0 引言

太行山东南缘（图1）是中国华北地区一条重要的构造单元交接带（徐杰等，2000；张家声等， 2002），西邻山西断隆，东至华北断凹，以太行山山前断裂带南段为构造分界线。太行山山前断裂带一直是地学研究的热点，不同学者因采用地质地球物理方法不同，得到的结果也存在一定差异（黄汲清，1980；张文佑等，1983；商宏宽和吕梦林，1985； 冯希杰，1992；Wang，1995；徐杰等，2000；孙冬胜等， 2004；侯治华等，2007；刘保金等，2012；杨晓平等， 2016；王志宏和李少朋，2019；张伟等，2021），对断裂带整体的横向延伸、构造规模及切割深度都有进一步的探讨空间，通过对该断裂带周边地质构造单元界限的研究也能对该区域内矿产、清洁能源等的开发利用起到指导作用。因此，通过重力场特征研究太行山山前断裂南缘邻区构造及基底特征，深入探讨该地区基底构造属性之间的关系，进一步精细划定断裂的空间分布和接触关系具有重要意义。

近年来，随着区域重力资料的不断更新以及数据处理和解释新方法的快速发展，前人在研究构造特征方面取得了显著进展（姜文亮等，2011；左宗鑫，2011；屈念念等，2019；田语堂等，2020）。为了深入探讨太行山东南缘区域重力及构造分布特征，笔者收集了研究区1∶20万区域重力数据（范围为东经114°07′～115°18′，北纬36°01′～37°44′）和1∶2.5 万高精度重力精测剖面数据（点距 250 m），进行小波多尺度分离、增强局部边界识别、莫霍面反演（冯娟，2016；刘卓，2019）及剖面反演建模（唐新功等， 2008；罗翔飞等，2017）等处理研究，从面到线、从区域到局部综合分析区域地质构造问题，进一步揭示区内断层空间展布、莫霍面起伏形态等深部构造特征，同时结合前人认识对研究区断裂组合关系、断裂属性及岩石圈结构等进行了研究，为太行山山前断裂南段及邻区断裂活动性探测、基础地质研究及矿产、清洁资源勘查提供依据（徐志萍等，2015，2017）。

1 区域地质概述

1.1 区域地质概况

研究区地层由新到老为：新生界第四系、新近系、古近系，中生界白垩系、侏罗系、三叠系，上古生界二叠系、石炭系，下古生界奥陶系、寒武系，中新元古界和太古宇（表1）。区内Ⅰ级构造单元属中朝准地台，Ⅱ级构造单元为山西断隆、华北断坳，Ⅲ级构造单元 4 个，Ⅳ级构造单元 28 个（图1）。研究区主断裂走向呈 NE-NNE 向，主要断裂有太行山山前断裂、磁县—大名断裂、邯郸东断裂、曲周—威县断裂、广宗断裂、巨鹿断裂等。

1.2 岩石物性特征

（1）密度特征。根据以往重力工作和大量物性测定，研究区存在两个主要密度界面，这两个密度界面分别为新近系与古近系分界面、古近系与中生界分界面（表2）。第一个密度界面为新近系与古近系的分界面，其密度差值为 0.18 g/cm³。但其界面起伏较小，不是形成本区重力异常的主要因素。第二密度界面（新生界地层与其下伏中生界、古生界、元古宇、太古宇之间）密度差较大，其密度差值为 0.36～0.55 g/cm³，起伏较大，是引起本区布格重力异常的主要因素。这一差值足以引起可分辨的重力异常，它是重力勘探、解释、推断基岩埋深及断裂 （层）构造位置的依据。其他密度面差均小于新生界与其下伏地层的密度差。

