1、第39卷第2期地震學報Vol.39No.22017年3月(220-229)ACTASEISMOLOGICASINICAMar.,2017羅翔&，方盛明，秦建增.李洋洋，李德慶，李勇江.2017.宜川一泰安重力剖面布格童力異常及歸一化總梯度的構造意義.地震學報，39(2)：220-229.doi：10.U939/jass.2017.02.005.LuoXF.FangSM,QinJZ.LiYY»LiDQ.LiYJ.2017.ThetectonicsignificanceofliouguergravityanomalyancnormalizedtotalgradientinYich

2、uanTai'anprofile.ActaSeismologicaSinica.39(2)：220-229.doi：10.11939/jass.2017.02.005.宜川一泰安重力剖面布格重力異常及歸一化總梯度的構造意義羅翔飛,方盛明秦建增李洋洋李德慶李勇江(中國鄭州450002中國地震局地球物理勘探中心)摘要利用宜川一泰安剖面高精度重力觀測及GPS測屋結果，計算得到該剖面較為精細的垂向一階導數梯度和布格疆力異常歸一化總梯度圖像.結合前人相關研究結果，本文認為垂向一階導數梯度主要反映淺部異常場源的位置和低密度地質體的特性.利用該梯度圖像，對宜川一泰安剖面經過的7條主要斷裂及其空間分布

3、特征進行分析解釋，并推測各斷裂的可能埋深和性質.關鍵詞重力探測剖面垂向一階導數梯度歸一化總梯度構造意義doi：10.11939/jass.2017.02.005中圖分類號：P315.72+6文獻標志碼：AThetectonicsignificanceofBouguergravityanomalyandnormalizedtotalgradientinYichuan-Tai'anprofileLuoXiangfei*FangShengmingQinJianzcngLiYangyangLiDeqingLiYongjiang(GeophysicalExplorationCenter,Chin

4、aEarthquakeAdministration,Zhengzhou450002,China)Abstract：BasedonthehighprecisiondataofgravityobservationandGPS,wehaveobtainedfinerfirstderivativegradientinverticaldirectionandthenormalizedtotalgradient(GH)imageofBouguergravityanomalyinYichuan-Tai9anprofile.Afurtherinvestigationontheverticalfirstderi

5、vativegradientcharacteristicsiscarriedoutwiththeresultsinliterature,fromwhichwecouldconcludethatitmainlyexpressestheshallowsourcelocationandfeaturesoflowdensitygeologicalbody.UsingtheGHimage,wealsoanalyzedandexplainedthespatialdistributioncharacteristicsofsevenmajorfaultsthattheprofilegoesthroughand

6、speculatedthepossibleburieddepthsandpropertiesofeachfault.Keywords:gravityprobeprofile；verticalfirstderivativegradient；normalizedtotalgradient；tectonicsignificance»基金項目收稿日期通訊作者»基金項目收稿日期通訊作者國家自然科學基金(41274113)和中國地震局地震行業科研專項(201508009,201208008)聯合資助.2016-06-28收到初稿.2016-09-08決定采用修改稿.e-mail:433

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17、gshcct-likcbodiesbythenormalizedfullgradientmethodCjJ.PureApptGeophys«162(11):2179-2195.引言布格重力異常是地下不同深度的密度異常體在重力場上的綜合反映（馬宗晉等，2006）.重力成果是地質學家和地球物理學家用于研究區域地質構造的有效方法之一（唐新功等，2006）,重力資料不僅能直觀地從平面上反映地質體的分布、深部構造特征和斷裂構造的展布等信息，還包含著分布較廣、深度較大的場源信息（郝天跳等，1997；邵平安,2013）.而有效的重力數據處理方法則可以幫助解釋者從不同角度認識重力異常特征，進而對斷裂

