利用布格重力资料研究太行山东南缘断裂构造特征

徐志萍 姜 磊 杨利普 李德庆 方盛明 熊 伟 徐顺强

1 中国地震局地球物理勘探中心，郑州市文化路75号，450002

太行山东南缘（112°10′～115°50′E，33°39′～37°00′N）是华北地区一级构造单元的交接带（图1），太行山隆起西与山西断陷带相邻，东与太行山山前断裂带和北华北凹陷为邻，南与豫中差异沉降带为邻。沿太行山东南缘发育有一系列北东向和东西向断裂构造，如汤西断裂、汤东断裂、新乡－商丘断裂、盘古寺－新乡断裂、薄壁断裂等。其中，汤西断裂、汤东断裂属于太行山山前断裂带的南段，是太行山区和华北平原的分界，一些学者认为它属深大断裂带［1－2］，也有学者认为它是一条活动断裂带和地震构造带［3－4］，还有学者认为它不是深大断裂，只存在切穿上地壳的断裂带［5－6］。这些学者采用不同的地质地球物理方法得到的结果存在一定差异，因此，研究太行山东南缘断裂构造特征，对进一步探讨该区深、浅部构造关系及断裂的空间分布特点具有重要意义。

图1 太行山东南缘构造分区Fig.1 The tectonic zoning map of the southeast segment of Taihang mountain

布格重力资料范围为112°10′～115°50′E、33°39′～37°00′N，其中，研究区范围是112°30′～114°42′E、34°48′～36°00′N。采用最邻域法对豫北地区1∶20万与1∶50万重力资料进行拼接后，选用Kriging插值法得到0.02°×0.02°的网格化平面布格重力异常数据，坐标系为WGS84。采用小波多尺度变换方法，通过分析各阶细节所包含的布格重力异常信息，研究太行山东南缘断裂构造在不同深度的分布特征。

1 方法原理

小波多尺度分析方法可将信号分解成不同尺度成分，对重力异常场进行分离［7－9］。布格重力异常小波细节主要反映了不同深度地质体的密度差异引起的重力异常［10］。低阶细节代表浅源地质体异常，高阶细节则代表深源地质体异常，小波逼近成分是区域场的反映。本文作小波多尺度分解采用的小波基是db小波：

利用式（1），可以根据尺度j＝J时的逼近部分和j＝1，2，…，J的细节部分进行重构，得到不同尺度的小波分离结果。式中，Aj代表第j＝J阶的小波逼近系数，Dj代表第j＝1，2，…，J阶的小波细节系数。然后可以利用功率谱分析法将各阶细节成分代表的场源似深度计算出来，赋予小波细节具体的地质含义［11］。

其中，s＝（u2＋v2）1／2，u、v分别为X、Y方向的圆率；lnR0（s）≈lnP0（s）＋2lns，lnP0（s）是场源的功率谱对数；h是似场源深度；B是与地质体几何尺寸、物性有关的常数。由式（2）即可得到不同尺度小波结果所对应的似场源深度。

2 断裂构造分析

使用由中国地质大学（武汉）刘天佑等编写的重磁勘探软件系统（GMS4.0）对研究范围内的布格重力资料进行小波多尺度分解（图2），并计算各阶细节的似场源深度，进而探讨不同空间尺度的断裂分布特征。

2.1 一阶小波变换细节分析

布格重力异常一阶小波变换细节代表的场源深度约在上地壳2～4km 处。从图2（a）可以看出，在研究区的西北部异常较为杂乱，主要是由地壳浅部密度不均匀体引起的；研究区的东北部沿汤阴－鹤壁－淇县－卫辉有一低重力异常条带（图中蓝色区域），与汤阴地堑相对应，在其两侧是北北东向的高重力异常构造带（图中黄色区域），该条带西侧的重力异常梯级带（蓝色和黄色交接部位）是山西隆起区与北华北凹陷区的地球物理分界；在薄壁附近有一北东向低重力异常构造带，是薄壁地堑的反映；此外，在研究区的中西部沿着博爱－焦作有一东西向重力异常梯级带，推测该梯级带北侧的高重力异常带是山西隆起区和豫中差异沉降区的地球物理分界。

