芦山-康定地区布格重力异常及其归一化梯度图像的构造物理涵义

芦山-康定地区是川滇块体、松潘-甘孜块体和华南块体三个块体过渡的"Y"型交汇区,构造变形十分强烈.本文对EGM2008计算的布格重力异常进行1~5阶离散小波变换,得到三方向分量平方和的平方根(HVDM)图像;利用实测剖面布格重力异常数据,得到剖面的布格重力异常归一化总梯度(NFG)图像.结果分析表明:(1) 垂直于龙门山断裂带南段剖面的NFG图像显示推覆构造体前端切割较浅、后端逐步变深至中地壳,说明松潘-甘孜块体在深约10~30 km之间存在滑脱构造,在青藏高原东向挤出和四川盆地的阻挡作用下,造成深、浅部构造差异性运动,形成逆冲推覆的龙门山构造带; (2) HVDM图像和剖面的NFG图像均显示龙门山断裂带西南段与中段和东北段不同,松潘-甘孜块体对四川盆地的逆冲推覆作用沿北东方向具有分段性;(3)雅江-洪雅剖面NFG图像显示鲜水河断裂带和龙门山断裂之间存在高梯度变化带,在鲜水河断裂带下方强变形带不仅在20 km左右东倾至龙门山断裂带前缘,且逐渐近垂直向下伸入至少到下地壳,反映了两大断裂带交汇区域变形作用较强.川滇块体内部和四川盆地内部则显示低值,说明其变形作用较弱.强烈左旋剪切的鲜水河断裂带对芦山-康定地区构造活动具有主要的控制作用.     

利用重力异常研究内蒙古八大关—伊敏苏木剖面的地壳构造

在波数域中处理八大关—伊敏苏木剖面重力资料,使用离散余弦变换反演法计算出重力基底起伏界面深度,利用Hilbert变换计算重力归一化总梯度及其相位.根据布格异常特征及归一化总梯度相位曲线,划分了15条断裂,反演了该剖面重力基底起伏界面,并对重力基底构造特征进行了分析,将研究区划分出3个凹陷区,确定伊敏凹陷、鄂温克凹陷和东明凹陷为油气远景区.     

北京平原区断裂构造重力异常识别研究

区域重力异常蕴含丰富的断裂构造特征信息.采用小波多尺度分解、归一化总水平导数垂向导数（NVDR_THDR）和剖面2.5D重力异常反演方法对北京平原区高精度区域重力资料进行了处理,获得了主要断裂构造平面位置、长度、规模、汇交关系及深浅延伸特征,分析了利用重力异常识别断裂的效果.结果表明：（1）北京平原区NE向断裂平面延展长度大、连续性强,NW向断裂分段性明显,连续性弱,但NW向断裂对NE向断裂有切割改造迹象.近EW或SN向断裂分布较为局限.（2）主控断裂平面和垂向延伸特征差异明显,顺义断裂、孙河断裂、永定河断裂等为盖层断裂;南口断裂、孙河断裂西段、二十里长山断裂和张喜庄断裂为基底断裂;黄庄—高丽营断裂南段、南苑—通县断裂、礼贤断裂、夏垫断裂和皮各庄断裂东段为地壳断裂.（3）利用NVDR_THDR峰值异常带的连续性、幅值、宽度及错切关系可有效识别断裂的平面展布特征,通过小波变换获得的不同深度等效层异常结合2.5D剖面反演可有效研究断裂在基岩内部的深浅延伸情况,但重力异常的垂向分辨能力弱,断裂在新生界内部延伸特征需结合其他地质资料进一步分析.

