付萍杰，張景發(fā)，王 鑫，高 敏，王冬雷，劉 軍

(1.中國(guó)地震局地殼應(yīng)力研究所 (地殼動(dòng)力學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室)，北京100085;2.山東科技大學(xué)，山東青島266590;3.山東省地震工程研究院，山東濟(jì)南250021)

0 引言

茅山斷裂帶出露于江蘇南部茅山地區(qū)，北起金壇石門(mén)塘，向南南西經(jīng)金壇致和、陶家洼、溧陽(yáng)竹簀煤礦、曹山林場(chǎng)、茅山林場(chǎng)、溧水陸家、高淳種桃山、茨山頭，繼而進(jìn)入安徽鄭村和宣城敬亭山東麓，斷續(xù)出露約134 km，主體位于江蘇省境內(nèi)，在遙感圖像上可以發(fā)現(xiàn)其呈“S”形展布，由茅西斷裂、茅東斷裂以及兩者所夾持的茅山斷塊組成，總體走向北北東，傾向南東，傾角由緩到陡。茅西斷裂形成于晚侏羅世之后、晚白堊世之前 (江蘇省地質(zhì)礦產(chǎn)局，1984)，位于茅山山脈西側(cè)山麓，走向30°，總長(zhǎng)110 km。茅東斷裂于晚白堊世以后第三紀(jì)時(shí)形成，伴生的北西、北北西向張性及張扭性斷裂亦較發(fā)育 (江蘇省地質(zhì)礦產(chǎn)局，1984)，傾向南東，傾角上陡下緩。茅東斷裂與金壇—南渡斷裂共同控制了所夾持的中新生代沉積盆地——直溪橋斷陷盆地和椏溪港斷陷盆地 (黃潤(rùn)生，曹建忠，2010)，其東側(cè)則為金壇—溧陽(yáng)隆起，而深洼部分則是該地區(qū)的地震頻繁活動(dòng)區(qū)。茅山斷塊形成于志留系—三疊系，寬約4 km，走向30°，長(zhǎng)約50 km，夾持在茅西斷裂和茅東斷裂之間。該區(qū)域曾發(fā)生過(guò)數(shù)次4～6級(jí)地震，特別是1974年、1979年在茅山斷裂帶中段相繼發(fā)生5.5級(jí)和6.0級(jí)地震，是重點(diǎn)監(jiān)測(cè)地區(qū)之一 (陳文凱等，2006)。

以前對(duì)于茅山斷裂帶的研究都側(cè)重于運(yùn)用構(gòu)造地質(zhì)知識(shí)、遙感影像解譯等 (張永康，孫競(jìng)雄，1982;陳文凱等，2006;孫競(jìng)雄，韋國(guó)鈞，1985)，利用小波多尺度分解的方法幾乎沒(méi)有研究。侯遵澤和楊文采 (1997)首次將小波多尺度分析應(yīng)用到中國(guó)大陸布格重力異常數(shù)據(jù)處理中，取得了較好的效果。作為研究地質(zhì)構(gòu)造和巖石圈結(jié)構(gòu)的有效方法之一，重力方法既可以體現(xiàn)出地質(zhì)體的縱向分層，也可以體現(xiàn)出地殼介質(zhì)的橫向密度的非均勻性。因此，重力數(shù)據(jù)可以直觀的反映出地質(zhì)體分布、斷裂構(gòu)造的展布以及深部構(gòu)造特性等信息，同時(shí)還包含了深度較大、分布較廣的場(chǎng)源信息。由于重力異常是不同密度、不同深度、不同規(guī)模以及不同形態(tài)地質(zhì)體所產(chǎn)生的重力場(chǎng)的疊加，所以應(yīng)對(duì)重力異常信息進(jìn)行分離，繼而提取有關(guān)信息。近年來(lái)發(fā)展起來(lái)的小波分析法已經(jīng)廣泛的應(yīng)用于地球物理信號(hào)處理，本文經(jīng)過(guò)小波多尺度分解得到了1～4階重力小波細(xì)節(jié)圖，解譯茅山斷裂帶深部構(gòu)造，所采用的布格重力數(shù)據(jù)為1∶20萬(wàn)，數(shù)據(jù)網(wǎng)格間距2 km×2 km，研究區(qū)范圍 (31°20'～32°00'N，119°00'～119°30'N)。

