凹構(gòu)造的重力表現(xiàn)突出， 異常值范圍-9.0～7.9mGal， 反映了中地殼各地質(zhì)體巖性密度差異的分布情況(圖5c)。圖中郯廬斷裂帶西支2條斷裂表現(xiàn)為NEE向的重力梯變條帶， 東支2條主干斷裂表現(xiàn)為大規(guī)模串珠狀高重力異常， 且局部地區(qū)呈現(xiàn)重力梯度帶現(xiàn)象。 肥東縣地區(qū)出現(xiàn)長(zhǎng)軸方向?yàn)镹NE的橢圓形低重力異常圈閉， 對(duì)應(yīng)肥東凹陷構(gòu)造單元， 凹陷東西兩側(cè)邊緣形成重力梯度帶； 而郯廬斷裂帶東、 西支斷裂分布于梯度帶之中， 控制著凹陷東西兩側(cè)邊界?；茨系貐^(qū)的潁上凹陷、 定遠(yuǎn)凹陷低重力圈閉增強(qiáng)， 其北側(cè)的臨泉-劉府?dāng)嗔选?阜陽(yáng)-鳳臺(tái)斷裂、 潁上-定遠(yuǎn)斷裂重力梯度條帶依然存在， 3條斷裂已切割至中地殼深度。巢湖地區(qū)， 巢湖-含山隆起所造成的菱形高異常圈閉明顯可見， 與地貌的弧形山脊形態(tài)十分吻合， 北側(cè)的低異常圈閉為滁全凹陷， 南側(cè)的低異常圈閉為無(wú)為凹陷， 滁河斷裂、 烏江-羅昌河斷裂挾持于巢湖-含山隆起兩側(cè)， 形成弧形重力梯度條帶， 分割隆凹構(gòu)造單元。

圖5　1—5階布格重力異常小波細(xì)節(jié)圖Fig.5　1-5 order detailed images of Bouguer gravity anomaly using multi-scale wavelet analysis method.白色圓圈表示1970—2008年發(fā)生的MS2～5地震， 根據(jù)震源深度投影到不同深度的小波細(xì)節(jié)場(chǎng)中

4階小波細(xì)節(jié)圖， 重力圈閉進(jìn)一步合并擴(kuò)大， 異常值為-10.2～8.9mGal， 反映了下地殼深度的橫向密度差異(圖5d)。下地殼結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單， 郯廬斷裂帶4條主干斷裂的小尺度線性梯度帶消失， 整體表現(xiàn)為NNE走向的大型低異常區(qū)帶現(xiàn)象， 沿嘉山、 定遠(yuǎn)、 合肥、 舒城東、 廬江延展， 反映了晚白堊紀(jì)—古近紀(jì)的伸展作用造成的地塹式構(gòu)造(朱光等， 2001， 2004)， 大規(guī)模的拉張作用造成中下地殼的斷陷下沉。緊鄰郯廬斷裂帶東側(cè)為張八嶺隆起帶， 形成大型串珠狀的高異常區(qū)帶， 與郯廬裂谷走向一致。合肥—六安一帶的肥中斷裂、 六安-合肥斷裂、 肥西-韓擺渡斷裂繼承了2、 3階的重力異常效應(yīng)， 依然表現(xiàn)為EW向的重力梯度帶， 說(shuō)明3條斷裂已切割至下地殼深度， 屬于區(qū)域深大斷層。淮南一帶的臨泉-劉府?dāng)嗔选?阜陽(yáng)-鳳臺(tái)斷裂、 潁上-定遠(yuǎn)斷裂， 重力梯度帶逐漸消失， 推測(cè)切割深度僅至中地殼。巢湖地區(qū)的巢湖-含山隆起兩側(cè)的滁河斷裂、 烏江-羅昌河斷裂， 其弧形重力梯度帶尚存， 推測(cè)下切深度達(dá)下地殼， 屬于區(qū)域殼斷裂。

5階小波細(xì)節(jié)圖， 重力變化趨于簡(jiǎn)單， 重力值為-12.6～9.1mGal， 反映了下地殼底部到上地幔頂部造成的異常響應(yīng)， 揭示了莫霍面起伏至上地幔物質(zhì)密度的橫向變化特征(圖5e)。區(qū)域整體表現(xiàn)出 “高—低—高”的重力格局， 郯廬裂谷帶作為地殼沉降區(qū)， 對(duì)應(yīng)重力負(fù)異常， 而東側(cè)的華北塊體及西側(cè)的下?lián)P子塊體表現(xiàn)為大面積中高異常， 大別山構(gòu)造帶為負(fù)異常區(qū)。沿滁州東—巢湖—廬江—貴池西一線， 出現(xiàn)NNE走向的高值異常條帶， 密度異常明顯高于兩側(cè)， 推斷是巖石圈地幔局部上涌， 地幔物質(zhì)沿東支斷裂通道上涌， 造成下地殼熔融、 巖石圈減薄所致(謝成龍等， 2008)。

