（构造地质学专业论文）西秦岭—松潘构造结岩石圈三维结构研究.pdf

摘要 西秦岭松潘构造结是在中国大陆完成其主体拼合过程中，在特提斯阿尔卑斯一喜马拉 雅、太平洋和古亚洲及其后的环西伯利弧弧形构造三大构造动力学体系共同作用下，由构成 中国大陆的主要造山带及地块交接汇聚而成的巨型构造。是研究中国大陆地质与大陆动力学 不可多得的天然实验室。 构造结岩石圈的现今三维结构是进一步研究构造演化史及回答相关的大陆动力学问题 的基础。通过对布格重力异常的常规处理、小波分析以及大地水准面异常计算、数字地形模 型( d e m ) 分析，结合深地震测深、大地电磁测深、地震层析和地质资料，对三维结构进 行了描述。 划分了断裂类型，分析了断裂平面组合特征，认为北西、北东向两组共轭剪切断裂、南 北向构造的形成是三大构造动力学体系共同作用韵结果。对不同方向、不同深度层次的构造 及其相互关系作了解释和推断，松潘一甘孜地区的浅层构造与深层构造存在不耦合关系，壳 内的低密度( 低速、低阻) 的软弱层是形成这种不耦合关系的重要条件。解释了几个重要的 断裂带，对勉略带和商丹带的西延问题提出了自己的看法。最后对动力学机制进行了初步探 索。 关键词：两秦岭一松潘构造结；布格重力异常；小波分析：南北向构造；x 型剪切断裂 a b s t r a c t t h ew e s t e r nq i n l i n g - s o n g p a nt e c t o n i cn o d ei sa ne n o r m o u ss t m c t u r e ，w h i c h w a sf o r m e dt h r o u g l lv a r i o u sc o n j u n c t i o na n dt r a n s f o r m a t i o no fd i f f e r e n to r o g e n sa n d m a s s i f st h a tc o n s t i t u t et h ec l l i n ac o n t i n e n td u r i n gt h ec o m p l e t i o no fm a i na r n a l g a m a r i o no fc h i n ac o n t i n e n tu n d e rt h ec o a c t i o n so ft h ea i p s - h i m a l a y a s ，t h ep a c i f i c o c e a na n dt h ec i r c u ms m e r i at e c t o n i cd y n a m i cs y s t e m s w i t ht h ec o m p l e xs t r u c t u r e s a n dc o n s t i t u e n t s ，t h et e c t o n i cn o d ep r o v i d e sa ne x c e l l e n ts i t ef o rs t u d yo fc h i n a c o n t i n e n t a lg e o l o g ya n dc o n t i n e n t a ld y n a m i c s t o d a y , s3 - d i m e n s i o nl i t h o s p h e r i cs t r u c t u r eo ft h et e c t o h i en o d ej st h eb a s i so f d o i n gr e s e a r c hf o rt e c t o n i ce v o l u t i o na n da n s w e r i n gr e l e v a n tc o n t i n e n t a ld y n a m i c q u e s t i o n s t h e3 一d i m e n s i o nl i t h o s p h e r i cs t r u c t u r ei sd e s c r i b e db yc o m m o np r o c e s s i n g a n dw a v e l e ta n a l y s i so fb o u g u e ra n o m a l y ，g e o i da n o m a l yc o m p u t a t i o na n dd i g i t a t e l e v a t i o n ，m o d e l ( d e m ) a n a l y s i s ，i nc o m b i n a t i o nw i t hd e e p s e i s m i cs o u n d i n g ( d s s ) ，m a g n e t o t e l l u r i “m 1 ) ，s e i s m i ct o m o g r a p h i c ( s 1 ) a n dg e o l o g i c a ld a t a t h ef a u l t sa r ec o m p a r t m e n t a l i z e di n t od i f