蒙古及周邊地區(qū)重力異常和地殼不均勻體分布

陳石，王謙身

1 中國地震局地球物理研究所，北京 100081

2 中國科學院地質與地球物理研究所，北京100029

1 引言

蒙古弧形構造帶又稱“蒙古弧”，其在地理位置上位于亞洲中北部，構造上位于西伯利亞古陸和塔里木—華北古大陸之間，在地貌上表現(xiàn)為一系列向南略凸的弧形褶皺地塊（李述靖等，1998）.在地形上，由西高東低的弧形山系和高原組成.其形成時期可以追溯到古生代末期至中生代早期.其中，古生代時期的蒙古北部和南部構造差異明顯，北部地體認為從古亞洲洋增生到西伯利亞克拉通邊緣，從而屬于北亞古生代增生型褶皺帶；而南部為海西褶皺帶，是沿緯向延伸的陸架型地體和不同年齡的板塊縫合帶，可能是古特提斯洋閉合的產物，屬于碰撞型構造（車自成等，2011）.現(xiàn)今主要表現(xiàn)為不同地質特征的弧形構造變形帶和構造縫合帶（Cunningham，2001；Heumann et al.，2012）.蒙古弧形構造帶作為影響中國大陸內部變形運動的重要邊界條件，其復雜的形成和發(fā)展歷史，在其現(xiàn)今的地球物理場特征中深刻地得到了體現(xiàn).現(xiàn)今中國大陸南部由于印度板塊向北俯沖在新生代早期特提斯洋閉合而產生陸陸碰撞，從而引起巖石圈大規(guī)模構造變形，地殼不斷增厚從而產生了規(guī)模龐大、錯綜復雜的青藏高原構造變形帶（Molnar and Tapponnier，1975；Peltzer and Saucier，1996；England and Molnar，1997；Royden et al.，1997；Clark and Royden，2000）.同時，中國大陸的東部受太平洋板塊和菲律賓板塊的持續(xù)俯沖，不但影響其大陸巖石圈底部的構造變形，而且與中國大陸內部地震活動密切相關（張培震等，2003）.而作為北部邊界的蒙古弧形構造帶，自古生代時期就因為西伯利亞古大陸的向南運動而開始逐漸形成了一些列弧形山地與盆地群，并與后期的印度板塊和太平洋板塊運動共同作用對中國大陸巖石圈形變產生深遠影響，三者共同對中國大陸形成了規(guī)模廣泛的復合邊界作用.而通過重力異?？梢宰R別和研究不同構造單元之間的關系（郭良輝等，2012；孟小紅等，2012），因此，從中國大陸北部的蒙古弧形構造變形帶入手，研究其重力異常特征，并進一步揭示地殼和巖石圈上地幔的變形特點，具有重要的地質和地球物理意義.但是由于現(xiàn)今地表觀測的重力異常是由各個深度不同規(guī)模和尺度的構造變形形成的密度不均勻體場源的復合體現(xiàn)，如何定量分離和研究不同深度密度界面場源體特征，是應用重力異常研究地殼內部結構的主要難點之一.分層重力圖像方法可以第三方地球物理資料為參考，建立分層模型再通過重力異常正演手段來研究不同深度場源體分布對重力異常的貢獻（王謙身和楊新社，1997）.

本文首先依據EGM2008模型提供的自由空氣重力異常數(shù)據（Sandwell et al.，2013），計算了蒙古大陸及其周邊的布格重力異常模型和均衡重力異常模型.其次，依據最新的Crust 1.0地殼1°×1°精度模型數(shù)據（Laske et al.，2013），建立了蒙古大陸及其周邊從地表至55km深度范圍的參考密度模型，并正演了地殼內部不同深度分層布格重力異常.最后，在此基礎上，結合已知的構造分布，從6條不同位置的經向和緯向剖面及分層重力場特征等角度，計算了各種重力異常的功率譜特征及Moho密度界面與橫向密度不均勻分布對重力異常特征的影響，詳細并定量地分析了蒙古大陸及周邊地區(qū)地殼－巖石圈上地幔密度場源體的重力異常特點.在下面的第2部分詳細介紹了本文使用的數(shù)據來源、特點、已知構造位置及計算得到的布格重力異常和均衡重力異常分布特征；第3部分主要是依據最新的Crust地殼模型數(shù)據，建立了分層地殼模型，提取了不同深度范圍的地殼變形特征、計算了重力異常的特征及其徑向對數(shù)功率譜特點，進行了相應的分析；第4部分對本文研究內容、發(fā)現(xiàn)的問題以及解釋結果等進行了系統(tǒng)地總結和討論.

