利用重力數(shù)據(jù)研究張家口地區(qū)深部斷裂系統(tǒng)

劉 龍 劉志輝

1 河北省地震局,石家莊市槐中路262號(hào),050021

重力異常是地殼或上地幔物質(zhì)密度變化及構(gòu)造運(yùn)動(dòng)特征的反映,從地表到地球深處所有密度分布的不均勻性是引起重力異常的主要地質(zhì)因素[1]。申重陽(yáng)等[2]研究發(fā)現(xiàn),斷層位錯(cuò)會(huì)引起斷層周?chē)植恐亓?chǎng)變化,而地震的孕育和發(fā)生往往與活動(dòng)斷層的運(yùn)動(dòng)緊密相關(guān)。2008年,美國(guó)國(guó)家地理空間情報(bào)局(NGA)發(fā)布超高階全球重力場(chǎng)模型EGM2008,該模型基于GRACE衛(wèi)星重力資料、地面實(shí)測(cè)重力資料及DTM地形等數(shù)據(jù)進(jìn)行調(diào)和分析,完全階次至2 159,空間分辨率為5′(約9 km)[3],使得全球重力場(chǎng)模型的空間分辨率提升到空前高度。許多學(xué)者利用該模型在全國(guó)各地開(kāi)展了研究[4-5],而河北省作為受地震災(zāi)害影響嚴(yán)重的地區(qū)之一,目前尚無(wú)利用該重力資料對(duì)區(qū)域深部斷裂開(kāi)展的全面、系統(tǒng)性研究。本文將在EGM2008全球重力場(chǎng)模型基礎(chǔ)上,利用向上延拓與導(dǎo)數(shù)換算等數(shù)據(jù)處理方法,結(jié)合地質(zhì)構(gòu)造資料對(duì)河北省張家口地區(qū)深部構(gòu)造特征進(jìn)行解釋,討論基于EGM2008模型研究河北省深部斷裂系統(tǒng)的可行性。

1 區(qū)域構(gòu)造背景與布格重力異常提取

研究區(qū)位于中朝準(zhǔn)地臺(tái),主要發(fā)育有尚義-平泉斷裂、張家口斷裂、懷安-萬(wàn)全斷裂、洗馬林?jǐn)嗔训?8條活動(dòng)斷裂。其中,近EW向構(gòu)造形成較早,多被其他方向斷裂切割或改造;NE向斷裂是區(qū)域主要的控制性構(gòu)造;NW向斷裂規(guī)模較小,屬配套構(gòu)造,但活動(dòng)較新,以斷塊差異運(yùn)動(dòng)和斷裂活動(dòng)為主。新構(gòu)造運(yùn)動(dòng)時(shí)期,華北平原強(qiáng)烈裂陷,形成大型坳陷,裂陷區(qū)基巖面與山區(qū)北臺(tái)面分布高程相比,差異升降最大幅度達(dá)14 000 m?？刂茢嘞菖璧氐闹鲾嗔丫哂兴郊羟行再|(zhì),現(xiàn)代水系沿?cái)嗔丫€(xiàn)水平扭動(dòng),表明華北地區(qū)第四紀(jì)活動(dòng)伴有明顯的水平運(yùn)動(dòng)分量。第四系沉積等厚線(xiàn)與新近系等厚線(xiàn)形態(tài)基本相同[6],新構(gòu)造運(yùn)動(dòng)在華北平原北部發(fā)育形成NW向沙河-武清-渤海第四紀(jì)活動(dòng)斷陷盆地帶。隆起區(qū)表現(xiàn)為間歇式抬升,在華北山地的河谷內(nèi)普遍發(fā)育3～4級(jí)階地,在山前形成級(jí)數(shù)不等的臺(tái)地[7]。

張家口地區(qū)自有記錄以來(lái)發(fā)生破壞性地震(包括余震)33次,其中M4.7～4.9地震14次,M5.0～5.9地震14次,M6.0～6.9地震5次。影響較大的地震分別為1337-09河北懷來(lái)6 級(jí)地震、1618-11河北蔚縣6 級(jí)地震、1628-10河北懷安西洋河堡6 級(jí)地震、1720-07河北沙城6 級(jí)地震及1998-01-10河北張北6.2級(jí)地震。