f e r e n tc a t e g o r i e sa n dt h ep l a n a r c o m b i n a t o r i a lc h a r a t e r i s t i c so ft h ef a u l t si sa n a l y s e d i ti sc o n s i d e r e db yt h ea u t h o r t h a tt h ef o r m a t i o no ft h en w - t r e n d i n ga n dn e - t r e n d i n gc o n j u n g a t es h e a rf a u i t sa n d n ss t r u c t u r e si sr e s u l t e df r o mt h ei n t e r a c t i o no ft h et h r e et e c t o n i cd y n a m i cs y s t e m s s t r u c t u r e si nd i f f c r e n tt r e n d i n gd i r e c t i o na n dd i f i e r e n td e p t ha n dt h e i rr e l a t i o n s h i pa r e i n t e r p r e t e da n dd e d u c e d t h e r ei su n c o u p l i n gb e t e e w nt h er e l a t i v e l y s h a l l o w s t r u c t u r e sa n dd e e ps t r u c t u r e si ns o n g p a n - g a n z i ，w h e r et h ee x i s t e n c eo ft h ew e a k l a y e r sw i t hl o w e rd e n s i t y0 0 w e rv e l o c i t y ，l o w e re l e c t r i c a lr e s i s t i v i t y ) i sa ni m p o r t a n t c o n d i t i o no ft h eu n c o u p l i n g s e v e r n li m p o r t a n tf a u l t sa r ei n t e r p r e t e da n dp e r s o n a l o p i n i o n sa b o u tt h ew e s t w a r de x t e n d i n go fm i a n l u ea n ds h a n g d a ns u t u r e sa r e 百v e n f i n a l l ye x p l o r a t o r yr e s e a r c ho fd y n a m i cm e c h a n i s mi sd o n e k e yw o r d s ：w e s t e r nq i n l i n g s o n g p a nt e c t o n i cn o d e ；b o n g u e ra n o m a l y ；w a v e l e t a n a l y s i s ；n ss t r u c t u r e ；xs h e a rf a u l t s 西北大学学位论文知识产权声明书 y8 9 37 2 2 本人完全了解学校有关保护知识产权的规定，即：研究生在校攻读学 位期间论文工作的知识产权单位属于西北大学。学校有权保留并向国 家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版。本人允许论文被查阅 和借阅。学校可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进 行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论 文。同时，本人保证，毕业后结合学位论文研究课题再撰写的文章一 律注明作者单位为西北大学。 保密论文待解密后适用本声明。 学位论文作者签名：j 刍复指导教师签名：乞磁 力坤年厶月7 日删年舌月尹日 西北大学学位论文独创性声明 本人声明：所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地 方外，本论文不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含 为获得西北大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我 同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的 说明并表示谢意。 学位论文作者签名：臼勇 p 押6 年占月7 日 刖吾 位于中国大陆中部的西秦岭一松潘大陆构造结属于地壳尺度上的巨型构造。