大別造山帶東段重力異常多尺度分解及其構(gòu)造意義

黎哲君 義崇政 周冬瑞 鄭海剛 王 俊 李軍輝 倪紅玉

1)安徽省地震局，合肥 230031 2)安徽蒙城地球物理國家野外科學(xué)觀測(cè)研究站，蒙城 233500 3)長江勘測(cè)規(guī)劃設(shè)計(jì)研究有限責(zé)任公司，武漢 430010 4)長江空間信息技術(shù)工程有限公司(武漢)，武漢 430010

0 引言

大別造山帶東段地處秦嶺-大別造山帶、華北地塊和揚(yáng)子地塊的交會(huì)地帶，構(gòu)造環(huán)境復(fù)雜。華北地塊和揚(yáng)子地塊在此處發(fā)生碰撞造山作用(徐樹桐等，1992；黃鵬等，2015)，郯廬斷裂帶作為中國東部一條重要的深大斷裂帶，近NE向斜貫該區(qū)域。受特殊的構(gòu)造和動(dòng)力學(xué)環(huán)境影響，該地區(qū)地震活動(dòng)比較活躍。區(qū)域內(nèi)霍山及周邊地區(qū)淺源小地震活動(dòng)頻繁，歷史上大別造山帶和華北地塊交會(huì)部位兩側(cè)曾發(fā)生3次6級(jí)以上地震，分別為1652年安徽霍山6級(jí)地震、1917年安徽霍山6級(jí)地震和1932年湖北麻城6級(jí)地震，其中1917年安徽霍山6級(jí)地震是有文字記錄以來安徽境內(nèi)發(fā)生的最大地震。近年來，許多學(xué)者對(duì)該地區(qū)構(gòu)造特征開展了多項(xiàng)研究。例如，地震波速度成像研究(趙志新等，2005；滕吉文等，2006；黃耘等，2011；丁文秀等，2017；熊誠等，2019)給出了大別造山帶東緣及附近地區(qū)較精細(xì)的深部速度結(jié)構(gòu)，發(fā)現(xiàn)大別造山帶地殼厚度明顯高于揚(yáng)子地塊和華北地塊，莫霍面深度較周邊塊體深2km以上，其東部邊界的深部結(jié)構(gòu)受郯廬斷裂帶切割的深度可能已達(dá)殼幔邊界。穿過大別造山帶北緣和東緣的人工地震測(cè)深剖面(王椿鏞等，1997，1999；滕吉文等，2000)、位于造山帶東南部的大地電磁剖面(肖騎彬等，2007)和穿越造山帶南緣及北緣的二維地震臺(tái)陣觀測(cè)剖面(劉啟元等，2005)及反射地震剖面(袁學(xué)誠等，2008)等給出了大別造山帶東段二維地殼結(jié)構(gòu)，并據(jù)此發(fā)現(xiàn)造山帶殼幔結(jié)構(gòu)的垂向錯(cuò)斷特征及與周邊地塊的構(gòu)造差異。人工地震測(cè)深(劉福田等，2003)和天然地震層析成像(徐佩芬等，2000；黃耘等，2011)研究給出了大別造山帶東緣地殼、上地幔三維精細(xì)速度結(jié)構(gòu)。當(dāng)前在大別造山帶東段開展的構(gòu)造和地球物理研究已取得一定成果，但在造山帶東段和華北地塊縫合帶位置、研究區(qū)部分主要斷裂的幾何結(jié)構(gòu)和切割深度等問題上仍有爭議，對(duì)霍山地區(qū)小地震活動(dòng)聚集分布的深部構(gòu)造背景研究仍不充分。現(xiàn)有研究工作在方法和手段上多采用地震層析成像、大地電磁測(cè)深等方法，重力學(xué)方法的應(yīng)用較少，且大多采用剖面探測(cè)的方式。部分研究(王椿鏞等，1999；蘭學(xué)毅等，2012；張交東等，2012；梁學(xué)堂等，2016)使用了重力資料，但僅進(jìn)行了較初步的重力異常延拓、空間分布特征分析和莫霍面反演等，研究的空間范圍也有限。

布格異常是地球內(nèi)部深、淺部物質(zhì)密度擾動(dòng)的綜合反映，通過布格異常場(chǎng)源分離可以提取到反映不同深度質(zhì)量擾動(dòng)的重要信息。本文采用基于 “移去-恢復(fù)”的最小二乘配置方法，融合大別造山帶東段地面實(shí)測(cè)布格異常及EGM2008布格異常，利用二維離散小波多尺度分解技術(shù)獲取不同深度場(chǎng)源對(duì)應(yīng)的布格異常，分解結(jié)果所反映的深部構(gòu)造信息對(duì)于識(shí)別地塊縫合帶位置、判斷莫霍面形態(tài)和研究深部密度結(jié)構(gòu)有很好的指示意義，分解結(jié)果反映的淺部構(gòu)造信息則有助于開展中上地殼斷裂空間分布研究及相關(guān)區(qū)域淺源小地震集中分布的構(gòu)造條件分析。本研究還可為考察大別造山帶東段構(gòu)造單元?jiǎng)澐?、厘清周邊塊體相互作用方式和探討大別造山帶超高壓變質(zhì)過程等提供重力學(xué)證據(jù)。