1 茅山斷裂帶遙感構(gòu)造地貌特征

遙感技術(shù)為活動(dòng)斷層調(diào)查提供了快速有效的手段，將遙感技術(shù)與構(gòu)造地貌特征研究相結(jié)合，可以對(duì)斷層第四紀(jì)以來(lái)的構(gòu)造特征進(jìn)行研究。活動(dòng)斷裂在地表留下比較直觀的斷層依據(jù)，沿?cái)嗔褞ǔ０l(fā)育洪積扇、斷層陡坎、斷層崖、斷層三角面山、拉分盆地等構(gòu)造地貌現(xiàn)象，利用遙感影像可以對(duì)這些地貌單元進(jìn)行比較詳細(xì)的判讀 (姜文亮等，2011;陳丁等，2011)，同樣這些地貌單元在三維立體圖中表現(xiàn)的更為直觀。

茅山斷塊在TM影像上表現(xiàn)為北北東走向的隆起的山脈 (圖1)，茅山斷裂帶由茅西斷裂、茅東斷裂以及茅山斷塊組成，斷裂沿山腳與凹陷過(guò)渡區(qū)域分布，筆者將茅山斷裂帶分為3段來(lái)描述。其中，火龍地—周家段處發(fā)育有大面積的洪積扇地貌景觀，可以觀測(cè)到斷層三角面，茅西斷裂洪積扇面積較小，斷層三角面發(fā)育，由于斷裂兩側(cè)地貌特征的不同，斷裂兩側(cè)光譜分辨率不同引起的色調(diào)差異都很明顯，Google Earth影像中在北鎮(zhèn)街附近可看到斷層崖地貌 (圖2a中TM影像中白色框表示局部斷層崖地貌圖位置)。白馬鎮(zhèn)—杜公廟段發(fā)育有小面積的洪積扇，殘山呈線(xiàn)狀斷續(xù)排列，斷裂兩側(cè)地質(zhì)地貌特征有很大的變化，茅西斷裂沿兩側(cè)山脈之間的山谷穿過(guò)，斷裂兩側(cè)發(fā)育有斷層三角面，在Google Earth影像中高茅棚附近表現(xiàn)的比較清晰 (圖2b中TM影響中白色框表示局部斷層三角面地貌圖位置)。貍橋鎮(zhèn)—碼頭村段與其兩側(cè)地質(zhì)地貌景觀差異明顯，一側(cè)為隆起的山脈，斷崖陡峭，另一側(cè)為湖泊，影像中表現(xiàn)出不同的色調(diào) (圖2c)。這些現(xiàn)象在TM影像圖與三維立體圖中表現(xiàn)的都比較明顯 (圖2)，遙感圖像是二維視圖，通過(guò)疊加DEM可以獲得三維效果圖，三維立體圖具有立體感強(qiáng)、形象逼真，能清晰的突出平面圖像上表現(xiàn)不出來(lái)的一些地表景觀變化，可以借此來(lái)分析地形和地貌特征。

圖1 茅山地區(qū)TM影像Fig.1 Image of TM along the Maoshan regions

2 茅山斷裂帶重磁異常特征分析

小波變換細(xì)節(jié)圖是對(duì)局部場(chǎng)布格重力異常信息的反映，主要體現(xiàn)了淺部場(chǎng)源體引起的較小規(guī)模的高頻異常信息。利用小波變換方法對(duì)研究區(qū)布格重力數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，可以得到對(duì)應(yīng)的小波變換細(xì)節(jié)圖，通過(guò)小波變換細(xì)節(jié)圖可以對(duì)該區(qū)主要地質(zhì)單元進(jìn)行研究，特別是對(duì)斷層的深部延伸規(guī)模、埋藏深度進(jìn)行推測(cè)。利用對(duì)數(shù)功率譜方法(王文睿等，2009;申寧華等，1986;殷秀華等，1999;樓海，王椿鏞，2005;張先，趙麗，2007;Jiang et al.，2004;楊宇山等，2003;Sari，Salk，2006;刁博等，2009;姜文亮，張景發(fā)，2012)對(duì)小波1～4階細(xì)節(jié)圖場(chǎng)源深度進(jìn)行了計(jì)算，從表1中可知，1～2階小波細(xì)節(jié)圖像反映了上地殼布格重力異常特征，3階小波細(xì)節(jié)圖像反映了中地殼布格重力異常特征，4階小波細(xì)節(jié)圖像反映了下地殼布格重力異常特征。

表1 各階小波變換細(xì)節(jié)反映的場(chǎng)源深度Tab.l Depth of field source reflected by each of wavelet transform detail

圖2 茅山斷裂帶分段TM影像、三維立體圖與Google Earth影像Fig.2 Images of TM，3D stereogram and Google Earth of each section of Maoshan Fault Zone

