江蘇沿海地區(qū)小波多尺度重力場特征與構(gòu)造活動性分析

張大蓮 張 平 李向前 張 碩

1 江蘇省地質(zhì)調(diào)查研究院，南京市珠江路700號，210018

重力異常是指不同深度、不同規(guī)模和不同密度地質(zhì)異常體的重力異?？傂?yīng)[1]，蘊(yùn)含著豐富的地質(zhì)信息。小波多尺度分解由于能夠分離場源體的不同尺度細(xì)節(jié)，近年來在重力異常信息提取方面得到廣泛應(yīng)用[2-3]。本文采用小波多尺度分解方法對江蘇沿海地區(qū)1∶25萬布格重力異常進(jìn)行分離，結(jié)合區(qū)內(nèi)地質(zhì)結(jié)構(gòu)信息分析不同尺度的重力場分布特征和斷裂構(gòu)造展布情況，以實現(xiàn)對沿海地區(qū)深部構(gòu)造特征的進(jìn)一步認(rèn)識。

1 區(qū)域地質(zhì)背景

江蘇沿海地區(qū)在大地構(gòu)造上屬于蘇魯造山帶和下?lián)P子陸塊，其中下?lián)P子陸塊與華北陸塊在印支期俯沖-碰撞形成蘇魯造山帶，后期陸陸碰撞深俯沖剝蝕形成蘇魯高壓-超高壓變質(zhì)帶[4]。南側(cè)下?lián)P子陸塊在中古生界印支晚期由穩(wěn)定的洋-陸板塊構(gòu)造體制轉(zhuǎn)變?yōu)殛憙?nèi)形變體制，形成蘇北由NW向SE和蘇南由SE向NW的對沖推覆構(gòu)造格局[5]；中新生代以來，隨著太平洋板塊NW向的斜向俯沖，使得區(qū)域應(yīng)力背景轉(zhuǎn)變?yōu)镹W-SE向的拉張環(huán)境，深部軟流圈物質(zhì)上涌，導(dǎo)致上部殼層裂陷等一系列連鎖反應(yīng)，在陸內(nèi)造山成盆作用下斷陷和凹陷交替發(fā)生，蘇北盆地疊加于前期板塊構(gòu)造體制，造成區(qū)域上基底斷裂繼承性活動，形成復(fù)雜的箕狀斷陷系統(tǒng)[6]。

2 方法原理

在小波多尺度分析[7]基礎(chǔ)上，假設(shè)重力異常Δg(x)屬于零尺度空間，即

Δg(x)=A0f(x)∈V0

(1)

將其分解到N=J的空間，可簡化為：

Δg(x)=

AJG+DJG+DJ-1G+…+D2G+D1G

(2)

式中，AJG為J階小波逼近部分，D1G、D2G，…，DJG分別為1階到J階的小波變換細(xì)節(jié)部分。

對二維重力異常進(jìn)行小波多尺度分解，可簡化為：

Δg(x,y)=A0f(x,y)=

(3)

利用式(3)將Δg(x,y)分解到N=J的空間，記為：

Δg(x,y)=

AJG+DJG+DJ-1G+…+D2G+D1G

(4)

這樣就可以根據(jù)J階小波逼近部分和j=1,2，…，J的細(xì)節(jié)部分對Δg(x,y)進(jìn)行重構(gòu)。獲得重力各階細(xì)節(jié)成分后，可利用功率譜分析法計算場源似深度，賦予小波細(xì)節(jié)具體的地質(zhì)含義[8]。

3 重力小波多尺度分析與斷裂構(gòu)造推斷

3.1 重力小波多尺度分析

江蘇沿海地區(qū)布格重力異常資料由中國地質(zhì)調(diào)查局發(fā)展研究中心下發(fā)的1∶20萬離散重力異常數(shù)據(jù)采用Kriging法網(wǎng)格化獲得，網(wǎng)格間距為2 km×2 km，圓域、八方位搜索，搜索半徑為10 km。

