应用布格重力异常研究太行山地区地壳密度结构

应用布格重力异常研究太行山地区地壳密度结构 应用布格重力异常研究太行山地区地壳密 度结构 第30卷第4期 2008年12月 西北地震学报 NORTHWESTERNSEISMOLOGICALJOURNAL Vo1.3ONo.4 Dec.,2008 应用布格重力异常研究太行山地区地壳密度结构 唐新功,陈永顺,严良俊',王璨 (1.油气资源和勘探技术教育部重点实验室(长江大学),湖北荆州434023; 2.北京大学地球物理系,北京100871;3.中国地质大学,北京100083) 摘要:在深地震测深(DSS)资料约束下,使用做过地形校正的重力资料对太行山山前地区的深部 构造进行研究.在4条测线上通过分层剥离的方法分别得到沉积层和莫霍面的空间图像以及深部 密度界面的形态分布特征.研究结果 表 关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf 明,在太行山山前断裂带两侧地壳结构明显不同,西面高原 地区沉积层较薄,平均在4km以下;东侧华北平原地区多数在5km以上,且起伏剧烈,对应于华北 平原地区一系列次级的凹陷与隆起构造.莫霍面和康氏面在两侧均相对平缓,康氏面从东部的大 约18km增加到西北部山区的28km左右;莫霍面深度从东南侧平原地区的大约34km左右向西 北侧埋深陡然增加到42—43km.太行山断裂带表现为太行山重力梯级带,并在太行山山前地壳 内各界面均发生错断,莫霍面和康氏面错断距离达4—5km,这还证明太行山山前 断裂带的确是深 大断裂. 关键词:太行山;重力梯级带;莫霍面;布格重力异常;地震 中图分类号:P313.2文献标识码:A文章编号:1000—0844(2008)04—0305—05 ResearchonCrustalDensityStructureinthePiedmontFaultZone ofTaihangMountainAreaUsingtheBouguerGravityData TANGXin—gong,CHENYong—shun,YANLiang-jun,WANGJing (1.KeyLaboratoryofExplorationTechnologiesforOilandGasResourcesofMinistryofEducation.}'angtzeU~dversity. HubeiJingzhou434020.China;2.InstituteofTheoreticaland卸船 C.eophysics(ITAG}.PekingUnivers幻,,Belting100871.China; 3.GeoscielweUniversityofChina(Beijing),Belling100083,China) Abstract:UsingtheBouguergravityanomalydatawithtopographiccorrection,theinvestigationofdeep structureinthepiedmontfaultzoneofTaihangMountainareaisdone.BasedontheGeosofisoftwarepro— cessingplatform,weusetheGM— SYSgravityinversionmoduleforgravityinversionwiththeconstraintof DeepSeismicSounding(DSS)profileresultswhichcompletedinthelasttwodecades.Fromthefour linesofgravitymeasurementinTaihangMountainregion,thecrustaldensit)structureinthepiedmont faultzoneisgottenandthethree-dimensionalgravityprofilesaredrawnbyi~tterpolationmethod.The gravityinversionshowsthattheConradandMohodiscontinuitiesincreasenorthwestwardgraduallyfrom18 