云南地区位于青藏高原的东南边缘，是印度板块与欧亚大陆北东向碰撞挤压的前沿地带和深部物质逃逸地带，同时也是青藏高原与扬子地块、印支地块交接的过渡地带(图 1)(胥颐等, 2013；常利军等, 2015).所以，这个地区是探讨印度—欧亚板块碰撞造成陆内变形及其动力学过程的关键地区，已成为地质、地球物理场研究的重要场所.

图 1

Fig. 1

图 1 云南地区地质构造简图 Ⅰ-腾冲地块，Ⅱ-保山地块，Ⅲ-思茅地块，Ⅳ-滇中地块，Ⅴ-滇东地块，Ⅵ-华南地块.F1-怒江断裂，F2-澜沧江断裂，F3-丽江—小金河断裂，F4-红河断裂，F5-程海断裂，F6-绿汁江断裂，F7-小江断裂，F8-康定—奕良—水城断裂，F9-弥勒—师宗—水城断裂. Fig. 1 Simplified map showing geological structure in Yunnan Ⅰ-Tengchong block, Ⅱ-Baoshan block, Ⅲ-Simao block, Ⅳ-Middle Yunnan block, Ⅴ-Eastern Yunnan block, Ⅵ-South China block. F1-Nujiang fault, F2-Lancangjiang fault, F3-Lijiang-Xiaojinhe fault, F4-Red River fault, F5-Chenghai fault, F6-Lvzhijiang fault, F7-Xiaojiang fault, F8-Kangding-Yiliang-Shuicheng fault, F9-Mile-Shizong-Shuicheng fault.

云南地区自西向东分布有怒江断裂、澜沧江断裂、红河断裂、小江断裂、康定—奕良—水城断裂和弥勒—师宗—水城断裂.这些断裂带把云南地区划分为腾冲地块、保山地块、思茅地块、滇中地块、滇东地块和华南地块等构造单元, 构成了云南地区的构造格架(孙长青等, 2013; 王琼等, 2015).其中，丽江—小金河断裂、红河断裂，康定—奕良—水城断裂和弥勒—师宗—水城断裂带所围的区域也称为菱形地块.

对云南地区磁异常的观测和研究，以往的工作已有所涉及.例如：利用地面磁测、航空磁测和卫星磁测资料绘制的中国地区磁异常图(陈斌等, 2016; 安振昌等, 1996; Ou et al., 2013)、青藏高原磁异常图(Hemant and Mitchell, 2009)等通常都涵盖了云南地区.但由于涉及区域过大，加之云南北部的四川盆地的正异常、西部的喜马拉雅山—龙门山负异常带特别强(Kang et al., 2012)，人们往往只关注这些强磁异常的特点，因而缺乏对地壳磁异常与地质构造关系的系统分析.此外，地震、重力等研究表明，在青藏高原东南缘，大约在28°N南北有不同的构造特征(吴刚等, 1990；楼海等, 2005; 申重阳等, 2015).因此，基于地磁场嵌套式研究思路(朱岗崑等，1985)，研究云南地区地壳磁异常的局域特征，从更小的空间尺度探讨磁异常与地质构造的关系，有利于深入认识该区域复杂的地质构造和演化.

地壳磁异常成因多样，历史演变复杂，因此，需要与地质、地球物理其他分支学科相结合，开展综合研究.在云南地区，先后开展的多条人工地震测深剖面和大量的宽频带流动地震台站的观测与研究，揭示了地壳的分层结构和地震波速度异常(李永华等, 2009；徐小明等, 2015)；重力学方法给出了重力异常和地壳密度非均匀性(楼海等，2005)；地热学方法给出了大地热流分布规律(向才英等, 2000).这些研究为探讨磁异常与地质、相关地球物理场的联系提供了有利的条件.

地壳磁异常是不同空间波长成分叠加后的综合效应.使用地磁场高阶球谐模型，可以方便地计算地磁场各个要素，研究各种成分的变化规律.国际上已建立了多种高阶磁场模型(徐文耀等, 2008, 徐文耀, 2009; Olsen et al., 2015).其中，美国地球物理数据中心(NGDC)将各种磁测资料融合在一起构建的NGDC-720模型(Maus, 2010)，是较为完善的高阶磁场模型之一.

