陳石，王謙身

1 中國(guó)地震局地球物理研究所，北京 100081

2 中國(guó)科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所，北京100029

1 引言

蒙古弧形構(gòu)造帶又稱(chēng)“蒙古弧”，其在地理位置上位于亞洲中北部，構(gòu)造上位于西伯利亞古陸和塔里木—華北古大陸之間，在地貌上表現(xiàn)為一系列向南略凸的弧形褶皺地塊（李述靖等，1998）.在地形上，由西高東低的弧形山系和高原組成.其形成時(shí)期可以追溯到古生代末期至中生代早期.其中，古生代時(shí)期的蒙古北部和南部構(gòu)造差異明顯，北部地體認(rèn)為從古亞洲洋增生到西伯利亞克拉通邊緣，從而屬于北亞古生代增生型褶皺帶；而南部為海西褶皺帶，是沿緯向延伸的陸架型地體和不同年齡的板塊縫合帶，可能是古特提斯洋閉合的產(chǎn)物，屬于碰撞型構(gòu)造（車(chē)自成等，2011）.現(xiàn)今主要表現(xiàn)為不同地質(zhì)特征的弧形構(gòu)造變形帶和構(gòu)造縫合帶（Cunningham，2001；Heumann et al.，2012）.蒙古弧形構(gòu)造帶作為影響中國(guó)大陸內(nèi)部變形運(yùn)動(dòng)的重要邊界條件，其復(fù)雜的形成和發(fā)展歷史，在其現(xiàn)今的地球物理場(chǎng)特征中深刻地得到了體現(xiàn).現(xiàn)今中國(guó)大陸南部由于印度板塊向北俯沖在新生代早期特提斯洋閉合而產(chǎn)生陸陸碰撞，從而引起巖石圈大規(guī)模構(gòu)造變形，地殼不斷增厚從而產(chǎn)生了規(guī)模龐大、錯(cuò)綜復(fù)雜的青藏高原構(gòu)造變形帶（Molnar and Tapponnier，1975；Peltzer and Saucier，1996；England and Molnar，1997；Royden et al.，1997；Clark and Royden，2000）.同時(shí)，中國(guó)大陸的東部受太平洋板塊和菲律賓板塊的持續(xù)俯沖，不但影響其大陸巖石圈底部的構(gòu)造變形，而且與中國(guó)大陸內(nèi)部地震活動(dòng)密切相關(guān)（張培震等，2003）.而作為北部邊界的蒙古弧形構(gòu)造帶，自古生代時(shí)期就因?yàn)槲鞑麃喒糯箨懙南蚰线\(yùn)動(dòng)而開(kāi)始逐漸形成了一些列弧形山地與盆地群，并與后期的印度板塊和太平洋板塊運(yùn)動(dòng)共同作用對(duì)中國(guó)大陸巖石圈形變產(chǎn)生深遠(yuǎn)影響，三者共同對(duì)中國(guó)大陸形成了規(guī)模廣泛的復(fù)合邊界作用.而通過(guò)重力異?？梢宰R(shí)別和研究不同構(gòu)造單元之間的關(guān)系（郭良輝等，2012；孟小紅等，2012），因此，從中國(guó)大陸北部的蒙古弧形構(gòu)造變形帶入手，研究其重力異常特征，并進(jìn)一步揭示地殼和巖石圈上地幔的變形特點(diǎn)，具有重要的地質(zhì)和地球物理意義.但是由于現(xiàn)今地表觀測(cè)的重力異常是由各個(gè)深度不同規(guī)模和尺度的構(gòu)造變形形成的密度不均勻體場(chǎng)源的復(fù)合體現(xiàn)，如何定量分離和研究不同深度密度界面場(chǎng)源體特征，是應(yīng)用重力異常研究地殼內(nèi)部結(jié)構(gòu)的主要難點(diǎn)之一.分層重力圖像方法可以第三方地球物理資料為參考，建立分層模型再通過(guò)重力異常正演手段來(lái)研究不同深度場(chǎng)源體分布對(duì)重力異常的貢獻(xiàn)（王謙身和楊新社，1997）.

本文首先依據(jù)EGM2008模型提供的自由空氣重力異常數(shù)據(jù)（Sandwell et al.，2013），計(jì)算了蒙古大陸及其周邊的布格重力異常模型和均衡重力異常模型.其次，依據(jù)最新的Crust 1.0地殼1°×1°精度模型數(shù)據(jù)（Laske et al.，2013），建立了蒙古大陸及其周邊從地表至55km深度范圍的參考密度模型，并正演了地殼內(nèi)部不同深度分層布格重力異常.最后，在此基礎(chǔ)上，結(jié)合已知的構(gòu)造分布，從6條不同位置的經(jīng)向和緯向剖面及分層重力場(chǎng)特征等角度，計(jì)算了各種重力異常的功率譜特征及Moho密度界面與橫向密度不均勻分布對(duì)重力異常特征的影響，詳細(xì)并定量地分析了蒙古大陸及周邊地區(qū)地殼－巖石圈上地幔密度場(chǎng)源體的重力異常特點(diǎn).在下面的第2部分詳細(xì)介紹了本文使用的數(shù)據(jù)來(lái)源、特點(diǎn)、已知構(gòu)造位置及計(jì)算得到的布格重力異常和均衡重力異常分布特征；第3部分主要是依據(jù)最新的Crust地殼模型數(shù)據(jù)，建立了分層地殼模型，提取了不同深度范圍的地殼變形特征、計(jì)算了重力異常的特征及其徑向?qū)?shù)功率譜特點(diǎn)，進(jìn)行了相應(yīng)的分析；第4部分對(duì)本文研究?jī)?nèi)容、發(fā)現(xiàn)的問(wèn)題以及解釋結(jié)果等進(jìn)行了系統(tǒng)地總結(jié)和討論.