该巨型构造 是在中国大陆完成其主体拼合过程中，在特提斯阿尔卑斯一喜马拉雅、太平洋和古亚洲及其 后的环西伯利亚弧形构造三大构造动力学体系共同作用下，由构成中国大陆的主要造山带及 地块交接汇聚而成，成为东西向的中国大陆中央造山系、近南北向的川滇贺兰构造带和中 新生代以来形成的青藏高原之间交接转换的关键构造域。在先期构造基础上，构造结形成具 有东、西和北三个重要边界以及内部东北、东南、西南和南端等多个具体构造结点。其内部 主干构造勉略一阿尼玛卿构造带又将其划作西秦岭和松潘地块南北两部分。西秦岭一松潘构 造结主要形成于中国大陆印支主拼合期，并叠加印支期后陆内构造。构造结内组成与结构复 杂，构造样式繁多，包含有丰富的大陆地质信息，是研究中国大陆地质与大陆动力学不可多 得的天然实验室( 张国伟等，2 0 0 4 ) 。 为了对西秦岭一松潘大陆构造结的相关地质问题进行研究并给出合理的解释，由西北大 学地质学系牵头，组织实施了国家自然科学基金重点项目：“西秦岭一松潘构造结形成演化 与大陆动力学研究”。作者参加了该项目的部分工作，在此基础上完成了硕士论文的编写。 构造结岩石网的现今三维结构是该基金项目的重要组成部分，只有对地下三维结构有足 够的了解，在此基础上才能进一步研究构造演化史及回答相关的大陆动力学问题。本文主要 对布格重力场、大地水准面异常、d e m 地形数据进行计算处理，同时参考该区已完成的人 工和天然地震探测资料、大地电磁测深资料、已有的地面地质资料和研究成果，尽量减少地 球物理方法的多解性，较为合理地描绘出本区从表壳到深部( m o h o 面及岩石圈地幔) 的现 今三维地质结构，包括平面上和纵向上的变化特征。造山带的地壳内一般都具有若干个低速 高导层，被认为是流变学层，是深、浅构造不协调、发生转换的基本要素和条件，是地球动 力学研究的重要组成部分。本次研究拟采用综合地球物理方法，结合其它相关资料，探究壳 内低速高导层的存在和动力学意义。现今地形起伏状态及其与地质构造运动和深部物质调整 有着极其密切的关系，可以从可观测到的地形起伏来推断深部发生的构造变动和物质运动。 一、研究区范围 主要包括青藏高原东部、阿拉善地区、鄂尔多斯盆地的一部分、四川盆地及东秦岭造山 带，东经9 俨一1 1 斧、北纬2 6 。- - 4 0 。之间，涉及了全部的松潘一甘孜造山带及周边相关块体， 宽2 0 7 0 k m ，长1 6 2 0 k m ，面积为3 3 5 3 4 0 0 平方公里。 二、数据准备 1 布格重力数据的获取 布格重力数据是从地质矿产部地球物理地球化学勘查局主持编制的1 ：25 0 00 0 0 比例尺 的中华人民共和国布格重力图上，采用人。1 ：数字化的方法取得。考虑到数据处理的需要，取 数的范围大于研究区范罔。研究区西部部分地区数据为推估得到的，只在数据处理时使用， 在图上表示为空白区。 资料整理技术说明： 平面坐标采用一九五四年北京坐标系统，高群采用7 l 五六年黄海高程系统； 重力值采用波茨坦重力系统； 正常重力场采用赫尔默特( 1 9 0 1 1 9 0 9 ) 正常重力公式： y o 一9 7 8 0 3 0 ( 1 + 0 0 0 5 3 0 2 s i n 2 妒一o 0 0 0 0 0 7 s i n 22 中间层密度和地形改正密度为2 6 7 0 k g m 3 ； 布格改正公式： 厂了 烹- 舶( ( o 3 0 8 6 ( 1 + o 0 0 0 7 c o s 2 肇) - 0 7 2 1 0 - 7 h ) - 0 4 1 9 a ( 1 + 计号p 地形改正半径为1 6 6 7 k m ； ” r 47 布格异常总精度为0 6 2 0 x 1 0 6m s 2 。 坐标投影采用正等角圆锥投影，中央子午线为东经1 1 俨，双标准纬线为北纬2 5 0 ，4 尹。 2 d e m 数据的获取 d e m 数据是从两上下载的3 0 x 3 0 网格节点数据，为便于与重力数据对比，平面坐标亦 转换为与重力数据相同的坐标投影下的坐标。 三、完成的工作量 1 布格重力数据数字化、对d e m 数据进行坐标投影并分别进行了网格化。 2 常规数据处理。 3 对布格重力数据进行小波分析，分别计算了母函数为b i o r 3 ，5 、d b 4 、d b 8 的一到，阶 小波逼近和细节异常；通过平均功率谱的计算，给出了各阶次异常的概略深度。 4 对d e m 数据进行小波分析，并进行了分析。 5 对大地水准面异常进行了简略分析。 6 推断了断裂体系，分析了北两、北农向两组共轭剪切断裂、南北向构造的形成原因。 解释了几个重要的断裂带。 7 进行了综合推断解释，提出了对几个重要问题的看法对动力学机制进行了初步探 索。 第一章西秦岭一松潘构造结地质构造特征 一、概况 话秦岭一松潘火陆构造结位于中国大陆中部，北以宝鸡一天水至青海湖一柴北缘为界， 西至柴达木东缘瓦洪山并向南穿越昆仑山接甘孜一理塘一线，东至东西秦岭交接的宝成铁路 沿线并向南接龙门山，南端又与甘孜一理塘一线交接，总体形成一倒三角形形态的中国大陆 中纵横构造的汇聚区( 图卜1 ) 。它主要包括了西秦蛉和松潘地区，成为中国大陆构造中一独特 的基本构造单元，一直是国内外地质界研究的重点和热点。 本区以往的研究注重某一块体或造山带。