中國大陸2000—2007年重力場變化多尺度分解*

玄松柏 邢樂林 談洪波 汪 健 申重陽 李 輝

(1)中國地震局地震研究所(地震大地測量重點實驗室)，武漢 430071 2)武漢大學測繪學院，武漢430079)

中國大陸2000—2007年重力場變化多尺度分解*

玄松柏1，2)邢樂林1，2)談洪波1)汪 健1)申重陽1)李 輝1)

(1)中國地震局地震研究所(地震大地測量重點實驗室)，武漢 430071 2)武漢大學測繪學院，武漢430079)

利用小波變換方法將2000—2007年中國大陸重力場動態變化多尺度分解，獲得不同小波尺度意義下的重力場動態累積變化。結果表明:1)一階小波細節基本與構造活動無關;2)二階小波細節較好地反映了青藏高原的隆升和汶川Ms8.0地震的孕育;3)三階小波細節較好地反映了青藏高原的隆升及其內部物質向東運移、昆侖地震、汶川地震等較大尺度構造活動信息;4)三階小波逼近較好地反映了印度板塊對青藏高原的碰撞、太平洋板塊向歐亞板塊下的俯沖、華北地塊現今運動趨勢等大尺度構造活動信息。

重力場變化;小波變換;多尺度分解;構造活動;中國大陸

1 引言

覆蓋中國大陸范圍的重力測量包括20世紀90年代末開始實施的中國地殼運動觀測網絡和本世紀初開始實施的中國數字地震觀測網絡［1］，為地球空間環境及其變化、地球運動與動力學等研究領域取得的成果［2-7］提供了基礎資料。

以往解釋重力場變化時大多是基于整個重力場變化的過程，也有采用基于重力場變化反演［8，9］、解析延拓［10］等方法來判定地殼不同深度物質性質的改變機制或過程。若對重力場變化的不同成分進行分離，解釋構造運動則更為直觀。小波變換具有低階細節不變的性質［11］，可將重力場變化分解為表示不同深度、不同尺度的信息源在地表產生的重力場變化，為解釋重力場變化與深度、密度變化的關系提供了較為直觀、可靠的方法［12～14］。本文利用中國大陸2000—2007年重力場動態累積變化進行小波多尺度分解，獲得不同小波尺度意義下重力場動態變化，并結合中國大陸重點地區的典型構造活動，分析不同小波尺度意義下重力場變化特征的意義及兩者相應關聯。

2 重力場變化小波多尺度分解

2.1 重力場累積變化

利用中國地殼運動觀測網絡3期(2000、2002、2005年)和中國數字地震觀測網絡1期(2007年)的流動重力觀測數據，獲得在絕對重力控制下的相對重力聯測的弱基準平差結果，具體重力數據處理方法與精度說明參見文獻［1］。將結果中的2002、2005年和2007年數據分別減去2000年數據，獲得2000年以來的2～3年尺度的重力場動態累積變化，即分別為2002、2005和2007年相對于2000年重力場變化，利用雙調和樣條插值方法［15］將離散數據網格化成(10°N～60°N，60°E～140°E)范圍內的1°×1°規則數據(圖1)。圖1中較為明顯的重力變化區為塔里木盆地、大華北地區、川滇地區、青藏地區等，基本顯示了昆侖山口西Ms8.1地震的發生和發展、汶川Ms8.0地震的孕育、華北地區地殼運動、青藏高原地區隆升及其物質向東運移等國內外地球動力學研究領域的熱點問題所對應的重力場變化特征。

2.2 重力場變化小波多尺度分解結果分析

利用小波分解的Mallat塔式算法［16］將2000—2007年中國大陸重力場變化進行多尺度分解，結果見圖2～5。

圖2為中國大陸2002、2005和2007年相對于2000年重力場變化一階小波細節，主要反映了上地殼淺層因各種因素引起的重力場高頻變化信息，大多數地區變化量級較小，這里不詳細闡述。

