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巴东-秭归地区地壳密度反演及其构造特征

王泽 吴云龙 张毅 姚运生

王泽, 吴云龙, 张毅, 姚运生. 巴东-秭归地区地壳密度反演及其构造特征[J]. 武汉大学学报 ● 信息科学版, 2020, 45(11): 1763-1770. doi: 10.13203/j.whugis20190344
引用本文: 王泽, 吴云龙, 张毅, 姚运生. 巴东-秭归地区地壳密度反演及其构造特征[J]. 武汉大学学报 ● 信息科学版, 2020, 45(11): 1763-1770. doi: 10.13203/j.whugis20190344
WANG Ze, WU Yunlong, ZHANG Yi, YAO Yunsheng. Crustal Density Inversion and Its Tectonic Structure in Badong-Zigui Area[J]. Geomatics and Information Science of Wuhan University, 2020, 45(11): 1763-1770. doi: 10.13203/j.whugis20190344
Citation: WANG Ze, WU Yunlong, ZHANG Yi, YAO Yunsheng. Crustal Density Inversion and Its Tectonic Structure in Badong-Zigui Area[J]. Geomatics and Information Science of Wuhan University, 2020, 45(11): 1763-1770. doi: 10.13203/j.whugis20190344

巴东-秭归地区地壳密度反演及其构造特征

doi: 10.13203/j.whugis20190344
基金项目: 

国家重点研发计划 2018YFC1503503-01

国家自然科学基金 41931074

国家自然科学基金 41572354

国家自然科学基金 41974096

国家自然科学基金 41704082

湖北省自然科学基金 2017CFB435

中国地震局地壳应力研究所基本科研业务费专项 IS201616249

国家国防科技工业局民用航天技术预先研究项目 D010103

详细信息
    作者简介:

    王泽,硕士生,主要从事重力数据处理及地球内部结构特征研究。wangze_geo@163.com

    通讯作者: 吴云龙,博士,副研究员。yunlongwu@gmail.com
  • 中图分类号: P237

Crustal Density Inversion and Its Tectonic Structure in Badong-Zigui Area

Funds: 

The National Key Research and Development Program of China 2018YFC1503503-01

the National Natural Science Foundation of China 41931074

the National Natural Science Foundation of China 41572354

the National Natural Science Foundation of China 41974096

the National Natural Science Foundation of China 41704082

the Natural Science Foundation of Hubei Province 2017CFB435

Special Project of Basic Scientific Research Operating Expenses of Institute of Crustal Stress, China Seismological Administration IS201616249

the Pre-research Project of Civil Aerospace of State Administration of Science, Technology and Industry for National Defense D010103

More Information
    Author Bio:

    WANG Ze, postgraduate, specializes in gravity data processing and study of internal structural characteristics of the Earth. E-mail: wangze_geol@163.com

    Corresponding author: WU Yunlong, PhD, associate professor. E-mail: yunlongwu@gmail.com
图(6) / 表(1)
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出版历程
  • 收稿日期:  2019-09-12
  • 刊出日期:  2020-11-19

巴东-秭归地区地壳密度反演及其构造特征

doi: 10.13203/j.whugis20190344
    基金项目:

    国家重点研发计划 2018YFC1503503-01

    国家自然科学基金 41931074

    国家自然科学基金 41572354

    国家自然科学基金 41974096

    国家自然科学基金 41704082

    湖北省自然科学基金 2017CFB435

    中国地震局地壳应力研究所基本科研业务费专项 IS201616249

    国家国防科技工业局民用航天技术预先研究项目 D010103

    作者简介:

