王嘉沛 申重陽(yáng) 玄松柏
1 中國(guó)地震局地震研究所(地震大地測(cè)量重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室),武漢市洪山側(cè)路40號(hào),430071
2 中國(guó)地震局地殼應(yīng)力研究所武漢科技創(chuàng)新基地,武漢市洪山側(cè)路40號(hào),430071
地球結(jié)構(gòu)模型由PREM(preliminary reference earth model)[1]向地殼精細(xì)結(jié)構(gòu)發(fā)展,形成CRUST5.1[2]、CRUST2.0[3]、CRUST1.0[4]。很多學(xué)者對(duì)地球內(nèi)部結(jié)構(gòu)進(jìn)行過(guò)研究。王椿鏞[5]利用地震臺(tái)網(wǎng)信息研究川滇地區(qū)地殼上地幔三維速度結(jié)構(gòu),方劍[6]利用波速與重力資料反演中國(guó)大陸及鄰區(qū)巖石層的三維密度結(jié)構(gòu),Artemieva[7]構(gòu)建了一個(gè)新的全球熱模型,Pasyanos[8]利用面波速度數(shù)據(jù)建立了一個(gè)包括地殼、上地幔的巖石圈模型。隨著地球物理場(chǎng)觀測(cè)技術(shù)的不斷發(fā)展,數(shù)據(jù)精度和分辨率也隨之提高。研究表明,EGM2008[9-10]精度在中國(guó)大陸大部分地區(qū)可以達(dá)到10mGal[11-12]。
全球地殼模型CRUST1.0包含豐富的地球內(nèi)部信息。由于該模型的數(shù)據(jù)主要來(lái)自于地震波速,其他參數(shù)則根據(jù)轉(zhuǎn)換公式獲取,與實(shí)際情況有一定的差距。雖然該模型覆蓋陸地、海洋等全球區(qū)域,但在數(shù)據(jù)較為缺乏的地方精度則較差。本文基于CRUST1.0 全球地殼模型和GTOPO30地形數(shù)據(jù)[13],以地殼內(nèi)部運(yùn)動(dòng)重點(diǎn)區(qū)域的青藏高原東南部[14]為例,計(jì)算其布格重力異常,并與EGM2008 模型的結(jié)果進(jìn)行對(duì)比,進(jìn)一步評(píng)估CRUST1.0全球地殼模型在實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)處理中的適用性或可靠性。
通過(guò)CRUST1.0模型提供的地球內(nèi)部分層結(jié)構(gòu)信息,提取關(guān)于布格重力異常計(jì)算所需要的該區(qū)域厚度和密度統(tǒng)計(jì)情況(表1)。CRUST1.0模型在全球范圍將地殼結(jié)構(gòu)劃分為8層1°×1°的網(wǎng)格,即冰層、水層、上沉積層、中沉積層、下沉積層、上地殼、中地殼和下地殼。參考全球相似地質(zhì)和板塊的平均數(shù)據(jù),以及可用的測(cè)量數(shù)據(jù),推測(cè)出有限地區(qū)的地殼類(lèi)型。該模型包含全球范圍內(nèi)上述分層中1°×1°精度下參考平均海平面的深度,同時(shí)也給出了每層的縱波、橫波和密度數(shù)值,形成包含16 200個(gè)元素的格網(wǎng)數(shù)據(jù)。
表1 CRUST1.0模型給出的地殼各圈層密度與厚度統(tǒng)計(jì)Tab.1 Statistical tables of circle density and thickness in earth’s crust from CRUST1.0
從表1可看出,每層的密度和厚度存在一定的差異,尤其是沉積層和地殼之間區(qū)別明顯,且在某些地方出現(xiàn)層位缺失的情況。在密度分布方面,沉積層密度整體小于地殼密度,而上沉積層平均密度(2.1g/cm3)大于中、下沉積層。從中地殼延伸向下,地殼密度開(kāi)始大于整個(gè)地殼平均密度(2.67g/cm3),而下地殼平均密度(2.92g/cm3)最大。在厚度方面,沉積層總厚度占整個(gè)地殼厚度的很小部分。隨著深度的增加,各圈層的厚度是先增大后減小,下沉積層平均厚度最小,上地殼(19.8km)平均厚度達(dá)到最大值。