     

利用Hilbert变换计算重力归一化总梯度

针对提高重力勘探正反演解释的分辨率问题,提出利用Hilbert变换计算和研究重力归一化总梯度.文中从理论上详细地证明了方法的可行性,给出了适合计算机实现的计算方法.为探讨该方法对油气藏的分辨能力,在模型计算中,分别利用Fourier级数法、Fourier变换法和本文提出的Hilbert变换法计算模型的GH场值,发现当三度体储油球冠模型（模拟似三度贮油气藏背斜模型）油气藏部分（低密度体）厚度减小到低于球冠厚度的十分之一时,Fourier级数及变换法不能分辨出低密度体所产生的异常,而Hilbert变换法仍然可以清晰地识别,这说明用Hilbert变换法计算的GH场对异常识别的分辨率优于其他两种方法.     

中国布格重力异常水平梯度图的判读和构造解释

分析和对比中国大陆布格重力异常水平梯度的彩色图像,得到一些新的构造特征信息. 大致以105°E为界,图像的东部以蓝色低梯度为背景,出现中、高梯度带状构造和大梯度差值边界的线状构造;西部以高、中梯度的带状构造为格架,镶嵌着低梯度区,区内有阴影线状构造. 总体上,重力异常水平梯度构造可概括为三大组. 第一组是NNE向的大兴安岭、太行山、武陵山高梯度带与斜切东部全区的郯庐大断裂带和NNW向的斜切西部全区的三条大断裂带;第二组为西部的NWW向与NEE向高、中梯度带的交叉构造格局,以及东部近于等间距的三条NWW向断续的阴影构造带和一条单一的构造线,而华南则仅有NE向的低梯度构造线;第三组是横贯全区的的几条近EW向和中部SN向宽而复杂的构造带,在后者的东、西两侧散臣着大间距、小长度、断续的SN向阴影构造线. 这三组重力梯度构造不仅反映了地貌起伏的信息,而且显示了大区域构造,特别是深部构造的密度差. 各组线状构造带的内部结构和各组的形成时间及演变历史可能不同,但它们相互复合构成现今总体的构造格局,对大尺度现代构造应力场作用都会有不同的响应,因此导致主应力方向的区域性变化.     

宜川—泰安剖面的密度结构、构造特征和地震活动

文中利用宜川—泰安重力剖面的相对联测和同址GNSS测量数据获得沿线的布格重力异常、剩余密度相关成像和地壳密度结构,可以看出：剖面的布格异常变化范围为-(161.7～5.5)×10^-5m/s²,自西向东总体呈上升趋势,在临汾盆地有明显“凹陷”,可能与上地壳存在低密度构造有关;剖面地壳密度分布具有明显的不均匀性,以太行山重力梯级带为界,西部密度较高,东部密度较低,中下地壳存在低密度体,可能是上地幔物质上涌岩石含部分高温流体和熔融岩体所致;不同构造块体的密度差异明显,在断裂带分布区域均存在密度差,说明密度分布与构造有一定关系;地壳介质的不均匀性和地震活动相关：鄂尔多斯断块的地壳介质相对均匀,不容易积累能量,地震活动水平低;山西断陷带和华北平原断块则相反,具有显著的不均匀性,地震活动频繁。     

贺兰山—银川地堑及邻区重力异常特征及构造意义

贺兰山—银川地堑及邻区地质结构复杂,对该区域深浅结构特征的研究具有重要意义.本文采用重力归一化总梯度成像和二维小波多尺度分解方法对研究区内重力异常进行了垂向和横向构造分析.重力归一化总梯度成像结果显示高低转换带的倾角、倾向与地质上的贺兰山东麓断裂、银川断裂和黄河断裂分布吻合较好,贺兰山西麓断裂与贺兰山东麓断裂汇交深度约18km,银川断裂与黄河断裂汇交深度约25km;二维小波多尺度分解成像结果表明正谊关断裂、贺兰山西麓断裂、芦花台断裂和银川断裂为上地壳断裂,贺兰山东麓断裂、青铜峡—固原断裂以及黄河断裂为下地壳断裂,且这三大断裂可能分别是阿拉善地块东南边界和鄂尔多斯地块西南边界;1739年平罗M8.0古地震震中与银川断裂在重力剖面深度约15km汇交,其垂向高低梯度为强变形带,同时古地震震中位于重力正负异常转换部位的低值区,据此可推断此次古地震的发震构造是银川断裂.这些结论可提高对贺兰山—银川地堑及邻区地质结构的认识,为该区地壳动力学过程及强震的孕震机理研究提供一定的科学依据.     

