玄松柏 談洪波 馮建林 申重陽(yáng) 李 輝

1)中國(guó)地震局地震研究所(地震大地測(cè)量重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室)，武漢 430071

2)中國(guó)地震局地殼應(yīng)力研究所武漢科技創(chuàng)新基地，武漢 430071

3)武漢大學(xué)測(cè)繪學(xué)院，武漢 430079

4)中國(guó)地震局地球物理勘探中心，鄭州 450002

山西斷陷盆地帶及其鄰區(qū)1999—2008年地殼物質(zhì)密度變化*

玄松柏1，2，3)談洪波1，2)馮建林4)申重陽(yáng)1，2)李 輝1，2)

1)中國(guó)地震局地震研究所(地震大地測(cè)量重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室)，武漢 430071

2)中國(guó)地震局地殼應(yīng)力研究所武漢科技創(chuàng)新基地，武漢 430071

3)武漢大學(xué)測(cè)繪學(xué)院，武漢 430079

4)中國(guó)地震局地球物理勘探中心，鄭州 450002

為了解山西斷陷盆地及其鄰區(qū)地殼內(nèi)部物質(zhì)遷移特征，基于山西地區(qū)1999—2008年重力場(chǎng)累積變化，采用考慮深度加權(quán)和模型粗糙度的反演方法，獲得了地殼物質(zhì)的密度變化。結(jié)果揭示了呂梁山區(qū)和臨汾盆地中部地區(qū)地殼物質(zhì)的累積，以及太行山與山西帶中南部之間物質(zhì)遷出的基本特征。

重力場(chǎng)變化;密度變化;反演;山西斷陷盆地帶;物質(zhì)遷移

1 引言

山西斷陷盆地帶(以下簡(jiǎn)稱山西帶)東臨太行山，西毗呂梁山，地處鄂爾多斯地塊和華北地塊之間(圖1)，是華北克拉通東西地殼厚度變化的過渡部位，也是中國(guó)大陸南北重力梯度帶的重要組成部分［1］。研究區(qū)域(110 ～115°E，35 ～40°N)自北向南分布著大同、忻定、太原和臨汾等斷陷盆地，以及控制它們的NE向、NNE向和NEE向的一系列正走滑斷裂或正斷裂，盆地之間被隆起所分隔，構(gòu)成了一條右旋剪切拉張帶［1－3］。

上述特征決定了山西帶是華北地塊和鄂爾多斯地塊轉(zhuǎn)換部位，構(gòu)造活動(dòng)較為活躍，在地震測(cè)深方面取得了山西帶地殼結(jié)構(gòu)的一系列成果［4－8］，為研究山西帶地殼運(yùn)動(dòng)機(jī)理提供了可靠的深部約束?；谥亓?chǎng)變化資料獲取山西帶地殼內(nèi)部物質(zhì)遷移信息，不僅有助于了解鄂爾多斯地塊和華北地塊之間的相互耦合關(guān)系，以及西部地區(qū)到東部地區(qū)的擠壓作用與拉張構(gòu)造的轉(zhuǎn)換機(jī)理，且對(duì)山西帶上地幔物質(zhì)沿切穿Moho面的深斷裂帶上涌等地球動(dòng)力學(xué)研究具有參考價(jià)值。

根據(jù)2009年以來的重力場(chǎng)變化資料①及至2009年的跨斷層水準(zhǔn)②等多種資料顯示山西帶附近存在一定的地震危險(xiǎn)性，為進(jìn)一步了解山西帶物質(zhì)遷移和能量累積特征，本文基于1999—2008年重力復(fù)測(cè)資料，反演研究山西帶及其鄰區(qū)地殼物質(zhì)密度變化，通過地殼密度變化展布探討山西帶地殼物質(zhì)運(yùn)移及相應(yīng)的物質(zhì)和能量的累積特征。

圖1 研究區(qū)域地勢(shì)、構(gòu)造背景與重力網(wǎng)點(diǎn)分布［1］Fig.1 Topography，tectonic map background and distribution of gravity stations in the studied area

2 重力資料預(yù)處理與重力場(chǎng)變化

2009—2012年對(duì)太原臺(tái)絕對(duì)重力點(diǎn)進(jìn)行每年2期的絕對(duì)重力測(cè)量，其結(jié)果(圖2(a))顯示太原臺(tái)重力值以(10.4 ±0.23)×10－8ms－2/a的年變化率增大，與2008年以前太原臺(tái)的重力時(shí)序變化(圖2(b))幅值不大且呈現(xiàn)減小的趨勢(shì)具有顯著差異。為了進(jìn)一步研究重力與形變大幅異常的深部機(jī)制，本文應(yīng)用由中國(guó)地震局地球物理勘探中心施測(cè)的山西帶流動(dòng)重力監(jiān)測(cè)網(wǎng)［9］(圖1)重力復(fù)測(cè)資料平差成果，將不同時(shí)間測(cè)量結(jié)果之間系統(tǒng)差異進(jìn)行歸算［10］，以1999—2003年重力平均值為2003年之前的重力背景場(chǎng)，以2004—2008年重力平均值為2004年之后的重力背景場(chǎng)，進(jìn)而獲得1999—2008年各測(cè)量點(diǎn)的重力累積變化。在反演計(jì)算時(shí)，需要規(guī)則化的網(wǎng)格數(shù)據(jù)，文中采用無(wú)偏最優(yōu)線性估值的Kriging插值方法，將研究區(qū)域重力累積變化數(shù)據(jù)插值為0.2°×0.2°的規(guī)則網(wǎng)格，獲取1999—2008年重力場(chǎng)累積變化(圖3(a))。