    王泽,硕士生,主要从事重力数据处理及地球内部结构特征研究。wangze_geo@163.com

    通讯作者: 吴云龙,博士,副研究员。yunlongwu@gmail.com
  • 中图分类号: P237

摘要: 巴东-秭归盆地位于三峡地区西部,南侧为雪峰山厚皮构造带,北侧为秦岭造山带,东部近邻黄陵背斜,西部为四川盆地的东延部分。巴东-秭归盆地为南北轴向的向斜构造,盆地内沉积物以晚三叠-晚侏罗世沙泥质岩为主,特殊的构造环境造成盆地内构造活动强烈。利用三维重力反演,得到巴东-秭归一线及邻区地下三维密度结构。结果表明:秭归盆地较周边区域密度更低,东部沉积厚度较西部深,沉积密度较西部小,区内中小地震基本集中在地下4~12 km,沉积活动强烈;盆地内有东部低密度物质向西部搬运进积,同时受到四川盆地的向东延伸挤压,推测盆地内有东西相互运动挤压的趋势。

English Abstract

王泽, 吴云龙, 张毅, 姚运生. 巴东-秭归地区地壳密度反演及其构造特征[J]. 武汉大学学报 ● 信息科学版, 2020, 45(11): 1763-1770. doi: 10.13203/j.whugis20190344
引用本文: 王泽, 吴云龙, 张毅, 姚运生. 巴东-秭归地区地壳密度反演及其构造特征[J]. 武汉大学学报 ● 信息科学版, 2020, 45(11): 1763-1770. doi: 10.13203/j.whugis20190344
WANG Ze, WU Yunlong, ZHANG Yi, YAO Yunsheng. Crustal Density Inversion and Its Tectonic Structure in Badong-Zigui Area[J]. Geomatics and Information Science of Wuhan University, 2020, 45(11): 1763-1770. doi: 10.13203/j.whugis20190344
Citation: WANG Ze, WU Yunlong, ZHANG Yi, YAO Yunsheng. Crustal Density Inversion and Its Tectonic Structure in Badong-Zigui Area[J]. Geomatics and Information Science of Wuhan University, 2020, 45(11): 1763-1770. doi: 10.13203/j.whugis20190344
  • 巴东-秭归一线处于湘鄂川薄皮构造区,该区南侧为扬子板块,北侧邻近秦岭造山带,西部为四川盆地,东部近邻黄陵背斜,整个区域南北向受秦岭及雪峰山的挤压,东西向受四川盆地延伸和黄陵背斜的夹持,区内岩石薄弱沉积层及多层滑脱褶皱,加之三峡库水多年渗透,为该区地震活动的孕育与发生形成了一种独特的地质环境[1-4]。自三峡蓄水以来,地震事件频发,且多以小震群出现。巴东-秭归一线发生了两次破坏性地震,分别为1979年宜昌秭归5.1级地震和2013年巴东县5.1级地震;在巴东5.1级地震震中东南侧,于2017年6月16日和18日接连发生4.3和4.1级地震。地震活动频发与该区域特殊地质构造背景以及三峡库水渗透密切相关[5-7]

    已有研究表明[2],地震的孕育与发生与地下断裂结构的分布与活动有关,而地壳三维密度的分布与变化也反映了地下物质活动性的规律。本文采用基于拉格朗日乘子法约束的三维重力反演方法,对布格重力异常数据进行预处理后,结合当地地质及地球物理资料反演了研究区域的地壳密度三维分布及特征,并对该区域的地下物质迁移规律与地震活动性关系进行了探索。

    • 本文采用的反演理论是在Li和Oldenburg模型[8-10]目标函数三维重力反演算法的基础上,通过使用文献[11]提出的拉格朗日乘子法添加地质约束条件,进行三维联合约束反演。该算法通过添加地质先验信息进行约束反演,有效解决了反演过程中的不适定和多解性问题,提高了反演密度模型的质量。

      该反演算法利用地表布格重力异常数据反演观测区域地下三维密度结构模型,因此需将反演地下区域划分为一系列长方体单元,每个单元内密度恒定。反演是一个优化迭代获得最优解的过程,当达到全局最优时,迭代终止;Li和Oldenburg提出的反演目标函数[8-10],不仅使目标模型和参考模型之差达到最小化,而且充分拟合观测数据:

      $$ {\rm{min}}:\phi \left( m \right) = {\phi _d} + \mu {\phi _m} $$ (1)

