均衡重力异常可以有效地消除地壳厚度变化产生的重力效应,突出反映地壳内部结构的平衡状态,为研究现代构造提供重要的信息.因此,均衡重力异常的研究得到国内外学者越来越多的重视(殷秀华等, 1982, 1993;冯锐等, 1987, 1988, 1989; 殷秀华和刘铁胜,1994;方盛明等, 1997, 1999;陈石等,2011;付广裕等,2015).
本文从大陆地壳均衡理论出发,由地形变化数据给出相应均衡状态下该剖面应有的理论均衡地壳厚度D,并与宜川—泰安重力剖面以及诸城—宜川人工地震折射/宽角反射剖面联合反演给出的地壳厚度M进行分析(李松林等,2011;罗翔飞等,2016),从而研究剖面沿线各地质单元的均衡状态差异,在此基础上,分析了该区均衡重力异常状态与地震分布之间的关系,并对地震的孕育、发生和发展的深部介质和构造环境进行了探讨,为地震监测及震害防御提供基础资料.
1 重力剖面位置及研究区地质构造宜川—泰安重力剖面基本上沿36.0°N展布,自西向东由110.0°E左右延伸到117.0°E左右,该剖面为一条高精度重力探测剖面,全长620 km,363个观测点,其中国家标准控制点14个, 测线点距一般为2.5 km,跨太行山重力梯级带两侧观测点距为1.0 km(罗翔飞等,2016).剖面自西至东依次穿越了吕梁山隆起、临汾断陷盆地、太行山隆起、华北断陷盆地、鲁西隆起等不同地质单元.以太行山重力梯级带为界,以西是鄂尔多斯断块、太行山断块,以东是华北平原断块,该剖面及其附近地区构造活动强烈,历史上曾发生过多次强烈地震,表明该地带的深部地壳介质与结构存在着巨大变异.
本研究区位于华北地块的南部.在临汾断陷盆地以西的鄂尔多斯断块,地表出露三叠系地层;在临汾断陷盆地第四系沉积厚度达800 m,新生界沉降幅度最大达2200 m;在太行山隆起区地表出露寒武系以及中元古界地层;在华北断陷盆地的沉积厚度由西向东逐渐加厚,在濮阳—东明凹陷第四系沉积厚度达2000 m;在鲁西隆起区地表出露寒武系灰岩以及太古界花岗闪长岩.剖面穿越的主要断裂有罗云山山前断裂、浮山断裂、晋获断裂、太行山山前断裂带、兰考—聊城断裂等,沿剖面构造特征极为复杂,剖面位置和研究区地质构造图详见图 1(马杏垣等,1989;马丽芳等,2002;邓起东等,2007)、研究区布格重力异常图详见图 2.
采用Airy均衡模式进行均衡改正(冯锐等,1987;王谦身等, 2008, 2009, 2010),均衡重力异常计算公式为
(1) |
式中ΔgB为布格重力异常值;δgI为均衡改正值.根据Airy均衡模式,在大陆地区,海拔高度为H的山体,在正常地壳下山根高度为t,艾里均衡校正的目的是调整地壳的密度,把真实的地壳调整成为具有平均密度ρ0=2.67 g/cm3和正常地壳厚度的均匀地壳.即把高于大地水准面的质量移去,均匀填到它的山根中去,使山根的密度ρ1提高到山根下(底层)的密度ρ1=3.27 g/cm3;或者把反山根的剩余质量均匀填补到大地水准面以下柱体顶面以上的空间中去,使它具有密度ρ0,使反山根的密度ρ1从到降到ρ0.
2.2 理论均衡地壳厚度的计算根据Airy地壳均衡模型理论,从地下某一深度起,相同截面柱体所承载的质量应趋于相等,地表大面积的地形起伏必然在地下以山根或反山根的形式进行补偿(王懋基和程振炎,1982;王谦身等,2003),若设地壳平均密度为ρ0,岩浆平均密度为ρ1,地形海拔高度为H,山根厚度为t,那么在该地形处的均衡条件表达式为
(2) |
将上式变形后可以得到“山根”厚度的表达式为
(3) |
因此,由地形数据资料,依据Airy均衡理论可以确定不同高程时的理论山根t.若以T表示研究区的标准地壳厚度,则该处的理论均衡地壳厚度D可由T+t来表示,将由地球物理场实测资料计算得到的地壳厚度M与由Airy均衡理论计算得到的均衡地壳厚度D,二者进行对比可以得到二者的差值,即(D-M);当某处二者的差异小或接近等于零时,即表明该处已处于大陆均衡的状态;如差异较大,则表明该区处于非均衡的状态,二者相差越大,则表明该区介质处于越不均衡的状态.当D>M时,即理论大陆均衡地壳厚度大于实际地壳厚度时,根据大陆均衡原理,该地区应该“下降”,使地形高度H减小,即亦使D减小,才能达到均衡;反之,当D<M时,即实际地壳厚度已超过理论大陆均衡地壳厚度,地壳亦不均衡,则该区应处于“上升”状态,以逐渐达到均衡.
