开展岩石圈T_e研究有利于清晰地认识与各构造块体形成和发展相关的消减作用和造山运动等地球动力学过程^[1]。近10 a来，利用最新的计算方法，结合重力、地形数据，国内外众多学者开展了多项岩石圈T_e研究工作。Kirby等^[2]、郑勇等^[3]、Mao等^[4]和Chen等^[5]采用重力和地形导纳或小波相关性分析等方法，计算澳大利亚和华北克拉通等多个地区的岩石圈T_e，分析岩石圈T_e与大地构造、地表热流、地震活动等的关系。

安徽及周边地区(图 1)处于华北地块、秦岭-大别造山带和扬子地块相互作用和影响的关键部位^[6-7]。郯庐断裂带属岩石圈尺度的深大断裂构造系统，对中国东部区域构造、岩浆活动以及现代地震活动等具有控制作用，大别造山带附近区域具有造山带和盆地交汇、深大断裂横贯等复杂构造特征，较高程度的地球物理研究及频繁地震活动等一系列因素使得该区域成为开展岩石圈T_e研究的理想场所。本文基于EIGEN-6C4^[8]重力异常数据和ETOPO1^[9]数字高程数据，采用荷载分离方法的小波版本计算安徽及周边地区(114°~120°E，29°~35°N)的岩石圈T_e及对应荷载比，根据计算结果分析岩石圈T_e及对应荷载比及其与区内各构造单元地质构造特征、地球动力学背景、地震活动之间的关系。

1 数据

ETOPO1由国际地球物理数据中心(national geophysical data center，NGDC)发布，网格分辨率为1′，包含全球范围内的陆地和海底地形数据^[9]，已有多项岩石圈T_e研究^{[4-5, 10-11]}将ETOPO1数据作为地形资料。为消除计算结果边界效应，参与计算的数据范围要远大于研究区域并涉及到海域。对于海底地形h，通过式h′=(ρ_c-ρ_w)h/ρ_c将其转换为等效高程h′，其中ρ_c=2 670 kg/m³为地壳平均密度，ρ_w= 1 030 kg/m³为海水密度。

根据地球重力场模型EIGEN-6C4计算1′×1′网格分辨率自由空气异常，截断阶数为2 190。采用柱体积分公式进行地形改正^[12]，在此基础上加上布格板改正得到布格重力异常(图 2)。将莫霍界面作为内部荷载作用参考面，莫霍界面深度、地壳密度和上地幔密度等岩石圈结构信息采用CRUST1.0模型^[13]结果，地形、重力异常和地壳结构数据均采用基于WGS84参考椭球的兰伯特圆锥正形投影方法投影至平面，后重采样为10 km×10 km的网格数据。

2 计算方法

岩石圈T_e体现岩石圈挠曲刚度，两者之间的关系如式(1)所示^[1]。Kirby等^[2]、Swain等^[14]发展了一套基于小波变换的谱分析技术，能够同时解析空间和频率信息，克服多窗口谱方法缺陷，已在多项研究^{[2, 5, 10-11, 14]}中得到应用。Kirby^[15]开发的fan小波方法通过将二维Morlet小波进行叠加来获得fan小波，N_θ=int(Δ_θ/δ_θ)是构建fan小波的Morlet小波个数，其中δ_θ是Morlet小波方位角的采样间隔，本文取Δ_θ=180°，获得的各向同性fan小波用以反演各向同性T_e。Morlet小波中间波数决定空间域和波数域分辨率，其值越大波数分辨率越高，空间分辨率越低。中间波数取值通常不小于2.668^[10]，采用多个中间波数(如2.668、3.081、3.773和5.336)进行计算发现，不同中间波数计算的T_e分布结果非常类似，高值区和低值区分布一致，仅在空间分辨率上存在一定的差别，故本文仅采用中间波数为3.773的计算结果进行讨论。

(1)

式中，E为杨氏模量，ν为泊松比，D为岩石圈挠曲刚度，实测相关性表达式为：

(2)

式中，γ²为相关系数，k为波数，G为重力，H为地形，R_e表示取实部, 星号表示共轭复数，尖括号表示在波数域内按角度求平均。确定重力异常和地形的相关性后，通过比较理论和实测谱参数求T_e和荷载比，荷载比F与Forsyth^[16]定义的f之间的关系为：

(3)