對布格重力異常場采用小波多尺度分析方法分解，得到的小波細(xì)節(jié)能夠反映不同深度地質(zhì)體的密度差異。本文將重點對沿海地區(qū)重力異常1～4階小波細(xì)節(jié)所揭示的深部構(gòu)造特征，尤其是不同空間尺度的斷裂展布情況進(jìn)行分析，具體見圖1。

利用功率譜分析法計算獲得沿海地區(qū)重力各階小波細(xì)節(jié)場近似場源深度，并結(jié)合沿海地區(qū)大地構(gòu)造格架、斷裂發(fā)育與展布等情況對重力各階小波細(xì)節(jié)作出如下分析：

1)1階小波細(xì)節(jié)(圖1(a))提取了沿海地區(qū)高頻重力異常，代表的近似場源深度在上地殼1.2～2.4 km處?？梢钥闯觯瑓^(qū)內(nèi)高頻局部異常星羅棋布，且北部比南部更加密集，說明北部巖性不均勻性明顯，構(gòu)造不穩(wěn)定，小構(gòu)造發(fā)育較活躍。以泰州-海安一帶為界，北部布格重力圈閉表現(xiàn)為狹長條帶狀或串珠狀，走向主要為NE向，多處為高梯度重力梯級帶，反映該深度位置地殼密度在橫向上變化十分劇烈，密度分界面橫向分布支離破碎，地殼結(jié)構(gòu)復(fù)雜程度高于南部?；搓?響水?dāng)嗔?、洪?溝墩斷裂、鹽城-南洋岸斷裂、陳家堡-小海斷裂等主要斷裂在異常圖上呈斷斷續(xù)續(xù)的梯級帶展布，可能與全新統(tǒng)沉積層覆蓋厚度不均勻有關(guān)。南部地區(qū)，1階小波細(xì)節(jié)基本無明顯異常，但在重力變化整體比較寬緩平靜的背景中仍存在局部短條帶狀重力梯級帶。這些重力梯級帶特征規(guī)律并不明顯，其中一條走向近EW向，重力高異常呈條帶狀分布，大致對應(yīng)的是栟茶河斷裂。在高階小波分析圖上，斷裂北側(cè)重力異常值低，南側(cè)重力異常值高，分別反映了蘇南隆起和海安凹陷的重力特征。

F1為淮陰-響水?dāng)嗔?，F(xiàn)2為洪澤-溝墩斷裂，F(xiàn)3為鹽城-南洋岸斷裂，F(xiàn)4為陳家堡-小海斷裂，F(xiàn)5為泰州斷裂，F(xiàn)6為栟茶河斷裂，F(xiàn)7為湖蘇斷裂；圖中黑色圓點表示1970～2019年上、中、下地殼發(fā)生的地震震中位置，地震數(shù)據(jù)來源于中國地震臺網(wǎng)中心圖1 沿海地區(qū)布格重力異常小波多尺度分析Fig.1 Wavelet multi-scale analysis maps of Bouguer gravity anomaly in coastal area

2)2階小波細(xì)節(jié)(圖1(b))代表的近似場源深度在上地殼4～5 km處。宏觀上看，沿海地區(qū)北部重力異常主要表現(xiàn)為NNE或NE向條帶狀或串珠狀圈閉，高低相間，反映了不同凹陷及隆起的空間展布。具體來看，郯廬斷裂帶以東、淮陰-響水?dāng)嗔岩员?，局部異常展布方向多為NE向，重力高異常整體反映高壓、超高壓變質(zhì)基底的隆起，局部的重力高異常凸起與東海巖群中的表殼巖、榴輝巖和錦屏巖群中的含磷巖系分布有密切關(guān)系。重力低異常帶主要為云臺巖群的反映，較為醒目的重力低異常則是中、新生代凹陷的反映。淮陰-響水?dāng)嗔岩阅?、泰?海安一帶以北的區(qū)域位于蘇北斷陷，重力異常復(fù)雜，重力高、低異常相間分布，總體呈“掃帚狀”向東散開，分布眾多凹陷與凸起，反映該區(qū)地質(zhì)環(huán)境復(fù)雜、地質(zhì)事件頻發(fā)。重力梯級帶連續(xù)性好，較完整地反映了區(qū)內(nèi)重大斷裂的走向與分布，如洪澤-溝墩斷裂、鹽城-南洋岸斷裂、陳家堡-小海斷裂等。