18、進行解釋（方盛明等，2002）.但是，傳統的解釋方法和圖像處理技術存在不足，在地質構造復雜的地區，異常信號相互疊加干擾，微弱信號與誤差并存，使重力異常變得十分復雜，從而造成地質構造的多解性，且難以解釋其成因（馬宗晉等，2006）.常規作法是在重力異常等值線圖上解釋斷裂，而對重力異常進行等值線網格化成圖時會造成微弱信息丟失，從而導致重磁異常有時不能很好地解釋斷裂的性質.2013年，在國家自然基金的資助下，中國地震燼地球物理勘探中心實施完成了一條西起陜西宜川，東至山東泰安，且與2008年人工地震探測剖面（deepseismicsounding,簡寫為DSS）完全重合的高精度重力勘探測線（羅翔飛等，

19、2016）.盡管前人在利用重力方法研究地質構造方面已開展了不少工作（馬宗晉等，2006；邵平安，2013）,旦取得了有意義的研究成果，但用垂向一階導數梯度和重力歸一化總梯度法能更直觀地在平面上反映地質體的分布和斷裂構造的展布（吳桂桔等，2015；玄松柏等，2015）,使獲得的解釋結果更接近探測剖面的實際情況.因此利用垂向一階導數梯度和重力歸一化總梯度法聯合研究該剖面經過地區的構造情況具有重要的現實意義.本文擬以宜川一泰安重力剖面為例，通過對布格重力異常進行處理得到垂向一階導數梯度和重力歸一化總梯度（GH）圖像（曾華霖，2005）,強化突出斷裂構造和斷層的空間展布，并對沿線經過的地質構造進行討論

20、.1研究區地質構造和重力異常本文的研究區主要由冀魯斷塊、太行山斷塊、鄂爾多斯斷塊等構成（蘇樹朋等，2010；李自紅等，2014；王椿鐳等，2016）,塊體邊界分布有汾渭斷裂帶、山西斷陷帶、太行山山前斷裂系、聊南斷裂帶和麹廬斷裂帶（蘇樹朋等，2010）,屬于我國現代板內構造活動和地震活動較為強烈的構造區.研究區具有明顯的分塊構造特征和強烈的變形特征，斷塊間的相互作用使斷塊內產生許多毛細斷裂，斷裂縱橫交錯，形成了復雜的構造特征.宜川一泰安重力勘探剖面位于華北克拉通南部.該剖面自西向東依次穿越了呂梁山隆起、臨汾斷陷盆地、山西隆起、太行山隆起、華北斷陷盆地和魯西隆起等不同地質單元（徐杰等，2000）,

21、經過的主要斷裂有羅云山斷裂、霜山山前斷裂、晉獲斷裂、林縣斷裂、湯東斷裂、長坦斷裂和聊城一蘭考斷裂等（鄧起東.2007）（圖1）.剖面地質構造特征極為復雜，測線穿過部位具有典型的構造意義（劉占坡等，2003）.在宜川一泰安重力勘探剖面的測量中，使用兩臺CG5型相對重力儀和一臺TrimbleR8-4GNSSGPS接收機進行同址觀測，按照大比例尺重力勘查規范（中華人民共和國地質礦產部，1997）和區域重力調查規范（中華人民共和國國土資源部，2006）開展相對重力聯測和高精度位置測定，以已有重力觀測網絡的重力點為基本控制點，選取了長約620km的剖面和363個測點，并對野外采集的重力觀測數據在絕對重力

22、控制下進行平差計算，獲得各測點的重力值，精度優于30X10-8m/s2；同時把WGS-84坐標系下觀測得到的GPS數據轉換成北京54坐標和1985國家基準高程結果，保證所有測點的點位誤差控制在平面精度V0.2m,高程精度V0.3m的范圍內；最后按照大比例尺重力勘查規范對各測點的實測重力觀測值進行各項改正，得到各測點的布格重力異常值（圖2）.TIM*116,118*110-EIO*N38,34.圖1研究區地質構造和剖面位置圖(那起東，2007)Fit羅云山斷裂F2»霍山山前斷裂，Fit晉獲斷裂；Fo林必斷裂；F”湯東斷裂，長坦斷裂；Fix聊城-蘭考斷裂Fig.1Geologicalst

23、ructureofthestudiedareaandprofilelocation(afterDeng,2007)Fi:Luoyunshanfault:Fz:Huoshanpiedmontfault；Fa:Jinhuofaulti:Linxianfault：F-,:Tangdongfault；Fo:Changtanfault:F.：Liaocheng-Lankaofault:E-圖2宜川一泰安剖面布格重力異常及對應的GPS商程值Fig.2liouguergravityanomaly(redline)oftheYichuan-Tai'anprofileanditscorrespondin