      式中,ϕ(m)为反演目标函数;ϕd为数据拟合差;ϕm为模型目标函数;μ为正则化参数,用来平衡两项的权重。在上述反演目标函数的基础上,对每个网格单元进行地质约束,引入松弛变量函数[11]

      $$ {s_i}\left( {m, z} \right) = {s_i}\left( m \right) + z_i^2 = 0 $$ (2)

      式中,si(m, z)为松弛变量函数;zi表示每个单元的松弛变量;si(m)表示约束函数,形式为:(1)当m=m0时,si(m)=m-m0;(2)当m>m1时,si(m)=m1-m;(3)当mm2时,si(m)=m-m2。其中,m0m1m2分别表示物性约束中的等值以及不等值的下界和上界。

      在此基础上再引入拉格朗日乘子和惩罚函数,得到最终反演目标函数:

      $$ \begin{array}{*{20}{l}} {{\rm{min}}:F\left( {m, z} \right) = \phi \left( m \right) + \mathop \sum \limits_{i = 1}^{{N_Z}} {\lambda _i}[{s_i}\left( m \right) + }\\ {z_i^2] + \frac{M}{2}\mathop \sum \limits_{i = 1}^{{N_Z}} {{[{s_i}\left( m \right) + z_i^2]}^2}} \end{array} $$ (3)

      式中,F(m, z)为添加约束后的反演目标函数;λ表示拉格朗日乘子;M表示惩罚函数;Nz表示松弛变量的个数。

      在每一次迭代优化过程中最优化函数式(3),同时求解密度和松弛变量。

    • 鄂西巴东-秭归盆地是长江三峡地区重要的构造单元,该区域是三叠纪末-侏罗纪初发展成型的中生代构造盆地,主要由侏罗系陆相和中上三叠统滨海相碎屑岩组成[12]。盆地西部和南部大面积为海相碳酸盐岩沉积地层,东部以碳酸盐岩为主,夹细碎屑岩石,东部黄陵背斜和北部的神农架隆起主要由元古界崆岭群片麻岩、混合岩和花岗岩组成[13];反演区域内岩石分布及其密度参数见表 1。从表 1中可看出,片麻岩和以白云岩为主的碳酸盐岩属于低密度物质,密度约为2.58~2.75 g/cm3;白云岩、花岗岩以及变质杂岩为高密度物质,密度约为2.7~3.2 g/cm3[14],由这些岩石物性资料便可对反演做出一定约束。

      表 1  巴东-秭归一线地层分布及岩性参数

      Table 1.  Stratigraphic Distribution and Lithologic Parameters in Badong-Zigui Region

      区域划分 岩性及密度参数
      地层分布及岩石参数 秭归盆地西部、南部 出露中、下三叠统大冶组,嘉陵江组和巴东组海相碳酸盐岩沉积地层[13],密度约为2.6~2.9 g/cm3
      秭归盆地东部区域 以白云岩为主的碳酸盐岩,和夹杂细碎屑岩的沉积地层[13],密度约为2.58~2.75 g/cm3
      秭归盆地北部区域 以古生界海相地层为主[13],密度大约为2.62~2.68 g/cm3
      神龙架隆起区域 主要出露中元古界古生界,岩性主要以白云岩为主的海相碳酸盐岩、火山碎屑岩、凝灰质砂岩及页岩[14],密度约为2.7~2.9 g/cm3
      黄陵背斜区域 以黄陵花岗岩、元古界崆岭群片麻岩和变质杂岩为主[15-16],片麻岩密度约为2.5~2.8 g/cm3,花岗岩约为2.73~3.2 g/cm3

