郯庐断裂带是一条纵贯我国东部、近北东向展布的岩石圈深断裂构造带, 地震活动频繁^[1]。根据大地构造单元、结构构造等方面的差异, 可划分为3段:渤海至下辽河为北段, 山东至淮河为中段, 淮河以南至长江以北为南段^[2]。本文研究范围为郯庐断裂带苏皖段, 即北起江苏新沂, 南至安徽潜山, 全长近600 km, 第四纪以来该段断裂活动强度与地震活动强度均表现为从北至南减弱的特征^[3]。已有许多学者从地质、地球化学等角度对郯庐断裂带中南段的第四纪活动性、几何形态、运动学特征等方面作了大量研究^[4-10]。

随着地球物理技术的快速发展, 有学者利用重力、地磁等方法开展郯庐断裂带中南段地球物理场和深部构造特征等研究^[11-14], 但都是以布格重力异常数据为基础, 揭示区域地壳结构及断裂空间展布等特征。也有学者利用小波多尺度分解方法对重力场变化资料进行不同深度层次的分解研究^[15-17], 但针对郯庐断裂带苏皖段重力变化的小波分解研究却没有涉及。

本文以郯庐断裂带苏皖段及其周边地区为研究区(115.8°~119.5°E, 30.5°~34.8°N), 采用2013~2016年多期重力观测资料, 利用小波多尺度分解方法对重力变化进行不同深度层次的分解, 将不同场源变化进行有效分离, 获取研究对象的不同尺度细节, 结合研究区构造特征进行分析, 探讨区域重力变化与断裂构造活动的关系, 以期提高对郯庐断裂带苏皖段潜在地震危险性的认识。

1 重力观测与资料处理

考虑到边界效应的影响, 选取安徽、江苏、湖北东部及山东南部的监测资料(数据来源于国家重力台网中心)。为使整个数据处理过程更加系统、规范, 在对各省测网资料进行系统梳理分析、对公共联测点进行检查核实的基础上, 采用中国地震局推广的实用化攻关软件LGADJ高精度重力测量资料处理系统进行处理, 流程如下:1)采用LGADJ软件对多期重力观测资料进行统一处理, 并对少数误差较大的测段采取粗差剔除方法; 2)为了获取可靠的处理结果, 平差时加入对网形具有良好控制作用的溧阳、南京、淮北等绝对重力点数据进行计算, 获取各测点重力值。各期资料的平差精度见表 1。计算结果表明, 本文数据处理精度较高, 观测资料可靠。

研究区内郯庐断裂带主要位于安徽境内, 从数据资料的连续性、稳定性等因素综合考虑, 选取2013~2016年共4期流动重力观测资料进行处理分析。以2013年平差结果为基准, 将各期平差计算结果与之求差, 得到各期重力场累积变化信息。在此基础上, 采用Kriging法对测区范围内离散重力变化数据进行网格化拟合插值, 网格大小为0.05°×0.05°。利用二维小波多尺度变换原理对重力变化数据进行分解, 得到1~4阶小波变换细节信息。为进一步明确各阶小波分解细节的物理意义, 利用对数功率谱分析方法估算小波分解1~4阶细节对应的近似场源深度, 得到重力变化各阶小波分解细节所反映的近似场源深度值(表 2)。

2 重力场变化与构造活动分析 2.1 不同深度的横向变化及构造活动

纵观各期资料的小波分解结果, 同期资料小波分解所得到的不同阶次小波细节反映了不同深度的重力变化特征。同期资料小波分解后重力变化主要体现在2阶和3阶小波细节中。本文主要展示2013~2016期重力场变化及其小波分解的各阶细节场, 初步探讨不同尺度下郯庐断裂带苏皖段及周边断裂的重力场变化与断裂构造活动的关系。

图 1(a)是未进行小波分解的重力变化等值线图。可以看出, 重力变化总体上呈北部小范围为正、南部大范围为负。受断裂构造活动控制, 郯庐断裂带以东, 断裂带交汇附近出现诸多零星小范围的正重力变化圈闭; 郯庐断裂带以西, 区域大范围负重力变化背景下, 分别形成以南部大别山构造带和北部灵璧为中心的2个负重力异常圈闭, 其中北部异常区沿郯庐断裂带走向附近形成重力变化梯度带。

