利用重力數據研究張家口地區深部斷裂系統

劉 龍 劉志輝

1 河北省地震局,石家莊市槐中路262號,050021

重力異常是地殼或上地幔物質密度變化及構造運動特征的反映,從地表到地球深處所有密度分布的不均勻性是引起重力異常的主要地質因素[1]。申重陽等[2]研究發現,斷層位錯會引起斷層周圍局部重力場變化,而地震的孕育和發生往往與活動斷層的運動緊密相關。2008年,美國國家地理空間情報局(NGA)發布超高階全球重力場模型EGM2008,該模型基于GRACE衛星重力資料、地面實測重力資料及DTM地形等數據進行調和分析,完全階次至2 159,空間分辨率為5′(約9 km)[3],使得全球重力場模型的空間分辨率提升到空前高度。許多學者利用該模型在全國各地開展了研究[4-5],而河北省作為受地震災害影響嚴重的地區之一,目前尚無利用該重力資料對區域深部斷裂開展的全面、系統性研究。本文將在EGM2008全球重力場模型基礎上,利用向上延拓與導數換算等數據處理方法,結合地質構造資料對河北省張家口地區深部構造特征進行解釋,討論基于EGM2008模型研究河北省深部斷裂系統的可行性。

1 區域構造背景與布格重力異常提取

研究區位于中朝準地臺,主要發育有尚義-平泉斷裂、張家口斷裂、懷安-萬全斷裂、洗馬林斷裂等18條活動斷裂。其中,近EW向構造形成較早,多被其他方向斷裂切割或改造;NE向斷裂是區域主要的控制性構造;NW向斷裂規模較小,屬配套構造,但活動較新,以斷塊差異運動和斷裂活動為主。新構造運動時期,華北平原強烈裂陷,形成大型坳陷,裂陷區基巖面與山區北臺面分布高程相比,差異升降最大幅度達14 000 m。控制斷陷盆地的主斷裂具有水平剪切性質,現代水系沿斷裂線水平扭動,表明華北地區第四紀活動伴有明顯的水平運動分量。第四系沉積等厚線與新近系等厚線形態基本相同[6],新構造運動在華北平原北部發育形成NW向沙河-武清-渤海第四紀活動斷陷盆地帶。隆起區表現為間歇式抬升,在華北山地的河谷內普遍發育3～4級階地,在山前形成級數不等的臺地[7]。

張家口地區自有記錄以來發生破壞性地震(包括余震)33次,其中M4.7～4.9地震14次,M5.0～5.9地震14次,M6.0～6.9地震5次。影響較大的地震分別為1337-09河北懷來6 級地震、1618-11河北蔚縣6 級地震、1628-10河北懷安西洋河堡6 級地震、1720-07河北沙城6 級地震及1998-01-10河北張北6.2級地震。

EGM2008全球重力場模型自發布以來一直持續改進,本文通過世界重力圖網站(http:∥bgi.omp.obs-mip.fr/)下載到最新的河北北部地區布格重力異常數據,結合相關活動斷裂資料,繪制研究區布格重力異常分布圖(圖1)。該異常分布圖主要反映深部構造的演變趨勢,從東南往西北異常幅值逐漸增大,說明莫霍面緩慢抬升[8],與該地區整體地勢西北高、東南低的特征一致。

圖1 張家口布格重力異常分布

2 重力數據處理及斷裂參數確定

布格重力異常轉換處理和反演方法可分為褶積濾波(空間域)和FFT濾波(頻率域),在對深部斷裂構造進行解釋時通常使用FFT濾波,本文將采取向上延拓和導數換算兩種方法對研究區深部斷裂系統的構造特征進行解釋。

2.1 重力場向上延拓

將觀測面上的實測重力異常值換算到上半空間某一高度的方法稱為向上延拓。該方法可壓制淺表干擾異常或范圍較小的局部異常,突出埋藏深度較大或規模較大的探測目標異常[4]。

如果一個地質體在觀測平面產生的重力異常Δg(ζ,η,0)為已知,則可將這個觀測平面看成一個無窮的單層物質面,其密度為:

(1)

該物質面在其上方空間任意點產生的重力異常與物質面下方地質體產生的重力異常等效,因此可利用該等效的單層物質面代替地質體,用于計算觀測面上方的重力異常。一個密度不均勻的無限大物質面在其上方任意點(x,y,-z)產生的重力場為:

Δg(x,y,-z)=

(2)

上式為實現空間域各項處理的基本公式[4]。采用式(2)實現三度異常向上延拓的算法為:以平面上網格化的觀測數據點為中心,點距Δx=2a為寬度,線距Δy=2a為長度,將計算區劃分成M個矩形小區,假定每個水平矩形小區的密度均為常數,第k個小區的密度為σk,則式(2)可表示為:

(3)

上式就是實現三度體重力異常向上延拓的計算公式。

經查詢相關資料,重力場上延高度和淺源頂深之間存在一定的經驗關系:

1)上延高度與淺源頂深總體上呈線性正比關系:當上延高度小于15 km時,淺源頂深約為上延高度的1/2;當上延高度為15～30 km時,淺源頂深變化較小,趨于10 km;當上延高度為30～40 km時,淺源頂深約為上延高度的2/5[5]。

2)上延高度越大,反映淺源頂深越大。

3)上延到一定高度后,淺源頂深線性梯度變緩,該拐點上延高度應為區域深源場高度,該高度重力場為區域場。

根據反演結果結合本區實際情況,選取5 km、10 km、20 km、30 km這4個節點作為上延深度進行研究,利用Encom Modelvision Pro軟件進行計算,結果如圖2所示。

