本文根据EGM2008重力场模型计算得到渭河盆地及邻区的自由空气重力异常和布格重力异常(图1)
Fig.3 Gravity anomalies in the Weihe Basin and its adjacent areas(faults and the tectonic region are shown in Fig.1)">图3)。从图1)
Fig.3 Gravity anomalies in the Weihe Basin and its adjacent areas(faults and the tectonic region are shown in Fig.1)">图3a可看出,渭河盆地及邻区自由空气重力异常表现出明显的地形相关特征。自由空气重力异常在渭河盆地整体以负值变化为主,其中渭河盆地中段的周至地区为最低值,约为-150 mGal,六盘山构造区显示为正值变化,最大量值为60 mGal,与相邻的西秦岭北缘断裂形成重力梯度带。鄂尔多斯地块南缘的西部地区自由空气重力异常变化平缓,基本在0值附近变化,在中部的旬邑—正宁地区和东部的黄龙地区出现局部正值变化,最大量值分别为20 mGal、50 mGal。以秦岭北缘断裂及华山山前断裂为界,秦岭造山带自由空气重力异常整体以正值变化为主,最大值约为120 mGal。其中秦岭造山带与渭河盆地之间重力异常变化剧烈,形成非常显著的重力变化梯度带; 而北缘的商丹缝合带与南部的勉略缝合带之间重力异常变化相对平缓,此外,在秦岭造山带盆-岭-山分区特征比较明显。

对研究区自由空气重力异常进行中间层改正和地形改正得到布格重力异常(图1)
Fig.3 Gravity anomalies in the Weihe Basin and its adjacent areas(faults and the tectonic region are shown in Fig.1)">图3b),布格重力异常与地形相关性不强,但是和莫霍面埋深呈现明显的镜像关系。布格重力异常在六盘山构造区为大范围的负值变化,尤其是六盘山—陇县—宝鸡断裂带与成县—太白断裂围限的三角形区域是整个研究区的重力异常低值区,最小值达到-240 mGal。鄂尔多斯地块南缘以旬邑—正宁为界,西部和东部重力异常明显不同,表明这2个地区地壳结构和介质密度存在显著差异。渭河盆地以109°E为界,其西部与东部重力异常在量值上发生明显变化,究其原因:一方面可能与其深部地壳结构及介质密度有关,比如地幔物质的上涌、莫霍面的隆起、岩石密度差异等; 另一方面与受到印度板块NE向推挤和太平洋板块SW向推挤的远程综合效应影响有关。在渭河盆地的东部从北往南,韩城断裂、双泉—临猗断裂、中条山断裂、华山山前断裂等附近出现明显的重力异常变化梯度带,呈现高值—低值—高值交替出现的变化规律。秦岭造山带重力异常分段、分区特征明显,尤其是以长安—临潼断裂为界的西秦岭与中秦岭、东秦岭重力异常差异明显; 以勉略缝合带为界其南、北两侧重力异常差异明显(王谦身等,2015)。从图1)
Fig.3 Gravity anomalies in the Weihe Basin and its adjacent areas(faults and the tectonic region are shown in Fig.1)">图3b中还可以识别出研究区主要的构造单元,如一级构造渭北隆起(重力异常高值区)、六盘山构造区(重力异常低值区)等; 二级构造宝鸡凸起(重力异常高值区)、西安凹陷(重力异常低值区)、骊山凸起(重力异常高值区)、固市凹陷(重力异常低值区)等与前人研究结果一致(刘良志等,2018; 路利春等,2017)。但布格重力异常是一个反映不同深部场源信息叠加场,由于不同信号的相互干扰,地质构造及断裂分布特征清晰度不够,需要进行不同深度场源信息的分离。

图1)
Fig.3 Gravity anomalies in the Weihe Basin and its adjacent areas(faults and the tectonic region are shown in Fig.1)">图1)
Fig.3 Gravity anomalies in the Weihe Basin and its adjacent areas(faults and the tectonic region are shown in Fig.1)"/>

图3 渭河盆地及邻区自由空气重力异常(a)及布格重力异常(b)(断裂及构造区名称同图1)
Fig.3 Gravity anomalies in the Weihe Basin and its adjacent areas(faults and the tectonic region are shown in Fig.1)