1阶小波细节图中(图 1(b)), 等值线圈闭范围小且大小不等, 多呈孤立分布, 高频信息丰富, 反映地壳浅层重力变化信息。沿郯庐断裂带附近发育有多个直径不等的串珠状正负重力变化圈闭, 反映地壳浅层规模较小的地质体密度变化信息。

2阶小波分解细节图(图 1(c))主要反映上地壳介质密度变化所导致的重力变化。首先, 沿着郯庐断裂带附近出现规模不等的条带状正负重力变化圈闭, 其中, 五河北段的重力变化幅度较南段高, 重力变化圈闭条带的分布与断裂带走向一致, 具有明显的分段特征, 从北往南主要为:郯城-新沂、定远-肥东及庐江-桐城段表现为负变化圈闭条带, 宿迁-五河、肥东-庐江段表现为正变化圈闭条带, 且正负变化圈闭条带分界主要位于郯庐断裂带与周边深大断裂交汇位置, 主要包括NW向的宿迁-无锡断裂、自来桥-来安断裂, NE向的滁河断裂与淮阴-响水口断裂, 近EW向的肥中断裂、青山-晓天断裂及NW向的桥头集-东关断裂等。值得注意的是, 沿郯庐断裂带走向分布的重力变化圈闭条带及伴生的梯度带在断裂交切位置多发生转折弯曲, 如江苏新沂、宿迁、安徽五河、定远、肥东、庐江及桐城等地区附近。上述重力变化特征反映郯庐断裂带苏皖段上地壳构造活动分布不均, 其中五河北段高于南段。由于郯庐断裂带与周边深大断裂的互相交切破坏了整体性, 导致在区域应力场作用下各段表现出明显的差异, 即在区域应力场作用下断裂构造活动具有分段性特征。其次, 苏鲁造山带南缘的淮阴-响水口断裂沿线形成较为明显的重力变化梯度带, 并在五河、洪泽附近发生转折变化, 而淮阴-响水口断裂分别与郯庐断裂带和宿迁-无锡断裂交汇于五河、洪泽附近, 可能由于活动断裂的相互交切改变了局部受力方式, 导致物质迁移发生变化。上述变化也表明, 重力变化梯度带的转折弯曲较易发生在活动断裂带的交汇部位。滁全凹陷与巢湖-含山隆起分别形成重力负变化与正变化区, 在正负重力变化转变带形成与滁河断裂走向平行的重力变化梯度带, 反映滁河断裂构造活动对局部重力变化可能有一定的控制作用。

3阶小波分解细节图(图 1(d))主要体现了中地壳介质密度变化或物质迁移产生的重力变化。与图 1(c)不同的是, 图 1(d)中正负重力变化圈闭范围进一步扩大, 边界特征更加清晰, 对构造活动的体现也更加直观、明显。郯庐断裂带苏皖段在继承2阶小波分解细节变化总体特征的基础上, 许多变化幅度和空间范围较小的重力变化圈闭区逐渐消失, 重力变化分段数量有所减少, 分段特征更加突出, 如郯城-新沂、定远-肥东及庐江-桐城段依然表现为负变化圈闭带, 新沂-宿迁-五河-定远、肥东-庐江段则为正变化圈闭带。郯庐断裂带西侧的灵璧、五河隆凹构造及郯庐断裂带东侧的淮阴-响水口断裂与宿迁-无锡断裂交汇处形成的负重力变化区进一步增强; 淮阴-响水口断裂东段的重力变化梯度带更加清晰, 沿滁河断裂走向分布的重力变化梯度带在3阶小波细节中依然显著, 反映在中地壳这些断裂仍然可能存在一定的构造活动。大别山构造带的负重力变化区与2阶小波细节相比更加明显, 梅山-龙河口断裂、青山-晓天断裂与霍山-罗田断裂不仅是第四纪活动断裂, 也是地震集中分布的断裂, 尤其在断裂交汇位置霍山-六安地区, 近年来小震活动频繁。

4阶小波分解细节图(图 1(e))主要反映了下地壳较大尺度介质密度变化及深部物质迁移产生的重力变化。与1~3阶细节图相比, 重力变化圈闭范围更大, 小尺度的异常消失, 表现为规模较大的整体性重力变化区。郯庐断裂带江苏段正重力变化, 安徽段负重力变化, 断裂活动分段特征更加简单, 苏皖交界处形成正负重力变化转换带, 中浅部断裂构造活动引起的重力变化现象逐步消失。