Ⅱ³ ₂—山西断隆；Ⅱ⁴ ₂—华北断凹；Ⅲ¹¹ ₂ —太行拱断束；Ⅲ¹² ₂ —冀中凹陷；Ⅲ¹⁶ ₂ —临清凹陷；Ⅲ¹⁷ ₂ —内黄抬拱；Ⅳ³² ₂ —赞皇穹断束；Ⅳ³³ ₂ —武安凹断束； Ⅳ⁴⁰ ₂ —保定断凹；Ⅳ⁴¹ ₂ —高阳台凹；Ⅳ⁴² ₂ —饶阳断凹；Ⅳ⁴⁹ ₂ —献县断凸；Ⅳ⁵⁰ ₂ —阜城断凹；Ⅳ⁵¹ ₂ —景县断凸；Ⅳ⁶⁴ ₂ —晋县断凹；Ⅳ⁶⁵ ₂ —宁晋断凸；Ⅳ⁶⁶ ₂ — 束鹿断凹；Ⅳ⁶⁷ ₂ —新河断凸；Ⅳ⁶⁸ ₂ —南宫断凹；Ⅳ⁶⁹ ₂ —明化镇断凸；Ⅳ⁷⁰ ₂ —大营断凹；Ⅳ⁷¹ ₂ —故城断凸；Ⅳ⁷² ₂ —南河断凸；Ⅳ⁷³ ₂ —巨鹿断凹；Ⅳ⁷⁴ ₂ —广宗断凸；Ⅳ⁷⁵ ₂ —丘县断凹；Ⅳ⁷⁶ ₂ —馆陶断凸；Ⅳ⁷⁷ ₂ —冠县断凹；Ⅳ⁷⁸ ₂ —堂邑断凸；Ⅳ⁷⁹ ₂ —邯郸断凹；Ⅳ⁸⁰ ₂ —汤阴断凹；Ⅳ⁸¹ ₂ —临漳断凸；Ⅳ⁸² ₂ —元村集断凹；Ⅳ⁸³ ₂ —南乐断凸

（2）电性特征。根据近年华北地区开展大地电磁测深工作所获得的电性资料可以看出（表3），研究区所发育的几类主要地层大致规律：新生代地层电阻率值都偏低，新近系、古近系平均电阻率一般为 4～7 Ω·m，下部的中生界地层，平均电阻率值 23 Ω·m，是新近系、古近系平均电阻率的4～5倍，白垩系地层的视电阻率为其上地层的4～5倍，奥陶系与其上地层之间有明显的差异。

2 重力场异常分析

2.1 布格重力异常分析

局部地质构造与重力场的局部变化密切相关。地层圈闭、隆起、断陷和断裂等不同的构造形式会在地层发生密度差异和空间位置变异时，导致区域或局部重力场的变化。因此，重力场的特征（如分布范围、形态、异常轮廓、幅值和变化梯度）直接反映了地质构造的特征。由布格重力异常平面图（图2）上可以看出布格重力场范围在（-76.3～-8.6）× 10^-5 m/s²，其幅值的高低变化与区内基底起伏密切相关，重力高对应宁晋断凸、广宗断凸、临漳断凸、南乐断凸、馆陶断凸等隆起构造，重力低对应汤阴断凹、邯郸断凹、丘县断凹、巨鹿断凹、任县断凹等凹陷构造。区内以 F1 断裂（太行山山前断裂南段） 为界，断裂以西，重力场方向主要呈现NNE向，断裂以东则逐渐过渡为 NE向。表明由于不同时期的拉张-挤压-走滑及差异性升降运动作用，区内的地层及局部构造主要受断裂活动控制，从而引起重力异常及地质构造特征的差异。

2.2 重力场边界增强分析

小子域滤波是一种基于统计学原理的方法，可通过对梯级带进行压缩来实现异常分区。在平面网格数据处理过程中，可以将滑动窗口划分为多个不同的子域，并计算各自子域中位场数据的标准差和平均值。选择标准差最小的子域作为当前滤波窗口中心点的值，从而突出梯级带异常，获得地质体的边界位置信息（图3a）。通过使用小子域滤波方法，可成功突出位场的梯级带异常，并进一步提高了地质体边界位置信息的准确性（杨文采等， 2015；杨斯涵，2015；罗新刚等，2018；姚刚等，2018； 陆天启等，2019）。