kmand34kmintheeasterncoastplainto28kmand43kminthenorthwestTaihangMountain,respec— tively.BothdiscontinuitiesdeepensabruptlywhencrossingNNE— trendingTaihangzone,indicatingthat thepiedmontthrustfaulLofTaihangMountaincouldextenddeepcuttingthroughtheMoho.T hesediment thicknessisgenerallylessthan3kminmountainousregionIbutismuchthicker(3,10km)overNorth Chinariftbasinswithvariationsonaseriesofsecond—orderNNEdepressionandupheavalstructures. Theresultsarebasicallyconcordancewiththepreviousstudiesinthisarea. 收稿日期:200806—18 基金项目:湖北省教育厅科学技术研究项目(G20081206);国家自然科学基金项目(40774074) 作者简介:唐新功(1968一).男(汉族),副教授,主要从事地球电磁学,重力学和地球动力学的教学与研究 306西北地震学报第3O卷 Keywords:TaihangMountains;Gravitygradientzone;Mohodiscontinuity;Bouguergravit y Anomalies;Earthquake 0引言1重力资料 本文研究的太行{.h地区位于河北省与山西省交 界地区,向南延伸至河南与山西交界地区(33.一40. E,109.,119.N),是中国东部华北地区重要的地 貌和构造分界线.山脉北起北京西山,南达豫北黄 河北崖,西接山西高原,东临华北平原,总体NE— NNE向展布,全长约620km.此断裂带不仅是地形 地貌分区的界线,而且也是区域地质构造和地球物 理场中一条重要的边界,历史上很多大震如1966年 河北邢台7.2级地震就发生在这里.过去已有人对 太行山重力梯级带的重力场特征及深部构造做过一 些研究,但对这条构造带的密度结构的形成机制 问题尚缺少细致的研究J.一些研究者认为它属 深大断裂带J,一些人认为它是一条活动断裂带和 地震构造带uJ,也有学者认为它不是深大断裂, 只存在切穿上地壳的断裂带13-14]. 自1966年邢台大地震以来,为了研究地壳的细 结构,我国在华北地区开展了大量的地球物理深部 探测工作,在华北地区一共实施了深地震测深 (DeepSeismicSounding,DSS)剖面40多条.长度3 万多公里,发表了一系列研究成果15-16].太行山山 前断裂带和近东西向西安一郑州一徐州构造带在华 北地区的构造演化巾曾起过重要作用,均是华北地 区重要的边界构造带之一1.太行山前断裂带由 一 系列NE,NNE走向的断裂组成,是一条规模巨大 的综合地理物理异常带.重力及地震测深资料的研 究结果指出,该断裂带位于太行LI』重力梯级带或太 行山地壳厚度陡变带之上,是一个切穿莫霍面的深 大断裂带J.新生代以来该断裂带东西两侧地质 块体发生逆转运动,西侧隆起,东侧陷落,以此为界 形成了运动性质不同的华北平原断块和th西断块. 如何将这些地壳变形与板块运动和作用方式联系在 一 起一直是中国大陆动力学争议的焦点和前i{_}问题 之一. 过去一些学者使用不同的地球物理学方法得到 了该地区的莫霍而深度,但是他们的结果在深度与 形态上也存在…定的差异?zl】. 为了深入了解太行LlJ地区的壳内各圈层的耦合 关系和密度结构,本文将在深地震测深(DSS)资料 的约束下,使月lj布格重力资料研究太行山断裂带中 段的地下构造. 本文使用的地面实测布格重力资料来自国家基 础地理信息中心数据库,重力点间距不等,平均约为 10km左右.采用美国成熟的Geosoft商业软件中 的GM—SYS模块进行重力反演j.GM—SYS使 用的算法是基于Talwani等(1959)的计算二维重磁 场的迭代算法,并且.利用了Won和Bevis(1987)提 出的改进算法,使计算速度提高了一个数量级.