龐衛(wèi)東，張建國，沈婭宏

(云南省地震局，云南昆明650224)

0 引言

地質(zhì)歷史各期構(gòu)造作用，伴隨的巖漿活動在造成大陸巖石圈結(jié)構(gòu)橫向非均質(zhì)性的同時，必然會造成地殼內(nèi)部、上地幔物質(zhì)分布不均勻及其密度等物性差異，并表現(xiàn)為相應的重力異常分布。對重力異常場的研究可以幫助了解區(qū)域尺度范圍內(nèi)的地殼、上地幔結(jié)構(gòu)，尤其是基底性質(zhì)、莫霍面起伏等。

云南及攀西 (攀枝花—西昌)地區(qū)處于印度板塊向中國大陸擠壓作用地帶，區(qū)內(nèi)構(gòu)造復雜，深大斷裂發(fā)育，地殼較為破碎，地震活動十分頻繁，為中國大陸構(gòu)造活動最為強烈的地區(qū)之一。自20世紀80年代以來，很多學者已對該地區(qū)的地殼結(jié)構(gòu)進行了探測和研究工作 (闞榮舉等，1977，1986;熊紹柏等，1986;胡鴻翔等，1986;孫潔等，1989;王椿鏞等，2002)。前人也對區(qū)內(nèi)重力資料進行過大量的研究 (闞榮舉，林中洋，1986;何翔，吳國華，1986;蔣航，劉福生，1987;蔣福珍，方劍，2001)，得到了莫霍面深度及地殼與上地幔密度變化等很多成果。但由于資料和研究方法的限制，由重力資料得到的一些結(jié)果與地震測深等研究結(jié)果不太一致，因此有必要作進一步地研究。本文運用小波分析方法對云南地區(qū)的重力資料進行處理，以實現(xiàn)位場的有效分解，并結(jié)合區(qū)域地質(zhì)資料及其它地球物理資料對研究區(qū)的地質(zhì)構(gòu)造、地殼結(jié)構(gòu)和地震活動性進行分析研究。

1 方法

小波分析作為傅立葉分析思想的發(fā)展，克服了傅立葉分析不能獲得信號局部特性的缺點，使其在信號處理、圖像分析、地球物理等很多學科領(lǐng)域得到越來越廣泛的應用。小波變換應用其多尺度分析原理 (Mallat，1989)可將信號f(x)分解成各種不同的頻道和頻率成分，并且通過伸縮、平移聚焦到f(x)的任一細節(jié)加以分析 (李世雄等，1994)。利用小波變換的特點能將重力異常場精細地分解到多個不同的尺度上，可反映不同尺度和深度的異常，侯遵澤等 (1997，1998)、高德章等(2000)、楊文采等 (2001)先后把小波分析方法應用于重力場的分離和處理，并詳盡闡述了小波變換及多尺度分析的計算方法及原理，本文只給出重力異常多尺度分解后的表達式。

假設二維重力異常場為 Δg(x，y)=f(x，y)，利用小波多尺度分析原理對其分解后的重力異常表達式為

式中，D1G-DNG為一階至N階小波變換異常細節(jié);ANG為N階小波變換異常逼近。

在利用小波分析方法處理數(shù)據(jù)時，其基函數(shù)有多種選擇，對于位場數(shù)據(jù)，需要考慮小波基函數(shù)的一些重要性質(zhì)，李健等 (2001)對此進行了分析與試驗。小波函數(shù)的完備正交性是多尺度分析的基本要求，正交小波可以保證多尺度分析的低階細節(jié)不變性。小波函數(shù)的對稱性直接影響信號的重構(gòu)，如果具有對稱性，重構(gòu)算法失真小，重構(gòu)信號能給出原始信號的一個很好的逼近。小波函數(shù)的消失矩決定了小波函數(shù)逼近光滑函數(shù)時的收斂率，較高的消失矩能夠研究函數(shù)的高階變化。由于不存在正交對稱小波，在處理中考慮到研究區(qū)位場的變化較為平緩，選擇小波基函數(shù)時，傾向于選用振蕩較為平緩和光滑的小波基函數(shù)，此外選用的小波基函數(shù)還應有較好對稱性、緊支撐性和較高的消失矩。