图2 小波变换结果Fig.2 The result of wavelet transform

2.2 2阶小波变换细节分析

布格重力异常2阶小波细节（图2（b））揭示的场源深度约7.5km，属上地壳。与一阶细节相比，该重力异常场所反映的地质构造特征更加明显，对上地壳结构特征的反映也更加直观。研究区西北部开始出现低重力异常区（蓝色范围增加），与该区对应的是太行山隆起区；研究区东北部沿汤阴－鹤壁－淇县－卫辉一带展布的北北东向条带状低重力异常范围增大，在其东侧的高重力异常范围也有所增加；研究区西部沿着博爱－焦作以北的高重力异常带与中部武陟－新乡的高重力异常带相连，构成一个东西向跨度更大的高重力异常条带，武陟凸起处于该异常条带内；研究区中部薄壁地堑所对应的低重力异常带的范围增大。

2.3 3阶小波变换细节分析

布格重力异常3 阶小波细节（图2（c））揭示的场源深度约为13～14km。研究区西北部的太行山隆起区以高平为中心出现大范围低重力异常区；研究区东北部沿汤阴－鹤壁－淇县－卫辉展布的北北东向低重力异常带依然存在，但异常的宽度有所减小，其东侧高重力异常区范围继续增大，与内黄凸起相对应；研究区中西部的高重力异常带范围更大，在济源东部出现明显的低重力异常，是济源凹陷的反映。

2.4 4阶小波变换细节分析

布格重力异常4阶小波细节（图2（d））揭示的场源深度约为24～25km，主要是反映下地壳密度的横向不均匀分布特征。研究区东北部汤阴－鹤壁－淇县－卫辉处北北东向与汤阴地堑相对应的低重力异常带消失，以浚县为中心的椭圆形高重力异常区范围增加，与内黄凸起相对应；太行山隆起区的低重力异常范围增大；研究区中西部和西南部的高重力异常带相连，形成一环带状高重力异常，其中间的低重力异常区是济源凹陷的反映，东部是开封凹陷的反映。

2.5 断裂分析

根据布格重力异常1～4阶小波变换结果，对研究区内太行山东南缘的11条主要断裂进行分析（表1）。

表1 断裂分析结果Tab.1 Results of faults analysis

1）汤西（F1）和汤东（F2）断裂

在1～3 阶小波变换细节图中，汤西断裂（F1）和汤东断裂（F2）位于北北东向布格重力异常条带的正负异常梯级带上，它们分别控制汤阴地堑的西边界和东边界，属于太行山山前断裂带。其中汤西断裂更是太行山区和南华北平原的主要分界线，倾向SE，下延深度较大，切割了中上地壳，是一条深大断裂；汤东断裂下延深度较小，约13km，倾向NW，与深地震反射剖面结果一致（图3）。刘保金等［12］认为汤东断裂（图3，F2）发育在上地壳底层，其断裂深度大约为15～16km。

2）盘古寺－新乡断裂（F3）

该断裂位于太行山东南麓，呈近东西向展布，西起克井盆地以西的山区，向东经交地、盘谷寺、河口、仙神口、柏山后进入平原地区，过朱村，再向东延伸，直到新乡市南的郎公庙，全长约160km，是一条规模较大、切割较深的区域性断裂，为隐伏断裂。走向分为3段，在焦作以西地区为近东西向，在焦作西南部由东西向转换为北西向断裂，随后在焦作东南部又转换为近东西向断裂。该断裂在布格重力异常1～3阶小波细节中均有反映，且呈现明显的分段特征（在焦作西南部断裂的走向发生了改变），断裂西段下延深度较大（4阶小波细节中有反映），约为24km，且倾角较大，向南倾；断裂东段下延深度较浅，倾角较大，向北倾。

图3 深地震反射剖面解释结果Fig.3 Interpretation of the deep seismic reflection profile

3）新乡－商丘断裂（F4）

由图2可见，在薄壁－新乡－延津－封丘一线以北，以北北东向重力异常构造带为主，以南则以东西向重力异常为主，两侧的异常特征明显不同，反映了两侧构造特征上的重要差异。根据重力异常断裂识别标志，表明沿该线存在一条规模较大的区域性断裂。根据重力异常小波多尺度分析结果，结合该区地质构造特征，认为新乡－商丘断裂是北华北凹陷区和豫中差异沉降区的分界带，下延深度在24km 左右，倾向SW。该断裂控制了开封凹陷及新生界的沉积，构成开封凹陷的北缘断裂。该断裂以北，以北东向和北北东向构造块体和断裂为主，河流的流向自南西向北东，二者走向一致；该断裂以南，以近东西向和北西向构造盆地和断裂为主，河流的流向自北西向南东，与构造线的方向趋于一致，说明该断裂是一条控制构造和地貌差异的分界断裂。