2 蒙古及周邊地區(qū)構(gòu)造背景和重力異常特征

本文以蒙古及周邊地區(qū)的構(gòu)造和重力異常場(chǎng)為研究對(duì)象，具體選定的研究區(qū)范圍為東經(jīng)86°至120°，北緯40°至53°，如圖1所示.從圖1中的地形起伏和主要活動(dòng)斷裂分布可以看出，蒙古山系及斷裂走向均向南突出呈現(xiàn)弧形分布，以北部貝加爾裂谷（Baikai rift）的西端約105°為邊界，其西部山系明顯高于東部.其中，蒙古最高山系—杭愛(ài)山（Hangai Dome）覆蓋區(qū)域在水平方向延伸超過(guò)500km，最高地區(qū)高程超過(guò)4000m.從地殼厚度差異看，蒙古地殼厚度呈現(xiàn)西部厚東部薄的分區(qū)特征，蒙古西部平均地殼厚度約45km（Petit et al.，2002）.在杭愛(ài)山下方的地殼最厚，可以超過(guò)50km.

蒙古弧地區(qū)在構(gòu)造位置上處于西伯利亞南緣，由蒙古西部地塊和興安—東蒙地塊拼接而成，塊體分界約以現(xiàn)今105°為界.其中，蒙古西部地塊從北向南可以分為薩彥、阿爾泰和阿拉善三個(gè)地塊（張培震等，2003），蒙古1900年以來(lái)多次強(qiáng)震活動(dòng)都集中于阿爾泰地塊周?chē)?根據(jù)地質(zhì)調(diào)查資料在新生代中后期，蒙古西部和北部地區(qū)都有火山活動(dòng)（Petit and Déverchère，2006）.至1905年以來(lái)共發(fā)生4次8級(jí)以上地震，其發(fā)震構(gòu)造都位于蒙古西部地區(qū)的3條大型走滑斷裂帶上.其中，1905年BolnaiMw8.3地震和TsetserlegMw8.3地震都發(fā)生在位于杭愛(ài)山北部近東西走向的Bolnai左旋走滑斷裂帶；1931年Fu YunMw7.9地震發(fā)生在杭愛(ài)山西部北北西走向的阿爾泰右旋走滑斷裂帶；1957年BogdMw8.1地震發(fā)生在杭愛(ài)山南部近東西走向的Bogd左旋走滑斷裂帶.從地震活動(dòng)作為構(gòu)造運(yùn)動(dòng)的一種重要表現(xiàn)形式角度，可以認(rèn)為蒙古弧西部構(gòu)造變形帶以杭愛(ài)山為中心，由于其受到南北兩個(gè)方向的匯聚擠壓作用，現(xiàn)階段仍然發(fā)生持續(xù)的構(gòu)造變形活動(dòng)，不但在地表形成巨型高原隆起，而且在其周?chē)纬闪硕鄺l大型活動(dòng)走滑斷裂系統(tǒng).從剪切波分裂得到的各向異性和地表GPS觀測(cè)研究表明（Calais et al.，1998，2002；Calais and Amarjargal，2000），在杭愛(ài)山底部上地幔由于NS向擠壓，可能存在巖石圈物質(zhì)的東向流動(dòng)，而西部由于阿爾泰山的阻擋沒(méi)有明顯的物質(zhì)流動(dòng)，并對(duì)克拉通底部巖石圈具有一定的減薄作用（Barruol et al.，2008）.

這些大規(guī)模的構(gòu)造變形和地震活動(dòng)事件，不但對(duì)現(xiàn)今的地形地貌產(chǎn)生重要改造，而且同時(shí)也會(huì)引起不同深度地殼內(nèi)部變形以及殼內(nèi)不同密度物質(zhì)的運(yùn)移或重新分布.這些構(gòu)造變形特征都將反映到現(xiàn)今觀測(cè)的重力異常之中（Jin et al.，1994，1996），因此，我們從蒙古及其周邊的重力異常場(chǎng)入手，可以研究其殼內(nèi)不同深度、不同尺度的界面變形特點(diǎn).

圖1 蒙古及周邊地區(qū)地形及活動(dòng)構(gòu)造分布黑色實(shí)線(xiàn)為主要活動(dòng)構(gòu)造位置；紅色虛線(xiàn)為中蒙活動(dòng)地塊邊界；紅色圓圈為地震震中位置；XDB為興安—東蒙地塊，SYB為薩彥地塊，AETB為阿爾泰地塊，ALSB為阿拉善地塊，ZGRB為準(zhǔn)格爾地塊，TLMB為塔里木地塊，HGD為杭愛(ài)山隆起，KT為肯特山隆起，BR為貝加爾裂谷，F(xiàn)1為Bolnai斷裂，F(xiàn)2為Altay斷裂，F(xiàn)3為Gobi－Altay斷裂，F(xiàn)4為Bogd斷裂，地震目錄來(lái)源：http：／／www.isc.ac.uk／iscgem／.Fig.1 Tectonic setting and topography in Mongolia and adjacent areasSolid black lines are major active faults.Dashed red lines are the Sino－Mongolia active tectonic boundary.Red circles show epicenters of great earthquakes.XDB is Xing’an—Dongmeng block.SYB is Sayan block.AETB is Altay block.ALSB is Alxa block.ZGRB is Junggar block.TLMB is Tarim block.HGD is Hangai dome.KT is Kente dome.BR is Baikal rift.F1is Bolnai fault.F2is Altay fault.F3is Gobi—Altay fault.F4is Bogd fault.Earthquake catalogue is from http：／／www.isc.ac.uk／iscgem／.