布格重力異常主要由地球內(nèi)部密度異常分布引起,包含殼內(nèi)各種偏離正常密度分布的礦體與構(gòu)造的影響,也包括因地殼下界面起伏而造成橫向上相對(duì)上地幔質(zhì)量的巨大虧損(山區(qū))或盈余(海洋)的影響[15-17]。
布格重力異常包含局部異常和趨勢(shì)異常兩部分[18-19]。計(jì)算過(guò)程中先將地殼中偏離正常地殼密度的異常體所產(chǎn)生的重力異常(稱(chēng)為“局部異?!保┯?jì)算出來(lái),然后計(jì)算正常地殼厚度以下至莫霍面之間偏離正常地幔密度的物質(zhì)產(chǎn)生的重力異常(稱(chēng)為“區(qū)域異?!保?,最后將兩次計(jì)算的異常值求和,即可獲得該地區(qū)的布格重力異常。
設(shè)計(jì)相應(yīng)的模型,將地殼劃分為沉積層、上地殼、中地殼、下地殼及莫霍面以上部分共5層的框架結(jié)構(gòu)。為避免邊界效應(yīng),考慮到地殼厚度最大約60km,3倍厚度范圍大體能滿(mǎn)足計(jì)算精度要求,故將觀測(cè)點(diǎn)所在區(qū)域(20.5~35.5°N,95.5~107.5°E)向四周各外延2°作為地下塊體區(qū)域。在CRUST1.0地殼模型中,提取地下塊體區(qū)域(18.5~37.5°N,93.5~109.5°E)地球每層的厚度與密度數(shù)據(jù),將該區(qū)域的數(shù)據(jù)插值成0.5°×0.5°的網(wǎng)格數(shù)據(jù)。以觀測(cè)點(diǎn)為中心,將四周展開(kāi)劃分0.5°×0.5°的小長(zhǎng)方塊體,即將觀測(cè)點(diǎn)所在區(qū)域劃分為31×25×5共3 875個(gè)長(zhǎng)方塊體。
取分辨率30″、絕對(duì)高度誤差小于30m 的全球數(shù)字高程模型GTOPO30 數(shù)據(jù),形成21 600(行)×43 200(列)的DEM 數(shù)據(jù),其高程范圍為-407~8 752m。本文收集GTOPO30格網(wǎng)地形數(shù)據(jù),提取研究區(qū)域的高程,并利用觀測(cè)點(diǎn)在四周1°范圍內(nèi)的高程求取平均值(或最大值),獲得0.5°×0.5°的高程數(shù)據(jù)(圖1),作為計(jì)算的垂向坐標(biāo)。
局部異常計(jì)算包括沉積層、上地殼、中地殼、下地殼各層重力異常,采用單個(gè)長(zhǎng)方體單元模型:其中,(x,y,z)為長(zhǎng)方體外觀測(cè)點(diǎn)坐標(biāo),Δρ為長(zhǎng)方體密度,(ε,η,τ)為長(zhǎng)方體內(nèi)任一點(diǎn)坐標(biāo)。
圖1 青藏高原東南部地形和構(gòu)造背景Fig.1 Topography and tectonic setting in the southeastern of Tibetan Plateau
為方便計(jì)算,先將觀測(cè)點(diǎn)的坐標(biāo)統(tǒng)一在WGS-84大地坐標(biāo)系下進(jìn)行轉(zhuǎn)換,觀測(cè)點(diǎn)(x,y,z)位于每個(gè)長(zhǎng)方塊體中心正上方的地表。計(jì)算中需要長(zhǎng)方體的6個(gè)參數(shù),(a1,a2)和(b1,b2)由長(zhǎng)方體的長(zhǎng)寬邊界坐標(biāo)決定,即以南北向和東西向兩相鄰觀測(cè)點(diǎn)坐標(biāo)和的平均值作為長(zhǎng)方體的邊界范圍;(h1,h2)由長(zhǎng)方體的厚度和GTOPO30 地形數(shù)據(jù)決定,在取值時(shí)要注意每個(gè)觀測(cè)點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的每層厚度要進(jìn)行疊加,使得積分范圍從長(zhǎng)方塊體上頂界面的深度(即長(zhǎng)方塊體所在層位以上各層厚度的和)到下底界面的深度;長(zhǎng)方塊體的密度Δρ為該長(zhǎng)方塊體所在層位對(duì)應(yīng)該觀測(cè)點(diǎn)的密度與地殼正常密度(取2.67g/cm3)的差值,作為剩余密度,利用式(1)計(jì)算對(duì)觀測(cè)點(diǎn)所產(chǎn)生的重力異常值。最后求得該地區(qū)偏離正常密度(剩余質(zhì)量)所產(chǎn)生的重力異常Δg1。將上述一共4層的重力異常疊加就是局部異常。
