地球物理学报  2010, Vol. 53 Issue (6): 1327-1335   PDF    
利用卫星长波长地球物理位场对东亚地区深部结构的研究
JongSun Hwang1,2 , HyungRae Kim3 , MancheolSuh3 , PatrickT Taylor1 , JanKutina4 , 胡卫剑5     
1. 美国航天局戈达德空间飞行中心行星地球动力学处, 马里兰州 20771;
2. 韩国地球科学与矿产资源研究所石油与海洋资源研究部, 大田 305350;
3. 韩国公州国立大学地质环境科学系, 公州 314701;
4. 美国大学化学系全球构造与成矿实验室, 华盛顿特区 20016;
5. 中国科学院地质与地球物理研究所中国科学院油气资源研究重点实验室, 北京 100029
摘要: 有研究表明从中国北部经黄海、朝鲜半岛、日本海至日本本州岛存在一个大型断裂带,被称为“北纬40°断裂带”.为了验证该断裂带的存在性,本文通过GRACE和CHAMP卫星的位场数据中的大尺度区域重力和磁力异常来研究该区的大型构造特征.区域性研究范围为24°N~56°N, 90°E~150°E,详细研究范围为32°N~42°N, 122°E~132°E.2008年Taylor等利用CHAMP卫星2005年6月至12月收集的轨道数据,从测量数据中消除地核和外部产生磁场效应,经化磁极之后得到磁异常图,从中来追踪构造特征,并根据地质和地球物理资料建立了数学模型来进行解释.本文在此基础上,增加了GRACE卫星2003年10月份测量的重力异常场数据.实测差分位场数据利用高斯-勒让德求积法转换为垂向重力异常值,通过减去最新地球重力场模型(EGM96)的场值来去除波长超过1100 km的长波长异常,所得的重力异常数据和磁场数据进行比较.为了能从中得到研究区的共同构造特征,建立一个球面棱柱模型进行正演模拟、并进行重、磁异常场的波数相关性分析.研究发现在重、磁异常中均发现一个呈负相关的纬向构造特征,东亚地区“北纬40°断裂带”横穿了整个朝鲜半岛.
关键词: 卫星观测      重力      磁力      GRACE卫星      CHAMP卫星      东亚地区     
Long-wavelength geopotential fields study of East Asia from satellite data
Jong Sun Hwang1,2, Hyung Rae Kim3, Mancheol Suh3, Patrick T Taylor1, Jan Kutina4, HU Wei-Jian5     
1. Planetary Geodynamics Branch, NASA/Goddard Space Flight Center, Greenbelt, MD 20771, U. S. A;
2. Petroleum and Marine Resources Research Division, Korea Institute of Geoscience and Mineral Resources, Daejeon 305350, Korea;
3. Dept. of Geoenvironmental Sci. Kongju Nat. Univ., Shinkwan-dong, Gongju, ChungNam 314701, Korea;
4. Laboratory of Global Tectonics and Metallogeny, Department of Chemistry, American University, Washington, D. C. 20016, U. S. A;
5. Key Laboratory of Petroleum Resources Research, Institute of Geology and Geophysics, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100029, China
Abstract: Kutina et al. proposed the existence of a large fracture zone extending from northern China across the Yellow sea, Korean peninsula, East Sea (a.k.a., Sea of Japan) and on to Honshu Island, Japan, which they called the 'Forty-North Fracture Zone'. We investigated this proposed large tectonic feature from making large-scale regional gravity and magnetic anomaly maps by using GRACE and CHAMP satellite potential field data. The regional study area extended from 24° to 56° north latitude and 90°E to 150°E and the detailed area from 32°N to 42°N and 122°E to 132°E. Recently, Taylor et al. constructed the magnetic anomaly maps directly from CHAMP track data collected between June and December, 2005 after removing the core-generated and external fields from the measurements and then reduced these data to the pole to seek any tectonic features. They also produced a mathematical model using available geologic and geophysical information for their interpretation. In this study, we augmented a gravity anomaly field map from the GRACE data measured during a month of October, 2003. The measured potential differences data were converted to vertical gravity anomaly values using Gauss-Legendre quadrature method, and long wavelengths over 1100 km of the anomalies were removed by subtracting the latest EGM96 field to compare with the magnetic data. A curious latitudinal structure was found in both gravity and magnetic anomaly fields that showed an inverse correlation. A forward modeling was performed from using a spherical prism model and the wavenumber correlation analysis between these two anomaly fields was made to delineate the common features over the study area, and these results were discussed in relation to the existence of the 'Forty-North Fracture Zone' in the East Asian region..
Key words: Satellite observations      Gravity      magnetic      GRACE      CHAMP      East Asia     
1 引言

