第25卷第4期 地球物理学进展 Vo1.25,No.4 2010年8月(页码:1233 ̄1239) PR0GRESS IN GEOPHYSICS Aug.2010 陈家联,张毅,陈超.广西地区卫星重力异常与区域地质特征.地球物理学进展,2010,25(4):1233~1239,DOI:10.3969/j. issn.1004-2903.2010.O4.011. Chen J L,Zhang Y,Chen C.Satellite gravity anomalies and regional geological characteristics in the Guangxi area.Progress in Geophys.(inChinese),2010,25(4):1233 ̄1239,DOI:10.3969/j.issn.1004—2903.2010.04.011. 广西地区卫星重力异常与区域地质特征 陈家联h。, 张毅 , 陈超 (1.广西地球物理勘察院,柳州545005;2.中国地质大学(武汉)地球物理与空闻信息学院,武汉430074) 摘 要 广西壮族自治区地处中国东南部大陆边缘活动带,属古生代扬子板块的南缘,东临华夏板块,西邻印支板 块,处在三大板块的结合部位.历史上火山运动剧烈,伴随不同时期的火山喷发及侵入作用,形成各种金属矿产,并且 明显受到断裂构造的控制.本文根据卫星重力、高程模型(EGM20o8),运用小波多尺度分析及水平梯度模量分析对广 西地区区域地质特征进行了相关讨论. 关键词 广西,卫星重力,小波多尺度分析,水平梯度模量,断裂 D0I:i0.3969/j.issn.1004—2903.2010.04.011 中圈分类号 P315 文献标识码 A Satellite gravity anomalies and regional geological characteristics in the Guangxi area CHEN Jia-lian 。 ZHANG Yi“。 CHEN Chao (1.Guangxi Geophysical Exploration Institute,Liuzhou 545005,China; 2.Institute of Geophysics and Geomatics, China University of Geosciences(Wuhan),Wuhan 430074,China) Abstract Guangxi lies in the southern Paleozoic Yangtze plate,located in the continental margin belt of southeastern China at the binding site of the Huxia plate and lndo—China plate.In history,with different periods of volcanic eruptions and intrusions,a variety of metal ores were formed,which were controlled by faults.Based on satellite gravity and the digital elevation model(EGM2008),by using the technology of wavelet multi-scale analysis and horizontal gradient modulus,we discuss the regional geological characteristics in the Guangxi area. Keywords Guangxi,Satellite gravity,Wavelet multi—scale analysis,Horizontal gradient modulus,Fault 0 引 言 据,各国科学家进行了大量的科学分析及研究,编制 了不同的全球及地区卫星重力异常图.和地面重力 从上世纪5O年代人类第一颗人造地球卫星进 测量比较,卫星重力测量不受地形等自然条件的影 入太空以来,卫星技术得到了迅猛的发展,其中专用 响,为解决全球高覆盖率、高精度、高空间分辨率和 重力卫星也相继发射升空,如2000年7月发射的 高时间重复率重力测量开辟了新的有效途径,不但 CHAMP卫星,2003年2月发射的GRACE卫星以 弥补了传统测量方法的不足,而且可以使地球重力 及2005年发射的GOCE卫星,并由此获得了大量 场的测定精度提高一个数量级以上,并可测定高精 的卫星地球重力数据.根据获得的卫星地球重力数 度的时变重力场口J. 收稿日期2009—09—15;修回日期2009—11-20. 基金项目 国土资源大调查计划项目资助. 作者简介陈家联,男,广西玉林人,汉族,1982年毕业于中国地质大学(武汉)应用地球物理勘察专业.2004年获中国地质大学(武汉)工程 硕士学位.现任广西地球物理勘察院院长、核工业柳州工程勘察院院长、广西地球物理学会秘书长、中国建筑学会工程物探专业 委员会委员.