总梯度模量法是一种利用重力数据的水平和垂向导数结合计算地质体边界的方法，通过确定导数的极值点来确定边界（图3b），其计算方法可以用公式（1）所表示：

其中：

通过上述两种方法处理，对重力场边界进行了增强，凸显了不同地质体的界线，构建了现今的断裂构造格局，为之后更合理的异常圈定和解释提供依据。

2.3 重力小波变换场分析

小波多尺度分析方法可将信号分解成不同尺度成分，用于对重力异常场进行分离。布格重力异常小波细节反映了不同深度地质体的密度差异所引起的重力异常。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。而小波逼近则反映了区域性场的特征。因此，通过使用小波多尺度分析方法，可以有效地识别和分离出不同深度地质体所产生的重力异常，并进一步研究它们在地球内部的空间分布规律（路晓翠等，2012，付强等， 2019，侯晓真等，2019）。本文作小波多尺度分解采用的小波基是db小波：

a—小子域滤波；b—总梯度模量法

利用公式（4），我们可以根据尺度 j=J 时的小波逼近部分和 j=1，2，···，J的小波细节部分进行重构，从而得到不同尺度的小波分离结果。其中，Aj表示第j=J阶的小波逼近系数，Dj表示第j=1，2，···，J阶的小波细节系数。通过功率谱分析法，可以将各阶细节成分所代表的场源似深度计算出来，并进一步赋予小波分析具体的地质含义。

式（5）中，s=（u2+v2）^1/2，u、v 分别为 X、Y 方向的圆率；InR0（s）≈InP0（s）+2Ins，InP₀（s）是场源的功率谱对数；h表示似场源深度；B 是一个与地质几何尺寸和物性相关的常数。根据公式（5），可以计算出不同尺度小波变换结果所对应的似场源深度（表4）。

小波变换细节能够反映被掩盖在地下的多种复杂构造单元，如不同规模的隆起、凹陷和覆盖区域隐伏的断裂构造。因此，通过小波分析方法，可以更加准确地识别和解释复杂构造的特征和变化，从而提高对地质体的认识和理解。

1阶小波变换细节（图4a），重力值范围在（-1.4～1.4）×10^-5 m/s²，异常较为杂乱，多呈串珠状异常、等值线总体圈闭范围很小，重力幅值呈 NE 向为主、 NW向为辅的重力高、低圈闭异常特征，多数断裂在布格重力异常上表现为狭长的线状，主要分布在重力高、低异常间的梯度带，其间多有等值线的同向扭曲，该深度位置的重力异常反映了明显的断裂错动现象，地层密度在横向上变化剧烈，密度分界面分布支离破碎，地层结构也十分复杂。此外，以断裂为界发育的北东向局部构造体也呈零散状分布。太行山山前断裂南段（F1）在 4 km 以浅的层位上表现为被多条NWW向断裂截断，形成磁县—安阳、永年—磁县、任县—沙河、内丘—任县、高邑—临城 5 段的带状分布形式。

2阶小波变换细节（图4b），重力值范围在（-8.2～7.8）×10^-5 m/s²，揭示的场源深度对应上地壳，反映其在该深度岩石密度的平面分布特征。与1阶细节相比，发现地质构造特征在异常中表现得更加明显，同时上地壳结构特征的反映也更加直观。重力异常圈闭更加完整，其 NE、NNE 向的构造走向更加凸显。沿磁县—邯郸—邢台一带展布的 NNE 向条带状高重力异常范围呈逐渐扩大趋势，同时东侧的低重力异常区域也有所增加。高、低异常间的梯度带更加清晰，说明太行山山前断裂南段（F1）在场源深度上的活动性有所增强。

3阶小波变换细节（图4c），重力值范围在（-20～25）×10^-5 m/s²，异常圈闭范围进一步扩大，NWW 向异常有所减弱，揭示的场源深度约为 13～14 km，对应中地壳。该深度上高频异常基本消失，以重力高、低异常为边界的区域构造格架逐渐清晰。

4阶小波变换细节（图4d），重力值范围在（-40～31）×10^-5 m/s²，异常圈闭范围继续增大，NWW 向异常逐渐消失，异常幅值的高低反映了下地壳顶界面的起伏趋势太行山山前断裂南段（F1）以东西两侧重力高、低异常间的梯度带为分界线，表明该断裂在此深度上两侧的地层密度差异明显，存在错动现象。

2.4 断裂解译

根据布格重力异常多种位场转换结果，对研究区内太行山东南缘及周边主要断裂（图5）进行分析（表5）。断裂构造多分布在重力异常的线性梯度带、重力异常幅值相对高低之间的过渡带、垂向二阶导数曲线的零值位置，NE向与NW向断裂的交界处多发生线性异常带的水平错位或平移及异常等值线的同向扭曲。并通过不同深度的重力异常边界变化判断断裂构造的走向与倾向。