2 蒙古及周邊地區(qū)構造背景和重力異常特征

本文以蒙古及周邊地區(qū)的構造和重力異常場為研究對象，具體選定的研究區(qū)范圍為東經86°至120°，北緯40°至53°，如圖1所示.從圖1中的地形起伏和主要活動斷裂分布可以看出，蒙古山系及斷裂走向均向南突出呈現(xiàn)弧形分布，以北部貝加爾裂谷（Baikai rift）的西端約105°為邊界，其西部山系明顯高于東部.其中，蒙古最高山系—杭愛山（Hangai Dome）覆蓋區(qū)域在水平方向延伸超過500km，最高地區(qū)高程超過4000m.從地殼厚度差異看，蒙古地殼厚度呈現(xiàn)西部厚東部薄的分區(qū)特征，蒙古西部平均地殼厚度約45km（Petit et al.，2002）.在杭愛山下方的地殼最厚，可以超過50km.

蒙古弧地區(qū)在構造位置上處于西伯利亞南緣，由蒙古西部地塊和興安—東蒙地塊拼接而成，塊體分界約以現(xiàn)今105°為界.其中，蒙古西部地塊從北向南可以分為薩彥、阿爾泰和阿拉善三個地塊（張培震等，2003），蒙古1900年以來多次強震活動都集中于阿爾泰地塊周圍.根據地質調查資料在新生代中后期，蒙古西部和北部地區(qū)都有火山活動（Petit and Déverchère，2006）.至1905年以來共發(fā)生4次8級以上地震，其發(fā)震構造都位于蒙古西部地區(qū)的3條大型走滑斷裂帶上.其中，1905年BolnaiMw8.3地震和TsetserlegMw8.3地震都發(fā)生在位于杭愛山北部近東西走向的Bolnai左旋走滑斷裂帶；1931年Fu YunMw7.9地震發(fā)生在杭愛山西部北北西走向的阿爾泰右旋走滑斷裂帶；1957年BogdMw8.1地震發(fā)生在杭愛山南部近東西走向的Bogd左旋走滑斷裂帶.從地震活動作為構造運動的一種重要表現(xiàn)形式角度，可以認為蒙古弧西部構造變形帶以杭愛山為中心，由于其受到南北兩個方向的匯聚擠壓作用，現(xiàn)階段仍然發(fā)生持續(xù)的構造變形活動，不但在地表形成巨型高原隆起，而且在其周圍形成了多條大型活動走滑斷裂系統(tǒng).從剪切波分裂得到的各向異性和地表GPS觀測研究表明（Calais et al.，1998，2002；Calais and Amarjargal，2000），在杭愛山底部上地幔由于NS向擠壓，可能存在巖石圈物質的東向流動，而西部由于阿爾泰山的阻擋沒有明顯的物質流動，并對克拉通底部巖石圈具有一定的減薄作用（Barruol et al.，2008）.

這些大規(guī)模的構造變形和地震活動事件，不但對現(xiàn)今的地形地貌產生重要改造，而且同時也會引起不同深度地殼內部變形以及殼內不同密度物質的運移或重新分布.這些構造變形特征都將反映到現(xiàn)今觀測的重力異常之中（Jin et al.，1994，1996），因此，我們從蒙古及其周邊的重力異常場入手，可以研究其殼內不同深度、不同尺度的界面變形特點.

圖1 蒙古及周邊地區(qū)地形及活動構造分布黑色實線為主要活動構造位置；紅色虛線為中蒙活動地塊邊界；紅色圓圈為地震震中位置；XDB為興安—東蒙地塊，SYB為薩彥地塊，AETB為阿爾泰地塊，ALSB為阿拉善地塊，ZGRB為準格爾地塊，TLMB為塔里木地塊，HGD為杭愛山隆起，KT為肯特山隆起，BR為貝加爾裂谷，F(xiàn)1為Bolnai斷裂，F(xiàn)2為Altay斷裂，F(xiàn)3為Gobi－Altay斷裂，F(xiàn)4為Bogd斷裂，地震目錄來源：http：／／www.isc.ac.uk／iscgem／.Fig.1 Tectonic setting and topography in Mongolia and adjacent areasSolid black lines are major active faults.Dashed red lines are the Sino－Mongolia active tectonic boundary.Red circles show epicenters of great earthquakes.XDB is Xing’an—Dongmeng block.SYB is Sayan block.AETB is Altay block.ALSB is Alxa block.ZGRB is Junggar block.TLMB is Tarim block.HGD is Hangai dome.KT is Kente dome.BR is Baikal rift.F1is Bolnai fault.F2is Altay fault.F3is Gobi—Altay fault.F4is Bogd fault.Earthquake catalogue is from http：／／www.isc.ac.uk／iscgem／.