3 布格重力异常与均衡重力异常的变化特征 3.1 布格重力异常变化特征在地形上, 该剖面自西向东高程变化剧烈,呈现高原—盆地—平原二级分段的变化特征,在吕梁山、太行山山区海拔高程可达1500多米,而在华北断陷盆地的海拔高程陡降至40 m以下,反映了两大构造区域截然不同的特征(图 3).
与地形变化特征一致的是,以太行山为界根据布格重力异常的特征也分成了截然不同的两大构造区域:
(1) 在太行山以西地区,吕梁山—临汾盆地—太行山一线的布格重力异常与相应位置的海拔高程基本呈现“同步型”变化的特点,即在山脉地区布格重力异常随着地形的升高而增加的现象,出现这种异常变化的特征有几种可能的原因:①构成山体的物质为高密度岩石或地层物质;②山体缺乏“山根”或“山根”不足,地下深部的高密度物质上升较高(王光杰等,2004;王谦身等,2010).
在临汾盆地,布格重力异常由吕梁山区的-130×10-5 ms-2,向东穿过罗云山山前断裂进入临汾盆地,陡降为-160×10-5 ms-2;再向东逐步升高,形成一个布格重力异常的高-低-高的“重力谷”.一般在盆地地区,布格重力异常与地形高程呈现相反变化,而临汾盆地的布格重力异常与地形高程呈现“同步型”变化的特点,出现这种异常变化的原因可能为:上新世初以来,盆地的边缘及内部产生了一系列张扭性的正断裂,盆地沿这些张扭性的正断裂成阶状下陷,同时,周围大量的被剥蚀的物质搬运进入断陷盆地接受沉积,形成了第四系厚达800 m左右,新生界厚2200 m的断陷盆地,可能正是由于低密度沉积层造成了断陷盆地物质的相对亏损(国家地震局《鄂尔多斯周缘活动断裂系》课题组,1988),临汾盆地为典型的半地堑沉积盆地,其沉积层最深处约为5~6 km(李自红等,2014),因而形成了布格重力异常“低谷型”分布的盆地构造.最新的监测形变资料表明:盆地周围山区及次级隆起表现为持续上升,而盆地则呈趋势下降的特征(王秀文等,2001;刘瑞春和季灵运,2014).
(2) 在太行山以东地区,布格重力异常变化与地形高程变化基本上呈现“镜像型”关系.华北断陷盆地布格重力异常值为-7×10-5 ms-2,而在抵达鲁西隆起区,布格重力异常值达-29×10-5 ms-2.显见沿剖面的异常,表明在该地区确有“山根”或“反山根”的存在(图 3).
(3) “同步型”、“镜像型”的转换带位于桩号300 km左右,即在太行山重力梯级带的东缘,反映了东、西两大地质构造单元有着不同的深部构造背景.
3.2 均衡重力异常的变化特征根据Airy均衡模式计算均衡改正值,可以得到了沿剖面均衡重力异常曲线,该剖面异常值处于(-90~70)×10-5 ms-2之间,均值为-5.6×10-5 ms-2,这与黎哲君等人的结果基本一致(黎哲君等,2015).
沿宜川—泰安重力剖面,均衡异常状态特征与新构造运动有着良好的一致性,吕梁山、太行山以及鲁西等隆起地区为均衡异常的高值区,太行山隆起区的均衡异常值达到70×10-5 ms-2;均衡正异常是缘于补偿不足,可能是质量的聚集过剩即密度过大,或者是地幔上隆幅度过多,也就是说该区壳幔密度差的减小是地壳密度增加所致,其原因可能是山脉的地壳厚度增加与“玄武岩”层加厚有关,如果要达到均衡,则这部分物质或发生相变或是山根下沉,或两者同时发生(张永谦等,2010).
临汾、华北断陷盆地为均衡异常的负值区,临汾盆地的均衡异常值达到-90×10-5 ms-2,均衡负异常缘于补偿过剩,可能反映断陷盆地的低密度而产生的质量亏损,而低密度带常对应于拉张应力带(蒋福珍,1998),也可能反映了地壳界面超过了正常地壳厚度,即山根太深,如果要达到均衡,则这部分物质或发生相变或是山根上升,或两者同时发生(图 4).
