川滇及鄰區(qū)布格重力異常與地殼密度結(jié)構(gòu)研究進(jìn)展

申宇彤，楊光亮，談洪波，王嘉沛，張明輝，申重陽(yáng)

中國(guó)地震局地震研究所，武漢 430071

0 引 言

布格重力異常是由地球內(nèi)部不同深度和不同尺度場(chǎng)源位場(chǎng)的疊加造成的，主要反映地殼密度結(jié)構(gòu)與正常地殼密度之間的差異性分布，與地殼的長(zhǎng)期動(dòng)力運(yùn)動(dòng)和變形密切相關(guān). 重力探測(cè)是一種有效的、廣泛應(yīng)用的地球物理勘探手段，它可通過(guò)高精度地表重力測(cè)量（絕對(duì)控制下的相對(duì)重力聯(lián)測(cè)和三維坐標(biāo)測(cè)量、地形測(cè)量等）或空間觀測(cè)（航空、衛(wèi)星）獲取自由空氣重力異常和布格重力異常，進(jìn)而模擬和反演研究地下物質(zhì)密度的空間分布特征，推估地殼內(nèi)部的地質(zhì)構(gòu)造展布、介質(zhì)變形和均衡狀態(tài)，可為探測(cè)區(qū)域殼幔三維結(jié)構(gòu)模型建立、地震孕育發(fā)生的深部三維構(gòu)造環(huán)境研究和重力場(chǎng)動(dòng)態(tài)變化的解釋提供背景參考（申重陽(yáng)等，2015；楊光亮等，2015；談洪波等，2017）.

川滇及鄰區(qū)位于特提斯—喜馬拉雅構(gòu)造域東段與濱太平洋構(gòu)造域的過(guò)渡區(qū)，主體屬青藏高原東緣中生代增生—擠出—移置復(fù)合地體—川滇緬印支擠出地群體，為青藏高原和揚(yáng)子地臺(tái)之間的構(gòu)造過(guò)渡帶，是印度—亞洲大陸擠壓碰撞或會(huì)聚導(dǎo)致青藏高原東流物質(zhì)側(cè)向擠出往東南逃逸的主要場(chǎng)所（Tapponnier and Molnar, 1976; Tapponnier et al,1982; 鄧起東, 2002; 鄧起東等, 2002; 許志琴等,2011），其地質(zhì)構(gòu)造與深部過(guò)程十分復(fù)雜、強(qiáng)烈地震十分活躍（張培震，1999；高原等，2020），屬中國(guó)著名的南北地震帶中、南段，為中國(guó)地震科學(xué)實(shí)驗(yàn)的主要場(chǎng)所（吳忠良等，2021）. 有歷史記載以來(lái)，川滇及鄰區(qū)發(fā)生過(guò)不少于32次7級(jí)以上的地震（孫堯等，2014），如：2008年汶川MS8.0、2010年玉樹(shù)MS7.1、2013年蘆山MS7.0、2017年九寨溝MS7.0等.

為深入了解強(qiáng)震孕育發(fā)生的深部環(huán)境、認(rèn)識(shí)大震發(fā)震構(gòu)造條件，眾學(xué)者在川滇及其鄰區(qū)開(kāi)展了大量地球物理深部探測(cè)工作，如人工深地震剖面探測(cè)（熊紹柏等，1986；崔作舟等，1987；王椿鏞等，2003a，2003b；白志明等，2004；張忠杰等，2005；張智等，2007；嘉世旭等，2014；王夫運(yùn)等，2014；王帥軍等，2015a，2015b；徐濤等，2015）、天然地震的速度層析成像（丁志峰等, 1999; Wang et al.,2003; 吳建平等, 2006; 張曉曼等, 2011）、重力探測(cè)（朱思林等，1994）和電磁探測(cè)（王緒本等, 2009,2017; Zhao et al., 2010）等，對(duì)區(qū)域深部結(jié)構(gòu)有了豐富的認(rèn)識(shí). 但是不同探測(cè)方法因不同物性角度，往往存在一定局限性和非唯一性，例如：人工地震測(cè)深方法雖然可以對(duì)界面頂面做出清晰的反射，但是卻難以確定界面底面的具體形狀；加之使用上述不同方法所得到的結(jié)果之間有時(shí)存在明顯差異，例如用重力資料反演的莫霍面深度在攀西地區(qū)有明顯隆起，但分別從渡口和西昌穿過(guò)攀西地區(qū)的兩條深地震測(cè)深剖面（熊紹柏等，1986；崔作舟等，1987）卻都顯示攀西地區(qū)的莫霍面隆起很小. 利用重力探測(cè)手段可以從物質(zhì)密度角度獲得地下淺部到深層的豐富構(gòu)造信息，與人工地震等其他地球物理資料相互驗(yàn)證，可獲得更為準(zhǔn)確、精細(xì)的地殼構(gòu)造結(jié)果.2008年汶川8.0級(jí)地震后，中國(guó)地震局開(kāi)始組織多學(xué)科聯(lián)合攻關(guān)——地震科學(xué)臺(tái)陣探測(cè)和大震科學(xué)考察，其中重力探測(cè)研究工作取得了令人矚目的結(jié)果，為此本文試圖通過(guò)總結(jié)十多年的重力探測(cè)研究工作進(jìn)展，為進(jìn)一步深化地震孕育發(fā)生構(gòu)造環(huán)境的認(rèn)識(shí)提供參考.

