地球物理学进展  2014, Vol. 29 Issue (6): 2620-2627   PDF    
三江盆地重磁场特征与深部结构
周稳生, 董平 , 王良书, 孙斌    
南京大学地球科学与工程学院, 南京 210046
摘要:三江盆地位于古亚洲洋域和滨太平洋域的叠加区域,是东北盆地群的典型盆地之一.研究三江盆地的深部结构,包括基底、地壳密度、莫霍面和居里面等,有利于解决盆地群地球动力学等基础性问题.本文在研究布格重力异常和航磁异常数据基础上,结合其他地质资料,利用小波多尺度分解对三江盆地重磁场进行四阶分离,结合对数功率谱确定1-4阶细节异常的视深度,提取盆地深部界面信息.以盆地重磁异常的2-3阶细节异常之和进行水平方向一阶导数计算,以此强化不同方向上的基底断层的线性表现,并据此划分出5条深断裂.根据重力异常四阶逼近,利用Parker 法反演了研究区的莫霍面深度,研究表明,研究区莫霍面深度介于29.5~30.5 km之间,总体上西北高,东南低.以航磁异常的4阶逼近反演了研究区居里面深度,其总体上是北低南高,深度介于21~24 km之间.
关键词三江盆地     重磁异常     小波多尺度分解     莫霍面     居里面    
Gravity and magnetic anomalies and deep structure in the Sanjiang Basin
ZHOU Wen-sheng, DONG Ping , WANG Liang-shu, SUN Bin    
School of Earth Sciences and Engineering, Nanjing University, Nanjing 210046, China
Abstract: The Sangjiang Basin is one of the typical basin among the NE China Basin Groups,which is situated in the northeast of NE china. The analysis of the basin's deep tectonics, including the basement,crustal density, Moho and Curie, will be conducive to the solution of fundamental promblems in geodynamics.This research is based on Bouguer gravity and aeromagnetic anomalies data, combined with other geology data.The gravity and magnetic methods are commonly used in basin structural research which have better horizontal resolution than seismic profiling exploring. Forward and inversion modeling approaches, such as Wavelet Multiscale Decomposition, Logarithmic Power Spectrum Analysis, Horizontal derivative method and Parker method, are utilized in this research. Gravity and magnetic anomalies of the Sanjiang Basin mainly strike NNE and NE, followed by WE, which indicates that the pre-existing WE Paleo-Asian Ocean tectonics domain superposed and modified by the NE Pacific domain.Zoning characteristics of gravity and magnetic fields prove a significant mosaic tectonic background of the study area.Gravity and magnetic fields of Sanjiang Basin are separated with Wavelet Multi-scale Decomposition of order 4. The apparent depths of causative sources were then assessed by Power Spectrum Analysis of each order.Low-order wavelet detail anomalies were used to study the basin's basement structure such as major faults, the basement lithology, uplifts and depressions. High-order ones were used for the inversion of Moho and Curie discontinuities using the Parker method.To extract linear basement faults, the first derivative of the Summation of details of order 2-3 wavelet gravity and magnetic is calculated. Finally, 5 major basement faults are identified in the study area and their occurrence characters are established after the gravity gradient belt characteristics are enhanced.The 4th order gravity magnetic approximation anomalies after Wavelet Multiscale Decomposition may reflect the 3D shape of the Moho and Curie in the Sanjiang Basin. Based on order 4 approximation of gravity anomalies, the Moho depth of the study area is inversed using Parker method. The depth of the study area ranges from 29.5 km to 30.5 km with high value in the northwest and low value in the southeast,that of the northwestis deep while that of the southeast is shallow.Based on order 4 approximation of magnetic anomalies, the Curia depth of the study area is also inversed using Parker method. The Curia depth of the study area ranges from 21 km to 24 km with high value in the north and low value in the south.
Key words: Sanjiang Basin     gravity and magnetic     wavelet multi-scale decomposition     Moho     Curie    
0 引 言

三江盆地位于黑龙江省东北部,西起佳木斯,东达乌苏里江,南达完达山麓,北临黑龙江,与俄罗斯中阿穆尔盆地为同一盆地(见图 1).长期以来,对三江地区的构造演化研究较多,但基于重磁数据结果的三江盆地深部结构特征研究却不多.张守本、侯丽君曾用解析延拓法对三江盆地做过基岩埋深的研究(张守本和侯丽君,1981).孙鹏飞与吴燕岗分析了东北地区的重、磁场特征,同时对研究区的布格重力异常和航磁异常数据进行水平和垂直求导,并利用求重力和磁力的水平和垂直二阶导数来划分东北地区梯度带(孙鹏飞和吴燕冈,2007).胡旭芝等通过分析航磁异常场,认识研究区的构造特征,并利用航磁异常数据的功率谱法反演了居里等温面(胡旭芝等,2006).