研究表明:由于均衡恢复时间一般为103~105 a,在几百平方公里或更大面积上的地壳不可能长期集中超过10 kg·cm-3的负载,它相当于小于10×10-5 ms-2之内的重力异常,宜川—泰安重力剖面实际观测到的异常大大超过此数值,所以这些异常主要是由地壳内部密度变化引起的短波长异常以及具有刚度的地壳所支撑(孟令顺等,1995;王勇和许厚泽,1996;张赤军等,2007),所以具有一定量级的均衡异常区,即为反映新构造运动发育的地区均衡异常的符号和幅度反映了垂直运动的方向和强度,构造运动都具有反均衡特征(王懋基和程振炎,1982);除浅表层的内载荷外,均衡重力异常包含着深部的动力学过程(冯锐等,1988)
4 研究区的地壳均衡厚度 4.1 山根厚度t值、标准均衡地壳厚度T值的确定地壳平均密度ρ0=2.67 g/cm3,地幔平均密度ρ1=3.27 g/cm3,代入公式(3),则得:t=4.45H,式中H为地形高程(km).
研究区标准均衡地壳厚度T的确定,是以该区的地震深部探测以及重力剖面联合反演的资料为依据,剖面的平均地形高程约为487 m左右,按Airy的大陆均衡原理,则t约为2.17 km;该剖面的平均地壳莫霍界面埋深为37.27 km(黎哲君等,2015),相应地在H=0的地区,则可近似地确定T值为35.10 km(Christopher et al., 2013).为此,在本研究区选取T=35.10 km作为标准的符合均衡条件的地壳莫霍厚度值.
4.2 理论均衡地壳厚度与D实际地壳莫霍厚度M的确定在确定了T值和t=4.45H关系式后,则可以根据研究区的地形高程数据(为避免小区域内高程的极端变化,取实测与全球数字高程的平均值)计算给出相应理论均衡地壳厚度D=T+t(图 5a蓝线).
利用重力、人工地震剖面联合反演得到的地壳莫霍厚度作为本剖面的实际地壳莫霍厚度M(李松林等,2011;罗翔飞等,2016).由图 5a中红线可见,本剖面沿线的地壳莫霍界面M自西向东起伏剧烈,在整体上呈现出西深东浅的特征,临汾、华北断陷盆地的莫霍界面出现上隆,即出现“反山根”,莫霍界面的埋深分别为36 km、30.5 km;吕梁山、太行山隆起地区的莫霍界面出现明显的下凹特征,即出现“山根”,莫霍界面的埋深分别为41 km、42 km.
将剖面沿线的理论均衡地壳厚度D与实际地壳厚度M进行对比可以看到两者之间的差异大小,由图 5a可见,在临汾盆地、华北断陷盆地,均衡地壳厚度D大于实际地壳厚度M值,二者的差异约为3~4 km左右,在吕梁山、太行山地区,均衡地壳厚度D小于实际地壳厚度M值,二者的差异约为2 km左右,这表明在该域的地壳处于非均衡状态.
5 均衡重力异常与地震活动关系根据Airy地壳均衡模型理论,当某研究区域的理论均衡地壳厚度D与实际地壳厚度M相差很小或接近于零时,即表明该处已处于或已近于大陆均衡的状态,地下深处的物质和能量一般不再需要进行特别强烈的交换、运移和调整,构造活动相对比较稳定.当D与M差异较大时,则意味着该区的大陆地壳处于不均衡状态,差异值越大则表明其不均衡状态越强烈,相应地地下深处介质的物质与能量交换和运移与调整也应更为强烈.当D>M时,根据大陆均衡原理,该区应该“下降”,使地形高度H减小,从而亦使D减小以趋于均衡;当D<M时,在一定驱动力系的作用下,为了使大陆地壳达到均衡而进行的物质与能量交换、运移和调整将会造成地形高程增高,并导致理论均衡地壳厚度D的增大,从而使D与M的差值逐渐减小并在漫长的地质演化过程中趋于接近,亦即使大陆地壳趋于均衡状态.
在地壳逐渐趋于均衡而进行的隆升减薄、地形升高的过程中,必然伴随着强烈的构造活动,并以地震的形式表征.通过剖面沿线附近历史强震分布与不均衡程度的对比(图 5)可以看出,在剖面沿线的均衡重力状态由D<M转化为D>M时,即在吕梁山—临汾盆地、太行山—华北断陷盆地的均衡状态异常带均对应于莫氏界面上隆;历史上该剖面及其附近地区地震频发,曾发生8级地震1次,7级地震3次(1695年临汾的7¾级地震、1820年磁县7½级地震、1937年菏泽7级地震),6级地震12次,5级地震44次,由此可见历史上该剖面及其附近地区地震活动十分强烈.
1303年洪洞8级地震发生在均衡状态的异常带上(申重阳等,1994;陈石等,2011),霍山山前断裂的差异运动是洪洞8级地震孕育的主要因素,最新的研究成果表明霍山山前断裂全新世以来的活动方式是以倾滑为主,兼有一定量的水平滑动分量.因此,洪洞8级地震是在深部物质运动产生的垂直应力与区域性水平应力场的联合作用下孕育发生的(徐锡伟和邓起东,1993;邓起东等,1999;徐岳仁等,2011;徐岳仁,2014).