利用小波多尺度分解方法获得研究区1～4阶小波逼近(图1)
Fig.4 Approximation by multi-scale wavelet decomposition in the Weihe Basin and its adjacent areas(faults and the tectonic region are shown in Fig.1)">图4),同时计算了1～4阶小波逼近对应的近似场源深度(表1)。1～4阶小波逼近对应的等效场源深度在20～37 km,重力异常基本反映地是中下地壳、甚至切过下地壳到达上地幔的场源信息(庞卫东等,2014; 方盛明等,2002; 楼海,王椿镛,2005)。虽然各阶小波逼近图像中反映的重力场源深度不同,但都可看出研究区域不同大地构造单元的基本格局(姜文亮,张景发,2012; 徐志萍等,2015)。随着小波逼近阶数的增加,不同构造单元及深大断裂的重力异常的浅源、局部信息得到了较好的抑制,区域异常信息显得更为突出,各主要大地构造单元的基本格局及其重力异常分布特征越为明显,各构造区域分布的重力异常带的走向、形态、梯度变化等特征,反映出不同区域地质特征的差异性。

以4阶小波逼近为例(图1)
Fig.4 Approximation by multi-scale wavelet decomposition in the Weihe Basin and its adjacent areas(faults and the tectonic region are shown in Fig.1)">图4d):以旬邑—乾县—西安一线为界,重力异常差异的边界呈现出“S”型展布特征。布格重力异常在渭河盆地西部表现为低值区,由西向东逐渐增大,由最西端的约-240 mGal上升到最东边的约-100 mGal。六盘山构造区及渭河盆地西部布格重力异常等值线展布与六盘山—陇县—宝鸡断裂及秦岭北缘断裂走

图1)
Fig.4 Approximation by multi-scale wavelet decomposition in the Weihe Basin and its adjacent areas(faults and the tectonic region are shown in Fig.1)">图1)
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图4 渭河盆地及邻区小波多尺度分解1～4阶逼近图(断裂及构造区名称同图1)
Fig.4 Approximation by multi-scale wavelet decomposition in the Weihe Basin and its adjacent areas(faults and the tectonic region are shown in Fig.1)

向基本一致; 布格重力异常变化在渭河盆地东部相对复杂,在韩城—大荔—华县—洛南一线呈现高值—低值交替出现的特征; 在渭河盆地中部相对比较平缓,表明渭河盆地基底及地壳密度变化相对较缓(任隽等,2012)。鄂尔多斯地块南缘布格重力异常由西向东逐渐增大,但变化幅值低于渭河盆地,基本在-170～-120 mGal。从对数功率谱对应的场源深度可知,4阶逼近对应场源深度约为37 km,基本反映了研究区莫霍面的起伏趋势。秦岭造山带对应重力负异常,表明其下方的地壳中存在较大规模的低密度体及厚度较小的山根(张国伟,1991; 张国伟等,1995b)。秦岭造山带东部与西部布格重力异常差异明显,以长安—临潼断裂为界,东部为东秦岭构造带(也称小秦岭构造带)(路利春等,2017),布格重力异常值约为-100 mGal; 西部为西秦岭造山带,两者最大差异近100 mGal。这种明显的重力异常差异,也进一步表明秦岭造山带并非连续的构造体系,至少其造山形成机制或形成年代存在差异(张国伟,1991; 张国伟等,1995b)。秦岭造山带的北界商丹缝合带重力异常变化东、西部差异明显,南边界勉略缝合带重力异常变化平缓且东、西部差异较小。

图1)
Fig.5 Detailed multi-scale wavelet decomposition in the Weihe Basin and its adjacent areas(faults and the tectonic region are shown in Fig.1)">图5、表1为渭河盆地及邻区布格重力异常1～4 阶小波细节及其径向对数功率谱对应的近似场源深度。表1显示研究区1～4 阶小波细节对应的近似场源深度为4～23 km。1阶小波细节(图1)
Fig.5 Detailed multi-scale wavelet decomposition in the Weihe Basin and its adjacent areas(faults and the tectonic region are shown in Fig.1)">图5a)反映的场源深度约为4 km,场源信息丰富而复杂,主要反映的是浅表高频重力异常信息(庞卫东等,2014; 方盛明等,2002; 楼海,王椿镛,2005),由于研究区沉积盖层厚度大都超

