基于遙感、重磁多源信息研究茅山斷裂帶構造特征*

付萍杰，張景發，王 鑫，高 敏，王冬雷，劉 軍

(1.中國地震局地殼應力研究所 (地殼動力學重點實驗室)，北京100085;2.山東科技大學，山東青島266590;3.山東省地震工程研究院，山東濟南250021)

0 引言

茅山斷裂帶出露于江蘇南部茅山地區，北起金壇石門塘，向南南西經金壇致和、陶家洼、溧陽竹簀煤礦、曹山林場、茅山林場、溧水陸家、高淳種桃山、茨山頭，繼而進入安徽鄭村和宣城敬亭山東麓，斷續出露約134 km，主體位于江蘇省境內，在遙感圖像上可以發現其呈“S”形展布，由茅西斷裂、茅東斷裂以及兩者所夾持的茅山斷塊組成，總體走向北北東，傾向南東，傾角由緩到陡。茅西斷裂形成于晚侏羅世之后、晚白堊世之前 (江蘇省地質礦產局，1984)，位于茅山山脈西側山麓，走向30°，總長110 km。茅東斷裂于晚白堊世以后第三紀時形成，伴生的北西、北北西向張性及張扭性斷裂亦較發育 (江蘇省地質礦產局，1984)，傾向南東，傾角上陡下緩。茅東斷裂與金壇—南渡斷裂共同控制了所夾持的中新生代沉積盆地——直溪橋斷陷盆地和椏溪港斷陷盆地 (黃潤生，曹建忠，2010)，其東側則為金壇—溧陽隆起，而深洼部分則是該地區的地震頻繁活動區。茅山斷塊形成于志留系—三疊系，寬約4 km，走向30°，長約50 km，夾持在茅西斷裂和茅東斷裂之間。該區域曾發生過數次4～6級地震，特別是1974年、1979年在茅山斷裂帶中段相繼發生5.5級和6.0級地震，是重點監測地區之一 (陳文凱等，2006)。

以前對于茅山斷裂帶的研究都側重于運用構造地質知識、遙感影像解譯等 (張永康，孫競雄，1982;陳文凱等，2006;孫競雄，韋國鈞，1985)，利用小波多尺度分解的方法幾乎沒有研究。侯遵澤和楊文采 (1997)首次將小波多尺度分析應用到中國大陸布格重力異常數據處理中，取得了較好的效果。作為研究地質構造和巖石圈結構的有效方法之一，重力方法既可以體現出地質體的縱向分層，也可以體現出地殼介質的橫向密度的非均勻性。因此，重力數據可以直觀的反映出地質體分布、斷裂構造的展布以及深部構造特性等信息，同時還包含了深度較大、分布較廣的場源信息。由于重力異常是不同密度、不同深度、不同規模以及不同形態地質體所產生的重力場的疊加，所以應對重力異常信息進行分離，繼而提取有關信息。近年來發展起來的小波分析法已經廣泛的應用于地球物理信號處理，本文經過小波多尺度分解得到了1～4階重力小波細節圖，解譯茅山斷裂帶深部構造，所采用的布格重力數據為1∶20萬，數據網格間距2 km×2 km，研究區范圍 (31°20'～32°00'N，119°00'～119°30'N)。

1 茅山斷裂帶遙感構造地貌特征

遙感技術為活動斷層調查提供了快速有效的手段，將遙感技術與構造地貌特征研究相結合，可以對斷層第四紀以來的構造特征進行研究。活動斷裂在地表留下比較直觀的斷層依據，沿斷裂帶通常發育洪積扇、斷層陡坎、斷層崖、斷層三角面山、拉分盆地等構造地貌現象，利用遙感影像可以對這些地貌單元進行比較詳細的判讀 (姜文亮等，2011;陳丁等，2011)，同樣這些地貌單元在三維立體圖中表現的更為直觀。