2.4郯廬斷裂帶西支南延問題的討論

本文基于不同尺度的重力小波細(xì)節(jié)場(chǎng)， 在郯廬斷裂帶南段西支2條斷裂的南延問題上給予了一定的解釋。1—2階重力細(xì)節(jié)圖中， 西支2條線性特征較弱， 但交切了一系列EW走向的狹長(zhǎng)狀重力構(gòu)造圈閉， 使其發(fā)生收斂、 斷折、 扭曲等現(xiàn)象， 斷續(xù)向南追蹤至舒城縣一帶。3—4階重力細(xì)節(jié)圖中， 郯廬斷裂帶西支形成了顯著的重力梯度條帶， 沿肥東凹陷西緣分布， 控制了肥東凹陷低異常圈閉的西邊界； 斷裂南延至舒城縣一帶， 由于舒城以南出現(xiàn)高異常圈閉體遮擋， 阻礙斷層向南延展， 推測(cè)尖滅于此。

3　莫霍面反演

本文采用Parker變密界面模型反演區(qū)域莫霍面深度(Parker， 1973)。以往的重力資料反演莫霍面的研究中， 采用均勻密度模型， 殼幔密度差為1常數(shù)， 而實(shí)際上地殼密度是隨深度變化而變化的， 殼幔密度差為變量。Parker模型是密度隨深度呈指數(shù)變化的模型， 因此用來(lái)反演莫霍面深度更為準(zhǔn)確； 該模型需要界面的平均深度值與界面上下的密度差值作為初始條件， 其表達(dá)式為

式中，Δρ0為界面密度差， μ為變密度因子， Z為深度。

參考前人的地震測(cè)深資料(董樹文等， 1998； 劉福田等， 2003； 朱介壽等， 2005； 熊小松等， 2009)， 得出區(qū)域速度結(jié)構(gòu)及殼幔界面的平均深度作為反演的約束條件(表2)， 利用密度與P波速度的經(jīng)驗(yàn)公式ρ=0.77+0.32Vp計(jì)算下地殼及上地幔的密度值(Berteussen， 1997)。區(qū)域華北塊體、 下?lián)P子塊體的莫霍面平均深度約為33.5km， 而大別山構(gòu)造帶的莫霍面深度約為41km， 殼幔密度差為0.31g/cm3。4階小波逼近圖(圖4d)基本消除了局部重力異常響應(yīng)， 場(chǎng)源深度約為41km， 反映了莫霍面及上地幔引起的重力異常特征， 因此用來(lái)反演莫霍面深度最佳。

表2　地殼深度、 P波速度、 密度列表

Table2　List of P wave velocity， crustal density and average crustal depth of the study area

VP/km·s-1密度/g·cm-3區(qū)域華北塊體、下?lián)P子塊體的莫霍面深度/km區(qū)域大別山構(gòu)造帶的莫霍面深度/km下地殼6.8～7.22.95～3.0732～3540～42上地幔頂部8.03.33——

圖6　區(qū)域莫霍面分布圖Fig. 6　Moho topographic map of the study area.

反演結(jié)果如圖6 所示， 莫霍面橫向起伏變化較大， 范圍在32.3～42.5km之間， 界面由東北至西南逐漸加深， 地殼由西南向東北方向逐漸減薄。區(qū)域莫霍面分布形態(tài)與地形地表形成明顯的負(fù)相關(guān)性。區(qū)域的東北及西側(cè)地區(qū)， 莫霍面埋深較淺且變化幅度小， 對(duì)應(yīng)著華北及下?lián)P子塊體的平原丘陵地貌， 僅局部地區(qū)出現(xiàn)小幅度上隆或下凹， 地殼厚度整體偏薄。區(qū)域西南緣的大別山構(gòu)造帶莫霍面埋深大， 急劇下降， 深度接近42.5km， 表明大別山構(gòu)造帶強(qiáng)烈隆起過(guò)程中受重力均衡調(diào)整作用而使得莫霍面嚴(yán)重下傾， 莫霍面深度與隆升地貌特征也形成了鮮明對(duì)比。