我 们选择了4条跨过太行山地区中段的重力测线(图 1),横切了太行山地区中段的4个不同部位,从东 向分别跨越华北平原,太行山重力梯级带,山西地 堑系和鄂尔多斯地块,其中前3条分别与华北地区 深地震测深测线l1—22线(文安一察右中旗),?线 (诸城一托克托),II—l9线(泰安一隆尧一忻县) (国家地震局地球物理勘探中心,1995)基本一致. 这四条测线走向均为SE—NW,从上至下依次为1 号线至4号线.计算中沿太行山地区分别向两侧延 伸了50,100km,以减小边界效应. 110.ll2.l14.I16.ll8.E 一…_":—一:一:'.……一:…一'. l//,.?二?? 第4期唐新功等:应用布格重力异常研究太行山地区地壳密度结构307 地壳结构主要是四层结构,各层密度分别为:沉积层 2.30g/cm,上地壳2.67g/cm,中地壳2.80 g/cm,下地壳2.90g/cm,上地幔3.30g/cm.本 文将以此为分层原则,并且对各层密度采用上述文 献给出的资料.在此初始模型基础上通过反复修改 地质模型实现与观测重力异常值的拟合,来获得测 点处地壳构造的最佳密度分布特征. 2重力结果及 分析 定性数据统计分析pdf销售业绩分析模板建筑结构震害分析销售进度分析表京东商城竞争战略分析 各地层密度的取值见四条测线的模拟结果如图 2所示.各图中上半部分的黑色实线为模型计算得 到的重力异常值,黑点为实测点的重力异常值,下半 部分为密度模型.4条测线的方向大体一致,从左 到右为SE—NW方位.计算的重力值与实测异常 值吻合较好,拟合误差很小,均小于0.6reGal,平均 在0.3mGal以内,四条线的拟合误差见表1. l号线选取了过太行山断裂带长约600km的 一 段重力测线进行研究(图1).在深地震测深资料 的约束下,反演得到了断裂及周围地区的重力剖面 界面深度分布图(图2(a)).可以看出.该段测线 在太行山断裂带东西两侧区域布格重力异常场差异 —?—?,,^ , 一 .. 广 气D:0.…一..:.. /\—,,,n广兰L—,一 上蛀壳I卜2.6 ,: F魁爱D:29\: ,: 地幔D'33,: _ , (a)1号线 ''\一L=:: 825 —,,. ^ ,!}0脚伽…….…. '0 —V——0,,1—一 ::\ :F壳9\卞———, :;,: D:3.3,寸————, (d)4导线 图24条测线的二雏重力反演结果 Fig.2The2Dinversionresultsoffoursurveylines 一目0量\暑三.E)I,'Io0岳/s0三.叫g,I\暑'l0凸{)官0三0基,tl苞口lE0蟹\.三ord 是\q]d.0 308西北地震学报 表1沿四条重力测线的拟合 标准 excel标准偏差excel标准偏差函数exl标准差函数国标检验抽样标准表免费下载红头文件格式标准下载 误差 相当明,东南侧重力异常在?20mGal左右,而进 人西北侧则大幅下降到一120reGal左右.从反演 结果来看,华北平原地区沉积层较厚,最厚地区超过 10km;进人西北部山区后沉积层厚度明显减小,很 多地区基岩出露,沉积层最厚仅3km左右.基底而 起伏剧烈,反映了断裂带两侧复杂的基底面变化特 征.莫霍面埋深在太行山断裂带两侧起伏不大,但 在跨过太行山断裂带时有明显错断,变化范围从东 南部的35km左右到西北部的42km左右. 2号线长约850km,其反演结果如图2(b)所 示.看出,异常值从西北到东南大体上逐渐增大. 沉积层在0.2,7km之I变化,在山西地堑处沉积 层相对较厚;莫霍而变化深度在35,42km之问,在 LU西地堑有略微抬升到40km左右. 3号线长约960km,反演结果如图2(c)所示. 看出,沉积层在0.5,7km之问变化,在山西地堑沉 积层较厚,过了II1西地堑后厚度减薄;莫霍面深度在 35,44km之问变化,从东南到西北大体上递减,在 lJJ西地堑有稍许抬升. 4号线反演结果如图2(d)所示.可以看出重 力异常值从两北到东南大体上逐渐增大.在西北沉 Il121l3ll4115116I17l18tI9 (a)布格重力异常 第30卷 积层较浅,最浅处为0.1km,山西地堑处沉积层明 显增厚,最厚达7km;莫霍面深度在34,43km之 间,在华北平原地区莫霍面变化较平稳.4号线的 沉积层,莫霍面与康拉德i而的变化均较前3条线大, 该线西北边沉积层明显变厚,莫霍而与康拉德面明 显抬升,这与该线西北边经过LI.I西地堑进入山区有 关. 