1 數(shù)據(jù)和方法

1.1 重力異常最小二乘融合

本文所用地面實(shí)測(cè)重力資料來自安徽省勘查技術(shù)院編制的 1︰25萬布格異常成果，數(shù)據(jù)覆蓋安徽境內(nèi)全部陸地，其原始數(shù)據(jù)獲取自20世紀(jì)50年代—1995年間的區(qū)域重力測(cè)量工作，布格異常計(jì)算中采用國際大地測(cè)量協(xié)會(huì)(IAG)推薦的1980公式計(jì)算正常重力場(chǎng)，布格改正中間層的密度為2.67g/cm3，地形改正半徑為166.7km。研究區(qū)域內(nèi)平均測(cè)點(diǎn)密度優(yōu)于4km2/點(diǎn)，布格異常均方根誤差優(yōu)于±0.6mGal(1mGal=1×10-5m/s2，下同)。安徽省以外區(qū)域和巢湖水域利用EGM2008布格異常進(jìn)行外推。EGM2008布格異常計(jì)算過程中采用基于ASTER GDEM的重力改正方法(黎哲君等，2019)完成地形改正和布格改正，計(jì)算參數(shù)和實(shí)測(cè)布格異常計(jì)算參數(shù)保持一致。利用地球重力場(chǎng)模型和數(shù)字地形模型資料計(jì)算區(qū)域布格異常的技術(shù)手段已在多項(xiàng)研究(黎哲君等，2015，2017；楊光亮等，2015，2020)中得到應(yīng)用，結(jié)果表明通過該方法獲取的布格異常在深部構(gòu)造研究中有重要價(jià)值，因而本文利用EGM2008布格異常對(duì)缺少實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的地區(qū)進(jìn)行補(bǔ)充，既可滿足小波分解等計(jì)算過程對(duì)數(shù)據(jù)范圍完整性的要求，也有助于對(duì)深部構(gòu)造特征進(jìn)行全面討論。

圖1 研究區(qū)域構(gòu)造背景及地震分布Fig.1 Tectonic background and earthquake distribution of the study area.地震目錄來自安徽省地震監(jiān)測(cè)中心；現(xiàn)代地震的時(shí)間范圍為1970年至今，歷史地震的時(shí)間范圍為公元前780年至今。主要斷裂：FZF 肥中斷裂；LHF 六安-合肥斷裂；FHF 肥西-韓擺渡斷裂；MLF 梅山-龍河口斷裂；QXF 青山-曉天斷裂；XGF 襄樊-廣濟(jì)斷裂；SMF 商城-麻城斷裂；LTF 落兒嶺-土地嶺斷裂；TLF 郯廬斷裂帶；SZF 宿松-樅陽斷裂；DZF 東至斷裂；GYF 葛公鎮(zhèn)-殷家匯斷裂；XJF 宣城-涇縣斷裂；ZWF 周王斷裂

多源重力數(shù)據(jù)融合效果取決于數(shù)值逼近的精度與可靠性。大地測(cè)量數(shù)值逼近分為函數(shù)模型逼近與統(tǒng)計(jì)模型逼近，這2種方法各有優(yōu)缺點(diǎn)，基于最小二乘配置的數(shù)據(jù)融合方法是函數(shù)模型逼近與統(tǒng)計(jì)模型逼近的綜合，經(jīng)計(jì)算與比較發(fā)現(xiàn)該方法在大地測(cè)量數(shù)據(jù)逼近中可以取得較好的效果(楊元喜等，2001)。本文以EGM2008布格異常為參考場(chǎng)，采用基于 “移去-恢復(fù)”的最小二乘配置方法對(duì)安徽省以外區(qū)域及巢湖水域布格異常進(jìn)行推估，得到研究區(qū)域完整布格異常。

首先，利用地面實(shí)測(cè)布格異常和EGM2008布格異常按式(1)計(jì)算重力異常殘差，此為 “移去”過程：

Δg=gobs-gegm

(1)

其中，gobs為地面實(shí)測(cè)布格異常，gegm為EGM2008布格異常。

局部重力異常Hirvonen協(xié)方差函數(shù)的一般形式如式(2)所示(Moritz，1976)：

(2)

其中，C0為布格異常殘差的方差，ρ為點(diǎn)對(duì)間的距離，m為>0的實(shí)數(shù)。

一定距離區(qū)間s內(nèi)點(diǎn)對(duì)間的殘差協(xié)方差按式(3)計(jì)算：

(3)

基于地面實(shí)測(cè)布格異常和EGM2008布格異常殘差計(jì)算得到C0=114.492mGal，距離區(qū)間長度取5km。實(shí)際驗(yàn)算表明，m取0.5時(shí)協(xié)方差函數(shù)的擬合效果較好(圖2)，經(jīng)擬合得到b=2.602，從而獲得局部協(xié)方差函數(shù)。

圖2 協(xié)方差函數(shù)擬合Fig.2 Fitting of covariance function.