1 2010年以來(lái)川滇及鄰區(qū)主要重力探測(cè)剖面

重力探測(cè)通過(guò)高精度、小間距、跨斷層觀測(cè)地表重力異常來(lái)反演研究地下物質(zhì)的密度分布特征，并以此來(lái)推斷地殼內(nèi)部地質(zhì)構(gòu)造展布和介質(zhì)變形狀態(tài)（楊光亮等，2015）. 為深入了解川滇及其鄰區(qū)強(qiáng)震孕育的發(fā)生環(huán)境、認(rèn)識(shí)大震發(fā)震的構(gòu)造條件，中國(guó)地震局地震研究所聯(lián)合中國(guó)地震局地球物理研究所、中國(guó)科學(xué)院測(cè)量與地球物理研究所在青藏高原東南緣開(kāi)展了多條重力剖面探測(cè)研究. 主要利用中國(guó)地震局行業(yè)專項(xiàng)“中國(guó)地震科學(xué)臺(tái)陣探測(cè)—南北地震帶南段（也稱喜馬拉雅臺(tái)陣計(jì)劃I期）”，以及玉樹(shù)MS7.1、蘆山MS7.0和魯?shù)镸S6.5等地震科考項(xiàng)目，克服地形、道路和氣候等艱苦條件，跨越典型震源區(qū)和大型塊體邊界，采用高精度重力與GNSS聯(lián)合測(cè)量方式獲取了8條剖面（總長(zhǎng)2 810 km，總測(cè)點(diǎn)1 388個(gè)，參考表1）的高質(zhì)量重力觀測(cè)資料，為川滇及鄰區(qū)地殼深淺結(jié)構(gòu)與塊體動(dòng)力學(xué)、大震構(gòu)造環(huán)境研究與震源識(shí)別提供了可靠數(shù)據(jù)基礎(chǔ)（圖1）.

圖1 川滇及鄰區(qū)地形與重力探測(cè)研究剖面分布圖Fig. 1 Profile distribution of topography and gravity survey in Sichuan-Yunnan and its adjacent areas

表1 2010年以來(lái)中國(guó)地震局主要重力探測(cè)研究工作Table 1 Main gravity survey research work of China Earthquake Administration since 2010

維西—貴陽(yáng)剖面地處青藏高原東南緣的關(guān)鍵地段，橫跨滇西地塊、川滇地塊和華南三個(gè)一級(jí)活動(dòng)地塊，沿線發(fā)育著控制破壞性地震的發(fā)生的NW向（如金沙江斷裂帶、維西—巍山斷裂帶、威寧—水城斷裂帶）、NE向（如龍潘—喬后斷裂帶、玉龍雪山東麓斷裂帶、寧會(huì)斷裂帶）和近SN向（如小江斷裂帶、安寧河斷裂帶、永勝—賓川斷裂帶）三組活動(dòng)斷裂帶. 2011年3月至5月中國(guó)地震局地震研究所對(duì)維西—貴陽(yáng)剖面進(jìn)行了實(shí)際野外測(cè)量，所用儀器包括4臺(tái)CG5石英彈簧相對(duì)重力儀，2臺(tái)Trimble5700 GPS接收機(jī)和1臺(tái)FG5絕對(duì)重力儀. 重力測(cè)量采取絕對(duì)／基點(diǎn)控制下的相對(duì)重力聯(lián)測(cè)，點(diǎn)位經(jīng)緯度和高程由GPS測(cè)定，每點(diǎn)觀測(cè)時(shí)間不少于40 min；測(cè)點(diǎn)總數(shù)420個(gè)，包括基點(diǎn)13個(gè)，絕對(duì)點(diǎn)4個(gè)：貴陽(yáng)、六盤水、攀枝花和麗江；沿剖面走向點(diǎn)距約2 km、總長(zhǎng)度約800 km（申重陽(yáng)等，2015）.

云縣—會(huì)東（或臨滄—巧家）剖面（石磊等，2015）由西南側(cè)位于三江地區(qū)的云縣測(cè)點(diǎn)至東北端普渡河斷裂帶附近的會(huì)東測(cè)點(diǎn)，其中野外測(cè)量時(shí)由于道路施工問(wèn)題在祥云到大姚測(cè)點(diǎn)間存在一個(gè)錯(cuò)斷. 由中國(guó)地震局地球物理研究所實(shí)施測(cè)量，全長(zhǎng)約453 km，測(cè)點(diǎn)距為2.3 km左右，共采集測(cè)重力/GPS同址點(diǎn)數(shù)為199個(gè)。

普洱—昆明（或普洱—七甸）剖面（石磊等，2015），穿越紅河斷裂帶西南部，至東北側(cè)滇中次級(jí)塊體內(nèi)的七甸測(cè)點(diǎn)，全長(zhǎng)約356 km，測(cè)點(diǎn)距為1.8 km 左右，共采集重力/GPS同址測(cè)點(diǎn)數(shù)為195個(gè)。

類烏齊—玉樹(shù)—瑪多重力剖面（楊光亮等，2011；玄松柏等，2013）跨越羌塘和巴顏喀拉塊體，南起羌塘地塊的類烏齊縣，途經(jīng)一系列NWW走向的左旋走滑斷裂帶，北至瑪多縣的花石峽鎮(zhèn)，該剖面西南段（類烏齊至玉樹(shù)），地形較為陡峭，高差起伏比較大，北段（玉樹(shù)至瑪多、清水河），地形稍平緩，平均海拔在4 500 m以上. 由中國(guó)地震局地震研究所實(shí)施測(cè)量，重力剖面基本以玉樹(shù)為中心，沿國(guó)道G214（類烏齊—囊謙—玉樹(shù)—稱多—瑪多一線）布設(shè)，測(cè)點(diǎn)平均點(diǎn)距約3 km，相對(duì)重力測(cè)點(diǎn)總數(shù)219個(gè)，跨斷層方向直線距離約500 km.