圖1 云南布格重力異常圖 (重力單位:mGal)Fig.1 Bougue gravity anomalies in Yunnan area

2 資料與數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)資料選用云南省地礦局編制的1:100萬布格重力異常數(shù)據(jù)，其數(shù)據(jù)范圍為 (22.5°～29.4°N，98.6°～105.5°E)。圖1顯示區(qū)域布格重力異常值全為負，多在 (-80～-400) ×10-5m·s-2變化，宏觀上從滇東南到滇西北隨地勢升高逐漸降低，等值線呈向南東凹入，由南北轉(zhuǎn)東西的弧形展布。重力異常特點表現(xiàn)為:以紅河斷裂為界，斷裂帶兩側(cè)重力場特征迥異。滇西地區(qū)重力場總的呈南高北低，但又沿北東方向呈高低相間的起伏變化，異常以北西向為主，兼有南北向及北東向的異常表現(xiàn);滇西北則表現(xiàn)為北東向梯級帶上疊加近南北向異常。滇中、滇東地區(qū)重力場總趨勢由南東向北西逐步降低，重力高、低異常呈多個中心分布，異常有較大的升降幅度，但帶狀延展不如滇西明顯，異常帶比較寬，異常數(shù)目比滇西少，在26°N以南變化平緩。滇東地區(qū)南盤江以南，高低異常帶呈東西向展布，表現(xiàn)特殊 (云南省地質(zhì)礦產(chǎn)局，1990)。

利用小波分析方法對布格重力異常數(shù)據(jù)進行處理，參考李健等 (2001)研究成果，選用雙正交bior3.5小波對重力異常數(shù)據(jù)進行6階分解，并對各階小波細節(jié)進行徑向?qū)?shù)功率譜分析，求取其對應的場源深度 (Spector，Grant，1970;楊文采等，2001)，結(jié)果如圖2所示。本文僅展示4～6階的細節(jié)和6階逼近圖像。從統(tǒng)計意義上看，重力異常的徑向平均對數(shù)功率譜曲線可以反映異常場源的平均深度。功率譜計算結(jié)果表明，4階細節(jié)的場源埋深為8 km，反映了上地殼密度不均勻體;5階小波細節(jié)場源埋深為15 km，6階小波細節(jié)場源埋深為25 km，5階和6階小波細節(jié)反映了上地殼底部和中地殼的不均勻性;6階小波逼近場源埋深48 km，則反映了莫霍面起伏的趨勢。

3 布格重力異常場結(jié)果分析及解釋

對云南地區(qū)布格重力異常場處理結(jié)果進行分析，并結(jié)合研究區(qū)內(nèi)的地質(zhì)及其它地球物理資料進行相應的地質(zhì)解釋，對區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造和地震活動性做初步探討。

3.1 小波分解結(jié)果

筆者對云南及周邊地區(qū)布格重力異常小波分解各階結(jié)果進行分析。圖2a為布格重力異常4階小波細節(jié)，等值線形態(tài)十分復雜，為上地殼淺部小尺度構(gòu)造及巖體的反映。圖2b是5階小波細節(jié)，由圖可見異常帶清晰連續(xù)，對區(qū)內(nèi)斷裂帶反映的突出，表現(xiàn)為地下物質(zhì)密度的小波細節(jié)異常的位置與地表斷裂是基本吻合的。同時也存在不完全吻合的地方，一方面這也許是可以對地表斷裂做出相應修正的地方，因為地球物理場具有連續(xù)性，有利于確定斷裂的位置，而地表巖石或斷層的露頭出現(xiàn)比較孤立;另一方面考慮到在此深度上的(5階細節(jié)場源深度為15 km)這種不吻合，也許是斷裂向下延伸時傾角發(fā)生變化而造成。在4階、5階細節(jié)圖中除在局部和沿斷裂帶部位有正的重力異常區(qū) (推測正異常是地幔高密度物質(zhì)沿斷裂上涌至地殼淺部所致)外，在這一深度層次上 (4階細節(jié)8 km，5階細節(jié)15 km)以重力負異常為背景，尤其是區(qū)內(nèi)主要的坳陷和湖盆區(qū)，如滇中坳陷內(nèi)的楚雄—南華地區(qū)、鎮(zhèn)沅—思茅弧后盆地及昆明新生代湖盆區(qū)等，異常分布與表面地質(zhì)構(gòu)造相關(guān)。這與王椿鏞等 (2002)利用地震記錄獲得的P、S波三維速度結(jié)構(gòu)在地殼10 km深度上區(qū)域內(nèi)速度異常值相對較小，存在楚雄—南華地區(qū)等負異常區(qū)的結(jié)果相吻合。