利用上述協(xié)方差函數(shù)，以地面實(shí)測(cè)布格異常和EGM2008布格異常殘差為信號(hào)，采用式(4)推估數(shù)據(jù)空區(qū)布格異常殘差(Moritz，1978)。將推估殘差與EGM2008布格異常相加，即完成布格異常融合 “移去-恢復(fù)”過程中的 “恢復(fù)”步驟，得到融合后的布格異常。

(4)

其中，Δg1、Δg2、Δgq分別為q個(gè)已知點(diǎn)的布格異常殘差，C11…Cqq為已知點(diǎn)間的布格異常協(xié)方差，Cp1…Cpq為已知點(diǎn)與推求點(diǎn)p間的布格異常協(xié)方差，Δgp為待推求點(diǎn)p的布格異常殘差。

圖3a為布格異常殘差推估值，不難發(fā)現(xiàn)絕對(duì)值較大的推估殘差集中在數(shù)據(jù)邊界附近，這是因?yàn)閿?shù)據(jù)邊界與已知數(shù)據(jù)空間距離較近，受殘差信號(hào)影響較大。圖3b為融合后的布格異常，可以看出融合后的布格異常在2種數(shù)據(jù)邊界上平滑過渡，數(shù)據(jù)融合過程顯著削弱了系統(tǒng)偏差和邊界效應(yīng)，同時(shí)使EGM2008布格異常信息在缺少實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的區(qū)域得到有效保留，數(shù)據(jù)融合效果較好。

圖3 a 布格異常殘差推估值；b融合后的布格異常Fig.3 Estimation of residual Bouguer gravity anomaly (a) and merged Bouguer gravity anomaly (b).

1.2 確定最優(yōu)小波基函數(shù)和分解階次

為保證重力異常分解效果，有必要針對(duì)具體研究對(duì)象和研究目標(biāo)選擇恰當(dāng)?shù)男〔ɑ瘮?shù)和分解階次。已有學(xué)者針對(duì)該問題進(jìn)行過研究，如任飛龍等(2018)對(duì)Bior、Coif、db、Discrete meyer、Reverse Bior和Sym 6種小波基函數(shù)進(jìn)行了驗(yàn)算，最終選取db19小波完成衛(wèi)星重力場(chǎng)分解，最優(yōu)分解階數(shù)為4階。鄧文彬等(2018)通過模型實(shí)驗(yàn)對(duì)比了10種小波基函數(shù)(Sym5、6、7、8，Coif3、4，Bior3.3、Rbio2.8、6.8，Dmey)后，選擇Dmey小波分解重力異常，最優(yōu)分解階數(shù)為7階，該研究還表明小波基函數(shù)的選取不僅與小波基的特性有關(guān)，還與場(chǎng)源特征有關(guān)。多項(xiàng)研究(滕吉文等，2000；劉福田等，2003；黃耘等，2011)顯示大別造山帶的莫霍面深度總體為35～40km，局部地區(qū)超過41km，并存在約4km的錯(cuò)斷，莫霍面深度向華北地塊方向減小至32～35km，向揚(yáng)子地塊方向減小至約35km。從現(xiàn)有研究成果來看，研究區(qū)域莫霍面的深度變化范圍應(yīng)為30～45km。因此，為驗(yàn)證小波基函數(shù)對(duì)研究區(qū)域重力異常的分離效果，分別用深度范圍為30～45km和1～5km的質(zhì)量體模擬地殼深部和淺部的質(zhì)量異常，構(gòu)建質(zhì)量異常模型。深部質(zhì)量體的水平尺寸取為50km×50km，淺部質(zhì)量體的水平尺寸取為6km×6km，質(zhì)量異常模型具體參數(shù)見表1，空間分布如圖4 所示。

表1 質(zhì)量體參數(shù)Table1 Parameters of massive bodies

圖4 質(zhì)量體空間分布Fig.4 Spatial distribution of massive bodies.a 三維分布；b 水平分布

采用三維柱體積分公式(式(5))正演上述深、淺部質(zhì)量體在0深度處的重力效應(yīng)及其總和(圖5)。計(jì)算范圍為320km×320km，數(shù)據(jù)點(diǎn)間距為0.5km，

圖5 質(zhì)量體的正演重力效應(yīng)Fig.5 Forward modelling of gravity effects of massive bodies.a 深部重力效應(yīng)；b 淺部重力效應(yīng)；c 重力效應(yīng)總和

(5)

利用二維離散小波變換技術(shù)，分別用Db4～12、Sym4～12、Coif1～7、Bior2.2～6.8和Rbio2.4～6.8等幾種常用小波基函數(shù)計(jì)算了正演重力效應(yīng)總和的多個(gè)階次分解結(jié)果。為定量對(duì)比分解效果，計(jì)算了淺部重力效應(yīng)與小波分解高頻結(jié)果(1～6階細(xì)節(jié)之和)的相關(guān)系數(shù)和差異值等統(tǒng)計(jì)值，如表2 所示。