2.2 小波细节场动态变化分析

纵观多期重力资料小波多尺度分解结果, 同期资料分解后重力变化主要体现在2阶和3阶小波细节中。因此, 主要选取小波分解2阶和3阶细节场进行讨论(图 2、3)。

从各期累积重力变化小波分解的细节场可见, 郯庐断裂带苏皖段及周边地区重力变化细节值主要集中在-20~20 μGal, 重力变化未见明显的持续性增强或降低异常区, 这与郯庐断裂带苏皖段近年来未发生5级以上地震的背景一致。沿郯庐断裂带苏皖段走向分布的重力变化圈闭带及伴生的梯度带, 在1 a和2 a尺度的小波细节场中体现明显, 而在3 a尺度的细节场中, 五河-宿迁段的强度和分段特征均有所减弱。值得注意的是, 在郯庐断裂带郯城-泗县段附近, 各期的2阶和3阶小波分解细节中均存在重力变化梯度带及不同程度的转折弯曲现象, 考虑到梯度带强度较低, 后期需要继续关注。淮阴-响水口断裂、滁河断裂及自来桥-来安等断裂在1 a和2 a的累积变化小波细节图中均形成沿断裂带走向分布的重力变化梯度带, 而在3 a累积变化小波细节图中减弱或消失(图 2、3)。在大别山构造带, 沿着霍山-罗田断裂一线形成NNE向的由正转负的重力变化梯度带(图 2(a)、3(a)), 这可能与2014-04霍山发生的M_S4.3地震活动有关, 震后该梯度带逐渐消失, 并沿北淮阳构造带形成新的NW向负重力变化带(图 2(b)、2(c)、3(b)、3(c))。该位置是2组方向断裂的交切处, 历史中强地震以及现代中小地震活动频繁, 断裂沿线曾先后发生过1336年霍山西南M_S5 $\frac{1}{4}$地震、1653年霍山东北M_S6.0地震、1917年霍山M_S6 $\frac{1}{4}$地震等7次中强地震, 地震沿断裂呈NE向分布。此外, 溧阳附近呈现负重力变化区, 并且在累积变化图中呈现出逐年增加趋势, 该区域是NNE向与NNW向2组断裂交汇地区, 推测重力变化与区域复杂的断裂展布格局相关, 该区域既是深浅断裂的交汇部位, 也是地震活动较为活跃的地带^[18-19], 历史上曾发生多次破坏性地震, 如1974年、1979年江苏溧阳M_S5.5、M_S6.0地震。

3 结语

本文基于2013~2016年流动重力观测资料, 利用小波多尺度分解方法, 将累积重力变化分解为1~4阶重力变化小波细节, 分别从不同深度层次的横向变化与时间尺度的纵向变化2个方面对郯庐断裂带苏皖段及周边的重力场变化特征进行分析, 获得以下几点认识:

1) 研究区重力总体变化幅度不大, 小波分解细节主要集中体现在2阶和3阶, 反映研究区内中、上地壳断裂构造活动较为复杂, 即重力变化主要由中、上地壳密度改变或断裂构造活动等引起。

2) 研究区内重力变化2阶与3阶小波分解细节显示, 沿郯庐断裂带走向出现规模不等的条带状正负重力变化圈闭及伴生的梯度带, 在断裂交汇位置发生扭转弯曲, 表明郯庐断裂带苏皖段断裂活动分布不均匀, 具有明显的分段活动特征, 与之交切的NE、NW及近EW向断裂对其活动分段具有一定的控制作用; 重力变化4阶小波分解细节相对简单, 只在苏皖交界区形成正负重力变化梯度带。郯庐断裂带东侧的淮阴-响水口断裂、滁河断裂及自来桥-来安断裂形成沿走向分布的正负重力变化转换带或梯度带, 上述重力变化特征反映活动断裂带在中上地壳的构造活动对局部重力场变化可能有一定的控制作用。

3) 通过多期重力变化小波分解细节分析可知, 研究区内郯庐断裂带郯城-泗县段、大别山构造带霍山-六安及江苏溧阳-镇江等地区均出现较为明显的重力变化区或梯度带转折弯曲, 这些地区都具有中强地震发震背景, 鉴于目前重力变化幅度及梯度带强度不高, 后期仍需要继续关注。

致谢: 感谢野外数据采集工作者!