龐衛(wèi)東，張建國(guó)，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(dòng)在造成大陸巖石圈結(jié)構(gòu)橫向非均質(zhì)性的同時(shí)，必然會(huì)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(yīng)的重力異常分布。對(duì)重力異常場(chǎng)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(guó)大陸擠壓作用地帶，區(qū)內(nèi)構(gòu)造復(fù)雜，深大斷裂發(fā)育，地殼較為破碎，地震活動(dòng)十分頻繁，為中國(guó)大陸構(gòu)造活動(dòng)最為強(qiáng)烈的地區(qū)之一。自20世紀(jì)80年代以來(lái)，很多學(xué)者已對(duì)該地區(qū)的地殼結(jié)構(gòu)進(jìn)行了探測(cè)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(duì)區(qū)內(nèi)重力資料進(jìn)行過(guò)大量的研究 (闞榮舉，林中洋，1986;何翔，吳國(guó)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(cè)深等研究結(jié)果不太一致，因此有必要作進(jìn)一步地研究。本文運(yùn)用小波分析方法對(duì)云南地區(qū)的重力資料進(jìn)行處理，以實(shí)現(xiàn)位場(chǎng)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(duì)研究區(qū)的地質(zhì)構(gòu)造、地殼結(jié)構(gòu)和地震活動(dòng)性進(jìn)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(hào)局部特性的缺點(diǎn)，使其在信號(hào)處理、圖像分析、地球物理等很多學(xué)科領(lǐng)域得到越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。小波變換應(yīng)用其多尺度分析原理 (Mallat，1989)可將信號(hào)f(x)分解成各種不同的頻道和頻率成分，并且通過(guò)伸縮、平移聚焦到f(x)的任一細(xì)節(jié)加以分析 (李世雄等，1994)。利用小波變換的特點(diǎn)能將重力異常場(chǎng)精細(xì)地分解到多個(gè)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(yīng)用于重力場(chǎng)的分離和處理，并詳盡闡述了小波變換及多尺度分析的計(jì)算方法及原理，本文只給出重力異常多尺度分解后的表達(dá)式。

假設(shè)二維重力異常場(chǎng)為 Δg(x，y)=f(x，y)，利用小波多尺度分析原理對(duì)其分解后的重力異常表達(dá)式為

式中，D1G-DNG為一階至N階小波變換異常細(xì)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(shí)，其基函數(shù)有多種選擇，對(duì)于位場(chǎng)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(duì)此進(jìn)行了分析與試驗(yàn)。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(xì)節(jié)不變性。小波函數(shù)的對(duì)稱性直接影響信號(hào)的重構(gòu)，如果具有對(duì)稱性，重構(gòu)算法失真小，重構(gòu)信號(hào)能給出原始信號(hào)的一個(gè)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(shí)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(duì)稱小波，在處理中考慮到研究區(qū)位場(chǎng)的變化較為平緩，選擇小波基函數(shù)時(shí)，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(yīng)有較好對(duì)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(wàn)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(fù)，多在 (-80～-400) ×10-5m·s-2變化，宏觀上從滇東南到滇西北隨地勢(shì)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(diǎn)表現(xiàn)為:以紅河斷裂為界，斷裂帶兩側(cè)重力場(chǎng)特征迥異。滇西地區(qū)重力場(chǎng)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?yàn)橹?，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(jí)帶上疊加近南北向異常。滇中、滇東地區(qū)重力場(chǎng)總趨勢(shì)由南東向北西逐步降低，重力高、低異常呈多個(gè)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(duì)布格重力異常數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，參考李健等 (2001)研究成果，選用雙正交bior3.5小波對(duì)重力異常數(shù)據(jù)進(jìn)行6階分解，并對(duì)各階小波細(xì)節(jié)進(jìn)行徑向?qū)?shù)功率譜分析，求取其對(duì)應(yīng)的場(chǎng)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(xì)節(jié)和6階逼近圖像。從統(tǒng)計(jì)意義上看，重力異常的徑向平均對(duì)數(shù)功率譜曲線可以反映異常場(chǎng)源的平均深度。功率譜計(jì)算結(jié)果表明，4階細(xì)節(jié)的場(chǎng)源埋深為8 km，反映了上地殼密度不均勻體;5階小波細(xì)節(jié)場(chǎng)源埋深為15 km，6階小波細(xì)節(jié)場(chǎng)源埋深為25 km，5階和6階小波細(xì)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(chǎng)源埋深48 km，則反映了莫霍面起伏的趨勢(shì)。

3 布格重力異常場(chǎng)結(jié)果分析及解釋

對(duì)云南地區(qū)布格重力異常場(chǎng)處理結(jié)果進(jìn)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(jìn)行相應(yīng)的地質(zhì)解釋，對(duì)區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造和地震活動(dòng)性做初步探討。

3.1 小波分解結(jié)果

筆者對(duì)云南及周邊地區(qū)布格重力異常小波分解各階結(jié)果進(jìn)行分析。圖2a為布格重力異常4階小波細(xì)節(jié)，等值線形態(tài)十分復(fù)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(xì)節(jié)，由圖可見異常帶清晰連續(xù)，對(duì)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(xì)節(jié)異常的位置與地表斷裂是基本吻合的。同時(shí)也存在不完全吻合的地方，一方面這也許是可以對(duì)地表斷裂做出相應(yīng)修正的地方，因?yàn)榈厍蛭锢韴?chǎng)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(xì)節(jié)場(chǎng)源深度為15 km)這種不吻合，也許是斷裂向下延伸時(shí)傾角發(fā)生變化而造成。在4階、5階細(xì)節(jié)圖中除在局部和沿?cái)嗔褞Р课挥姓闹亓Ξ惓^(qū) (推測(cè)正異常是地幔高密度物質(zhì)沿?cái)嗔焉嫌恐恋貧\部所致)外，在這一深度層次上 (4階細(xì)節(jié)8 km，5階細(xì)節(jié)15 km)以重力負(fù)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(duì)較小，存在楚雄—南華地區(qū)等負(fù)異常區(qū)的結(jié)果相吻合。