茅山斷塊在TM影像上表現為北北東走向的隆起的山脈 (圖1)，茅山斷裂帶由茅西斷裂、茅東斷裂以及茅山斷塊組成，斷裂沿山腳與凹陷過渡區域分布，筆者將茅山斷裂帶分為3段來描述。其中，火龍地—周家段處發育有大面積的洪積扇地貌景觀，可以觀測到斷層三角面，茅西斷裂洪積扇面積較小，斷層三角面發育，由于斷裂兩側地貌特征的不同，斷裂兩側光譜分辨率不同引起的色調差異都很明顯，Google Earth影像中在北鎮街附近可看到斷層崖地貌 (圖2a中TM影像中白色框表示局部斷層崖地貌圖位置)。白馬鎮—杜公廟段發育有小面積的洪積扇，殘山呈線狀斷續排列，斷裂兩側地質地貌特征有很大的變化，茅西斷裂沿兩側山脈之間的山谷穿過，斷裂兩側發育有斷層三角面，在Google Earth影像中高茅棚附近表現的比較清晰 (圖2b中TM影響中白色框表示局部斷層三角面地貌圖位置)。貍橋鎮—碼頭村段與其兩側地質地貌景觀差異明顯，一側為隆起的山脈，斷崖陡峭，另一側為湖泊，影像中表現出不同的色調 (圖2c)。這些現象在TM影像圖與三維立體圖中表現的都比較明顯 (圖2)，遙感圖像是二維視圖，通過疊加DEM可以獲得三維效果圖，三維立體圖具有立體感強、形象逼真，能清晰的突出平面圖像上表現不出來的一些地表景觀變化，可以借此來分析地形和地貌特征。

圖1 茅山地區TM影像Fig.1 Image of TM along the Maoshan regions

2 茅山斷裂帶重磁異常特征分析

小波變換細節圖是對局部場布格重力異常信息的反映，主要體現了淺部場源體引起的較小規模的高頻異常信息。利用小波變換方法對研究區布格重力數據進行處理，可以得到對應的小波變換細節圖，通過小波變換細節圖可以對該區主要地質單元進行研究，特別是對斷層的深部延伸規模、埋藏深度進行推測。利用對數功率譜方法(王文睿等，2009;申寧華等，1986;殷秀華等，1999;樓海，王椿鏞，2005;張先，趙麗，2007;Jiang et al.，2004;楊宇山等，2003;Sari，Salk，2006;刁博等，2009;姜文亮，張景發，2012)對小波1～4階細節圖場源深度進行了計算，從表1中可知，1～2階小波細節圖像反映了上地殼布格重力異常特征，3階小波細節圖像反映了中地殼布格重力異常特征，4階小波細節圖像反映了下地殼布格重力異常特征。

表1 各階小波變換細節反映的場源深度Tab.l Depth of field source reflected by each of wavelet transform detail

圖2 茅山斷裂帶分段TM影像、三維立體圖與Google Earth影像Fig.2 Images of TM，3D stereogram and Google Earth of each section of Maoshan Fault Zone

2.1 茅山斷裂帶布格重力異常小波細節特征分析

圖3為茅山斷裂布格重力異常圖，從圖中可知茅山斷裂帶區域重力異常數值變化范圍在(-32.1～11.9)×10-5ms-2之間，斷裂帶沿北北東方向兩側具有比較明顯的重力異常特征，兩側存在密集的重力高與重力低圈閉現象，斷裂沿重力高與重力低之間的密集等值線過渡帶分布。茅山斷裂帶異常特征與地表地形地貌特征具有很大的相關性，斷裂帶東側有明顯的兩個重力低異常圈閉，圈閉區為椏溪港凹陷和直溪橋凹陷，還有一個重力高異常圈閉區為金壇—南渡隆起。

圖3 茅山斷裂帶布格重力異常圖Fig.3 Bouguer gravity anomaly of Maoshan Fault Zone

在1階重力小波變換細節圖中 (圖4a)，重力異常數值變化范圍在 (-11.3～10.5)×10-5ms-2之間，布格重力異常比較規律，斷裂沿北北東方向分布。從圖4中可以看出茅山斷裂帶的3個組成部分。斷裂帶北東部分，茅西斷裂沿重力高異常與重力低異常之間的重力梯級帶分布，斷裂東側為重力高的異常茅山斷塊，呈線狀分布，茅東斷裂東北部沿斷陷盆地內部分布，中部地區沿兩側重力高異常所夾的重力梯級帶分布，西南部沿斷陷盆地內部分布。由茅西斷裂與茅東斷裂所在的重力梯度帶可以發現，茅東斷裂處的重力等值線比較密集，推測茅東斷裂比茅西斷裂傾角要大。中間部位斷裂帶在兩個高重力異常的圈閉區之間穿過，為遙感影像中白馬鎮—杜公廟段的線狀殘山。斷裂帶的西南部分沿串珠狀的重力低異常圈閉及邊緣分布，該串珠狀重力低異常圈閉為椏溪港凹陷。斷裂帶西南角方向沿重力高異常圈閉區邊緣分布，結合遙感影像初步分析該地區為湖泊。1階小波變換細節圖所揭示的場源深度大約在地表2～3 km，主要反映了地表附近的低密度介質分布狀態 (路曉翠等，2012)。