趨勢(shì)異常即Moho起伏引起的重力異常。依據(jù)該地區(qū)地殼有效彈性厚度以及艾利均衡模型[20],取該區(qū)域平均地殼深度Tc=30km[21-22],從該深度到研究區(qū)域所對(duì)應(yīng)的莫霍面深度之間,以同樣的方法劃分成0.5°×0.5°的小長(zhǎng)方塊體,長(zhǎng)方體的上頂邊界為所取的該地區(qū)平均地殼深度,下底邊界為觀測(cè)點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的莫霍面深度,長(zhǎng)方體的密度為地殼平均密度2.67g/cm3與上地幔平均密度3.27g/cm3之差。利用以上幾個(gè)參數(shù)與式(1)即可計(jì)算該剩余密度對(duì)觀測(cè)點(diǎn)所產(chǎn)生的重力異常值Δg2。
利用CRUST1.0模型的地殼密度和厚度結(jié)構(gòu)計(jì)算青藏高原東南部各層重力異常值以及整體的布格重力異常,結(jié)果如圖2所示,其統(tǒng)計(jì)信息見(jiàn)表2。
表2 CRUST1.0各層引起重力異常統(tǒng)計(jì)/mGalTab.2 Statistical tables of gravity anomalyby each layers of crust from CRUST1.0/mGal
沉積層引起的重力異常(圖2(a))在-70~107mGal之間,在四川盆地為正異常(50 mGal左右),其周邊的龍門(mén)山斷裂西南、鮮水河-則木河-小江斷裂一線(xiàn)零散分布著負(fù)異常(-100mGal左右)。上地殼平均厚度(19km)引起的重力異常(圖2(b))在2~73mGal之間,研究區(qū)域整體處于正異常狀態(tài)(50 mGal左右),在青藏高原東緣零散分布著高的正異常(90mGal左右)。中地殼引起的重力異常(圖2(c))在29~87mGal之間,在青藏高原東南部末端的川滇塊體北部地區(qū)存在高的正異常(100mGal左右),向四周逐漸降低。下地殼的平均密度(2.92g/cm3)最大,引起的重力異常(圖2(d))在60~113 mGal之間,鮮水河斷裂北端的正異常最大(150 mGal左右)。莫霍面起伏引起的重力異常(圖2(e))的變化范圍在-800~-170mGal之間,整個(gè)研究區(qū)域均處于負(fù)異常狀態(tài),在青藏高原東緣達(dá)到最大值(-750 mGal左右),而龍門(mén)山斷裂則分布著-500mGal左右的異常。
上述各層異常結(jié)果相加(圖2(f))顯示,南北地震帶南段的布格重力異常呈南高北低的整體特征,整體在-600~20mGal之間。在青藏高原東緣(-500 mGal左右)及其向東南方向平移處(-300mGal左右)分布著負(fù)異常,而四川盆地及云南西南部的印支塊體分布著正異常(10 mGal左右)。
將計(jì)算結(jié)果與EGM2008模型計(jì)算的重力異常進(jìn)行比較。EGM2008計(jì)算布格重力異常的結(jié)果來(lái)自于BGI。如圖3所示,兩種模型下的布格重力異常分布趨勢(shì)基本一致,說(shuō)明CRUST1.0的密度結(jié)構(gòu)模型基本適用,但差異非常明顯,可能受限于模型的分辨能力和精度。其差異表現(xiàn)在:
1)差異較大地區(qū)主要存在于云南西南部的印支塊體(100mGal左右),還有零散存在于龍門(mén)山斷裂帶兩側(cè)(60mGal左右)。