图1)
Fig.5 Detailed multi-scale wavelet decomposition in the Weihe Basin and its adjacent areas(faults and the tectonic region are shown in Fig.1)">图1)
Fig.5 Detailed multi-scale wavelet decomposition in the Weihe Basin and its adjacent areas(faults and the tectonic region are shown in Fig.1)"/>

图5 渭河盆地及邻区小波多尺度分解1～4阶细节图(断裂及构造区名称同图1)
Fig.5 Detailed multi-scale wavelet decomposition in the Weihe Basin and its adjacent areas(faults and the tectonic region are shown in Fig.1)

过4 km,因此基本反映的是沉积盖层的密度体信息。重力异常变化范围为-40～40 mGal,其分布特征显示出研究区地壳密度横向变化剧烈且比较破碎。以六盘山—陇县—宝鸡断裂带及渭北北山断裂为界,位于鄂尔多斯地块南缘的陕北斜坡及渭北坡地重力异常变化平缓,基本在-5～5 mGal,呈现出狭长条带状或串珠状分布,且多处伴生正负差异变化较小的重力梯级带; 其南部的渭河盆地及秦岭造山带重力异常体规模相对较大,走向基本以NW、EW、NEE向为主。重力梯度带差异变化显著,显示出盖层物质横向不均匀性,同时表明上述地区的结晶基底和岩石物性存在差异(刘良志等,2018; 路利春等,2017)。

2阶小波细节(图1)
Fig.5 Detailed multi-scale wavelet decomposition in the Weihe Basin and its adjacent areas(faults and the tectonic region are shown in Fig.1)">图5b)显示场源深度约为12 km,与研究区上地壳深度相接近(表2),主要揭示了上地壳物质密度非均匀的变化,显示出鄂尔多斯地块南缘、渭河盆地及秦岭造山带地壳结构的差异性(李永善,1992; 任隽,2012)。重力异常变化范围基本在-10～10 mGal。相比于1阶小波细节,鄂尔多斯地块南缘以及渭北地区重力异常狭窄短促条带及串珠状异常基本消失,表现出明显的规模较大的条带状或块状分布,重力异常差异变化很小,表明该地区具有较为一致的结晶基底和物性密度。渭河盆地内重力异常条带和块状的规模大幅增加,重力异常的变化差异明显,勾勒出比较明显的断裂分布和构造分区轮廓。渭河盆地内部由西往东可以识别出宝鸡凸起、西安凹陷、骊山—临潼凸起、咸阳—渭南凸起、固市凹陷等构造区。在渭河盆地东部从北往南可以识别出韩城凹陷、临猗凸起、运城凹陷、中条山凸起、灵宝凹陷等构造区(李永善,1992)。研究区重力异常的走向、规模、分布位置与区内主要断裂具有较好的一致性,表明断裂分布对重力异常的分布特征具有较好的控制作用。秦岭造山带的重力异常条带状分布特征更加突出,表现出明显的高、低相间的条带分布特征。

表2 渭河盆地及邻区地壳厚度、P波速度、密度
Tab.2 Crustal thickness,P-wave velocity,and density in the Weihe Basin and its adjacent areas

随着小波细节阶数的增加,重力异常变得宽缓、平滑,主要体现了深部场源所引起的较大规模的低频重力异常信息(庞卫东等,2014; 方盛明等,2002; 楼海,王椿镛,2005)。3、4 阶小波细节(图1)
Fig.5 Detailed multi-scale wavelet decomposition in the Weihe Basin and its adjacent areas(faults and the tectonic region are shown in Fig.1)">图5c、d)对应的近似场源深度分别是20 km、23 km,都反映的是中地壳异常体信息,重力异常变化的范围在-5～5 mGal。同1、2 阶小波细节相比,鄂尔多斯地块南缘、渭河盆地重力异常在分布、走向及变化特征方面都发生了较大变化,小规模的条带状及串珠状异常全部消失,反映出这2个构造区在纵向地壳结构上存在较大差异; 秦岭造山带局部串珠状异常全部消失,重力