金川—蘆山—犍為重力剖面（玄松柏等，2015a；楊光亮等，2015）跨越了松潘—甘孜塊體、龍門山斷裂和華南塊體，總體上呈北西—南東向.該剖面地形高差起伏跨度較大，范圍為300～5 000 m，蘆山西北部毗鄰青藏高原，地形陡峭，落差大，構(gòu)造復(fù)雜；蘆山東南部深入四川盆地，地形平坦. 由中國(guó)地震局地震研究所實(shí)施測(cè)量，測(cè)點(diǎn)平均點(diǎn)距約2.5 km，共采集重力/GPS同址127個(gè)有效測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù).

雅安—洪雅剖面（玄松柏等, 2015a; Xuan et al,2018）呈東西向，西起自雅江以東的新都橋附近，經(jīng)康定跨越鮮水河斷裂和龍門山斷裂帶南段的汶川—茂縣斷裂和灌縣—安縣斷裂，東至洪雅，由中國(guó)地震局地球物理研究所實(shí)施測(cè)量，測(cè)點(diǎn)平均點(diǎn)距約2.5 km，共采集重力/GPS同址88個(gè)有效測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)，測(cè)線全長(zhǎng)約240 km.

會(huì)理—魯?shù)椤淹ㄆ拭妫罟饬恋龋?014；談洪波等，2017）呈NE-SW向分布，穿越安寧河斷裂、普渡河斷裂、小江斷裂、昭通—魯?shù)閿嗔训?該剖面由中國(guó)地震局地震研究所實(shí)施測(cè)量，點(diǎn)距為500 m至2 km，在小江斷裂帶附近時(shí)點(diǎn)距較小（500 m），遠(yuǎn)離斷裂帶時(shí)點(diǎn)距較大（2 km），共采集107個(gè)測(cè)點(diǎn)的重力/GPS同址觀測(cè)結(jié)果.

舍塊—湯丹一會(huì)澤剖面（楊光亮等，2014；談洪波等，2017）在東川北湯丹鎮(zhèn)附近穿過(guò)小江斷裂帶，該處小江斷裂帶由多條次級(jí)斷裂組成，由中國(guó)地震局地震研究所實(shí)施測(cè)量，點(diǎn)距500 m至2 km，共采集42個(gè)測(cè)點(diǎn)的重力/GPS同址觀測(cè)結(jié)果.

對(duì)上述8條重力觀測(cè)數(shù)據(jù)分別進(jìn)行預(yù)處理（儀器漂移，潮汐、極移等）和絕對(duì)控制下的平差計(jì)算，得到各測(cè)點(diǎn)的重力值，點(diǎn)值精度一般優(yōu)于30 ×10-8m/s2；同時(shí)，利用GNSS觀測(cè)解算獲得各測(cè)點(diǎn)位置坐標(biāo)（經(jīng)度、緯度和高程），其水平精度一般優(yōu)于0.15 m，高程精度一般優(yōu)于0.3 m（申重陽(yáng)等，2015）.

2 川滇及鄰區(qū)布格重力異常特征

以往研究一般基于較大比例尺的布格重力異常，反映出川滇及鄰區(qū)位于我國(guó)大陸東、西布格重力異常區(qū)的中部過(guò)渡帶（周姚秀等，1979；殷秀華等，1980）. 這里主要基于最新的全球公開(kāi)的重力場(chǎng)模型EGM2008、WGM2012等資料和上述重力探測(cè)剖面成果，對(duì)川滇及鄰區(qū)的布格重力異常特征進(jìn)行總結(jié)與分析.

2.1 區(qū)域布格重力異常

區(qū)域布格重力異常主要通過(guò)地表測(cè)量或全球重力場(chǎng)模型獲取. 圖2為通過(guò)全球最新重力場(chǎng)模型WGM2012（World Gravity Map, 2012）計(jì)算出來(lái)的川滇地區(qū)區(qū)域布格重力異常，從圖2中可以看出川滇及其鄰區(qū)的布格重力異常均為負(fù)值，整體呈現(xiàn)從東南向西北逐漸降低的分布特征（樓海和王椿鏞，2005；鐘鍇等，2005；陳石等，2014；申重陽(yáng)等，2015；徐志萍等，2018），反映了由于青藏高原的隆升造成地勢(shì)由西北向東南逐漸降低，地殼厚度由西北向東南逐漸變薄，地下巖石密度由西北向東南逐漸增大的總趨勢(shì). 全區(qū)的布格重力異常以北東走向的龍門山—錦屏山巨型重力梯級(jí)帶為界，分為東西兩大區(qū)，西部的松潘—甘孜地塊、川滇塊體北部重力場(chǎng)變化值較低；東部的四川盆地布格重力異常值較高，等值線向西突出，反映出穩(wěn)定塊體的重力場(chǎng)特征；南部的云南地區(qū)重力異常變化較為平緩，等值線向SE方向彎曲（石磊等，2015；徐志萍等，2018）.

圖2 川滇及其鄰區(qū)布格重力異常分布Fig. 2 Distribution of Bougue gravity anomalies in Sichuan-Yunnan and its adjacent areas

從細(xì)節(jié)上來(lái)看，西北角小金河斷裂帶及其以北呈現(xiàn)低值異常，重力異常等值線走向與斷裂帶一致，以北西向?qū)捑徧荻葞橹?；則木河斷裂帶和小江斷裂帶以東，重力異常等值線呈向東弧形突起、寬緩梯級(jí)帶，走向由北部的東南向逐步轉(zhuǎn)到南部的西南向，反映了四川盆地和康滇地軸（或攀西裂谷）聯(lián)合阻擋作用下青藏高原側(cè)向東流物質(zhì)向貴州高原運(yùn)移的態(tài)勢(shì)；小江斷裂帶附近呈現(xiàn)較低的布格異常值；夾于小江斷裂帶與紅河斷裂帶之間部分（屬菱形塊體），即西昌—攀枝花—楚雄等地，呈現(xiàn)較高的局部重力異常（申重陽(yáng)等，2015；談洪波等，2017）.