本文利用NGDC-720模型，计算并分析云南地区地壳磁场3个矢量分量的(ΔX、ΔY和ΔZ)空间变化，重点考察垂直分量ΔZ及其梯度的空间分布和衰减特征，不同波长成分对总体磁异常的贡献.将上述磁异常与重力异常和大地热流、地震活动相比较，探讨磁异常与地质构造、相关地球物理场的联系.

在地磁观测中主磁场和地壳磁场叠加在一起，到目前为止理论上还不能将它们完全分离.但是，根据地磁场能谱随谐波阶次的变化规律，通常认为球谐阶次n≤13阶为地核场，n=14~15阶是地核和地壳磁场的过渡，n≥16阶为地壳磁场(Thébault et al., 2010).这就为地壳磁场定量计算提供了依据.

根据地磁场球谐级数理论，地磁位函数的表达式为

(1)

式中，a是地球半径(6371.2 km)，r是地心距，θ和λ分别是地理余纬和地理经度，P_n^m(cosθ)是n阶m次Schmidt准归一化缔合Legendre函数，g_n^m和h_n^m是地磁位的球谐模型系数.对地磁位函数求导数，可得到地磁场北向X、东向Y和垂直向Z这3个直角坐标分量(X=∂U/r∂θ，Y=-∂U/rsinθ∂λ，Z=∂U/∂r)，取n≥16，可以直接计算地壳磁场北向分量ΔX、东向分量ΔY和垂直分量ΔZ，公式为

(2)

(3)

(4)

对于地壳磁场水平分量ΔH、总强度ΔF、磁偏角ΔD和磁倾角ΔI的计算，一般采用间接计算的方法.根据地磁场各要素之间的关系式，，F=, D= arctan(Y/X)，I=arctan(Z/H)，首先分别计算出各个分量的总磁场(n=1~720) 和地核场(n=1~15)，然后用各个分量的总磁场减去地核场，剩余部分即为各个要素的地壳磁场.

将各个磁场分量分别对经度λ、极角θ和地心距r求偏导数(安振昌等, 1991; 高国明等, 2012)，即可得到各个分量的东西向、南北向和垂直向梯度的表达式.本文研究中，研究区域为21°N—29°N, 97°E—106°E，计算网格点为0.1°×0.1°.在地域上除云南外，还包括四川、贵州、广西部分地区，以及越南、缅甸北部的部分地区.

根据NGDC-720模型，图 2给出了ΔX、ΔY和ΔZ在地表的磁异常分布，以及垂直分量ΔZ在东西向、南北向和垂直向的梯度分布.可以看出，各个分量的磁异常分布形态、走向和强弱有一定差异，但是也有明显的共同特点.在菱形地块，各个分量的磁异常相对较强，展布较为复杂，以点状、团状和带状分布为主，正负磁异常交错出现.丽江—小金河断裂、红河断裂带以西的腾冲、保山、思茅地块，以及华南地块的磁异常较弱.红河断裂带附近分布着清晰的串珠状正负磁异常条带，并一直向南延伸至越南北部地区.仔细观察发现，虽然3个分量的磁异常带沿红河断裂带的走向相近，但异常带的位置并不相同.例如：ΔX和ΔY分量中，红河断裂位于负异常带，正异常带位于断裂南部，对于ΔZ分量，红河断裂则位于正异常带，其两侧为负异常带.由于菱形地块和红河断裂南部的磁异常相对较强，表 1列出这两个地区的正负磁异常位置和极值.从表 1可以看出，ΔZ分量的异常强度最大，我们重点考察ΔZ的异常特征.

图 2

Fig. 2

图 2 云南地区地表磁异常ΔX、ΔY、ΔZ和梯度∂(ΔZ)/∂λ、∂(ΔZ)/∂θ、∂(ΔZ)/∂r的分布 Fig. 2 Distribution of magnetic anomalies including ΔX, ΔY, ΔZ and their gradients ∂(ΔZ)/∂λ, ∂(ΔZ)/∂θ and ∂(ΔZ)/∂r in Yunnan