圖2 蒙古及周邊地區(qū)自由空氣重力異常圖中自由空氣重力異?；贓GM2008模型，重采樣至1′網(wǎng)格精度，黑色實(shí)線(xiàn)為主要活動(dòng)構(gòu)造位置，紅色虛線(xiàn)為中蒙活動(dòng)地塊邊界，白色實(shí)線(xiàn)為Crust 1.0模型剖面位置，藍(lán)色圓點(diǎn)為中蒙合作項(xiàng)目重力測(cè)點(diǎn)位置，黑色三角為中蒙合作項(xiàng)目流動(dòng)地震臺(tái)位置.Fig.2 Free－air gravity anomalies of Mongolia and its surrounding areasFree－air gravity anomalies are from the EGM2008model.Resampling size of dataset is 1minute.Solid black lines are major active faults.Dashed red lines show the Sino－Mongolia active tectonic boundary.White solid lines show profiles of Crust 1.0model.Blue dots are gravity measurement sites.Black triangles denote the seismic array.

本文主要基于EGM2008模型提供的自由空氣重力異常模型計(jì)算蒙古及其周邊地區(qū)重力異常場(chǎng).根據(jù)EGM2008模型公布的數(shù)據(jù)來(lái)源和誤差評(píng)估報(bào)告，蒙古國(guó)境內(nèi)自由空氣重力異常模型可靠性高（由于蒙古國(guó)重力數(shù)據(jù)開(kāi)放，大量的蒙古國(guó)境內(nèi)實(shí)測(cè)重力資料直接用于了EGM2008模型計(jì)算），數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)偏差小于1.5mGal（Pavlis et al.，2008）.另外，從EGM2008公布的資料顯示（Pavlis et al.，2012），對(duì)于如非洲、南美洲、中國(guó)大陸部分地區(qū)和俄羅斯等沒(méi)有實(shí)測(cè)陸地重力資料約束的地區(qū)和海域面積上的重力異常模型精度并不高，而隨著衛(wèi)星測(cè)高技術(shù)的不斷發(fā)展，Sandwell等不斷對(duì)全球重力模型進(jìn)行精化研究，主要思路是在陸地上基于EGM2008基礎(chǔ)，在海域上融合更多的衛(wèi)星測(cè)高資料計(jì)算出的重力異常，并將EGM2008提供的2160階約5′網(wǎng)格精度數(shù)據(jù)，重新插值到1′網(wǎng)格上，并對(duì)海陸數(shù)據(jù)交界區(qū)域進(jìn)行了優(yōu)化處理.本文實(shí)際使用的重力異常數(shù)據(jù)來(lái)源于http：／／topex.ucsd.edu／網(wǎng)站提供的最新V22.1版本數(shù)據(jù)（Sandwell and Smith，2009；Sandwell et al.，2013）.蒙古及周邊地區(qū)自由空氣重力異常數(shù)據(jù)如圖2所示.

依據(jù)該數(shù)據(jù)，我們通過(guò)計(jì)算得到蒙古及其周邊地區(qū)的布格重力異常和均衡重力異常，通過(guò)對(duì)比三種重力異常場(chǎng)特征，討論構(gòu)造運(yùn)動(dòng)變形與重力異常場(chǎng)之間的關(guān)系.

由于在蒙古及周邊地區(qū)可用的地球物理資料不多，本文為了對(duì)使用的EGM2008重力模型和Crust 1.0地殼模型的數(shù)據(jù)質(zhì)量和精度情況進(jìn)行驗(yàn)證，因此，選擇中蒙雙邊合作開(kāi)展的“遠(yuǎn)東地區(qū)地磁場(chǎng)、重力場(chǎng)及深部構(gòu)造觀測(cè)與模型研究”項(xiàng)目（中蒙合作項(xiàng)目）中取得的實(shí)際觀測(cè)資料作為依據(jù)，通過(guò)對(duì)比有限區(qū)域的實(shí)際觀測(cè)資料和模型資料之間的數(shù)據(jù)差異，來(lái)近似對(duì)本文研究中使用的整個(gè)蒙古及周邊地區(qū)的模型數(shù)據(jù)進(jìn)行評(píng)價(jià).圖3給出的模型評(píng)價(jià)結(jié)果表明，在蒙古中部地區(qū)的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)與模型之間線(xiàn)性相關(guān)較好；其中，圖3a為中蒙合作項(xiàng)目在蒙古中部地區(qū)布設(shè)的64個(gè)寬頻帶流動(dòng)地震臺(tái)（測(cè)點(diǎn)位置見(jiàn)圖2中黑色三角形標(biāo)注），通過(guò)2年時(shí)間觀測(cè)資料進(jìn)行反演得到的測(cè)點(diǎn)位置 Moho面深度與Crust 1.0模型提供的Moho面深度之間對(duì)比，結(jié)果表明兩者結(jié)果均方根誤差（RMS）為1.0km.圖3b為中蒙合作項(xiàng)目在蒙古中部實(shí)測(cè)的160個(gè)測(cè)點(diǎn)自由空氣重力異常結(jié)果（相對(duì)重力測(cè)量，5km間距，以烏拉巴托絕對(duì)重力點(diǎn)為起算，測(cè)點(diǎn)位置見(jiàn)圖2中藍(lán)色圓點(diǎn)標(biāo)注）與EGM2008模型之間的對(duì)比，統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明兩者之間的均方根誤差為7.42mGal.因此，基于在蒙古地區(qū)局部實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)與模型數(shù)據(jù)之間的統(tǒng)計(jì)分析，使用EGM2008重力異常數(shù)據(jù)和Crust 1.0地殼模型數(shù)據(jù)，在精度上可用于研究整個(gè)蒙古及周邊地區(qū)的構(gòu)造變形問(wèn)題.