圖2 太原臺(tái)重力變化Fig.2 Gravity change at Taiyuan station

小波分析的Mallat塔式多尺度分解算法可以較好地分離重力變化區(qū)域場(chǎng)與局部場(chǎng)［11－13］，根據(jù)大量實(shí)驗(yàn)計(jì)算和實(shí)際資料的應(yīng)用效果分析，確定以三階小波逼近為重力變化的區(qū)域場(chǎng)，其反映的是山西帶及其鄰區(qū)1999—2008年之間中長(zhǎng)期重力變化趨勢(shì)。從重力場(chǎng)累積變化中扣除重力變化區(qū)域場(chǎng)之后的剩余部分為反映地殼物質(zhì)密度變化引起的重力變化局部場(chǎng)(圖3(b))。

從圖3(a))可以看出:研究區(qū)域以負(fù)重力變化為主，太原盆地西側(cè)的呂梁山區(qū)存在小幅的正重力變化，與GPS反映的華北地區(qū)ES向運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)［12］吻合，體現(xiàn)了整個(gè)區(qū)域受拉張作用控制的基本特征;臨汾盆地兩側(cè)出現(xiàn)負(fù)峰值，反映了太原盆地和臨汾盆地及其兩盆地之間的部位受NWW-SEE向壓應(yīng)力場(chǎng)、NNE-SSW向張應(yīng)力場(chǎng)控制［13］的結(jié)果。

重力變化局部場(chǎng)(圖3(b))的最顯著特征是太原盆地以西的呂梁山隆起地區(qū)的正重力變化區(qū)，以及南部臨汾盆地兩側(cè)的負(fù)重力變化區(qū)，臨汾盆地中部存在近乎垂直于臨汾盆地走向的正重力變化帶，北部存在小幅負(fù)重力變化，在臨汾附近形成正負(fù)重力變化梯級(jí)帶，遠(yuǎn)震接收函數(shù)結(jié)果亦顯示該地帶處于構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)轉(zhuǎn)換地區(qū)［8］;大同盆地和忻定盆地西側(cè)存在10×10－8ms－2的負(fù)重力變化。以上特征表明山西帶及其鄰區(qū)的斷陷盆地與隆起因受力模式不同而使得重力變化響應(yīng)存在差異。

圖3 山西斷陷盆地帶及其鄰區(qū)重力變化(單位:10－8 ms－2)Fig.3 Gravity variations of Shanxi rift and its adjacent areas(unit:10 －8ms－2)

3 地殼物質(zhì)密度變化反演及其特征

3.1 密度變化反演方法

基于文獻(xiàn)［14－16］的研究結(jié)果，將研究區(qū)域地下空間劃分成大小相等的M個(gè)棱柱體描述地下物質(zhì)密度變化，第j個(gè)棱柱體內(nèi)密度變化為Δρj，其在第i個(gè)測(cè)點(diǎn)引起的重力變化gij為:

定義觀測(cè)值與計(jì)算值方差最小的目標(biāo)函數(shù)，并考慮深度加權(quán)和模型平緩度，其表達(dá)式為:

式中，Wm=QRm，Rm為模型平緩度矩陣，即三個(gè)方向上相鄰棱柱體密度變化之差組成的矩陣，μ為拉格朗日算子(μ＞0)，用以控制迭代過程中計(jì)算值與觀測(cè)值的擬合程度，Q為深度加權(quán)矩陣:

通過調(diào)整式(6)中z0的值，可近似表達(dá)核函數(shù)A的衰減效應(yīng)，一般情況下 1.5＜ β ＜2［17］。目標(biāo)函數(shù)式(5)的最小化問題 Φ(P)=min，令?Φ(P)/?PT=0，則:

通過解式(7)得到密度變化修正量P，對(duì)初始模型修改后進(jìn)行迭代，直到滿足收斂條件為止。反演過程中，由于模型參數(shù)個(gè)數(shù)M較大，計(jì)算速度較慢，文中采用共軛梯度法求解，以提高計(jì)算速度［16，18］。

