川滇地区重力异常分布特征的研究

杨滢 王树琴 潘莹 高国明

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川滇地区重力异常分布特征的研究

    作者简介: 杨 滢(1997−),女,白族,云南人,硕士生,主要研究地球重力场. E-mail:1539024502@qq.com;
    通讯作者: 高国明, gmgao@ynu.edu.cn
  • 中图分类号: P 312.1

Distribution characteristics of gravity anomalies in the Sichuan-Yunnan region

    Corresponding author: GAO Guo-ming, gmgao@ynu.edu.cn
  • CLC number: P 312.1

  • 摘要: 川滇地区位于青藏高原东南缘,是印度板块与欧亚大陆南北向碰撞挤压的前沿地带和深部物质逃逸地带. 研究川滇地区的重力异常特征,对揭示青藏高原的动力学过程有重要意义. 文章利用最新高精度的全球重力场模型World Gravity Map 2012(WGM2012)分析川滇地区的自由空气重力异常、布格重力异常和均衡重力异常的空间展布特征;利用小波多尺度分析方法对布格重力异常和均衡重力异常进行分解,分析重力异常的逼近和细节特征,探讨重力场与壳内构造活动的关系. 结果表明:龙门山断裂带东西两侧的四川盆地与松潘—甘孜块体之间的重力异常特征证实了青藏高原存在物质东流;滇中次级块体的重力异常分布揭示了青藏高原地壳流遇到四川盆地,一边沿龙门山断裂带向东北流,一边沿小江断裂带、红河断裂带以及澜沧江断裂向南流出.
  • 图 1  川滇地区地形、断裂带及构造分区

    Figure 1.  Topography,fault zone and structural division in the Sichuan-Yunnan region

    图 2  川滇地区自由空气重力异常的分布

    Figure 2.  The distribution of the free-air gravity anomalies in the Sichuan-Yunnan region

    图 3  川滇地区布格重力异常的分布

    Figure 3.  The distribution of the Bouguer gravity anomalies in the Sichuan-Yunnan region

    图 4  川滇地区均衡重力异常分布

    Figure 4.  The distribution of the isostatic gravity anomalies in the Sichuan-Yunnan region

    图 5  布格重力异常小波细节场

    Figure 5.  The approximation of the wavelet transform details of the Bouguer gravity anomalies.

    图 6  均衡重力异常小波4阶细节场

    Figure 6.  The 4th order wavelet transform detail field of the isostatic gravity anomalies

    图 7  布格重力异常小波6阶逼近场

    Figure 7.  The approximation of 6th order wavelet transform of the Bouguer gravity anomalies

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出版历程
  • 收稿日期:  2021-01-23
  • 录用日期:  2021-04-30
  • 网络出版日期:  2021-07-20
  • 刊出日期:  2021-09-15

川滇地区重力异常分布特征的研究

    作者简介:杨 滢(1997−),女,白族,云南人,硕士生,主要研究地球重力场. E-mail:1539024502@qq.com
    通讯作者: 高国明, gmgao@ynu.edu.cn
  • 云南大学 地球科学学院 地球物理系,云南 昆明 650500

摘要: 川滇地区位于青藏高原东南缘,是印度板块与欧亚大陆南北向碰撞挤压的前沿地带和深部物质逃逸地带. 研究川滇地区的重力异常特征,对揭示青藏高原的动力学过程有重要意义. 文章利用最新高精度的全球重力场模型World Gravity Map 2012(WGM2012)分析川滇地区的自由空气重力异常、布格重力异常和均衡重力异常的空间展布特征;利用小波多尺度分析方法对布格重力异常和均衡重力异常进行分解,分析重力异常的逼近和细节特征,探讨重力场与壳内构造活动的关系. 结果表明:龙门山断裂带东西两侧的四川盆地与松潘—甘孜块体之间的重力异常特征证实了青藏高原存在物质东流;滇中次级块体的重力异常分布揭示了青藏高原地壳流遇到四川盆地,一边沿龙门山断裂带向东北流,一边沿小江断裂带、红河断裂带以及澜沧江断裂向南流出.