圖2 蒙古及周邊地區(qū)自由空氣重力異常圖中自由空氣重力異?；贓GM2008模型，重采樣至1′網格精度，黑色實線為主要活動構造位置，紅色虛線為中蒙活動地塊邊界，白色實線為Crust 1.0模型剖面位置，藍色圓點為中蒙合作項目重力測點位置，黑色三角為中蒙合作項目流動地震臺位置.Fig.2 Free－air gravity anomalies of Mongolia and its surrounding areasFree－air gravity anomalies are from the EGM2008model.Resampling size of dataset is 1minute.Solid black lines are major active faults.Dashed red lines show the Sino－Mongolia active tectonic boundary.White solid lines show profiles of Crust 1.0model.Blue dots are gravity measurement sites.Black triangles denote the seismic array.

本文主要基于EGM2008模型提供的自由空氣重力異常模型計算蒙古及其周邊地區(qū)重力異常場.根據EGM2008模型公布的數(shù)據來源和誤差評估報告，蒙古國境內自由空氣重力異常模型可靠性高（由于蒙古國重力數(shù)據開放，大量的蒙古國境內實測重力資料直接用于了EGM2008模型計算），數(shù)據標準偏差小于1.5mGal（Pavlis et al.，2008）.另外，從EGM2008公布的資料顯示（Pavlis et al.，2012），對于如非洲、南美洲、中國大陸部分地區(qū)和俄羅斯等沒有實測陸地重力資料約束的地區(qū)和海域面積上的重力異常模型精度并不高，而隨著衛(wèi)星測高技術的不斷發(fā)展，Sandwell等不斷對全球重力模型進行精化研究，主要思路是在陸地上基于EGM2008基礎，在海域上融合更多的衛(wèi)星測高資料計算出的重力異常，并將EGM2008提供的2160階約5′網格精度數(shù)據，重新插值到1′網格上，并對海陸數(shù)據交界區(qū)域進行了優(yōu)化處理.本文實際使用的重力異常數(shù)據來源于http：／／topex.ucsd.edu／網站提供的最新V22.1版本數(shù)據（Sandwell and Smith，2009；Sandwell et al.，2013）.蒙古及周邊地區(qū)自由空氣重力異常數(shù)據如圖2所示.

依據該數(shù)據，我們通過計算得到蒙古及其周邊地區(qū)的布格重力異常和均衡重力異常，通過對比三種重力異常場特征，討論構造運動變形與重力異常場之間的關系.

由于在蒙古及周邊地區(qū)可用的地球物理資料不多，本文為了對使用的EGM2008重力模型和Crust 1.0地殼模型的數(shù)據質量和精度情況進行驗證，因此，選擇中蒙雙邊合作開展的“遠東地區(qū)地磁場、重力場及深部構造觀測與模型研究”項目（中蒙合作項目）中取得的實際觀測資料作為依據，通過對比有限區(qū)域的實際觀測資料和模型資料之間的數(shù)據差異，來近似對本文研究中使用的整個蒙古及周邊地區(qū)的模型數(shù)據進行評價.圖3給出的模型評價結果表明，在蒙古中部地區(qū)的實測數(shù)據與模型之間線性相關較好；其中，圖3a為中蒙合作項目在蒙古中部地區(qū)布設的64個寬頻帶流動地震臺（測點位置見圖2中黑色三角形標注），通過2年時間觀測資料進行反演得到的測點位置 Moho面深度與Crust 1.0模型提供的Moho面深度之間對比，結果表明兩者結果均方根誤差（RMS）為1.0km.圖3b為中蒙合作項目在蒙古中部實測的160個測點自由空氣重力異常結果（相對重力測量，5km間距，以烏拉巴托絕對重力點為起算，測點位置見圖2中藍色圓點標注）與EGM2008模型之間的對比，統(tǒng)計結果表明兩者之間的均方根誤差為7.42mGal.因此，基于在蒙古地區(qū)局部實測數(shù)據與模型數(shù)據之間的統(tǒng)計分析，使用EGM2008重力異常數(shù)據和Crust 1.0地殼模型數(shù)據，在精度上可用于研究整個蒙古及周邊地區(qū)的構造變形問題.