图 1 三江盆地地质构造图(根据(孙斌,2013)、(董林森,2008)修改) Fig. 1 Map showing geological structure of the Sanjiang Basin

近年发展起来的小波分析方法,在信号处理、故障监控、图像分析等很多学科领域得到越来越广泛的应用,在重磁勘探领域的应用也取得了较好的效果.高德章等采用二维小波多尺度分解技术,对东海及邻区自由空间重力异常进行分解,得到了沉积基底面和莫霍面产生的重力异常(高德章等,2000).SUN Bin等以小波多尺度分解结合对数功率谱分析海拉尔盆地深部结构,取得了良好的效果(Sun et al., 2012).方东红等对实际数据处理结果表明:采用基于小波变换的方法完成导数处理,结果对地质填图中地质体边界的划分和磁性地层参数分析提供了重要的资料,也为采用基于导数的位场数据反演解释方法提供了优良的基础资料(方东红等,2008).

侯遵泽与杨文彩利用二维小波多尺度分析方法对中国布格重力异常进行了分解,并指出区域异常场来源于不同深度和尺度的源体,它们反映了岩石圈的不均匀性(侯遵泽和杨文采,1997).谢天峰应用小波多尺度分解的方法对重磁数据进行了分析,并结合常规处理结果,对研究区的断裂系统进行了讨论(谢天峰,2008).闫玉梅等通过对松辽盆地南部十屋断陷重磁资料的处理分析,使用离散的二维小波变换、相关滤波等重磁位场分离方法来揭示盆地基底及构造特征,结合地质、地震和钻孔资料,对十屋断陷基底断裂进行了综合预测(闫玉梅等,2011).冷眉通过研究Daubechies小波原理,并应用于东北某盆地资料分析中,说明Daubechies小波在重磁异常多尺度分解中具有良好效果(冷眉,2013).翟丽娜在位场边界识别方法中,作了大量的理论模型试验,对比分析了各种方法的应用规律、应用效果和应用范围,并指出总水平导数法是其中一种不可替代的方法,识别精度高于垂向导数法(翟丽娜,2012).窦喜英从泊松定理出发,设计三度体理论模型,运用重磁对应分析方法,研究理论模型的重磁异常相关系数、斜率和截距,并重点分析了被多数人忽视的截距(窦喜英,2006).

三江盆地位于古老陆核增生、外来地体拼贴、窄大洋关闭等多重区域运动复合作用的构造位置,是在佳木斯地块、那丹哈达岭地块及牡丹江断裂、依兰伊通断裂等先存构造基础上发展起来的盆地(如图 1所示),是一中新生代残留叠合沉积盆地(刘云武等,2006).其在构造域上属于古亚洲洋域和滨太平洋域的叠加区域,较新的以北东向为特征的滨太平洋构造域对较老的以东西向为特征的古亚洲洋构造域有着明显的改造作用.二叠纪末,古西伯利亚板块与古华北板块碰撞连接,之后海水向东退却,晚三叠世时,整个东亚大陆边缘处于欧亚板块和太平洋板块接触地带(关德范,1980).三江—中阿穆尔盆地就是古欧亚板块与太平洋板块之间二次大的碰撞与俯冲作用下形成的.根据盆地基底岩性,主干断裂分布以及盖层性质,一般可分为四个次级的构造单元,从东向西为佳木斯隆起,绥滨凹陷,富锦隆起和前进凹陷.

1 数据和方法

三江盆地的重磁数据来源于1979 年由国土资源部航空物探遥感中心(AGRS)编制的航磁异常(ΔT)平面图和布格重力(Δg)异常平面图,并经过了地形校正,纬度校正等各项预处理.重力异常为经过各项改正的布格重力异常,经过网格化的数据间隔为0.5 km.航磁数据精度不足,且在盆地北部地区有缺失.