“北纬40°断裂带”是从美国一直延伸到中国的全球尺度的纬向构造[1].在东亚,东西向的燕山-天山带位于40°30'~42°30'N,东西向横穿中国,同时它是全球尺度断裂带的一部分[2].图 1是中国断裂系统简化图[3, 4],从图中可以看出,东西向的燕山-天山带表明纬向断裂带贯穿整个中国东北部. Kutina[1]指出大型矿床和矿床集区的分布不仅与附近上地壳的断裂有关,而且还受地幔中的大型构造间断面控制.识别大陆上这些目前大部分被浅层地质掩盖的深层构造有助于我们确定新的矿产勘查目标区.崔盛芹等[5]对中国东北部的燕山地区进行了三维地震速度层析成像模拟研究,发现了一组东西向断裂一直延伸到中国东部海岸.Taylor等[6]根据卫星磁数据建立一个沿朝鲜半岛北纬40°的地质体模型来模拟研究半岛的地质灾害.Choi[7]利用GRACE和CHAMP卫星重力数据,研究了秦岭-大别山-苏鲁大陆碰撞边界和黄海沉积盆地的地下结构.本文研究中,我们利用卫星的地球物理位场数据(其中包括GRACE卫星的重力数据和CHAMP卫星的磁场数据)描绘地壳特征,正演模拟了卫星重、磁数据,并且根据泊松定理对这些位场数据进行了波数相关性分析,研究东西向燕山一天山带和朝鲜半岛之间纬向延伸的断裂带的存在性,进而核实东亚地区“北纬40°断裂带”的存在.

图 1 中国大地构造简化图显示的秦岭、天山和燕山造山带的位置 K:昆仑造山带;Q:祁连造山带;SCO:华南造山带;S-G:松潘一甘孜增生杂岩带[3] Fig. 1 Simplified tectonic map of China, showing the location of the Qinling, Tianshan, and Yanshan orogenic belt K:Kunlun orogen; Q:Qilian orogen; SCO:South China orogen; S-G:Songpan-Garzê terrane[3]
2 地震和地质资料

图 2是由韩国历史文献总结得到的朝鲜半岛公元2~1904年和1905~2004年期间发生地震的震中图,其震中和强度估计由参考文献[8]得到.在北纬40°以南地震较多,而北部地区地震活动性相对较弱,这表明38°N~40°N的地壳中构造间断面可能是一个断裂带.图 3是朝鲜半岛北纬40°邻近地区的地质图[9],图中蓝色区域代表寒武纪沉积盆地(称为平南盆地),四周是晚元古代盆地(掠色)和太古代盆地(桃色).在朝鲜半岛除平南盆地外,寒武纪沉积盆地很少发现.由地质图可知,断裂模式等地质情况在朝鲜半岛的39°N~40°N纬度带发生了重大变化.该结果和Kuina等[2]的构造研究结果一致.