2.1 茅山斷裂帶布格重力異常小波細(xì)節(jié)特征分析

圖3為茅山斷裂布格重力異常圖，從圖中可知茅山斷裂帶區(qū)域重力異常數(shù)值變化范圍在(-32.1～11.9)×10-5ms-2之間，斷裂帶沿北北東方向兩側(cè)具有比較明顯的重力異常特征，兩側(cè)存在密集的重力高與重力低圈閉現(xiàn)象，斷裂沿重力高與重力低之間的密集等值線(xiàn)過(guò)渡帶分布。茅山斷裂帶異常特征與地表地形地貌特征具有很大的相關(guān)性，斷裂帶東側(cè)有明顯的兩個(gè)重力低異常圈閉，圈閉區(qū)為椏溪港凹陷和直溪橋凹陷，還有一個(gè)重力高異常圈閉區(qū)為金壇—南渡隆起。

圖3 茅山斷裂帶布格重力異常圖Fig.3 Bouguer gravity anomaly of Maoshan Fault Zone

在1階重力小波變換細(xì)節(jié)圖中 (圖4a)，重力異常數(shù)值變化范圍在 (-11.3～10.5)×10-5ms-2之間，布格重力異常比較規(guī)律，斷裂沿北北東方向分布。從圖4中可以看出茅山斷裂帶的3個(gè)組成部分。斷裂帶北東部分，茅西斷裂沿重力高異常與重力低異常之間的重力梯級(jí)帶分布，斷裂東側(cè)為重力高的異常茅山斷塊，呈線(xiàn)狀分布，茅東斷裂東北部沿?cái)嘞菖璧貎?nèi)部分布，中部地區(qū)沿兩側(cè)重力高異常所夾的重力梯級(jí)帶分布，西南部沿?cái)嘞菖璧貎?nèi)部分布。由茅西斷裂與茅東斷裂所在的重力梯度帶可以發(fā)現(xiàn)，茅東斷裂處的重力等值線(xiàn)比較密集，推測(cè)茅東斷裂比茅西斷裂傾角要大。中間部位斷裂帶在兩個(gè)高重力異常的圈閉區(qū)之間穿過(guò)，為遙感影像中白馬鎮(zhèn)—杜公廟段的線(xiàn)狀殘山。斷裂帶的西南部分沿串珠狀的重力低異常圈閉及邊緣分布，該串珠狀重力低異常圈閉為椏溪港凹陷。斷裂帶西南角方向沿重力高異常圈閉區(qū)邊緣分布，結(jié)合遙感影像初步分析該地區(qū)為湖泊。1階小波變換細(xì)節(jié)圖所揭示的場(chǎng)源深度大約在地表2～3 km，主要反映了地表附近的低密度介質(zhì)分布狀態(tài) (路曉翠等，2012)。

在2階重力小波變換細(xì)節(jié)圖中 (圖4b)，重力異常數(shù)值變化范圍在 (-5.6～5.9) ×10-5ms-2之間，布格重力異常較規(guī)律，斷裂帶沿北北東方向分布，茅東斷裂沿?cái)嘞菖璧嘏c茅山斷塊之間的重力梯級(jí)帶分布，茅東斷裂重力等值線(xiàn)密集現(xiàn)象比茅西斷裂更加突處，茅西斷裂和茅東斷裂表現(xiàn)得更為明顯，茅山斷塊重力異常值明顯升高，范圍明顯擴(kuò)大，茅東斷裂的東部直溪橋凹陷重力異常圈閉區(qū)范圍有所擴(kuò)大。斷裂帶中間部分西側(cè)異常值明顯升高。椏溪港凹陷不再呈串珠狀分布，而是連在了一起成為重力低異常圈閉區(qū)，可能在這個(gè)時(shí)期斷層發(fā)生了重新活動(dòng) (王官福，張文治，1992)，茅東斷裂首先是沿椏溪港凹陷邊緣重力梯級(jí)帶分布，然后西南方向沿直溪橋凹陷邊緣重力梯級(jí)帶分布，西南角湖泊重力高圈閉區(qū)范圍有所擴(kuò)大。南東方向不規(guī)則的重力高異常圈閉區(qū)為金壇—南渡隆起。金壇—南渡隆起位于茅山斷裂帶東側(cè)，該隆起西側(cè)邊緣重力梯級(jí)帶延伸的為南渡—金壇斷裂帶，該斷裂帶為北東方向，與茅山斷裂帶一起控制了直溪橋凹陷和椏溪港凹陷。2階小波變換細(xì)節(jié)圖所揭示的場(chǎng)源深度大約在5～6 km，主要反映了上地殼介質(zhì)的分布狀態(tài)。