云南地區(qū)6階小波細(xì)節(jié)如圖2c所示，計(jì)算場(chǎng)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(duì)深部場(chǎng)源的分辨率較低，所以該階小波細(xì)節(jié)相較5階細(xì)節(jié)對(duì)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(duì)應(yīng)，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(shí)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(yáng)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(duì)應(yīng)4階和5階細(xì)節(jié)重力負(fù)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(yīng)為沿裂谷中的巖漿通道上涌的高密度物質(zhì)，對(duì)應(yīng)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(fù)異常帶，在地質(zhì)構(gòu)造上對(duì)應(yīng)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(yīng)是牛首山古陸的反映。圖2d顯示了6階小波逼近，功率譜計(jì)算場(chǎng)源深度為48 km，反映了莫霍面起伏趨勢(shì)，其形態(tài)與根據(jù)地震測(cè)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(gè)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(diǎn) (闞榮舉，林中洋，1986)，即攀枝花—楚雄重力高對(duì)應(yīng)的滇中幔隆、以東川為中心的重力低對(duì)應(yīng)的滇東幔坳及滇西重力低對(duì)應(yīng)的滇西復(fù)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(shì)將表現(xiàn)出一個(gè)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(chǔ)上進(jìn)一步做7階小波分解，所得結(jié)果如圖3b所示。7階小波細(xì)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(diǎn)，與“一隆兩坳”的特征相對(duì)應(yīng)，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(chǎng)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(xì)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(xì)節(jié)數(shù)據(jù)組合起來(lái)以獲得不同深度的目標(biāo)場(chǎng)，將5階和6階小波細(xì)節(jié)組合得到重力異常5～6階細(xì)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(diǎn)，同時(shí)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(jí)帶，紅河斷裂帶為正負(fù)異常轉(zhuǎn)換帶。研究區(qū)內(nèi)異常條帶展布的另一個(gè)顯著的特點(diǎn)是大部分?jǐn)嗔讯纪队霸诋惓l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(jìn)入本研究區(qū)，其重力異常顯示，呈現(xiàn)局部相當(dāng)狹窄的北西向負(fù)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(dāng)陡立，與地震測(cè)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(jí)帶，并在其西南側(cè)伴有蒼山—哀牢山負(fù)異常帶，與地質(zhì)構(gòu)造上的蒼山—哀牢山變質(zhì)帶相對(duì)應(yīng)，針對(duì)該負(fù)異常，結(jié)合Pg波低速異常等現(xiàn)象認(rèn)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(duì)應(yīng)，這一正異常影響至與其平行的楚雄—建水?dāng)嗔?。圖4中紅河斷裂與楚雄—建水?dāng)嗔旬惓l帶平行展布且中間夾持正異常軸帶的特征，可能說(shuō)明兩條斷裂帶實(shí)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(duì)應(yīng)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(rèn)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(duì)地殼結(jié)構(gòu)層析成像研究顯示的紅河大斷裂在淺部?jī)A向南西，并分支為紅河斷裂、建水?dāng)嗔押颓瓟嗔?，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(fù)異常區(qū)，應(yīng)該反映了華力西、印支時(shí)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(gè)有著復(fù)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(xì)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(dòng)性分析

云南地區(qū)是強(qiáng)震多發(fā)區(qū)，其地震發(fā)生多受活動(dòng)斷裂控制。對(duì)比云南地區(qū)強(qiáng)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(fù)雜異常區(qū)與地震分布具有一定的相關(guān)性，大多數(shù)強(qiáng)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(fù)雜異常區(qū)則反映不同斷裂條帶的交匯或交錯(cuò)造成的塊體破碎，而這些構(gòu)造部位往往利于應(yīng)力集中、能量積聚，為地震孕育和發(fā)生提供了場(chǎng)所。如建水?dāng)嗔押颓瓟嗔迅浇谋姸嘀袕?qiáng)地震形成的通?！恋卣饚В褪菙嗔呀粎R或交錯(cuò)的部位;小江斷裂異常條帶對(duì)應(yīng)的小江地震帶則是不同活動(dòng)塊體的連接邊界，該帶上曾發(fā)生過(guò)有記載以來(lái)云南最大的1833年嵩明8.0級(jí)地震;昌寧—雙江斷裂為1988年瀾滄耿馬7.6級(jí)地震的發(fā)震構(gòu)造，在異常圖上呈現(xiàn)出的正負(fù)異常轉(zhuǎn)換帶對(duì)應(yīng)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?yàn)憸妗ⅠR地震帶直至騰沖—龍陵地震帶為一個(gè)大的異常梯度帶，推測(cè)可能為一條隱伏構(gòu)造 (圖4中紅色虛線標(biāo)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(jí)塊體、南東側(cè)為滇中次級(jí)塊體)具有活動(dòng)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(xì)節(jié)成分)和區(qū)域異常(逼近成分)是合理的。通過(guò)對(duì)重力異常結(jié)果的分析及地質(zhì)解釋，得到了以下認(rèn)識(shí):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(diǎn)，在深部隆坳中心有北向偏移的現(xiàn)象。云南作為強(qiáng)震多發(fā)區(qū)，其地震發(fā)生多受活動(dòng)斷裂控制，區(qū)內(nèi)重力異常條帶和復(fù)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(yīng)力的相對(duì)集中、能量的積累及地震的孕育和發(fā)生。

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