引用本文
黎哲君, 义崇政, 周冬瑞, 郑海刚, 王俊, 李军辉, 倪红玉. 大别造山带东段重力异常多尺度分解及其构造意义[J]. 地震地质, 2021,43(1): 158-176.
LI Zhe-jun, YI Chong-zheng, ZHOU Dong-rui, ZHENG Hai-gang, WANG Jun, LI Jun-hui, NI Hong-yu. MULTI-SCALE DECOMPOSITION OF GRAVITY ANOMALY OF THE EASTERN DABIE OROGEN AND ITS TECTONIC IMPLICATIONS[J]. SEISMOLOGY AND GEOLOGY, 2021,43(1): 158-176.  
DOI:10.3969/j.issn.0253-4967.2021.01.010
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大别造山带东段重力异常多尺度分解及其构造意义
黎哲君1),2), 义崇政3),4), 周冬瑞1),2), 郑海刚1),2), 王俊1),2), 李军辉1),2), 倪红玉1),2)
1)安徽省地震局, 合肥 230031
2)安徽蒙城地球物理国家野外科学观测研究站, 蒙城 233500
3)长江勘测规划设计研究有限责任公司, 武汉 430010
4)长江空间信息技术工程有限公司(武汉), 武汉 430010;

作者简介: 黎哲君, 男, 1987年生, 2012年于中国地震局地震研究所获得固体地球物理学硕士学位, 工程师, 主要从事地球物理场观测和研究工作, 电话: 15665600159, E-mail:zhejunli@126.com。

收稿日期: 2020-04-15
基金项目: 中国地震局地震科技星火计划项目(XH20025Y); 中国地震局震情跟踪课题(2021010208); 安徽省中央引导地方科技发展专项资金(YDZX20183400004456); 国家自然科学基金(U1939204)共同资助
摘要

文中通过多源数据融合、 模型构建、 数据试验、 二维离散小波变换和功率谱分析等方法获取了大别造山带东段深、 浅部场源布格异常及其场源似深度, 并结合地壳结构、 地质构造、 岩石圈有效弹性厚度和地震活动等资料, 讨论了地壳深、 浅部的结构特征及地震活动构造背景。 结果表明, 低频布格异常显示大别造山带东段与华北地块间深部构造缝合带在东部应位于青山-晓天断裂前缘, 在落儿岭-土地岭断裂和商城-麻城断裂之间向N偏移至梅山-龙河口断裂之下, 造山带南侧与扬子地块间深部构造缝合带位于襄樊-广济断裂以北约20km, 造山带东侧与扬子地块间的深部构造转换带位于郯庐断裂带之下, 造山带东段腹地显著的低频布格异常低值表明对应部位的莫霍面存在明显下凹, 造山带内部的布格异常高梯度带表明其深部结构不完整; 高频布格异常揭示肥中断裂、 六安-合肥断裂、 肥西-韩摆渡断裂和郯庐断裂带等主要断裂对地壳中上部密度结构的影响明显, 落儿岭-土地岭断裂对地壳中上部密度结构的影响范围向N延伸至肥西-韩摆渡断裂前缘。 结合地震活动资料进一步分析认为, 大别造山带东段与华北地块在青山-晓天断裂前缘附近接触和相互作用, 且大别造山带东段地壳深、 浅部结构均不完整, 不利于应力积累, 趋向于在断裂交错的脆弱部位频繁释放应力, 是霍山地区小地震活动频繁的主要原因。

关键词: 布格异常; 小波分析; 构造特征; 大别造山带
中图分类号:P315.72+6 文献标志码:A 文章编号:0253-4967(2021)01-0158-19
MULTI-SCALE DECOMPOSITION OF GRAVITY ANOMALY OF THE EASTERN DABIE OROGEN AND ITS TECTONIC IMPLICATIONS
LI Zhe-jun1),2), YI Chong-zheng3),4), ZHOU Dong-rui1),2), ZHENG Hai-gang1),2), WANG Jun1),2), LI Jun-hui1),2), NI Hong-yu1),2)
1)Anhui Earthquake Agency, Hefei 230031, China
2)Anhui Mengcheng National Geophysical Observatory, Mengcheng, Anhui 233500, China
3)Changjiang Survey, Planning, Design and Research Co., Ltd., Wuhan 430010, China
4)Changjiang Spatial Information Technology Engineering Co., Ltd., Wuhan 430010, China
Abstract