沿海地區(qū)南部(泰州-海安一帶以南)主要表現(xiàn)為塊狀重力異常特征，異常穩(wěn)定，背景場較高，總體反映了印支面埋深較淺、中新生界沉積較薄的地質(zhì)特征。平穩(wěn)重力高異常背景上疊加有局部重力高、低異常，形態(tài)以等軸狀為主，局部重力高異常反映古生界隆起，局部重力低異常反映中、新生代凹陷。另外，栟茶河斷裂附近的異常也較1階小波細(xì)節(jié)更連續(xù)、清晰。

3)3階小波細(xì)節(jié)(圖1(c))反映的近似場源深度約為9～11 km。布格重力異常圈閉現(xiàn)象更加明顯，圈閉空間逐漸擴(kuò)大，很多1～2階局部異常呈相連趨勢。在3階小波細(xì)節(jié)中，郯廬斷裂帶以東、淮陰-響水?dāng)嗔岩员眳^(qū)域主要表現(xiàn)為前震旦系變質(zhì)巖隆起區(qū)的重力高異常特征。重力異常與低階小波細(xì)節(jié)分析圖相比成片性明顯，自北向南分布贛榆相對重力低異常、東海-連云港重力高異常、泗陽-灌云相對重力低異常，其中東海-連云港重力高異常、泗陽-灌云相對重力低異常之間等值線呈NE向延伸，可能為斷裂構(gòu)造的反映?；搓?響水?dāng)嗔岩阅?、泰?海安一帶以北區(qū)域，在剝離了上層沉積蓋層、巖漿侵入等影響及排除了淺部斷裂體系干擾之后，區(qū)內(nèi)隆凹特征更加明顯，主要由濱海重力高異常、阜寧重力低異常、建湖重力高異常、東臺重力低異常4個規(guī)模較大的重力異常帶組成，分別對應(yīng)濱海隆起、阜寧凹陷、建湖隆起和東臺凹陷。凹陷隆起之間的重力異常梯級帶反映的洪澤-溝墩斷裂、鹽城-南洋岸斷裂、陳家堡-小海斷裂也更加清晰明了。

沿海地區(qū)南部重力異常為局部分散的正異常，無明顯規(guī)律可循，因蘇南隆起區(qū)原為裂陷盆地，喜山晚期轉(zhuǎn)為隆升，上地殼基本齊全，陸相中生界剝蝕較多，該區(qū)3階小波細(xì)節(jié)異常主要反映了海相中古生界及變質(zhì)巖系的分布情況。

4)4階小波細(xì)節(jié)(圖1(d))所揭示的近似場源深度約為18～20 km，主要反映的是中下地殼密度橫向不均勻分布的特征。整體異常情況與3階小波細(xì)節(jié)類似，局部異常展布方向多為NE向，除一些梯級帶、高低異常帶依然清晰外，一般斷裂標(biāo)志消失，反映區(qū)內(nèi)淺部斷裂構(gòu)造發(fā)育，深部斷裂構(gòu)造不發(fā)育。其中，淮陰-響水?dāng)嗔言趨^(qū)內(nèi)走向與1～3階小波細(xì)節(jié)場的走向有所不同；洪澤-溝墩斷裂、鹽城-南洋岸斷裂、陳家堡-小海斷裂、栟茶河斷裂所產(chǎn)生的重力梯級帶連續(xù)延伸入海，反映出斷裂兩側(cè)巖性密度的巨大差異，也是這4條斷裂在下地殼繼續(xù)存在的證據(jù)。

3.2 斷裂構(gòu)造推斷

根據(jù)布格重力異常1～4階小波細(xì)節(jié)的分析結(jié)果，對江蘇沿海地區(qū)的7條主要斷裂進(jìn)行分析。

1)淮陰-響水?dāng)嗔?F1)?；搓?響水?dāng)嗔褳槿A北塊體與下?lián)P子塊體之間的分界斷裂，在重力1～4階小波細(xì)節(jié)中均有反映，斷裂走向NE，淺部傾向SE，傾角較大，近乎直立，深部轉(zhuǎn)向NW傾，可能與揚子板塊俯沖于蘇魯造山帶之下切穿地殼有關(guān)。斷裂在江蘇響水口至內(nèi)蒙古滿都拉地學(xué)大斷面上也有明顯反映。