表 1 Table 1

表 1 滇中地块和红河断裂东南部正负磁异常极值的位置和强度 Table 1 Location and intensity of extreme values of positive and negative magnetic anomalies in middle Yunnan block and southeast of Red River fault 地磁 分量 滇中地区 红河断裂东南部 经度 /°E 纬度 /°N 极值 /nT 经度 /°E 纬度 /°N 极值 /nT ΔZ 101.8 25.7 139.1 104.0 21.5 216.6 102.6 26.7 -116.0 104.5 21.4 -257.9 ΔX 102.6 24.5 -109.7 104.5 21.1 -168.9 102.6 24.9 81.3 104.5 21.6 90.3 ΔY 101.6 25.7 102.2 104.2 21.4 -218.1 101.8 28.0 -95.8 104.7 21.4 93.4

表 1 滇中地块和红河断裂东南部正负磁异常极值的位置和强度 Table 1 Location and intensity of extreme values of positive and negative magnetic anomalies in middle Yunnan block and southeast of Red River fault

垂直梯度∂(ΔZ)/∂r的分布格局、异常走向、焦点位置与ΔZ磁异常基本相同，正负异常的分界更清晰.例如：各个分量的梯度异常清楚显示出沿红河断裂带的串珠状分布特征.在菱形地块，东西向梯度∂(ΔZ)/∂λ异常为南北走向，南北向梯度∂(ΔZ)/∂θ异常以东西走向为主.

地壳磁场的衰减快慢与磁源体埋深和尺度规模有直接联系，通过磁异常衰减特点可以了解磁异常源的深浅构造特征.将地表磁异常向上延拓，图 3a、b、c给出地表以上10、25、50 km的ΔZ异常分布.随着高度的增加，分布形态越来越简单.在25 km高度，菱形地块、沿红河断裂带的磁异常分布还有微弱显示.但在50 km高度，这些正负磁异常带几乎消失，与腾冲、保山、思茅等地块的弱磁异常相差无几.而云南北部的四川盆地正磁异常、西部的喜马拉雅负磁异常在400 km高度仍然清晰可见(Kang et al., 2012; Gao et al., 2015a, b).与之相比，菱形地块的磁异常衰减较快，场源相对较浅.

图 3

Fig. 3

图 3 ΔZ磁异常随高度的衰减(a，b，c)和航磁异常(d) Fig. 3 Decay of magnetic anomalies of ΔZ with height (a, b, c) and aeromagnetic anomalies (d)

在NGDC-720模型中，一部分地区并没有航磁数据(Maus et al., 2009).图 3d给出研究区域的航磁异常(空白区为无航磁测量).可以看出，有航磁覆盖的地区，航磁异常与模型计算的磁异常(图 2c)分布形态相近.图 3a、b、c显示，在98°E以西，24°N—26°N附近的正磁异常，从地表到50km高度衰减很慢.这个地区没有航磁测量数据，反映的异常主要是卫星磁异常，属于印度东北部正磁异常的一部分，异常中心在印缅边界霍马林地区(Kang et al., 2010).

为了深入认识云南地区地壳磁异常特点，我们将地壳磁场分为卫星磁异常和中短波长磁异常两部分.卫星磁异常采用Champ、Oersted和Swarm卫星资料构建的最新的岩石圈磁场模型POMME-10(http://geomag.org/models/index.html)，最大截止阶数为133阶，对应的空间波长为300 km，反映的是地壳深部磁性体产生的长波磁异常.图 4a、b、c给出ΔX、ΔY、ΔZ分量的卫星磁测的异常分布.中短波长带磁异常使用NGDC-720模型(n=134~720阶)计算(图 4d)，反映中上层地壳磁性物质产生的异常.

图 4

Fig. 4

图 4 不同波长带的磁异常分布 Fig. 4 Distribution of magnetic anomalies in different wavelength bands

各个分量的卫星磁异常分布形态简单，但是仔细观察发现，在滇中地块卫星磁异常存在明显的磁偶极场特征.如图 4a、b、c所示，ΔZ分量在滇中地块存在正异常，异常中心(101.3°E，26.0°N)的强度为52.5 nT，位于滇中坳陷区(孙洁等, 1989)的元谋盆地，ΔX分量在其南北方向分别有正负异常中心，而ΔY分量则在东西方向有正负异常中心.这一现象反映出滇中坳陷区相对稳定磁性基底特征.