我們對(duì)圖2所示的自由空氣重力異常數(shù)據(jù)，首先進(jìn)行坐標(biāo)投影變換，采用Lambert投影，中央經(jīng)緯度分別為105°和46°.再采用Fa2boug程序計(jì)算了該區(qū)的布格重力異常和均衡重力異常（Fernández et al.，2008），其中地形數(shù)據(jù)來(lái)源于topex.ucsd.edu網(wǎng)站公布的V16.1版本地形數(shù)據(jù)（Smith and Sandwell，1997），數(shù)據(jù)網(wǎng)格分辨率與自由空氣重力異常相匹配，地形校正后得到的布格重力異常輸出網(wǎng)格間距為4km.其中，對(duì)計(jì)算得到的布格重力異常和均衡重力異常，采用Guass低通濾波器進(jìn)行區(qū)域異常和局部異常的分離（Li and Oldenburg，1998），濾波器參數(shù)空間尺度為50km，分離得到了如圖4和5所示的區(qū)域布格和均衡重力異常場(chǎng).

圖3 模型數(shù)據(jù)與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比圖中（a）為中蒙合作流動(dòng)地震臺(tái)陣位置實(shí)測(cè)Moho面深度與Crust 1.0模型提供的Moho面深度對(duì)比，（b）為中蒙合作重力剖面位置的實(shí)測(cè)自由空氣重力異常與EGM2008模型提供的異常對(duì)比，流動(dòng)臺(tái)震位置和實(shí)測(cè)重力剖面位置如圖2所示.Fig.3 Comparison of model data and the observed data（a）Comparison Moho depths derived from Seismic array of China－Mogolia project and Crust 1.0model；（b）Free－air gravity anomalies derived from the observation and EGM2008model.Locations of seismic array and gravity profile are shown in Fig.2.

圖4 所示的蒙古及其周邊地區(qū)布格重力異常整體上為負(fù)異常，異常范圍在－309.3～ －18.79×10－5m·s－2之間.其中，西部地區(qū)的杭愛(ài)山和阿爾泰山為最大的負(fù)異常區(qū)，表明該區(qū)的地表隆起在深部對(duì)應(yīng)大范圍的“山根”.而東部地區(qū)布格重力異常明顯高于西部，這主要是由于該區(qū)地殼明顯較西部薄，特別是圖中東部（在圖4中坐標(biāo)x＝500，y＝100周邊）區(qū)域內(nèi)，對(duì)應(yīng)的NE向異常梯度帶，與蒙古—鄂霍茨克（Mongol－Okhotian）縫合帶位置相關(guān)性很好.圖4所示的NE走向布格重力異常特征位置與在侏羅紀(jì)閉合的蒙古—鄂霍茨克海槽相對(duì)應(yīng)，可能由于海槽兩側(cè)大陸地殼物性差異較大，在閉合時(shí)形成了該NE向布格異常梯度帶，蒙古—鄂霍茨克海槽的閉合從構(gòu)造演化過(guò)程上標(biāo)志著蒙古地體拼合的結(jié)束，從現(xiàn)階段蒙古大陸東部的布格重力異常特征上看，其地殼物質(zhì)組成物性差異是明顯的.

在圖4的重力異常分布圖上可以看出，蒙古大陸不同地體之間深部物性結(jié)構(gòu)差異性特征明顯，塊體在構(gòu)造力作用下完成拼接后，在重力異常上仍表現(xiàn)出明顯的分塊分帶特征.其中西部異常特征與現(xiàn)今斷裂構(gòu)造相關(guān)，東部與不同塊體之間的縫合帶相關(guān).

圖5所示的是蒙古及其周邊地區(qū)Airy－Heiskanen均衡重力異常.本文是采用該區(qū)的平均地殼深度45km和殼幔平均密度差0.45g·cm－3為參數(shù)進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算得到的均衡重力異常范圍在－154.7～26.65×10－5m·s－2之間.一般認(rèn)為，均衡重力異常的產(chǎn)生與構(gòu)造活動(dòng)引起的物質(zhì)再分布相關(guān).不均衡地區(qū)是由于地幔物質(zhì)未得到相應(yīng)的均衡補(bǔ)償，以及巖石圈上地幔橫向密度分布不均勻等因素引起的.物質(zhì)的分布與構(gòu)造運(yùn)動(dòng)關(guān)系表現(xiàn)為，均衡正異常區(qū)對(duì)應(yīng)新構(gòu)造隆起區(qū)，負(fù)異常對(duì)應(yīng)沉降區(qū)，地震活動(dòng)多發(fā)生在均衡異常梯度帶上.在正負(fù)異常分布與隆起和沉降不協(xié)調(diào)的地區(qū)也多發(fā)生地震活動(dòng).