本文主要运用二维小波多尺度分解,并结合对数功率谱分析定量化分离位场异常,以小波分解,提取反应盆地基底和中深部地壳的重磁异常数据,做水平四方向导数,以强化位场异常的断裂特征,提取基底断裂的线性信息.运用parker法,以反应中深部重磁界面起伏特征的重磁异常进行反演,得出盆地基底起伏和莫霍面、居里面的起伏特征.

根据小波分析理论,假设二维重力异常场为

Δg(x,y)=f(x,y)

重力分解表达式可简化为

式中D1G~D4G为异常的1阶到4阶小波细节,A4G为异常四阶小波逼近.

功率谱是由Spector and Grant(Spector and Grant, 1970)最早提出来的一种重磁场解析处理方法,它可以借助重磁异常的对数功率谱分析,来定量地确定重磁异常的场源深度,场源的埋深深度表达式为

式中lnE(r)被称为异常波谱的径向对数功率谱,r为圆频率或波数,h为场源埋深.因此,从径向对数功率谱可以得到一条拟合的直线,根据这条直线的斜率可以求出场源深度.

Parker 法是重磁界面反演中的重要工具,可用于密度和重磁界面的迭代反演,以密度界面反演为例,其公式为

式中F[h(r)]、F[g(r)]分别是界面深度和重力异常的傅里叶变化,z0为参考深度,ρ为密度差,r为位置矢量,k为波数,G为万有引力常数(Parker and Huestis, 1974).

2 盆地重磁异常特征 2.1 盆地重力异常特征

三江盆地范围内的重力异常介于0~33 mGal之间,研究区内的重力异常主要为北北东走向,北东走向和近东西走向,在由深源异常和浅源异常形成的长波和短波重力异常图中,东、中、西三个区域走向特征明显(如图 2所示).其中,北北东走向主要在盆地西部区域,北东走向主要在中部区域,近东西走向主要在盆地的东部区域.结合三江盆地周边区域分析,三江盆地整体处于一个局部重力高值的区域,这主要是由深部结构引起的,从东向西,可以发现,尽管异常带走向不同,但都与低值异常带呈相间排列.如三江西部区域佳木斯高值异常带与绥滨低值异常带与富锦高值异常带相间排列.

图 2 三江盆地布格重力异常图 Fig. 2 Map of Bouguer gravity anomelies in Sanjiang Basin

对研究区重力异常进行小波多尺度分解,结合对数功率谱分析,以定量化分离布格重力异常场.如图 3b~f和图 4a~e所示,1阶细节异常(图 3b)的对数功率谱曲线如图 4a,其场源深度为2.21 km,主要反映了浅部的岩石密度差异和线性断裂信息;2 阶细节异常(图 3c)的对数功率谱曲线如图 4b,场源深度为6.12 km,主要反映了基底起伏和岩性差异,以及基底断裂特征;3 阶和4 阶细节异常(图 3d,e)的对数功率谱曲线如图 4c,d,场源深度为12.57 km和22.67 km,主要反映了中下地壳的密度不均一性;4 阶逼近异常(图 3f)的对数功率谱曲线如图 4e 所示,场源深度为34.34 km,主要反映了研究区莫霍面的起伏(高德章等,2000杨文采等,2001吴咏敬等,2012翟丽娜,2012冷眉,2013孙斌,2013).

图 3 三江盆地布格重力异常小波多尺度分解图
(a)布格重力异常;(b)~(e)小波1-4 阶细节异常;(f)小波4 阶逼近异常.
Fig. 3 Map of wavelet multi-scale decomposition of the gravity field in the Sanjiang Basin
(a)Bouguer gravity anomelies;(b)~(e)Wavelet details of order 1-4;(f)Wavelet approximation of ordre 4.

图 4 三江盆地重磁异常功率谱分析图 Fig. 4 Map of multi-scale decomposition power spectrum of gravity and magentic anomalies in Sanjiang Basin
2.2 盆地航磁异常特征

为了消除斜磁化的影响,先对航磁数据进行化极处理.化极后的航磁异常图如图 5所示,研究区航磁异常是在正磁背景场上的多个圈闭正高磁异常和少数负低磁异常形成的异常场区.图中磁力异常值介于-150~440 nT之间,除了南部边界地区的两个圈闭的高值异常外,整个区域基本处于-100~200 nT之间,且大部分区域为正值场区,是较为平缓的区域.比较突出的是,在中部地区,存在一条近南北走向的较为狭窄的异常带,该带北部为低值异常,南部为高值异常.