表2 重力效應(yīng)總和的小波分解高頻結(jié)果與淺部重力效應(yīng)對(duì)比Table2 Comparison between high frequency results of total gravity effect wavelet decomposition and gravity effects of shallow massive bodies

經(jīng)對(duì)比發(fā)現(xiàn)，當(dāng)采用Sym6基函數(shù)，分解至6階時(shí)，小波分解結(jié)果的高頻成分與淺部重力效應(yīng)最為接近(圖6)，即重力異常分離效果最好。因此本文選用Sym6基函數(shù)進(jìn)行布格異常小波多尺度分解，最大分解階數(shù)為6階。

圖6 重力效應(yīng)總和的sym6小波分解結(jié)果及高頻結(jié)果與淺部重力效應(yīng)的差異Fig.6 Sym6 wavelet decomposition results of total gravity effect and the difference between the high-frequency result and gravity effect of shallow massive bodies.a 6階低頻結(jié)果；b 6階高頻結(jié)果；c 6階高頻結(jié)果與淺部重力效應(yīng)的差異

2 計(jì)算結(jié)果及討論

2.1 場(chǎng)源似深度分析

通過功率譜分析確定場(chǎng)源似深度是重磁數(shù)據(jù)分析中經(jīng)常使用的方法。許多文獻(xiàn)(Syberg，1972；楊文采等，2001；任飛龍等，2018)已對(duì)該方法的原理進(jìn)行了闡述，并給出具體計(jì)算公式，此處不另行討論。場(chǎng)源似深度計(jì)算結(jié)果是定量信息，是正確理解和分析重力異常分解結(jié)果的有利參考。為了保留距離信息，確保場(chǎng)源似深度結(jié)果的準(zhǔn)確性，已在進(jìn)行小波分解前采用等距圓錐投影方法將布格異常投影至平面坐標(biāo)。受原始布格異常實(shí)際分辨率的限制，4階及以下小波細(xì)節(jié)與構(gòu)造關(guān)系不密切，其布格異常幅值較小，并表現(xiàn)出隨機(jī)噪聲特性，故本文不對(duì)4階及以下小波細(xì)節(jié)結(jié)果進(jìn)行討論。本文給出了小波分解6階低頻結(jié)果、6階細(xì)節(jié)結(jié)果和5階細(xì)節(jié)結(jié)果的平均徑向功率譜，并分別通過對(duì)數(shù)功率譜曲線斜率(圖7)計(jì)算場(chǎng)源似深度。計(jì)算結(jié)果表明，6階逼近布格異常場(chǎng)源似深度約為40.5km，基本對(duì)應(yīng)下地殼至殼幔邊界深度，6階細(xì)節(jié)布格異常場(chǎng)源似深度約為12km，對(duì)應(yīng)地殼中上部深度，5階細(xì)節(jié)布格異常場(chǎng)源似深度約為6.4km，對(duì)應(yīng)地殼上部深度。

圖7 小波分解結(jié)果的對(duì)數(shù)功率譜分析Fig.7 Logarithmic power spectrum analyses of the results of wavelet decomposition.a 6階逼近功率譜；b 6階細(xì)節(jié)功率譜；c 5階細(xì)節(jié)功率譜

2.2 低頻重力異常與深部構(gòu)造

小波分解逼近結(jié)果為原始布格異常的低頻成分。布格異常sym6小波分解6階逼近結(jié)果如圖8a所示，為清晰顯示其水平梯度特征，同時(shí)給出水平總梯度圖(圖8b)。從場(chǎng)源似深度計(jì)算結(jié)果可知，低頻布格異常主要反映下地殼至莫霍面附近的深部構(gòu)造信息。

圖8 低頻布格異常(a)及其水平總梯度(b)Fig.8 Low-frequency component of Bouguer gravity anomaly(a)and its total horizontal gradient(b).

從圖8b可以看出，商城-麻城斷裂東側(cè)分布著一個(gè)NNE向的布格異常高梯度帶，表明該斷裂對(duì)地殼深部密度結(jié)構(gòu)有重要影響。地震層析成像研究(徐佩芬等，2000)也顯示以商城-麻城斷裂為界，在深度超過15km處，東側(cè)的大別地塊與西側(cè)紅安地塊在地殼速度上是2個(gè)截然不同的塊體。青山-曉天斷裂前緣的重力異常高梯度帶水平總梯度>1mGal/km，與深部構(gòu)造轉(zhuǎn)換帶有很好的對(duì)應(yīng)關(guān)系，該深部構(gòu)造轉(zhuǎn)換帶已在多項(xiàng)研究中得到證實(shí)，如：S波速度結(jié)構(gòu)研究結(jié)果(王椿鏞等，1997)顯示青山-曉天斷裂下方莫霍面存在約4.5km的斷錯(cuò)；二維地震臺(tái)陣觀測(cè)剖面研究(劉啟元等，2005)也發(fā)現(xiàn)大別造山帶東段青山-曉天斷裂下方的殼幔界面發(fā)生了錯(cuò)距達(dá)數(shù)km的斷錯(cuò)。該重力異常高梯度帶在落兒嶺-土地嶺斷裂以西，到達(dá)商城-麻城斷裂之前向N偏移，表明青山-曉天斷裂在深部構(gòu)造上沒有切穿商城-麻城斷裂，與青山-曉天斷裂未穿過商城-麻城斷裂(江來利等，2005)的判斷相符。