在臨床中應(yīng)用紫杉醇涂層支架的給藥方式以局部給藥為主，以涂層支架方式較為常用。經(jīng)房凌海，英海榮等人[7] 的臨床相關(guān)研究中，認(rèn)為并未完全吸收的聚合物涂層聚丙烯酸酯，所帶來(lái)的動(dòng)脈壁局部發(fā)生炎癥反應(yīng)，極有可能是致使發(fā)生遠(yuǎn)端再狹窄的關(guān)鍵成因。也有相關(guān)研究者經(jīng)研究提出，雖然磷酸膽堿涂層支架，在減少術(shù)后再狹窄這一方面的臨床作用并未對(duì)其加以肯定，但是人體針對(duì)磷酸膽堿涂層的支架存在較好耐受性，可以對(duì)不良炎癥反應(yīng)有效減少。

圖5所示的均衡重力異常分布以負(fù)異常為主，其中東部異常明顯高于西部異常.在西部地區(qū)以坐標(biāo)（x＝－300，y＝200）為中心周?chē)暮紣?ài)山地區(qū)的負(fù)異常特征最為明顯，而地形最高的杭愛(ài)山地區(qū)對(duì)應(yīng)均衡負(fù)異常表明，該區(qū)下方存在過(guò)補(bǔ)償?shù)牡兔芏取吧礁?，這可能說(shuō)明在古生代加里東期造山運(yùn)動(dòng)后，山系在深部得到均衡補(bǔ)償后，受南北向構(gòu)造擠壓作用明顯減弱.這個(gè)地質(zhì)時(shí)期內(nèi)主導(dǎo)該區(qū)的變形作用，表現(xiàn)為南北斷裂的左旋走滑，南北向持續(xù)擠壓作用減弱，地形隆升的構(gòu)造力缺乏，再加上地表部分由于受到風(fēng)化、剝蝕和搬運(yùn)等作用影響，地表形變不再以隆起為主，并形成“過(guò)補(bǔ)償”型重力均衡異常形態(tài)特征.

而其西南部的阿爾泰山（Altay）地區(qū)，均衡異常明顯高于杭愛(ài)山地區(qū)，從造山時(shí)間上屬于海西期，而且有逆沖型斷裂帶分布，在均衡異常上表現(xiàn)為北西向分布，這種形態(tài)均衡異常表明與持續(xù)的新構(gòu)造運(yùn)動(dòng)相關(guān).特別是在西部多條大型走滑斷裂帶上，都伴隨串珠狀分布的均衡異常帶，這表明存在局部的隆起與沉降之間的不協(xié)調(diào)分布，對(duì)應(yīng)殼內(nèi)物質(zhì)的局部不均衡，這些異常特征與區(qū)域地震活動(dòng)密切相關(guān).

3 基于Crust 1.0模型的重力異常正演

最新的Crust 1.0地殼模型共分為8層，將全球地殼從上至下分為水、冰、上沉積層、中沉積層、下沉積層、上地殼、中地殼、下地殼，模型分別給出每層界面的深度，密度，Vp和Vs波速度，該模型數(shù)據(jù)下載地 址 為：http：／／igppweb.ucsd.edu／～gabi／crust1.html.在圖2中，我們給出了跨研究區(qū)4橫4縱的8條剖面，將剖面對(duì)應(yīng)的界面結(jié)構(gòu)和密度結(jié)構(gòu)經(jīng)過(guò)三維插值后得到如圖5所示的Crust 1.0密度結(jié)構(gòu)剖面.在剖面中橫縱坐標(biāo)采用經(jīng)／緯度和深度表示，其中，圖6a為左側(cè)4幅為按經(jīng)度切割，圖6b為右側(cè)4幅為按緯度切割.其中密度變化最大的區(qū)域?yàn)橹小⑾碌貧ず蜌めＶg的結(jié)晶基底位置.

由圖6a的LA1—LA4四條東西向緯向剖面的地殼結(jié)構(gòu)看，蒙古及周邊地區(qū)Moho面深度從西向東逐漸變淺，最大起伏超過(guò)10km.在圖6a中LA3剖面的92°E范圍對(duì)應(yīng)的阿爾泰山斷裂位置的地殼存在明顯起伏，下地殼底界深度由41km快速過(guò)渡到50km；而向東緊鄰的杭愛(ài)山隆起，下地殼底界深度也約為50km.圖6b中99°E位置的LO2剖面上46°N位置對(duì)應(yīng)杭愛(ài)山隆起，該處Moho面深度相比南側(cè)深約5km.圖6中99°E位置的LO3剖面在50°N—52°N范圍內(nèi)的貝加爾裂谷區(qū)下方地殼底部存在明顯的高密度地幔隆起.

圖4 蒙古及周邊地區(qū)布格重力異常圖中坐標(biāo)變換采用Lambert投影，中央經(jīng)緯線(xiàn)分別為105°和46°，布格重力異常網(wǎng)格輸出間距為4km，并采用50km Guass低通濾波進(jìn)行異常分離.Fig.4 Bouguer gravity anomalies of Mongolia and its surrounding areasMap projection uses Lambert method.Central longitude and latitude are 105°and 46°，respectively.Grid size of Bouguer gravity anomaly map is 4km and separated by Gaussian low－pass filtering with 50km.