2.2 剖面布格重力異常

剖面布格重力異常計(jì)算沿用國(guó)際慣例，以WGS84高程坐標(biāo)系統(tǒng)為基準(zhǔn)，對(duì)觀測(cè)測(cè)點(diǎn)的重力值進(jìn)行布格改正（高度改正、地形改正和中間層改正）得到測(cè)點(diǎn)的布格重力異常. 圖3a～3h是根據(jù)上述8條重力測(cè)線繪制的布格重力異常與高程圖，從圖中可以看出各剖面的布格重力異常的總體特征.

圖3 重力剖面布格重力異常與高程曲線圖. （a）維西—貴陽(yáng)剖面；（b）會(huì)理—魯?shù)椤淹ㄆ拭?；（c）舍塊—湯丹—會(huì)澤剖面；（d）金川—蘆山—犍為剖面；（e）雅江—洪雅剖面；（f）云縣—會(huì)東剖面；（g）普洱—七甸剖面；（h）類烏齊—玉樹(shù)—花石峽剖面Fig. 3 Gravity profile Bouguer gravity anomaly and elevation curve. （a） Weixi-Guiyang profile; （b） Huili-Ludian-Zhaotong profile;（c） Shekuan-Tangdan-Huize profile; （d） Jinchuan-Lushan-Qianwei profile; （e） Yajiang-Hongya profile; （f） Yunxian-Huidong profile; （g） Puer-Qidian profile; （h） Leiwuqi-Yushu-HuashiXia profile

維西—貴陽(yáng)剖面的布格重力異常（圖3a）很好地消除了地形的影響，重力異常的變化范圍約為（-345～-159）mGal，整體變化趨勢(shì)呈斜“N”形，自西往東呈現(xiàn)上升—下降—上升的趨勢(shì)，且重力水平梯度平均值差異較大，重力異常最小值處于小江斷裂帶附近.

圖3 （續(xù)圖）Fig. 3 （Continued）

會(huì)理—魯?shù)椤淹ㄆ拭娴牟几裰亓Ξ惓＃▓D3b）變化范圍為（-278～-197）mGal，關(guān)河鄉(xiāng)附近布格異常最大約-197 mGal，往東近直線下降，在巧家縣的普渡河、小江斷裂帶出現(xiàn)最低值. 該剖面跨越的主要斷裂帶附近均能看到布格重力異常的梯度變化，其中安寧河斷裂帶西側(cè)重力異常梯度最大，包谷垴—小河斷裂最小.

舍塊—湯丹—會(huì)澤剖面的布格重力異常變化（圖3c）范圍是（-281～-254）mGal. 在小江斷裂帶過(guò)渡區(qū)出現(xiàn)局部低值，兩側(cè)存在梯度變化，東川西側(cè)變化梯度大于東側(cè)變化梯度.

金川—蘆山—犍為剖面布格重力異常（圖3d）總體上呈現(xiàn)西高東低的趨勢(shì)，變化范圍為（-403～-151） mGal. 根據(jù)重力異常的幅差變化可以大致分為金川—達(dá)維—寶興段、寶興—蘆山—雅安—洪雅段和洪雅—樂(lè)山—犍為段3段.

雅江—洪雅剖面的布格重力異常（圖3e）總體上均呈現(xiàn)西高東低的趨勢(shì)，剖面布格重力異常的變化范圍在（-422～-190）mGal之間，在鮮水河斷裂東側(cè)布格重力異常呈近直線增大.

云縣—會(huì)東（或臨滄—巧家）剖面的布格重力異常（圖3f）變化幅度在（-180～-280）mGal之間，布格重力異常沿紅河斷裂帶具有明顯的分段特征，紅河斷裂帶以西布格重力異常變化較小，表明瀾滄江斷裂帶兩側(cè)地殼密度結(jié)構(gòu)差異不大.

普洱—昆明（或普洱—七甸）剖面的布格重力異常（圖3g）在（-150～-230）mGal左右變化，異?？傮w變化比較平緩. 其中異常最突出的特征是紅河斷裂帶兩側(cè)存在的顯著異常變化，變化幅度達(dá)40 mGal，與該處劇烈的地形起伏密切相關(guān).

類烏齊—玉樹(shù)—花石峽剖面的布格重力異常變化（圖3h）范圍在（-467～-521）mGal左右，異常變化的基本特征為東北高西南低，西南段類烏齊—囊謙—玉樹(shù)段的重力變化梯度較大，東北段重力變化則較為平緩.

總的來(lái)說(shuō)，剖面重力異常整體由西往東呈現(xiàn)一個(gè)中間低兩邊高的特征，其中維西—貴陽(yáng)剖面、會(huì)理—魯?shù)椤淹ㄆ拭婧蜕釅K—湯丹—會(huì)澤剖面在經(jīng)過(guò)小江斷裂帶時(shí)重力異常有明顯的下降，金川—蘆山—犍為和雅江—雅安—洪雅剖面橫跨四川盆地和青藏高原東南緣，整體呈現(xiàn)東高西低的態(tài)勢(shì). 與EGM2008、WGM2012等較大比例尺結(jié)果相比，發(fā)現(xiàn)剖面布格異常陡變區(qū)或梯度帶與主要斷裂構(gòu)造位置、強(qiáng)震震中基本吻合，但剖面細(xì)節(jié)更為豐富.