當(dāng)前，在大別造山帶東段與華北地塊深部縫合帶位置研究方面尚存在較大爭議。如劉福田等(2003)通過分析二維地殼速度結(jié)構(gòu)剖面資料認(rèn)為深部縫合帶大致在青山-曉天斷裂一線之下；江來利等(2005)通過巖石組成、同位素年代學(xué)資料和地球物理資料推測(cè)縫合帶分布在梅山-龍河口斷裂的前緣。張交東等(2012)對(duì)重磁電震資料進(jìn)行了解析，推測(cè)縫合帶應(yīng)分布在梅山-龍河口斷裂附近。低頻布格異常水平高梯度帶表明對(duì)應(yīng)位置的深部密度結(jié)構(gòu)有劇烈變化，可視為深部構(gòu)造轉(zhuǎn)換帶的重要標(biāo)志。基于低頻布格異常及其高梯度帶分布特征推測(cè)，華北地塊和大別造山帶東段深部構(gòu)造縫合帶在東部地區(qū)大致處于青山-曉天斷裂前緣，在落兒嶺-土地嶺斷裂以西—商城-麻城斷裂之間向N偏移至梅山-龍河口斷裂一線。可見，由于區(qū)內(nèi)構(gòu)造的復(fù)雜性，大別造山帶東段與華北地塊深部構(gòu)造縫合帶位置在不同區(qū)域可能有所差別，這對(duì)于我們準(zhǔn)確判斷板塊縫合帶位置具有重要幫助。大別造山帶東緣靠近郯廬斷裂帶的位置也分布著布格異常高梯度帶，總體位于郯廬斷裂帶之下，走向與郯廬斷裂帶一致，刻畫了大別造山帶東緣與揚(yáng)子地塊間深部構(gòu)造轉(zhuǎn)換帶的位置。背景噪聲層析成像(丁文秀等，2017)及Rayleigh面波層析成像(熊誠等，2019)研究表明郯廬斷裂帶大別造山帶段東、西兩側(cè)有顯著差異，其切割深度可能已到達(dá)殼幔邊界，本文得到的低頻布格異常分布特征佐證了該觀點(diǎn)。大別造山帶東段南側(cè)與揚(yáng)子地塊間的低頻布格異常高梯度帶位于襄樊-廣濟(jì)斷裂以北約20km處，而非襄樊-廣濟(jì)斷裂正下方，推測(cè)與揚(yáng)子克拉通地殼向N俯沖至宿松與南大別超高壓變質(zhì)帶下方(楊文采，2003)有關(guān)，該布格異常高梯度帶極有可能是這種俯沖作用在地殼深部造成物質(zhì)密度差異的體現(xiàn)，同時(shí)也表明此處極有可能是大別造山帶東段與揚(yáng)子地塊間的深部構(gòu)造縫合帶。大別造山帶變質(zhì)巖冷卻不均勻的特性也表明南、北大別2塊體不能視為一個(gè)整體，南大別可能屬揚(yáng)子北緣(滕吉文等，2000)，與本文中的低頻布格異常高梯度帶的分布特征一致。

由圖8a可見，大別造山帶東段腹地有一個(gè)顯著的布格異常低值區(qū)，最低值 <-87mGal，比外圍區(qū)域低50mGal以上，分布范圍的長、寬近100km，說明該區(qū)域深部存在嚴(yán)重質(zhì)量虧損。地質(zhì)、地球化學(xué)和地球物理資料綜合分析結(jié)果(滕吉文等，2000)表明大別造山帶有山根，在大別造山帶東段存在莫霍面相對(duì)下陷區(qū)，其位置與本文布格異常顯著低值區(qū)重合。深地震測(cè)深剖面的P波速度結(jié)構(gòu)結(jié)果(王椿鏞等，1997)也顯示，大別造山帶地殼厚度比其周邊的華北地塊和揚(yáng)子地塊厚4km以上，因而推測(cè)該顯著布格異常低值區(qū)主要由相應(yīng)區(qū)域莫霍面下凹造成的深部質(zhì)量虧損引起。通過低頻重力異常結(jié)果還發(fā)現(xiàn)，即便在大別造山帶內(nèi)部，也存在多條重力異常高梯度帶，說明大別造山帶內(nèi)部存在多個(gè)深部構(gòu)造轉(zhuǎn)換帶，地殼深部乃至殼幔邊界附近構(gòu)造完整性較差。圖9 所示的巖石圈有效彈性厚度計(jì)算結(jié)果(黎哲君等，2017)也顯示，大別造山帶東段核心部位及其附近區(qū)域?yàn)閹r石圈有效彈性厚度低值區(qū)，最低值<10km，較低的巖石圈有效彈性厚度值表明大別造山帶東段巖石圈力學(xué)強(qiáng)度較弱，與布格異常低頻信息所反映的深部構(gòu)造不完整性相印證。推測(cè)揚(yáng)子地塊向深部俯沖，并與華北地塊碰撞造山、擠壓隆起這一系列復(fù)雜的構(gòu)造演化過程導(dǎo)致大別造山帶內(nèi)部出現(xiàn)地殼垂向斷錯(cuò)(劉福田等，2003)。同時(shí)，大別造山帶東段與周邊地塊之間存在明顯的深部構(gòu)造轉(zhuǎn)換帶，是導(dǎo)致這種低頻布格異常特征及巖石圈力學(xué)強(qiáng)度較低的構(gòu)造及動(dòng)力學(xué)背景。