EGM2008全球重力場(chǎng)模型自發(fā)布以來(lái)一直持續(xù)改進(jìn),本文通過(guò)世界重力圖網(wǎng)站(http:∥bgi.omp.obs-mip.fr/)下載到最新的河北北部地區(qū)布格重力異常數(shù)據(jù),結(jié)合相關(guān)活動(dòng)斷裂資料,繪制研究區(qū)布格重力異常分布圖(圖1)。該異常分布圖主要反映深部構(gòu)造的演變趨勢(shì),從東南往西北異常幅值逐漸增大,說(shuō)明莫霍面緩慢抬升[8],與該地區(qū)整體地勢(shì)西北高、東南低的特征一致。

圖1 張家口布格重力異常分布

2 重力數(shù)據(jù)處理及斷裂參數(shù)確定

布格重力異常轉(zhuǎn)換處理和反演方法可分為褶積濾波(空間域)和FFT濾波(頻率域),在對(duì)深部斷裂構(gòu)造進(jìn)行解釋時(shí)通常使用FFT濾波,本文將采取向上延拓和導(dǎo)數(shù)換算兩種方法對(duì)研究區(qū)深部斷裂系統(tǒng)的構(gòu)造特征進(jìn)行解釋。

2.1 重力場(chǎng)向上延拓

將觀測(cè)面上的實(shí)測(cè)重力異常值換算到上半空間某一高度的方法稱(chēng)為向上延拓。該方法可壓制淺表干擾異?；蚍秶^小的局部異常,突出埋藏深度較大或規(guī)模較大的探測(cè)目標(biāo)異常[4]。

如果一個(gè)地質(zhì)體在觀測(cè)平面產(chǎn)生的重力異常Δg(ζ,η,0)為已知,則可將這個(gè)觀測(cè)平面看成一個(gè)無(wú)窮的單層物質(zhì)面,其密度為:

(1)

該物質(zhì)面在其上方空間任意點(diǎn)產(chǎn)生的重力異常與物質(zhì)面下方地質(zhì)體產(chǎn)生的重力異常等效,因此可利用該等效的單層物質(zhì)面代替地質(zhì)體,用于計(jì)算觀測(cè)面上方的重力異常。一個(gè)密度不均勻的無(wú)限大物質(zhì)面在其上方任意點(diǎn)(x,y,-z)產(chǎn)生的重力場(chǎng)為:

Δg(x,y,-z)=

(2)

上式為實(shí)現(xiàn)空間域各項(xiàng)處理的基本公式[4]。采用式(2)實(shí)現(xiàn)三度異常向上延拓的算法為:以平面上網(wǎng)格化的觀測(cè)數(shù)據(jù)點(diǎn)為中心,點(diǎn)距Δx=2a為寬度,線(xiàn)距Δy=2a為長(zhǎng)度,將計(jì)算區(qū)劃分成M個(gè)矩形小區(qū),假定每個(gè)水平矩形小區(qū)的密度均為常數(shù),第k個(gè)小區(qū)的密度為σk,則式(2)可表示為:

(3)

上式就是實(shí)現(xiàn)三度體重力異常向上延拓的計(jì)算公式。

經(jīng)查詢(xún)相關(guān)資料,重力場(chǎng)上延高度和淺源頂深之間存在一定的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系:

1)上延高度與淺源頂深總體上呈線(xiàn)性正比關(guān)系:當(dāng)上延高度小于15 km時(shí),淺源頂深約為上延高度的1/2;當(dāng)上延高度為15～30 km時(shí),淺源頂深變化較小,趨于10 km;當(dāng)上延高度為30～40 km時(shí),淺源頂深約為上延高度的2/5[5]。

2)上延高度越大,反映淺源頂深越大。

3)上延到一定高度后,淺源頂深線(xiàn)性梯度變緩,該拐點(diǎn)上延高度應(yīng)為區(qū)域深源場(chǎng)高度,該高度重力場(chǎng)為區(qū)域場(chǎng)。

根據(jù)反演結(jié)果結(jié)合本區(qū)實(shí)際情況,選取5 km、10 km、20 km、30 km這4個(gè)節(jié)點(diǎn)作為上延深度進(jìn)行研究,利用Encom Modelvision Pro軟件進(jìn)行計(jì)算,結(jié)果如圖2所示。