图 2 朝鲜半岛历史地震震中图 (a)公元2?1904年;(b)公元1905?2004年. A狼林地块;B平南盆地;C楸哥领地堑;D临津江褶皱带;E京畿地块;F太白山地块;G沃川褶皱带;H岭南地块;I庆尚盆地;J郁陵岛;K济州岛[8]. Fig. 2 Korean historical Earthquake Epicenters. (a) from 2 AD to 1904; (b) 1905 to 2004. Major geologic units are marked as follows: A: Nangrim Massif; B: Pyongnam Basin; C: Chugaryeong Graben; D: Imjingang Belt; E: Kyongigi Massif; F: Taebaeksan Massif; G: Okcheon Fold Belt; H: Yongnam Massif; I: Kyongsang Basin; J: Ulreung Island; K: Cheju Island[8].
图 3 朝鲜半岛地质图(韩国地质矿产研究所,Cheae等[9]) Fig. 3 A section from the geologic map of Korea (Korean Institute of Geology and Mining, Chwae et al.[9])
3 卫星位场数据

由于卫星位场数据在一个较高的轨道高度上记录,可以探测下地壳或上地幔中由于岩石学性质或构造变化产生的长波长异常信息.本文研究中,用GRACE和CHAMP卫星重、磁异常数据来研究中国东北部和朝鲜半岛地区存在的地壳间断面. CHAMP卫星磁数据是2005年6至12月在350 km高度轨道上观测的[6].我们选择的2005年6个月期间CHAMP卫星轨道记录,期间卫星轨道高度有微小的变化,并且选择的数据量足以绘制研究区异常图.为了从总磁场中分离出岩石圈的磁场效应,我们使用350 km高度上的国际地磁参考场2005(IGRF2005)模型[10]进行计算.通过波数相关滤波(WCF)去除外部场[11].图 4a为CHAMP卫星的观测点,总轨道足以绘制东亚地区磁异常图.

图 4 (a)CHAMP卫星2006年6月至12月期间的观测轨迹图, (b)GRACE卫星2006年10月为构建重力异常图的观测轨迹图.蓝色和红色圆点分别表示下降和上升轨迹 Fig. 4 (a) CHAMP Orbits observed between June to December, 2006.(b) GRACE orbits during October, 2006 were used to construct the gravity anomaly map. The blue and red dots denote descending and ascending tracks respectively.

在本研究中,我们还利用了GRACE卫星2006年10月的观测记录.差分计算得到差分位场值[12],然后使用高斯-勒让德积分反演法[13]将差分位场转换为垂直自由空气重力异常.图 4b是GRACE卫星2006年10月期间的观测轨迹图.研究中共用了18082个测点,与最短波长为200 km的GGM02C模型[14]和最短波长为111 km的EGM96模型[15]相比,本研究得到的自由空气重力异常图显示出更多细节特征.为了研究地壳重力异常图,我们通过从GRACE卫星数据中减去计算到70阶的EGM96模型值,消除地核和地幔产生的波长超过1100 km的场效应.

图 5是研究区350 km高度上的总磁异常图[6].以北纬40°为界,朝鲜半岛北部为正磁异常,南部为负磁异常,零值等值线划分出两个不同的异常形态,这两磁异常形态的梯度说明该区存在一个断裂带或构造边界.图 6是GRACE卫星350 km高度上测量的自由空气重力异常的垂直分量.图中该区沿39°N~40°N纬度带划分为南、北两部分,南部以正异常为主,而北部以负异常为主.这表明南部为铁镁质地壳,密度高,地壳厚度较大; 而北部为长英质地壳,密度较低.重、磁异常图均表明存在一个39°N~40°N纬度分界线,二者异常形态呈负相关,我们使用泊松定理[16]对磁异常和重力异常进行了更详细的比较计算.