Bouguer gravity anomaly is a comprehensive reflection of deep and shallow density disturbances of the Earth’s internal mass. Important tectonic information of internal structure at different depths can be obtained by source separation of Bouguer gravity anomaly. Bouguer gravity anomaly from ground-based observations and Bouguer gravity anomaly from EGM2008 of the eastern Dabie Orogen were merged based on least-squares collocation. By model construction of massive bodies and data experiments, optimal wavelet base(sym6)and the corresponding optimal level(6)for gravity anomaly decomposition of the study area were confirmed. Two-dimensional discrete wavelet transform method was applied to obtain low-frequency components and high-frequency components of merged Bouguer gravity anomaly of the study area, and average depths of disturbed surfaces of the wavelet decomposition results were determined by spectrum analyses. In combination with data of crustal structure, geologic structure, effective elastic thickness of lithosphere and seismic activities, the deep structure and shallow structure of the crust were analyzed, and the structural background of seismic activities was discussed. The result shows that steep gradient belts of low-frequency components of Bouguer gravity anomaly outline the density transfer zones of deep structure between the eastern Dabie Orogen and surrounding blocks. It is speculated that the suture zone between the eastern Dabie Orogen and the North China Block locates at the front edge of Qingshan-Xiaotian Fault(the eastern part)and Meishan-Longhekou Fault(the western part), the structure transfer zone between the Dabie Orogen and the Yangtze Block locates at the Tancheng-Lujiang fault zone(the eastern part)and 20km north of Xiangfan-Guangji Fault(the southern part). The interior of the eastern Dabie Orogen is characterized by significant low gravity anomaly, which means an obvious depression of Moho surface, and the steep gradient belts of gravity anomaly inside the eastern Dabie Orogen indicate the imperfection of deep structure. High-frequency components of Bouguer gravity anomaly reveal that density structure of the mid-upper crust was influenced by regional faults such as Feizhong Falut, Lu’an-Hefei Fault, Meishan-Longhekou Fault and Tancheng-Lujiang fault zone. The distribution of high-frequency Bouguer gravity anomaly shows that Luo’erling-Tudiling Fault has obvious effect on density structure of the mid-upper crust, and the range of influence breaks northward through the NWW-orientated Qingshan-Xiaotian Fault and Meishan-Longhekou Fault, and may extend to the front edge of Feixi-Hanbaidu Fault. Further analysis combined with seismic activities shows that plate contaction occurred along the suture zones(front edge of Qingshan-Xiaotian Fault)of deep structure between the eastern Dabie Orogen and the North China Block. Besides, deep and shallow structures of this area are both imperfect, and not strong enough for long-time stress accumulation. Therefore, rocks tend to break at weak points(locations where faults intersect and shallow structure transfers)and release stress frequently, which are main reasons why small earthquakes concentrated at Huoshan area.

Keyword: Bouguer gravity anomaly; wavelet analysis; tectonic features; Dabie Orogen
0 引言

大别造山带东段地处秦岭-大别造山带、 华北地块和扬子地块的交会地带, 构造环境复杂。 华北地块和扬子地块在此处发生碰撞造山作用(徐树桐等, 1992; 黄鹏等, 2015), 郯庐断裂带作为中国东部一条重要的深大断裂带, 近NE向斜贯该区域。 受特殊的构造和动力学环境影响, 该地区地震活动比较活跃。 区域内霍山及周边地区浅源小地震活动频繁, 历史上大别造山带和华北地块交会部位两侧曾发生3次6级以上地震, 分别为1652年安徽霍山6级地震、 1917年安徽霍山61/4级地震和1932年湖北麻城6级地震, 其中1917年安徽霍山61/4级地震是有文字记录以来安徽境内发生的最大地震。 近年来, 许多学者对该地区构造特征开展了多项研究。 例如, 地震波速度成像研究(赵志新等, 2005; 滕吉文等, 2006; 黄耘等, 2011; 丁文秀等, 2017; 熊诚等, 2019)给出了大别造山带东缘及附近地区较精细的深部速度结构, 发现大别造山带地壳厚度明显高于扬子地块和华北地块, 莫霍面深度较周边块体深2km以上, 其东部边界的深部结构受郯庐断裂带切割的深度可能已达壳幔边界。 穿过大别造山带北缘和东缘的人工地震测深剖面(王椿镛等, 1997, 1999; 滕吉文等, 2000)、 位于造山带东南部的大地电磁剖面(肖骑彬等, 2007)和穿越造山带南缘及北缘的二维地震台阵观测剖面(刘启元等, 2005)及反射地震剖面(袁学诚等, 2008)等给出了大别造山带东段二维地壳结构, 并据此发现造山带壳幔结构的垂向错断特征及与周边地块的构造差异。 人工地震测深(刘福田等, 2003)和天然地震层析成像(徐佩芬等, 2000; 黄耘等, 2011)研究给出了大别造山带东缘地壳、 上地幔三维精细速度结构。 当前在大别造山带东段开展的构造和地球物理研究已取得一定成果, 但在造山带东段和华北地块缝合带位置、 研究区部分主要断裂的几何结构和切割深度等问题上仍有争议, 对霍山地区小地震活动聚集分布的深部构造背景研究仍不充分。 现有研究工作在方法和手段上多采用地震层析成像、 大地电磁测深等方法, 重力学方法的应用较少, 且大多采用剖面探测的方式。 部分研究(王椿镛等, 1999; 兰学毅等, 2012; 张交东等, 2012; 梁学堂等, 2016)使用了重力资料, 但仅进行了较初步的重力异常延拓、 空间分布特征分析和莫霍面反演等, 研究的空间范围也有限。