图 5 三江盆地航磁ΔT异常图 Fig. 5 Map of Aeromagnetic ΔT anomalies in Sanjiang Basin

对研究区化极后的磁力异常进行小波多尺度分解,结合对数功率谱分析,以定量化分离布格重力异常场.结合前任研究成果,对研究区进行四阶小波分解,如图 6b~f和图 4f~j所示,1阶细节异常(图 6b)的对数功率谱曲线如图 4f,其场源深度为2.08 km,主要反映了盆地浅部火山岩的分布特征;2阶细节异常(图 6c)的对数功率谱曲线如图 4g,场源深度为7.86 km,主要反映了盆地基底的岩性差异;3 阶和4 阶细节异常(图 6d,e)的对数功率谱曲线如图 4h,i场源深度为11.6 km和18.21 km,主要反映了中下地壳的磁性不均一性;4 阶逼近异常的场源深度为29.18 km,主要反映了研究区居里面的起伏(Zhang et al., 2006胡旭芝等,2006翟丽娜,2012冷眉,2013孙斌,2013).

图 6 航磁Za异常小波多尺度分解图
(a)航磁Za异常;(b)~(e)小波1-4 阶细节异常;(f)小波4 阶逼近异常.
Fig. 6 Map of wavelet multi-scale decomposition of the Aeromagnetic Za field in the Sanjiang Basin
(a)Aeromagnetic Za anomelies;(b)-(e)Wavelet details of order 1-4;(f)Wavelet approximationof ordre 4.
2.3 主要断裂重磁特征

由于大型基底断裂两侧存在的物性差异,或者断裂活动中伴随着岩浆活动,这会使得断裂在重磁图上存在着明显的反映(孙斌,2013李淑玲等,2014).根据小波多尺度分解结果和对数功率谱分析结果,本文分别求取重磁异常数据2-3阶小波细节之和,作水平四方向一阶导数,以此强化不同方向上的基底断层的线性特征(如图 7,8所示).

图 7 三江盆地布格重力异常水平一阶导数图
(a)~(d)分别表示0°、45°、90°、135°水平一阶导数图.
Fig. 7 Image map of horizontal gravity gradient on four directions
(a)0°;(b)45°;(c)90°;(d)135°.

图 8 三江盆地航磁Za异常水平一阶导数图
(a)~(d)分别表示0°、45°、90°、135°水平一阶导数图.
Fig. 8 Image map of horizontal aeromagnetic Za gradient on four directions
(a)0°;(b)45°;(c)90°;(d)135°.

结合前人(杜晓娟等,2009刘志宏等,2011Erkan et al., 2012孙斌,2013)对深大断裂和基底岩性的研究成果,划分出研究区内及边界地区的5条深大断裂,如图 9所示,其中三条分述如下.

图 9 三江盆地基底断裂图 Fig. 9 Map of foundational fault in Sanjiang Basin

佳木斯—萝北断裂带F1

位于研究区西部边界地区,走向北东40°~50°.在重力异常场上显示为正值异常与负值异常的分界线或异常值的陡变带,沿断裂带分布有一系列串珠状的局部重力正异常和负异常.在区域磁场上表现为带状的负磁异常区,但连续性不太好,亦有正高值异常圈闭.断裂带主干断裂包括佳木斯西-萝北断裂和依兰-舒兰断裂.在布格重力异常水平一阶导数图中,0°、90°、135°方向的水平一阶导数图上,表现为线性正负异常带,尤其是在0°和135°异常方向的水平一阶导数图中,两条主干断裂表现最为明显.在D2G、D3G图上断裂依然表现的比较明显,而D3G图的对数功率谱反演深度为12.57 km,可见其断裂深度可能大于12.57 km.在航磁ΔT异常图中显示为串珠状的长轴状圈闭的正值异常带,线性特征不明显.在航磁Za异常水平一阶导数中,多可见负异常条带在断裂处被错断.