English Abstract

  • 重力异常是由地球内部密度分布不均匀引起. 由于地球物质密度特性及其构造演化的差异,重力异常携带着地球内部物质的分布、运移和地质构造等大量信息. 重力异常由地球内部不同深度和不同尺度场源位场的叠加而成. 因此,要想获得构造在不同深度和空间位置的展布特征,必须对重力异常数据进行一定的处理和转换,实现场源的有效分离. 小波多尺度分解的方法可以有效地将重力场分解到不同的尺度空间,以便更好地揭示不同规模大小和埋藏深浅地质体的分布情况[1-2],此方法被广泛应用到区域重力异常研究[3-5],为区域地壳动力学过程及构造活动机制的研究提供重力场的依据.

    川滇地区(97°~108°E,21°~34°N)位于青藏高原东南缘,是印度板块与青藏高原块体的交接部位. 该地区是研究印度板块和欧亚板块碰撞作用的理想场所. 国内外学者运用各种地球物理场的资料对该区域开展许多的研究. 地震资料[6-8]和重力资料[9-13]揭示了川滇地区的地震活动构造、岩石圈结构和地质演化. 大地电磁测深资料[14-17]揭示了川滇地区地壳及上地慢电性结构. 然而,川滇地区地质构造非常复杂,该区域地壳结构和壳内变形机理仍存在争议. 重力测量资料覆盖范围广,包含了丰富的地球内部物质分布和地质构造的信息. 利用高精度、覆盖均匀的重力资料研究川滇地区的重力异常特征可以很好地揭示该区域的地壳构造特征.

    本文基于高精度的全球重力模型WGM2012,分析川滇地区的自由空气重力异常、布格重力异常和均衡重力异常的空间展布特征,利用小波多尺度分析方法对布格重力异常进行分解,分析各阶小波细节和逼近的异常信息. 最后,结合其他地球物理与地质资料,讨论了重力异常的揭示的地质意义.

    • 川滇地区是欧亚板块和印度板块汇聚和相互作用的边缘地带,同时也是青藏高原与扬子地块、印支地块交接的过渡地带(图1). 在地域上,除云南、四川外,还包括了贵州、广西和西藏的部分地区,以及东南亚的越南、缅甸北部的部分地区. 该地区地壳厚度变化大,莫霍面深度从西南部的30 km变化到西北部的60 km左右,变化幅度接近30 km[6].

      图  1  川滇地区地形、断裂带及构造分区

      Figure 1.  Topography,fault zone and structural division in the Sichuan-Yunnan region

      由于印度—亚欧板块强烈的碰撞挤压作用,川滇地区成为讨论青藏高原物质东流的理想场所. 该地区构造活动强烈,断裂带发育. 根据断裂带分布和活动特征将川滇地区分为5个不同的构造块体. 如图1所示,川滇地区的北部为松潘—甘孜地块,它被鲜水河断裂、龙门山断裂所围限. 该地块属青藏高原前缘地段,地壳柔软且流变性好. 东北部是地处扬子克拉通西部的四川盆地,地壳坚硬且流变性较弱. 川滇菱形块体位于研究区中部,以丽江—小金河断裂为界,进一步被划分为川西北次级块体和滇中次级块体. 研究区西部为滇西地块,位于中国扬子克拉通和印度克拉通之间,是印度板块和青藏高原挤压碰撞的强作用地区.

      研究表明[18],研究区内大地热流横向变化较大,地热场具有东高西低的特点. 大地热流值处于35.4~118 mW/ m2之间. 热流高值区位于云南西部澜沧江以西地区,是喜马拉雅高地热带的一部分. 其中,新构造运动最强烈的腾冲地区还是中国近代火山活动地区之一,热流极大值为118 mW/ m2. 滇东地区、四川盆地大地热流值相对小. 四川盆地的大地热流为35.4~68.8 mW/ m2,平均值为53.2 mW/ m2,具有典型克拉通盆地中低热流的特征.