在2階重力小波變換細節圖中 (圖4b)，重力異常數值變化范圍在 (-5.6～5.9) ×10-5ms-2之間，布格重力異常較規律，斷裂帶沿北北東方向分布，茅東斷裂沿斷陷盆地與茅山斷塊之間的重力梯級帶分布，茅東斷裂重力等值線密集現象比茅西斷裂更加突處，茅西斷裂和茅東斷裂表現得更為明顯，茅山斷塊重力異常值明顯升高，范圍明顯擴大，茅東斷裂的東部直溪橋凹陷重力異常圈閉區范圍有所擴大。斷裂帶中間部分西側異常值明顯升高。椏溪港凹陷不再呈串珠狀分布，而是連在了一起成為重力低異常圈閉區，可能在這個時期斷層發生了重新活動 (王官福，張文治，1992)，茅東斷裂首先是沿椏溪港凹陷邊緣重力梯級帶分布，然后西南方向沿直溪橋凹陷邊緣重力梯級帶分布，西南角湖泊重力高圈閉區范圍有所擴大。南東方向不規則的重力高異常圈閉區為金壇—南渡隆起。金壇—南渡隆起位于茅山斷裂帶東側，該隆起西側邊緣重力梯級帶延伸的為南渡—金壇斷裂帶，該斷裂帶為北東方向，與茅山斷裂帶一起控制了直溪橋凹陷和椏溪港凹陷。2階小波變換細節圖所揭示的場源深度大約在5～6 km，主要反映了上地殼介質的分布狀態。

在3階重力小波變換細節圖中 (圖4c)，重力異常數值變化范圍在 (-8.2～9.9) ×10-5ms-2之間，布格重力異常圈閉區明顯，范圍有所擴大。從圖中可以看出茅東斷裂與茅西斷裂分界已不是太明顯，斷裂帶中間部分兩側的重力高異常區合并在一起，直溪橋凹陷和椏溪港凹陷圈閉區再次擴大，兩個凹陷的中段異常有所變化，為浮山—瓦屋山一帶的北西向上第三系方山組玄武巖漿活動帶的疊加與改造，或者為上第三系的淺鹽丘的反映 (路曉翠等，2012)。金壇—南渡隆起重力高異常區范圍擴大，形狀規則，與西側的隆起區相連。3階小波變換細節圖所揭示的場源深度大約在12～13 km，主要反映了中地殼介質的分布狀態。

在4階重力小波變換細節圖中 (圖4d)，重力異常數值變化范圍在 (-7.4～6.9) ×10-5ms-2之間，布格重力異常圈閉區很明顯，茅東斷裂與茅西斷裂合并為一條斷裂，沿重力異常密集梯度帶分布。斷裂帶西側為重力高異常圈閉區，東側為重力異常低圈閉區的直溪橋凹陷和椏溪港凹陷，但是直溪橋凹陷重力低圈閉區范圍擴大而椏溪港凹陷重力低圈閉區范圍有所減小，推測直溪橋凹陷比椏溪港凹陷延伸深度大。4階小波變換細節圖所反映的場源深度為24～25 km，表明場源深度已達到了下地殼，據此可以推斷茅山斷裂帶和南渡—金壇斷裂帶為規模較大的控制性斷裂，且兩條斷裂已經切穿了上地幔。

圖4 茅山斷裂帶布格重力異常1階 (a)、2階 (b)、3階 (c)和4階 (d)小波變換細節圖Fig.4 The approximation of the first order(a)、the second order(b)、the third order(c)and the forth order(d)wavelet transform detail of the Bouguer gravity anomalies of Maoshan Fault Zone

2.2 茅山斷裂帶航磁異常特征分析

在航磁異常圖 (圖5)上，茅山斷裂帶表現為北北東向正高磁異常，異常最高值可達500 nT，恰位于凹陷盆地處。在航磁2、3、4階細節圖上也可以發現這種現象。且在2、3階細節圖上帶內形成了明顯的環狀磁異常面貌，即斷裂帶外側為環形串珠狀磁異常，環內為正高磁異常。