许志琴( 1 9 9 2 ) 称松潘甘孜造山带为“中国 地质百慕大”，具有与一般线性造山带不同的“几何学”、“造山极性”及“构造体制”，经历 了古特提斯及新特提斯两个连续的造山事件。其造山过程、演化历史及板块动力学机制与众 不同。冯益民( 2 0 0 2 ) 以西秦岭地区野外调查和专题研究为基础，收集了该区各种资料，系 统地描绘了该区的地层系统和沉积盆地，构造岩浆作用，造山带结构、造山过程及动力学， 提出了西秦岭构造演化的模式。 张国伟( 2 0 0 4 ) 研究的范围更大一些，将西秦岭松潘构造结作整体研究，认为大陆构 造结代表了陆壳构造中不同构造系统( 造山带与地块) 的交汇、衔接和转换部位。该构造结 属于地壳尺度上的巨型构造，具有从地表到深部独特的地质与动力学特征，强调它在中国大 陆完成其主体拼合过程中，在特提斯阿尔卑斯一喜马拉雅、太平洋和古亚洲及其后的环西伯 利亚弧形构造三大构造动力学体系共同作用下，由构成中国大陆各主要造山带与地块交接汇 聚而成，最终成为东础向的中国大陆中央造山系、近南北向的川滇一贺兰构造带和中、新生 代以来形成与隆升的青藏高原之间交接转换的关键构造域。西秦岭一松潘构造结由三个边界 所围限：近南北向的东侧边界，北部属东、西秦岭交接部位，南部则以龙门山为界；和北西 走向的西南边界，以松潘地块的西南边界即甘孜一理塘印支期碰撞缝合带为具体界线，南端 构造结点康定至术里一带表现为一系列指向南的弧形构造，北半部属于西秦岭与东昆仑、柴 达术、祁连山的交接转换的重要部位，具体的界线放置丁柴达木地块东缘印支期瓦洪山构造 岩浆岩带；近东西向的构造结北界界定在西秦岭北缘的宝鸡一天水临夏一拉脊山一柴北缘 ( 或祁连南缘) 一线。 为便于研究各块体、造山带之间的相互关系，本文涉及的范围比上述的西秦岭一松潘构 造结的范围扩大了许多，见图3 1 。 二、大地构造单元的划分 在先前，尤其中、新元古代和古生代加里东期构造基础上，西秦岭松潘构造结主要是由 华北、扬子和青藏羌塘板块及其所属的诸多微地块主导于印支期通过秦岭、昆仑、巴颜喀拉、 龙门、贺兰等不同类型、性质的造山带拼按转换而成。因此其组成极为复杂。 构造结可分为华北地块、扬子地块、羌塘一昌都地块及夹在三大地块之间的两个碰撞造 山带等五个大的分区( ( 图卜1 ) ，简述如卜。 1 华北地块 为+ 古老板块，位丁研究区北面，北祁连缝合带一秦岭北缘断裂以北地区。形成丁吕粱 3 运动，基底为太古宙和早元古代不同变质程度的各种变质岩系；盖层包括中晚元古代浅海相 碎屑岩一碳酸岩、寒武纪一中奥陶世“海碳酸盐岩和晚石炭世、二叠纪海陆交互相含煤碎屑岩 系；中新生代陆内裂陷盆地型沉积，主要为陆源碎屑岩和各种成因的松散堆积。根据基底岩 石和沉积盖层又可分为两个次级单元。 阿拉善地块 位于研究区西北，形态呈三角形。东界为贺兰山瑙麓断裂，南界为北祁连缝合带。最老 的地层在宁夏及内蒙古地区，为阿拉善群，由片麻岩、大理岩及变粒岩组成，有的文献将这 套变质岩划归为太古界，另一些划归为下元古界，称为前长城系，这套岩系组成了阿拉善 臣弓，囫2 囫3 固4 匹口5 医 6 图卜1 西秦岭一松潘构造结构造略图 1 构造结区主干断裂( 包括古缝合带) ；2 西秦岭和共和拗拉谷构造线；3 松潘主要构造线；4 区域 构造主应力方向；5 町能的热点及三联点：6 贺兰一川滇南北构造带；c b s ：柴北缘古缝台带：s d s ： 商丹古缝台带；k l s ：东昆中古缝台带；a g s ：阿尼玛噼古缝台带；n q 乙：北祁连缝合带；m l s ：勉略古 缝合带；g l ：甘孜理塘缝合带。弯曲虚线表示青藏高原东北边界和嘏兰一川滇南北构造带的东西边 界范围。本图引自文献 1 。 地块的基底。中上元古界出露在龙首山和狼山一带。缺失整个古生代和三叠纪的沉积。侏罗 一白垩系出露在地块中的断陷盆地内新生代沉积物也分布在中生代形成的盆地内。 鄂尔多斯地块 西界北起桌子山，经平凉南i n 宝鸡附近，呈南北方向延伸，发育着一系列的南北向断 4 裂。地块的基底由太古界古老的变质岩系组成。中上元古界和下古生界为海相沉积，石炭系 为海陆交互相煤系地层，二叠系以上地层为陆相沉积。浅层为巨厚的中新生代沉积。 2 扬子地块 扬子地块( 上扬子地块) 北与秦岭造山带相连，西以龙门山断裂为界与松潘甘孜造山带 相邻。基底由前震旦纪变质岩系组成坚硬的结晶基底，盖层为震旦系至三叠纪的海相沉积岩 和，寒武一奥陶系主要为稳定型沉积的碳酸盐岩，夹泥岩和碎屑岩。志留系主要属浅海碎屑 一潮坪相沉积，以笔石页岩为主，程度不一地发育碳酸盐岩，碎屑岩多含钙质。泥盆系和石 炭系为稳定型浅海相碳酸盐岩沉积，局部夹硅质碎屑岩。二叠系一三叠系为稳定型浅海相碳 酸盐岩沉积为主。侏罗系、白垩系及新生界为内陆河流湖泊相沉积，第三系零星分布，第四 系主要分布在成都平原和一些小的山问盆地内。 3 羌塘一昌都地块 北界为甘孜理塘缝合带，也有人将其北界定在金沙江缝合带( 尹安，2 0 0 1 ，许志琴，1 9 9 2 ) 。 南界一般认为在班公湖一怒江缝合带。结晶基底为上太古一下元古界片麻岩、片岩、大理岩、 变粒岩、石英岩。四川巴塘一带出露的下奥陶统为绢云母石英片岩、黑云母钙质片岩、斜长 绿泥片岩；志留系由基性火山岩同粗面岩、流纹岩组成韵律层，夹碎屑岩和灰岩。泥盆系以 昌都地区较为发育，属稳定型沉积，中统为灰黑色砂岩、黑色千枚岩、石英砂岩、泥质灰岩， 上统为深色碳酸盐岩夹生物礁灰岩。