图 1 研究区域构造背景及地震分布
地震目录来自安徽省地震监测中心; 现代地震的时间范围为1970年至今, 历史地震的时间范围为公元前780年至今。 主要断裂: FZF 肥中断裂; LHF 六安-合肥断裂; FHF 肥西-韩摆渡断裂; MLF 梅山-龙河口断裂; QXF 青山-晓天断裂; XGF 襄樊-广济断裂; SMF 商城-麻城断裂; LTF 落儿岭-土地岭断裂; TLF 郯庐断裂带; SZF 宿松-枞阳断裂; DZF 东至断裂; GYF 葛公镇-殷家汇断裂; XJF 宣城-泾县断裂; ZWF 周王断裂Fig. 1 Tectonic background and earthquake distribution of the study area.

布格异常是地球内部深、 浅部物质密度扰动的综合反映, 通过布格异常场源分离可以提取到反映不同深度质量扰动的重要信息。 本文采用基于 “ 移去-恢复” 的最小二乘配置方法, 融合大别造山带东段地面实测布格异常及EGM2008布格异常, 利用二维离散小波多尺度分解技术获取不同深度场源对应的布格异常, 分解结果所反映的深部构造信息对于识别地块缝合带位置、 判断莫霍面形态和研究深部密度结构有很好的指示意义, 分解结果反映的浅部构造信息则有助于开展中上地壳断裂空间分布研究及相关区域浅源小地震集中分布的构造条件分析。 本研究还可为考察大别造山带东段构造单元划分、 厘清周边块体相互作用方式和探讨大别造山带超高压变质过程等提供重力学证据。

1 数据和方法
1.1 重力异常最小二乘融合

本文所用地面实测重力资料来自安徽省勘查技术院编制的 1︰25万布格异常成果, 数据覆盖安徽境内全部陆地, 其原始数据获取自20世纪50年代— 1995年间的区域重力测量工作, 布格异常计算中采用国际大地测量协会(IAG)推荐的1980公式计算正常重力场, 布格改正中间层的密度为2.67g/cm3, 地形改正半径为166.7km。 研究区域内平均测点密度优于4km2/点, 布格异常均方根误差优于± 0.6mGal(1mGal=1× 10-5m/s2, 下同)。 安徽省以外区域和巢湖水域利用EGM2008布格异常进行外推。 EGM2008布格异常计算过程中采用基于ASTER GDEM的重力改正方法(黎哲君等, 2019)完成地形改正和布格改正, 计算参数和实测布格异常计算参数保持一致。 利用地球重力场模型和数字地形模型资料计算区域布格异常的技术手段已在多项研究(黎哲君等, 2015, 2017; 杨光亮等, 2015, 2020)中得到应用, 结果表明通过该方法获取的布格异常在深部构造研究中有重要价值, 因而本文利用EGM2008布格异常对缺少实测数据的地区进行补充, 既可满足小波分解等计算过程对数据范围完整性的要求, 也有助于对深部构造特征进行全面讨论。

多源重力数据融合效果取决于数值逼近的精度与可靠性。 大地测量数值逼近分为函数模型逼近与统计模型逼近, 这2种方法各有优缺点, 基于最小二乘配置的数据融合方法是函数模型逼近与统计模型逼近的综合, 经计算与比较发现该方法在大地测量数据逼近中可以取得较好的效果(杨元喜等, 2001)。 本文以EGM2008布格异常为参考场, 采用基于 “ 移去-恢复” 的最小二乘配置方法对安徽省以外区域及巢湖水域布格异常进行推估, 得到研究区域完整布格异常。

首先, 利用地面实测布格异常和EGM2008布格异常按式(1)计算重力异常残差, 此为 “ 移去” 过程:

Δg=gobs-gegm（1）

其中, gobs为地面实测布格异常, gegm为EGM2008布格异常。

局部重力异常Hirvonen协方差函数的一般形式如式(2)所示(Moritz, 1976):

C(ρ)=C0(1+b2ρ2)m（2）

其中, C0为布格异常残差的方差, ρ 为点对间的距离, m为> 0的实数。

一定距离区间s内点对间的残差协方差按式(3)计算:

C(s)=MΔgobs-Δg¯·Δgegm-Δg¯（3）

其中, Δg¯表示该地区重力异常残差均值, M{}表示对大括号里的内容取平均。

基于地面实测布格异常和EGM2008布格异常残差计算得到C0=114.492mGal, 距离区间长度取5km。 实际验算表明, m取0.5时协方差函数的拟合效果较好( 图 2), 经拟合得到b=2.602, 从而获得局部协方差函数。

图 2 协方差函数拟合Fig. 2 Fitting of covariance function.