异常圈闭现象更加明显,圈闭空间逐渐扩大,呈带状和块状分布。与2阶小波细节相比,3、4阶小波细节的重力异常分布与渭河盆地某些构造区及断裂带分布的吻合程度略有降低,可能是因为这些构造带或断裂主要由上地壳物性差异所决定,还没有下切至中下地壳。本文研究结果还进一步表明:渭河盆地、秦岭造山带的重力异常分布与上地壳物质密度结构相关性更强,而鄂尔多斯地块南缘受沉积层物质密度结构的影响更大。秦岭造山带的商丹缝合带和勉略缝合带是两条大的构造分界线(张国伟,1991; 张国伟等,1995b),在3、4阶小波细节图中特征明显。

莫霍面是地壳与地幔的分界面,本文根据Li等(2014)利用接收函数反演的地壳厚度,减去高程数据(张恩会等,2018)得到渭河盆地及邻区真实的莫霍面埋深,同时根据Gomez-Ortiz和Agarwal(2005)的方法,基于布格重力资料反演得到研究区的莫霍面深度,将两者进行对比分析,如图1)
Fig.6 Moho depth map of the Weihe Basin and its adjacent areas based on the receiver function data(a) and the gravity data(b)(faults and the tectonic region are shown in Fig.1)">图6所示。从图1)
Fig.6 Moho depth map of the Weihe Basin and its adjacent areas based on the receiver function data(a) and the gravity data(b)(faults and the tectonic region are shown in Fig.1)">图6可以看出,利用两种方法计算得出的研究区莫霍面深度分布特征大体一致,但还存在比较明显的差异。前人研究结果表明,图1)
Fig.6 Moho depth map of the Weihe Basin and its adjacent areas based on the receiver function data(a) and the gravity data(b)(faults and the tectonic region are shown in Fig.1)">图6a显示的莫霍面深度结果更加接近真实情况,因此本文以此进行分析。

由图1)
Fig.6 Moho depth map of the Weihe Basin and its adjacent areas based on the receiver function data(a) and the gravity data(b)(faults and the tectonic region are shown in Fig.1)">图6a可知,研究区莫霍面埋深范围在32～50 km,横向上起伏较大。总体显示出东部浅西部

图1)
Fig.6 Moho depth map of the Weihe Basin and its adjacent areas based on the receiver function data(a) and the gravity data(b)(faults and the tectonic region are shown in Fig.1)">图1)
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图6 基于接收函数资料(a)及重力资料(b)得到渭河盆地及邻区莫霍面埋深(断裂及构造区名称同图1)
Fig.6 Moho depth map of the Weihe Basin and its adjacent areas based on the receiver function data(a) and the gravity data(b)(faults and the tectonic region are shown in Fig.1)

深的特征,莫霍面起伏与布格重力异常(图1)
Fig.3 Gravity anomalies in the Weihe Basin and its adjacent areas(faults and the tectonic region are shown in Fig.1)">图3b)呈现镜像关系,与任枭等(2012)的研究结果具有较好的一致性。六盘山构造区、秦岭造山带莫霍面埋深最深,渭河盆地西部次之,鄂尔多斯地块南缘及渭河断陷中、东部埋深最浅。根据莫霍面的总体分布特征,可依据陇县—宝鸡—太白、铜川—周至—柞水和蒲城—咸阳—山阳等3条莫霍面埋深梯度带,将全区划分为4个不同区域,每个区域的莫霍面埋深呈现不同的特征。陇县—宝鸡—太白以西地区对应六盘山、西秦岭构造区,埋深44～50 km,地壳厚度由西往东逐渐变薄,这主要是由于软流圈物质的上涌,使稳定的克拉通地壳褶皱变形、地壳减薄、地震频发、岩浆活动活跃等所导致。渭河断陷中部及中秦岭构造区,地壳厚度逐渐减薄,莫霍面呈长条形分布,埋深在36～44 km,为渭河盆地西部和东部的过渡地带,变化相对平缓。渭河盆地东部与鄂尔多斯南缘地区莫霍面呈近EW向的“犁形”分布,以临潼—渭南为界呈椭圆形分布,长轴为EW向,埋深30～38 km,为整个研究区内莫霍面埋深最浅的地方,呈现明显的局部上隆特征(路利春等,2017; 任隽,2012),可能与该区域的地质构造演化过程及沉积层较厚有关。总体而言,研究区的地壳深部构造轮廓与上覆构造密切相关,可清晰地显示出如下特征:莫霍面的起伏主要反映地壳厚度由东向西在加厚; 莫霍面反映的深部构造块状特征清晰,凹陷区的长轴走向以NE、NW向为主,拱起区的长轴走向以NE、NEE向为主。