3.2 地殼物質(zhì)密度變化成像

山西帶地殼厚度為32～39 km，太行山區(qū)和呂梁山區(qū)地殼厚度分別為34～41 km、30～40 km，重力變化局部場(chǎng)反映的深度約至40 km，根據(jù)地殼內(nèi)大約10 km 一層的4層結(jié)構(gòu)框架［5，6］，構(gòu)建地殼內(nèi)垂直方向?yàn)?0 km一層共4層、水平方向塊體中心點(diǎn)投影到地面上與計(jì)算點(diǎn)間距相同，并向四周各外延3個(gè)塊體(外延約60 km)的反演模型，即將研究區(qū)域地殼內(nèi)劃分成33×33×4共4 356個(gè)棱柱體。根據(jù)地震測(cè)深研究成果［3－8］確定密度變化的取值范圍在±100 kg/m3內(nèi)，以作為迭代反演過程中的絕對(duì)約束［18］，即當(dāng)密度變化超出先驗(yàn)的取值范圍時(shí)，強(qiáng)行賦予其約束的界限值。經(jīng)過30次迭代反演，均方差為0.02 ×10－8ms－2，地殼物質(zhì)密度變化見圖4。

圖4顯示了地殼物質(zhì)密度變化的基本特征，從上至下，密度變化幅值逐漸增大，沿山西帶正負(fù)密度變化相間展布:1)5 km切片上，正負(fù)密度變化幅值在±15 kg/m3以內(nèi);2)25 km切片上正密度變化則達(dá)到了30 kg/m3;3)35 km切片上，正值最大出現(xiàn)在呂梁山區(qū)和臨汾盆地中部，達(dá)到40 kg/m3以上;太行山與臨汾盆地和太原盆地之間存在負(fù)密度變化，幅值在－30 kg/m3左右;大同盆地和忻定盆地西側(cè)存在負(fù)密度變化，幅值達(dá)到－30 kg/m3以上。

圖4 地殼物質(zhì)密度變化切片(單位:kg/m3)Fig.4 Slices of crustal material density changes(unit:kg/m3)

4 結(jié)束語(yǔ)

利用考慮深度加權(quán)和模型粗糙度的反演方法獲得了山西帶及其鄰區(qū)地殼密度變化，初步揭示出山西帶及其鄰區(qū)1999—2008年以來的地殼物質(zhì)密度變化的基本特征，區(qū)域內(nèi)各構(gòu)造單元的密度變化及其體現(xiàn)的地殼運(yùn)動(dòng)機(jī)制具有較為明顯的差異。臨汾盆地中部的正密度變化反映了盆地南北兩側(cè)向中間匯聚的狀態(tài)［10］。臨汾盆地和太原盆地與太行山之間的負(fù)密度變化揭示了地殼物質(zhì)具有膨脹或遷出的特征，主要說明該地區(qū)主要受NNE-SSW拉張作用的控制。呂梁山區(qū)的正密度變化區(qū)表現(xiàn)為地殼物質(zhì)不斷累積，反映了該地區(qū)NWW-SEE向壓應(yīng)力場(chǎng)作用占主導(dǎo)。

特別指出的是大同火山群地區(qū)斷陷帶切穿Moho面［8］，上地幔物質(zhì)目前仍在繼續(xù)上涌，并對(duì)地殼加熱，使得40 km左右的殼幔過渡帶表現(xiàn)為較為明顯的低速異常區(qū)［19］，與大致垂直于大同、忻定盆地的小幅值的負(fù)密度變化帶及其北部的正密度變化區(qū)基本對(duì)應(yīng)，是否意味著大同、忻定盆地與太行山前斷裂交匯部位是玄武巖巖漿沿地殼深斷裂上溢、滲入殼內(nèi)的關(guān)鍵部位，尚待進(jìn)一步證實(shí)。

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CRUSTAL MATERIAL DENSITY CHANGE BENEATH SHANXI RIFT AND ITS ADJACENT AREAS FROM 1999 TO 2008

Xuan Songbai1，2，3)，Tan Hongbo1，2)，F(xiàn)eng Jianlin4)，Shen Chongyang1，2)and Li Hui1，2)
1)Key Laboratory of Earthquake Geodesy，Institute of Seismology，CEA，Wuhan430071
2)Wuhan Base of Intitute of Crustel Dynamics，CEA，Wuhan430071
3)School of Geodesy and Geomatics，Wuhan University，Wuhan430079
4)Geophysical Exploration Centre，China Earthquake Administration，Zhengzhou450002

In order to find out the characteristics of crustal material migration in Shanxi rift and its adjacent areas，we got the crustal material density changes based on gravity variations from 1999 to 2008 in the area of Shanxi province，the weight with depth and flatness of the model are taken into account in the inversion process.The result showed the basic characteristic that material accumulation locates in the region of Lüliang Mountain and the middle of Linfen Basin，and material loss locates between the Taihang mountain and the central-southern Shanxi rift.

gravity change;density change;inversion;Shanxi rift;material migration

P315.72+6

A

1671-5942(2013)05-0007-05

2013-02-24

中國(guó)地震局地震研究所所長(zhǎng)基金(IS201226084);國(guó)家自然科學(xué)基金(41204019)

玄松柏，男，1980年生，博士生，助理研究員，主要從事重力反演研究.E－mail:song_bai_whu@163.com