圖3為中國大陸重力場變化二階小波細節，重力場變化有以下幾個典型特征:1)圖3(a)為2002年相對于2000年重力場變化二階小波細節，重力變化幅值較小。青海省中部、郯廬地震帶華北段存在小幅值負重力變化，內蒙東部、甘肅西部、四川西北部、河南南部存在小幅值正重力變化;2)圖3(b)為2005年相對于2000年重力場變化二階小波細節，相對于2002年重力變化幅值明顯增強，主要表現在從湘鄂西-廣西東北一線到拉薩由東向西分布著近南北向的正、負重力變化相間條帶，在成都-昆明一線正重力變化最為明顯;東北地區重力場變化呈現正負分異;3)圖3(c)為2007年相對于2000年重力場變化二階小波細節，中國大陸南部由東向西重力場變化正負條帶愈為明顯，川滇菱形塊體以西負重力變化幅值達到-80×10-8ms-2以上，西藏高原約以95°E為軸心的南北向正重力變化亦達到80× 10-8ms-2左右。

圖4為中國大陸重力場變化三階小波細節，較二階小波細節，三階小波細節所反映的重力場變化更具有區域性，其主要表現如下特征:1)圖4(a)為2002年相對于2000年重力場變化三階小波細節，東北地區中部存在小幅值負重力變化，而其東部存在小幅值正重力變化;華北平原為正重力變化區;鄂爾多斯地塊為負重力變化，云南北部為負重力變化，這兩個負重力變化區中間的成都平原為正重力變化;青藏高原東緣地區正重力變化最為明顯，從昆侖山口西到拉薩為南南東方向的負重力變化;存在較小幅值正重力變化的區域還有西藏西南和塔里木盆地;2)較之2002、2005年相對于2000年重力場變化三階小波細節(圖4b)引以注意的是青藏東緣的正重力變化向東移動至川西高原，其他地區基本為負重力變化區;東北地區東西重力變化分異;華北地區出現正負重力變化四象限分布形態;塔里木盆地地區正重力變化增加;3)圖4(c)為2007年相對于2000年重力場變化三階小波細節，與2005年相比，青藏高原負重力變化增強，北部的正重力變化與川西高原的正重力變化連成一片;華北地區正負重力變化四象限分布更加明顯;塔里木盆地地區的正重力變化達到80×10-8ms-2以上。

圖5分別為中國大陸2002、2005和2007年相對于2000年重力場變化三階小波逼近，主要表現為西部、西南部為正重力變化區，且幅值逐漸增大;大華北地區為負重力變化區，極值逐漸向西北移動;華南地區重力變化較小。

圖1 中國大陸重力場變化(單位:10-8ms-2;等值線間隔:20×10-8ms-2)Fig.1 Gravity field variations in China mainland(Unit:10-8ms-2;Contour interval:10×10-8ms-2)

圖2 重力場變化一階小波細節(單位:10-8ms-2;等值線間隔:10×10-8ms-2)Fig.2 First-order wavelet details of gravity field variations(Unit:10-8ms-2;Contour interval:10×10-8ms-2)

圖3 重力場變化二階小波細節(單位:10-8ms-2;等值線間隔:10×10-8ms-2)Fig.3 Second-order wavelet details of gravity field variations(Unit:10-8ms-2;Contour interval:10×10-8ms-2)

圖4 重力場變化三階小波細節(單位:10-8ms-2;等值線間隔:10×10-8ms-2)Fig.4 Third-order wavelet details of gravity field variations(Unit:10-8ms-2;Contour interval:10×10-8ms-2)

圖5 重力場變化三階小波逼近(單位:10-8ms-2;等值線間隔:10×10-8ms-2)Fig.5 Third-order wavelet approximations of gravity field variations(Unit:10-8ms-2;Contour interval:10×10-8ms-2)

3 重力場變化特征與構造活動

中國大陸構造活動呈現明顯的分區分塊特征［17-19］。不同階次小波細節反映地下不同尺度、不同深度介質密度變化或形變信息，一般說來，一階小波細節對應淺部環境變化引起的重力場高頻變化，二階小波細節對應上、中地殼介質運動引起的重力場變化，三階小波細節對應中、下地殼介質運動引起的重力場變化，三階小波逼近對應上地幔介質運動引起的重力場變化［11-13］。

3.1 青藏高原地區

青藏高原內部分為拉薩、羌塘、巴顏喀拉、昆侖、柴達木和祁連等塊體［17，18］。受印度板塊與歐亞板塊碰撞后持續的向北推擠和楔入作用而形成隆升和強烈變形，其影響范圍直達祁連山北緣和河西走廊盆地帶，河西走廊盆地帶南部發育著一系列近南北向的正斷裂-地塹系，中部發育數條北西西走向的左旋走滑斷裂，北部因受擠壓和新疆斷塊區阻擋而表現為地殼縮短。2001年11月14日發生的昆侖山口西Ms8.1特大地震震中位于東昆侖斷裂帶上。