图 5 标量总磁异常图 异常是去除350 km高度上IGRF模型场,并运用波数相关滤波去除外场分量之后得到的,单位:nT,红色为正值、蓝色为负值.异常形态在朝鲜半岛沿39°N~40°N将该区域划分为正异常(北部),和负异常(南部)[6]. Fig. 5 The total scalar anomaly map at 350 km altitude after removing IGRF model and external field components by wavenumber correlation filtering (WCF, von Frese et al., 1997), unit: nT, red positive and blue negative. Note the anomaly pattern in Korea Peninsula along the 39°N~40°N latitude that separate the field into a positive anomaly (north) and negative anomaly (south)[6].
图 6 使用EGM96模型去除长波长(波长大于1100 km)信号后的GRACE卫星350km高度上的重力异常图 单位:mGal,红色为正值、蓝色为负值.异常形态在朝鲜半岛沿39°N~40°N将该区域划分为负异常(北部), 和正异常(南部). Fig. 6 GRACE gravity anomalies at 350 km altitude after removing long wavelengths (> 1100 km) signals using EGM96 Unit: mGal, red positive and blue negative. Note the anomaly pattern in Korea Peninsula along the 39°~40° N latitude that separate the field into a negative anomaly (north) and positive anomaly (south)
4 数据处理 4.1 相关性分析

磁异常具有偶极性,而重力异常为单极性,因此,这两个异常不能直接进行相关性分析.磁力和重力异常相关性理论基础有泊松定理[16]:

(1)

其中δt(r)为总磁异常,为重力异常的一阶径向导数,Δm为场源体的感应磁化强度差,Δσ为同一场源体的密度差,G为万有引力常数.从该关系式可知,重力一阶垂直导数(FVD)和磁异常的化磁极(RTP)彼此相关[16].用傅里叶变换通过波数滤波计算出重力一阶垂直导数,用点源法[17]进行磁异常差分化磁极计算.为了进行有效的比较,使用正则化因子计算每组数据的均值和方差.如果两组异常数据都有零均值和1.0标准偏差,则这两套数据可以用相同的等值线表示.

图 7是由标量磁异常得到的朝鲜半岛正则化磁异常差分化磁极结果图.该图描绘了该区地质特征,一个大型负异常区穿过朝鲜半岛,不同于图 5所示的偶极异常形态.图 8是GRACE卫星正则化重力一阶垂直导数图,图中的异常形态类似于图 6.然而,在运用泊松关系式后,GRACE卫星正则化重力一阶垂直导数和CHAMP卫星磁场数据的正则化差分化极结果的相关性并不明显.运用波数相关滤波器和累计局部有利指数(Summed Local Favorability Indces,SLFI)技术[18, 19],即相关异常在波数域通过设计的滤波器分离正、负相关特征,来对位场异常图进行解释[20].

图 7 朝鲜半岛及其邻近地区CHAMP卫星350 km高度上经滤波和正则化后的差分化极磁异常图(单位:nT,红色为正值、蓝色为负值)[6] Fig. 7 DRTP filtered and normalized CHAMP anomalies over the Korean peninsula and its vicinities at 350 km altitude (Unit: nT, red positive and blue negative)[6].
图 8 朝鲜半岛及其邻近地区GRACE卫星350 km高度上正则化重力一阶垂直导数图(单位:mGal,红色为正值、蓝色为负值) Fig. 8 Normalized and FVD applied to the GRACE gravity anomalies over the Korean peninsula and its vicinities at 350 km altitude (unit: mGals, red positive and blue negative)
4.2 波数相关滤波器(WCF)和累计局部有利指数(SLFI)

波数相关滤波器可利用傅里叶变换将数据转换到波数域,并分析数据集XY之间每个波数k的相关性系数(CCk).数据集在波数域通过相关性滤波器可以分离数据集之间的非相关特征.公式(2)可以计算每个数据集的相关性系数[11].

(2)

局部有利指数是一个衡量两个数据集之间相关关系的简单统计量,以增进对Merriam、Sneath[19]的波数相关滤波器输出的解释.为了加强直接相关特征的认识,标准化数据集的正相关特征的逐点累计称为累计局部有利指数(SLFI):

(3)

SLFI>0表明这两个相关数据集有正相关特征(即波峰-波峰相关性),而SLFI < 0表明两个相关数据集有负相关特征(即波谷-波谷相关性).