昌都地区的石炭系和二叠系为碎屑岩、碳酸盐岩、火山 岩、火山碎屑岩、凝灰岩等组成。德钦一巴塘地区三叠系为凝灰质板岩夹基一中酸性火山岩、 复理石碎屑岩、细碧岩、蚀变玄武岩。侏罗系以陆相为主，陆相与海相并存，白垩系及新生 界为陆相沉积。 4 秦祁昆造山系( 中央造山系) 位于北祁连一秦岭巨大陆内俯冲带以南，勉略一阿尼玛卿古缝合带以北，近东西向分布。 其形成与周边的塔里木、华北、扬子、藏滇4 大陆块的发展有着密切的关系( 程裕淇，1 9 9 4 ) 。 以商丹带向话与柴北缘相对应的界线，还可分为北部的祁连造山带( 北、中、南祁连造山带) 和南部的昆仑造山带、西秦岭造山带、共和盆地及柴达术微地块。 秦祁昆各造山带前中生代主造山作用与相互关系复杂，不是统一造山带，但就各造山带 形成演化及大地构造体制总体，和从研究东特提斯和中国大陆完成最后主体拼合而言，应视 为统一造山带( 张国伟，2 0 0 1 ) 。 东秦岭造山带 通常以文县一武都馓成盆地一风太一太白山岩体西北侧到关中盆地的n e 3 0 。4 0 。 走向的走滑剪切断裂带作为划分东、西秦岭的界线。秦岭造山带是历经长期演化由多期不同 性质与类型的构造运动叠加复合而形成，包容着不同时代、不同类型与性质的造山作用所形 成的岩石地层单元与结构构造，形成极复杂的物质组成与空间复合构造形态。p b t 2 主造 山作用期间主要由三个板块( 华北、扬子及在其间的秦岭微板块) 沿两条缝和带( 商丹带和 勉略带) 的俯冲碰撞造山作用，中、新生代又发生强烈的陆内造山作用( 张国伟，2 0 0 1 ) 。 西秦岭、东昆仑、祁连造山带 东昆仑与西秦岭的基底构造主要形成于海曲期。曲秦岭的占生代早划基底在北部没有山 露南部白龙江一线具稳定地块的特征，晚古生代北部为一占裂陷，发育了巨厚的陆源碎屑 5 沉积，南部仍表现为一个北倾的斜坡；早中三叠世时期占裂陷位于西秦岭轴部，曾发生 2 0 3 0 k i n 的沉陷以陆源碎屑复理石沉积为主，表现为一个陆壳上的的沉陷。 祁连造山带又细分为北祁连、中祁连、南祁连三个造山带，基底构造主要形成于加里东 期。北祁连是以发育早古生代蛇绿岩、高压变质岩为特征的构造混杂岩带，其中包含一些前 寒武纪外来岩块。中祁连是一个前寒武纪隆起带，明显的特征是早古生代当其南北两侧都以 发育火山沉积为主时，而中祁连之上仅有盖层性质的沉积。南祁连以古陆块为基底，古生代 一三叠纪古裂陷多次活动，是一个形成较晚、基底破碎的微板块。 从南部的东昆仑一西秦岭到北部的祁连的基底构造主要形成期看，反映一个统一洋盆由 北而南的逐渐闭合，大陆由北而南的不断增生。整个地区由中南祁连、柴达木和西秦岭几个 微板块组成，古裂陷发育且多次强烈活动是区内一个非常明显的构造特征，三叠纪古裂陷较 为发育，占据了西秦岭大部并向西伸入南祁连( 车自成，2 0 0 2 ) 。 柴达木微板块 柴达木微板块被巨厚的中新生代沉积所覆盖，中生代沉积主要分布在柴北缘和阿尔金山 附近，第三纪沉积主要在西部，第四纪沉积中心向东迁移至三湖地区。 5 松潘甘孜造山带 位于勉略一阿尼玛卿古缝合带以南，龙门山逆冲推覆构造带西北，甘孜理塘缝合带东北， 呈倒三角形态。松潘甘孜造山带主体建筑在扬子西部陆缘裂谷柱化古生代基底及以三叠系 西康群复理石与类复理石为代表的被动陆缘楔之上，板块碰撞及陆内汇聚时期褶皱成山，形 成复杂的构造样式及构造格局( 许志琴1 9 9 2 ) 。 多层次收缩性滑脱构造构成造山带薄壳结构。揭示的最深的滑脱层位位丁p t ，变火 山岩基底与盖层之间，为一条典型的高温韧性滑脱剪切带。出露于丹巴一汶川及摩天岭地区 的深层滑脱构造很可能与扬子北缘的印支深层滑脱相连；中浅层次的滑脱层主要位于志留系 于泥盆系之间( 丹巴汶j i i ) ，以及三叠系复理石被动陆缘楔底部，因此造山带主体实为“滑 脱型”山连类型。 滑脱构造与逆冲断层相伴随，构成近东两向往南凸出的弧形滑脱一逆冲构造体制， 白北向南，弧形构造带弧度增大。宽度渐小，反映南北向收缩应变在改带中占主耍地位。近 东西向的收缩应变在两部较强大，往东渐弱，并叠置在南北收缩作用之上，造成了“双向收 缩”的构造格局。 将造山带划分为五个逆冲滑脱叠置岩片：深层次叠置岩片；摩天岭岩片、丹巴汶 川岩片；木里岩片；马尔康岩片及雅江岩片。 2 0 m a 期间产生的n w n n w 向鲜水河平移剪切带横截造山带主体。 造山后期的山体隆升及伸展、平移作用强烈改造了上述由。r - 收缩作用生成的弧形构 造体系。 据晶新研究成果，松潘一甘孜深部有相当的不均一性，存在相对高密度的块体，走向北 北东；在1 0 2 0 k m 及更深层次上存在滑脱层。这种平面上和垂向上的不均一性是形成本区复 杂多样的构造的重要因素。 第二章研究区岩石圈三维结构研究的基本思路及方法 本文主要对布格重力场、大地水准面异常、d e m 进行计算处理，同时参考该区已完成 的人工和天然地震探测资料、大地电磁测深资料、已有的地质资料和研究成果，尽量减少地 球物理方法的多解性，较为合理地描绘出本区从表壳到深部( m o h o 面及岩石圈地幔) 的现 今三维地质结构，包括平面上和纵向上的变化特征。 第一节重力测量与重力异常数据处理方法 地球表面的重力场的分布特征与地球内部物质的密度分布有关。