圖9 大別造山帶東段巖石圈有效彈性厚度(據(jù)黎哲君等，2017修改)Fig.9 Effective elastic thickness of the eastern Dabie orogen(Adapted from LI Zhe-jun et al.，2017).

2.3 高頻重力異常的構(gòu)造意義

小波分解細(xì)節(jié)結(jié)果為原始布格異常的高頻成分。安徽以外區(qū)域布格異常數(shù)據(jù)來自EGM2008布格異常，其有效分辨率較低，對(duì)地殼淺部質(zhì)量異常不敏感，且由于地形數(shù)據(jù)分辨率高于重力數(shù)據(jù)分辨率，導(dǎo)致其布格異常高頻成分受地形干擾較為嚴(yán)重，因而不對(duì)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)范圍外的高頻布格異常進(jìn)行討論。布格異常Sym6小波分解5階細(xì)節(jié)及6階細(xì)節(jié)結(jié)果分別如圖10a、b所示。

圖10 布格異常小波分解5階細(xì)節(jié)(a)和6階細(xì)節(jié)(b)Fig.10 Detail components of Bouguer gravity anomaly wavelet decomposition at level 5(a)and level 6(b).

布格異常5、6階細(xì)節(jié)圖像均表現(xiàn)出明顯的條帶分布特征，且布格異常條帶分布與區(qū)內(nèi)斷裂分布關(guān)系密切，大多數(shù)斷裂沿著條帶或條帶邊緣展布。華北地塊內(nèi)這種條帶分布特征尤為明顯，位于肥中斷裂、六安-合肥斷裂、肥西-韓擺渡斷裂及梅山-龍河口斷裂之間的為幾個(gè)正負(fù)交替的近EW向布格異常條帶，與斷裂走向的一致性良好。這種顯著的條帶分布特征與該地區(qū)斷裂方向較為一致有關(guān)，梅山-龍河口斷裂以北的主要斷裂展布方向均為NWW向或近EW向，斷裂之間沒有明顯交錯(cuò)，有利于形成完整的布格異常條帶，這種突出的布格異常條帶特征也表明上述斷裂對(duì)地殼中上部密度結(jié)構(gòu)有顯著影響。東大別地殼結(jié)構(gòu)剖面(楊文采，2003)顯示，肥中斷裂、六安-合肥斷裂及肥西-韓擺渡斷裂的地殼結(jié)構(gòu)分界面在青山-曉天斷裂以北以逐漸變緩的角度向下延伸至約10km深處，直至青山-曉天斷裂附近向下陡傾至20km以下的深部。由于在青山-曉天斷裂以北區(qū)域的切割深度有限，上述斷裂在低頻布格異常圖上沒有形成對(duì)應(yīng)的高梯度帶，而青山-曉天斷裂附近的低頻布格異常高梯度帶正好與深部地殼結(jié)構(gòu)分界面陡傾位置一致，可見本文得到的低頻和高頻布格異常分布特征很好地印證了該區(qū)域現(xiàn)有的深、淺部構(gòu)造研究成果。此外，沿著郯廬斷裂帶分布著近NE向的布格異常條帶，在6階細(xì)節(jié)圖像上表現(xiàn)明顯，其東側(cè)揚(yáng)子地塊內(nèi)布格異常條帶走向也與郯廬斷裂帶近平行，體現(xiàn)了郯廬斷裂帶對(duì)區(qū)域淺部構(gòu)造格局的控制作用。

大別造山帶內(nèi)部布格異常條帶不如華北地塊明顯，但仍可辨別出一些規(guī)律性特征。落兒嶺-土地嶺斷裂是區(qū)內(nèi)一條重要的控震斷裂，5級(jí)以上歷史地震沿著該斷裂呈帶狀分布。由于地處大別山腹地，開展野外地質(zhì)調(diào)查工作難度較大，當(dāng)前對(duì)于落兒嶺-土地嶺斷裂的構(gòu)造屬性和空間展布研究仍不充分。從圖10b可以看出，落兒嶺-土地嶺斷裂近NE向切斷與青山-曉天斷裂對(duì)應(yīng)的布格異常條帶，體現(xiàn)該斷裂為中上地殼斷裂的屬性，其對(duì)布格異常條帶的割裂作用穿過青山-曉天斷裂和梅山龍河口斷裂，直至肥西-韓擺渡斷裂前緣。從重力異常細(xì)節(jié)圖像推斷，落兒嶺-土地嶺斷裂對(duì)地殼中上部密度結(jié)構(gòu)的影響范圍在大別造山帶內(nèi)向N大概延伸至肥西-韓擺渡斷裂附近，這對(duì)判斷落兒嶺-土地嶺斷裂空間展布和延伸范圍有很好的指示意義，與衛(wèi)星影像解譯及地質(zhì)調(diào)查得到的結(jié)論(疏鵬等，2018)也吻合。

