中国大陆2000—2007年重力场变化多尺度分解*

玄松柏 邢乐林 谈洪波 汪 健 申重阳 李 辉

(1)中国地震局地震研究所(地震大地测量重点实验室)，武汉 430071 2)武汉大学测绘学院，武汉430079)

中国大陆2000—2007年重力场变化多尺度分解*

玄松柏1，2)邢乐林1，2)谈洪波1)汪 健1)申重阳1)李 辉1)

(1)中国地震局地震研究所(地震大地测量重点实验室)，武汉 430071 2)武汉大学测绘学院，武汉430079)

利用小波变换方法将2000—2007年中国大陆重力场动态变化多尺度分解，获得不同小波尺度意义下的重力场动态累积变化。结果表明:1)一阶小波细节基本与构造活动无关;2)二阶小波细节较好地反映了青藏高原的隆升和汶川Ms8.0地震的孕育;3)三阶小波细节较好地反映了青藏高原的隆升及其内部物质向东运移、昆仑地震、汶川地震等较大尺度构造活动信息;4)三阶小波逼近较好地反映了印度板块对青藏高原的碰撞、太平洋板块向欧亚板块下的俯冲、华北地块现今运动趋势等大尺度构造活动信息。

重力场变化;小波变换;多尺度分解;构造活动;中国大陆

1 引言

覆盖中国大陆范围的重力测量包括20世纪90年代末开始实施的中国地壳运动观测网络和本世纪初开始实施的中国数字地震观测网络［1］，为地球空间环境及其变化、地球运动与动力学等研究领域取得的成果［2-7］提供了基础资料。

以往解释重力场变化时大多是基于整个重力场变化的过程，也有采用基于重力场变化反演［8，9］、解析延拓［10］等方法来判定地壳不同深度物质性质的改变机制或过程。若对重力场变化的不同成分进行分离，解释构造运动则更为直观。小波变换具有低阶细节不变的性质［11］，可将重力场变化分解为表示不同深度、不同尺度的信息源在地表产生的重力场变化，为解释重力场变化与深度、密度变化的关系提供了较为直观、可靠的方法［12～14］。本文利用中国大陆2000—2007年重力场动态累积变化进行小波多尺度分解，获得不同小波尺度意义下重力场动态变化，并结合中国大陆重点地区的典型构造活动，分析不同小波尺度意义下重力场变化特征的意义及两者相应关联。

2 重力场变化小波多尺度分解

2.1 重力场累积变化

利用中国地壳运动观测网络3期(2000、2002、2005年)和中国数字地震观测网络1期(2007年)的流动重力观测数据，获得在绝对重力控制下的相对重力联测的弱基准平差结果，具体重力数据处理方法与精度说明参见文献［1］。将结果中的2002、2005年和2007年数据分别减去2000年数据，获得2000年以来的2～3年尺度的重力场动态累积变化，即分别为2002、2005和2007年相对于2000年重力场变化，利用双调和样条插值方法［15］将离散数据网格化成(10°N～60°N，60°E～140°E)范围内的1°×1°规则数据(图1)。图1中较为明显的重力变化区为塔里木盆地、大华北地区、川滇地区、青藏地区等，基本显示了昆仑山口西Ms8.1地震的发生和发展、汶川Ms8.0地震的孕育、华北地区地壳运动、青藏高原地区隆升及其物质向东运移等国内外地球动力学研究领域的热点问题所对应的重力场变化特征。

2.2 重力场变化小波多尺度分解结果分析

利用小波分解的Mallat塔式算法［16］将2000—2007年中国大陆重力场变化进行多尺度分解，结果见图2～5。

图2为中国大陆2002、2005和2007年相对于2000年重力场变化一阶小波细节，主要反映了上地壳浅层因各种因素引起的重力场高频变化信息，大多数地区变化量级较小，这里不详细阐述。