研究中,用波数相关滤波法去除正则化差分化极磁异常和正则化重力一阶垂直导数异常中CCk < 0的分量.经波数相关滤波后,通过累加波数相关滤波器的输出结果来得到SLFI值.图 9a为全正SLFI值图,图 9b为全负SLFI值图.正SLFI值图中没有纬向特征,而负SLFI值图中显示出线状趋势特征.图 9b中沿着39°N~40°N纬度带,从中国延伸到朝鲜半岛呈现出一串波谷-波谷(负)相关性特征.负SLFI值地区位于平南盆地附近,可以认为是“北纬40°断裂带”的延伸.从长英质物质可以推断重力一阶垂直导数异常极小值为地幔隆起区,所以深层结构一般表现出极小的磁异常特征[20].在图 5图 6磁力和重力异常中也能得到相同结果.

图 9 累加正则化波数相关滤波器(CC>0)输出结果得到的累计局部有利指数(SLFI)图 (a)所有正SLFI值代表数据集之间为波峰-波峰(正)相关;(b)所有负SLFI值代表数据集之间为波谷-波谷(负)相关. Fig. 9 Summed local favorability indices (SLFI) obtained by adding the normalized WCF (CC > 0) outputs (a) Shows all positive SLFIs that indicate the peak-to-peak correlations between data sets; (b) shows all negative SLFIs that map out the trough-to-trough correlations between the data sets
4.3 正演模拟

正演模拟是由位场异常数据对地下结构进行解释的方法之一.由地震、地质、重力和磁数据表明沿38°N~40°N纬度带有一个构造间断面将朝鲜半岛分开.沿这条界线,用和寒武纪平南沉积盆地几乎相同形状和位置的直角棱柱模型来模拟350 km高度上的卫星磁异常场[6].

图 10a是观测的总磁异常和地震震中的叠加图.磁异常零值等值线就地震活动性将朝鲜半岛划分成南、北两部分,其中北部地区地震活动性相对较低,而南部地区地震活动性较强.图 10b是磁性体模型及其正演模拟的磁异常.蓝色等值线为负异常,红色等值线为正异常,等值线间距为0.5 nT.该模型地质体用来模拟观测数据,是研究区区域地质的简化模型.模型参数:棱柱磁倾角:-15°,磁偏角:-8.9°,磁场倾角:+56°,偏角:-8.9°,磁场强度:52390 nT (从国际地磁参考场-10(IGRF-10th)[10]获得).这表明该地质体为反向磁化的剩磁体.地质体上顶面埋深3 km,下底面埋深5 km,磁化强度为-0.0032(CGS).图 10b将磁性棱柱模型叠加在朝鲜半岛地质图上.棱柱模型的位置、形状和地质图中38°N~40°N蓝色平南盆地非常接近[9].模型正演模拟结果和观测磁异常之间的均方根误差为0.339 nT、相关系数为0.962.这表明该模型能用来模拟磁异常,同时说明在平南盆地存在一个异常体.然而,所有位场模拟都不是唯一解.

图 10 (a) CHAMP卫星观测的总磁异常图, 叠加了公元2~1905年间发生地震的震中[8];(b)模拟CHAMP卫星观测磁异常的磁性模型(黑色矩形), 棱柱体模拟的总磁异常叠加在朝鲜半岛的地质图上[9].(单位:nT, 红色为正值、蓝色为负值) Fig. 10 (a) Total magnetic anomaly field observed by CHAMP, superimposed on a epicenters of earthquakes occurring from 2 to 1905 A.D.[8]; (b) Magnetic model used to represent the observed CHAMP magnetic anomaly (black box) and total magnetic anomaly by prism model with geology map of Korea[9], (unit:nT red positive and blue negative)