1830年河北磁县发生7½级地震,震中烈度X度,极震区长轴呈北西西方向.该区为北北东向邯郸凹陷与北西西内黄隆起构造的交界区,北北东向的太行山山前断断裂是一条重要的隆起区与坳陷区的边界断裂,它既是太行山重力异常变化的梯度带,也是地壳形变特征的转折带.研究成果表明地表破裂带近东西走向,磁县—大名断裂为发震断裂,断层北盘下降,最大垂直落位移7~10 m,以正倾滑为主,并显示有左旋位移(江娃利等,1994).由于菲律宾海板块北北西向的俯冲,在北方又受到天山—兴安板块的阻挡,使冀豫交界地区受到NEE向的挤压,整体处于一种挤压应力加强的状态.在此应力状态下,克拉通内部次级板块之间更加紧密的接触,当受到垂向力的作用时,更容易在垂向力作用区域的中地壳刚性岩层内导致局部应力集中,当达到或超过脆性岩层的极限破裂压力时,则产生地震(许华明,2008).
1937年菏泽7级地震宏观震中位于菏泽市西南的马岭岗镇,震中位于地壳厚度和岩石圈厚度急剧变化带上,即在濮阳—开封上地幔隆起的东翼斜坡带上.北西向的成武—东明和北东向的解元集—小留集两条共轭断裂组成了双向破裂体,而兰聊断裂是菏泽7级地震的控震构造.太平洋板块与欧亚板块碰撞产生的区域挤压应力是菏泽地震的主要力源,濮阳—开封上地幔隆起及其派生的构造应力决定了应力集中的部位,两个应力的共同作用促进了菏泽7级地震的孕育与发生(胡长和和许坤福,1991;王华林和耿杰,1995).
1303年洪洞8级地震、1695年临汾的7¾级地震均发生在临汾断陷盆地内,1830年河北磁县发生7½级地震发生在北北东向的邯郸凹陷与北西西的内黄隆起构造的交界区,而1937年菏泽7级地震发生在濮阳—开封上地幔隆起的东翼斜坡带上,这几次M≥7级地震孕育发生的共同之处为均衡重力状态转化带及其附近地区,与莫氏界面上隆、上地幔热物质向地壳侵入和运移、均衡调整作用有关(王谦身等,2009),因此,均衡状态转化带及其附近地区应成为地震监测以及震害防御需要重点关注的地区.
6 结论与讨论 6.1以太行山为界根据布格重力异常的特征也分成了截然不同的两大构造区域:在太行山以西地区,即吕梁山—临汾盆地—太行山一线的布格重力异常与相应位置的海拔高程基本呈现“同步型”的变化特征;在太行山以东地区,布格重力异常变化与地形高程变化基本上呈现“镜像型”的变化特征;“同步型”、“镜像型”的转换带位于太行山重力梯级带的东缘,反映了两大地质构造单元有着不同的深部构造背景.
6.2宜川—泰安重力剖面实际观测到均衡重力异常特征与新构造运动有着良好的一致性,即正异常区对应吕梁山、太行山以及鲁西等隆起地区,负异常区对应临汾、华北断陷盆地.该测线的均衡重力异常主要是由地壳内部密度变化引起的短波长异常以及具有刚度的地壳所支撑,反映新构造运动发育的地区均衡异常的符号和幅度反映了垂直运动的方向和强度,另外,均衡重力异常包含着深部的动力学过程.
6.3将应用Airy均衡模型理论给出的宜川—泰安地区在均衡状态下的地壳厚度D和依据重力、人工地震剖面联合反演得到的实际地壳厚度M进行对比,以研究和探讨该区各构造单元的均衡状态,是一种可行的方法,同时也为进一步探讨和研究该区深层物质和能量的交换、运移和调整等深层过程有重要的参考意义.
6.4在均衡重力状态异常转换带及其附近地区均对应于莫氏界面上隆、上地幔热物质向地壳侵入和运移,由于其在趋于均衡的过程中必然伴随着地壳的差异运动,因此构造活动强烈而产生深大断裂,表现为地震的频繁活动,这些地区应该为地震监测以及震害防御需要重点关注的地区.
致谢 感谢张先康研究员、嘉世旭研究员及审稿专家对本文提出的修改意见和建议.[] | CHEN Shi, WANG Qian-Shen, XU Wei-Min, et al. 2011. Thermal isostasy of North China and its gravity isostasy and deep structure[J]. Chinese Journal of Geophysics, 54(11): 2864–2875. DOI:10.3969/j.issn.0001-5733.2011.11.016 |
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