青藏高原東北緣和鄂爾多斯地區(qū)的均衡重力異常

樓 海 王椿鏞 劉瓊林 姚志祥

（中國(guó)地震局地球物理研究所，北京 100081）

青藏高原東北緣地區(qū)是青藏高原塊體與華北板塊和華南板塊相互作用的交匯地區(qū)。在青藏高原隆升并向北東方向擴(kuò)展的過(guò)程中，與華北板塊和華南板塊發(fā)生相互碰撞、擠壓，在這里形成了強(qiáng)烈的構(gòu)造變形和復(fù)雜的構(gòu)造格局，這里也是中國(guó)大陸上強(qiáng)震多發(fā)的地區(qū)，己經(jīng)多次發(fā)生8級(jí)和更大地震。因此，這里一直是國(guó)內(nèi)外地學(xué)研究的重點(diǎn)關(guān)注區(qū)。在這里己經(jīng)開展了大量的地質(zhì)學(xué)，地震學(xué)和其它地球物理學(xué)方法的探測(cè)與研究工作，取得了很多重要的研究成果。我們研究這一地區(qū)的平衡重力異常，探討青藏高原東北緣和鄂爾多斯地區(qū)的深部構(gòu)造特征和與地震活動(dòng)性的關(guān)系。自然科學(xué)基金重大研究計(jì)劃“華北克拉通破壞”項(xiàng)目在鄂爾多斯塊體內(nèi)部和周邊地區(qū)開展了流動(dòng)地震臺(tái)陣觀測(cè)研究，為我們的重力學(xué)研究提供了更多的依據(jù)和約束條件。本文的研究工作也是即將開展的財(cái)政部社會(huì)公益性研究項(xiàng)目“中國(guó)地震科學(xué)臺(tái)陣探測(cè)-南北地震帶北段”大規(guī)模地震臺(tái)陣觀測(cè)和綜擬地球物理探測(cè)工作的預(yù)研究。研究區(qū)范圍為102°～116°E，32°～42°N，包括了青藏高原東北部和鄂爾多斯塊體及圍邊地區(qū)。采用的重力資料來(lái)源于全球重力場(chǎng)模型EGM2008。計(jì)算與分析中使用的地形數(shù)據(jù)取自ETOPO30數(shù)字地形數(shù)據(jù)集。

研究區(qū)布格重力的分布特征為：布格重力異常值從研究區(qū)東南部分華北盆地的約0×10-5ms-2向西減少到研究區(qū)西南角青藏高原東北緣的約－400×10-5ms-2，是研究區(qū)正好跨過(guò)中國(guó)大陸地形高程三個(gè)臺(tái)階的反映。在華北平原，布格重力異常值為0～－100×10-5ms-2，在山西，鄂爾多斯和秦嶺地區(qū)為－100～－250×10-5ms-2在青藏高原東北緣地區(qū)為－250～－400×10-5ms-2。鄂爾多斯地塊內(nèi)部布格重力異常變化比較平緩，有東高西低的趨勢(shì)性變化。在鄂爾多斯地塊周圍的斷陷盆地上，布格重力異常多表現(xiàn)為重力低異常。河套平原地區(qū)的重力低異常尤其明顯。

在計(jì)算平衡重力異常之前，利用研究區(qū)內(nèi)234個(gè)地震臺(tái)站上遠(yuǎn)震接收函數(shù)的H-k疊加結(jié)果對(duì)地殼厚度作了統(tǒng)計(jì)分析，定性分析研究區(qū)地殼的結(jié)構(gòu)特征。地殼厚度與臺(tái)站高程之時(shí)的按面積加權(quán)回歸分析給出研究區(qū)的平平地殼厚度40.86 km，地幔-地殼密度差506 kgm-3。分析結(jié)果還顯示，在地殼厚度小于45 km時(shí)，臺(tái)站高程與地殼厚度的分布比較集中，地殼厚度大于45 km以后，地殼厚度與臺(tái)站高程的關(guān)系很分散，表明在地殼厚度較大的地區(qū)，地殼密度結(jié)構(gòu)與其他地方有明顯差異。臺(tái)站高程與地殼厚度的擬性相關(guān)關(guān)系為：D=5.28h+33.69(km)，這里D為莫霍面深度，h為地表高程。與通常計(jì)算Airy平衡異常時(shí)估計(jì)莫霍面深度的計(jì)算公式：D=4.45h+35(km)相比，有一定差異。如果把利用遠(yuǎn)震接收函數(shù)H-k疊加方法得到的地殼厚度作為地殼的真實(shí)厚度，則這個(gè)厚度值與按Airy平衡原理根據(jù)地形高程估計(jì)的地殼厚度之時(shí)的偏差可以反映地殼的平衡補(bǔ)償性質(zhì)。

計(jì)算平衡重力異常時(shí)采用Airy平衡原理和實(shí)驗(yàn)平衡原理兩種方法分別計(jì)算了研究區(qū)內(nèi)的平衡重力異常。兩種方法計(jì)算的平衡重力異常分布特征甚本相同，異常值在大多數(shù)地方相差也不大。在華北平原，山西斷塊區(qū)，鄂爾多斯地塊內(nèi)部平衡異常值都不太大，都在±20×10-5ms-2范圍內(nèi)，秦嶺地區(qū)的平衡重力異常在－20～－30×10-5ms-2左右，表明這些地區(qū)基本處在重力平衡狀態(tài)。在青藏高原東北部分和六盤山地區(qū)有明顯的正平衡異常，異常值達(dá)到80×10-5ms-2。平衡重力異常顯示，鄂爾多斯塊體的東邊界應(yīng)該在黃河以東的離石斷裂帶。斷裂左、右兩邊平衡重力異常分別為負(fù)和正異常區(qū)。趙國(guó)澤，詹艷等根據(jù)大地電磁方給出的電性剖面也認(rèn)為離石斷裂兩邊電性結(jié)構(gòu)差異比較明顯，離石斷裂是鄂爾多斯塊體的東邊界。

在鄂爾多斯塊體周圍的斷陷盆地，包括河套斷陷盆地，包頭－呼和浩特盆地，渭河盆地侯馬－臨汾盆地、晉中斷陷盆地和朔州-大同盆地等，平衡重力異常都為負(fù)異常，其中，河套盆地處的平衡異常最明顯，達(dá)到－80×10-5ms-2左右，表明在這些盆地上沒(méi)有達(dá)到重力平衡狀態(tài)。

分析研究區(qū)的平衡重力異常，我們認(rèn)為：鄂爾多斯地區(qū)達(dá)到平衡狀態(tài)，而在青藏高原東北部分和鄂爾多斯周邊地區(qū)由于構(gòu)造作用強(qiáng)烈未達(dá)到平衡狀態(tài)。研究區(qū)的平衡補(bǔ)償作用包括地殼厚度變化和地殼密度變化兩部分。青藏高原東北部分與鄂爾多斯塊體相互作用的六盤山地區(qū)的正平衡異常是構(gòu)造塊體時(shí)擠壓變形造成的，而鄂爾多斯周邊盆地的負(fù)平衡異常是鄂爾多斯塊體在青藏高原擠壓作用下逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)形成的。