根据太行山地区的二维重力剖面,采用差值方 法分别得到了该地区的三维布格重力,沉积层厚度 和莫霍面的平面图(图3).从图3(a)中可以看出 布格重力异常值在跨越太行…两侧变化非常明显, 东部地区布格重力异常值为?20mGal左右,西 北部【lI-I区快速下降为一120regal左右.东南部华 :IL~F原地区沉积层普遍较厚,,-$tCt~5km以,而 北部山区较浅,一一般在3km以下(图3(b)).虽 然华北平原地表比较平坦,但是基底面的起伏却相 当剧烈,这些起伏与华北平原一系列次级的隆起和 凹陷构造一致;莫霍而的深度则在东南部平原地区 较浅,大约为36km左右,西北部山区较深,达到大 约42km左右.过去发表的成果显示该地区的莫霍 而在太行I_I_I东侧多为线性变化的基本特征j. 本文研究区域较小,线距较大,太行山东部地区莫霍 面的变化特征没有全部反映出来,但总体特征基本 与前人结果一致.而太行山地区则是一个明显的重 力梯度带,体现出太行IJJ山前地区存在断裂带的特 点(图3(c)). (b)沉积层深度(c)莫霍而深度 图3太行山地区布格重力异常(a),沉积层深度(b)和莫霍面深度(c)平面分布图 Fig.3l'heplanviewsof'I'aihangmountainarea:.(a)Bougue]'gravityanomalY;(b)Depthofse diment; (C)depthofMohodiscontinuity. 3结沦与讨论 使用实测重力资料对太行1J川I前地区进行了重 力学研究,ZI!I,-~l0了研究地区沉积层和莫霍而的深部 分布图像,综合上述四条测线的反演结果,可以看出 太行L【I地区的地壳结构具有以F特点: 布格瞳力异常在4条测线上稍有不同,但是其 变化规律基本是相同的,即断裂.『I71H,"外-侧为重力高区, 而西侧为重力低区,太行山断裂带则处于这两个区 域之问重力变化过渡带上.重力异常值变化幅度达 100mGal,平均重力梯度在1mGal以上,反映了太 行山重力梯度带是中网东部地区一条延仲范围大, 变化剧烈的匝力梯度带.不同级别的断裂往往是不 同级别构造元的分界线,在地球物理场上往往表 口图嘲嘲圈嘲隧鞠目 第4期唐新功等:应用布格重力异常研究太行山地区地壳密度结构 现为不同异常区的分界线或者线性的异常,布格重 力异常图上线性重力高与重力低之问的过渡带的特 征可以作为深部断裂的识别标志. 在一定距离内莫霍面埋深的急剧变化预示着莫 霍界而并非完整连续的,并且存在切穿地壳的深大 断裂.地壳厚度的突然变化和岩石圈的横向不均匀 性,地幔热物质的上涌,都会对地震的发生产生一定 的诱发因素.地震多发生在莫霍而隆起的两侧边 缘,而很少发生在莫霍面隆起或凹陷的中心.莫霍 而起伏变化剧烈的地区往往是地震的多发地带.通 过对华北地区的深地震测深,密度结构,电性结构, 热结构等方面的研究,许多作者认为,强震和大震多 发生在重力梯度带上或者莫霍而埋深的突变部 位础].从块体的角度看,华北地区被一系列NNE 向和NEE向的断裂分为了若干一级块体,它们的 边界足脆弱带,而地震就正好发生在这些块体的边 界上.中国大陆几乎所有的8级和近90%的7级 以上的大震都发生在活动地块边界上,表明地块间 的差异运动是大陆强震孕育和发生的直接控制因 素加J.因此,华北平原地震;的地震活动有其特 殊的深部构造背景.虽然它第p纪活动性不强,但 断裂带特殊的地壳结构以及华北地区所处的特殊的 应力场环境,不排除其继续活动的可能性,因此对太 行1.hIIi前断裂带的研究具有一定的参考价值,该区 仍具有地震发生的潜在性. [参考文献] 『1j李安然,成福元,古成志,等.中国东部重力梯级带的地震地质 分析[J].地震地质,1984,6(2):5361. [2]刘占坡,殷秀华,刘铁胜,利用重力资料研究临汾及其周围地 区地壳上地幔结构特征fA]?马宗主编.山西临汾地震研 究与系统减灾[G].北京:地震出版礼,1993. [3]刘占坡,高祥林,黎益仕.太行山重力梯级带的密度结构及其 地质解释[J].地震地质,2003,25(2):265?271. f41黄汲消.中国大地构造及其演化(1:,100万中国大地构造图说 明书)[M].北京:科学出版社,1980 [5_】张文佑,张抗,赵水贵,等.华北断块区中,新生代地质构造特 征及石圈动力学模型『J].地质学报,1983,57(1):33~41. f6]商宏宽,吕梦林.