同江-宝清断裂F2又称同江-头林-迎春断裂,位于研究区中部地区,同江以北走向为北东,向南逐渐转为北北东-北东-近南北走向.在布格重力异常图(图 2)上显示一系列串珠状的局部重力正异常,断裂两侧梯度带变化明显.在布格重力异常0°、90°、135°方向的水平一阶导数图上,表现为正负异常区的分界线或正负异常条带被切割的特征.在D2G、D3G图上断裂依然表现的比较明显.在航磁ΔT异常图中,北部部分显示为长条状的负值异常带,中部为串珠状高值异常圈闭,南部为高低值的分界线,在宝清的东北方向,还有一带状高值异常,推测为其分支断裂.在航磁Za异常0°、135°水平一阶导数图中,显示为高值异常条带和低值异常条带的分界线.

大河镇断裂F3位于研究区东部地区,北北东走向.在布格重力异常图(图 2)上显示为高值异常条带和低值异常条带的分界线.在布格重力异常135°方向的水平一阶导数图上,也表现为线性高低异常带的分界线.在D2G图上断裂依然表现的比较明显,而D2G图的对数功率谱反演深度为6.12 km.在航磁ΔT异常图中,北部部分特征不明显,断层两侧梯度带变化明显,南部为串珠状高值异常圈闭和高值异常条带,在航磁Za异常135°水平一阶导数图中,显示为高值异常区和低值异常区的分界线.

此外,将研究区的重磁异常对应分析,可以发现,这三条断裂划分出的三个区域,在重磁场异常分区分块特征明显,显示出研究区明显的拼贴构造背景.

2.4 居里面和莫霍面反演

根据前人(BARTON,1986孙斌,2013)的研究和功率谱分析结果,本文根据布格重力异常的4 阶逼近反演莫霍面起伏,并选取界面密度差为0.42 g/cm3,莫霍面平均深度为31 km,利用GMS中的平面Parker 法进行密度界面反演.依据航磁四阶逼近反演居里面起伏,结合前人研究成果,选取居里面平均深度为23 km,假设居里面的磁化强度差为2 A/M,利用Parker 进行单密度界面反演.反演结果如图 10所示.

图 10 三江盆地居里面深度图(a)和莫霍面深度图(b). Fig. 10 Map of Moho depth(a) and Curie depth(b)in Sanjiang Basin.

研究区内莫霍面起伏总体具有北北东走向和北东走向,西部地区具有北北东走向,东部地区具有北东走向,反映了较新的太平洋域的构造特征.深度介于29.5~30.5 km之间,总体上具有西北高东南低的特点,与地表起伏呈镜像关系.从图中可以看出,深大断裂附近,莫霍面的变化相对剧烈,如大河镇断裂和佳木斯-依兰断裂.结果与孙斌依据利用东北地区地震测深得出的莫霍面深度数据,对东北盆地群进行莫霍面反演的结果仅有数百米的差异.与张广成等利用H-K叠加方法和CCP叠加方法得到的在三江盆地西缘莫霍面深度为30 km左右的结果也相对一致(张广成等,2013).

研究区内居里面起伏总体上是北低南高,深度介于21~24 km之间,在宝清-佳木斯一线深度相对较小,中北部地区深度相对较大.研究区深大断裂附近,居里面起伏相对剧烈.如佳木斯-依兰断裂明显居于上隆居里面的线性下坳区域内.

3 结 论

3.1    三江盆地的主要重磁异常场方向为北北东和北东向,其次为东西向,以北东向为特征的滨太平洋构造域对较老的以东西向为特征的古亚洲洋构造域有着明显的改造作用.

3.2    以盆地重磁异常的2-3阶细节异常之和进行水平一阶导数计算,强化位场异常的梯度带变化特征,提取基底断裂的线性信息,在盆地内划分出佳木斯-萝北断裂带、同江-宝清断裂、大河镇断裂、牡丹江断裂和富锦断裂等5条深断裂.

3.3    盆地内的佳木斯—萝北断裂带、富锦断裂和同江—宝清断裂对基底构造分区中明显起到控制作用,且其在重磁异常分区分块特征明显,显示出研究区明显的拼贴构造背景.

3.4    以重力异常四阶逼近,反演了研究区的莫霍面深度,总体上西北高,东南低,深度介于29.5~30.5 km之间.以航磁异常的4 阶逼近反演了研究区居里面深度,总体上是北低南高,深度介于21~24 km之间.

致 谢 感谢李长波硕士在数据处理中的帮助,同时感谢审稿专家对本文的意见和建议!

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