圖2 不同深度下的向上延拓重力異常

2.2 重力場(chǎng)導(dǎo)數(shù)換算

導(dǎo)數(shù)換算是指將原布格重力異常換算為水平一次方向?qū)?shù)、垂向二階導(dǎo)數(shù)或異常的總梯度模型、重力異常的解析信號(hào)等能更形象反映重力異常線(xiàn)性構(gòu)造的一種數(shù)據(jù)處理方法。求取水平方向?qū)?shù)可突出線(xiàn)性構(gòu)造在重力場(chǎng)中的反映,通常分析0°、45°、90°和135°等4個(gè)方向的水平導(dǎo)數(shù),目的是突出與之垂直方向的線(xiàn)性構(gòu)造,即0°反映近NW向,45°主要反映NW向,90°主要反映NS向,135°主要反映NE向線(xiàn)性(斷裂等)構(gòu)造。

對(duì)于一個(gè)密度不均勻且無(wú)限大的物質(zhì)面,在其上方任意點(diǎn)產(chǎn)生的重力場(chǎng)為[4]:

Δg(x,y,-z)=

(4)

求其水平方向的導(dǎo)數(shù),實(shí)質(zhì)是求其在x方向的變化率,該變化率可近似表示為:

(5)

(6)

通過(guò)計(jì)算得到結(jié)果如圖3所示。

圖3 不同方向一階方向?qū)?shù)灰度圖

3 結(jié)果分析

根據(jù)上述計(jì)算結(jié)果,對(duì)研究區(qū)內(nèi)5條主要斷裂的規(guī)模、走向、切割深度、頂部埋深等進(jìn)行分析,得出以下結(jié)論:

1)尚義-平泉斷裂:該斷裂自尚義向東經(jīng)崇禮、赤城、湯河口、下板城至平泉,活動(dòng)時(shí)期從新近紀(jì)到第四紀(jì),其中又以中晚更新世最為突出,全新世至今仍有明顯活動(dòng)。此外,該斷裂南北兩側(cè)附近地震活動(dòng)差異明顯,斷裂以北地震活動(dòng)較弱,僅1998-01發(fā)生過(guò)張北6.2級(jí)地震,以南地震活動(dòng)顯著增強(qiáng)。在布格重力異常0°一階方向?qū)?shù)灰度圖(圖3(a))中表現(xiàn)為一條不連續(xù)的梯度帶,可能受陰山斷隆區(qū)與燕山斷隆區(qū)兩板塊擠壓干擾與互相切割所致;在紅土梁鄉(xiāng)與北新屯鄉(xiāng)之間吻合度較高,斷裂整體沿41°N線(xiàn)分布,與前人研究結(jié)果[7]基本一致;在向上延拓20～30 km時(shí),仍能看到較好反映,說(shuō)明該斷裂為一條深大斷裂,切割深度為15 km以上。綜上所述,尚義-平泉斷裂為EW向的深部斷裂帶。

2)懷安-萬(wàn)全北緣斷裂:該斷裂也稱(chēng)為懷安盆地北緣斷裂,在135°一階導(dǎo)數(shù)灰度圖(圖3(d))中具有較好的反映,說(shuō)明斷裂總體走向NE。該斷裂分為東西兩段,其中西段斷裂從沿渡口堡鄉(xiāng)延伸至北沙城鄉(xiāng)附近,走向近EW,向上延拓至5 km時(shí)已幾乎無(wú)反映,說(shuō)明該處斷裂切割深度較淺;東部斷裂由北沙城鄉(xiāng)延伸至洗馬林鎮(zhèn)附近,走向NNE,向上延拓至10 km時(shí)仍能看到較明顯反映,說(shuō)明該部分比西段斷裂切割深度大,屬于較為活躍的部分,該特征與前人研究結(jié)果[7]較為符合。