宜川—泰安重力剖面的均衡重力异常与地震活动的关系

宜川—泰安重力剖面穿越了太行—吕梁隆起、华北裂陷、鲁西隆起等地质构造单元,剖面及其附近地区构造活动强烈.依据布格重力异常特征可分为太行山以西的布格重力异常与地形高程"同步型"的变化特征、太行山以东的布格重力异常与地形高程"镜像型"的变化特征,布格异常转换带位于太行山重力梯级带的东缘,反映了大地质构造单元有着不同的深部构造背景.均衡重力异常特征与新构造运动有着良好的一致性,即正异常区对应吕梁山、太行山以及鲁西等隆起地区,负异常区对应临汾、华北断陷盆地.通过对理论均衡地壳厚度与实际地壳厚度进行对比分析发现,在均衡重力状态异常转换带及其附近地区均对应于莫氏界面上隆、上地幔热物质向地壳侵入和运移,由于其在趋于均衡的过程中必然伴随着地壳的差异运动,因此构造活动强烈而产生深大断裂,表现为地震的频繁活动,这些地区应该是地震监测以及震害防御需要重点关注的地区.     

汶川MW7.9地震周边地区布格重力异常与岩石圈垂向构造应力场

前人研究给出, 龙门山断裂带中南段地壳均衡异常显著, 具有发生7级以上大地震的深部动力背景。 2016年6月, 我们围绕该均衡异常显著区域开展重力/GNSS加密观测, 提高了该地区布格重力异常和地壳均衡异常场的空间分辨率。 依据上述观测结果与前期同类观测数据, 反演了汶川M_W7.9地震周边地区地壳密度构造。 结果显示, 龙门山断裂带是地壳密度变化的高梯度带, 其东侧地壳较薄, 但其西部明显变厚, 上、 中、 下地壳变化趋势均呈现上述特征; 研究区东侧的莫霍面深度为35~40 km, 西侧为60~65 km。 此外, 利用重力/GNSS联合观测数据计算了汶川M_W7.9地震震中区周边地区岩石圈承载的垂向构造应力场, 结果表明, 汶川M_W7.9地震震中区北部、 宁强、 峨眉山周边地区蓄积了-30 MPa至-40 MPa的负向构造应力, 龙门山断裂带中南段蓄积了约40 MPa的正向构造应力, 区域最大垂向构造应力分布在龙门山断裂带中南段, 临近芦山M_W6.6地震。 统计结果表明, 地震多发生在垂向构造应力高梯度带附近, 或垂向构造应力的高值区域。     

重力异常垂向梯度严密改化模型及应用

积分奇异性和数值不连续性是改化重力异常垂向梯度全球积分模型面临的两大主要难题.本文研究并指出了积分模型传统改化方法存在的理论缺陷,同时依据实测数据保障条件,联合采用积分恒等式转换和移去恢复运算技术,分别推出了计算地球外部及地面重力异常垂向梯度全球积分模型的分步改化公式,提出了补偿传统改化模型理论缺陷的修正公式.以超高阶地球位模型EGM2008作为数值试验标准场,分别开展改化模型精度比对分析和向下延拓应用效能评估试验,从不同侧面验证了采用严密改化模型的必要性和有效性.