24、gGPSelevation(blueline)從圖2可以看出，布格異常變化范圍為（一161.75.5）X1O-5m/s2.以太行山為界，剖面以西地形較為陡峭，高差起伏較大，布格重力異常呈現低背景平緩下降的趨勢,異常幅度為（-161.772.6）X10fm/s2,布格重力異常變化與地形高程呈現“同步型”變化的特點；剖面以東地形平緩，異常呈現高背景逐漸上升的趨勢，異常幅度為（一74.8-5.5）X1O-5m/s2,布格重力異常變化與地形高程變化趨勢呈“鏡像型”關系，且在重力異常高背景下分布了許多局部異常梯度帶，形成了東部獨特而復雜的布格重力異常.2方法原理及斷裂構造分析2.1垂向一階導數梯度與淺部

25、地質構造淺部異常場源產生的小幅值高頻成分的重力異常，與因深部和區域性地質因素產生的低頻成分重力異常疊加后常常被弱化.為了突出淺部異常場源的特征，采用頻率法重新計算布格重力異常（李才明，李軍，2013）,并得到垂向一階導數梯度（圖3）（曾華霖，2005）.垂向一階導數梯度具有突出和放大重力場高頻成分、壓制重力場低頻成分的特征，即壓制深層區域背景場的影響，放大淺層近地表地質體的重力效應，從而突出淺部異常場源引起的局部異常.其表達式為（p（u,p）=q=i（ou+伽）+y2+v2,（1）式中：。，們7分別為求導數不同方向的三個余弦；q為一階導數的頻率響應；i為虛數單位；分別為工，/方向上的頻數.宜川

26、恭安陽谷臨汾安洋安陽太行山隆起內黃降起魯西隆起山西毒起2000300距離/km南樂魏|荷澤凸起I目梁山隆起|格汾盆地長治太行山林縣W270、-2100圖3宜川一泰安重力剖面垂向一階導數梯度Fig.3GradientofthefirstverticalderivativeforYichuan-Tai'angravityprofile600宜川一泰安剖面自西向東依次穿過呂梁山隆起、臨汾盆地、山西隆起、太行山隆起、湯陰地塹、內黃隆起、東明坳陷、荷澤凸起、魯西隆起等構造（嘉世旭，劉昌鈴，1991;郝天跳等，1997）（圖3）.對垂向一階導數梯度進行分析得到，呂梁山隆起、山西隆起、太行山隆起、魯

27、西隆起屬區域構造，與垂向一階導數梯度無明顯對應關系，其余則屬淺部（局部）構造，與垂向一階導數梯度存在一定的對應關系.林縣是該剖面構造的明顯分界線，在林縣以西的臨汾，其垂向一階導數梯度出現了明顯低值，最低可達一3X10-5（ms2）/km,表明在臨汾盆地上地殼內存在明顯的低密度構造.根據削面密度結構（羅翔飛等，2016）,臨汾上地殼內低密度構造的深度最大可達18km,密度介于2.732.81g/cm3,與圍巖之間存在0.03-0.11g/cm3的密度差，低于臨汾盆地左右兩側的密度值2.84g/cm',出現密度“虧損，現象，與國家地震局郛爾多斯周緣活動斷裂系課題組（1988）所得結果相互印

28、證，在垂向一階導數梯度中體現為相對低值（圖3）.林縣以東的垂向一階導數梯度呈現高、低相間分布的特點，淺部構造表現為隆起、凹陷相間分布，剖面的垂向一階導數梯度清楚地顯示出了這種塹-壘共存的構造形態.限于篇幅，本文僅分析湯陰地塹和內黃隆起.湯陰地塹是內黃隆起與太行山隆起之間的NE向凹陷，總體走向N、E,東西寬2025km,南北K約100km（劉保金等，2012）.湯陰地塹是中新生代早期凹陷，以中生代沉積為主，地塹兩側地層的巖性和厚度均不同（韓慕康，趙景珍，1980；任青芳等，1998）.地塹以西地表出露主要為太古界、寒武系和二疊系等地層，局部為中生界地層（劉保金等，2012）,地塹以東為丘陵和平原