      图 1为巴东-秭归盆地及邻区的数字高程模型以及反演区域内的地震和断裂构造分布图。其中,F1为高桥断裂,F2为牛口-周家山断裂,F3为马鹿池断裂,F4为新华-水田坝断裂,F5为雾渡河断裂,F6为仙女山断裂,F7为天阳坪断裂,F8为九畹溪断裂。从图 1中可看出,巴东-秭归一线处于低中山区,峡谷深切,区域内断裂构造主要以北东(north east,NE)、北西(north west,NW)向为主,如北北东(north north east,NNE)向的新华-水田坝断裂和牛口-周家山断裂、NE向的高桥断裂/NW向的雾渡河断裂和天阳坪断裂以及北北西(north north west,NNW)向的仙女山断裂、东西(east west,EW)向的马鹿池断裂和秭归向斜。从地震分布来看,巴东-秭归一线中小地震主要集中在高桥断裂、周家山断裂及仙女山断裂附近,在泄滩乡附近发生过两次5.1级地震,有研究报告将周家山断裂作为1979年秭归龙会观5.1级地震的发震构造[15];从空间上看,该区域内中小地震主要集中于上述断裂所围限构成的楔形构造单元内。

      图  1  巴东-秭归及邻近地区数字高程模型及主要地震、断裂构造分布

      Figure 1.  Digital Elevation Model and Major Earthquake and Fault Distribution in Badong-Zigui and Adjacent Areas

    • 图 2为巴东-秭归及邻近区域布格重力异常,数据来自中国地质调查局,比例尺为1:20万。从图 2中可知,巴东及其邻近区域位于呈NNE走向延伸的太行-武陵重力异常梯级带上,布格重力异常整体上为负异常,异常值自西北向东南方向逐渐增加,呈现东南-西北弧形分布[16]。在十堰-保康-秭归-五峰一线,布格重力异常等值线密集;远离梯级带的东西两侧,重力异常等值线变化趋于平缓,多为局部性的圈闭形态;整个跨越南北的NNE向梯级带的存在表明地下深部存在较大规模的构造变异带,自新构造期以来,整个区域一直表现为大型、连续的拱曲隆起,区内现代地形构造格局、浅源地震活动均受区内断裂控制[2]

      图  2  巴东地区布格重力异常(虚线部分为反演区域)

      Figure 2.  Bouguer Gravity Anomaly in Badong Region(The Dotted Line Denotes the Inversion Area)

      本文利用5阶最小二乘多项式拟合法[17],将研究区域布格重力异常分离为区域布格重力异常(图 3(a))和局部重力异常(图 3(b))。图 3(a)中分离出的区域布格重力异常与该区域的莫霍面起伏基本对应[16-17],可明显看出该区域莫霍面埋深自东向西逐渐加深,在平利-镇坪-巫溪一带负重力异常比较大,莫霍面较深,表明大巴山山脉底下存在山根。使用最小二乘多项式拟合法分离出的局部布格重力异常,可认为是由地下剩余密度引起的。

      图  3  巴东地区区域重力异常和局部重力异常

      Figure 3.  Regional Gravity Anomaly and Local Gravity Anomaly in Badong Region

      图 3(b)中可看出,反演区域及附近存在秭归盆地晚三叠-晚侏罗世沙泥质岩沉积体导致的低重力异常,在其右侧,是呈马蹄状的黄陵背斜引起的高重力异常,以及西北侧神龙架隆起引起的高重力异常。研究及调查表明,盆地沉积物有由周缘向盆内迁移剥蚀的特点,且秭归盆地是四川盆地向东呈海湾过渡性延伸入三峡地区,垂向上具有海陆交互相-陆相沉积规律[18]

    • 选取图 3(b)中的黑色框区域为反演区域。反演区域东西及南北向长度均为170 km,深度30 km;在三维约束反演过程中,将反演区域划分为34×34×15的长方体模型网格,单个网格大小为5 km×5 km×2 km。根据式(3),在反演过程中,惩罚因子初始值设为1.0×10-6,深度加权函数系数根据先验值设为2,反演迭代收敛阈值设为1.0×10-8。根据§2.1中对反演区域地质信息的分析,对所有反演网格单元统一设定密度约束下界m1为2.58 g/cm3,密度约束上界m2为2.90 g/cm3;同时代入不同的正则化参数β进行迭代计算,得到Tikhonov曲线,选取拐点处的正则化参数,使得模型复杂度和数据拟合差同时最优,得到如图 4所示的地下密度结构分布图。