     

金川—芦山—犍为剖面重力异常和地壳密度结构特征

重力剖面金川—芦山—犍穿越芦山震区,近垂直于龙门山断裂带南段,长约300 km,测点距平均2.5 km,采用高精度绝对重力控制下的相对重力联测与同址GPS三维坐标测量,获得了沿剖面的自由空气异常和布格重力异常,并对布格重力异常进行了剩余密度相关成像和密度分层结构正反演研究.结果表明,芦山地震所在的龙门山断裂带南段存在垂直断裂走向的宽广的巨型重力梯级带,重力变化达252×10-5 m·s-2以上(龙泉山以西),反映出四川盆地与松潘—甘孜地块地壳厚度陡变(约14.5 km)性质;四川盆地与松潘—甘孜地块过渡区(龙门山断裂带与新津—成都—德阳断裂之间)存在(30~50)×10-5 m·s-2的剩余异常"凹陷",可能与上地壳低密度体、山前剥蚀与松散堆积和推覆体前缘较为破碎有关;剩余密度相关成像显示地壳密度呈现分段性特征,在芦山地震位置出现高低密度变化;地壳呈现三层结构,四川盆地上、中、下地壳底界面平缓,反映其稳定阻挡作用,而松潘—甘孜块体上、中、下地壳底界面明显往盆地逐步抬升,反映出青藏高原往东的强烈挤压作用;松潘—甘孜块体往东推覆变形主要集中在上地壳范围内,推覆深度随离龙门山断裂带愈近而越浅.本文通过对密度分布及结构特征的研究,分析了芦山地震及龙门山地区地壳构造背景和当前活动性的深部动力环境特征.     

Review Paper: Historical development of the total normalized gradient method in profile gravity field interpretation

In the Russian school, the total normalized gradient method belongs to the most wide-spread of direct interpretation methods for potential field data. This method was also used and partly developed by many experts from abroad. The main advantage of the total normalized gradient method is its relative independence of parameters such as the expected differential density of interpreted structures. The method is built from a construction of a specially transformed field (total normalized gradient) on a section crossing the potential field sources. The special properties of this transformed field allow it to be used to detect the source positions. From the 1960s, the mathematical basis of the method underwent enormous development and several modifications of the method have been elaborated. The total normalized gradient operator itself represents a relatively complicated, non-linear band-pass filter in the spectral domain. The properties of this operator can be handled by means of several parameters that act to separate the information about field sources at different depth levels. In this contribution, we describe the development of the method from its very beginning (based mostly on qualitative interpretation of simple total normalized gradient sections) through to more recent numerical improvements to the method. These improvements include the quasi-singular points method, which refines the filter properties of the total normalized gradient operator and defines an objective criteria (so called criterion ‘α’ and ‘Г') for the definition of source depths in the section. We end by describing possibilities for further development of the method in the future.     

应用卫星重力信息对横断山系地区布格重力异常特异分布的纠正

在云南省西部,跨越中、缅两国交界的横断山系地区（97°E~102°E,24°N~30°N）有近一半的面积尚没有重力测点、即重力数据空白区和重力测点稀少的普查级测区.以前的有关文献、图集中所给出对此地区的重力场都是十分模糊的结果与图件.因此应用这些资料无法详细地研究该地区重力场特征与深部地壳结构（构造）.本文应用卫星重力异常资料作为“近似空间重力异常”,经中间层改正后给出的“计算布格重力异常”,其分布特征与该地区的地形高程呈很好的镜像相关.对相应山脉、河谷以及断裂构造都有所反映.特别是在横断山系地区该布格重力异常呈现为近南北的走向.为此,据该“计算布格重力异常”,并选定对该区有代表性的一条重力异常剖面作正反演计算,以得到其地壳深部结构剖面.结果表明,在横断山脉地区的地壳厚度在51~56 km间起伏变化;滇西北云岭山系以及玉龙山区的地壳厚度约在60 km以上. 最后,对所得结果与图件进行了讨论,并提出了几点认识和纠正的建议.     