29、區，地表出露主要為新近系和第四系地層.湯陰地塹內堆積的新生代低密度陸相沉積最大厚度約3km,圖3清晰地反映出東西向寬度與垂向一階導數梯度相對應的特征.內黃隆起是華北平原最后沉陷的地區，受周圍4條主干斷裂強烈活動的影響（安衛平等，1995）,內部發育了多組次級斷裂，并將內黃隆起切割成許多小地塊.內黃隆起的覆蓋層厚度為十幾米至幾百米（商宏寬，呂夢林，1985）,覆蓋層東西兩側為較厚的低密度沉積層，中部覆蓋厚度較薄，形成了東西兩側隆起、中部拱曲的鞍形結構（張成科等，1994）.圖3清晰地顯示出內黃隆起垂向一階導數梯度兩側低、中部高的鞍形結構特點.通過以上分析可以看出：盆地內和凹陷區基底埋深較深，沉積

30、層厚度較厚，垂向一階導數梯度偏低；隆起部位基底埋深較淺，沉積層厚度較薄，垂向一階導數梯度偏高.不同的垂向一階導數梯度特征與不同的淺部地質構造相對應，表明垂向一階導數梯度與淺部異常場源不僅具有度好的對應關系，且其大小范圍和幅值也能體現出淺部異常場源的范圍和埋深.2.2重力歸一化總梯度成像尸（）=借京重力歸一化總梯度法利用地面上實測重力異常值的特征點（如極大點或極小點）或解析函數的奇點，探測重力異常的場源體、斷裂及密度界面并估計其位置（曾華霖，2005年）.該方法雖不能直接計算場源體、斷裂及密度界面的位置和參數，但這些構造附近的歸一化總梯度解析函數具有收斂性，比重力異常在估計場源體和斷裂位置及密度

31、界面分布方面更加“直接”和優越.其表達式為M，z）+v%&z）式中：GH（z,Z）為重力異常歸一化總梯度場，是一個無量綱的比值；G（z,z）為（1,z）點處重力異常總梯度值；G（工,Z）為深度Z處水平線上總梯度的平均值；Vu，V,分別為（z,Z）點處布格重力異常在水平方向和垂直方向的一階導數；M為重力測點數.在平面內,按一定深度間隔求取各點的GH&,最后繪出G"（z,z）等值線圖.將圖2所示的剖面布格重力異常按照1km點距進行線性內插.應用曾華霖（2005）介紹的數值計算方法，綜合已有研究結果（Dondurur,2005；Aghajanietal,2009）進行多次試

32、算.按=50階對該剖面進行有限級數展開，采用2km層間距向下延拓.獲得剖面的重力異常歸一化總梯度圖（圖4）.由圖4可以看出：GH在整條重力剖面上的分布表現為自西向東漸趨復雜，除在羅云山斷裂與霍山山前斷裂之間呈高值外，在其它地區基本為低值；在深度50km以上，該剖面約在101,150,260,334,380,485,530km處存在7個G"1值的差異轉換帶，分別與羅云山斷裂（日）、霍山山前斷裂（F。、晉獲斷裂（比）、林縣斷裂（FQ、湯東斷裂（已）、長垣斷裂（卜6）、聊城一蘭考斷裂（FQ相對應.GH值的起伏變化是由密度分布差異引起的，若密度Kifr-kijihHJ!Kifr-kijihH

33、J!rtniil'Wkm-C'JJ圖4宜川泰安爪力剖而歸化總梯度成像Eig.II'heimageofnormalizedtotalgradicnlofYichuan-'Iai'angravityprofile未發生變化.則（A等伉線連續分布.剖面所跨越的斷裂*J；"（ft起伏變化的對應關系如下所述.羅云山斷裂（FQ屬于汾渭斷裂帶,是全新世活動斷裂（鄧起東等,1999；馬宗晉等,2006）.斷裂運動性質為右旋走滑正斷層.主要控制臨汾盆地的發育.該斷裂位于羅云山東箍.北起萬圣寺一帶.南達西蹌【1與NNE向的韓城斷裂相接（劉瑞春.季史運,2014）.