2.4 重力異常與地震活動(dòng)的關(guān)系

據(jù)安徽省地震監(jiān)測(cè)中心正式地震目錄記載，有現(xiàn)代地震記錄以來，大別造山帶東段絕大多數(shù)的3.0級(jí)以上地震震源深度<15km，最深不超過30km?，F(xiàn)代地震震源深度基本處于布格異常小波分解5、6階細(xì)節(jié)結(jié)果對(duì)應(yīng)的場(chǎng)源深度范圍內(nèi)。以5、6階細(xì)節(jié)結(jié)果之和為淺部(高頻)布格異常(圖11b)，以6階小波逼近結(jié)果為深部(低頻)布格異常(圖11a)討論大別造山帶東段布格異常與地震活動(dòng)的關(guān)系。從震中分布情況來看，大別造山帶東段地震活動(dòng)主要沿著落兒嶺-土地嶺斷裂分布，在青山-曉天斷裂和落兒嶺-土地嶺斷裂交會(huì)的霍山地區(qū)尤為集中。為直觀展示重力異常與地震活動(dòng)關(guān)系，沿地震集中分布帶(落兒嶺-土地嶺斷裂)方向，同時(shí)也是近垂直于重力異常高梯度帶的方向設(shè)置剖面A1A2，將其兩側(cè)15km范圍內(nèi)的地震投影至該剖面，繪制深部布格異常-地形-地震剖面圖(圖11c)。采用同樣的方法，在地震活動(dòng)集中區(qū)沿青山-曉天斷裂方向設(shè)置剖面B1B2，繪制淺部布格異常-地形-地震剖面圖(圖11d)，對(duì)于無震源深度信息的歷史地震，均將其繪制在0深度處。

圖11 布格異常小波分解結(jié)果與地震活動(dòng)Fig.11 Results of wavelet decomposition of Bouguer gravity anomaly and distribution of earthquakes.a 深部布格異常與地震分布；b 淺部布格異常與地震分布；c 深部布格異常-地形-地震剖面；d 淺部布格異常-地形-地震剖面

由圖11a、c可以看出，地震活動(dòng)集中部位對(duì)應(yīng)于深部布格異?？焖僮兓母咛荻葞?，結(jié)合布格異常場(chǎng)源似深度結(jié)果和震源深度資料可知，現(xiàn)代地震發(fā)生于深部構(gòu)造轉(zhuǎn)換帶，即大別造山帶東段與華北地塊深部構(gòu)造縫合帶上方的地殼中、上部。由圖11b、d可以看出，地震活動(dòng)集中部位正好對(duì)應(yīng)青山-曉天斷裂一線淺部布格異常條帶的低值部位，同時(shí)也是落兒嶺-土地嶺斷裂切穿該布格異常條帶的部位。震源深度處于淺部布格異常場(chǎng)源似深度范圍之內(nèi)，可以認(rèn)為淺部布格異常所指示的地殼中上部密度結(jié)構(gòu)劇烈變化部位與發(fā)震部位一致。從3.5級(jí)以上地震的震源機(jī)制解結(jié)果(圖12)來看，該區(qū)域的震源機(jī)制以斜滑型為主，其次為斜沖型，地震斷層面和巖體錯(cuò)動(dòng)方向主要為近NE向及NWW向，與該區(qū)域2條交會(huì)斷裂走向基本一致，從側(cè)面印證該地區(qū)相互交錯(cuò)的斷裂構(gòu)造為地震活動(dòng)提供了發(fā)震條件，也與淺部布格異常揭示的地殼中上部構(gòu)造特征一致。

圖12 布格異常小波分解高頻結(jié)果及震源機(jī)制解Fig.12 High-frequency component of wavelet decomposition and focal mechanism.3.5級(jí)以上地震震源機(jī)制解由安徽省地震監(jiān)測(cè)中心提供