    • 本文使用的地形和重力数据由全球重力场模型WGM2012提供(http://bgi.obs-mip.fr/),此模型由BGI(Bureau Gravimétrique International)基于现今可用的地球全球重力模型EGM2008和DTU10,以及1′×1′的全球地形模型ETOPO1创建而成,并且考虑了地球表面质量(大气、陆地、海洋、内海、湖泊、冰盖和冰架)的影响. 由于模型以球谐级数的方式给出,可以方便地实现精确的全球或区域的重力异常的计算,此模型给出了2′×2′分辨率的自由空气重力异常、布格重力异常和均衡重力异常的网格数据. 为了更直观地反映重力异常的空间分布及其与地质构造的关系,地图的底图中叠加了国界、省界及部分断层(数据来源于GMT中文社区:https://gmt-china.org/data/).

      利用小波多尺度分析方法可以开展区域重力异常分布、区域构造和内部物质分布的研究. 其原理如下[19-20]

      对于二维重力场的多尺度分解,设重力异常为 ${\rm{g}}(x,y) = f(x,y)$,若选择将重力异常进行N阶分解,可得到N个正交子空间,AN代表N阶逼近,DN代表N阶细节. 重力异常分解表示为:

      ${\rm{g}}(x,y) = {A_N} + {D_N} + {D_{N - 1}} + \cdots + {D_1},$

      ${\rm{g}}(x,y) = {A_N}f(x,y) + \sum\limits_{N = 1}^N {{D_N}} f(x,y),$

      式中,AN fxy)为第N阶小波逼近,为重力异常低频成分;DN1N阶小波细节,为重力异常高频成分. 为了实现地球内部重力异常的有效分离,一般采用正交小波基函数.

    • 重力异常包括自由空气重力异常、布格重力异常和均衡重力异常[21]. 自由空气重力异常反映地表和近地表地形起伏. 自由空气重力异常消除局部、浅层的干扰和布格校正得到布格重力异常,它更好地反映地下物质密度的分布. 均衡重力异常由布格重力异常经过均衡校正得出,它的分布与地球内部结构有密切的关系. 本文分析这3种重力异常的分布,可以了解川滇地区的物质分布和构造活动特征.

    • 图2显示了川滇地区自由空气重力异常的分布. 从图1图2可以看出,川滇地区的自由空气重力异常与其地表起伏具有很高的相关性. 在地面平缓地区异常值接近于零,区域内地形起伏与自由空气重力异常值呈正相关. 整体上,川滇地区异常的变化呈现由西北向东南递减,与该地区西北高、东南低的地形特征一致.

      图  2  川滇地区自由空气重力异常的分布

      Figure 2.  The distribution of the free-air gravity anomalies in the Sichuan-Yunnan region

      图  3  川滇地区布格重力异常的分布

      Figure 3.  The distribution of the Bouguer gravity anomalies in the Sichuan-Yunnan region

      研究区异常值为–287~489 mGal,异常走向与断裂带的走向基本一致. 松潘—甘孜地块、川滇菱形块体和滇西地块的东部以正异常为主,最大值位于川西北次级块体,为489 mGal. 扬子地块和滇西地块的西部以负异常为主,最小值位于滇西地块的西部,为–287 mGal. 沿龙门山断裂存在1条近东北—西南走向的异常梯度带,为松潘—甘孜地块和四川盆地的分界. 异常值由松潘—甘孜地块的约60 mGal降至四川盆地的约–40 mGal,反映了四川盆地与松潘—甘孜地块巨大的地形落差.