2.3 重力異常信號(hào)的分離特征

區(qū)域布格重力異常是地下不同波數(shù)密度體效應(yīng)的疊加反映，不同波數(shù)的重力異常信號(hào)的構(gòu)造物理意義具有明顯不同. 對(duì)重力異常信息進(jìn)行有效分離可以獲得不同尺度和深度的重力異常信息，利用優(yōu)化濾波、小波多尺度分解歸一化總梯度、相關(guān)成像等多種信號(hào)分析方法，能夠較好地認(rèn)識(shí)川滇及其鄰區(qū)布格重力異常特征.

Guo和Meng（2013）針對(duì)國(guó)際上常用頻率域異常分離技術(shù)存在削弱有效信號(hào)、異常分離不徹底的關(guān)鍵問(wèn)題，在前人優(yōu)選延拓技術(shù)基礎(chǔ)上，研發(fā)了基于格林等效層概念和維納濾波原理的頻率域優(yōu)化濾波技術(shù)，該方法在壓制干擾信號(hào)的同時(shí)盡可能地保留有效信號(hào)并增強(qiáng)深部弱信號(hào)，實(shí)現(xiàn)重力異常精細(xì)低通、帶通和高通濾波，促使異常分離相對(duì)徹底. 經(jīng)模型試驗(yàn)和蘆山震區(qū)應(yīng)用表明優(yōu)化濾波法比傳統(tǒng)算法（帶通濾波法、傳統(tǒng)向上延拓法、熵濾波法、非線性濾波法等）效果更好（石磊等，2013）.

玄松柏等（2015a）對(duì)廬山—康定地區(qū)的布格重力異常進(jìn)行二維離散小波變換，發(fā)現(xiàn)沿龍門山斷裂至蘆山—康定地區(qū)至石棉附近，下地殼具有相似的物性結(jié)構(gòu)，推測(cè)可能是高溫高壓致使下地殼物質(zhì)部分熔融，在上覆巖石的重力荷載下發(fā)生流動(dòng)的結(jié)果；Xuan等（2016）基于川滇塊體及鄰區(qū)重力異常，利用離散小波變換（DWT）方法，分離獲得研究區(qū)區(qū)域異常和不同尺度的局部異常. 其中四階小波細(xì)節(jié)呈現(xiàn)正負(fù)相間北東向弧狀分布，揭示了歐亞—印度板塊匯聚作用下，青藏高原在東南緣擠出過(guò)程中留下的痕跡，將這些異常連接起來(lái)，反映出川滇塊體的順時(shí)針旋轉(zhuǎn)是青藏高原巖石圈側(cè)向擠出和緬甸地塊俯沖的共同作用的結(jié)果. 魯?shù)檎饏^(qū)區(qū)域布格重力異常離散小波變換結(jié)果（談洪波等，2017）表明：蓮峰斷裂與昭通-魯?shù)閿嗔阎g布格重力異常呈現(xiàn)SW-NE向的“高-低-高”型異常特征，魯?shù)橹髡鸺坝嗾鹁植加诘椭祹?nèi)，反映出青藏高原物質(zhì)東流沿包谷垴—小河一帶（低異常條帶）向SE推進(jìn)，至昭通魯?shù)閿嗔咽茏瑁芰糠e累到一定程度后發(fā)震；第5階小波細(xì)節(jié)顯示魯?shù)檎鹬刑幱谡惓^(qū)，預(yù)示著地幔物質(zhì)的侵入，地幔隆升產(chǎn)生地殼引張力和印度板塊推擠產(chǎn)生的壓扭力是魯?shù)榈卣鹫鹪蠢瓘埡妥呋膭?dòng)力來(lái)源.