利用上述协方差函数, 以地面实测布格异常和EGM2008布格异常残差为信号, 采用式(4)推估数据空区布格异常残差(Moritz, 1978)。 将推估残差与EGM2008布格异常相加, 即完成布格异常融合 “ 移去-恢复” 过程中的 “ 恢复” 步骤, 得到融合后的布格异常。

Δgp=Cp1Cp2…CpqC11C12…C1qC21C22…C2q…………Cq1Cq2…Cqq-1Δg1Δg2…Δgq（4）

其中, Δ g1、 Δ g2、 Δ gq分别为q个已知点的布格异常残差, C11…Cqq 为已知点间的布格异常协方差, Cp1…Cpq 为已知点与推求点p间的布格异常协方差, Δ gp为待推求点p的布格异常残差。

图 3a为布格异常残差推估值, 不难发现绝对值较大的推估残差集中在数据边界附近, 这是因为数据边界与已知数据空间距离较近, 受残差信号影响较大。 图3b为融合后的布格异常, 可以看出融合后的布格异常在2种数据边界上平滑过渡, 数据融合过程显著削弱了系统偏差和边界效应, 同时使EGM2008布格异常信息在缺少实测数据的区域得到有效保留, 数据融合效果较好。

图 3 a 布格异常残差推估值; b融合后的布格异常Fig. 3 Estimation of residual Bouguer gravity anomaly (a) and merged Bouguer gravity anomaly (b).

1.2 确定最优小波基函数和分解阶次

为保证重力异常分解效果, 有必要针对具体研究对象和研究目标选择恰当的小波基函数和分解阶次。 已有学者针对该问题进行过研究, 如任飞龙等(2018)对Bior、 Coif、 db、 Discrete meyer、 Reverse Bior和Sym 6种小波基函数进行了验算, 最终选取db19小波完成卫星重力场分解, 最优分解阶数为4阶。 邓文彬等(2018)通过模型实验对比了10种小波基函数(Sym5、 6、 7、 8, Coif3、 4, Bior3.3、 Rbio2.8、 6.8, Dmey)后, 选择Dmey小波分解重力异常, 最优分解阶数为7阶, 该研究还表明小波基函数的选取不仅与小波基的特性有关, 还与场源特征有关。 多项研究(滕吉文等, 2000; 刘福田等, 2003; 黄耘等, 2011)显示大别造山带的莫霍面深度总体为35~40km, 局部地区超过41km, 并存在约4km的错断, 莫霍面深度向华北地块方向减小至32~35km, 向扬子地块方向减小至约35km。 从现有研究成果来看, 研究区域莫霍面的深度变化范围应为30~45km。 因此, 为验证小波基函数对研究区域重力异常的分离效果, 分别用深度范围为30~45km和1~5km的质量体模拟地壳深部和浅部的质量异常, 构建质量异常模型。 深部质量体的水平尺寸取为50km× 50km, 浅部质量体的水平尺寸取为6km× 6km, 质量异常模型具体参数见 表1, 空间分布如 图 4 所示。

表1 质量体参数 Table1 Parameters of massive bodies

图 4 质量体空间分布
a 三维分布; b 水平分布Fig. 4 Spatial distribution of massive bodies.

采用三维柱体积分公式(式(5))正演上述深、 浅部质量体在0深度处的重力效应及其总和( 图 5)。 计算范围为320km× 320km, 数据点间距为0.5km,

图 5 质量体的正演重力效应
a 深部重力效应; b 浅部重力效应; c 重力效应总和Fig. 5 Forward modelling of gravity effects of massive bodies.