图3为中国大陆重力场变化二阶小波细节，重力场变化有以下几个典型特征:1)图3(a)为2002年相对于2000年重力场变化二阶小波细节，重力变化幅值较小。青海省中部、郯庐地震带华北段存在小幅值负重力变化，内蒙东部、甘肃西部、四川西北部、河南南部存在小幅值正重力变化;2)图3(b)为2005年相对于2000年重力场变化二阶小波细节，相对于2002年重力变化幅值明显增强，主要表现在从湘鄂西-广西东北一线到拉萨由东向西分布着近南北向的正、负重力变化相间条带，在成都-昆明一线正重力变化最为明显;东北地区重力场变化呈现正负分异;3)图3(c)为2007年相对于2000年重力场变化二阶小波细节，中国大陆南部由东向西重力场变化正负条带愈为明显，川滇菱形块体以西负重力变化幅值达到-80×10-8ms-2以上，西藏高原约以95°E为轴心的南北向正重力变化亦达到80× 10-8ms-2左右。

图4为中国大陆重力场变化三阶小波细节，较二阶小波细节，三阶小波细节所反映的重力场变化更具有区域性，其主要表现如下特征:1)图4(a)为2002年相对于2000年重力场变化三阶小波细节，东北地区中部存在小幅值负重力变化，而其东部存在小幅值正重力变化;华北平原为正重力变化区;鄂尔多斯地块为负重力变化，云南北部为负重力变化，这两个负重力变化区中间的成都平原为正重力变化;青藏高原东缘地区正重力变化最为明显，从昆仑山口西到拉萨为南南东方向的负重力变化;存在较小幅值正重力变化的区域还有西藏西南和塔里木盆地;2)较之2002、2005年相对于2000年重力场变化三阶小波细节(图4b)引以注意的是青藏东缘的正重力变化向东移动至川西高原，其他地区基本为负重力变化区;东北地区东西重力变化分异;华北地区出现正负重力变化四象限分布形态;塔里木盆地地区正重力变化增加;3)图4(c)为2007年相对于2000年重力场变化三阶小波细节，与2005年相比，青藏高原负重力变化增强，北部的正重力变化与川西高原的正重力变化连成一片;华北地区正负重力变化四象限分布更加明显;塔里木盆地地区的正重力变化达到80×10-8ms-2以上。

图5分别为中国大陆2002、2005和2007年相对于2000年重力场变化三阶小波逼近，主要表现为西部、西南部为正重力变化区，且幅值逐渐增大;大华北地区为负重力变化区，极值逐渐向西北移动;华南地区重力变化较小。

图1 中国大陆重力场变化(单位:10-8ms-2;等值线间隔:20×10-8ms-2)Fig.1 Gravity field variations in China mainland(Unit:10-8ms-2;Contour interval:10×10-8ms-2)

图2 重力场变化一阶小波细节(单位:10-8ms-2;等值线间隔:10×10-8ms-2)Fig.2 First-order wavelet details of gravity field variations(Unit:10-8ms-2;Contour interval:10×10-8ms-2)

图3 重力场变化二阶小波细节(单位:10-8ms-2;等值线间隔:10×10-8ms-2)Fig.3 Second-order wavelet details of gravity field variations(Unit:10-8ms-2;Contour interval:10×10-8ms-2)

图4 重力场变化三阶小波细节(单位:10-8ms-2;等值线间隔:10×10-8ms-2)Fig.4 Third-order wavelet details of gravity field variations(Unit:10-8ms-2;Contour interval:10×10-8ms-2)

图5 重力场变化三阶小波逼近(单位:10-8ms-2;等值线间隔:10×10-8ms-2)Fig.5 Third-order wavelet approximations of gravity field variations(Unit:10-8ms-2;Contour interval:10×10-8ms-2)

3 重力场变化特征与构造活动

中国大陆构造活动呈现明显的分区分块特征［17-19］。不同阶次小波细节反映地下不同尺度、不同深度介质密度变化或形变信息，一般说来，一阶小波细节对应浅部环境变化引起的重力场高频变化，二阶小波细节对应上、中地壳介质运动引起的重力场变化，三阶小波细节对应中、下地壳介质运动引起的重力场变化，三阶小波逼近对应上地幔介质运动引起的重力场变化［11-13］。

3.1 青藏高原地区

青藏高原内部分为拉萨、羌塘、巴颜喀拉、昆仑、柴达木和祁连等块体［17，18］。受印度板块与欧亚板块碰撞后持续的向北推挤和楔入作用而形成隆升和强烈变形，其影响范围直达祁连山北缘和河西走廊盆地带，河西走廊盆地带南部发育着一系列近南北向的正断裂-地堑系，中部发育数条北西西走向的左旋走滑断裂，北部因受挤压和新疆断块区阻挡而表现为地壳缩短。2001年11月14日发生的昆仑山口西Ms8.1特大地震震中位于东昆仑断裂带上。