2)洪澤-溝墩斷裂(F2)。洪澤-溝墩斷裂為洪澤凹陷、阜寧凹陷與建湖隆起之間的分界斷裂，在重力1～4階小波細(xì)節(jié)上呈NEE向條帶狀梯度帶，總體走向NEE，傾向NW。斷裂具生長斷層性質(zhì)，多期活動，長期控制阜寧凹陷的發(fā)育，導(dǎo)致不同時期地層中的垂直斷距不同。

3)鹽城-南洋岸斷裂(F3)。鹽城-南洋岸斷裂是研究區(qū)內(nèi)的深大斷裂，在小波細(xì)節(jié)上表現(xiàn)為明顯的梯級帶，重力值從高到低急劇變化。斷裂西北側(cè)為鹽城凹陷，東南側(cè)為建湖隆起，走向NEE，傾向NE，切割深度大，至少錯斷中、古生界地層。

4)陳家堡-小海斷裂(F4)。陳家堡-小海斷裂位于吳堡凸起北緣，是吳堡凸起與高郵凹陷之間的分界斷裂。在小波細(xì)節(jié)上呈梯級帶，走向NE，傾向NW。斷裂形成于晚白堊世末期，主要活動時期為始新世末期，經(jīng)淺層人工地震探測斷層斷至新近系地層上部，反映斷裂的最新活動時代為新近紀(jì)末期，屬于活動斷裂。

5)泰州斷裂(F5)。泰州斷裂為隱伏斷裂，在重力1階小波細(xì)節(jié)上異常斷斷續(xù)續(xù)，2～4階小波細(xì)節(jié)上有明顯的梯度帶異常反映，總體呈NE向延伸，局部為EW向，斷面淺部較陡，傾向NW，深部較緩，傾向SE。斷裂北側(cè)重力高異常分別反映的是泰州低隆起和小海隆起，南側(cè)重力低異常反映的是海安凹陷。

6)栟茶河斷裂(F6)。栟茶河斷裂呈EW向分布于海安縣城以東，傾向N，屬正斷層，重力各階小波細(xì)節(jié)場沿斷裂表現(xiàn)為梯級帶。斷裂北側(cè)重力異常值低，南側(cè)重力異常值高，分別反映了蘇南隆起和海安凹陷的重力特征。地質(zhì)資料顯示，斷裂兩側(cè)地層發(fā)育存在較大差異，為一條多期活動斷裂，且全新世仍在活動。

7)湖蘇斷裂(F7)。湖蘇斷裂是一條區(qū)域性隱伏斷裂，走向NE，傾向SE。地質(zhì)調(diào)查資料顯示，斷裂兩側(cè)不同時期的沉積巖相有一定差異，說明該斷裂為一條區(qū)域性的大斷裂，同時又在不同地段切穿過侏羅系火山巖、上白堊統(tǒng)和下第三系紅層，反映其活動時間較長。重力1階小波細(xì)節(jié)場無明顯斷裂異常反眏，高階細(xì)節(jié)場斷裂兩側(cè)重力異常存在明顯差異。

4 構(gòu)造活動分析

4.1 下?lián)P子對沖構(gòu)造格局

根據(jù)沿海地區(qū)重力各階小波細(xì)節(jié)推斷斷裂(圖2) 發(fā)現(xiàn)，以興化-大豐一線為界，南北兩側(cè)斷裂走向與傾向存在明顯差異：北部斷裂大部分走向NNE，傾向NW，且坡度較陡；南部斷裂大部分走向NEE，傾向SE，且坡度較緩。這種南北差異的斷裂構(gòu)造特征可能是下?lián)P子對沖構(gòu)造格局的反映。

圖2 各階小波細(xì)節(jié)推斷斷裂疊加分布Fig.2 The superimposed distribution map of inferred faults by each order wavelet details