Δgprism=Gρxln(y+r)+yln(x+r)-zarctanxyzrx1x2y1y2z1z2（5）

其中, x1、 x2为质量体x坐标的上下界, y1、 y2为质量体y坐标的上下界, z1、 z2为质量体深度的上下界, ρ 为剩余密度, G为万有引力常数, r=x2+y2+z2。

利用二维离散小波变换技术, 分别用Db4~12、 Sym4~12、 Coif1~7、 Bior2.2~6.8和Rbio2.4~6.8等几种常用小波基函数计算了正演重力效应总和的多个阶次分解结果。 为定量对比分解效果, 计算了浅部重力效应与小波分解高频结果(1~6阶细节之和)的相关系数和差异值等统计值, 如 表2所示。

表2 重力效应总和的小波分解高频结果与浅部重力效应对比 Table2 Comparison between high frequency results of total gravity effect wavelet decomposition and gravity effects of shallow massive bodies

经对比发现, 当采用Sym6基函数, 分解至6阶时, 小波分解结果的高频成分与浅部重力效应最为接近( 图 6), 即重力异常分离效果最好。 因此本文选用Sym6基函数进行布格异常小波多尺度分解, 最大分解阶数为6阶。

图 6 重力效应总和的sym6小波分解结果及高频结果与浅部重力效应的差异
a 6阶低频结果; b 6阶高频结果; c 6阶高频结果与浅部重力效应的差异Fig. 6 Sym6 wavelet decomposition results of total gravity effect and the difference between the high-frequency result and gravity effect of shallow massive bodies.

2 计算结果及讨论
2.1 场源似深度分析

通过功率谱分析确定场源似深度是重磁数据分析中经常使用的方法。 许多文献(Syberg, 1972; 杨文采等, 2001; 任飞龙等, 2018)已对该方法的原理进行了阐述, 并给出具体计算公式, 此处不另行讨论。 场源似深度计算结果是定量信息, 是正确理解和分析重力异常分解结果的有利参考。 为了保留距离信息, 确保场源似深度结果的准确性, 已在进行小波分解前采用等距圆锥投影方法将布格异常投影至平面坐标。 受原始布格异常实际分辨率的限制, 4阶及以下小波细节与构造关系不密切, 其布格异常幅值较小, 并表现出随机噪声特性, 故本文不对4阶及以下小波细节结果进行讨论。 本文给出了小波分解6阶低频结果、 6阶细节结果和5阶细节结果的平均径向功率谱, 并分别通过对数功率谱曲线斜率( 图 7)计算场源似深度。 计算结果表明, 6阶逼近布格异常场源似深度约为40.5km, 基本对应下地壳至壳幔边界深度, 6阶细节布格异常场源似深度约为12km, 对应地壳中上部深度, 5阶细节布格异常场源似深度约为6.4km, 对应地壳上部深度。

图 7 小波分解结果的对数功率谱分析
a 6阶逼近功率谱; b 6阶细节功率谱; c 5阶细节功率谱Fig. 7 Logarithmic power spectrum analyses of the results of wavelet decomposition.

2.2 低频重力异常与深部构造

小波分解逼近结果为原始布格异常的低频成分。 布格异常sym6小波分解6阶逼近结果如 图8a所示, 为清晰显示其水平梯度特征, 同时给出水平总梯度图( 图8b)。 从场源似深度计算结果可知, 低频布格异常主要反映下地壳至莫霍面附近的深部构造信息。

图 8 低频布格异常(a)及其水平总梯度(b)Fig. 8 Low-frequency component of Bouguer gravity anomaly(a)and its total horizontal gradient(b).

从 图8b可以看出, 商城-麻城断裂东侧分布着一个NNE向的布格异常高梯度带, 表明该断裂对地壳深部密度结构有重要影响。 地震层析成像研究(徐佩芬等, 2000)也显示以商城-麻城断裂为界, 在深度超过15km处, 东侧的大别地块与西侧红安地块在地壳速度上是2个截然不同的块体。 青山-晓天断裂前缘的重力异常高梯度带水平总梯度> 1mGal/km, 与深部构造转换带有很好的对应关系, 该深部构造转换带已在多项研究中得到证实, 如: S波速度结构研究结果(王椿镛等, 1997)显示青山-晓天断裂下方莫霍面存在约4.5km的断错; 二维地震台阵观测剖面研究(刘启元等, 2005)也发现大别造山带东段青山-晓天断裂下方的壳幔界面发生了错距达数km的断错。 该重力异常高梯度带在落儿岭-土地岭断裂以西, 到达商城-麻城断裂之前向N偏移, 表明青山-晓天断裂在深部构造上没有切穿商城-麻城断裂, 与青山-晓天断裂未穿过商城-麻城断裂(江来利等, 2005)的判断相符。