3)懷安盆地南緣斷裂:該斷裂在布格重力異常0°一階導(dǎo)數(shù)灰度圖(圖3(a))中反映最為明顯,在45°一階導(dǎo)數(shù)灰度圖(圖3(b))中也能看到微弱反映。經(jīng)分析可知,該斷裂大體走向EW,與相關(guān)資料描述一致。本文認(rèn)為斷裂西段部分呈NW走向,目前尚無(wú)資料對(duì)此進(jìn)行描述,需進(jìn)一步調(diào)查核實(shí)。在進(jìn)行向上延拓時(shí),通過(guò)觀察可將該斷裂分為東西兩部分,向上延拓5 km時(shí),該斷裂西部等值線(xiàn)帶幾乎消失,反映已不明顯,然而向上延拓10 km時(shí)斷裂東部等值線(xiàn)帶仍然存在,說(shuō)明該斷裂東部的切割深度遠(yuǎn)大于西部,屬于相對(duì)活躍的部分,與前人研究[7]中所描述的活動(dòng)性有西弱東強(qiáng)的現(xiàn)象相呼應(yīng)。

4)陽(yáng)原盆地北緣斷裂:在布格重力異常圖中能清晰找到該斷裂所對(duì)應(yīng)的等高線(xiàn)密集部分,分為東部、中部和西部3個(gè)部分,走向分別為近EW向、NE向、NEE向,與該斷裂導(dǎo)數(shù)灰度圖相對(duì)應(yīng)。從布格重力等值線(xiàn)密集區(qū)與斷裂位置對(duì)應(yīng)的關(guān)系可判斷,該斷裂東部埋深最深,中部次之,西部埋深最淺。向上延拓5 km時(shí),東部斷裂已無(wú)反映;向上延拓10 km時(shí),中部、西部斷裂已幾乎無(wú)反映,說(shuō)明該斷裂東部頂部埋深在2 km以?xún)?nèi),中部、西部斷裂頂部埋深在3～5 km之間。

5)蔚廣盆地南緣斷裂:該斷裂為蔚廣盆地規(guī)模最大的斷裂,對(duì)蔚廣盆地的形成、發(fā)展起著決定性作用。布格重力異常圖等值線(xiàn)密集區(qū)能明顯地反映其N(xiāo)E向的整體走勢(shì),該特征在135°水平一階導(dǎo)數(shù)灰度圖(圖3(d))中也有明顯反映。向上延拓5 km時(shí),其西南段仍有明顯反映,東北段反映則相對(duì)較弱;向上延拓10 km時(shí),西南段反映已不明顯,東北段反映消失,據(jù)此判斷該斷裂西南段頂部埋深約為5 km左右,西南段頂部埋深為2 km左右。

4 結(jié) 語(yǔ)

本文通過(guò)獲取的衛(wèi)星重力資料計(jì)算得到布格重力異常,并在此基礎(chǔ)上經(jīng)過(guò)不同深度向上延拓計(jì)算與不同方向的一階導(dǎo)數(shù)計(jì)算,得到研究區(qū)內(nèi)5條斷裂的規(guī)模、走向、切割深度等具體參數(shù)。結(jié)果表明,尚義-平泉斷裂為EW走向的深部斷裂帶,陽(yáng)原盆地北緣斷裂東部頂部埋深在2 km以?xún)?nèi),中部、西部斷裂頂部埋深在3～5 km之間,懷安-萬(wàn)全北緣斷裂與陽(yáng)原盆地北緣斷裂東部切割深度均比西部深,蔚廣盆地南緣斷裂西南段頂部埋深約為5 km左右,西南段頂部埋深為2 km左右。本文研究結(jié)果更加精細(xì)地刻畫(huà)了張家口地區(qū)的深部構(gòu)造環(huán)境,對(duì)以后河北省內(nèi)重力推斷斷層工作具有參考意義。由于本文數(shù)據(jù)是基于衛(wèi)星重力資料,雖測(cè)量范圍大、資料齊全、成本低,但在測(cè)量精度方面無(wú)法與地面實(shí)測(cè)相媲美。若要對(duì)斷裂性質(zhì)進(jìn)行更細(xì)致的探究,建議開(kāi)展地面重力勘探,通過(guò)有針對(duì)性地布設(shè)更加密集的觀測(cè)點(diǎn)來(lái)獲取更高精度的地表實(shí)測(cè)重力資料,進(jìn)而開(kāi)展更加細(xì)致的分析研究。