长江下游地区布格重力异常及深浅部构造特征

为研究长江下游地区地壳结构及深浅部构造特征,本文选用大比例尺布格重力数据,利用小波变换方法进行场源分解处理,剖析不同深度下地壳横向结构,采用Parker变密度模型反演该地区的莫霍面深度,并构建两条地壳密度结构剖面模型,对研究区深、浅部构造进行精细刻画.结果表明,长江下游地区重力场整体呈现NE走向的构造异常,多发育NE向的断裂及隆凹构造.沉积层至上地壳的地壳结构复杂,存在数量较多的小尺度的线性重力梯度条带,形成了15条明显的以NE、NNE方向为主体的构造单元以及2条NW向区域性断裂,多数断层延伸至中地壳;在中、下地壳尺度中,断裂带多沿高、低异常梯度条带分布,其中金坛—南渡断裂与茅山断裂合并,形成规模一条较大的控制性断裂,推断该断裂已经切穿上地幔,结合地震数据发现,两条断裂的相接处在近代以来地震活动性较强,此外茅山断裂在深部向北延伸至镇江市区,受无锡—宿迁断裂带影响截止于埤城附近.区域莫霍面深度分布在31.6～33.4 km,表现为以埤城断凸为中心,东西浅,南北深的‘X’状.     

优化滤波方法及其在中国大陆布格重力异常数据处理中的应用

在优选延拓法的理论基础上,研究提出基于格林等效层概念和维纳滤波器的优化滤波法,用于对重力异常数据进行去噪和分离.与传统向上延拓法和优选延拓法相比,优化滤波法分离异常与延拓高度无关,不需要已知延拓高度,具有一定的优势.理论重力模型数据的去噪和异常分离试验表明优化滤波法有效,异常分离效果优于传统向上延拓法和带通滤波法.利用优化滤波法对中国大陆重力异常数据去噪和异常分离,得到有效的布格重力异常和区域重力异常.以中国大陆深地震探测推断的莫霍面深度信息为约束,对区域重力异常数据进行密度界面约束反演,得到中国大陆莫霍面深度分布.本文方法为中国大陆深部探测和区域构造研究提供一定的技术支撑.     

长江三峡及邻区布格重力异常小波多尺度分解

基于离散小波变换理论,对长江三峡及邻区的布格重力异常进行多尺度分解,获取局部场、区域场和1—4阶小波细节。结果显示:4阶小波细节中,秦岭—大别造山带东西向正异常与扬子地块和秦岭—大别造山带之间的相互作用相关;M3.0以上地震大多位于区域场东向突出部位,即2阶和3阶小波细节所反映的负异常区,另有小部分位于4阶小波细节所反映的黄陵背斜正异常西侧,这种现象可能与黄陵背斜新构造运动相关。      

南海重力异常的沉积层密度改正及其对区域构造特征分析的意义

南海位于太平洋板块、印澳板块和欧亚板块交汇处,自晚中生代以来历经张裂作用、海底扩张以及印藏碰撞、菲律宾海板块西向运动等构造事件的叠加改造,不仅形成了复杂多样的构造格局,而且堆积了厚薄不均的沉积层.为了考察沉积层密度改正对利用重力资料分析南海不同尺度构造特征的影响,本文利用南海各区域不同深度沉积层的地震波速度及钻孔密度等数据,建立了沉积层与沉积基底密度差随深度变化的二次函数关系式,并基于该关系式,计算了南海沉积层相对基底密度低而产生的重力异常值.结果显示,南海沉积层的重力异常值在海盆区介于-40~-60 mGal,而在堆积巨厚沉积物的莺歌海盆地可达到-135 mGal;相对于空间重力异常、布格重力异常,经沉积层重力异常改正后的地壳布格重力异常更能突出深部不同尺度的密度结构和莫霍面的起伏特征,其总水平导数模更突显了南海西北部红河断裂带的海上延伸;利用谱分析技术估算岩石圈强度时,经沉积层重力异常改正的地壳布格重力异常数据获得的岩石圈有效弹性厚度值更为符合地质实际,特别是在长条形的巨厚沉积区如莺歌海盆地和马来盆地.分析表明,重力异常的沉积层密度改正对揭示南海构造特征具有重要的意义.