云南地區(qū)6階小波細節(jié)如圖2c所示，計算場源深度為25 km，反映的是中地殼密度不均勻分布，由于重力資料對深部場源的分辨率較低，所以該階小波細節(jié)相較5階細節(jié)對斷裂構(gòu)造的反映沒有那么清晰，但該圖像清楚得顯示深部大尺度不均勻塊體。研究區(qū)中部的西昌—攀枝花—楚雄直至紅河斷裂南北向展布的重力正異常區(qū)與攀西裂谷和滇中坳陷區(qū)位置相對應，滕吉文 (1987)，熊紹伯等 (1986)研究指出滇中坳陷與攀西裂谷具有相似的殼幔結(jié)構(gòu)和地球物理特征，表明攀西中生代古裂谷實際上已南延至滇中 (闞榮舉，1989)，滇中坳陷具備了裂谷的特征。中生代揚子古陸裂陷形成滇中坳陷，發(fā)育了巨厚的中生代沉積 (云南省地礦局，1990)，對應4階和5階細節(jié)重力負異常區(qū)，而在巨厚的中生代蓋層之下，中地殼內(nèi)存在鎂鐵質(zhì)巖體和基性巖墻群，此應為沿裂谷中的巖漿通道上涌的高密度物質(zhì)，對應西昌—攀枝花—楚雄直至紅河斷裂的南北向展布的重力正異常。在該正異常條帶東側(cè)存在著與其平行展布的重力負異常帶，在地質(zhì)構(gòu)造上對應著康滇古隆起;再向東側(cè)出現(xiàn)南北向的異常等值線寬疏的正異常區(qū)，小江斷裂東側(cè)的正異常應是牛首山古陸的反映。圖2d顯示了6階小波逼近，功率譜計算場源深度為48 km，反映了莫霍面起伏趨勢，其形態(tài)與根據(jù)地震測深資料編制的地殼等厚線形態(tài)十分相似，并與胡家富等 (2003)利用S波地殼結(jié)構(gòu)反演所得地殼厚度結(jié)果相吻合。重力異常6階逼近圖像中 (圖2d)，可以看到一個向南東突出的舌形，在前舌和后舌之間呈現(xiàn)出“一隆兩坳”的特點 (闞榮舉，林中洋，1986)，即攀枝花—楚雄重力高對應的滇中幔隆、以東川為中心的重力低對應的滇東幔坳及滇西重力低對應的滇西復式幔坳 (任治磯，1996)。若扣除前舌與后舌隆坳相間的影響，則研究區(qū)內(nèi)地殼厚度變化趨勢將表現(xiàn)出一個更為平滑的向南東突出的舌形，為此，在六階小波逼近的基礎上進一步做7階小波分解，所得結(jié)果如圖3b所示。7階小波細節(jié) (圖3a)則更清楚的反映出研究區(qū)內(nèi)上地幔隆坳相間展布的特點，與“一隆兩坳”的特征相對應，只是其隆坳中心均發(fā)生了不同程度的北向偏移。云南地區(qū)布格重力異常場處理結(jié)果表明云南及周邊地區(qū)地殼、上地幔物質(zhì)存在明顯的橫向不均勻性。

圖3 云南重力異常7階細節(jié) (a)和7階逼近圖 (b)(重力單位:mGal)Fig.3 The 7th order wavelet details(a)and the 7th order approximation(b)of the gravity anomalies in Yunnan area

3.2 地質(zhì)構(gòu)造分析

為了便于分析，筆者把不同階次的小波細節(jié)數(shù)據(jù)組合起來以獲得不同深度的目標場，將5階和6階小波細節(jié)組合得到重力異常5～6階細節(jié)組合，如圖4所示。組合所得結(jié)果可以避免由于斷裂在不同深度層次上因發(fā)育程度的不同而造成在某一階次圖像中不能完整顯示的缺點，同時也剔除了上部密度不均勻體的干擾。從研究區(qū)內(nèi)深大斷裂在組合圖中投影的結(jié)果看，重力異常的轉(zhuǎn)換帶、梯度帶或突變帶多與斷裂展布相吻合。如程海斷裂為重力正異常區(qū)的東邊界，瀾滄江斷裂南段、綠汁江斷裂北段，小江斷裂帶均為重力異常梯級帶，紅河斷裂帶為正負異常轉(zhuǎn)換帶。研究區(qū)內(nèi)異常條帶展布的另一個顯著的特點是大部分斷裂都投影在異常條帶的正上方或與其緊鄰，這表明區(qū)內(nèi)斷裂多具陡傾的水平走滑性質(zhì)。作為“板塊縫合線”的金沙江—紅河斷裂，金沙江斷裂自滇西北進入本研究區(qū)，其重力異常顯示，呈現(xiàn)局部相當狹窄的北西向負異常軸，與斷裂的地面位置符合的很好，特征指示該斷裂產(chǎn)狀相當陡立，與地震測深資料震相分析獲得的斷層產(chǎn)狀 (傾角87.5°)相吻合 (闞榮舉，韓源，1992)。南部北西走向的紅河斷裂表現(xiàn)為梯級帶，并在其西南側(cè)伴有蒼山—哀牢山負異常帶，與地質(zhì)構(gòu)造上的蒼山—哀牢山變質(zhì)帶相對應，針對該負異常，結(jié)合Pg波低速異常等現(xiàn)象認為該區(qū)有逆沖推覆構(gòu)造，存在哀牢山推覆體 (陳元坤，1987)。紅河斷裂北東側(cè)是重力正異常區(qū)與高速異常區(qū)對應，這一正異常影響至與其平行的楚雄—建水斷裂。圖4中紅河斷裂與楚雄—建水斷裂異常條帶平行展布且中間夾持正異常軸帶的特征，可能說明兩條斷裂帶實為深部同一大斷裂在地表附近的不同分支，而中間的異常軸對應著深部大斷裂，又聯(lián)系到地表出露的玄武巖(云南省地礦局，1990)，認為重力正異常為地幔、下地殼巖漿順著該深部斷裂侵位到中上地殼，并沿著此平行斷裂系向上傳播的反映。本文分析結(jié)果與白志明和王椿鏞 (2003，2004)對地殼結(jié)構(gòu)層析成像研究顯示的紅河大斷裂在淺部傾向南西，并分支為紅河斷裂、建水斷裂和曲江斷裂，在深部倒轉(zhuǎn)，傾向北東切穿地殼的結(jié)果吻合。在南瀾滄江與昌寧—雙江斷裂之間存在一規(guī)模較大的負異常區(qū)，應該反映了華力西、印支時代北瀾滄江—昌寧雙江斷裂帶向東俯沖形成的具有低壓高溫和高壓低溫的雙變質(zhì)巖系特征的板塊縫合帶，西側(cè)靠近昌寧雙江斷裂的瀾滄群變質(zhì)巖 (劉增池，1985)及靠近瀾滄江斷裂東側(cè)為一個有著復雜形成歷史的混合—改造型臨滄花崗巖體巖基 (熊家鏞，1983)，則表現(xiàn)為重力正異常。