圖2 不同深度下的向上延拓重力異常

2.2 重力場導數換算

導數換算是指將原布格重力異常換算為水平一次方向導數、垂向二階導數或異常的總梯度模型、重力異常的解析信號等能更形象反映重力異常線性構造的一種數據處理方法。求取水平方向導數可突出線性構造在重力場中的反映,通常分析0°、45°、90°和135°等4個方向的水平導數,目的是突出與之垂直方向的線性構造,即0°反映近NW向,45°主要反映NW向,90°主要反映NS向,135°主要反映NE向線性(斷裂等)構造。

對于一個密度不均勻且無限大的物質面,在其上方任意點產生的重力場為[4]:

Δg(x,y,-z)=

(4)

求其水平方向的導數,實質是求其在x方向的變化率,該變化率可近似表示為:

(5)

(6)

通過計算得到結果如圖3所示。

圖3 不同方向一階方向導數灰度圖

3 結果分析

根據上述計算結果,對研究區內5條主要斷裂的規模、走向、切割深度、頂部埋深等進行分析,得出以下結論:

1)尚義-平泉斷裂:該斷裂自尚義向東經崇禮、赤城、湯河口、下板城至平泉,活動時期從新近紀到第四紀,其中又以中晚更新世最為突出,全新世至今仍有明顯活動。此外,該斷裂南北兩側附近地震活動差異明顯,斷裂以北地震活動較弱,僅1998-01發生過張北6.2級地震,以南地震活動顯著增強。在布格重力異常0°一階方向導數灰度圖(圖3(a))中表現為一條不連續的梯度帶,可能受陰山斷隆區與燕山斷隆區兩板塊擠壓干擾與互相切割所致;在紅土梁鄉與北新屯鄉之間吻合度較高,斷裂整體沿41°N線分布,與前人研究結果[7]基本一致;在向上延拓20～30 km時,仍能看到較好反映,說明該斷裂為一條深大斷裂,切割深度為15 km以上。綜上所述,尚義-平泉斷裂為EW向的深部斷裂帶。

2)懷安-萬全北緣斷裂:該斷裂也稱為懷安盆地北緣斷裂,在135°一階導數灰度圖(圖3(d))中具有較好的反映,說明斷裂總體走向NE。該斷裂分為東西兩段,其中西段斷裂從沿渡口堡鄉延伸至北沙城鄉附近,走向近EW,向上延拓至5 km時已幾乎無反映,說明該處斷裂切割深度較淺;東部斷裂由北沙城鄉延伸至洗馬林鎮附近,走向NNE,向上延拓至10 km時仍能看到較明顯反映,說明該部分比西段斷裂切割深度大,屬于較為活躍的部分,該特征與前人研究結果[7]較為符合。

3)懷安盆地南緣斷裂:該斷裂在布格重力異常0°一階導數灰度圖(圖3(a))中反映最為明顯,在45°一階導數灰度圖(圖3(b))中也能看到微弱反映。經分析可知,該斷裂大體走向EW,與相關資料描述一致。本文認為斷裂西段部分呈NW走向,目前尚無資料對此進行描述,需進一步調查核實。在進行向上延拓時,通過觀察可將該斷裂分為東西兩部分,向上延拓5 km時,該斷裂西部等值線帶幾乎消失,反映已不明顯,然而向上延拓10 km時斷裂東部等值線帶仍然存在,說明該斷裂東部的切割深度遠大于西部,屬于相對活躍的部分,與前人研究[7]中所描述的活動性有西弱東強的現象相呼應。

4)陽原盆地北緣斷裂:在布格重力異常圖中能清晰找到該斷裂所對應的等高線密集部分,分為東部、中部和西部3個部分,走向分別為近EW向、NE向、NEE向,與該斷裂導數灰度圖相對應。從布格重力等值線密集區與斷裂位置對應的關系可判斷,該斷裂東部埋深最深,中部次之,西部埋深最淺。向上延拓5 km時,東部斷裂已無反映;向上延拓10 km時,中部、西部斷裂已幾乎無反映,說明該斷裂東部頂部埋深在2 km以內,中部、西部斷裂頂部埋深在3～5 km之間。

5)蔚廣盆地南緣斷裂:該斷裂為蔚廣盆地規模最大的斷裂,對蔚廣盆地的形成、發展起著決定性作用。布格重力異常圖等值線密集區能明顯地反映其NE向的整體走勢,該特征在135°水平一階導數灰度圖(圖3(d))中也有明顯反映。向上延拓5 km時,其西南段仍有明顯反映,東北段反映則相對較弱;向上延拓10 km時,西南段反映已不明顯,東北段反映消失,據此判斷該斷裂西南段頂部埋深約為5 km左右,西南段頂部埋深為2 km左右。

4 結 語

本文通過獲取的衛星重力資料計算得到布格重力異常,并在此基礎上經過不同深度向上延拓計算與不同方向的一階導數計算,得到研究區內5條斷裂的規模、走向、切割深度等具體參數。結果表明,尚義-平泉斷裂為EW走向的深部斷裂帶,陽原盆地北緣斷裂東部頂部埋深在2 km以內,中部、西部斷裂頂部埋深在3～5 km之間,懷安-萬全北緣斷裂與陽原盆地北緣斷裂東部切割深度均比西部深,蔚廣盆地南緣斷裂西南段頂部埋深約為5 km左右,西南段頂部埋深為2 km左右。本文研究結果更加精細地刻畫了張家口地區的深部構造環境,對以后河北省內重力推斷斷層工作具有參考意義。由于本文數據是基于衛星重力資料,雖測量范圍大、資料齊全、成本低,但在測量精度方面無法與地面實測相媲美。若要對斷裂性質進行更細致的探究,建議開展地面重力勘探,通過有針對性地布設更加密集的觀測點來獲取更高精度的地表實測重力資料,進而開展更加細致的分析研究。