在菱形地块和沿红河断裂带，中短波长磁异常(图 4d)与地表磁异常(图 2c)的分布类似，进一步说明这些地区的地壳磁异常主要是地壳中部和浅部的磁性物质的贡献.

为了进一步了解不同波长带的磁异常分布的地球物理意义，我们采用径向平均功率谱分析方法，计算不同波长带的磁异常对应的等效磁源深度(Spector and Grant, 1970; Bhattacharyya and Leu, 1975; Vallée et al., 2004).使不同波长带的磁异常有对应的磁源深度概念.图 5a和b分别给出卫星磁异常(16~133阶)和中短波磁异常(134~720阶)的等效磁源深度.卫星磁异常的拟合效果较好，等效深度为31 km.中短波磁异常的拟合效果相对较差，等效深度为10 km，与地震波反演的云南地区上地壳深度(张智等，2008)基本一致.

图 5

Fig. 5

图 5 不同波长带磁异常的等效源深度 Fig. 5 Equivalent source depths of magnetic anomalies in different wavelength bands

根据国际重力测量局(BGI)公布的2′×2′全球重力异常数据WGM2012(Balmino et al., 2012)，我们绘出云南地区的自由空气重力异常和布格重力异常.自由空气重力异常(图 6a)与地形镜像关系明显，清晰的显示了断裂带的位置和走向，特别是沿红河断裂带的正负异常与磁异常有相同的走向特点.布格重力异常(图 6b)正负异常分布在-456~147 mGal之间，除东南部和98°E西边的部分地区为正异常外，研究区内主要是负异常.总体上由东南到西北逐渐降低，在此之上，叠加了各种强度不等的局部异常.

图 6

Fig. 6

图 6 云南地区自由空气异常(a)和布格重力异常(b) Fig. 6 Free-air gravity anomalies (a) and Bouguer gravity anomalies (b) in Yunnan

布格重力异常反映的是地壳内各种偏离正常地壳密度的地质体.楼海等(2005)通过重力异常反演了云南地区的地壳密度，比较磁异常与地壳密度的分布发现两者有较好对应关系.例如：红河断裂以西地区重力异常的密度相对较低，磁异常为负异常或弱异常.滇中地块高低密度相间分布，磁异常为团状、带状正负相间分布.丽江—小金河断裂带是重力异常密集的梯级带，是磁异常强弱的分界地区；沿红河断裂附近分布着一系列局部高低密度异常，而沿断裂带分布着串珠状磁异常.

从图 6b可以清楚的看出，在小江断裂带两侧布格重力异常无明显变化.滇中负异常区一直向东延伸至康定—奕良—水城断裂、弥勒—师宗—水城断裂，与磁异常显示的菱形地块东部边界基本一致.上述分析表明：虽然地壳磁异常与重力异常反映的地壳介质的物理属性不同，两者的异常分布形态没有可比性.但是，重力异常表示的地壳密度不均匀性，则与磁异常的正负或强弱有较好对应关系.

根据中国地区大地热流值数据汇编(胡圣标等, 2001; 姜光政等, 2016)，云南及邻近地区钻孔测温得出的大地热流观测值共有63个，平均热流值为74.125 mW·m^-2，高于全球大陆热平均值65 mW·m^-2，也高于中国大陆整体的平均热流值63 mW·m^-2.热流测点主要分布在滇西的腾冲地区，滇中地块.我们计算了热流测点值大于90 mW·m^-2所在地点的磁异常值(表 2)，通过比较发现：腾冲、昆明、大理、丽江等大地热流值较高的地点，磁异常为负异常或强弱过渡区.上述高热流区位于怒江断裂带、丽江—小金河断裂带、金沙江—红河断裂带、几条深大断裂附近(Zhang, 2013)，强烈的构造活动使这些地区的活动中心地带具有高地热特征.腾冲地区是新构造活动最强烈的火山地热区，位于欧亚大陆、印度次大陆和太平洋板块几大地体的交汇前缘，新构造活动强烈.地壳磁异常研究表明：造山带、活动构造带往往呈现负磁异常或弱磁异常(徐文耀，2009).所以，云南地区地壳磁异常和大地热流之间的关系与区域构造有密切联系，其原因尚值得深入的研究.