郯廬斷裂帶南段形成了NNE走向的大型莫霍面陡變帶， 造成區(qū)域東西分異的格局， 分隔東側(cè)的華北、 大別山與西側(cè)的下?lián)P子塊體。連線北側(cè)的華北塊體、 下?lián)P子塊體， 由西向東橫跨郯廬斷裂帶， 莫霍面深度由近33km迅速下降至35km， 隨后上隆至32～33km， 形成兩側(cè)淺中間深的 “凹槽”條帶； 連線南側(cè)的大別山構(gòu)造帶、 下?lián)P子塊體由西向東橫跨郯廬帶， 莫霍面深度由西側(cè)的38km迅速上升至東側(cè)的33km， 起伏變化高達(dá)5km以上， 反映了郯廬斷裂帶構(gòu)造邊界帶的特性。

4　地震震源深度與構(gòu)造的關(guān)系

本文收集了1970—2008年的地震數(shù)據(jù)(MS2～5)， 按震源深度1～4km、 4～8km、 8～16km、 16～28km、 28～34km分類， 投影到相應(yīng)場(chǎng)源深度的重力小波細(xì)節(jié)場(chǎng)之中， 進(jìn)而分析近代地震震源深度與構(gòu)造之間的關(guān)系。1—2階細(xì)節(jié)場(chǎng)中(圖5a， b)， 震中集中分布于大別山構(gòu)造帶的NE向梅山-龍河口、 青山-曉天斷裂與NW向落兒嶺-土地嶺斷裂交會(huì)處， 3條斷裂為地震活動(dòng)斷裂(姚大全等， 2003)， 因此頻發(fā)淺源地震； 相比而言， 華北、 下?lián)P子塊體及郯廬構(gòu)造帶少有淺源地震發(fā)生。3—4階細(xì)節(jié)場(chǎng)中(圖5c， d)， 震中分布均勻， 地震多發(fā)生于斷裂構(gòu)造對(duì)應(yīng)的重力高、 低轉(zhuǎn)化帶之間， 特別是斷裂帶之間的交會(huì)處， 郯廬構(gòu)造帶內(nèi)部頻發(fā)中下地殼深度的地震， 而在肥中、 六安-合肥深大斷裂與郯廬斷裂帶交會(huì)部位(合肥市一帶)出現(xiàn)小震叢集現(xiàn)象， 在梅山-龍河口、 青山-曉天斷裂與落兒嶺-土地嶺斷裂交會(huì)處也發(fā)育中地殼深度的小震叢集。5階細(xì)節(jié)場(chǎng)中(圖5e)， 地震極少且主要發(fā)生在高重力異常圈閉體內(nèi)部及其邊緣， 推測(cè)為上地幔高密度物質(zhì)的局部上隆誘發(fā)所致。綜上可知， 該地區(qū)大別山構(gòu)造塊體的近代小震活動(dòng)性較強(qiáng)， 郯廬斷裂帶次之， 相比之下華北、 下?lián)P子塊體較弱。

5　認(rèn)識(shí)與討論

郯廬斷裂帶南段形成的大型重力、 航磁梯度條帶現(xiàn)象前人已有諸多論述， 而文中較大比例尺的布格重力場(chǎng)充分表明， 斷裂帶形成大尺度重力梯度條帶， 分隔東、 西兩側(cè)的華北塊體、 大別山構(gòu)造帶與下?lián)P子塊體， 其兩側(cè)的密度結(jié)構(gòu)及構(gòu)造特征差異明顯； 東側(cè)以NE向異常構(gòu)造為主， 而西側(cè)呈現(xiàn)近EW向的重力形態(tài)。此外， 重力小波逼近場(chǎng)進(jìn)一步佐證了斷裂帶切割深度達(dá)巖石圈地幔， 屬于超殼斷裂系。

郯廬斷裂帶南段西支2條斷裂淺部截切了EW向的狹長(zhǎng)狀重力異常體， 使其發(fā)生斷折、 扭曲、 拖曳， 深部沿肥東凹陷西緣形成梯度條帶， 在空間展布上縱穿合肥市， 南延至尖舒城縣一帶； 由于舒城以南出現(xiàn)高密度圈閉體遮擋， 阻礙其向S延展， 推斷南延端點(diǎn)位于此。姚大全等(2004)利用線層人工地震方法在合肥市市區(qū)內(nèi)探測(cè)到了西支五河-合肥斷裂(F2)的存在， 其斷面NW向陡傾， 晚第四紀(jì)主要呈逆沖性質(zhì)， 這間接證實(shí)了文中西支南延結(jié)果的合理性。