      图  4  巴东-秭归地区地下密度结构

      Figure 4.  Underground Density Structure of Badang-Zigui Region

      图 4(a)为地下0~2 km深度的密度反演结果。由于位场反演过程中会产生“趋肤效应”,该深度利用了文献[19]的地下0~2 km三维成像结果作为约束。该深度密度结构分布均匀,在巴东-泄滩乡-秭归西南侧有小块低密度区域,密度约为2.62~2.64 g/cm3;在秭归-三斗坪东北方有一块高密度区域,密度约为2.67~2.692 g/cm3。结合图 4(b)进行分析,这两处应是秭归盆地和黄陵背斜在地表浅层的反映。

      图 4(b)为地下4~6 km深度的密度反演结果。“心型状”秭归盆地、“马蹄状”黄陵背斜及神龙架隆起清晰可见;雾渡河-三斗坪-长阳一线的红色高密度区为黄陵背斜,反演密度为2.69~2.725 g/cm3,中部有一近似椭圆的低密度区,该区域正是三峡大坝所在地;蓝色低密度区域的秭归盆地为侏罗系碎屑岩形成的沉积层[13],反演密度为2.6~2.64 g/cm3。从图 4(b)中可看出,呈高频度、低震级的震源主要分布在秭归盆地沉积层中,在秭归盆地与黄陵背斜的中间区域也集中分布大量震源,且有两次4级以上地震发生,这些地震的诱发可能与黄陵背斜在缓慢隆升和秭归盆地相对沉降有关。2013-12-16巴东县发生5.1级地震,震中如图 4(b)中红点所示,在此震源西侧的龙会观也发生5.1级地震,这表明秭归盆地构造运动强烈。盆地西北方的高密度区域为神龙架隆起,属于一个大型背斜构造,主体以碳酸盐岩为主,并夹杂多层碎屑岩层的地质结构[20],反演密度为2.69~2.72 g/cm3

      图 4(c)为地下8~10 km深度的密度反演结果。秭归盆地、黄陵背斜等轮廓与图 4(b)中差不多。黄陵背斜和神龙架隆起的反演密度值均较图 4(b)中变小,反演密度约为2.69~2.705 g/cm3,表明两个背斜的基底逐渐变浅;秭归盆地密度约为2.62~2.64 g/cm3,且兴山一带密度比巴东一带小,表明盆地沉积不均匀。从图 4(c)中可看出,此深度区域内地震大多集中在黄陵背斜和盆地中间以及盆地西部边缘地区。

      图 4(d)为地下14~16 km深度的密度反演结果。神龙架隆起、黄陵背斜与秭归盆地的界限依旧分明,黄陵背斜的反演密度值约为2.675~2.69 g/cm3,相比图 4(b)4(c)中的反演结果,幅值明显减小,结晶基底进一步凸显。秭归盆地轮廓明显缩小,反演密度值约为2.63~2.65 g/cm3,在巴东附近,沉积底部基本凸显,与周围密度接近;兴山附近密度值偏小,表现出秭归盆地自西向东变深,结合前人地质研究,在黄陵和神龙架两个隆起之间存在一条北东向古河流,大约是新华镇-兴山方向,该河流自北东向南西方向不断为盆地提供物质,供其沉积填充[18]。这可能是造成盆地东部较西部密度低、基底深的原因,盆地西部沉积物质也应是东部兴山-新华镇一带侵蚀而来。

      图 4(e)4(f)为地下16~18、18~20 km深度的密度反演结果,表明秭归盆地和黄陵背斜两个构造单元的底部基本达到最深,秭归盆地沉积深度约为13~16 km,黄陵结晶基底约为15~19 km,大于文献[21]、文献[19]层析成像结果反演的构造深度。因为在利用基于拉格朗日乘子法的位场反演算法反演异常体的过程中,由于L2范数的光滑效应,异常体反演幅值偏小且较平缓,使得能量不聚焦,造成反演的异常体轮廓会略微“膨胀”。