(E—mail:thenjialianl8@163.com) *通讯作者张毅,(E-mail:zhangyi一921@163.corn) 地球物理学进展 25卷 1 重力及数字高程模型EGM2008 (Earth Gravitational Model 2008) 及其周边地区地表数字高程模型.从图1中可以明 显看出,从广西西北部的云贵高原直至东南部的南 海地区,高程最高约2700 m,最低约一150 m,高差 接近3000 m,其地形高度总体上呈阶梯状向东南方 向递减;但在局部有部分隆起,如广西东部的都庞 EGM2008 是由美国国家地理空间情报局 (National Geospatial—Intelligence Agency,NGA)地 球重力场研发小组发布的官方版地球重力场模型, 它是综合利用地面重力数据、卫星测高数据、 CHAMP以及GRACE卫星跟踪数据获得了一系 岭、大瑶山隆起,东南部的六万大山、云开大山隆起 以及西南部与越南交界处的六诏山、十万大山隆 起等. 列全球高阶甚至超高阶地球重力场及高程模型.之 前的卫星重力模型如EGM84、EGM96以及 EIGEN—GL04C等球谐展开系数只有360阶,模型 空间分辨率只有0.5。×0.5。,约56 km;和这些模型 相比,EGM2008的球谐展开系数达到了2160阶,并 且还提供扩展到219O阶的扩展参数,模型的空间分 辨率约为5 x 5 ,约9 km.张兴福等 Io]通过GPS/ 水准高差检核法计算由EGM2008模型所得到的模 2 卫星重力异常布格校正 为了得到排除地形影响的布格重力异常,可以 利用球谐模型计算得到的自由空间重力异常及地表 数字高程模型进行布格校正.传统的重力测量主要 是沿着观测面的地形起伏而进行,因此无论观测点 高于或者低于基准点,其引起的引力效应总是使观 测值减小,即校正值和高程的符号无关,总为负 值 ll;而对于卫星重力,如图2所示,卫星轨道观测 面始终高于地球表面上任意一点,由于卫星重力布 格校正时计算高度必须高于研究区域的地形最高 点,因此布格重力异常的计算可以通过选择某个高 型高程异常的精度均优于其他模型,而且在地形起 伏大的区域,由该模型所得到的高程异常的精度提 高越明显. 通过EGM2OO8模型球谐计算,可以得到广西 m 图1 广西地区卫星地表数字高程模型。单位:m 澧线为r西边界 Fig.1 Satellite digital elevation model for the Guangxi area,unit:m The dash line represents the boundary of Guangxi 4期 陈家联.等:广西地区卫星重力异常与区域地质特征 于地球自然表面的球面S 上的自由空间重力异常, 再将地形起伏在此球面上引起的引力效应从中去 掉,最后获得此球面上的布格重力异常值,图2中高 于地球表面S的隆起处,其相对基准面S 的重力效 应为正,校正时需减去这部分重力异常,即校正值为 负;同时低于地球表面S的凹陷处,校正时需要将此 处填充与地壳同密度的物质,此时的校正值为正;很 明显,和常规布格重力校正不同,卫星布格重力校正 值符号和高程符号有关,且与高程符号相反. 图l中所示研究区域中地形最高处大约 2.7 km,图3给出了高度3 km处广西及其周边地 区卫星布格重力异常图,其中陆地区域的校正密度 为地壳平均密度2.67 g/cm。,而海洋区域则使用海 水的密度约为1.0 g/cm。.对比图1可以看出,布格 重力异常沿西北一东南方向呈阶梯状上升,基本上和 图2 卫星重力异常布格校正示意图 Fig.2 Bouguer correction for satellite gravity anomalies 地形高程呈负相关,体现了地壳的均衡效应. mGal 一一 圈隔三二=—■■■■■●I__■ 惦 帅 :g ∞ Ⅲ 懈 m 图3广西地区卫星布格重力异常(高度3 km),单位:mGal Fig.3 Satellite Bouguer gravity anomalies at 3kin height over the Guangxi area,unit:mGal 3 重力异常小波多尺度分析 重力资料是研究地质构造和岩石圈结构的重要 的基础性资料,而根据重力异常确定地下地质情况, 常.对重力场而言,需要划分深部莫霍面起伏和浅部 沉积层、密度异常体引起的重力异常.异常划分常采 用的方法主要有带通滤波法、移动平均、解析延拓以 及趋势分析等方法…],近年来,小波多尺度分析成 为一种新的有效划分位场的方法… . 其中一项至关重要的工作是如何划分区域及局部异 地球物理学进展 小波多尺度分析由Mallat于上世纪8O年代提 出… ,其基本原理如图4所示(以3层分解为例): 图4 小波多尺度分析模式图 Fig.4 Scheme of wavelet multi—scale analysis 对于信号_厂( )∈R,在尺度J下,可以通过尺 度函数A,得到信号的低频逼近部分A,f( ),通过 小波函数D,得到信号的高频细节部分D,f( ): .厂( )一A 厂( )+D L厂(-『), (1) 图6 广西地区卫星布格重力异常小波6阶细节 Fig.6 Wavelet analysis of Bouguer gravity,6-degrec details 对低频逼近部分A f( )还可以进行进一步分解, 即: ( )=A,/’( )+ D f( ), -:1 (2) 其中N为小波分解的最大阶数,其大小与信号及所 选用小波母函数的紧支集长度有关 】. 