研究圖5可知，斷裂帶為正高航磁異常，呈線性分布，正高磁異常被環狀的串珠狀負低磁異常所包圍，可以看出茅山斷裂帶處在低磁異常的斷陷盆地內。正高磁異常反映了茅山斷裂帶中茅山斷塊的基底隆起，可能會有巖漿物質的侵入，其周圍分布著大量的負低串珠狀磁異常，可能是火山噴發后物質沿斷裂縫隙的侵入 (黃潤生，曹建忠，2010;孫競雄，韋國鈞，1985)。

圖5 茅山斷裂帶航磁異常ΔT圖Fig.5 ΔT image of aeromagnetic anomalies of Maoshan Fault Zone

3 溧陽地震與茅山斷裂帶的關系

1979年7月9日，江蘇省溧陽縣發生6級地震，該地區于1974年4月22日發生過一次5.5級地震 (秦大正，1982)，兩次地震的震中位置相距3 km，震源深度也相當，可視為同源地震，2012年5月22日在溧陽地區又發生了M2.5地震，此次地震造成溧陽當地有感。許多地震專家曾進行過深入的地震現場考察和分析研究工作，其中較為統一的結論是認為這兩次地震的發生與茅山東側斷裂帶和南渡—金壇斷裂的活動有關 (葉洪等，1980;謝瑞征等，1979;胡連英，徐學思，2001)。此次地震發生的構造部位就是在茅山斷裂帶茅東斷裂的西側斷陷盆地—— “直溪橋—椏溪港”凹陷內 (葉洪等，1980;侯康明等，2012)。溧陽震區從西到東有:云合—白馬凹陷，莫霍面 (M)界面埋深為33 km;青山—芳山—竹簀橋隆起，M界面埋深為30 km;湯橋—上沛凹陷，M界面埋深為32 km;河口—慶豐隆起，M界面埋深為29 km(梁中華等，1984);大溪—前馬凹陷，M界面埋深為35 km。這些隆起與凹陷條帶之間常為M界面埋深變化較大的梯度帶，該梯度帶又往往與斷裂構造帶有關。如云合—白馬凹陷帶與青山—芳山—竹等橋隆起帶的過渡帶，恰好就是茅山東側斷裂 (梁中華等，1984)。本文用小波多尺度方法推斷茅山斷裂帶和南渡—金壇斷裂切穿上地幔，兩條斷裂帶傾向相對，規模相當，而震源區恰巧就處在兩個斷裂帶之間的盆地內，直溪橋凹陷和椏溪港凹陷規模較大，埋深較深，被兩條斷裂帶所控制。在航磁異常圖中，通過對斷裂帶及周圍航磁異常的研究分析，推斷該地區存在的巖漿侵入以及火山運動，尤其是上沛附近的火山噴發帶也是溧陽地震的主要活動地帶 (孫競雄，韋國鈞，1985)。

4 結論與討論

本文利用遙感影像研究茅山地區構造地貌特征，三維立體圖較直觀的反映了斷裂帶的存在，并利用小波多尺度分解的方法對茅山斷裂帶地區重力場進行場源分離，并對場源分離后的不同深度、不同規模以及不同密度的地殼結構進行了深入分析，結合莫霍面深度分析了溧陽地震與兩條斷裂帶的聯系，取得了比較好的效果。

(1)茅山斷塊在TM影像上表現出色調明顯的隆起區，在Google Earth影像中清晰的見到了斷層崖、斷層三角面的存在。茅山斷裂帶沿北北東方向呈“S”形狀分布，斷裂帶兩側色調差異很大，地形地貌有很大的不同，發育有大量的洪積扇，斷裂帶中段還有線狀的殘山堆積。

(2)茅山斷裂帶重力異常數值變化范圍在(-32.1～11.9)ms-2之間，總體表現為規模宏大的北北東方向重力梯度帶上，該斷裂由上陡下緩的茅西逆斷層、傾角較陡的茅東正斷層以及茅山斷塊組成，茅東斷裂比茅西斷裂傾角要陡，在地殼深處茅東斷裂與茅西斷裂合為一條斷裂。

(3)重力小波細節圖中解釋了茅山斷裂帶與南渡—金壇斷裂帶共同控制的直溪橋凹陷和椏溪港凹陷以及他們之間的過渡帶，直溪橋凹陷比椏溪港凹陷埋深較深。

(4)航磁異常圖推斷巖漿物質以及火山噴發的存在進一步驗證了茅山斷裂帶與南渡—金壇斷裂帶都切穿了上地幔，為規模宏大的控制性斷裂，加上兩條斷裂所控制的斷塊凹陷區，對溧陽地區的地震有著很重要的影響。

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