陜西地殼磁異常特征研究*

韶　丹，賈　寧，孫　哲

(陜西省地震局，陜西 西安 710068)

陜西地殼磁異常特征研究*

韶丹，賈寧，孫哲

(陜西省地震局，陜西 西安 710068)

摘要：利用NGDC-720-V3模型，計算了陜西地區(qū)地殼磁異常不同分量網(wǎng)點值，通過計算數(shù)據(jù)分析了該地區(qū)地殼磁異常基本形態(tài)及分區(qū)特征，結(jié)果表明：(1)陜西地殼磁異常各分量強度較弱，分布形態(tài)以寬緩的條帶為主。(2)陜西北部三條正負相間的磁異常條帶可能與基底大斷裂有關(guān)，反映了塊體內(nèi)部早期不同基底的拼合。(3)陜西南部地殼磁異常總體表現(xiàn)為近東西向大面積的負異常，東部和西部負異常強度有所不同，可能與地殼內(nèi)物性差異有關(guān)。

關(guān)鍵詞：地磁模型；地殼磁異常；陜西地區(qū)

0引言

地殼磁異常也稱巖石圈磁異常，其主要產(chǎn)生于地殼和上地幔巖石的磁化率，由于不同巖性的巖石有各自的磁化率特征，復雜的構(gòu)造運動也會導致區(qū)域差異，所以地殼磁異常攜帶著豐富的地殼深部構(gòu)造信息(徐文耀，2009)。陜西省地處中國中部，由中朝準地臺、揚子地臺和秦嶺褶皺帶這3個一級構(gòu)造單元構(gòu)成，其中秦嶺被認為是中國東西部地質(zhì)轉(zhuǎn)換和南北部地質(zhì)銜接的樞紐地帶，地質(zhì)構(gòu)造尤為復雜。陜西北部為穩(wěn)定的鄂爾多斯地塊，其周圍斷裂發(fā)育，關(guān)中地區(qū)位處有名的渭河盆地，歷史上發(fā)生過多次大地震(石軍，2008；韓恒悅等，2002)。因此研究陜西地區(qū)地殼磁場的分布特點、探索地殼磁異常與巖石圈區(qū)域構(gòu)造的對應關(guān)系，對認識該地區(qū)地殼構(gòu)造及活動演化、探討地震孕育機理有著重要意義。

很多學者利用航空磁測或者衛(wèi)星磁測等資料對中國不同地區(qū)的磁場特征做了大量分析研究(安振昌等，1992；張昌達，2005；王月華，1998)，然而單一資料對于分析區(qū)域磁場特征存在很大的局限性(康國發(fā)等，2011)，所以將各種磁測資料融合在一起建立磁場模型用以研究地球磁場受到越來越多學者的關(guān)注。本文應用高階磁場模型探討陜西地區(qū)地殼磁場強度、形態(tài)分布等特征，分析其構(gòu)造意義。

1計算資料和方法

基于高斯球諧理論，地磁位可表達為

(1)

在球坐標系下對(1)式求導，可得到地磁場北向分量X、東向分量Y和垂直分量Z，取球諧階次n≥16，可直接計算地殼磁場北向分量ΔX、東向分量ΔY和垂直分量ΔZ，其表達式為

(2)

(3)

(4)

本文應用第三版NGDC-720-V3模型，取n=16～720階球諧系數(shù)，計算了陜西地區(qū)地殼磁異常不同分量網(wǎng)點值，研究區(qū)域為(31°～40°N，105° ～112°E)，網(wǎng)格點間隔為0.1°× 0.1°。應用這些數(shù)據(jù)分析了該地區(qū)地殼磁異常特征，并重點分析了F分量的磁異常特征及其垂直梯度，同時對F分量進行化極處理，討論磁異常與大地構(gòu)造的對應關(guān)系。