我們對圖2所示的自由空氣重力異常數(shù)據，首先進行坐標投影變換，采用Lambert投影，中央經緯度分別為105°和46°.再采用Fa2boug程序計算了該區(qū)的布格重力異常和均衡重力異常（Fernández et al.，2008），其中地形數(shù)據來源于topex.ucsd.edu網站公布的V16.1版本地形數(shù)據（Smith and Sandwell，1997），數(shù)據網格分辨率與自由空氣重力異常相匹配，地形校正后得到的布格重力異常輸出網格間距為4km.其中，對計算得到的布格重力異常和均衡重力異常，采用Guass低通濾波器進行區(qū)域異常和局部異常的分離（Li and Oldenburg，1998），濾波器參數(shù)空間尺度為50km，分離得到了如圖4和5所示的區(qū)域布格和均衡重力異常場.

圖3 模型數(shù)據與實測數(shù)據對比圖中（a）為中蒙合作流動地震臺陣位置實測Moho面深度與Crust 1.0模型提供的Moho面深度對比，（b）為中蒙合作重力剖面位置的實測自由空氣重力異常與EGM2008模型提供的異常對比，流動臺震位置和實測重力剖面位置如圖2所示.Fig.3 Comparison of model data and the observed data（a）Comparison Moho depths derived from Seismic array of China－Mogolia project and Crust 1.0model；（b）Free－air gravity anomalies derived from the observation and EGM2008model.Locations of seismic array and gravity profile are shown in Fig.2.

圖4 所示的蒙古及其周邊地區(qū)布格重力異常整體上為負異常，異常范圍在－309.3～ －18.79×10－5m·s－2之間.其中，西部地區(qū)的杭愛山和阿爾泰山為最大的負異常區(qū)，表明該區(qū)的地表隆起在深部對應大范圍的“山根”.而東部地區(qū)布格重力異常明顯高于西部，這主要是由于該區(qū)地殼明顯較西部薄，特別是圖中東部（在圖4中坐標x＝500，y＝100周邊）區(qū)域內，對應的NE向異常梯度帶，與蒙古—鄂霍茨克（Mongol－Okhotian）縫合帶位置相關性很好.圖4所示的NE走向布格重力異常特征位置與在侏羅紀閉合的蒙古—鄂霍茨克海槽相對應，可能由于海槽兩側大陸地殼物性差異較大，在閉合時形成了該NE向布格異常梯度帶，蒙古—鄂霍茨克海槽的閉合從構造演化過程上標志著蒙古地體拼合的結束，從現(xiàn)階段蒙古大陸東部的布格重力異常特征上看，其地殼物質組成物性差異是明顯的.

在圖4的重力異常分布圖上可以看出，蒙古大陸不同地體之間深部物性結構差異性特征明顯，塊體在構造力作用下完成拼接后，在重力異常上仍表現(xiàn)出明顯的分塊分帶特征.其中西部異常特征與現(xiàn)今斷裂構造相關，東部與不同塊體之間的縫合帶相關.

圖5所示的是蒙古及其周邊地區(qū)Airy－Heiskanen均衡重力異常.本文是采用該區(qū)的平均地殼深度45km和殼幔平均密度差0.45g·cm－3為參數(shù)進行計算，計算得到的均衡重力異常范圍在－154.7～26.65×10－5m·s－2之間.一般認為，均衡重力異常的產生與構造活動引起的物質再分布相關.不均衡地區(qū)是由于地幔物質未得到相應的均衡補償，以及巖石圈上地幔橫向密度分布不均勻等因素引起的.物質的分布與構造運動關系表現(xiàn)為，均衡正異常區(qū)對應新構造隆起區(qū)，負異常對應沉降區(qū)，地震活動多發(fā)生在均衡異常梯度帶上.在正負異常分布與隆起和沉降不協(xié)調的地區(qū)也多發(fā)生地震活動.