在3階重力小波變換細(xì)節(jié)圖中 (圖4c)，重力異常數(shù)值變化范圍在 (-8.2～9.9) ×10-5ms-2之間，布格重力異常圈閉區(qū)明顯，范圍有所擴(kuò)大。從圖中可以看出茅東斷裂與茅西斷裂分界已不是太明顯，斷裂帶中間部分兩側(cè)的重力高異常區(qū)合并在一起，直溪橋凹陷和椏溪港凹陷圈閉區(qū)再次擴(kuò)大，兩個(gè)凹陷的中段異常有所變化，為浮山—瓦屋山一帶的北西向上第三系方山組玄武巖漿活動(dòng)帶的疊加與改造，或者為上第三系的淺鹽丘的反映 (路曉翠等，2012)。金壇—南渡隆起重力高異常區(qū)范圍擴(kuò)大，形狀規(guī)則，與西側(cè)的隆起區(qū)相連。3階小波變換細(xì)節(jié)圖所揭示的場(chǎng)源深度大約在12～13 km，主要反映了中地殼介質(zhì)的分布狀態(tài)。

在4階重力小波變換細(xì)節(jié)圖中 (圖4d)，重力異常數(shù)值變化范圍在 (-7.4～6.9) ×10-5ms-2之間，布格重力異常圈閉區(qū)很明顯，茅東斷裂與茅西斷裂合并為一條斷裂，沿重力異常密集梯度帶分布。斷裂帶西側(cè)為重力高異常圈閉區(qū)，東側(cè)為重力異常低圈閉區(qū)的直溪橋凹陷和椏溪港凹陷，但是直溪橋凹陷重力低圈閉區(qū)范圍擴(kuò)大而椏溪港凹陷重力低圈閉區(qū)范圍有所減小，推測(cè)直溪橋凹陷比椏溪港凹陷延伸深度大。4階小波變換細(xì)節(jié)圖所反映的場(chǎng)源深度為24～25 km，表明場(chǎng)源深度已達(dá)到了下地殼，據(jù)此可以推斷茅山斷裂帶和南渡—金壇斷裂帶為規(guī)模較大的控制性斷裂，且兩條斷裂已經(jīng)切穿了上地幔。

圖4 茅山斷裂帶布格重力異常1階 (a)、2階 (b)、3階 (c)和4階 (d)小波變換細(xì)節(jié)圖Fig.4 The approximation of the first order(a)、the second order(b)、the third order(c)and the forth order(d)wavelet transform detail of the Bouguer gravity anomalies of Maoshan Fault Zone

2.2 茅山斷裂帶航磁異常特征分析

在航磁異常圖 (圖5)上，茅山斷裂帶表現(xiàn)為北北東向正高磁異常，異常最高值可達(dá)500 nT，恰位于凹陷盆地處。在航磁2、3、4階細(xì)節(jié)圖上也可以發(fā)現(xiàn)這種現(xiàn)象。且在2、3階細(xì)節(jié)圖上帶內(nèi)形成了明顯的環(huán)狀磁異常面貌，即斷裂帶外側(cè)為環(huán)形串珠狀磁異常，環(huán)內(nèi)為正高磁異常。

研究圖5可知，斷裂帶為正高航磁異常，呈線(xiàn)性分布，正高磁異常被環(huán)狀的串珠狀負(fù)低磁異常所包圍，可以看出茅山斷裂帶處在低磁異常的斷陷盆地內(nèi)。正高磁異常反映了茅山斷裂帶中茅山斷塊的基底隆起，可能會(huì)有巖漿物質(zhì)的侵入，其周?chē)植贾罅康呢?fù)低串珠狀磁異常，可能是火山噴發(fā)后物質(zhì)沿?cái)嗔芽p隙的侵入 (黃潤(rùn)生，曹建忠，2010;孫競(jìng)雄，韋國(guó)鈞，1985)。