下?lián)P子地區(qū)中生代印支期以來由于揚子板塊與華北板塊的拼合導(dǎo)致北部的逆沖推覆構(gòu)造系統(tǒng)向南運動，同時由于江南隆起帶的板內(nèi)造山導(dǎo)致南部的逆沖推覆構(gòu)造系統(tǒng)向北運動，在兩套逆沖推覆系統(tǒng)相對交接部位形成沿江(長江)對沖帶，最終在下?lián)P子地區(qū)形成一種對沖構(gòu)造格局[9]。北部構(gòu)造單元的主構(gòu)造線以NNE向為主，南部則以NEE向為主，這種斷裂展布情況與本文所推測的斷裂構(gòu)造特征相符。

另外，重力各階小波細(xì)節(jié)所推斷的斷裂疊加分布(圖2)顯示，北部斷裂坡度較陡，南部較緩，可能與南北兩套逆沖推覆系統(tǒng)的動力來源不同有關(guān)。北部推覆系統(tǒng)的動力來源為華北板塊與揚子板塊晚印支-早燕山期的碰撞，南部的動力來源應(yīng)該是華夏板塊與揚子板塊沿江紹斷裂發(fā)生碰撞拼合及之后的“江南隆起”逐步抬升的共同作用。同樣是板塊碰撞產(chǎn)生的動力，由于碰撞的劇烈程度不同，離碰撞位置的距離不同，受擠壓的程度不同，便會出現(xiàn)陡緩不一的斷裂系統(tǒng)。

研究區(qū)屬于大別山區(qū)，位于安徽省安慶市岳西縣東北部的主簿鎮(zhèn)境內(nèi)，大歇村-余畈村一帶，以大凸山、天麻埂山、燒雞窩山、梅嶺頭山的分水嶺為分界線，面積約49.2 km2，地理坐標(biāo)：東經(jīng)116°23′59″～116°29′36″，北緯30°58′30″～31°04′46″。

4.2 斷裂構(gòu)造與地震活動分析

地震孕育、發(fā)生和發(fā)展的深部介質(zhì)和構(gòu)造環(huán)境條件包括深大斷裂、低速高導(dǎo)層、板塊邊界等因素[10]，其中深大斷裂是強(qiáng)震孕育、發(fā)生及發(fā)展的必要條件之一。從重力4階小波細(xì)節(jié)(圖1(d))可以看出，淮陰-響水?dāng)嗔选⒑闈?溝墩斷裂、鹽城-南洋岸斷裂、陳家堡-小海斷裂、栟茶河斷裂在中下地殼依然有斷裂特征反映，為沿海地區(qū)可能存在的深大斷裂。將研究區(qū)1970～2019年的地震數(shù)據(jù)投影到上、中、下地殼尺度的重力2～4階小波細(xì)節(jié)(圖1(b)～1(d))上，以此來分析沿海地區(qū)地震分布情況。從圖中可以看出，陸域地震主要分布在重力高、低異常過渡帶上，這些過渡帶往往是一些構(gòu)造的邊界。地震的震源深度主要分布在5～20 km范圍內(nèi)的中、上地殼，中、上地殼呈現(xiàn)為彈性或近似彈性，其破壞形式以脆性破裂為主，是孕震過程中彈性積累和能量最終以突發(fā)失穩(wěn)方式釋放而發(fā)生地震的基本環(huán)境條件之一[11]。海域地震不是本文論述的重點，但從2～4階小波細(xì)節(jié)的地震分布情況來看，其震源深度無明顯規(guī)律可循，上、中、下地殼發(fā)生地震的概率具有一定的隨機(jī)性，但發(fā)震位置依然在深大斷裂延伸入海的線性帶上。