    • 图3为川滇地区布格重力异常的分布. 从图3可以看出,整体上,异常呈现西北低、东南高的特征,有明显的分区现象. 松潘—甘孜地块和川西北次级块以负异常为主,异常最低可以达到–455 mGal,反映了该地区处于物质亏损状态. 扬子地块、滇中次级块体和滇西地块以正异常为主. 龙门山断裂带为四川盆地与松潘—甘孜地块的正负异常的分界,异常值从–200 mGal变化到50 mGal. 这一现象与松潘—甘孜地块与四川盆地间高海拔差的地形特征相吻合. 四川盆地内部,异常变化幅度小,异常值接近为零,表明该盆地物质成分较均匀且结构较为稳定. 丽江—小金河断裂将川滇菱形块体划分为川西北次级块和滇中次级块体,这在布格重力异常上有明显的表现. 断裂带的北边为近负异常的川西北次级块,而南边为正异常的滇中次级块体. 此断裂带与龙门山断裂带表现为相同的的重力异常特征,均为正负异常的分界且两侧异常值骤减. 因此,推测丽江—小金河断裂带为龙门山断裂带向西南的延伸.

    • 地球内部动力学过程中必然破坏重力均衡,引起了重力均衡的重新调整. 根据均衡异常的大小及分布,可以判断地壳深部的构造活动状态. 异常值接近于零,表明地壳基本上处于均衡状态,均衡异常表现为正负异常,说明地壳是处于不均衡状态.

      图4为川滇地区均衡重力异常的分布. 该地区均衡异常的幅值处于–131~175 mGal之间. 四川盆地为刚性的冷的克拉通,表现为较低的均衡异常值. 该盆地在均衡调整推动下地壳不断下降、变薄,导致了该盆地平均地壳厚度为35 km,远小于盆地西边松潘—甘孜地块的平均地壳厚度60 km[6]. 同时,盆地内部存在低密度的沉积物填充,引起浅部的质量亏损,这可能也是造成盆地负均衡的重要原因. 在印度—欧亚板块的碰撞挤压下,龙门山地区地壳增厚(地壳厚度达58 km),表现正均衡异常. 该地区板块碰撞的构造力大于均衡调整力是该区强烈持续隆升的原动力. 滇中次级块体的北部为正异常,研究表明[22],该区域内存在剧烈的岩浆活动,深部物质能量交换强烈、深层动力活动频繁,造成该地区处于不均衡状态.

      图  4  川滇地区均衡重力异常分布

      Figure 4.  The distribution of the isostatic gravity anomalies in the Sichuan-Yunnan region

      丽江—小金河断裂带和龙门山断裂带是川滇地区南北的重要分界线,也是该区域物质转换、地质活动构造、地壳运动的关键. 这体现在以下两方面的观测事实:一是与其它断裂带的近南北走向不同,这两条断裂带为北东走向;二是这两条断裂带的南北两侧表现为截然不同的布格重力异常特征(图3)和均衡重力异常特征(图4).

    • 重力异常由不同深度的场源共同作用而形成,为了获得不同深度构造体引起的重力异常的展布特征,我们利用小波多尺度分析方法对布格重力异常(图3)进行分解. 为了满足重力异常分解重构的准确性,我们选择震荡较为平缓、有较好正交性和较高消失矩的小波基函数db5为母函数进行小波6阶分解.

      图5为布格重力异常的1~6阶小波细节的分布. 随着阶数的增大,异常分布越来越简单,对应的场源深度越深. 重力异常在小波1~2阶细节显示为尺度较小且分布杂乱、正负相间的点状异常,反映了川滇地区地壳构造活跃,浅部地体较破碎. 3阶小波细节图中,滇西地块出现明显的正负串珠状异常. 负异常由岩石挤压破碎引起,而正异常则可能是由于岩浆岩沿破碎带侵入而形成的. 4阶细节显示龙门山断裂带的西段为负异常,而中段和北段为正异常,表明了龙门山断裂带的西段与中段—北段在构造上具有显著差异.

      图  5  布格重力异常小波细节场

      Figure 5.  The approximation of the wavelet transform details of the Bouguer gravity anomalies.