34、總K為120km.總體走向為NNE.M向為SE.傾角為45°80°.第四系地層厚度達700m以1結晶基底以度達3.5km上地殼以度為23km（李松林等2011）.深部地球物理勘探研究表明（張成科等,1994）,該斷裂深度大于20km.從圖4可以明顯地看出:羅云山斷裂向下切割沉積層、結品基底和上地殼.一直延伸至30km的地殼深處；當深度大于15m時.該斷裂傾向向西，可能是受臨汾盆地影響，盆地地殼內存:在明顯的低密度構造.出現密度“虧損"所致；當深度小于15m時.該斷裂傾向向東.被認為是斷層的反應.所以從圖4可可出羅云山斷裂裂向向東.傾角為65°.切割深度為

35、30km.很山山前斷裂（HW于汾渭地塹斷裂系,起自臨石.止于洪洞縣虎頭山.斷層長度為100km.斷錯性質為右旋正走滑,斷層走向為NE.傾向為NW傾角為65°70°（江娃利等,2001）.該斷裂的活動具有明顯的分段性（山西洪洞H.亭M,.5.。地喪現場I：作隊.2001）,大致可分為北、中、南等3段.北段和中段占現為全新世活動斷裂.南段去現為晚更新型活動斷裂（徐錫偉,鄧起東.1990）,剖面經過的部分為該斷裂的中段.圖4表明:'*1深度大于15m時.斷裂傾向向東.可能是因臨汾盆地地殼內存在明顯的低密度構造所致；當深度小于15m時，斷裂傾向向西.斷層向下延伸約20km.

36、昔狹斷裂（FQ.曾稱井降黎城斷裂.屬于汾渭地塹斷裂系.起門河北井隆.止于山西晉城.由多條平行斷層及緊密榔曲組成,該斷裂是山西隆起I.一條幣:要的構造帶,沿該斷裂發育了一系列盆地,其中長治盆地內新生代沉積層障度達248m.盆地東側老頂山組成斷裂上升盤.高出現代盆地425m（孫麗娜等.2009）.反映了斷裂兩盤的升降爛異.斷層長350km.寬18km.以正斷層為主.總體走向為NNE,與太行山走向近于平行.斷層傾向為NW,傾角為40°60°,從圖4可以看出,晉獲斷裂傾向向西,傾角為50°.其兩側沖分布明顯不同.西側從高到低.而東側從低到高.向下延伸約23km.林11斷裂

37、（F,）W于太行山山前斷裂系（徐杰等2000）.起門林必任村.止于林縣合澗.形成于燕山運動晚期（劉錫大等.1998）.斷裂深度已達變質結晶巖底與花崗巖界面附近.第四紀以來仍在活動.表現為西盤上升.東盤下沉.斷層長40km斷錯性質為正斷層.走向為NNE10。，傾向為SEE,傾角為50°70°,斷裂破碎帶寬幾十米，斷裂深度達10km以上，屬基底性斷裂.從圖4可以看出，斷層傾向向東，傾角為60°,向下延伸約15km.湯東斷裂（R）屬于太行山山前斷裂系（劉錫大等，1998；徐杰等，2000）,起自臨漳,止于衛輝，被NWW向安陽斷裂所截斷，長度為100km,以正斷層為主，走

38、向NNE30。，傾向NW,傾角在地表淺部約為50°-60°,向下逐漸變緩.劉保金等（2012）的深地震反射剖面結果表明湯東斷裂下延深度較小，約13km,與圖4所示結果相同.長垣斷裂（F6）屬于聊南斷裂帶，起自陰城西北，止于封丘，由數條平行的斷裂組成.該斷裂形成于燕山期，喜山期第四紀早、中期有繼承性活動，為早、中更新世斷裂（國家地震局鄂爾多斯周緣活動斷裂系課題組，1988）.該斷裂從古近系頂部斷至寒武一奧陶系，東盤下沉、西盤E升，斷距可達2km.它不僅控制了中生代地層的沉積，還切割了新、古近系地層.該斷層錯動性質為正走滑斷層，斷層長度為120km,斷層走向為NNE250,傾向