在臨床中應用紫杉醇涂層支架的給藥方式以局部給藥為主，以涂層支架方式較為常用。經房凌海，英海榮等人[7] 的臨床相關研究中，認為并未完全吸收的聚合物涂層聚丙烯酸酯，所帶來的動脈壁局部發(fā)生炎癥反應，極有可能是致使發(fā)生遠端再狹窄的關鍵成因。也有相關研究者經研究提出，雖然磷酸膽堿涂層支架，在減少術后再狹窄這一方面的臨床作用并未對其加以肯定，但是人體針對磷酸膽堿涂層的支架存在較好耐受性，可以對不良炎癥反應有效減少。

圖5所示的均衡重力異常分布以負異常為主，其中東部異常明顯高于西部異常.在西部地區(qū)以坐標（x＝－300，y＝200）為中心周圍的杭愛山地區(qū)的負異常特征最為明顯，而地形最高的杭愛山地區(qū)對應均衡負異常表明，該區(qū)下方存在過補償?shù)牡兔芏取吧礁?，這可能說明在古生代加里東期造山運動后，山系在深部得到均衡補償后，受南北向構造擠壓作用明顯減弱.這個地質時期內主導該區(qū)的變形作用，表現(xiàn)為南北斷裂的左旋走滑，南北向持續(xù)擠壓作用減弱，地形隆升的構造力缺乏，再加上地表部分由于受到風化、剝蝕和搬運等作用影響，地表形變不再以隆起為主，并形成“過補償”型重力均衡異常形態(tài)特征.

而其西南部的阿爾泰山（Altay）地區(qū)，均衡異常明顯高于杭愛山地區(qū)，從造山時間上屬于海西期，而且有逆沖型斷裂帶分布，在均衡異常上表現(xiàn)為北西向分布，這種形態(tài)均衡異常表明與持續(xù)的新構造運動相關.特別是在西部多條大型走滑斷裂帶上，都伴隨串珠狀分布的均衡異常帶，這表明存在局部的隆起與沉降之間的不協(xié)調分布，對應殼內物質的局部不均衡，這些異常特征與區(qū)域地震活動密切相關.

3 基于Crust 1.0模型的重力異常正演

最新的Crust 1.0地殼模型共分為8層，將全球地殼從上至下分為水、冰、上沉積層、中沉積層、下沉積層、上地殼、中地殼、下地殼，模型分別給出每層界面的深度，密度，Vp和Vs波速度，該模型數(shù)據下載地 址 為：http：／／igppweb.ucsd.edu／～gabi／crust1.html.在圖2中，我們給出了跨研究區(qū)4橫4縱的8條剖面，將剖面對應的界面結構和密度結構經過三維插值后得到如圖5所示的Crust 1.0密度結構剖面.在剖面中橫縱坐標采用經／緯度和深度表示，其中，圖6a為左側4幅為按經度切割，圖6b為右側4幅為按緯度切割.其中密度變化最大的區(qū)域為中、下地殼和殼幔之間的結晶基底位置.

由圖6a的LA1—LA4四條東西向緯向剖面的地殼結構看，蒙古及周邊地區(qū)Moho面深度從西向東逐漸變淺，最大起伏超過10km.在圖6a中LA3剖面的92°E范圍對應的阿爾泰山斷裂位置的地殼存在明顯起伏，下地殼底界深度由41km快速過渡到50km；而向東緊鄰的杭愛山隆起，下地殼底界深度也約為50km.圖6b中99°E位置的LO2剖面上46°N位置對應杭愛山隆起，該處Moho面深度相比南側深約5km.圖6中99°E位置的LO3剖面在50°N—52°N范圍內的貝加爾裂谷區(qū)下方地殼底部存在明顯的高密度地幔隆起.

圖4 蒙古及周邊地區(qū)布格重力異常圖中坐標變換采用Lambert投影，中央經緯線分別為105°和46°，布格重力異常網格輸出間距為4km，并采用50km Guass低通濾波進行異常分離.Fig.4 Bouguer gravity anomalies of Mongolia and its surrounding areasMap projection uses Lambert method.Central longitude and latitude are 105°and 46°，respectively.Grid size of Bouguer gravity anomaly map is 4km and separated by Gaussian low－pass filtering with 50km.