布格重力異常歸一化總梯度（NFG）是利用布格重力異常場(chǎng)中的特征點(diǎn)來(lái)探測(cè)并估計(jì)引起重力異常的場(chǎng)源體位置的方法（Dondurur, 2005; 玄松柏等, 2015a）. 玄松柏等（2013）計(jì)算了類烏齊—玉樹(shù)—瑪多剖面的布格重力異常歸一化總梯度（NFG），發(fā)現(xiàn)重力歸一化總梯度特征與主要斷裂分布具有較好的對(duì)應(yīng)關(guān)系. 玄松柏等（2015a）利用實(shí)測(cè)綜合剖面布格重力異常重力異常歸一化總梯度（NFG），得到了金川—雅安—犍為和雅江—洪雅兩條剖面的歸一化總梯度圖像，金川—雅安—犍為剖面的歸一化總梯度圖像顯示在龍門山地區(qū)30 km往上的深度具有較高的梯度值，說(shuō)明龍門山上、中地殼質(zhì)量密度分布較為不均，體現(xiàn)了深淺部變形的差異性；而在雅江—洪雅剖面的歸一化總梯度圖像中，鮮水河斷裂至龍門山地區(qū)上地殼（10 km往上）歸一化總梯度場(chǎng)分布較為復(fù)雜，揭示了該地區(qū)地殼較為破碎、結(jié)構(gòu)復(fù)雜的現(xiàn)象. 會(huì)理—魯?shù)椤淹ㄆ拭妫ㄕ労椴ǖ龋?017）布格重力異常歸一化總梯度圖像顯示魯?shù)檎饏^(qū)地震活動(dòng)可能與小江斷裂帶“東遷”作用有關(guān)：“變形”顯著且E傾的小江斷裂帶為區(qū)域控制性斷裂，魯?shù)檎鹪吹撞看嬖诜€(wěn)定的局部“不變體”，穩(wěn)定的密度不變體對(duì)此次地震破裂具有限制作用，是導(dǎo)致震源新生破裂規(guī)模有限且切割較淺的原因；與鮮水河-小江斷裂系相比，昭通-魯?shù)閿嗔言姓鹉芰γ黠@偏弱，最大發(fā)震能力應(yīng)在7級(jí)左右. Xuan等（2018）基于穿過(guò)川滇菱形塊體邊界的5條高精度重力剖面的布格重力異常資料，采用歸一化總梯度方法，分析研究沿剖面地殼異常體的分布特征，結(jié)果發(fā)現(xiàn)鮮水河斷裂下存在一個(gè)向東傾斜的異常體，表明地殼向東移動(dòng)；在小江斷裂附近，兩個(gè)異常體隨深度的增加向西傾斜，推測(cè)北側(cè)為自西向東運(yùn)動(dòng)，南側(cè)為自東向西運(yùn)動(dòng)；紅河斷裂東北側(cè)和西南側(cè)的異常體揭示地殼運(yùn)動(dòng)方向是由東北向西南，再一次揭示了川滇塊體地殼形變具有順時(shí)針旋轉(zhuǎn)的特征（圖4）. 石磊等（2015）采用優(yōu)化濾波法對(duì)攀西地區(qū)地殼重力異常進(jìn)行分離處理，提取視深度層為35～45 km的下地殼重力異常，發(fā)現(xiàn)攀西地區(qū)下地殼重力異?？偟淖兓厔?shì)是由南東至北西逐漸減小，松潘—甘孜地塊重力異常值最小為-60 mGal，而攀西地區(qū)的攀枝花附近重力異常值最大為80 mGal，相對(duì)變化達(dá)到140 mGal，紅河斷裂帶西北段兩側(cè)重力異常差異較大，而東南段兩側(cè)異?；疽恢?，推測(cè)紅河斷裂帶西北段地震活動(dòng)性強(qiáng)，東南段地震活動(dòng)性較弱的原因可能與這一構(gòu)造差異有關(guān)（王夫運(yùn)等，2014；石磊等，2015）.

圖4 青藏高原東南緣順時(shí)針旋轉(zhuǎn)的重力證據(jù)示意圖（修改自Xuan et al., 2018）Fig. 4 Evidence of clockwise rotation of gravity in the southeastern margin of the Tibetan Plateau （modified from Xuan et al., 2018）

3 川滇地區(qū)的地下密度界面結(jié)構(gòu)特征

3.1 地下密度界面反演方法

地下密度界面是地球內(nèi)部物理的基本屬性之一，研究密度界面的起伏形態(tài)和深度變化對(duì)于深部構(gòu)造環(huán)境和資源勘探具有重要意義. 根據(jù)已知的重力異常計(jì)算密度界面起伏的方法概括起來(lái)可以分為兩大類，即空間域反演方法和波數(shù)域反演方法. 空間域反演方法的主要思想是將密度界面離散為單個(gè)點(diǎn)，利用重力異常與每個(gè)點(diǎn)物性與深度的數(shù)值關(guān)系求取單點(diǎn)深度，從而得到界面的深度，比較典型的方法有直接迭代法、壓縮質(zhì)面法和非線性反演方法（馮娟等，2014）. 空間域算法雖然研究成果眾多，但是由于大部分空間域計(jì)算方法的數(shù)據(jù)為組合模型，還要進(jìn)行多次迭代計(jì)算，因此該方法具有耗時(shí)較長(zhǎng)，內(nèi)存占用較大等缺陷. 由此波數(shù)域反演方法于1970年代被引入，Parker（1972）首先提出了波數(shù)域位場(chǎng)變換的理論公式，Oldenburg（1974）在此基礎(chǔ)上提出了密度界面頻率域迭代反演法.為了進(jìn)一步提高反演精度，國(guó)內(nèi)不少學(xué)者對(duì)Parker-Oldenburg方法進(jìn)行了改進(jìn)與完善（馮銳等，1986；王石任等，1992；張會(huì)戰(zhàn)等，2006；肖鵬飛等，2007）.