39、為SE,傾角為50°.從圖4可以看出，該斷裂傾向向東，傾角為50°,向下延伸約12km.聊城一蘭考斷裂（F；）亦屬于聊南斷裂帶（于平等，2003）,起自禹城，止于河南蘭考，是魯西隆起與內黃凹陷的分界斷裂.鉆孔對比（向宏發，2000）和淺層地震勘探（王基華等，1994）獲得的資料表明，該斷裂是一條晚更新世一全新世早期的活動斷裂，因其切斷了晚更新世地層，可能影響到上部全新世早期地層的發育1937年荷澤Ms7.0地震即發生在該斷裂附近.布格重力異常沿該斷裂形成了窄且密的陡變帶，航磁異常明顯顯示，地殼厚度和上地幔高導層埋深沿該斷裂呈明顯的梯度分布（徐杰等，2000）.斷層長度為26

40、0km,斷層錯動性質為右旋正斷層，斷層走向為NNE25。，傾向為NW,傾角為50°70°.從圖4可以看出，該斷裂傾向向西，傾角為60°,向下延伸約15km.通過上述分析可以看出，歸一化總梯度成像總體展示的傾角和斷裂分布與前人的研究成果較為吻合，該剖面走向為EW,沿線經過的斷裂傾向主要為向東和向西，較好地反映了各斷裂的傾向，并據此推測了斷裂的下延深度.結果表明：除羅云山斷裂和霍山山前斷裂受臨汾盆地影響，盆地地殼內存在明顯的低密度構造，出現密度“虧損”，致使淺部表現出的斷裂傾向與實際傾向有出入外，其它沿線經過的斷裂傾向均與實際傾向相吻合.汾渭地塹斷裂系（E,F2,F3

41、）下延深度約為2030km,太行山山前斷裂系（F“FQ和聊南斷裂帶（F$,R）下延深度約為1215km,可以看出沿線經過的汾渭地塹斷裂系屬深大斷裂，太行山山前斷裂系和聊南斷裂帶并非深大斷裂，僅存在切穿上地殼的斷裂帶.3討論與結論對宜川一泰安剖面高精度重力觀測和GPS測量數據進行各項改正和處理，得到該剖面的布格重力異常，并計算得到該剖面較為精細的垂向一階導數梯度和布格重力異常歸一化總梯度（Gb圖像.結合前人的相關研究成果，利用垂向一階導數梯度圖像對剖面經過的隆起、凹陷進行了分析，認為垂向一階導數梯度主要反映淺部異常場源的位置.利用GH圖像，對剖面經過的7條主要斷裂及其空間分布特征進行分析，認為主

42、要活動斷裂均對應于GH等值線的條帶或切分局部區，這些部位通常顯示出強變形特征.該剖面走向為EW向，歸一化總梯度成像結果顯示的斷裂分布和傾角與地質上的斷裂分布及傾角較為吻合，能較好地反映各個斷裂的傾向，并推測斷裂的下延深度，結合地質構造環境推測各斷裂的可能埋深和性質.結果表明，沿線經過的斷裂傾向主要是向東和向西，汾渭地藜斷裂系下延深度約為2030km,太行山山前斷裂系和聊南斷裂帶下延深度約為1215km,說明沿線經過的汾渭地量斷裂系屬深大斷裂，而太行山山前斷裂系和聊南斷裂帶為僅存在切穿上地殼的斷裂帶.感謝中國地震局地球物理研究所陳石研究員和中國地震局地震研究所吳桂桔博士在數據處理、解釋過程中提供

43、的幫助，以及中國地震局地球物理勘探中心項目組的同事們在野外工作中的付出.參考文獻安衛平，蘇宗正，程新原.1995.臨汾盆地的橫向斷裂J.山西地震，(3/4)：68-77.AnWP,SuZZ,ChengXY.1995.LateralfracturesinLinfenbasinJ.EarthquakeResearchinShanxi»(3/4):6877(inChinese).鄧起東.2007.中國活動構造圖M.北京：地震出版社:2-22.DengQD.2007.MapofActiveTectonicsinChinaM.Beijing：SeismologicalPress：2-22(in

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