地球内部不同部位由于 地质演化历史不同，具有不同的物质成分和构造，成分和构造的差异又表现为地壳内部的密 度变化。研究地球重力场变化与地壳内部密度不均匀，就可以给出地壳内部结构的解释。重 力场资料是研究地质构造和岩石圈结构的重要的基础性资料，特别是对于钻探所达不到的深 部地壳结构，这些资料的反演解释具有不可替代的作用。 重力测量的精度不如深部地震和大地电磁测深。重力测量探测深度比深部地震浅的根本 原因是综合效应强，分辨率低。但它能反映基本的构造框架，平面分辨率大于纵向分辨率， 在反映平面变化上有一定的优势。在其他地球物理资料和地质资料比较充分的条件约束下， 利用合适的滤波和反演方法，也可以得到相对较为准确的纵向上的地质解释结果。对于某些 问题如均衡状态，重力资料有着天然的优势。此外，重力测量十分经济，施工也较为便利， 数据容易获得，这对于在缺乏深部地震和大地电磁测深资料的空白区建立深部结构模犁，有 着重人意义。 一、重力测量的有关问题 1 布格重力异常 布格异常经过了正常场改正、高度改正、中问层改正、地形改正，理论上认为已经将不 同高度地表上的实测重力值统一改正到了大地水准面上，布格异常反映的是大地水准面以f 密度不均一分布。由于去除了地形变化的影响，还可以用该异常建立起测点高程与深部的均 衡补偿芙系。但由于目前详细和精确密度资料的获得几乎是不可能的，中间层改正和地形改 正都采用某一固定的密度，这使得布格异常只是理论上的人地水准面上的重力异常，实际上 它仍然包括了一些大地水准面以上部分的密度不均一引起的异常。 2 重力测量可探测的深度范围 对不同密度界面和不同深度密度不均一引起的重力异常的分析，使我们在利用重力场解 决地质问题时做n , o 中有数。滕吉文( 2 0 0 3 ) 引用秦葆瑚( 1 9 8 4 ) 和张少泉( 1 9 8 6 ) 的研究 成果，通过正演讨论了重力测量可探测的深度范嗣。在地表重力测量值中，r 地幔占4 9 0 6 ： 外核r b3 0 3 9 ：上地幔占1 7 5 ；地壳仅占0 8 。但就密度变化在地表的反映来说，由丁 距离地表很远，下地幔以下介质的密度变化在地表很难反映出来，只表现为平缓的人范围的 异常。上地幔介质存在密度变化，理论上重力测量能达到的最大深度约为1 5 0 k m ：m o h o 面 的起伏较人，界面上f 密度茇可达0 3 9 c m 3 以上，在青藏高原可产生4 - 5 1 0 4 m s 2 的异常， 7 是较大范围研究区内最显著的区域异常；结晶基底起伏和壳内密度不均一也能引起一定的重 力异常：沉积层及地表附近的火成岩体、变质岩系的密度变化只在测点附近产生影响，所产 生的地表异常为高频的短波k 异常，一般不超过数十公里。 二、重力数据处理方法 通过各种数学方法对实测数据进行场的变换和数字滤波，目的是将所需要的信息从综合 效应场中提取出来，为下一步的定性、定量分析和地质解释提供依据。可分为位场转换和数 字滤波两大类。 ( 一) 、位场转换 对实测数据做位场变换，包括求不同阶次在不同方向上的导数和重力异常的解析延拓 ( 包括向上和向下延拓) ，来提取需要的信息。本次研究主要进行了水平方向导数异常和重 力场的向上延拓。 1 重力o 。、4 5 。、9 0 。、1 3 5 。水平方向导数异常及水平总梯度异常的求取 在空间域计算重力场的四个方向的水平方向导数，用来突出垂直于该方向的线性构造， 主要是断裂构造引起的异常，为推断断裂构造提供依据。计算四个方向的水平方向导数异常 能基本上包含不同方向线性构造的重力场信息。对不同方向的水平方向导数求模，得到水平 总梯度异常。 2 重力场的解析延拓 重力场的解析延拓就是利用位场理论把观测平面上的异常换算到观测面以上的上半空 间和观测面以下的下半空间。重磁异常随着观测面高度的变化将发生明显的变化，而且其变 化程度与异常体的规模和埋深有关。向上延拓高度增大时，异常随之迅速衰减，所以可以并j 来消除浅部的高频异常，突出深部的低频异常；反之，向下延拓可用来突出浅部的高频异常， 压制深部的低频异常，籍此进行场的分离。还可以通过不同高度平面上场的分布特征对异常 体的规模和埋深作粗略的分析推断。本文主要研究较人尺度的异常，只做向上延拓。 、数字滤波 一般认为不同波长的异常是对不同深度的场源的反映，长波长的异常对应深层场源，短 波长的异常对应浅层场源。设计不同类型的滤波器，主要目的是将不同波长的异常区分开来， 即场的分离。有趋势分析方法、滑动窗口滤波方法、其他高通、低通滤波和带通滤波方法、 小波变换法等。本文采用了滑动窗口滤波方法和小波变换法来进行场的分离。 1 滑动窗口滤波方法提取剩余重力异常 为研究基底及盖层中的局部构造，需要对布格异常资料进行处理，以分离不同深度、规 模的地质体引起的不同波长的重力异常。取滑动窗口内所有点的平均值作为中心计算点的区 域重力场值，将其与相应点的布格重力异常值的差作为剩余重力异常值。选取适当的窗口半 边长就能较好地分离区域背景场和剩余场，从而进行断裂和局部异常的推断解释。使用、卜径 r = 4 0 ，6 0 ，8 0 k m 的圆域窗口滑动滤波方法计算了剩余重力异常。 2 小波多尺度分辨方法 小波分析是本文用来进行重力场分离的最主要的的方法之一，也是用来对d e m 数据进 行多尺度分辨的一具。