圖5 蒙古及周邊地區(qū)均衡重力異常圖中坐標變換采用Lambert投影，中央經緯線分別為105°和46°，布格重力異常網格輸出間距為4km，并采用50km Guass低通濾波進行異常分離，均衡重力異常計算參數(shù)選擇：地殼平均深度45km，殼幔密度差0.45g·m－3.Fig.5 Isostatic gravity anomalies of Mongolia and its surrounding areasMap projection uses Lambert method.Central longitude and latitude are 105° and 46°，respectively.Grid size of Bouguer gravity anomaly map is 4km and separated by Gaussian low－pass filtering with 50km.Parameters for computing isostatic anomalies are 45km for the crustal average depth and 0.45g·m－3 for the density difference.

圖6 Crust 1.0模型的剖面結果及密度分布圖中（a）LA1—4剖面按經度切割，圖中（b）LO1—4剖面按緯度切割，圖中水平方向根據Crust 1.0模型進行0.25°網格間距插值，在深度方向的密度變化采用1km深度網格進行插值.Fig.6 Crust 1.0profiles and density structuresProfiles on left are along longitudes.Profiles on right are along latitudes.Horizontal grid size is 0.25degree by interpolation with Crust 1.0model.Vertical density is gridded with 1km spacing.

因此，從Crust 1.0數(shù)據結構中，我們可以看出該數(shù)據不僅包含了主要殼內界面的起伏，同時也包含殼內密度橫向不均勻分布信息.特別對于一些大型斷裂構造與深部界面結構之間的關系，該模型可以給出非常有價值的信息.在此參考模型約束下，我們可以通過正演計算其重力異常，并與實測異常對比，來定量分析不同殼內深度異常場源產生的重力異常特點，進一步可以定量分析主要地殼界面起伏與橫向密度不均勻等因素作為已知特征場源如何影響實測重力異常.

本文基于六面體模型，依據Crust 1.0地殼分層模型的密度結構和界面起伏，將地殼以水平方向25km×25km，深度方向1km的單元尺度進行剖分.通過正演計算得到了不同深度場源體的布格重力異常.圖7給出了基于Crust 1.0地殼模型分層數(shù)據的密度結構信息和相關正演結果.圖7a給出了Crust 1.0模型的0～55km深度地殼模型密度正演布格重力異常，對于重力異常正演問題，需要給出地殼正常密度，我們通過統(tǒng)計不同地殼正常密度模型的正演布格重力異常與模型布格重力異常之間的誤差平方和，發(fā)現(xiàn)在地殼正常密度取2.99g·cm－3時，兩者誤差平方和最小.因此，圖7a—d計算正演布格重力異常，均以該正常密度值為參考計算每個單元的不均勻密度異常值.圖7a正演的總布格重力異常在總體形勢與模型重力異常趨勢同為西低東高，最大差異在研究區(qū)東南部位置，這可能與實際該區(qū)地殼內存在低密度異常體分布有關.圖7b為Crust 1.0模型給出的上地殼淺部（0～20km）密度不均勻體重力異常正演結果，整體異常為負值，在少數(shù)淺地表盆地區(qū)域呈現(xiàn)負異常高值區(qū)外，整體異常分布比較均勻.

圖7 基于Crust 1.0模型的正演布格重力異常（a）0～55km正演總布格異常；（b）0～20km正演分層布格重力異常；（c）20～30km正演分層布格重力異常；（d）30～55km正演分層布格重力異常；（e）Crust模型給出的Moho面深度分布；（f）Crust模型給出的Moho橫向密度變化；（g）采用平均密度正演的Moho面起伏重力異常，其中正演密度值為0.39g·cm－3；（h）采用f給出的變密度正演的Moho面起伏重力異常分布.Fig.7 Bouguer gravity anomalies from forward modeling based on Crust 1.0model（a）Total Bouguer gravity anomalies（BGA）in 0～55km depth；（b）BGA in 0～20km depth；（c）BGA in 20～30km depth；（d）BGA in 30～55km depth；（e）Moho relief based on Crust 1.0model；（f）Horizontal density variation of Moho surface based on Crust 1.0model；（g）Gravity anomalies of Moho surface using average density 0.39g·cm－3；（h）Gravity anomalies of Moho surface using varied density of Crust 1.0model.