2陜西地區(qū)磁異常特征

2.1地殼磁異常基本特征

圖1為陜西地區(qū)地表地殼磁異常的北向分量X、東向分量Y、垂直分量Z和總強度F。從圖1a中可以看出，陜西地區(qū)地殼磁異常X分量強度較弱，大多數(shù)地區(qū)都在±150 nT以內(nèi)，并且變化平緩。觀察其整體形態(tài)發(fā)現(xiàn)，該分量在全區(qū)成片狀、條帶狀分布；陜北地區(qū)以正負相間的北北東向磁異常條帶為主；而在關(guān)中和陜南地區(qū)，磁異常形態(tài)則呈東西向展布。對比圖1a、b可以發(fā)現(xiàn)，陜西地區(qū)地殼磁異常東西分量強度略小于北向分量，大多數(shù)地區(qū)地殼磁異常都沒有超過±100 nT，正負異常變化都較為平緩。值得注意的是，在圖1b中，正異常所包圍范圍擴大，并且與北向分量明顯不同的是，東向分量磁異常焦點位置發(fā)生變化；從其形態(tài)分布來看，整個研究區(qū)磁異常從北到南呈現(xiàn)正負相間的北北東向條帶狀展布。從圖1c可以看出，陜西地區(qū)地表磁異常垂直分量強度與北向分量相當，其值略大于東向分量。進一步觀察可以看出，正負異常所圍范圍大致相同，二者邊界清晰，成片出現(xiàn)的條帶狀異常將該區(qū)域分為若干區(qū)域：秦嶺以北地區(qū)自北向南為3條北北東向的負、正、負磁異常條帶，從秦嶺向南則轉(zhuǎn)變?yōu)閮蓷l東西向的正、負磁異常條帶。比較圖1c、d能夠得出，陜西地區(qū)地殼磁異常總強度無論在形態(tài)、展布還是焦點位置都與垂直分量基本相似，二者僅異常強度有細微差別。

2.2地殼磁異常分區(qū)特征

由于不同緯度區(qū)域磁傾角不同，地質(zhì)體的磁化方向就會隨著磁傾角變化也發(fā)生變化。對于同一個磁性體，在不同的磁化方向下產(chǎn)生的磁異常也不同，這樣就增加了磁異常解釋的復雜性。對磁異常進行化極，不僅可以使其解釋變得容易，而且可以提高磁異常解釋的準確程度。用于建立模型的實測數(shù)據(jù)均屬于斜磁化數(shù)據(jù)，所以由模型計算的各個分量，都屬于斜磁化的結(jié)果，直接解釋比較困難。經(jīng)過化極處理，能夠把斜磁化的磁異常轉(zhuǎn)換為垂直磁化，即化到地磁極，其實質(zhì)就是把位于地磁極以外的磁性體產(chǎn)生的磁異常，換算為假定磁性體位于地磁極處所引起的磁異常。這樣就可以消除由磁化場的傾角引起的磁異常的不對稱性，并且垂直磁化條件下的磁異常總強度或垂直分量與地質(zhì)體的聯(lián)系更為簡單而密切。

在以往的研究中，當研究區(qū)域傾角變化范圍不大時，一般取固定傾角進行化極(Lietal.，2009)，即以研究區(qū)中心位置的傾角作為固定傾角進行化極。然而在中低緯度，這種方法的化極結(jié)果卻不夠精確(Arkani-Hamed，2007)。本文采用變傾角的微分化極方法(Cooper，Cowan，2005)對陜西地區(qū)地表磁異常總強度進行了化極處理。該法應用泰勒展開計算不同網(wǎng)點處的化極結(jié)果如5式所示。

(5)

其中，RTPmean是應用研究區(qū)域中心傾角和偏角進行化極所得值，Δinc、Δdec分別是區(qū)域中心點傾角、偏角與其它各個網(wǎng)格點值之差。由于偏角對磁異常影響不大，本文僅應用傾角進行化極。各個網(wǎng)格點的傾角值來自模型計算結(jié)果，化極效果如圖2a所示。

對比化極前(圖1d)和化極后(圖2a)的磁異常圖可以看出：(1)化極后磁異常的展布、磁異常帶的走向、異常的焦點位置及異常值沒有發(fā)生太大變化；(2)主要的縫合邊界，如商丹縫合線和勉略縫合線在化極磁異常圖上表現(xiàn)的更加清晰，并很好地對應著磁異常邊界和地塊邊界；(3)化極磁異常圖中異常的輪廓更加清晰并且具有更好的對稱性。此外，以秦嶺為分界線，陜西南北兩部分磁異常展布明顯不同，南北兩部分分別屬于鄂爾多斯地塊和秦嶺褶皺帶這兩個地質(zhì)單元，并且全區(qū)自北向南磁異常分布呈現(xiàn)規(guī)則的條帶，正負磁異常邊界清晰。由此我們將研究全區(qū)分為I區(qū)(鄂爾多斯磁異常區(qū))和II區(qū)(秦嶺磁異常區(qū))，下面分別討論這兩個區(qū)域的特征。

