首都圈及鄰區均衡重力異常研究*

唐新功

(油氣資源與勘探技術教育部重點實驗室(長江大學)，荊州 434023)

首都圈及鄰區均衡重力異常研究*

唐新功

(油氣資源與勘探技術教育部重點實驗室(長江大學)，荊州 434023)

利用首都圈地區的高精度高程數據，通過Airy均衡補償模型計算出莫霍面的深度，進一步運用Parker公式計算出地殼所產生的重力異常值。然后從實際布格重力異常觀測值中減去均衡校正值，得到該地區的均衡異常值。通過對首都圈地區的均衡重力異常進行分析，討論了該地區的均衡狀態。研究結果表明，首都圈大部分地區基本處于重力均衡狀態，非均衡區域多集中在首都圈的西部和北部山區。

首都圈地區;Airy均衡模型;均衡異常;布格重力異常;高程數據

1 引言

首都圈及鄰近(34°～43°N，112°～120°E)位于中國華北活動地塊的北部，該區歷史上曾經發生過多次大地震。據不完全統計，自有記載以來共發生8級以上地震1次，7級以上地震7次，6級以上地震20次，5級以上地震47次。其中，1679年9月2日的三河-平谷8.0級地震［1］，對北京造成了烈度8度以上的影響。因此，作為我國地震重點監視防御區，研究首都圈及鄰近地區的構造背景場特征及孕震發震規律，對于加強首都圈地區地震監視防范，搞好首都圈防震減災工程建設，進一步提高首都的防震減災能力，具有非常重大的意義。

首都圈及鄰近地區包括燕山-陰山隆起區、太行-五臺隆起區和華北平原區3個不同的新構造單元［2］。該區應力場主要受來自印度板塊的擠壓和應力場的右旋拉張作用［2-4］，大陸構造活動比較活躍。過去已有人對首都圈地區的構造運動及影響做過一些研究［5-7］，但針對首都圈地區的均衡重力異常尚缺少系統研究。本文將從重力均衡的角度，利用首都圈地區高精度的高程觀測數據，通過均衡模型得到首都圈地區的均衡異常，并結合該地區的地質構造背景，對首都圈地區的構造運動和形成原因進行探討。

2 理論模型及計算

根據Airy均衡補償模型，高度為h的大陸，其山根的深度為：

其中ρc和ρm分別為地殼和地幔密度，通常分別取為2 670 kg/m3和3 270 kg/m3，對于研究區，可得

若H0代表正常地殼厚度，參照大陸平均值取35 km，則該地區莫霍面的深度為：

求均衡異常值的公式為：

式中δg均衡校正為使用Parker公式［8］計算。

3 計算結果及討論

圖1為首都圈及鄰區的實測布格重力異常圖。由圖1可見，以太行山、燕山重力梯度帶為界，布格重力異常呈現NE-SW向條帶狀分布。條帶以西隆起區的異常值均為較大的負值(最低約為-140× 10-5ms-2)，表明西北部莫霍面較深。條帶以東布格重力異常值整體較大，表明莫霍面較淺。

通過使用首都圈地區高精度地形數據(高程數據來源于GTOPO30，分辨率為30弧度秒)計算出的山根深度如圖2，山根產生的重力值的分布如圖3，均衡重力異常值的分布如圖4。

從圖4可見，大部分地區基本達到了均衡。但仍然有部分地區如張家口至邢臺之間部分地區還未完全均衡。

圖1 首都圈地區觀測布格重力異常等值線(單位：10-5ms-2)Fig.1 Bouguer gravity anomaly map of Capital Circle area(unit：10-5ms-2)

圖2 首都圈地區莫霍面深度等值線分布(單位：km)Fig.2 Moho depth distribution calculated from Airy isostasy model of Capital area(unit：km)

圖3 首都圈地區莫霍面變化產生的重力場分布(單位：10-5ms-2)Fig.3 The gravity field calculated from variation of Moho of Capital Circle area(unit：10-5ms-2)

根據文獻［9］關于均衡異常值不大于±20× 10-5ms-2為均衡的觀點，首都圈地殼大部分已基本達到或接近均衡狀態。從圖4可見，首都圈地區均衡異常區總體上分為東部基本均衡和西部非均衡兩大區塊，其中比較明顯的地區如太行山構造帶及其山前區域，燕山-陰山構造，秦嶺等地區，目前仍處于欠均衡狀態。這與羅照華等［10］的研究結論基本一致。

圖4 首都圈地區均衡重力異常圖及地震分布(單位：10-5ms-2)Fig.4 Isostatic gravity anomaly and earthquake distribution of Capital Circle area(unit：10-5ms-2)

從圖4還可看到，地震多發地區大都處于均衡異常變化梯度帶，如唐山、北京、張家口、大同地區，太行山東緣的石家莊、邢臺一帶，山西地塹的東緣等地區，地震震級大，強度高。過去的研究表明，均衡異常和地震活動性關系密切，強震多發生在均衡異常梯度值大或者正負異常交替的地帶，以及異常走向發生變化而均衡狀態無明顯變化的地區，Simpson等［11］用均衡異常研究美國整個大陸的均衡重力異常時，也發現了地震大都沿著均衡異常的梯度帶發生的規律。

4 結論

根據Airy均衡模型，使用高精度的數字地形數據計算首都圈及鄰區的均衡改正值，并利用布格重力異常值得到了均衡異常值。結果表明，東部大部分地區基本處于重力均衡狀態，西部和北部的一些地區多處于非均衡狀態。從重力均衡的角度來看，目前首都圈周邊地區尤其是西北部地區仍處于構造活動期。

致謝 感謝國家地理信息中心提供重力數據!