表 2 Table 2

表 2 大地热流与磁异常的对比 Table 2 Contrast of terrestrial heat flow values and magnetic anomalies 地名 经度 /°E 纬度 /°N 热流值 /(mW·m-2) ΔZ磁异常 /nT 腾冲 98.48 25.03 118.0 7.22 昆明 102.80 25.67 112.3 21.84 大理 100.33 25.65 103.4 8.66 剑川 99.83 26.43 98.5 -22.02 丽江 100.20 25.57 82.9 -30.55 峨山 102.17 24.15 92.1 -58.89

表 2 大地热流与磁异常的对比 Table 2 Contrast of terrestrial heat flow values and magnetic anomalies

研究区域位于中国南北地震带南段，强震活动频发.根据中国地震台网中心公布的地震目录(http://data.earthquake.cn)，1970年以来研究区共发生6.0级以上地震45次，其中7.0级以上地震7次(图 7).为了定量比较磁异常强弱分布与强地震活动的关系，我们统计了6级以上地震震中位置的磁异常强度.限于篇幅，表 3仅列出7级以上地震发生地点的经纬度、震级和磁异常值.震中位置的正磁异常最大的丽江地震，其ΔZ值只有51 nT.比较表 1和表 3可以看出，震中位置各个分量的磁异常相对较弱.6.0~6.9级地震震中位置的磁异常的统计结果亦如此，上述统计结果反映了云南地区强地震主要发生在磁异常为负值或较弱的区域.这一结果与汶川地震的主震、余震活动发生在龙门山负异常带的结果相一致(Zhang et al., 2009；闫亚芬等，2016).在研究云南地区强烈地震发生危险区预测时，可以将强地震主要发生在磁异常较弱的区域作为一个参考条件.

图 7

Fig. 7

图 7 ΔZ异常和1970年以来MS≥6.0级的地震分布 Fig. 7 Anomalies of ΔZ and earthquake distribution of MS≥6.0 since 1970

表 3 Table 3

表 3 1970年以来MS≥7.0地震震中位置的磁异常强度 Table 3 Magnetic anomaly intensity and epicenter location of earthquakes MS≥7.0 since 1970 地震名称 发震时间 震中位置 震级Ms 深源深度/km ΔX/nT ΔY/nT ΔZ/nT φ/(°) λ/(°) 通海地震 1970-01-05 24.10 102.68 7.4 13 -6.0 4.1 -57.3 大关地震 1974-05-11 28.10 104.00 7.1 14 21.0 -3.4 13.9 龙陵地震 1976-05-29 24.50 99.00 7.3 24 -3.9 -41.2 -18.6 龙陵地震 1976-05-29 24.60 98.70 7.3 21 11.1 -50.2 -10.3 澜沧地震 1988-11-06 22.83 99.72 7.4 13 -5.0 -31.8 38.5 耿马地震 1988-11-06 23.16 99.55 7.2 16 -7.3 -23.2 31.0 丽江地震 1996-02-03 27.30 100.22 7.0 10 23.2 -68.8 51.0 中缅边界 1995-07-12 22.00 99.30 7.3 10 19.4 -12.8 10.0

表 3 1970年以来MS≥7.0地震震中位置的磁异常强度 Table 3 Magnetic anomaly intensity and epicenter location of earthquakes MS≥7.0 since 1970

磁异常分布与断裂带的关系较为复杂.从磁异常及其梯度的分布(图 2)可以看出，怒江、澜沧江、小江等断裂带两侧的地壳磁异常强弱没有明显差别.但是，围限菱形地块的4条断裂带是磁异常的强弱过渡带.沿红河断裂带附近分布的串珠式的磁异常条带，一直向东南延伸至越南北部地区.这一现象可能与沿着红河断裂附近的雪龙山、点苍山、哀劳山和越南的象背山形成长约900 km，宽约10~20 km变质岩带(胥颐等, 2003)有关.已有的研究表明：红河断裂带是欧亚板块与印度板块的分界线，其东边一直延伸入南海(徐鸣洁等, 2005；Liu et al., 2006).丽江一小金河断裂、红河断裂以西地区磁异常较弱，以东地区磁异常相对较强的特征，支持了青藏高原地块与杨子地块以这两条断裂带为分界的推测(Zhong et al., 2005).