2)從差異值的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)可以看出,大于100 mGal或者小于-100 mGal 的數(shù)據(jù)比例為0.41%,大于50mGal或小于-50mGa的數(shù)據(jù)比例為83.95%。
在CRUST1.0模型中,通過(guò)提取差距較大的云南西南部印支塊體的地殼分層密度和莫霍面深度,與該地區(qū)實(shí)測(cè)資料進(jìn)行對(duì)比分析。該地區(qū)地殼各層實(shí)測(cè)密度通過(guò)地震測(cè)深給出的P波波速,利用密度與P波波速的轉(zhuǎn)換關(guān)系[23]進(jìn)行計(jì)算(表3)。
表3 CRUST1.0模型中地殼各層平均密度及莫霍面平均深度與其他實(shí)測(cè)資料對(duì)比Tab.3 Slicing density and moho depth between CRUST1.0and other metric data in the region
從表3可看出,在云南西南部印支塊體區(qū)域,該模型的地殼分層密度及莫霍面深度與實(shí)測(cè)資料有一定的差距,不能完全真實(shí)地反映該區(qū)域的實(shí)際地下結(jié)構(gòu)。對(duì)比地殼各層的平均密度,CRUST1.0模型比實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)相對(duì)較大,會(huì)造成正的重力異常并層層累加。在表3最后一列,該模型提供的平均莫霍面深度比實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)小,利用無(wú)限平板模型的重力異常公式[15,18]計(jì)算,會(huì)造成該區(qū)域100 mGal左右的誤差。
表3中的差異是造成圖3(b)中重力異常差異大的主要原因。另一方面,由于缺乏地面重力觀測(cè)結(jié)果支持,導(dǎo)致EGM2008模型存在一定的系統(tǒng)偏差[11],從而在個(gè)別區(qū)域會(huì)形成零散的異常值。從地質(zhì)學(xué)角度分析,在四川盆地邊緣,由于次生板塊邊界的影響,地形起伏較大,對(duì)該模型的數(shù)據(jù)精度有較大影響,導(dǎo)致其結(jié)果精度較低。
圖2 CRUST1.0各層引起的重力異常Fig.2 Gravity anomaly each layers from CRUST1.0
圖3 CRUST1.0與EGM2008模型結(jié)果的比較Fig.3 Bouguer gravity anomaly from EGM2008and discrepancies with this study in the southeastern Tibetan plateau
本文研究區(qū)域地處青藏高原東緣構(gòu)造帶,其布格重力異常在-600~20mGal,西北部分呈現(xiàn)負(fù)異常,東南部分呈現(xiàn)正異常。
由CRUST1.0模型計(jì)算的布格重力異常能較準(zhǔn)確地反映計(jì)算區(qū)域的地殼結(jié)構(gòu)信息,而因其模型分辨率的影響,在地形高程陡變的地區(qū)與EGM2008結(jié)果有一定差異,但大部地區(qū)均集中在-50~50mGal之間,說(shuō)明CRUST1.0模型給出的地殼結(jié)構(gòu)信息在青藏高原東南部較可靠,這對(duì)分析研究該地區(qū)深部構(gòu)造運(yùn)動(dòng)背景具有重要意義。
由于該模型主要依賴(lài)于地震波的數(shù)據(jù),數(shù)據(jù)量有限,在某些地方存在數(shù)據(jù)不足、數(shù)據(jù)精度較低等問(wèn)題,所以其地殼密度分層結(jié)構(gòu)還有待進(jìn)一步改善。
致謝:感謝吳慶舉研究員、丁志峰研究員的支持與指導(dǎo),BGI提供基于EGM2008 的布格重力異常數(shù)據(jù)。
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