1 吳晶，等，首都圈西北部地區地殼介質地震各向異性特征初步研究［J］.地球物理學報，2007，50(1)：209-220.(Wu Jin，et al.Seismic anisotropy in the crust in northwestern capital area of China［J］.Chinese J Geophys，2007，50 (1)：209-220)

2 周曉燕，楊國華，韓月萍.華北近十年來水平運動動態與地震活動危險區的討論［J］.華地震科學，2002，20(4)：28-33.(Zhou Xiaoyan，Yang Guohua and Han Yueping.Discussion on the trend of horizontal movement of North China in current decade and the active risk area of earthquake［J］.North China Earthquak Science，2002，20(4)：28-33)

3 楊國華，謝覺民，韓月萍.華北主要構造單元及邊界帶現今水平形變與運動機制［J］.地球物理學報，2001，44 (5)：645-653.(Yang Guohua，Xie Juemin and Han Yueping.Current horizontal deformation and kinetic mechanism of major tectonic units and boundary zones in north China［J］.Chinese J Geophys.，2001，44(5)：645-653)

4 楊國華，等.首都圈地殼垂直形變與未來強震活動［J］.地震，2002，22(3)：27-32.(Yang Guohua，et al.The crustal vertical deformation and the action of future strong earthquake in Capital Circle area［J］.Earthquake，2002，22(3)：27-32)

5 黃金莉，趙大鵬.首都圈地區地殼三維P波速度細結構與強震孕育的深部構造環境［J］.科學通報，2005，50(4)：348-355.(Huang Jinli and Zhao Dapeng.Three dimensional P wave veocity structure of the crust beneath the Capital and the deep tectonic environment of strong earthquakes［J］.Chinese Science Bulletin，2005，50(4)：348-355)

6 賴院根，等.首都圈地區橫波分裂與地殼應力場特征［J］.地球物理學報，2006，49(1)：190-196.(Lai Yuangen，et al.Shear wave splitting and the features of the crustal stress field in the Ccapital Circle［J］.Chinese J Geophys.，2006，49(1)：190-196)

7 馮銳，等.論華北地區的均衡狀態(一)——方法和局部補償［J］.地震學報，1987，9(4)：406-416.(Feng Rui，et al.About the isostatic status of north China——Method and local compensation［J］.Acta Seismologica Sinica，1987，9(4)：406-416)

8 Parker R L.The rapid calculation of potential anomalies［J］.Geophys J R astr Soc.，1973，31：447-455.

9 袁學誠主編.中國地球物理圖集［M］.北京：地質出版社，1996.(Yuan Xuecheng.The geophysical atlas of China［M］.Beijing：Geology Press，1996)

10 羅照華，等.太行山中生代板內造山作用與華北大陸巖石圈巨大減?。跩］.地學前緣，2006，13(6)：13(6)：52-63.(Luo Zhaohua，et al.The Mesozoic intraplate orogeny of the Taihang Mountains and the thinning of the continental lithosphere in North China［J］.Earth Science Frontiers，2006，13(6)：52-63)

11 Simpson R W，Jachens R C and Blakely R J.A new isostatic residual gravity map of the conterminous United States with a discussion on the significance of isostatic residual anomalies［J］.J Geophys Res.，1986，91(B8)：8 348-8 372.

ISOSTASY GRAVITY ANOMALY OF CHINESE CAPITAL CIRCLE AND ITS ADJACENT AREA

Tang Xingong
(Key Laboratory of Exploration Technologies for Oil and Gas Resources of MOE(Yangtze University)，Jingzhou 434023)

By using the elevation data and Airy model，the Moho depth can be calculated.Through applying Parker’s formula，the isostasy gravity correction of the crustal deformation can be obtained as well.Therefore，the isostasy gravity anomalies gained by subtracting the corrections from observed Bouguer anomalies approximately represent the isostatic features of Chinese capital area，which plays an important role for investgating the deep structure and earthquake prediction in the future.The results show that the isostatic value which is of around±20× 10-5ms-2in eastern part of capital and its adjacent areas，indicates that basically isostatic has been reached，while some places in west and north of capital area are still in unisostitc status.

Chinese Capital circle aera;Airy isostasy model;isostasy gravity anomaly;Bouguer anomaly;topography data

1671-5942(2011)05-0044-03

2011-06-19

國家自然科學基金(40774073，40774074);國家重點基礎研究發展計劃(973)項目(2007CB209607);湖北省教育廳優秀中青年基金(Q20081206)

唐新功，男，1968年生，博士，副教授，主要研究方向為地球電磁學和地球動力學.E-mail：tangxg@yangtzeu.edu.cn

P315.72+6

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