当前, 在大别造山带东段与华北地块深部缝合带位置研究方面尚存在较大争议。 如刘福田等(2003)通过分析二维地壳速度结构剖面资料认为深部缝合带大致在青山-晓天断裂一线之下; 江来利等(2005)通过岩石组成、 同位素年代学资料和地球物理资料推测缝合带分布在梅山-龙河口断裂的前缘。 张交东等(2012)对重磁电震资料进行了解析, 推测缝合带应分布在梅山-龙河口断裂附近。 低频布格异常水平高梯度带表明对应位置的深部密度结构有剧烈变化, 可视为深部构造转换带的重要标志。 基于低频布格异常及其高梯度带分布特征推测, 华北地块和大别造山带东段深部构造缝合带在东部地区大致处于青山-晓天断裂前缘, 在落儿岭-土地岭断裂以西— 商城-麻城断裂之间向N偏移至梅山-龙河口断裂一线。 可见, 由于区内构造的复杂性, 大别造山带东段与华北地块深部构造缝合带位置在不同区域可能有所差别, 这对于我们准确判断板块缝合带位置具有重要帮助。 大别造山带东缘靠近郯庐断裂带的位置也分布着布格异常高梯度带, 总体位于郯庐断裂带之下, 走向与郯庐断裂带一致, 刻画了大别造山带东缘与扬子地块间深部构造转换带的位置。 背景噪声层析成像(丁文秀等, 2017)及Rayleigh面波层析成像(熊诚等, 2019)研究表明郯庐断裂带大别造山带段东、 西两侧有显著差异, 其切割深度可能已到达壳幔边界, 本文得到的低频布格异常分布特征佐证了该观点。 大别造山带东段南侧与扬子地块间的低频布格异常高梯度带位于襄樊-广济断裂以北约20km处, 而非襄樊-广济断裂正下方, 推测与扬子克拉通地壳向N俯冲至宿松与南大别超高压变质带下方(杨文采, 2003)有关, 该布格异常高梯度带极有可能是这种俯冲作用在地壳深部造成物质密度差异的体现, 同时也表明此处极有可能是大别造山带东段与扬子地块间的深部构造缝合带。 大别造山带变质岩冷却不均匀的特性也表明南、 北大别2块体不能视为一个整体, 南大别可能属扬子北缘(滕吉文等, 2000), 与本文中的低频布格异常高梯度带的分布特征一致。

由 图8a可见, 大别造山带东段腹地有一个显著的布格异常低值区, 最低值< -87mGal, 比外围区域低50mGal以上, 分布范围的长、 宽近100km, 说明该区域深部存在严重质量亏损。 地质、 地球化学和地球物理资料综合分析结果(滕吉文等, 2000)表明大别造山带有山根, 在大别造山带东段存在莫霍面相对下陷区, 其位置与本文布格异常显著低值区重合。 深地震测深剖面的P波速度结构结果(王椿镛等, 1997)也显示, 大别造山带地壳厚度比其周边的华北地块和扬子地块厚4km以上, 因而推测该显著布格异常低值区主要由相应区域莫霍面下凹造成的深部质量亏损引起。 通过低频重力异常结果还发现, 即便在大别造山带内部, 也存在多条重力异常高梯度带, 说明大别造山带内部存在多个深部构造转换带, 地壳深部乃至壳幔边界附近构造完整性较差。 图 9 所示的岩石圈有效弹性厚度计算结果(黎哲君等, 2017)也显示, 大别造山带东段核心部位及其附近区域为岩石圈有效弹性厚度低值区, 最低值< 10km, 较低的岩石圈有效弹性厚度值表明大别造山带东段岩石圈力学强度较弱, 与布格异常低频信息所反映的深部构造不完整性相印证。 推测扬子地块向深部俯冲, 并与华北地块碰撞造山、 挤压隆起这一系列复杂的构造演化过程导致大别造山带内部出现地壳垂向断错(刘福田等, 2003)。 同时, 大别造山带东段与周边地块之间存在明显的深部构造转换带, 是导致这种低频布格异常特征及岩石圈力学强度较低的构造及动力学背景。

图 9 大别造山带东段岩石圈有效弹性厚度(据黎哲君等, 2017修改)Fig. 9 Effective elastic thickness of the eastern Dabie orogen(Adapted from LI Zhe-jun et al., 2017).

2.3 高频重力异常的构造意义

小波分解细节结果为原始布格异常的高频成分。 安徽以外区域布格异常数据来自EGM2008布格异常, 其有效分辨率较低, 对地壳浅部质量异常不敏感, 且由于地形数据分辨率高于重力数据分辨率, 导致其布格异常高频成分受地形干扰较为严重, 因而不对实测数据范围外的高频布格异常进行讨论。 布格异常Sym6小波分解5阶细节及6阶细节结果分别如 图10a、 b所示。

图 10 布格异常小波分解5阶细节(a)和6阶细节(b)Fig. 10 Detail components of Bouguer gravity anomaly wavelet decomposition at level 5(a)and level 6(b).