青藏高原的隆升主要为南部的拉萨和羌塘地块［17］，与二、三阶小波细节(图3、4)显示的拉萨附近负重力变化区相对应，特别是二阶小波细节反映出负重力变化不断增强，与绝对重力结果［20，21］较好吻合，说明因青藏高原隆升所引起的地下介质密度变化主要集中在中、下地壳。另外，印度板块插入青藏高原下方后因挤压造成高原物质增多、密度增加，使得三阶小波逼近(图5)显示青藏高原为正重力变化区。

2005年、2007年相对于2000年重力场变化三阶小波细节(图4(b)、(c))显示，在青藏高原内部重力场正负变化分界线基本与高原下地壳物质东流的主流线［22］一致。说明重力场变化三阶小波细节较好反映了青藏高原物质东流过程。在90°E左右的羌塘地块北边界处因受高原南部推挤和北部新疆断块区阻挡使得地下介质致密而呈现正重力变化，可以推断，下地壳物质向北推移止步于羌塘地块与巴颜喀拉地块边界的甘孜-玉树断裂带而转为SEE方向。

2002年相对于2000年重力场变化为昆仑山口西Ms8.1地震同震变化，其三阶小波细节(图4 (a))显示，震区呈现负重力变化区，西南部和东部呈现正重力变化区，特别是东北的大片高值正重力变化区。由于同震的近东西向左旋破裂运动，震源区的闭锁状态消失，中、下地壳介质向东和西南分异运移，阻挡了青藏高原北推作用，使得东部和西南部呈现正重力变化区，同时造成震区物质亏损导致震区呈负重力变化区。2005年相对于2000年重力场变化三阶小波细节无此现象，说明昆仑地震震后影响呈现逐渐减弱的趋势。

3.2 藏东和川滇地区

藏东和川滇地区包括川滇菱形块体、滇西南块体和羌塘块体东南部，受青藏高原物质向东运移和成都盆地刚性块体的阻挡而呈现顺时针旋转和南南东方向总体运动。2008年5月12日汶川Ms8.0地震发生在巴颜喀拉地块东边缘的龙门山断裂带上，是青藏高原地下物质向东运移的结果。

成都、昆明一线处在青藏、华南两大I级块体的边界构造带上［17］，纵观小波多尺度分解结果可以看出二阶小波细节(图3)和三阶小波细节(图4)中成都以西的南北向正重力变化趋势，二阶小波细节在2007年达到最大(图3(c))，三阶小波细节在2005年达到最大(图4(b))。这种趋势基本与成都基准台重力变化趋势［23］吻合。说明汶川Ms8.0地震前，成都盆地以西重力变化一直在增加，中、下地壳物质和能量处于逐渐累积的过程。重力场变化与汶川地震孕育研究表明:大震往往发生在正负重力变化梯级带上［7］，龙门山断裂带位于重力场变化二、三阶小波细节的正负梯级带，因此，可以认为汶川地震孕育在中、下地壳或其分解面上，是青藏高原下地壳物质向东运移的结果。

位于川滇菱形地块和羌塘地块交界的三江地区(澜沧江、金沙江、怒江)，处于青藏高原物质向东运移的通道之上［22］，使川滇菱形地块向南南东方向总体运动的构造背景下，地壳介质向南南东方向运移。二阶小波细节(图3)显示负重力变化逐渐增强，反映了物质运移过程，表明该过程发生在中、下地壳。

3.3 华北地区

华北地区包括鄂尔多斯、太行山、华北平原、河淮平原、阴山-燕山、胶辽、苏沪等块体［17］，是我国最古老的板块之一，经多次构造运动形成了风格迥异的构造单元。通过对中国大陆重力场变化多尺度分解结果可以看出，华北地区具有以下基本特征:

1)2005、2007年相对于2000年重力场变化三阶小波细节(图4(b)、(c))显示华北地区重力场变化大致以阴山-燕山一线和太行山为轴呈正负四象限分布形态，幅值逐渐增大，2000年至今没有强震活动发生，石家庄附近的地震危险性应值得注意。这种正负四象限分布可能是由鄂尔多斯-岷山地块下地壳物质向东运动受太行山阻挡而得以累积、阴山-燕山块体向NE方向运动、张家口-渤海断裂的左旋走滑［24］等构造活动的综合反映;亦或因日本海沟地震与华北地震同受西太平洋板块俯冲控制，两者存在着相关性［25，26］，日本海沟2003年发生的Mw8.0地震，此次地震加速了太平洋板块的西向俯冲，是华北地幔物质上涌［26］的结果，石家庄附近恰位于上地幔隆起区［27］。郯庐断裂带以西有较明显的负重力变化，可能说明其仍处于活动状态。

2)大华北地区三阶小波逼近(图5)最显著特征为逐渐增强的负重力变化，说明该区域深部物质为迁出状态，基本与GPS结果显示的现今华北地块因拉张而向SEE方向运动总体趋势［28］吻合。

3.4 其他地区

三阶小波逼近(图5)显示的西昆仑地区正重力变化是青藏高原向北推挤而不断累积的结果;塔里木盆地南为昆仑山，北为天山，因处于挤压环境下［17］应呈正重力变化，三阶小波细节(图4)对应此变化;三阶小波细节(图4)显示东北地区亦存在类似于华北地区的正负重力变化四象限分布形态，因该地区构造运动与华北地区一样受太平洋板块俯冲作用的控制［29］，同样可能是因2003年日本海沟Mw8.0级地震的影响;东北地区三阶小波逼近(图5)的正重力变化反映了因太平洋板块西向欧亚板块下深度俯冲挤压［1，19］的致密作用。

4 结束语

通过2002、2005、2007年相对于2000年3期中国大陆重力场动态累积变化的小波多尺度分解获得的不同小波尺度意义下的重力场变化，得到以下几点认识:

1)一阶小波细节反映地表及浅层高频信息，基本与构造运动无关;

2)二阶小波细节较好地反映了青藏高原的隆升、汶川Ms8.0地震等发生在中、下地壳的构造活动信息;

3)三阶小波细节较好地反映了发生在中、下地壳的青藏高隆升及其原内部物质向东运移、昆仑山口西Ms8.1地震同震效应、汶川Ms8.0地震震前物质与能量的累积等较大尺度构造活动信息;

4)三阶小波逼近较好地反映了印度板块对青藏高原的挤压、太平洋板块向欧亚板块下的俯冲、华北地块现今运动趋势等大尺度构造活动信息。

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WAVELET MULTI-SCALE DECOMPOSITION OF GRAVITY FIELD VARIATIONS DURING 2000—2007 IN CHINA MAINLAND

Xuan Songbai1，2)，Xing Lelin1，2)，Tan Hongbo1)，Wang Jian1)Shen Chongyang1)and Li Hui1)

(1)Key Laboratory of Earthquake Geodesy，Institute of Seismology，CEA，Wuhan 430071 2)School of Geodesy and Geomatics，Wuhan Universtiy，Wuhan 430079)

Dynamic gravity field variations during the period from 2000 to 2007 in China mainland are decomposed after the method of multi-scale decomposition of wavelet transform.The dynamic gravity field variations of the different-scale wavelet and the following results are drawn:1)The first-order wavelet details are independent of tectonic activities basically.2)The second-order wavelet details well reflect the uplift of Tibetan Plateau and the preparation of Wenchuan Ms8.0 earthquake.3)The third-order wavelet details well give information about larger scale tectonic activities，such as uplift and eastward mass flow of Tibetan Plateau，Kunlun earthquake and Wenchuan earthquake.4)The third-order wavelet approximations well give information about large-scale tectonic activities，such as the collision of India plate with Tibetan Plateau，the subduction of Pacific plate to Eurasian plate and the movement tendency of north China block.

gravity field variations;wavelet transform;multi-scale decomposition;tectonic activities;China mainland

1671-5942(2012)03-0007-10

2012-01-15

地震行业科研专项(201008007)

玄松柏，男，1980年生，博士生，助理研究员，主要从事重力场与重力反演研究.E-mail:song_bai_whu@163.com

P315.72+6

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