圖7 c給出的中地殼（20～30km）深度范圍密度異常體正演重力異常趨勢與圖7b相似，異常分布較均勻仍以負值為主體，但整體均值略高于圖7b.圖7d給出了下地殼和巖石圈上地幔（30～55km）深度范圍密度異常體正演重力異常結果，從異常的空間分布特征上看與圖7a趨勢相似，呈現(xiàn)出整體的西低東高特點，但異常以正值為主.并與圖7e所示的Moho面深度分布趨勢相似，這也說明Crust 1.0版本的地殼模型給出的主要密度變化或異常源位置在下地殼.圖7f給出了該地殼模型Moho面上下的密度橫向變化，密度變化均值為0.39g·cm－3，變化范圍在0.24～0.54g·cm－3之間，其中北部貝加爾裂谷周圍殼幔之間密度差最小，這與構造拉張作用引起的下地幔物質上涌有關.圖7g和7h是依據圖7e所示的Moho面深度起伏，分別依據常密度和變密度模型在頻率域進行了正演計算（Parker，1972；Oldenburg，1974），給出由 Moho起伏引起的重力異常.從異常特征對比發(fā)現(xiàn)，殼幔密度的橫向變化對Moho異常影響較大，在密度橫向變化差異大于0.2g·cm－3的地區(qū)，密度的橫向不均勻性在 Moho面反演計算中應該予以考慮.

圖9所示的4種重力異常曲線，黑色和藍色曲線分別表示計算布格重力異常、基于地殼模型正演的布格重力異常，數(shù)據范圍依據左側坐標軸；紅色和綠色曲線分別代表計算均衡重力異常、黑線和藍線差值的剩余布格重力異常，數(shù)據范圍依據右側坐標軸.從圖9各圖中的黑色和藍色曲線對比，容易發(fā)現(xiàn)，基于地殼模型正演的布格重力異常（藍線）異常中低頻成份占主體，異常幅值范圍相差不大，但如SX1－3曲線所示，東部異常之間具有明顯差異，其中基于地殼模型正演的布格重力異常大于EGM2008模型給出的重力異常.而在南北方向的剖面上，如SY1－3曲線所示，異常趨勢性差異不明顯，但是SY3所在的東部仍然具有一定差異.分析這種重力異常之間的差異性特征，首先，由于在現(xiàn)有的Crust地殼模型中對于淺部可以引起高頻重力異常的密度不均勻體成份描述較少；其次，兩種異常趨勢性特征較一致，說明深部地殼界面起伏和不均勻性是引起重力異常趨勢性變化的主要因素.在蒙古地區(qū)東部由于Moho面深度較淺，深部高密度體在異常中占較大比例，淺部的一些盆地等上地殼低密度異常體缺少描述，而目前又采用的是均一厚度模型（55km），因此，基于地殼模型正演的布格重力異常值高出了實際模型給出的布格重力異常.圖9各圖中，紅色曲線所示的剖面位置Airy－Heiskanen均衡重力異常，起伏特征小于綠色曲線，說明蒙古弧范圍內大部分區(qū)域屬于地質年齡較老的構造單元體，多數(shù)地區(qū)處于較均衡狀態(tài).而綠色曲線所示的模型剩余布格重力異常，更體現(xiàn)的是實際觀測到的殼內界面變形與實際重力觀測模型之間的異常差異，且具有異常變化起伏大，高頻成分多的特點，與中上地殼內密度不均勻體分布密切相關.因此，基于該異常進一步反演淺部地殼密度不均一體分布，開展重力異常與地殼模型之間的聯(lián)合反演，可以進一步提高地殼模型的空間尺度描述能力，提高地殼模型的分辨率.

4 結論和討論

本文基于最新全球自由空氣重力異常數(shù)據，計算了蒙古及周邊地區(qū)的布格重力異常和均衡重力異常.并采用Crust 1.0地殼模型為參考，對蒙古及周邊地區(qū)不同深度地殼密度結構模型進行了計算，并對得到的正演布格重力異常與實際重力異常進行了對比和分析.研究得出如下結論：

（1）基于EGM2008重力模型給出的蒙古及周邊地區(qū)自由空氣重力異常場，計算得到的均衡重力異常表明，在蒙古西部杭愛山隆起周圍不存在高值均衡重力異常分布，這說明該區(qū)已經得到較充分的均衡補償，而“過補償”特征的形成說明在新生代以來南北向的擠壓造山作用已并不為主導；而阿爾泰山地區(qū)西南部存在明顯的高均衡異常梯度帶，這說明該區(qū)存在新構造變形運動，地表隆起的同時，在深部沒有形成完整的“山根”.因此，蒙古深部地殼介質的自西向東的運移模型，力源可能不再以北部西伯利亞板塊與南部歐亞板塊的擠壓為主，更多與阿爾泰山西南地塊的北東向運動有關，杭愛山南北兩個方向的走滑斷裂構造的形成原因也于此相關.