以f 对小波分析理论及其发展历史、进展作一简要叙述。 经典的傅里叶分析的不足 8 经典的傅里叶分析为信号分析处理和地球物理数据处理提供了强有力的工具，在许多情 况下，能够满足分析的需要，能够在一定程度上将信号的时域特征和频域特征联系起来，能 分别从信号的时域和频域观察。但由于傅氏变换在( 一，+ 一) 上积分i 只能获得原函数的 整体频谱，不能得到信号的局部特征，在做变换时丢掉了时间信息，无法根据傅里叶变换的 结果判断一个特定的信号是在什么时候发生的。也就是说，傅里叶变换只是一种纯频域的分 析方法，它在频域里的定位是完全准确的( 即频域分辨率最高) ，而在时域无任何定位性( 或 无分辨能力) 。这是因为信号的时域波形中不包含任何频域信息，而其傅里叶谱是信号的统 计特性，它是整个时间域内的积分，没有局部化分析信号的功能，完全不具备时域信息。这 样在信号分析中就面临一对最基本的矛盾；时域和频域的局部化矛盾。 对这一类时变信号的非稳态成分进行分析，通常需要提取某一时间段( 或瞬间) 的频域信 息或某一频率段所对应的时间信息。因此，需要寻求一种具有一定的时间和频率分辨率的基 函数来分析时变信号。 短时傅里叶变换( s h o r tt i m ef o u r i e rt r a n s f o r m 简称s t f r ) 为了研究信号在局部时间范围的频域特征，1 9 4 6 年g a b o r 提出了著名的g a b o r 变换， 之后进一步发展成为短时傅里叶变换( ，又称为加窗傅里叶变换) 。其基本思路是给信号加 一个小窗，信号的傅里叶变换主要集中在对小窗内的信号进行变换，因此可蚍反映出信号的 局部特征。 但由于s t f t 的定义决定了其窗函数的大小和形状均与时间和频率无芙而保持周定不 变，这对于分析时变信号来说是不利的。高频信号一般持续时间很短，而低频信号持续时间 较长。因此，我们期望对于高频信号采用小时间窗对于低频信号则采用大时间窗进行分析。 在进行信号分析时，这种变时间窗的要求同s t f t 的固定时窗( 窗不随频率而变化) 的特性 是相矛盾的。这表明s t f t 在处理这一类问题时已无能力了。此外，在进行数值计算时，人 们希望将基函数离散化，以节约计算时间和存储量。但g a b o r 基无论怎样离散，都不能构成 一组正交基，因而给数值计算带来不便。 小波分析( w a v e l e t a n a l y s i s ) 是一种窗口大小固定不变但形状可改变，时间窗和频率窗都可以改变的时频局部化分析 的方法。即在低频部分具有较高的频率分辨率和较低的时间分辨率，在高频部分具有较高的 时间分辨率和较低的频率分辨率，所以被誉为数学显微镜。止是这种特性，使小波变换具有 对信号的自适应性。用小波基分解任意函数，具有优良的“变焦”性能。它是一种信号的时 间一尺度( 时间一频率) 分析方法，具有多分辩分析( m u l t i r e s o l u t i o n a n a l y s i s ) 的特点， 在时频两域都具有表征信号局部特征的能力，是一种窗口人小闰定不变但形状可改变，时问 窗和频率窗都可以改变的时频局部化分析的方法。 小波分析方法的出现可以追溯到1 9 1 0 年h a a r 提出h a a r 规范正交基，以及1 9 3 8 年 l i t t l e w o o d - p a l e y 对傅里f 级数建立的l - p 理论。为克服传统傅里叶分析的不足，在八十年 代初，便有科学家使用“小波”的概念来进行数据处理，比较著名的是1 9 8 4 年法国地球物 理学家m o d e t 引入小波的概念对石油勘探中的地震信号进行存贮和表示。在数学方面所做 的探索土要是r c o i f m a n 和gw e i s s 创立的“原子”雨l “分子”学说，这些“原子”和“分 子”构成了不同函数空间的基的组成部分。lc a r t e m n 使用了1 | 常象“小波”的函数构造了 9 s t e i n 和w e i s s 的空间日1 的无条件基。直到1 9 8 6 年，法国数学家m e y e r 成功地构造出了具 有一定衰减性的光滑函数妒，它的二进伸缩与平移钞j , t 忙) 一2 - _ ，2 妒【2 - j t 一七j ：j ，k z 构 成i g ) 的规范正交基。 l e m a r i e 和b a t t l e 继m e y e r 之后也分别独立地给出了具有指数衰减的小波函数。1 9 8 7 年， m a l l a t 利用多分辨分析的概念，统一了这之前的各种具体小波的构造，并提出了现今1 泛应 用的m a l l a t 快速小波分解和重构算法。1 9 8 8 年d a u h e c h i e s 构造了具有紧支集的正交小波基。 c o i l m a n ，m e y e r 等人在1 9 8 9 年引入了小波包的概念。基于样条函数的单正交小波基由崔锦 泰和王建忠在1 9 9 0 年构造出来。1 9 9 2 年a c o h e n ，1 d a u b e e h h i e s 等人构造出了紧支撑双正 交小波基。同一时期，有关小波变换与滤波器组之间的关系也得到了深入研究。小波分析的 理论基础基本建立起来。 