布格异常5、 6阶细节图像均表现出明显的条带分布特征, 且布格异常条带分布与区内断裂分布关系密切, 大多数断裂沿着条带或条带边缘展布。 华北地块内这种条带分布特征尤为明显, 位于肥中断裂、 六安-合肥断裂、 肥西-韩摆渡断裂及梅山-龙河口断裂之间的为几个正负交替的近EW向布格异常条带, 与断裂走向的一致性良好。 这种显著的条带分布特征与该地区断裂方向较为一致有关, 梅山-龙河口断裂以北的主要断裂展布方向均为NWW向或近EW向, 断裂之间没有明显交错, 有利于形成完整的布格异常条带, 这种突出的布格异常条带特征也表明上述断裂对地壳中上部密度结构有显著影响。 东大别地壳结构剖面(杨文采, 2003)显示, 肥中断裂、 六安-合肥断裂及肥西-韩摆渡断裂的地壳结构分界面在青山-晓天断裂以北以逐渐变缓的角度向下延伸至约10km深处, 直至青山-晓天断裂附近向下陡倾至20km以下的深部。 由于在青山-晓天断裂以北区域的切割深度有限, 上述断裂在低频布格异常图上没有形成对应的高梯度带, 而青山-晓天断裂附近的低频布格异常高梯度带正好与深部地壳结构分界面陡倾位置一致, 可见本文得到的低频和高频布格异常分布特征很好地印证了该区域现有的深、 浅部构造研究成果。 此外, 沿着郯庐断裂带分布着近NE向的布格异常条带, 在6阶细节图像上表现明显, 其东侧扬子地块内布格异常条带走向也与郯庐断裂带近平行, 体现了郯庐断裂带对区域浅部构造格局的控制作用。

大别造山带内部布格异常条带不如华北地块明显, 但仍可辨别出一些规律性特征。 落儿岭-土地岭断裂是区内一条重要的控震断裂, 5级以上历史地震沿着该断裂呈带状分布。 由于地处大别山腹地, 开展野外地质调查工作难度较大, 当前对于落儿岭-土地岭断裂的构造属性和空间展布研究仍不充分。 从 图10b可以看出, 落儿岭-土地岭断裂近NE向切断与青山-晓天断裂对应的布格异常条带, 体现该断裂为中上地壳断裂的属性, 其对布格异常条带的割裂作用穿过青山-晓天断裂和梅山龙河口断裂, 直至肥西-韩摆渡断裂前缘。 从重力异常细节图像推断, 落儿岭-土地岭断裂对地壳中上部密度结构的影响范围在大别造山带内向N大概延伸至肥西-韩摆渡断裂附近, 这对判断落儿岭-土地岭断裂空间展布和延伸范围有很好的指示意义, 与卫星影像解译及地质调查得到的结论(疏鹏等, 2018)也吻合。

2.4 重力异常与地震活动的关系

据安徽省地震监测中心正式地震目录记载, 有现代地震记录以来, 大别造山带东段绝大多数的3.0级以上地震震源深度< 15km, 最深不超过30km。 现代地震震源深度基本处于布格异常小波分解5、 6阶细节结果对应的场源深度范围内。 以5、 6阶细节结果之和为浅部(高频)布格异常( 图11b), 以6阶小波逼近结果为深部(低频)布格异常( 图11a)讨论大别造山带东段布格异常与地震活动的关系。 从震中分布情况来看, 大别造山带东段地震活动主要沿着落儿岭-土地岭断裂分布, 在青山-晓天断裂和落儿岭-土地岭断裂交会的霍山地区尤为集中。 为直观展示重力异常与地震活动关系, 沿地震集中分布带(落儿岭-土地岭断裂)方向, 同时也是近垂直于重力异常高梯度带的方向设置剖面A1A2, 将其两侧15km范围内的地震投影至该剖面, 绘制深部布格异常-地形-地震剖面图( 图11c)。 采用同样的方法, 在地震活动集中区沿青山-晓天断裂方向设置剖面B1B2, 绘制浅部布格异常-地形-地震剖面图( 图11d), 对于无震源深度信息的历史地震, 均将其绘制在0深度处。

图 11 布格异常小波分解结果与地震活动
a 深部布格异常与地震分布; b 浅部布格异常与地震分布; c 深部布格异常-地形-地震剖面; d 浅部布格异常-地形-地震剖面Fig. 11 Results of wavelet decomposition of Bouguer gravity anomaly and distribution of earthquakes.