該區(qū)沉積層及上地殼結(jié)構(gòu)復(fù)雜， 郯廬斷裂帶南段東支2條主干斷裂形成各自的線性異常縱貫區(qū)域， 而西支2條主干斷裂線性特征較弱， 但截切了EW向的重力異常體斷續(xù)延展。 中、 下地殼結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單， 郯廬斷裂帶形成寬緩的低異常區(qū)， 反映了白堊紀(jì)—古近紀(jì)伸展環(huán)境下造成的地塹式構(gòu)造， 兩側(cè)發(fā)育潁上凹陷、 定遠(yuǎn)凹陷、 滁全凹陷、 舒城凹陷等構(gòu)造單元及多條深大斷裂， 東側(cè)的肥中、 六安-合肥、 肥西-韓擺渡EW走向的深大斷裂交切于西支， 未延伸至東支， 西側(cè)的滁河、 烏江-羅長(zhǎng)河等深大斷裂未交切于郯廬斷裂帶。

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Abstract

To research the faults distribution and deep structures in the southern segment of Tan-Lu fault zone(TLFZ)and its adjacent area， this paper collects the Bouguer gravity data and makes separation by the multi-scale wavelet analysis method to analyze the crustal transverse structure of different depths. Meanwhile Moho interface is inversed by Parker variable density model. Research indicates that the southern segment of TLFZ behaves as a NNE-directed large-scale regional field gravity gradient zone， which separates the west North China-Dabie orogen block and the east Yangtze block， cutting the whole crust and lithosphere mantle. There are quite differences of density structures and tectonic features between both sides of this gradient belt. The sedimentary and upper crustal density structure is complex. The two east branches of TLFZ behave as linear gravity anomalous belt throughout the region， whereas the two west branches of TLFZ continue to extend after truncating the EW-trending gravity anomaly body. The lower crustal density structure is relatively simple. TLFZ behaves as a broad and gentle low abnormal belt， which reflects the Cretaceous-Paleogene extension environment caused graben structure. The two west branches of TLFZ， running through Hefei city， extend southward along the west margin of Feidong depression and pinch out in Shucheng area due to the high density trap occlusions in the south of Shucheng. The Feizhong Fault， Liu’an-Hefei Fault， and Feixi-Hanbaidu Fault intersect the two west branch faults of TLFZ without extending to the east. Recent epicenters are mainly located in conversion zones between the high-density and the low-density anomaly， especially in TLFZ and the junction of the faults， where earthquakes frequently occurred in the upper and middle crust. As strong earthquakes rarely occur in the southern segment of TLFZ， considering its deep feature of abrupt change of the Moho and intersections with many EW-trending faults， the hazard of strong earthquake cannot be ignored.

TRANSVERSE STRUCTURES FEATURES OF DIFFERENT DEPTHS DERIVED FROM BOUGUER GRAVITY ANOMALIES IN THE SOUTHERN SEGMENT OF TAN-LU FAULT ZONE

WANG Xin1)ZHANG Jing-fa1)JIANG Wen-liang1)JIANG Hong-bo1)TIAN Tian1)GAO Min1，2)FU Ping-jie1，2)

1)KeyLaboratoryofCrustalDynamics，InstituteofCrustalDynamics，ChinaEarthquakeAdministration，Beijing100085，China2)ShandongUniversityofScienceandTechnology，Qingdao266590，China

the southern segment of Tan-Lu fault zone， Bouguer gravity， multi-scale wavelet analysis， transverse structure， Moho interface， seismic activity

2015-05-15收稿， 2015-11-09改回。

中國(guó)地震局地殼應(yīng)力研究所中央級(jí)公益性科研院所基本科研業(yè)務(wù)專項(xiàng)(ZDJ201302、 ZDJ201301)與合肥市地震活斷層探測(cè)及地震危險(xiǎn)性分析項(xiàng)目共同資助。

P315.2

A

0253-4967(2016)02-370-16

王鑫， 男， 1986年生， 2011年畢業(yè)于中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(北京)， 獲碩士學(xué)位， 助理研究員， 主要從事遙感、 重磁技術(shù)地學(xué)應(yīng)用研究， 電話： 010-62846725， E-mail: wangxinjapan@163.com。

doi:10.3969/j.issn.0253- 4967.2016.02.011