圖5 蒙古及周邊地區(qū)均衡重力異常圖中坐標(biāo)變換采用Lambert投影，中央經(jīng)緯線(xiàn)分別為105°和46°，布格重力異常網(wǎng)格輸出間距為4km，并采用50km Guass低通濾波進(jìn)行異常分離，均衡重力異常計(jì)算參數(shù)選擇：地殼平均深度45km，殼幔密度差0.45g·m－3.Fig.5 Isostatic gravity anomalies of Mongolia and its surrounding areasMap projection uses Lambert method.Central longitude and latitude are 105° and 46°，respectively.Grid size of Bouguer gravity anomaly map is 4km and separated by Gaussian low－pass filtering with 50km.Parameters for computing isostatic anomalies are 45km for the crustal average depth and 0.45g·m－3 for the density difference.

圖6 Crust 1.0模型的剖面結(jié)果及密度分布圖中（a）LA1—4剖面按經(jīng)度切割，圖中（b）LO1—4剖面按緯度切割，圖中水平方向根據(jù)Crust 1.0模型進(jìn)行0.25°網(wǎng)格間距插值，在深度方向的密度變化采用1km深度網(wǎng)格進(jìn)行插值.Fig.6 Crust 1.0profiles and density structuresProfiles on left are along longitudes.Profiles on right are along latitudes.Horizontal grid size is 0.25degree by interpolation with Crust 1.0model.Vertical density is gridded with 1km spacing.

因此，從Crust 1.0數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中，我們可以看出該數(shù)據(jù)不僅包含了主要?dú)?nèi)界面的起伏，同時(shí)也包含殼內(nèi)密度橫向不均勻分布信息.特別對(duì)于一些大型斷裂構(gòu)造與深部界面結(jié)構(gòu)之間的關(guān)系，該模型可以給出非常有價(jià)值的信息.在此參考模型約束下，我們可以通過(guò)正演計(jì)算其重力異常，并與實(shí)測(cè)異常對(duì)比，來(lái)定量分析不同殼內(nèi)深度異常場(chǎng)源產(chǎn)生的重力異常特點(diǎn)，進(jìn)一步可以定量分析主要地殼界面起伏與橫向密度不均勻等因素作為已知特征場(chǎng)源如何影響實(shí)測(cè)重力異常.

本文基于六面體模型，依據(jù)Crust 1.0地殼分層模型的密度結(jié)構(gòu)和界面起伏，將地殼以水平方向25km×25km，深度方向1km的單元尺度進(jìn)行剖分.通過(guò)正演計(jì)算得到了不同深度場(chǎng)源體的布格重力異常.圖7給出了基于Crust 1.0地殼模型分層數(shù)據(jù)的密度結(jié)構(gòu)信息和相關(guān)正演結(jié)果.圖7a給出了Crust 1.0模型的0～55km深度地殼模型密度正演布格重力異常，對(duì)于重力異常正演問(wèn)題，需要給出地殼正常密度，我們通過(guò)統(tǒng)計(jì)不同地殼正常密度模型的正演布格重力異常與模型布格重力異常之間的誤差平方和，發(fā)現(xiàn)在地殼正常密度取2.99g·cm－3時(shí)，兩者誤差平方和最小.因此，圖7a—d計(jì)算正演布格重力異常，均以該正常密度值為參考計(jì)算每個(gè)單元的不均勻密度異常值.圖7a正演的總布格重力異常在總體形勢(shì)與模型重力異常趨勢(shì)同為西低東高，最大差異在研究區(qū)東南部位置，這可能與實(shí)際該區(qū)地殼內(nèi)存在低密度異常體分布有關(guān).圖7b為Crust 1.0模型給出的上地殼淺部（0～20km）密度不均勻體重力異常正演結(jié)果，整體異常為負(fù)值，在少數(shù)淺地表盆地區(qū)域呈現(xiàn)負(fù)異常高值區(qū)外，整體異常分布比較均勻.

圖7 基于Crust 1.0模型的正演布格重力異常（a）0～55km正演總布格異常；（b）0～20km正演分層布格重力異常；（c）20～30km正演分層布格重力異常；（d）30～55km正演分層布格重力異常；（e）Crust模型給出的Moho面深度分布；（f）Crust模型給出的Moho橫向密度變化；（g）采用平均密度正演的Moho面起伏重力異常，其中正演密度值為0.39g·cm－3；（h）采用f給出的變密度正演的Moho面起伏重力異常分布.Fig.7 Bouguer gravity anomalies from forward modeling based on Crust 1.0model（a）Total Bouguer gravity anomalies（BGA）in 0～55km depth；（b）BGA in 0～20km depth；（c）BGA in 20～30km depth；（d）BGA in 30～55km depth；（e）Moho relief based on Crust 1.0model；（f）Horizontal density variation of Moho surface based on Crust 1.0model；（g）Gravity anomalies of Moho surface using average density 0.39g·cm－3；（h）Gravity anomalies of Moho surface using varied density of Crust 1.0model.