3.2 川滇地區(qū)地下密度界面反演結(jié)果

楊光亮等（2011, 2012）利用人機(jī)交互反演聯(lián)合重力和地震反射資料給出了類烏齊—玉樹(shù)—瑪多剖面剖面地殼分層密度結(jié)構(gòu)，結(jié)果顯示甘孜—玉樹(shù)斷裂帶兩側(cè)的莫霍面差異約10 km（Yang et al.,2011, 2012）. 玄松柏等（2013）利用壓縮質(zhì)面法反演了類烏齊—玉樹(shù)—瑪多莫霍界面和上地殼底面兩個(gè)密度界面起伏分布，發(fā)現(xiàn)羌塘塊體地殼厚度大于巴顏喀拉塊體，羌塘塊體下地殼存在較大尺度的低密度體，巴顏喀拉地塊清水河一帶上地殼底面下伏低密度異常體. 陳石等（2014）采用Crust1.0地殼結(jié)構(gòu)模型和最新莫霍面深度模型聯(lián)合約束，反演得到了魯?shù)檎饏^(qū)的三維密度結(jié)構(gòu)特征，發(fā)現(xiàn)震源區(qū)南北兩側(cè)的塊體受到了昭通斷裂不同程度上的阻隔，這種差異性阻擋模式可能與本次發(fā)震機(jī)理存在一定聯(lián)系. 楊光亮等（2014）利用魯?shù)檎饏^(qū)的3條“工”字形剖面的重力與GPS觀測(cè)數(shù)據(jù)，獲得了沿剖面剩余密度相關(guān)成像和地殼密度分層結(jié)構(gòu). 密度相關(guān)成像顯示小江斷裂帶殼內(nèi)物質(zhì)密度低于兩側(cè)，且東側(cè)低于西側(cè)，昭通—魯?shù)榈葦嗔褞\層密度體呈正負(fù)交迭，暗示地殼穩(wěn)定性低；地殼密度分層結(jié)構(gòu)顯示會(huì)理—魯?shù)椤淹?、攀枝花—蒙姑—大井和舍塊—湯丹—會(huì)澤三條剖面的地殼分層結(jié)構(gòu)大致分為上、中、下三層，地殼密度在橫向上均存在分布不均的現(xiàn)象，莫霍面以小江斷裂帶為中心向上抬升，其最大深度自北向南從50 km抬升至41 km，反映了小江斷裂帶在區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造中的地位：川滇塊體與華南塊體的分界線. 楊光亮等（2015）、玄松柏等（2015a）分別采用剩余密度相關(guān)成像、歸一化總梯度成像和基于地震速度結(jié)構(gòu)約束的密度結(jié)構(gòu)正反演研究，揭示了蘆山MS7.0發(fā)震構(gòu)造深淺構(gòu)造差異性特征，蘆山地震的發(fā)生與莫霍面的陡變、上地殼下伏低密度帶（滑脫面）及松潘—甘孜塊體低密度（隆起與均衡作用）與四川盆地高密度（剛性阻擋）的相互作用有關(guān)（圖5）.

圖5 金川—蘆山—犍為剖面密度分層結(jié)構(gòu)（楊光亮等，2015）Fig. 5 Density stratification structure of Jinchuan-Lushan-Qianwei profile （Yang et al., 2015）

申重陽(yáng)等（2015）利用Paker-Oldenburg波數(shù)域重震聯(lián)合反演法結(jié)合基于任意空間體水平面元剖分、具有人機(jī)交互功能的選擇法反演獲得了維西—貴陽(yáng)剖面的地殼密度結(jié)構(gòu)分布特征，發(fā)現(xiàn)地殼可分為上、中、下三層，層厚分別為20 km、35 km和51 km（圖6），地殼厚度西深東淺，可能是東構(gòu)造結(jié)的側(cè)向擠壓所致；華坪—攀枝花附近的莫霍面隆起和上地殼高密度體的存在暗示上地幔往上底侵作用，對(duì)青藏高原物質(zhì)向南東逃逸和東構(gòu)造結(jié)的側(cè)向擠壓均起到一定阻擋作用；中地殼下伏有限低密度薄層有利于其上物質(zhì)的南東逃逸和順時(shí)針旋轉(zhuǎn)，有利于其下物質(zhì)受喜馬拉雅東構(gòu)造結(jié)作用下往東向運(yùn)移.

圖6 維西—貴陽(yáng)剖面選擇法重力擬合與反演結(jié)果（申重陽(yáng)等，2015）Fig. 6 Gravity fitting and inversion results of Weixi-Guiyang profile selection method （Shen et al., 2015）

石磊等（2015）利用野外高精度重力觀測(cè)數(shù)據(jù)，構(gòu)建了云縣—會(huì)東和普洱—七甸兩條剖面的二維地殼密度結(jié)構(gòu). 結(jié)果顯示云縣—會(huì)東剖面的大姚—會(huì)東段重力高異常不是因莫霍面隆起，而是地殼底部存在著密度較高的殼幔過(guò)渡層. 紅河斷裂帶西側(cè)平均密度明顯低于東側(cè)，而普洱—七甸剖面兩側(cè)密度結(jié)構(gòu)比較一致，這一南北向結(jié)構(gòu)差異，顯示出斷裂帶沿走向的構(gòu)造變化，推測(cè)與其西北段地震發(fā)生頻度較高、東南段地震鮮有發(fā)生且震源深度較淺的地震活動(dòng)分布情況有關(guān). Shi等（2015）推導(dǎo)了基于拋物線變密度模型的波數(shù)域三維界面正反演算法，并計(jì)算了青藏高原東南緣新的莫霍面深度分布，與接收函數(shù)結(jié)果對(duì)比顯示變密度結(jié)果明顯優(yōu)于常密度模型；莫霍面在攀西地區(qū)并無(wú)明顯隆升，與深地震測(cè)深研究結(jié)果一致. 汪健等（2014）利用Parker-Oldenburg迭代反演算法分別在常密度模型和變密度模型下對(duì)該地區(qū)莫霍面進(jìn)行反演研究，發(fā)現(xiàn)變密度和常密度模型下反演結(jié)果的形態(tài)特征基本一致，變密度模型反演結(jié)果更為精細(xì).

利用上述維西—貴陽(yáng)、云縣—會(huì)東和普洱—七甸剖面結(jié)果，并補(bǔ)充鎮(zhèn)康—羅平剖面成果，大體可以構(gòu)繪出南北地震帶南段的地殼密度結(jié)構(gòu)基本特征（圖7）：地殼可分為三層結(jié)構(gòu)，具有近水平分層特征；地殼厚度北厚南淺、西厚東淺，厚度變化范圍約為35～42 km；攀西裂谷存在莫霍面局部隆起.