关于菱形地块的东部边界问题.按地震活动构造划分，通常将鲜水河断裂带—安宁河—小江断裂、金沙江断裂带—红河断裂带所围区域称为川滇菱形地块，中间以丽江—小金河断裂为分界，其北部称为川西北地块，南部称为滇中地块(Kan et al., 1986; Yi et al., 2008).东部边界通常以安宁河、则木河断裂、小江断裂为界.但是，从图 2各分量的磁异常分布可以看出小江断裂两侧磁异常并无明显差异.磁异常较强的区域一直扩展到小江断裂以东地区，布格重力异常的陡变带与磁异常一致，大致以康定—奕良—水城断裂和弥勒—师宗—水城断裂为界.地质研究表明：小江断裂带两侧地层、构造、矿产等方面有诸多相似特征(王宝碌等, 2004).因此，从布格重力异常、磁异常分布看，菱形地块的东边界应以康定—奕良—水城断裂和弥勒—师宗—水城断裂来划分.这是磁异常与地震活动构造分区的一个重要区别.

云南地区地壳磁异常分布的大地构造、地球动力学意义.从板块构造的观点看，由于近南北向俯冲的印度板块和欧亚大陆碰撞，青藏高原北面受西伯利亚地台阻挡，这种构造格局下的结果，一方面以高原地壳增厚来吸收南北方向的强烈挤压作用, 另一方面在东西方向寻求物质逃逸的通道(Huang et al., 2003; Schoenbohm et al., 2006; Gao et al., 2015a, b), 受高强度块体四川盆地的阻挡，物质东流双分叉为东北向和东南向.云南地处高原东南部, 成为高原物质东流的重要通道.白登海等(Bai et al., 2010)通过大地电磁深测发现，在青藏高原存在两条巨大的中下地壳低阻异常带，通过理论计算认为是两条中下地壳的弱物质流通道.一条从拉萨地块沿雅鲁藏布缝合带向东延伸，环绕东喜马拉雅构造结向南转折，最后通过腾冲火山；另一条从羌塘地体沿金沙江断裂带、鲜水河断裂带向东延伸，在四川盆地西缘转向南，最后通过小江断裂和红河断裂之间的菱形块体.从磁异常的分布、走向特点看，四川西部和三江等新生代造山带的弱磁或负磁异常，近似弧形分布，一直延伸到腾冲地区，与上述第一条物质流通道对应.但是，通过小江断裂和红河断裂带之间的物质流通道，从地表磁异常分布、磁异常的衰减和卫星磁异常特征，以及布格重力异常的分布、走向看，并没有显示出与上述第二条通道相关的异常特征.

根据NGDC-720模型，给出了云南地区地壳磁异常的分布、衰减、梯度变化等的基本特征.丽江—小金河、红河断裂带以西的三江、滇西造山带的磁异常较弱，菱形地块的异常相对较强，分布形态复杂.沿红河断裂带分布有清晰的正负异常带，异常走向与断裂带走向一致.磁异常随高度的衰减和不同波长带的磁异常分布表明：研究区域的地壳磁异常是在弱磁背景上叠加着中短波长的异常，属于浅源异常.卫星磁异常显示滇中坳陷区为正异常基底.

地壳磁异常与重力异常、地震活动、地热场分布存在对应关系.磁异常的强弱分布与布格重力异常反映的地壳密度存在正变关系.强烈地震发生地点、大地热流值高的地区，地壳磁异常为负值或相对较弱.磁异常分布表明：围限菱形地块的4条深大断裂带是磁异常强弱的过渡带.川西、三江造山带至腾冲地区的弧形弱磁异常分布与大地电磁深测发现的中下地壳低阻异常带，即中下地壳的弱物质流通道相对应.布格重力和磁异常的分布均显示，菱形地块的东部大致以康定—奕良—水城断裂和弥勒—师宗—水城断裂为界.

利用高阶地壳磁场模型，可以多角度描述地壳磁异常的基本特征，探讨磁异常与相关地球物理场、区域地质构造的关系.但由于云南地区地质构造复杂，地壳磁异常信息丰富, 对磁异常原因的完整解读, 特别是磁异常衰减与磁源深度、磁异常与岩石圈热构造、地震活动构造的关系，还需要进行深入的专题研究.