圖7 c給出的中地殼（20～30km）深度范圍密度異常體正演重力異常趨勢(shì)與圖7b相似，異常分布較均勻仍以負(fù)值為主體，但整體均值略高于圖7b.圖7d給出了下地殼和巖石圈上地幔（30～55km）深度范圍密度異常體正演重力異常結(jié)果，從異常的空間分布特征上看與圖7a趨勢(shì)相似，呈現(xiàn)出整體的西低東高特點(diǎn)，但異常以正值為主.并與圖7e所示的Moho面深度分布趨勢(shì)相似，這也說(shuō)明Crust 1.0版本的地殼模型給出的主要密度變化或異常源位置在下地殼.圖7f給出了該地殼模型Moho面上下的密度橫向變化，密度變化均值為0.39g·cm－3，變化范圍在0.24～0.54g·cm－3之間，其中北部貝加爾裂谷周?chē)鷼めＶg密度差最小，這與構(gòu)造拉張作用引起的下地幔物質(zhì)上涌有關(guān).圖7g和7h是依據(jù)圖7e所示的Moho面深度起伏，分別依據(jù)常密度和變密度模型在頻率域進(jìn)行了正演計(jì)算（Parker，1972；Oldenburg，1974），給出由 Moho起伏引起的重力異常.從異常特征對(duì)比發(fā)現(xiàn)，殼幔密度的橫向變化對(duì)Moho異常影響較大，在密度橫向變化差異大于0.2g·cm－3的地區(qū)，密度的橫向不均勻性在 Moho面反演計(jì)算中應(yīng)該予以考慮.

圖9所示的4種重力異常曲線(xiàn)，黑色和藍(lán)色曲線(xiàn)分別表示計(jì)算布格重力異常、基于地殼模型正演的布格重力異常，數(shù)據(jù)范圍依據(jù)左側(cè)坐標(biāo)軸；紅色和綠色曲線(xiàn)分別代表計(jì)算均衡重力異常、黑線(xiàn)和藍(lán)線(xiàn)差值的剩余布格重力異常，數(shù)據(jù)范圍依據(jù)右側(cè)坐標(biāo)軸.從圖9各圖中的黑色和藍(lán)色曲線(xiàn)對(duì)比，容易發(fā)現(xiàn)，基于地殼模型正演的布格重力異常（藍(lán)線(xiàn)）異常中低頻成份占主體，異常幅值范圍相差不大，但如SX1－3曲線(xiàn)所示，東部異常之間具有明顯差異，其中基于地殼模型正演的布格重力異常大于EGM2008模型給出的重力異常.而在南北方向的剖面上，如SY1－3曲線(xiàn)所示，異常趨勢(shì)性差異不明顯，但是SY3所在的東部仍然具有一定差異.分析這種重力異常之間的差異性特征，首先，由于在現(xiàn)有的Crust地殼模型中對(duì)于淺部可以引起高頻重力異常的密度不均勻體成份描述較少；其次，兩種異常趨勢(shì)性特征較一致，說(shuō)明深部地殼界面起伏和不均勻性是引起重力異常趨勢(shì)性變化的主要因素.在蒙古地區(qū)東部由于Moho面深度較淺，深部高密度體在異常中占較大比例，淺部的一些盆地等上地殼低密度異常體缺少描述，而目前又采用的是均一厚度模型（55km），因此，基于地殼模型正演的布格重力異常值高出了實(shí)際模型給出的布格重力異常.圖9各圖中，紅色曲線(xiàn)所示的剖面位置Airy－Heiskanen均衡重力異常，起伏特征小于綠色曲線(xiàn)，說(shuō)明蒙古弧范圍內(nèi)大部分區(qū)域?qū)儆诘刭|(zhì)年齡較老的構(gòu)造單元體，多數(shù)地區(qū)處于較均衡狀態(tài).而綠色曲線(xiàn)所示的模型剩余布格重力異常，更體現(xiàn)的是實(shí)際觀測(cè)到的殼內(nèi)界面變形與實(shí)際重力觀測(cè)模型之間的異常差異，且具有異常變化起伏大，高頻成分多的特點(diǎn)，與中上地殼內(nèi)密度不均勻體分布密切相關(guān).因此，基于該異常進(jìn)一步反演淺部地殼密度不均一體分布，開(kāi)展重力異常與地殼模型之間的聯(lián)合反演，可以進(jìn)一步提高地殼模型的空間尺度描述能力，提高地殼模型的分辨率.

4 結(jié)論和討論

本文基于最新全球自由空氣重力異常數(shù)據(jù)，計(jì)算了蒙古及周邊地區(qū)的布格重力異常和均衡重力異常.并采用Crust 1.0地殼模型為參考，對(duì)蒙古及周邊地區(qū)不同深度地殼密度結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行了計(jì)算，并對(duì)得到的正演布格重力異常與實(shí)際重力異常進(jìn)行了對(duì)比和分析.研究得出如下結(jié)論：

（1）基于EGM2008重力模型給出的蒙古及周邊地區(qū)自由空氣重力異常場(chǎng)，計(jì)算得到的均衡重力異常表明，在蒙古西部杭愛(ài)山隆起周?chē)淮嬖诟咧稻庵亓Ξ惓７植?，這說(shuō)明該區(qū)已經(jīng)得到較充分的均衡補(bǔ)償，而“過(guò)補(bǔ)償”特征的形成說(shuō)明在新生代以來(lái)南北向的擠壓造山作用已并不為主導(dǎo)；而阿爾泰山地區(qū)西南部存在明顯的高均衡異常梯度帶，這說(shuō)明該區(qū)存在新構(gòu)造變形運(yùn)動(dòng)，地表隆起的同時(shí)，在深部沒(méi)有形成完整的“山根”.因此，蒙古深部地殼介質(zhì)的自西向東的運(yùn)移模型，力源可能不再以北部西伯利亞板塊與南部歐亞板塊的擠壓為主，更多與阿爾泰山西南地塊的北東向運(yùn)動(dòng)有關(guān)，杭愛(ài)山南北兩個(gè)方向的走滑斷裂構(gòu)造的形成原因也于此相關(guān).