青藏高原的隆升主要為南部的拉薩和羌塘地塊［17］，與二、三階小波細節(圖3、4)顯示的拉薩附近負重力變化區相對應，特別是二階小波細節反映出負重力變化不斷增強，與絕對重力結果［20，21］較好吻合，說明因青藏高原隆升所引起的地下介質密度變化主要集中在中、下地殼。另外，印度板塊插入青藏高原下方后因擠壓造成高原物質增多、密度增加，使得三階小波逼近(圖5)顯示青藏高原為正重力變化區。

2005年、2007年相對于2000年重力場變化三階小波細節(圖4(b)、(c))顯示，在青藏高原內部重力場正負變化分界線基本與高原下地殼物質東流的主流線［22］一致。說明重力場變化三階小波細節較好反映了青藏高原物質東流過程。在90°E左右的羌塘地塊北邊界處因受高原南部推擠和北部新疆斷塊區阻擋使得地下介質致密而呈現正重力變化，可以推斷，下地殼物質向北推移止步于羌塘地塊與巴顏喀拉地塊邊界的甘孜-玉樹斷裂帶而轉為SEE方向。

2002年相對于2000年重力場變化為昆侖山口西Ms8.1地震同震變化，其三階小波細節(圖4 (a))顯示，震區呈現負重力變化區，西南部和東部呈現正重力變化區，特別是東北的大片高值正重力變化區。由于同震的近東西向左旋破裂運動，震源區的閉鎖狀態消失，中、下地殼介質向東和西南分異運移，阻擋了青藏高原北推作用，使得東部和西南部呈現正重力變化區，同時造成震區物質虧損導致震區呈負重力變化區。2005年相對于2000年重力場變化三階小波細節無此現象，說明昆侖地震震后影響呈現逐漸減弱的趨勢。

3.2 藏東和川滇地區

藏東和川滇地區包括川滇菱形塊體、滇西南塊體和羌塘塊體東南部，受青藏高原物質向東運移和成都盆地剛性塊體的阻擋而呈現順時針旋轉和南南東方向總體運動。2008年5月12日汶川Ms8.0地震發生在巴顏喀拉地塊東邊緣的龍門山斷裂帶上，是青藏高原地下物質向東運移的結果。

成都、昆明一線處在青藏、華南兩大I級塊體的邊界構造帶上［17］，縱觀小波多尺度分解結果可以看出二階小波細節(圖3)和三階小波細節(圖4)中成都以西的南北向正重力變化趨勢，二階小波細節在2007年達到最大(圖3(c))，三階小波細節在2005年達到最大(圖4(b))。這種趨勢基本與成都基準臺重力變化趨勢［23］吻合。說明汶川Ms8.0地震前，成都盆地以西重力變化一直在增加，中、下地殼物質和能量處于逐漸累積的過程。重力場變化與汶川地震孕育研究表明:大震往往發生在正負重力變化梯級帶上［7］，龍門山斷裂帶位于重力場變化二、三階小波細節的正負梯級帶，因此，可以認為汶川地震孕育在中、下地殼或其分解面上，是青藏高原下地殼物質向東運移的結果。

位于川滇菱形地塊和羌塘地塊交界的三江地區(瀾滄江、金沙江、怒江)，處于青藏高原物質向東運移的通道之上［22］，使川滇菱形地塊向南南東方向總體運動的構造背景下，地殼介質向南南東方向運移。二階小波細節(圖3)顯示負重力變化逐漸增強，反映了物質運移過程，表明該過程發生在中、下地殼。

3.3 華北地區

華北地區包括鄂爾多斯、太行山、華北平原、河淮平原、陰山-燕山、膠遼、蘇滬等塊體［17］，是我國最古老的板塊之一，經多次構造運動形成了風格迥異的構造單元。通過對中國大陸重力場變化多尺度分解結果可以看出，華北地區具有以下基本特征:

1)2005、2007年相對于2000年重力場變化三階小波細節(圖4(b)、(c))顯示華北地區重力場變化大致以陰山-燕山一線和太行山為軸呈正負四象限分布形態，幅值逐漸增大，2000年至今沒有強震活動發生，石家莊附近的地震危險性應值得注意。這種正負四象限分布可能是由鄂爾多斯-岷山地塊下地殼物質向東運動受太行山阻擋而得以累積、陰山-燕山塊體向NE方向運動、張家口-渤海斷裂的左旋走滑［24］等構造活動的綜合反映;亦或因日本海溝地震與華北地震同受西太平洋板塊俯沖控制，兩者存在著相關性［25，26］，日本海溝2003年發生的Mw8.0地震，此次地震加速了太平洋板塊的西向俯沖，是華北地幔物質上涌［26］的結果，石家莊附近恰位于上地幔隆起區［27］。郯廬斷裂帶以西有較明顯的負重力變化，可能說明其仍處于活動狀態。

2)大華北地區三階小波逼近(圖5)最顯著特征為逐漸增強的負重力變化，說明該區域深部物質為遷出狀態，基本與GPS結果顯示的現今華北地塊因拉張而向SEE方向運動總體趨勢［28］吻合。

3.4 其他地區

三階小波逼近(圖5)顯示的西昆侖地區正重力變化是青藏高原向北推擠而不斷累積的結果;塔里木盆地南為昆侖山，北為天山，因處于擠壓環境下［17］應呈正重力變化，三階小波細節(圖4)對應此變化;三階小波細節(圖4)顯示東北地區亦存在類似于華北地區的正負重力變化四象限分布形態，因該地區構造運動與華北地區一樣受太平洋板塊俯沖作用的控制［29］，同樣可能是因2003年日本海溝Mw8.0級地震的影響;東北地區三階小波逼近(圖5)的正重力變化反映了因太平洋板塊西向歐亞板塊下深度俯沖擠壓［1，19］的致密作用。

4 結束語

通過2002、2005、2007年相對于2000年3期中國大陸重力場動態累積變化的小波多尺度分解獲得的不同小波尺度意義下的重力場變化，得到以下幾點認識:

1)一階小波細節反映地表及淺層高頻信息，基本與構造運動無關;

2)二階小波細節較好地反映了青藏高原的隆升、汶川Ms8.0地震等發生在中、下地殼的構造活動信息;

3)三階小波細節較好地反映了發生在中、下地殼的青藏高隆升及其原內部物質向東運移、昆侖山口西Ms8.1地震同震效應、汶川Ms8.0地震震前物質與能量的累積等較大尺度構造活動信息;

4)三階小波逼近較好地反映了印度板塊對青藏高原的擠壓、太平洋板塊向歐亞板塊下的俯沖、華北地塊現今運動趨勢等大尺度構造活動信息。

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WAVELET MULTI-SCALE DECOMPOSITION OF GRAVITY FIELD VARIATIONS DURING 2000—2007 IN CHINA MAINLAND

Xuan Songbai1，2)，Xing Lelin1，2)，Tan Hongbo1)，Wang Jian1)Shen Chongyang1)and Li Hui1)

(1)Key Laboratory of Earthquake Geodesy，Institute of Seismology，CEA，Wuhan 430071 2)School of Geodesy and Geomatics，Wuhan Universtiy，Wuhan 430079)

Dynamic gravity field variations during the period from 2000 to 2007 in China mainland are decomposed after the method of multi-scale decomposition of wavelet transform.The dynamic gravity field variations of the different-scale wavelet and the following results are drawn:1)The first-order wavelet details are independent of tectonic activities basically.2)The second-order wavelet details well reflect the uplift of Tibetan Plateau and the preparation of Wenchuan Ms8.0 earthquake.3)The third-order wavelet details well give information about larger scale tectonic activities，such as uplift and eastward mass flow of Tibetan Plateau，Kunlun earthquake and Wenchuan earthquake.4)The third-order wavelet approximations well give information about large-scale tectonic activities，such as the collision of India plate with Tibetan Plateau，the subduction of Pacific plate to Eurasian plate and the movement tendency of north China block.

gravity field variations;wavelet transform;multi-scale decomposition;tectonic activities;China mainland

1671-5942(2012)03-0007-10

2012-01-15

地震行業科研專項(201008007)

玄松柏，男，1980年生，博士生，助理研究員，主要從事重力場與重力反演研究.E-mail:song_bai_whu@163.com

P315.72+6

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