圖5 茅山斷裂帶航磁異常ΔT圖Fig.5 ΔT image of aeromagnetic anomalies of Maoshan Fault Zone

3 溧陽(yáng)地震與茅山斷裂帶的關(guān)系

1979年7月9日，江蘇省溧陽(yáng)縣發(fā)生6級(jí)地震，該地區(qū)于1974年4月22日發(fā)生過(guò)一次5.5級(jí)地震 (秦大正，1982)，兩次地震的震中位置相距3 km，震源深度也相當(dāng)，可視為同源地震，2012年5月22日在溧陽(yáng)地區(qū)又發(fā)生了M2.5地震，此次地震造成溧陽(yáng)當(dāng)?shù)赜懈?。許多地震專(zhuān)家曾進(jìn)行過(guò)深入的地震現(xiàn)場(chǎng)考察和分析研究工作，其中較為統(tǒng)一的結(jié)論是認(rèn)為這兩次地震的發(fā)生與茅山東側(cè)斷裂帶和南渡—金壇斷裂的活動(dòng)有關(guān) (葉洪等，1980;謝瑞征等，1979;胡連英，徐學(xué)思，2001)。此次地震發(fā)生的構(gòu)造部位就是在茅山斷裂帶茅東斷裂的西側(cè)斷陷盆地—— “直溪橋—椏溪港”凹陷內(nèi) (葉洪等，1980;侯康明等，2012)。溧陽(yáng)震區(qū)從西到東有:云合—白馬凹陷，莫霍面 (M)界面埋深為33 km;青山—芳山—竹簀橋隆起，M界面埋深為30 km;湯橋—上沛凹陷，M界面埋深為32 km;河口—慶豐隆起，M界面埋深為29 km(梁中華等，1984);大溪—前馬凹陷，M界面埋深為35 km。這些隆起與凹陷條帶之間常為M界面埋深變化較大的梯度帶，該梯度帶又往往與斷裂構(gòu)造帶有關(guān)。如云合—白馬凹陷帶與青山—芳山—竹等橋隆起帶的過(guò)渡帶，恰好就是茅山東側(cè)斷裂 (梁中華等，1984)。本文用小波多尺度方法推斷茅山斷裂帶和南渡—金壇斷裂切穿上地幔，兩條斷裂帶傾向相對(duì)，規(guī)模相當(dāng)，而震源區(qū)恰巧就處在兩個(gè)斷裂帶之間的盆地內(nèi)，直溪橋凹陷和椏溪港凹陷規(guī)模較大，埋深較深，被兩條斷裂帶所控制。在航磁異常圖中，通過(guò)對(duì)斷裂帶及周?chē)酱女惓５难芯糠治?，推斷該地區(qū)存在的巖漿侵入以及火山運(yùn)動(dòng)，尤其是上沛附近的火山噴發(fā)帶也是溧陽(yáng)地震的主要活動(dòng)地帶 (孫競(jìng)雄，韋國(guó)鈞，1985)。

4 結(jié)論與討論

本文利用遙感影像研究茅山地區(qū)構(gòu)造地貌特征，三維立體圖較直觀的反映了斷裂帶的存在，并利用小波多尺度分解的方法對(duì)茅山斷裂帶地區(qū)重力場(chǎng)進(jìn)行場(chǎng)源分離，并對(duì)場(chǎng)源分離后的不同深度、不同規(guī)模以及不同密度的地殼結(jié)構(gòu)進(jìn)行了深入分析，結(jié)合莫霍面深度分析了溧陽(yáng)地震與兩條斷裂帶的聯(lián)系，取得了比較好的效果。

(1)茅山斷塊在TM影像上表現(xiàn)出色調(diào)明顯的隆起區(qū)，在Google Earth影像中清晰的見(jiàn)到了斷層崖、斷層三角面的存在。茅山斷裂帶沿北北東方向呈“S”形狀分布，斷裂帶兩側(cè)色調(diào)差異很大，地形地貌有很大的不同，發(fā)育有大量的洪積扇，斷裂帶中段還有線(xiàn)狀的殘山堆積。

(2)茅山斷裂帶重力異常數(shù)值變化范圍在(-32.1～11.9)ms-2之間，總體表現(xiàn)為規(guī)模宏大的北北東方向重力梯度帶上，該斷裂由上陡下緩的茅西逆斷層、傾角較陡的茅東正斷層以及茅山斷塊組成，茅東斷裂比茅西斷裂傾角要陡，在地殼深處茅東斷裂與茅西斷裂合為一條斷裂。

(3)重力小波細(xì)節(jié)圖中解釋了茅山斷裂帶與南渡—金壇斷裂帶共同控制的直溪橋凹陷和椏溪港凹陷以及他們之間的過(guò)渡帶，直溪橋凹陷比椏溪港凹陷埋深較深。

(4)航磁異常圖推斷巖漿物質(zhì)以及火山噴發(fā)的存在進(jìn)一步驗(yàn)證了茅山斷裂帶與南渡—金壇斷裂帶都切穿了上地幔，為規(guī)模宏大的控制性斷裂，加上兩條斷裂所控制的斷塊凹陷區(qū)，對(duì)溧陽(yáng)地區(qū)的地震有著很重要的影響。

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