Question

地球深部构造及地壳结构研究

Answer 1

（一）卫星重力异常在地球深部构造研究中的应用

1985年，曾维鲁利用GEM10 B地球重力场模型（它具有完整的36阶球谐展开位系数1365个）计算出三幅全球自由空气重力异常图，即2～12阶低阶图，13～36阶高阶图与2～36阶全阶图。研究认为，大于30的高阶异常源可能主要存在于岩石圈内；小于10的低阶异常源可能存在于下地幔和地核之间；2～12阶自由空气重力异常图（图2-9-2）保留了全阶场中最基本的特征；控制全球重力场的最主要异常源应该存在于软流圈以下。

根据这三张图显示的异常特征，可做出以下几点推论（曾维鲁，1985）。

（1）整个太平洋地区（图2-9-2的中部），包括全球主要岛弧-海沟地区及深源地震带，显示出清晰的高正异常环带。异常特征与太平洋板块和纳斯卡板块边界线也吻合得较好（图2-9-3）正异常带外面包围一圈负异常带；这一正一负的双层环状结构是GEM10 B全球自由空气异常场的主要特征。产生重力高带的场源既有岩石圈之下地球深部的因素，也有存在于岩石圈深部范围内的因素，较浅层的异常源似乎是消减板块随着下插深度增大而导致的密度增高部分（因温度与压力增加所致）。

图2-9-1 断裂构造识别的标志

（a）线性重力高与重力低之间的过渡带；（b）异常轴线明显错动的部位；（c）串珠状异常的两侧或轴部所在位置；（d）两侧异常特征明显不同的分界线；（e）封闭异常等值线突然变宽、变窄的部位；

（f）等值线同形扭曲部位

（2）产生印度洋巨大负异常的场源存在于地球的深部，很可能是在软流圈以下存在着巨大的质量亏损所致。因在高阶场中，这一全球最大的负异常完全消失了。

（3）从喜马拉雅山脉到阿尔卑斯山脉有一条横贯东西的高正异常带，它的走向与板块边界线亦符合较好，但在低阶场中反映得并不明显，说明场源较浅。有人认为，产生该地区正异常的原因是喜马拉雅山的地壳薄于相应的均衡地壳的厚度，故存在正的均衡异常。由于向北推移的印度板块与欧亚板块互相挤压，产生了巨大的构造运动压力，此力不仅克服了因均衡不足而产生的向下的均衡调整力，还迫使喜马拉雅山脉继续上升。

（4）大洋海岭的重力异常在高阶场中反映得很好，形成了与海岭走向相吻合的低幅正异常（0～100g.u.）；而在低阶场中，这种特征完全消失，因而海岭的重力异常的场源应存在于浅部。结合海岭地区存在的其他地球物理特征，如高热流密度值，两侧对称分布的条带状磁异常，海水深度较浅，有大规模火山、地震活动等，可以认为海岭是地幔对流上涌的地区，是板块扩张的中心地带。之所以形成低幅正异常是由于地幔流上涌处的上表面为自由或近似于自由边界条件，因而地壳上升变形较大，从而形成与海岭走向一致的低幅正重力异常。

图2-9-2 2～12阶GEM10B地球重力场模型全球自由空气重力异常示意图

（引自曾维鲁，1985）

图2-9-3 Xavier Le Pichon（1968）的七板块模式（平面投影）

箭头指示各板块相对非洲板块（通常设想它是固定不动的）的运动方向

（二）地壳深部构造的研究

全国布格重力异常图是研究我国的地壳结构、地质构造及寻找矿产资源的基础图件。

中国及其毗邻海区布格重力异常图（图2-9-4）具有下面的特征（孙文柯等，2001）。

1.重力场变化趋势

中国及其毗邻海区布格重力异常变化的总趋势是由东向西逐渐减小。在南海及琉球群岛布格重力异常值最高，为4000g.u.，至海岸线为10g.u.左右。例如，香港—泉州一带为10g.u.，上海为100g.u.，青岛为－100g.u.，丹东为100g.u.。由海岸线向西，重力异常值缓慢递减，并进入负值区。沿大兴安岭—太行山—武陵山一带为－550g.u.，显示为过渡带。再往西，至青藏高原周边地区（西昆仑山—阿尔金山—祁连山—龙门山—大雪山），重力异常值迅速减小为－3000g.u.。青藏高原大部分地区的重力异常值小于－4000g.u.；在东经89°30′，北纬33°30′，重力异常达到最低值－5800g.u.。

2.重力梯级带

在布格重力异常图上，分布着一些重力梯级带，主要为北东向和近东西向，其次为北西向和南北向。其中，有三条巨大的重力梯级带：大兴安岭-太行山-武陵山重力梯级带，青藏高原周边重力梯级带以及钓鱼岛重力梯级带。

a.大兴安岭-太行山-武陵山重力梯级带。该梯级带展布方向为北东向。北端沿大兴安岭延伸至西伯利亚，南端经广西西部延伸入越南境内。在国内长达4000km，宽约50km～100km，被认为是一条重要的地球物理界线。

b.青藏高原周边重力梯级带。围绕青藏高原呈弧形展布，长约4100km，宽约50km～150km。

c.钓鱼岛重力梯级带。这个梯级带位于东南大陆架东侧，由南北向展布方向转为北东向，大体与我国东海岸平行。

还有一些规模较小的重力梯级带，主要有：宁波-茂名重力梯级带，东昆仑山-阿尼玛卿山重力梯级带，额尔齐斯（阿尔泰山）重力梯级带，雅鲁藏布江重力梯级带等。

中国及其毗邻海区布格重力异常图（图2-9-4）与东亚及临近海域地壳厚度分布、陡梯度带、块体划分及沉积盆地分布图的比较表明：①我国地壳厚度从东向西有逐渐加大的趋势，与重力异常逐渐降低的趋势完全对应；②作为地壳块体分界线的所有陡梯度带，与重力异常梯级带，在位置上完全重合；③西部盆地，相同位置的重力异常具有重力高的特征，显示地下构造的隆起。就是说，在总体上，莫霍界面的形态及深度变化与重力异常的形态及数值变化十分吻合。

莫霍界面与重力异常的相似性说明：①全国重力异常图（实际上为区域性的重力异常）主要反映了莫霍界面的特征；或者说，全国重力异常图表示的区域重力异常，主要由莫霍界面所引起。②过去主要根据重力资料作出的我国莫霍界面深度图，与近年来根据地震资料得到莫霍界面深度图，在总体上及在区域性上是相似的。

然而，由于重力异常是由地下所有不同深度、不同规模密度不均匀地质体引起的重力效应的叠加，要从叠加异常中分离出单纯由地壳厚度变化引起的异常，是非常困难的。只根据重力异常资料，不可能研究一个局部地区的莫霍界面的细节。尽管如此，重力异常资料是研究区域或深部构造的基础。实际上，我国的莫霍界面及区域构造研究，是从重力异常图开始的。

图2-9-4 中国及其毗邻海区布格重力异常图

（引自孙文柯等，2001，简化；数字单位10^－5m·s^－2；GS（2005）330号）

中国及其毗邻海区布格重力异常图与中国地形的比较，也显示出重力异常具有类似于地壳厚度与地形起伏的反相关关系。同时，重力图中的重力梯级带与我国大的山系或造山带也非常对应。上述的大兴安岭-太行山-武陵山重力梯级带及青藏高原周边重力梯级带，正好对应了我国地形图上三个大台阶的位置。