圖4 云南重力異常5～6階細節(jié)組合(重力單位:mGal)Fig.4 The combination of 5th and 6th order wavelet details of the gravity anomalies in Yunnan area

3.3 地震活動性分析

云南地區(qū)是強震多發(fā)區(qū)，其地震發(fā)生多受活動斷裂控制。對比云南地區(qū)強震分布 (圖4)和地震帶劃分情況 (秦嘉政等，2005)，注意到研究區(qū)重力異常條帶和復雜異常區(qū)與地震分布具有一定的相關(guān)性，大多數(shù)強震震中集中在這些區(qū)域。斷裂兩側(cè)異常突變帶、梯度帶反映了斷裂兩側(cè)塊體物性的差異，復雜異常區(qū)則反映不同斷裂條帶的交匯或交錯造成的塊體破碎，而這些構(gòu)造部位往往利于應力集中、能量積聚，為地震孕育和發(fā)生提供了場所。如建水斷裂和曲江斷裂附近的眾多中強地震形成的通海—石屏地震帶，就是斷裂交匯或交錯的部位;小江斷裂異常條帶對應的小江地震帶則是不同活動塊體的連接邊界，該帶上曾發(fā)生過有記載以來云南最大的1833年嵩明8.0級地震;昌寧—雙江斷裂為1988年瀾滄耿馬7.6級地震的發(fā)震構(gòu)造，在異常圖上呈現(xiàn)出的正負異常轉(zhuǎn)換帶對應著耿馬—瀾滄地震帶，從異常等值線形態(tài)可以注意到沿北西向瀾滄—耿馬地震帶直至騰沖—龍陵地震帶為一個大的異常梯度帶，推測可能為一條隱伏構(gòu)造 (圖4中紅色虛線標注)的反映;中甸—麗江—大理區(qū)域異常條帶表明川滇菱形塊體內(nèi)部劍川斷裂、麗江—小金河斷裂為界兩側(cè)塊體 (北西側(cè)為川西北次級塊體、南東側(cè)為滇中次級塊體)具有活動差異性，與中甸—大理地震帶相吻合。

4 結(jié)論

利用小波分析方法，分解云南及周邊地區(qū)重力異常得到的局部異常 (細節(jié)成分)和區(qū)域異常(逼近成分)是合理的。通過對重力異常結(jié)果的分析及地質(zhì)解釋，得到了以下認識:局部異常較好地反映了區(qū)內(nèi)主要的斷裂及主要的坳陷去和湖盆區(qū)的構(gòu)造特征;區(qū)域異常則反映出研究區(qū)內(nèi)地殼、上地幔物質(zhì)存在明顯的橫向不均勻性，主要表現(xiàn)為整體向南東突出的舌形，莫霍面存在南北向的隆起和坳陷，呈“一隆兩坳”的特點，在深部隆坳中心有北向偏移的現(xiàn)象。云南作為強震多發(fā)區(qū)，其地震發(fā)生多受活動斷裂控制，區(qū)內(nèi)重力異常條帶和復雜異常區(qū)與地震分布具有一定的相關(guān)性，斷裂帶兩側(cè)的異常反映了斷裂兩側(cè)存在明顯的物性、結(jié)構(gòu)差異，而這些差異部位往往有利于應力的相對集中、能量的積累及地震的孕育和發(fā)生。

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