（2）通過Crust 1.0模型正演的布格重力異常場，與實際模型給出的布格重力異常在趨勢上存在一致性，但兩種異常在頻率成份上仍存在較大差異.這主要是因為Crust地殼分層模型給出的淺部和中上層地殼密度異常體分布較均勻，且分辨率仍較低.因此，使用該地殼模型估計淺部密度不均勻體分布需要充分考慮其適用性.

圖8 殼內剩余不均勻體重力異常特征Fig.8 Gravity anomalies of residual heterogeneous bodies

圖9 重力異常剖面對比圖中黑色實線布格重力異常，藍色實線正演布格重力異常，紅色實線均衡重力異常，綠色實線為剩余布格重力異常，左側三列剖面方向從西向東，右側三列剖面方向從南向北.Fig.9 Comparison of gravity anomaly profilesSolid black lines are Bouguer gravity anomalies derived from EGM2008model.Solid blue lines are Bouguer gravity anomalies derived from forward modeling based on Crust 1.0model.Solid red lines are Isostatic gravity anomalies.Solid green lines are residual gravity anomalies.Direction of figures in left side is from west to east.Direction of figures in right side is from south to north.

（3）該Crust 1.0模型給出的三層地殼深部界面起伏，與地表斷裂分布有一致性且對應良好，與地形之間的相關關系和重力均衡作用基本一致.在貝加爾裂谷區(qū)下方可以給出明確的地幔高密度物質異常，在阿爾泰山的均衡重力異常高值區(qū)即新構造運動區(qū)域內，斷裂下方的地殼分界面變形特征明顯，正演的重力異常特征與實際觀測基本一致.

（4）以Crust 1.0模型揭示的Moho面起伏和界面上下密度橫向不均勻分布為正演模型，計算得到的Moho面重力異常與均一密度界面模型正演得到的重力異常特征差異性十分明顯，因此，對構造復雜區(qū)域應用布格重力異常資料進行Moho界面反演時如何考慮界面密度分布的橫向不均勻性，可能是提高反演結果合理性的重要途徑.

（5）從研究區(qū)的整個地殼上下密度不均勻體分布特征看，在蒙古弧形構造內部密度差比較均勻，與整體均值0.39g·cm－3較接近，而其南部的殼幔密度差異明顯大于北部，形成這種趨勢的原因在北部由于貝加爾湖裂谷的拉張作用，地幔高密度物質上涌，因此，Moho面上下密度差異明顯減小.而古老的蒙古弧構造其形成、發(fā)展、以及后續(xù)重力均衡作用不斷對其改造，使其深部的橫向密度差異性特征不明顯.這種特征表明，依據地表構造特點上劃定的蒙古弧形構造變形帶，與其深部物性分布具有一致性.

本文根據EGM2008重力場模型數(shù)據結果，對蒙古及周邊地區(qū)的重力異常場與Crust 1.0模型正演結果之間進行了對比分析，并得到以上結論.本文認為從地震學給出的地殼內部主要界面起伏和密度分布在趨勢上與觀測重力異常具有較好的一致性，但是淺部特別是上地殼范圍深度內，缺少與重力高頻異常相對應的密度不均勻分布.但Crust 1.0模型給出的殼幔橫向密度不均勻體分布對于計算Moho面起伏引起的重力異常作用明顯，同時給出的地殼內深界面起伏變化能在一定程度上體現(xiàn)較大規(guī)模斷裂構造的深部變形特征.本文研究結果對于認識蒙古東西部構造特征差異，以及現(xiàn)今西部活動斷裂的地球物理場特征具有參考意義.

致謝 本文研究過程中得到了蒙古科學院天文與地球物理研究中心BatsaikhanTserenpil博士提供的部分數(shù)據資料，中國地震局地球物理研究所吳慶舉研究員提供了中蒙合作項目流動臺陣觀測獲得的Moho面深度數(shù)據，中蒙合作項目重力剖面測量與數(shù)據處理工作由安徽省地震局徐如剛，甘肅省地震局閆萬生和中蒙聯(lián)合工作組共同完成，在此一并表示感謝.

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