式中，F表示地下荷载与总荷载的比，完全为地表荷载时f=F=0，完全为地下荷载时f=∞、F=1。计算过程中用到的物理常量值见表 1。

3 计算结果及分析 3.1 岩石圈T_e的空间分布

图 3为安徽及周边地区岩石圈T_e计算结果。由图可见，T_e值整体处于5~75 km之间，平均值为26.9 km，T_e分布总体呈由南向北逐渐增大的趋势，表现出一定的分区性：大别造山带T_e值处于10~30 km之间，靠近扬子断块和华北地块的东部地区T_e值要略低于西部；下扬子地区T_e值处于5~20 km之间，由南向北逐渐增大，至苏北盆地T_e值上升至30~45 km左右；华北断块内T_e值变化较大，河淮盆地T_e值较高，最大超过70 km，向北和向南逐渐减小至20 km左右；苏鲁造山带T_e值处于25~45 km之间，由靠近华北地块向靠近扬子地块一侧逐渐增大。

3.2 岩石圈T_e与区域地质构造

通常古老而冷的岩石圈(如克拉通和地盾)对应高T_e值(> 60 km)，抵抗形变能力较强；造山带地区通常对应中T_e值(30~60 km)；热而年轻的岩石圈构造者(如岩石圈拉张地区)T_e值(< 30 km)通常较低，在多种构造过程中易产生变形^[11]。

河淮盆地和苏北盆地尽管经历了强烈的新生代弧后扩张^[4]，且受郯庐断裂带活动的影响，仍然表现为较高的T_e值(50~70 km)，除说明河淮盆地和苏北盆地岩石圈结构相对比较完整、强度较高外，也可能是T_e计算结果受盆地特殊构造环境影响。大范围岩石圈T_e研究表明，华南地区的江汉盆地和四川盆地等盆地区域均表现为局部高T_e值^[4]，可能是盆地区域长期沉积作用削弱了地形和布格重力异常之间的相关性，导致T_e偏高。河淮盆地和苏北盆地同为新生代沉降区，从Airy均衡重力异常^[12]来看，两者均表现出明显的负异常，表明相关区域可能存在导致质量亏损的较厚沉积层，造成T_e偏高。郯庐断裂带对河淮盆地和苏北盆地两个T_e局部高值区具有分割作用，且郯庐断裂带附近地区T_e值普遍较低，最大不超过40 km，说明郯庐断裂带(深入岩石圈的深大断裂)破坏了板块几何结构完整性，降低了T_e值。

大别-苏鲁造山带位于我国东部，扬子地块与华北地块间的陆-陆碰撞造山带，受郯庐断裂带影响，造山带被错开成大别、苏鲁两部分^[6]。两者在岩石圈T_e上存在较大差异，苏鲁造山带T_e值处于25~45 km左右；大别造山带T_e值明显低于苏鲁造山带，处于10~30 km之间。大别造山带较低T_e值与特殊深部构造有关，多项宽角反射与折射地震探测^[17]和天然地震波成像^[6]等地球物理探测表明，大别造山带与华北地台及扬子地块的地壳结构明显不同。在大别造山带内部，莫霍界面也存在若干垂直错断。地震反射成果显示，扬子陆块岩石圈向北俯冲至少可以到达大别山下，俯冲深度超过莫霍面，进入岩石圈地幔并发生了断离。正是由于华北地块南向俯冲及扬子地块北向俯冲并在大别造山带下发生断离，俯冲和碰撞挤压造成大别造山带莫霍面垂向错断，加之郯庐断裂带影响，导致大别造山带岩石圈结构完整性受到破坏，从而表现出较低的T_e值。

下扬子地区(不包括苏北盆地)的T_e值较低，处于5~20 km之间。下扬子地区地表热流较高，下地壳和上地幔P波速度较低，同华南地块广阔的褶皱带和岩浆活动带一样，下扬子地区低T_e值可能与长期大洋岩石圈俯冲消减作用有关，强度较弱的华南地块岩石圈在周边地块挤压之下产生变形，表现为广阔的褶皱带，且岩浆活动分布广泛^[4]。