渭河盆地在大地构造上位置特殊,位于华北克拉通、华南地块和青藏高原的交接部位,是发育于鄂尔多斯地块与秦岭造山带叠置部位的新生代断陷盆地。渭河盆地的形成与印度板块向欧亚板块俯冲、青藏高原隆升并向外扩张、秦岭北缘逆冲断裂带的构造反转、早第三纪以来强烈的垂直差异运动有关(Molnar,Tapponnier,1975; Peltzer,Tapponnier,1988; 许志琴,张国伟,2013),同时其也属于鄂尔多斯地块南边界与秦岭造山带北边界所夹持的渭河断陷带。渭河断陷带是一个新生代断块,区域发育有大量断裂带,断裂带形态表现为北浅南深,且大部分属于浅源断裂和壳内断裂,这些断裂控制着渭河盆地及邻区的构造变形与地震活动性。受喜马拉雅构造运动强烈的作用与影响,渭河盆地及邻区新构造运动强烈且差异明显(任隽,2012)。

相对于鄂尔多斯地块的缓慢隆升及秦岭造山带的强烈隆升,渭河断陷带长期处于沉降运动,垂直差异运动十分强烈。第四纪时期渭河盆地在总体沉降的基础上存在2个持续凹陷和3个相对凸起,分别是西安凹陷、固市凹陷、宝鸡凸起、骊山凸起和阳廓凸起(任隽,2012)。渭河盆地及邻区地壳在纵向上分层、横向上分块,具有典型的“上凹下凸”的镜像关系。莫霍面埋深分区特征明显(图1)
Fig.6 Moho depth map of the Weihe Basin and its adjacent areas based on the receiver function data(a) and the gravity data(b)(faults and the tectonic region are shown in Fig.1)">图6),渭河盆地最浅,鄂尔多斯地块南缘及秦岭造山带相对较深。渭河盆地基底以渭河断裂为界,北区为下古生界分布区; 南区为太古界、元古界和花岗岩混合区。受基底分区和伸展断裂系的控制,盆地盖层表现出明显的复杂断块结构。本文研究获得的重力异常分布与研究区地壳结构及地质构造具有相似的特征,所得出重力异常的转换带、梯度带或突变带与断裂展布及构造区分布相吻合。渭河盆地重力正异常是上地壳高密度体及地幔、下地壳岩浆侵入到中上地壳的表现。重力异常的不同细节图特征,在一定程度上反映出研究区不同深度岩体在不同水平尺度上的大致分布规模及岩石介质的平均密度结构特性。渭河盆地的南边界断裂构造活动性总体上存在“西弱东强”的特征,华山山前断裂强于秦岭北缘断裂,且沿着断裂的走向,其构造活动性存在明显分段性特征,分段位置与断裂走向变化关系密切。

鄂尔多斯地块的结晶基底由太古界和古元古界组成,太古界下部由变质杂岩及与其时代相当的杂岩组成; 古元古界由石英片岩、云母岩、含砾石英片岩等变质碎屑岩组成,上部有浅海相陆源碎屑岩和浅海相赴美碳酸盐岩及泥质岩沉积组合。鄂尔多斯南缘的东部和西部速度结构存在差异,其西部为低速异常,东部为弱高速异常,可能的原因是鄂尔多斯地块南缘西部具有新生代和部分中生代低速沉积盖层且沉积厚度不同,西边厚东边薄(冯红武等,2019; 邓军等,2005)。本文研究结果显示鄂尔多斯地块南缘东、西部重力异常差异明显,应该与该地区自晚白垩纪以来“东隆西降”和强烈差异剥蚀改造有关(刘池洋等,2006)。