图 11a是GRACE卫星重力异常图.图 11b为重力模型,其中叠加在朝鲜半岛地质图上较大的黑色边框模型,范围为125.0°E~126.8°E,38.5°N~40.0°N,该棱柱上顶面埋深0.5 km,厚度为1.5 km,密度差为-0.24 g/cm3.另一棱柱模型设在朝鲜半岛东南部,范围为128.4°E~129.2°E,36.5°N~37.5°N,该棱柱体上顶面埋深1 km,厚度为9 km,密度差为0. 16 g/cm3.图中蓝色等值线代表负值,红色等值线代表正值,等值线间距为1 mGl图 11a中零值等值线将朝鲜半岛分割成两部分,北部地区的重力异常相对较低,而东南部地区的重力异常相对较高.因为在重力异常图有许多异常形态特征,所以正演模拟的重力异常和GRACE卫星重力异常不能精确的吻合.但是均具有零值等值线沿西南-东北向对角线划分朝鲜半岛的异常形态特征.模型正演模拟结果和观测重力异常之间的均方根误差为0. 116 mGal、相关系数为0.834.

图 11 GRACE卫星350 km高度上测量的重力异常图(a);使用GLQ正演棱柱体得到的重力异常(b) (单位:mGal, 红色为正值、蓝色为负值) Fig. 11 Gravity anomalies from (a) GRACE satellite at 350 km altitude, (b) forward prism-shaped models (black boxes) using GLQ (unit:mGal red positive and blue negative)

有很多模型可以满足GRACE和CHAMP卫星在朝鲜半岛的观测值,但我们的模拟结果和重、磁异常形态具有一致性,而且异常体和平南盆地的位置也非常吻合.结果表明,平南盆地可能起初是北部边界的断裂带,随后被沉积物充满.负密度差和磁化率差,是典型沉积盆地特征,和周围地区相比较,表现为低密度和低磁化率.重、磁建模模拟结果指出在3 8°N~40°N之间区域为异常区,同时验证了“北纬40°断裂带”横穿整个朝鲜半岛.

5 结论和讨论

从朝鲜半岛及其周边地区的长波长重磁异常图中寻找Kuina等(2007年)预测存在的“北纬40°断裂带”这一东西走向的构造分界线.

自公元2年以来朝鲜半岛的地震活动性在北纬40°附近将半岛分为南、北两部分,北部地区的地震活动性低,而南部地区地震活动性相对较强.同样GRACEP和CHAM卫星的重、磁异常也反映出半岛沿北纬40°分南、北两部分的特征.在朝鲜半岛地质图中也发现北部边界的平南盆地和这条地震活动性分界线重合.

CHAMP卫星磁异常数据反映沿39°N~40°N存在异常形态,GRACE卫星重力异常数据也表明存在沿39°N~40°N的边界线,而且在模拟结果中均为不连续性地质体.这些地球物理位场数据呈负相关,这意味着南部地壳以埋深较深的铁镁质为主,而北部地壳则以长英质为主.根据泊松定理,对自由空气重力异常正则化一阶垂直导数和磁异常正则化差分化极进行了相关性分析.运用波数相关滤波法来提取重、磁异常的共同特征,通过累计局部有利指数(SLFI)计算,来加强重、磁数据间直接相关特征的认识.负SLFI值图中从中国东部到朝鲜半岛(可能延伸到日本)反映出纬向特征.负SLFI值区接近于“北纬40°断裂带”延伸线上的平南盆地.重、磁建模模拟结果指出在38°N~40°N之间区域为异常区,同时验证了“北纬40°断裂带”横穿整个朝鲜半岛.

致谢

感谢韩国国土、运输、海洋事务部和韩国公州国立大学2008年新教授计划的支持.感谢中国科学院地质与地球物理研究所安排2008在中国大理举行的第三次黄海和邻近地区地质地球物理特征专题讨论会.同时感谢郝天珧研究员的热情帮助和鼓励,感谢匿名审稿专家提出的宝贵意见!

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