圖7 南北地震帶南段地殼密度基本結(jié)構(gòu)示意圖Fig. 7 Schematic diagram of crustal density in southern section of North-South seismic belt

4 結(jié) 論

位于青藏高原東南緣的川滇及其鄰區(qū)，新生代以來(lái)受到青藏高原東流物質(zhì)的擠出和華南地體的阻擋，發(fā)育了一系列大型走滑斷裂帶（如鮮水河—安寧河—小江斷裂帶、金沙江—紅河斷裂帶）和傾滑斷裂帶（如龍門山斷裂帶、麗江—小金河斷裂帶），地殼構(gòu)造與地震活動(dòng)強(qiáng)烈，形成了獨(dú)特的復(fù)雜的地質(zhì)構(gòu)造背景. 前面主要介紹了近十年來(lái)川滇及鄰區(qū)的重力探測(cè)研究工作，可以看出，這些工作進(jìn)一步細(xì)化了不同塊體、典型震源區(qū)重力異常場(chǎng)特征，并選擇適用的重力位場(chǎng)理論與方法（如：優(yōu)化濾波法、小波多尺度分解、歸一化總梯度分析、選擇反演法等），給出了區(qū)域地殼密度分層的基本框架，取得了一些與強(qiáng)震孕育構(gòu)造環(huán)境與震源特征的新認(rèn)識(shí)，其主要成果或進(jìn)展如下：

（1）從區(qū)域布格異常場(chǎng)的特征上來(lái)看，異常的最小值位于西北位置，異常呈現(xiàn)一個(gè)西北向東南逐漸增加的趨勢(shì)，與該地區(qū)的莫霍面起伏相一致（陳石等，2014）. 從局部布格異常的特征來(lái)看，控制區(qū)域地震活動(dòng)的小江斷裂、安寧河斷裂、紅河斷裂、甘孜—玉樹(shù)斷裂和則木河斷裂等與重力異常的低值區(qū)對(duì)應(yīng)良好，且斷裂兩側(cè)往往梯度變化較大，反映出斷裂帶殼內(nèi)物質(zhì)密度分布不均的特征.

（2）研究區(qū)域地殼大致可分為上、中、下三層，密度在橫向上分布不均，且大型斷裂構(gòu)造殼內(nèi)物質(zhì)密度總是低于兩側(cè)，說(shuō)明了斷裂帶附近地殼穩(wěn)定性較低，物質(zhì)結(jié)構(gòu)較為破碎. 例如作為青藏高原東南緣重要的構(gòu)造分界線的紅河斷裂和作為川滇塊體與華南塊體分界線的小江斷裂帶其密度結(jié)構(gòu)和莫霍面分布形態(tài)均存在較大差異.

（3）垂直于龍門山斷裂帶南段的金川—犍為剖面深部推覆構(gòu)造體前端切割較淺、后端逐步變深至中地殼，說(shuō)明松潘—甘孜塊體在深約10～30 km之間存在滑脫構(gòu)造，在青藏高原東向擠出和四川盆地的阻擋作用下，造成深、淺部構(gòu)造差異性運(yùn)動(dòng)，形成逆沖推覆的龍門山構(gòu)造帶；鮮水河斷裂帶的歸一化梯度東傾高值區(qū)在上地殼延伸至龍門山斷裂帶前緣，且逐漸近垂直向下伸入上地幔，反映了兩大斷裂帶交匯區(qū)域變形作用較強(qiáng).

（4）蘆山MS7.0地震的發(fā)生與莫霍面的陡變、上地殼下伏低密度帶（滑脫面）及松潘—甘孜塊體低密度（隆起與均衡作用）與四川盆地高密度（剛性阻擋）的相互作用有關(guān)；魯?shù)橹髡鸺坝嗾鹨簿植加诓几裰亓Ξ惓５椭祹?nèi)，震區(qū)內(nèi)地震活動(dòng)可能與小江斷裂帶“東遷”作用有關(guān)，“變形”顯著且E傾的小江斷裂帶為區(qū)域控制性斷裂；種種現(xiàn)象皆指示了在斷裂構(gòu)造關(guān)系復(fù)雜且變形強(qiáng)烈、布格重力異常變化差異較大和地殼密度結(jié)構(gòu)差異顯著的區(qū)域具有較大的發(fā)震潛力，特別是安寧河斷裂帶、鮮水河斷裂帶和龍門山斷裂帶應(yīng)成為地震研究的重點(diǎn)區(qū)域.

上述研究只是階段性成果，仍然存在一些局限與不足之處. 首先是受目前觀測(cè)技術(shù)與地形起伏較大等限制，測(cè)點(diǎn)選擇及空間分辨存在一定程度的不足，除了開(kāi)展剖面探測(cè)，還應(yīng)該多開(kāi)展震源區(qū)的多空間層次的立體探測(cè)；其次，受目前鉆探深度、觀測(cè)技術(shù)、地貌變化等多因素限制，局部地形改正和覆蓋層效應(yīng)考慮不夠精細(xì)，研究成果對(duì)地表淺層效應(yīng)的解釋不充分，需要進(jìn)一步完善；再者，前述研究結(jié)果主要基于重力學(xué)獨(dú)立分析，與構(gòu)造地質(zhì)、地震學(xué)、大地電磁、地球化學(xué)等多學(xué)科知識(shí)融合尚不夠深入，應(yīng)該注意與多學(xué)科交叉. 通過(guò)總結(jié)可以看出，重力探測(cè)技術(shù)在地震構(gòu)造環(huán)境評(píng)價(jià)、地震預(yù)測(cè)與大陸動(dòng)力學(xué)研究工作中的巨大潛力，上述研究工作為青藏東南緣及鄰區(qū)地殼結(jié)構(gòu)與塊體動(dòng)力學(xué)、強(qiáng)震構(gòu)造環(huán)境的進(jìn)一步研究奠定了良好基礎(chǔ).

致謝

十分感謝參與中國(guó)地震科學(xué)臺(tái)陣探測(cè)和地震科考項(xiàng)目野外工作的相關(guān)人員.