设p o ) 工2 僻) ( l 2 表示平方可积的实数空间，即能量有限的信号空间) ，其傅立叶 变换为妒( ) 。当妒( ) 满足允许条件 印正簪 时，则称p o ) 为一个基本小波或母小波( m o t h e rw a v e l e t ) 。 啪肋= ( 肛一) 坩啦正m 曩字p 为，以f 为基的积分小波变换。其中 ，4 南f ( 半) 啪印。 它是由母函数f o ) 经伸缩和平移后，得到的一个小波序列。 a 为伸缩因子，b 为平移因子。 其逆变换为 ，o ) 。麦t + 正1 ( 啪) i ，( 学卜如 在实际应用中，尤其是在计算机上实现时，连续小波必须加以离散化。这一离散化都是 针对连续的尺度参数口和连续的平移参数b 的。 在连续小波中，考虑函数： 哪川n - i 2 w ( 等) 印r 铎赫 a = 口；，b = 妇j 6 0 ，这里，e z ，扩展步长4 0 1 是周定值，为方便起见，总是假定口o 1 。 对应的离散小波函数掣 o ) 即可写作 w ，= a i j 2 q j ( 半) a o j 2 1 l g o j t - k b o ) c 卅= 正厂o ) 吆( f 妞- ( ，) 厂( f ) = c c 肚掣，t 缸) f 是一个与信号无关的常数。 对尺度参数a 和平移参数b 离散化后，为了使小波变换具有可变化的时间和频率分辨 率，适应待分析信号的非平稳性，需要改变a 和6 的大小，以使小波变换具有“变焦距”的 功能。在实际中采用的是动态的采样网格。最常用的是二进制的动态采样网格即 a 。= 2 ，b o 。1 ，每个网格点对应的尺度为2 ，而平移为2 1 k 。由此得到的小波 平m o ) 12 - i 2 v 2 t k jj ，七z 称为二进小波。 二进小波对信号的分析具有变焦距的作用。假定有一放大倍数2 ，它对应为观测到信 号的某部分内容。如果想进一步观看信号更小的细节，就需要增加放大倍数即减小，值：反 之，想了解信号更粗的内容，则可以减小放大倍数，u p o n 大f 值。在这个意义上，小波变换 被誉为数学显微镜。 小波变换的时频窗口特性与短时傅里叶的时频窗口不一样。其窗口形状为两个矩形 6 一口妒，6 + n 妒 ( 土一a 妒) a ，( + + 妒) 口】，窗口中心为( 6 ，t0 9 。肛) ，时窗和 频窗宽分别为疗妒和妒a 。其中b 仅仅影响窗口在相平面时间轴上的位置，而口不仅影 响窗口在频率轴上的位置，也影响窗口的形状。这样小波变换对不同的频率在时域上的取样 步长是调节性的，即在低频时小波变换的时间分辨率较差，而频率分辨率较高；在高频时小 波变换的时间分辨率较高，而频率分辨率较低，这正符合低频信号变化缓慢而高频信号变化 迅速的特点。这便是它优于经典的傅里叶变换与短时傅里叫变换的地方。从总体上米说，小 波变换比短时傅里叶变换具有更好的时频窗口特性。 近年来，种新的构造小波基的方法一提升方案( l m a gs c h e m e ) 得到了重视。 m i i t l a b 以强大的科学计算与可视化功能，简单易用，特别是它附带有面向不同领域的 工具箱。本次小波变换的程序利用m a t l a b 语言编写。 第二节地球重力场模型 g r a c e 是美国航天局哥达德宇航中心( n a s a ) 和德国波茨坦地球科学研究中心( g f z ) 共同 开发研制的，g r a c e 计划已正式实施。它采用s s t 一1 1 ( s a t e l l i r et os a t e l l i t et r a c k i n gi n t h el o w - l o v a n o d e ) 技术，即同时发射两颗低轨道卫星( 低轨道是为了解决卫星高度处的重 力衰减问题) 在同一个轨道上，彼此相距1 0 0 4 0 0 k m ，一个“追踪”另一个。两者之间的相 对运动，即卫星间的距离变化用微波干涉仪极其精密地测量，用其一阶微分便可求得重力 加速度。同样两个飞行器上的非重力影响可以被测量或者被补偿。计划飞行期也是5 年。但 是，它所得到的静态和动态重力场的精度将此c i a 船高一个数量级。空闯解析度( 半波长) 将 为1 0 0 0 2 0 0k m 。g r a c e 的目的是提供一个前所未有的新的地球重力场模型。它主要应用于 固体地球物理学、海洋学和气象学问题，另外，主要用来研究重力场的时间变化。g r a c e 在固 体地球物理学中的几个应用( 孙文科，2 0 0 2 ) ：最精确的全球重力场模型及重力场变化：冰 后期反弹产生的慢变形：全球密度模型；动态地壳均衡：陆地岩石圈；地震灾害。 地球重力场模型是用球谐函数形式表示的地球重力扰动位的全球分布： r ；盟多f 生1 囊 - 删c o s ( r e x ) + ；“咖a ) p 哥- ( c o s o ) 口。怠lpj 崩。 。 其中，a 。：地球的赤道半径，g ：为万有引力常数，l f ：为地球质量，p ：为计算点到 地心的距离，a 为经度，口为地心余纬，掣( c o s o ) 为规格化缔合勒让德函数，c 。和j 。 是n 阶m 次地球重力位球谐函数规格化系数，简称位系数。 c 椭； c 肭 n 一2 玎一4 且，”0 ， c 2 0 一c 2 0 ， c 4 0 一c s 2s c 二和c 二0 为地球椭球系数