晋睫鲁豫交界地区地震地质条件[J].华北地 震科学,1985,3(3):1—15. [7]河北省地质矿产局.河北省,北京市.天津市区域地质志[M]. 北京:地质出版社,1989. [8]张先康.祝治平,张成科,等.张家口?渤海地震带及其两侧地 壳上地幔构造与速度结构研究[A]?围家地震局地质研究所 编.活动断裂研究(6)[G].北京:地震出版社,1998. f9]赵国泽,刘囤栋,詹艳,等.张北一尚义地震区及其邻区地壳上 309 地幔结构[J].地震地质,1998,20(2):155.163. [1O]李绍炳,刘德林,许建恩,等.华北几个地震带内强震迁移活 动与断块掀斜运动[J].华北地震科学,1984,2(4):15-24. [11]江娃利,聂宗笙.太行山山前断裂带活动特征及地震危险性 讨论[J].华北地震科学,1984,2(3):2l-27. [12]冯锐,郑书真,黄桂芳,等.华北地区重力场预沉积层构造 [J].地球物理学报,1989,32(4):385-398. [13]王椿镛,张先康,吴庆举,等.华北盆地滑脱构造的地震证据 [J].地球物理学报,1994,37(5):613-619. [14]徐杰,高战武,宋长青,等.太行山山前断裂带的构造特征 [J].地震地质,2000,22(2):l11—122. [15]国家地震局《深部物探成果》编写组.中国地壳上地幔地球物 理探测成果[M].北京:地震出版社,1986. [16]张先康,王椿镛,刘国栋,等.延庆一怀来地区地壳细结构一 利用深地震反射削面[J].地球物理学报,1996,39(3):356— 364. [17]ZhangYQ,Vu~gclyP,MemierJ1,et.d1..Activefaulti~iginand theQinlingRange(China)infen'edfi'omSI03,imagm3'analysis andextrusiontectonicsofsouthChina[J].Tectonophysies, 1995,243:69-95. [18]刘元龙,王谦身,赵建华.根据重力资料探讨北京一天津及其 附近的地壳构造[j].地球物理学报,1978,21(1):9—17. [19]魏梦华,史志宏,殷秀华,等.根据重力资料分析华北地区地 壳结构的基本形态及其与地震的关系[J].地震地质,1980,2 (2):5560. 【2O]岳华峰,宋占龙.从石家庄一喀喇沁旗人工地震测深结果看 燕山山区与华:IE平原区地壳深部结构的差异[A1?中国大 陆深部构造的研究与进展[G].北京:地质出版社,1988. [21]滕吉文,曾融生,闰雅芬,等.中国大陆及周边海域Moho界面 深度分布和基本构造格局[J].中国科学(D辑),2002,32 (2):89—100. [22]唐新功,陈永顺,唐哲.应用布格重力异常研究郯庐断裂构造 [J].地震学报,2006,28(6):603-6l0. [23]曾融生,孙为国,毛桐恩,等.中国大陆莫霍界面深度图[J]. 地震学报,1995,17(3):322—327. [24]史丽艳,朱传庆,杨书江,等.新捌乌什地震带断裂研究的综 合地球物理方法[J].西北地震学报,2007,29(2):156—160. [25]殷秀华,史志宏,刘占坡,等.中国大陆区域重力场的基本特 征[J].地震地质,1980,2(4):69—75. [26]曾融生,朱露培,何正勤,等.华北盆地强震的震源模型兼论 强震和盆地的成因_J].地球物理学报,1991.34(3):288— 301. [27]刘昌铨,刘明军,嘉世旭.利用华l匕北部深部地球物理资料数 值模拟地壳应力场[J].地震学报,1998,20(3):240—249. [28]刘明清,祝治平,方盛明,等.山西中南部地区地壳深部地球 物理场异常与地震[J].地震学报,1999,21(3):305-312. [29]张培震,邓起东,张国民,等.中国大陆的强震活动与活动地 块[J].中国科学(D辑),2003,33(增刊):12-20. [30]llanZhnjun,XuJ,RanYK,eta1..Activeblocksandstrong seismicactivityinNm'thChina~egionfJ].ScienceinChina(Se— tiesD),2003,46(Supp.):153一l67.