由 图11a、 c可以看出, 地震活动集中部位对应于深部布格异常快速变化的高梯度带, 结合布格异常场源似深度结果和震源深度资料可知, 现代地震发生于深部构造转换带, 即大别造山带东段与华北地块深部构造缝合带上方的地壳中、 上部。 由 图11b、 d可以看出, 地震活动集中部位正好对应青山-晓天断裂一线浅部布格异常条带的低值部位, 同时也是落儿岭-土地岭断裂切穿该布格异常条带的部位。 震源深度处于浅部布格异常场源似深度范围之内, 可以认为浅部布格异常所指示的地壳中上部密度结构剧烈变化部位与发震部位一致。 从3.5级以上地震的震源机制解结果( 图 12)来看, 该区域的震源机制以斜滑型为主, 其次为斜冲型, 地震断层面和岩体错动方向主要为近NE向及NWW向, 与该区域2条交会断裂走向基本一致, 从侧面印证该地区相互交错的断裂构造为地震活动提供了发震条件, 也与浅部布格异常揭示的地壳中上部构造特征一致。

图 12 布格异常小波分解高频结果及震源机制解
3.5级以上地震震源机制解由安徽省地震监测中心提供Fig. 12 High-frequency component of wavelet decomposition and focal mechanism.

综合考虑深、 浅部布格异常特征、 地震活动资料和区域构造背景后认为, 在大别造山带与华北地块相互作用(滕吉文等, 2000; 刘福田等, 2003)的动力学背景下, 华北地块和大别造山带在青山-晓天断裂之下的深部构造缝合带接触和缝合, 为相关区域地震活动提供深部构造背景和动力来源。 布格异常显示, 地震集中区地壳中上部存在与断裂交会部位重合的浅部密度结构剧烈变化, 说明其浅部结构可能已遭受严重破坏, 是区内构造脆弱部位。 深部构造特征分析表明, 大别造山带东段及周边区域壳幔结构不完整。 据上述分析结论推测, 在周边地块相互作用的过程中, 脆弱的深、 浅部地壳结构不利于应力积累, 应力易于在构造脆弱部位释放, 是落儿岭-土地岭断裂和青山-晓天断裂交会的霍山地区小地震活动频繁而强震、 大地震较少的主要原因。 由于地震活动与重力异常之间的关系十分复杂, 本文重点针对构造研究成果较丰富、 地震活动集中的霍山地区开展地震活动和布格异常关系及地震构造背景等问题的讨论。 对于研究区内地震活动相对不集中的区域, 仍有待更多的深、 浅部构造研究成果作为支撑, 以深化对地震活动和重力异常关系的讨论。

3 结论与认识

本文基于由地面实测数据和EGM2008数据融合的布格异常, 采用二维离散小波变换方法进行多尺度分解, 得到大别造山带东段不同场源深度布格异常结果, 并结合地壳结构、 地质构造、 地震活动和岩石圈有效弹性厚度等资料进行分析和讨论, 以加深对研究区域深、 浅部构造特征的认识、 深入探讨大别造山带东段小地震聚集区的深部构造背景和浅部构造条件, 得到如下几点结论:

(1)结合现有研究成果及低频布格异常特征推测, 大别造山带东段与华北地块的深部构造缝合带在东部位于青山-晓天断裂前缘, 在落儿岭-土地岭断裂和商城-麻城断裂之间向N偏移至梅山-龙河口断裂之下; 南侧与扬子地块间深部构造缝合带位于襄樊-广济断裂以北约20km; 东侧与扬子地块间深部构造转换带位于郯庐断裂带之下。 大别造山带东段腹地的莫霍面存在显著下凹, 深部构造不完整, 加之与周边地块间存在明显的深部构造转换带, 导致其岩石圈力学强度较弱。

(2)大别造山带东段以北的肥中断裂、 六安-合肥断裂和肥西-韩摆渡断裂对其下方地壳中上部密度结构的影响明显, 对中下地壳密度结构影响不明显。 大别造山带东段内部青山-晓天断裂也对地壳中上部密度结构有影响, 并在该深度被落儿岭-土地岭断裂切穿, 落儿岭-土地岭断裂对地壳中上部密度结构的影响向N穿越梅山-龙河口断裂, 到达肥西-韩摆渡断裂前缘。 有一定的切割深度, 并与区内2条主要断裂交会, 是落儿岭-土地岭断裂成为区内控震断裂的重要构造条件。

(3)大别造山带东段地震集中分布区在深部构造上位于造山带与华北地块间的深部构造缝合带之上。 在浅部构造上, 地震集中分布区位于2条中上地壳断裂交会处。 地震集中分布区同时也是浅部重力异常指示的密度结构转换带, 结构较为破碎。 在华北地块和大别造山带相互作用的动力学背景下, 由于大别造山带东段深、 浅部构造均不完整, 不利于应力长期积累, 趋向于在构造强度较弱的部位频繁释放应力。 这些因素共同构成大别造山带东段落儿岭-土地岭断裂和青山-晓天断裂交会部位小地震活动频繁的构造和动力学环境。

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