綜合考慮深、淺部布格異常特征、地震活動(dòng)資料和區(qū)域構(gòu)造背景后認(rèn)為，在大別造山帶與華北地塊相互作用(滕吉文等，2000；劉福田等，2003)的動(dòng)力學(xué)背景下，華北地塊和大別造山帶在青山-曉天斷裂之下的深部構(gòu)造縫合帶接觸和縫合，為相關(guān)區(qū)域地震活動(dòng)提供深部構(gòu)造背景和動(dòng)力來源。布格異常顯示，地震集中區(qū)地殼中上部存在與斷裂交會(huì)部位重合的淺部密度結(jié)構(gòu)劇烈變化，說明其淺部結(jié)構(gòu)可能已遭受嚴(yán)重破壞，是區(qū)內(nèi)構(gòu)造脆弱部位。深部構(gòu)造特征分析表明，大別造山帶東段及周邊區(qū)域殼幔結(jié)構(gòu)不完整。據(jù)上述分析結(jié)論推測(cè)，在周邊地塊相互作用的過程中，脆弱的深、淺部地殼結(jié)構(gòu)不利于應(yīng)力積累，應(yīng)力易于在構(gòu)造脆弱部位釋放，是落兒嶺-土地嶺斷裂和青山-曉天斷裂交會(huì)的霍山地區(qū)小地震活動(dòng)頻繁而強(qiáng)震、大地震較少的主要原因。由于地震活動(dòng)與重力異常之間的關(guān)系十分復(fù)雜，本文重點(diǎn)針對(duì)構(gòu)造研究成果較豐富、地震活動(dòng)集中的霍山地區(qū)開展地震活動(dòng)和布格異常關(guān)系及地震構(gòu)造背景等問題的討論。對(duì)于研究區(qū)內(nèi)地震活動(dòng)相對(duì)不集中的區(qū)域，仍有待更多的深、淺部構(gòu)造研究成果作為支撐，以深化對(duì)地震活動(dòng)和重力異常關(guān)系的討論。

3 結(jié)論與認(rèn)識(shí)

本文基于由地面實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)和EGM2008數(shù)據(jù)融合的布格異常，采用二維離散小波變換方法進(jìn)行多尺度分解，得到大別造山帶東段不同場(chǎng)源深度布格異常結(jié)果，并結(jié)合地殼結(jié)構(gòu)、地質(zhì)構(gòu)造、地震活動(dòng)和巖石圈有效彈性厚度等資料進(jìn)行分析和討論，以加深對(duì)研究區(qū)域深、淺部構(gòu)造特征的認(rèn)識(shí)、深入探討大別造山帶東段小地震聚集區(qū)的深部構(gòu)造背景和淺部構(gòu)造條件，得到如下幾點(diǎn)結(jié)論：

(1)結(jié)合現(xiàn)有研究成果及低頻布格異常特征推測(cè)，大別造山帶東段與華北地塊的深部構(gòu)造縫合帶在東部位于青山-曉天斷裂前緣，在落兒嶺-土地嶺斷裂和商城-麻城斷裂之間向N偏移至梅山-龍河口斷裂之下；南側(cè)與揚(yáng)子地塊間深部構(gòu)造縫合帶位于襄樊-廣濟(jì)斷裂以北約20km；東側(cè)與揚(yáng)子地塊間深部構(gòu)造轉(zhuǎn)換帶位于郯廬斷裂帶之下。大別造山帶東段腹地的莫霍面存在顯著下凹，深部構(gòu)造不完整，加之與周邊地塊間存在明顯的深部構(gòu)造轉(zhuǎn)換帶，導(dǎo)致其巖石圈力學(xué)強(qiáng)度較弱。

(2)大別造山帶東段以北的肥中斷裂、六安-合肥斷裂和肥西-韓擺渡斷裂對(duì)其下方地殼中上部密度結(jié)構(gòu)的影響明顯，對(duì)中下地殼密度結(jié)構(gòu)影響不明顯。大別造山帶東段內(nèi)部青山-曉天斷裂也對(duì)地殼中上部密度結(jié)構(gòu)有影響，并在該深度被落兒嶺-土地嶺斷裂切穿，落兒嶺-土地嶺斷裂對(duì)地殼中上部密度結(jié)構(gòu)的影響向N穿越梅山-龍河口斷裂，到達(dá)肥西-韓擺渡斷裂前緣。有一定的切割深度，并與區(qū)內(nèi)2條主要斷裂交會(huì)，是落兒嶺-土地嶺斷裂成為區(qū)內(nèi)控震斷裂的重要構(gòu)造條件。

(3)大別造山帶東段地震集中分布區(qū)在深部構(gòu)造上位于造山帶與華北地塊間的深部構(gòu)造縫合帶之上。在淺部構(gòu)造上，地震集中分布區(qū)位于2條中上地殼斷裂交會(huì)處。地震集中分布區(qū)同時(shí)也是淺部重力異常指示的密度結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換帶，結(jié)構(gòu)較為破碎。在華北地塊和大別造山帶相互作用的動(dòng)力學(xué)背景下，由于大別造山帶東段深、淺部構(gòu)造均不完整，不利于應(yīng)力長期積累，趨向于在構(gòu)造強(qiáng)度較弱的部位頻繁釋放應(yīng)力。這些因素共同構(gòu)成大別造山帶東段落兒嶺-土地嶺斷裂和青山-曉天斷裂交會(huì)部位小地震活動(dòng)頻繁的構(gòu)造和動(dòng)力學(xué)環(huán)境。