4）薄壁断裂（F5）、九里山断裂（F6）和马坊泉断裂（F7）

薄壁断裂位于太行山东南麓，是盆地与山区的边界断裂，全长约80km，整体走向为北东向，倾角较大，断裂北段向北西倾，南段向南东倾，在布格重力异常1～3阶小波细节中均有反映，该断裂下延深度在13km 左右。九里山断裂全长超过45km，走向为北东向，倾角较大，向南东倾，在布格重力异常一、二阶小波细节中均有反映，下延深度约为7km。马坊泉断裂为一北东向断裂，与东西向的朱营断裂相交，倾角约60°，倾向北西向，全长约40km。该断裂在布格重力异常一、二阶小波细节中均有明显反映，下延深度约7km。

5）武陟断裂（F8）

该断裂走向为北西向，全长约30km，在焦作西部与盘古寺－新乡断裂相交，随深度的增加，向南西方向倾斜，倾角约为70°。在布格重力异常1～4阶小波细节中，该断裂清晰可见，是一条深大断裂，下延深度在24km 左右，它是济源凹陷和武陟凸起的边界。

6）济源－博爱断裂（F9）、朱营断裂（F10）和凤凰岭断裂

济源－博爱断裂从济源西部延伸至博爱东南部，走向近东西向，全长约55km，向南倾，倾角约60°。在布格重力异常一、二阶小波细节中均有明显反映，下延深度约7km。朱营断裂和凤凰岭断裂是两条近东西向的平行断裂，西部与马坊泉断裂相交，倾角较大，仅布格重力异常一阶小波细节中有反映，属于上地壳浅部断裂。

3 结 语

1）小波多尺度变换方法可对布格重力异常进行分离，得到不同地壳深度范围内重力异常特征，不同阶次的小波变换细节重力异常的高低与地壳内各种规模的隆起、凹陷以及断裂构造有着密切联系。其中，一、二阶小波变换细节反映了上地壳内地质构造的分布特征，如汤阴地堑低重力异常带，薄壁地堑低重力异常带和武陟凸起高重力异常带；三、四阶小波变换细节主要反映了中、下地壳密度的横向不均匀性和构造特征，如济源凹陷低重力异常区、开封凹陷低重力异常区、太行山隆起低重力异常区和内黄凸起高重力异常区。

2）太行山东南缘发育的一系列断裂带主要以北东向和东西向断裂为主，它们多是规模较大、切割较深的区域性断裂，在构造上位于一、二级构造单元的边界，如汤西断裂是山西隆起区和北华北凹陷区的边界，盘古寺－新乡断裂是山西隆起区和豫中差异沉降区的边界，新乡－商丘断裂是北华北凹陷区和豫中差异沉降区的边界。此外，汤西断裂和汤东断裂还控制汤阴地堑的西边界和东边界，薄壁断裂是太行山东南麓盆地与山区的边界断裂，武陟断裂是济源凹陷和武陟凸起的边界。

3）本文得到的汤东断裂分析结果与深地震反射剖面结果［12］基本一致，断裂深度在13km 以上；汤西断裂分析结果和已有的地质地球物理成果［6－7］基本一致，认为太行山山前断裂带为分隔地块、深切下地壳、规模宏大的断裂带。

4）在前人已有成果的基础上，利用重力资料给出了太行山东南缘断裂的大致埋深及其空间分布特征，认为太行山东南缘存在一系列深大断裂，它们不仅是地貌和地球物理场的分界，更是区域地质构造单元的边界，为今后该区断裂构造的进一步研究提供了较好的地球物理学依据。

5）小波多尺度分解和功率谱分析结果与重力异常资料的数据范围和网格大小具有密切联系，其推测断裂深度存在一定误差，可以作为认识断裂大致空间延伸情况的一种辅助手段。

谨以此文献给中国地震局地球物理勘探中心成立60周年。

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