利用小波多尺度分析,重力异常可以分解成不 同空间尺度下逼近和细节异常,为区分区域、局部甚 至更细小尺度的异常提供了有力的工具. 由小波多尺度分析理论可知,逼近部分反映深 部异常,细节部分反映浅部异常,且随着分解层数的 增加,所反映的场源深度也在不断增加.运用小波变 换对前述卫星布格重力异常进行多尺度分析,分解 后1~5阶细节异常除了含有少部分的浅部异常特 图7广西地区莫霍面等深线图m],单位:km Fig.7 Depth contours of Moho in the Guangxi area, unit:km 征以外,大部分均为高频噪音,推测应该为卫星重力 数据的分辨率有限所致,浅部的高频异常不够丰富. 下图为小波分解得到的6阶逼近及细节异常. 图7中广西地壳从南、南东向北、北西逐渐增 厚,莫霍面在东南沿海最薄,仅厚29.5 km;在河 池一百色一线以西急剧变厚,从35 km增到三省交 界处44.5 km;总体从南、南东向北、北西倾斜,逐步 加深_1 .图5中所示布格异常的6阶逼近比较平 缓,由于去掉了浅部密度异常体的影响,和图7所示 莫霍面深度图相比,除广西中部区域仍然残存了部 分局部异常外,其他区域的负相关性十分明显,反映 了深部莫霍面起伏的特征.图6中布格异常的6阶 细节部分可以看出明显的串珠状负异常带,且多为 NE或NW走向;而负异常带往往对应于在地壳构 造运动最为剧烈的褶皱带,由于地壳的强烈震荡和 褶皱而形成巨厚的沉积建造,并在造山运动中回返 Fig.5 Wavelet analysis of Bouguer gravity, 6-degrec approximations 褶皱成山系,往往形成巨大的褶皱山系,而在广西地 区,褶皱带往往和断裂走向基本一致. 4期 陈家联.等:广西地区卫星重力异常与区域地质特征 4 卫星重力异常线性特征提取 一的断裂构造特征・ 5 卫星重力异常初步解释 图8中,广西地区主要区域断裂为2条**行 般来说。地质构造上的断裂带对应于重力异 常的梯度陡变带或梯级带.地下密度异常体边界及 各种线性和条带状轨迹.通常都表现有一定的空间 展布的NE向断裂,此类断裂切割整个岩石圈,其规 模巨大、延深很深、延伸很长,将整个广西地区划分 为3个主要的构造单元一西北部的扬子地块,中部 分布规律.由于重力水平梯度异常在垂直物性边界 的正上方取极大值,因此可以利用水平梯度模量及 其导数来确定地下断裂的位置【 I. 的华南活动带以及东南部的华夏地块,其中贺县一 荣县一北海断裂位于云开大山和大荣山一六万大山 之间,为华南活动带和华夏板块的分界线;而斜穿广 西中部,作为扬子板块和华南活动带的分界线的区 gradAg(x,y),一 可 域断裂则有许多争议 ,王汉荣1 门经过统计研究发 现至少有5种划分方案,图8中断裂沿龙胜一柳 州一隆安一崇左一线,与传统的三江一宜山一凭祥 断裂比较一致,与图7中莫霍面深度变化特征也比 较一致,基本位于其等深线梯度较大的位置;和图6 对比,断裂走向基本沿串珠状负异常带边缘,显示断 裂走向和地表褶皱带基本一致. 和上述2条主要区域性深大断裂不同,图8中 其他断裂无论规模、延伸等和上述断裂相比均较小, 仅切割地壳达到莫霍面,但是其对陆地山脉、沉积岩 相、岩浆活动和成矿作用控制明显,其沿线一般有基 图8布格重力水平梯度模量 Fig.8 Horizontal gradient modulus of Bouguer gravity anomalies 性一超基性岩和花岗岩分布.此类断裂主要有8条, 其中NE向3条.Nw向3条,近SN向2条. 5.1 NE向断裂 乐业一田林断裂可以视为云贵高原和广西地区 的分界线,其两端均向外延伸,从图5中可以看到, 断裂西南部延伸到越南境内后负异常梯度带急剧加 密,幅值迅速加大,图6中也显示有强烈的显示串珠 状负异常带,显示出其断裂深度沿西北向逐渐加深. 钟山一贵县断裂和灵山一上思断裂位于南丹一 马山一浦北断裂的两侧,其中灵山一上思断裂为钦 州残余海槽的西北界,钦州残余海槽是南华加里东 期裂谷带的残余海槽心 ],图5中看到区域内有重力 异常迅速向东南方向递增,反映为此处地幔厚度沿 同方向递增;钟山一贵县断裂以南为大荣山隆起带, 加上北部的大瑶山隆起,南部的云升隆起. 图9布格重力水平梯度模量垂向导数 Fig.9 Vertical derivative of horizontal gradient modulus of Bouguer gravity anomalies 5.2 NW向断裂 龙州一宁明断裂向西北延伸进入云南境内.可 以认为是印支板块与整个华南地区的分界线,断裂 两边的负异常带应为印支板块沿NE向俯冲过程中 同时,对水平梯度模量做垂向导数,可以提高其 分辨率.对比图8,图9中所示重力异常线性特征更 形成的褶皱带.田林一隆安断裂主要将桂西隆起带 分成2个比较明显的地表褶皱带. 南丹一马山一浦北断裂基本上和区域大断裂龙 加明显,结合图6及高程延拓可以提取出广西区域 4期 陈家联,等:广西地区卫星重力异常与区域地质特征 l239 测绘科学,2001,26(3):1~3. 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