3.3 岩石圈荷载

地下荷载通常由基性岩入侵、下地幔增生、热异常和成分变化等引起的深部物质密度横向变化造成，地表荷载通常由地形和大尺度地表密度变化引起^[10]。图 4为安徽及周边地区荷载比F分布，由图可见，F值处于0.4~0.9之间，东大别和下扬子地区靠近郯庐断裂带一侧F值较高，达0.8以上，河淮盆地和苏北盆地局部地区F值较低，处于0.4~0.6之间。对比图 3看出，F与T_e之间存在一定的负相关关系。在下扬子地区靠近郯庐断裂带的区域及大别造山带，F值较高，地下荷载起主导作用，说明岩石圈深部存在较大的物质密度横向变化，推测与扬子地块和华北地块向大别造山带下俯冲至地幔所导致的大别造山带地壳增厚和莫霍界面垂向错断有关，郯庐断裂带的切割作用对大别造山带和扬子地块接触部位的岩石圈完整性造成破坏，导致岩石圈内部质量分布不均匀，表现出较高的地下荷载。河淮盆地大部分地区、苏鲁造山带和苏北盆地局部地区F值均约为0.5，地表荷载和地下荷载所占比重基本相当。

3.4 岩石圈T_e与地震活动

岩石圈T_e空间分布和量级控制岩石圈在长期构造荷载下发生形变的位置、程度和方式，对地震活动有潜在的影响，岩石圈T_e与地震分布存在一定联系^{[4, 10]}。

图 5为安徽及周边地区岩石圈T_e与公元294年以来5.0级以上地震震中分布，共85次地震。从震中分布看出，大别造山带和华北地块地震活动均较多，扬子地块内地震活动多分布在苏北盆地南部边缘，苏鲁造山带和苏北盆地内部地震活动相对较少。从岩石圈T_e空间分布和震中位置来看，地震活动主要集中在大别造山带特别是东大别、下扬子地区靠近郯庐断裂带一侧(T_e低值区)，以及河淮盆地、苏北盆地南部边缘(T_e等值线较密集区)，而在苏北盆地内部和苏鲁造山带南部(T_e高值、等值线稀疏区)地震较少。为直观表达地震活动性与岩石圈T_e之间的关系，将T_e值与地震数量的对应关系以直方图形式表示，图 6(a)为公元294年以来5.0级以上地震与T_e值的对应关系，图 6(b)为1970~2015年3.0级以上地震(来自中国地震台网)与T_e值的对应关系。可以看出，5.0级以上地震主要集中分布在T_e值10~40 km范围内，占地震总数的80%，3.0级以上地震主要集中在T_e值10~50 km范围内，占地震总数的89%，发生地震次数最多的T_e值范围均是10~20 km，震级越高，地震数量相对于T_e值的集中性越好。

4 结语

利用EIGEN-6C4重力异常和ETOPO1地形资料，采用基于fan小波的相关性分析方法计算得到安徽及周边地区岩石圈T_e值和荷载比F，分析岩石圈T_e和荷载比F分布特征，探讨其构造和地球动力学等含义。结果显示：

1) 安徽及周边地区岩石圈T_e在各构造块体间存在明显差异。大别造山带和扬子地块内的下扬子地区、华北地块、河淮盆地、苏北盆地、苏鲁造山带等构造单元均表现出各自不同的T_e分布特征。

2) 安徽及周边地区岩石圈T_e和荷载比F主要体现区域地质构造特征和地球动力学背景。大别造山带较低的T_e值和高F值主要反映大别造山带在俯冲和挤压作用之下，岩石圈结构完整性遭到破坏；下扬子地区的低T_e值与华南地块长期以来的大洋岩石圈俯冲和消减作用有关；郯庐断裂带两侧较低的T_e值与郯庐断裂带对两侧岩石圈结构造成破坏有关；河淮盆地和苏北盆地较高的T_e值说明相关地区岩石圈强度较高，或沉积层较厚。

3) 研究区域内地震趋向于发生在岩石圈T_e较小的大别造山带和下扬子地区靠近郯庐断裂带一侧，苏北盆地南部边缘和河淮盆地附近岩石圈T_e水平梯度较大，地震活动较集中。绝大多数地震分布在T_e值为10~50 km范围，10~20 km的T_e值范围对应地震数量最多。较低的T_e值说明岩石圈强度较弱，T_e水平梯度较大的地方岩石圈强度发生显著变化，抵抗形变能力较弱而易发生地震。

致谢: 感谢澳大利亚科廷大学空间科学系Kirby J F博士提供岩石圈T_e计算程序。