秦岭造山带S波速度表现为高速异常,且东、西部速度不同,呈现明显的横向不均匀性(冯红武等,2019),这和本文重力资料研究结果基本吻合,从地学角度分析,秦岭海从晚二叠纪开始到晚三叠纪结束向西关闭,东部的海相沉积岩比西部的年代更古老,且发育有大面积的基底隆起和高压变质岩基本的剥露(张国伟等,1995a)。秦岭—大巴造山带及邻区在长期地质构造作用下,一方面形成了现今地表地质构造的分区性和差异性,另一方面则造成了浅表层与深部的地球物理场特征之间的明显非协调性(周鼎武等,2002)。深地震反射成像结果揭示扬子板块向N向俯冲,从而导致秦岭造山带沿EW向的地壳结构呈现复杂性和分区特征(李洪强等,2014)。常利军等(2011)研究认为秦岭造山带可能存在一个青藏高原物质东流地幔流通道,本文研究结果显示秦岭造山带重力异常连贯性不好,似乎并不支持这种观点,但由于重力异常只反映了下地壳及以上的构造信息,还不能证实这个结论正确与否。

重力异常条带和复杂异常区与地震分布具有一定的相关性。断裂两侧异常突变带、梯度带反映了断裂两侧构造体物性的差异,复杂异常区则反映不同断裂条带的交汇或交错造成的块体破碎,这些区域往往有利于应力集中和能量积累,是地震孕育和发生的理想场所(庞卫东等,2014)。为此本文收集了有记载以来渭河盆地及邻区M_S>4.0地震以及2009年以来M_S>1.0地震资料,并统计了2009—2016年的M_S>2.0地震的震源深度,如图1、表3所示。从图1可知,研究区的地震主要沿着大断裂分布,如海原—六盘山—陇县—宝鸡断裂带,渭河断裂的宝鸡—周至段,渭河断裂与渭南塬前断裂交汇处,韩城断裂与双泉—临猗断裂交汇区等。从构造区来看,研究区地震主要分布在六盘山构造区、西安凹陷、固市凹陷、运城盆地、灵宝盆地等区域; 从震源深度及震级来看,研究区地震震源深度主要集中在20 km以内,该地区虽然历史上发生了数次7级以上强震,但近年来地震活动处于相对平静期,频次较低,且主要以中小地震为主。

虽然近些年渭河断陷地震活动性较弱,但存在发生中强甚至大地震的深部构造背景,其中渭河盆地莫霍面的突变隆升和上地幔物质上涌侵入下地壳,是地震发生的深部构造背景之一。深部热物质及高密度、高速体的流动加快了板块的运动,导致板块间闭锁段的应力积累,也容易诱发地震(任隽,2012)。从图1、表3可知,地震主要分布在主要断裂的边缘部位,即重力异常突变带或梯度带附近,这与图1)
Fig.3 Gravity anomalies in the Weihe Basin and its adjacent areas(faults and the tectonic region are shown in Fig.1)">图3揭示的重力异常差异变化及梯度带主要集中在中上地壳及以上区域具有较好的一致性。渭河盆地中小地震震源深度一般在12～20 km,位于中地壳上部,其原因是该区域具备且满足地震的孕育、发生和发展的深部介质和构造环境条件包括深大断裂、低速高导层、莫霍面形态变化、板块边界等因素(任隽,2012; 滕吉文,2009)。

冯红武等(2019)认为渭河盆地、鄂尔多斯地块和秦岭造山带各构造单元交界区域深部结构存在高速和低速的结合带,在块体间相互运动的作用下,在深部可能存在物质和能量的强烈交换,为渭河盆地及邻区的地震孕育提供条件和深部构造环境。从图1可知,秦岭造山带及鄂尔多斯地块南缘历史上也曾发生多次4～5级地震。结合本文研究结果,未来在六盘山—陇县—宝鸡断裂带、渭河盆地中部的渭河断裂与渭南塬前断裂交汇区域、韩城断裂与双泉—临猗断裂及华山山前断裂附近存在地震潜在危险,值得密切关注。

表3 2009—2016年渭河盆地及邻区MS>2.0地震震源深度
Tab.3 Focal depth of the MS>2.0 Earthquakes in the Weihe Basin and its adjacent areas from 2009 to 2016