      5阶细节显示滇中次级块体的北部为高值正重力异常区. 此异常区由该区域上涌的高密度物质产生,这与大地电磁测深[15]和地震[18]研究揭示该地区是一个高阻区、高密度区的结论一致. 高值正重力异常区为坚硬块体,此块体的东西两边为负异常带,这反映了青藏高原物质东南流的走向. 来自青藏高原羌塘地块的地壳流从鲜水河断裂带流入,遇到坚硬的四川盆地,物质流沿鲜水河断裂带南北两侧流动. 北侧沿龙门山断裂带向东北流,南侧地壳流遇到滇中地块表现高正值异常区的坚硬块体,沿此块体东西两边的断裂带向南流出. 西边沿红河断裂带以及澜沧江断裂向滇南地区流动,向南逐渐减弱. 东边沿小江断裂带流动,一直延伸到红河断裂带. 这与大地电磁测深[15]、GPS[23]和地磁[24]的研究结果一致.

      四川盆地在5和6阶小波细节表现为强的正异常,且此正异常区向西越过龙门山断裂带. 这反映了低密度的松潘—甘孜地块岩石圈俯冲到高密度的四川盆地的下方. 在5阶小波细节图中,四川盆地内存在1条近南北走向的重力异常梯度带,此带为盆地正负异常的分界线. 这反映了在5阶细节反映的深度内,四川盆地的东部与西部物质分布具有很大差异. 为了进一步认识此差异,我们对均衡重力异常(图4)也进行了小波多尺度分解. 结果显示,在4阶的均衡重力异常的小波细节中(图6),也存在类似的分界线. 受青藏高原的持续挤压作用,四川盆地西部刚性特征增强,而盆地东部由于距离远,增强作用不明显,导致盆地东西两边的重力异常差异显著. 6阶细节显示,四川盆地表现为大范围正异常,反映了在6阶细节反应的深度内,地壳较为稳定,进一步揭示了四川盆地的刚体特性.

      图  6  均衡重力异常小波4阶细节场

      Figure 6.  The 4th order wavelet transform detail field of the isostatic gravity anomalies

      图7为布格重力异常的6阶小波逼近场的分布. 从图7可以看出,研究区6阶逼近场的重力异常值呈现西北低,东南高. 松潘—甘孜块体和川西北次级块体表现大范围的负异常,华南地块、滇西南及滇中次级块体表现为正异常. 重力异常走向为东南方向,反映了青藏高原的物质向东沿川滇地区流动. 沿龙门山断裂带和丽江—小金河断裂带有1条明显的重力异常梯度带,该区域为研究青藏高原物质东流的关键地区.

      图  7  布格重力异常小波6阶逼近场

      Figure 7.  The approximation of 6th order wavelet transform of the Bouguer gravity anomalies

      Clark和Royden[25-26]对青藏高原不同地区的下地壳黏度进行了研究,结果表明川滇地区下地壳存在大范围的物质流动. 关于川滇地区地壳流存在很多争议,但是现阶段川滇地区中下地壳存在弱物质,并具有流动性是基本可以肯定的. 地形(图1)和重力异常(图245(e))显示了龙门山断裂带为高程梯度带和重力异常梯度带,反映了四川盆地与松潘—甘孜块体间的地壳存在较大的高程差和密度差,这为青藏高原物质东流提供了充要条件.

    • (1)自由空气异常、布格重力异常、均衡重力异常和小波多尺度分解均显示龙门山断裂带为重力异常梯度带,东西两侧的四川盆地与松潘—甘孜块体之间显示了截然不同的重力特征. 这为青藏高原物质东流提供了必要而充分的条件. 重力异常分布特征表明丽江—小金河断裂带和龙门山断裂带是川滇地区南北的重要分界线,也是该区域物质转换、地质活动构造、地壳运动的关键.

      (2)松潘—甘孜块体和川西北次级块体在6阶小波逼近场显示为大范围的负异常,异常走向为东南方向,这说明了青藏高原的物质向东沿川滇地区流动. 滇中块体的北部为高值正重力异常区,其东西两边为负异常带. 这反映了青藏高原地壳流遇到四川盆地,一方面沿龙门山断裂带向东北流;另一方面沿小江断裂带、红河断裂带以及澜沧江断裂向南流出.

参考文献 (26)

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