      2013-12-16,巴东县发生5.1级地震,震源位于(110.44°E,31.09°N),图 5图 6分别为震源处110.44°E北南(north south,NS)向、31.09°N EW向的垂向剖面图。图 5为震源处NS方向垂直剖面图,即图 4(b)中虚线a所示,该剖面穿过秭归盆地和神龙架隆起。可以看出,秭归盆地大约沉积到13~16 km,而神龙架隆起结晶基底最深达到20 km左右,且两者均呈椭球状。此外,秭归盆地沉积从南到北,深度由浅变深再变浅,且在大约5~8 km处有一明显低密度区,巴东地震震源恰好位于此低密度区上界,同时1979年秭归龙会观地震也处于秭归盆地沉积下界处,由此推断密度变化梯度大的地方容易引发地震;且从图 5中可看出,这两次中强震均在高桥断裂及牛口周家山断裂的包裹中,区域性断裂的地质构造,加之秭归盆地西低东高的沉积演化,区内沉积深度4~12 km的中小地震频发,物质迁移活动强烈。

      图  5  巴东地震震源处NS向110.44°E垂直剖面

      Figure 5.  Vertical Section of NS Direction(110.44°E) at the Source of Badang Earthquake

      图  6  巴东地震震源处EW向31.09°N垂直剖面

      Figure 6.  Vertical Section of EW Direction(31.09°N) at the Source of Badang Earthquake

      图 6为震源处EW方向垂直剖面图,即图 4(b)中虚线b所示。从图 6中可以清楚看出,秭归盆地沉积范围主要在新华断裂以西约止于巴东,自西向东沉积厚度加深,且东部沉积物密度偏小,向西物质密度逐渐增大;已有研究表明,盆地内沉积物具有自东向西由盆地边缘向盆地内部搬运进积的特点[18]。盆地北向和东向受到两个背斜的夹持,西部有四川盆地的延伸,东部物质密度小,向西部扩散,整体使得盆地具有自东向西相互运动挤压的规律,与巴东地震的震源机制解[22]吻合。从图 4(b)4(c)中可以看出,秭归盆地内的中小地震均集中在地下5 km和10 km附近。结合图 6可明显看出,地下5 km和10 km基本是秭归盆地的沉积上界和下界,与周围物质密度差异大,这表明地震更容易发生在物质密度变化大的区域。

    • 本文利用巴东-秭归地区的布格重力异常数据,依据拉格朗日乘子法约束进行三维密度反演,得到秭归盆地、部分黄陵背斜及神龙架隆起的地下密度结构。结果显示,秭归盆地沉积层厚度西浅东深,且东部沉积物的密度较西部小,在兴山-泄滩乡一地有一明显低密度区,这与位于神龙架隆起和黄陵背斜间的北东向古河流不断为盆地提供填充物质有关。秭归盆地沉积活动强烈,区内4~12 km内集中了大部分中小地震,2013-12-16巴东县发生5.1级地震,在此震源NE向10 km处,1979年也曾发生5.1级地震,表明该地区有诱发中强震的地质构造背景。从地质学角度分析,在早侏罗世-中侏罗世早期,秭归盆地北缘存在自北向南(即秦岭造山带方向)古水流,为盆地沉积提供物源[14];在中侏罗世晚期-早白垩世期间,在神龙架隆起和黄陵背斜之间的NE向古河流,不断为盆地沉积填充提供物源,该沉积阶段为秭归盆地充分沉积时期[14, 18]。在本文反演结果的基础上,可推测这些物源受到南部高密度岩体阻挡,进而沿泄滩乡-巴东方向侵蚀到盆地西部,形成了盆地东部物质密度小、沉积更深的结构;同时,秭归盆地西部属于四川盆地呈海湾深入湖北境内[18],在两种地质作用下,推测秭归盆地在持续沉积下降的同时,整体会出现东西相互运动挤压的趋势。秭归盆地沉积最深处约为13~16 km,黄陵背斜约为19 km,这比前人利用地震波及其他联合反演的结果要大,这是由于本文算法中利用了L2范数而产生的光滑效应。

参考文献 (22)

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