I區(qū)(鄂爾多斯磁異常區(qū))內(nèi)部以寬緩的磁異常條帶為主，大致由3個異常條帶組成：靖邊—神木負磁異常帶、志丹—佳縣正磁異常帶和寶雞—延川負磁異常帶，這3個條帶正負相間斜穿陜西北部地區(qū)。其中志丹—佳縣正磁異常帶比另外兩個負異常帶更寬，而其余兩個負異常帶則相當，所不同的是，靖邊—府谷磁異常帶具有較大的梯度，而寶雞—延川磁異常帶梯度變化較為緩慢，并且后者在強度上較前者弱。從以上磁異常條帶的分布可以推斷，雖然屬于鄂爾多斯地塊的陜西北部地區(qū)具有良好的整體性，但是其內(nèi)部結(jié)晶基底仍然存在差異。同時，該區(qū)南部邊界與商丹縫合帶吻合，更進一步說明了不同板塊基底性質(zhì)的差異。

II區(qū)(秦嶺磁異常區(qū))以東西向正異常條帶為界，區(qū)內(nèi)除北部邊界東西向正異條帶外，常以負值為主，呈近東西向條帶分布，由東向西負磁異常逐漸加強。在勉縣附近出現(xiàn)小范圍串珠狀正異常，周圍為較強的負異常，并且向東逐步延伸至安康附近后淹沒在負異常中，這說明地殼內(nèi)部存在東西向物性差異；這些串珠狀正異常正好與勉略縫合帶相吻合。

圖2b為陜西地區(qū)磁異常總強度F在15 km處化極磁異常。當高度上升后，由淺層地質(zhì)體產(chǎn)生的高頻磁異常大量衰減，深部異常信息突出，磁異常強度減弱。但無論是I區(qū)還是II區(qū)，磁異常分布的基本形態(tài)及展布并沒有發(fā)生變化，說明研究區(qū)磁異常分布主要受深層地質(zhì)體控制。圖2c為陜西地區(qū)地表磁異常總強度F垂直梯度，I區(qū)和II區(qū)內(nèi)磁異常垂直梯度分布與磁異常分布格局、焦點位置基本相同，梯度值普遍較小，所顯示的構(gòu)造分區(qū)更加明顯。

3結(jié)果與討論

基于NGDC-720-V3模型，通過計算磁異常各分量強度，分析其分布特征可知：

陜西全區(qū)磁異常各分量強度較弱，分布形態(tài)均以寬緩的條帶為主。陜西北部地區(qū)雖屬于具有整體剛性的鄂爾多斯塊體，但在其內(nèi)部也存在物性差異。鄂爾多斯磁異常區(qū)內(nèi)3條正負相間的磁異常條帶可能與基底大斷裂有關(guān)，反映了鄂爾多斯塊體內(nèi)部早期不同基底的拼合。秦嶺造山帶總體表現(xiàn)為近東西向大面積的負異常，東部和西部負異常強度有所不同，可能與地殼內(nèi)物性差異有關(guān)。

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Using NGDC-720-V3 model，we calculated the crustal magnetic anomaly of different component in Shaanxi Province，and analyzed the basic pattern and sub-division characteristics of crustal magnetic anomalies in the study area through data calculation.The analysis result shows that：(1)The strength of crustal magnetic anomalies of each component was weak in Shaanxi，and the distribution pattern of it appeared broad strips with a small gradient.(2)Three magnetic anomaly belt with positive and negative may be associated with basement faults in northern Shaanxi，which reflected the spliced of the different base blocks in internal block in the early period.(3)In southern Shaanxi，the overall pattern of crustal magnetic anomalies showed the negative anomaly in east-west trend in large areas，the intensity of negative anomaly was different between the east and west of Shaanxi，which may be associated with the physical differences in the crust.

Key words：magnetic model；crustal magnetic anomaly；Shaanxi area

*收稿日期：2014-05-27. 基金項目：陜西省地震局啟航與創(chuàng)新基金(201311)資助.

中圖分類號：P318

文獻標識碼：A

文章編號：1000-0666(2015)03-0396-05

Research on Crustal Magnetic Anomaly Characteristic of Shaanxi Province

SHAO Dan，JIA Ning，SUN Zhe

(Earthquake Administration of Shaanxi Province，Xian 710068，Shaanxi，China)

Abstract