江蘇沿海地區(qū)的地震活動具有明顯的海強(qiáng)陸弱及成團(tuán)成片分布的叢集性特征(圖2)。據(jù)歷史記載和儀器記錄，沿海3市陸域發(fā)生的最高地震震級為MS5.3，位于鹽城市射陽縣。布格重力異常小波多尺度分析(圖1)顯示，射陽縣位于洪澤-溝墩斷裂南側(cè)，是重力場推斷的鹽城凹陷和下玉港隆起的交界處，為地震孕育提供了一定的地質(zhì)構(gòu)造背景。另外，NW向蘇北-濱海斷裂附近發(fā)生5.0級以上地震3次；蘇北-濱海斷裂與近EW向栟茶河斷裂交匯處地震頻繁，發(fā)生MS≥5.0地震4次；NE向鹽城-南洋岸斷裂附近發(fā)生MS≥4.0地震3次，推斷地震分布與NE向和NEE向、NW向、近EW向(活動)斷裂關(guān)系密切。區(qū)域內(nèi)3.0級以上地震主要發(fā)生在鹽城市域內(nèi)及蘇北-濱海斷裂與栟茶河斷裂交匯的地震構(gòu)造帶上。

江蘇沿海地區(qū)地震動峰值加速度分區(qū)結(jié)果(圖2)顯示，區(qū)域內(nèi)大部分地區(qū)地震動峰值加速度為0.05 Gal(地震烈度為Ⅵ度)和0.10 Gal(地震烈度為Ⅶ度)，其中在鹽城和東臺東部地區(qū)、贛榆-東海一帶地震動峰值加速度相對較高，為0.15 Gal(地震烈度為Ⅶ度)，在東海-贛榆西北部、大豐港沿海一帶地震動峰值加速度達(dá)0.20 Gal(地震烈度均為Ⅷ度)。東海-贛榆西北部位于郯廬斷裂帶附近，是華北和下?lián)P子板塊碰撞的接觸地帶，斷裂活動性較強(qiáng)，所以地震烈度較高。大豐港沿海一帶位于下?lián)P子兩套逆沖推覆系統(tǒng)的沿江對沖帶上，兩側(cè)的逆沖推覆系統(tǒng)動力來源不同，應(yīng)力場相對不穩(wěn)定，地震烈度也較高。

5 結(jié) 語

本文基于江蘇沿海地區(qū)重力資料，通過小波多尺度分析方法提取不同深度的重力異常特征，并對其反映的地殼結(jié)構(gòu)進(jìn)行由淺至深的多層次分析與研究，獲得了沿海地區(qū)不同深度地質(zhì)體分布情況及深大斷裂構(gòu)造的基本信息。根據(jù)斷裂信息結(jié)合地質(zhì)構(gòu)造活動情況進(jìn)一步論證了下?lián)P子對沖構(gòu)造格局，并結(jié)合地震數(shù)據(jù)資料闡述了斷裂構(gòu)造與地震分布之間的密切關(guān)系。主要結(jié)論如下：

1)重力1階小波細(xì)節(jié)顯示，沿海地區(qū)高頻局部異常星羅棋布，且北部比南部更加密集，說明北部巖性不均勻性明顯，構(gòu)造更不穩(wěn)定，小構(gòu)造發(fā)育較活躍。重力2～4階小波異常圈閉進(jìn)一步擴(kuò)大，異常特征更加明顯，反映了不同凹陷及隆起的空間展布情況，主要包括沿海北部的濱海隆起、阜寧凹陷、建湖隆起、東臺凹陷及南部的古生界隆起和中、新生代凹陷等。

3)結(jié)合地震資料分析認(rèn)為，陸域地震主要分布在重力高、低異常過渡帶上，這些過渡帶往往是一些構(gòu)造的邊界，地震震源深度主要分布在5～20 km范圍內(nèi)的中上地殼。另外，江蘇沿海地區(qū)地震活動具有明顯的海強(qiáng)陸弱及成團(tuán)成片分布的叢集性特征，地震分布與NE向和NEE向、NW向、近EW向(活動)斷裂關(guān)系密切。區(qū)域內(nèi)3.0級以上地震主要發(fā)生在鹽城市域內(nèi)及蘇北-濱海斷裂與栟茶河斷裂交匯的地震構(gòu)造帶上。

4)地震烈度高的地區(qū)包括東海-贛榆西北部和大豐港沿海一帶，這2個地帶斷裂活動性較強(qiáng)，應(yīng)力場相對不穩(wěn)定，發(fā)生地震的風(fēng)險較高。