（2）通過(guò)Crust 1.0模型正演的布格重力異常場(chǎng)，與實(shí)際模型給出的布格重力異常在趨勢(shì)上存在一致性，但兩種異常在頻率成份上仍存在較大差異.這主要是因?yàn)镃rust地殼分層模型給出的淺部和中上層地殼密度異常體分布較均勻，且分辨率仍較低.因此，使用該地殼模型估計(jì)淺部密度不均勻體分布需要充分考慮其適用性.

圖8 殼內(nèi)剩余不均勻體重力異常特征Fig.8 Gravity anomalies of residual heterogeneous bodies

圖9 重力異常剖面對(duì)比圖中黑色實(shí)線(xiàn)布格重力異常，藍(lán)色實(shí)線(xiàn)正演布格重力異常，紅色實(shí)線(xiàn)均衡重力異常，綠色實(shí)線(xiàn)為剩余布格重力異常，左側(cè)三列剖面方向從西向東，右側(cè)三列剖面方向從南向北.Fig.9 Comparison of gravity anomaly profilesSolid black lines are Bouguer gravity anomalies derived from EGM2008model.Solid blue lines are Bouguer gravity anomalies derived from forward modeling based on Crust 1.0model.Solid red lines are Isostatic gravity anomalies.Solid green lines are residual gravity anomalies.Direction of figures in left side is from west to east.Direction of figures in right side is from south to north.

（3）該Crust 1.0模型給出的三層地殼深部界面起伏，與地表斷裂分布有一致性且對(duì)應(yīng)良好，與地形之間的相關(guān)關(guān)系和重力均衡作用基本一致.在貝加爾裂谷區(qū)下方可以給出明確的地幔高密度物質(zhì)異常，在阿爾泰山的均衡重力異常高值區(qū)即新構(gòu)造運(yùn)動(dòng)區(qū)域內(nèi)，斷裂下方的地殼分界面變形特征明顯，正演的重力異常特征與實(shí)際觀測(cè)基本一致.

（4）以Crust 1.0模型揭示的Moho面起伏和界面上下密度橫向不均勻分布為正演模型，計(jì)算得到的Moho面重力異常與均一密度界面模型正演得到的重力異常特征差異性十分明顯，因此，對(duì)構(gòu)造復(fù)雜區(qū)域應(yīng)用布格重力異常資料進(jìn)行Moho界面反演時(shí)如何考慮界面密度分布的橫向不均勻性，可能是提高反演結(jié)果合理性的重要途徑.

（5）從研究區(qū)的整個(gè)地殼上下密度不均勻體分布特征看，在蒙古弧形構(gòu)造內(nèi)部密度差比較均勻，與整體均值0.39g·cm－3較接近，而其南部的殼幔密度差異明顯大于北部，形成這種趨勢(shì)的原因在北部由于貝加爾湖裂谷的拉張作用，地幔高密度物質(zhì)上涌，因此，Moho面上下密度差異明顯減小.而古老的蒙古弧構(gòu)造其形成、發(fā)展、以及后續(xù)重力均衡作用不斷對(duì)其改造，使其深部的橫向密度差異性特征不明顯.這種特征表明，依據(jù)地表構(gòu)造特點(diǎn)上劃定的蒙古弧形構(gòu)造變形帶，與其深部物性分布具有一致性.

本文根據(jù)EGM2008重力場(chǎng)模型數(shù)據(jù)結(jié)果，對(duì)蒙古及周邊地區(qū)的重力異常場(chǎng)與Crust 1.0模型正演結(jié)果之間進(jìn)行了對(duì)比分析，并得到以上結(jié)論.本文認(rèn)為從地震學(xué)給出的地殼內(nèi)部主要界面起伏和密度分布在趨勢(shì)上與觀測(cè)重力異常具有較好的一致性，但是淺部特別是上地殼范圍深度內(nèi)，缺少與重力高頻異常相對(duì)應(yīng)的密度不均勻分布.但Crust 1.0模型給出的殼幔橫向密度不均勻體分布對(duì)于計(jì)算Moho面起伏引起的重力異常作用明顯，同時(shí)給出的地殼內(nèi)深界面起伏變化能在一定程度上體現(xiàn)較大規(guī)模斷裂構(gòu)造的深部變形特征.本文研究結(jié)果對(duì)于認(rèn)識(shí)蒙古東西部構(gòu)造特征差異，以及現(xiàn)今西部活動(dòng)斷裂的地球物理場(chǎng)特征具有參考意義.

致謝 本文研究過(guò)程中得到了蒙古科學(xué)院天文與地球物理研究中心BatsaikhanTserenpil博士提供的部分?jǐn)?shù)據(jù)資料，中國(guó)地震局地球物理研究所吳慶舉研究員提供了中蒙合作項(xiàng)目流動(dòng)臺(tái)陣觀測(cè)獲得的Moho面深度數(shù)據(jù)，中蒙合作項(xiàng)目重力剖面測(cè)量與數(shù)據(jù)處理工作由安徽省地震局徐如剛，甘肅省地震局閆萬(wàn)生和中蒙聯(lián)合工作組共同完成，在此一并表示感謝.

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