本次断裂的平面成果与区域构造认识相一致，但在对太行山山前断裂内丘—任县段（F1-d）的解译时，同原有认识相比，断裂整体位置西移约6 km，尤其是在任县南经 EW 向的断裂错断西移，形成了任县断凹四级构造单元，为了佐证本观点，故收集该区域其它地球物理及钻孔资料用以对比分析。

（1）重、磁平面场依据。在布格重力异常及布格重力剩余异常上（图6a，6b），F1 断裂原有的认识穿过闭合的重力低值异常范围，根据重力场对断裂的判断原则，该处断裂应向西平移到重力场梯度带位置才相对合理。由于太行山山前断裂（F1）在任县段走向为 NE 向，因此在布格重力 135°方向导数异常中为正极值的连线，与布格重力场对断裂的解释位置相互佐证（图6c）。在航磁异常垂向二阶导数中（图6d），该段断裂位置表现为零值的连线，因此判断断裂在该处也为磁异常的边界，说明该断裂对研究区的磁性基底也存在一定的控制作用（王德华等，2018）。

（2）大地电磁测深剖面依据。通过项目采集的大地电磁测深剖面（河北省国土资源厅地热资源勘查项目）可以看出（图7，图8），同重、磁平面资料对比，其电性成果同样揭示了太行山山前断裂（F1）任丘段位置西移的现象。

两条电阻率断面图在重磁平面解释的断裂新部位，存在明显的电阻率曲线同向扭曲现象，并且在断裂两侧低阻层厚度明显存在突变现象，说明该断裂对东西两侧中、新生界的厚度存在控制作用，这也与地质上对太行山山前断裂的认识相一致。

（3）钻孔验证。由钻孔可知（图9），在 F1西盘，钻孔官 28 在 517 m、1302 在 184 m、j012 在 173 m 揭示奥陶系灰岩，而任县断凹内任 3 孔、任 4 孔在约 490 m 尚未穿透新生界地层，在任县断凹南的 F1西盘，任1钻孔在450 m、2004钻孔在308 m即见基岩，东盘的任13钻孔在1002 m未穿透新生界，金地热1 号地热井在 1240 m 见三叠系。这些钻孔的信息与本次对 F1 推断的结果吻合，佐证了本文对 F1 推断结论的合理性。

a—一阶小波细节；b—二阶小波细节；c—三阶小波细节；d—四阶小波细节

a—布格重力异常；b—布格重力剩余异常；c—布格重力135°方向导数异常；d—航磁异常垂向二阶导数异常 1—物探剖面及编号；2—推断断裂及编号

2.5 莫霍面反演

本文采用Parker密度界面反演法推算了该地区的康氏面和莫霍面深度（陈光希等，2019；何慧优等，2019；袁永祺和贾真，2020）。该方法要求反演界面的平均深度值与界面上下的密度差值，并以深地震测深资料作为约束条件，以保证反演结果的可靠性和准确性。由于界面密度差随深度不同而变化，导致界面密度差不唯一，假设界面密度差为 Δρ₀，壳幔密度差指数模型为：

式（5）中 μ为变密度因子，Z₀为平均深度，Δg为布格重力异常，G为万有引力常数。

由密度与 P 波速度的经验转换公式 ρ=0.77+ 0.32Vp（田语堂等，2020）可得到不同深度的地壳密度，以此得出壳幔密度差为 0.37 g/cm³（图10）。本研究采用地震深反射资料作为约束条件，并在平均地壳厚度约为 38.5 km 的情况下，计算得到该区的变密度因子为0. 049。

本研究采用 4 阶小波逼近图消除局部异常、噪声等影响，主要表现为区域场异常信息，并使用对数功率谱计算得到其场源深度约为 38 km。这种方法可以较好地反映出上地幔所引起的重力异常特征，因此我们选择利用该方法推算莫霍面深度 （图11）。

由研究区莫霍面分布图可知（图11），莫霍面在纵向上起伏变化较小，范围为 37. 0～39.8 km，整体表现为西深、东浅的特点，将研究区大体上一分为二，西部方向为山西断隆东侧，莫霍面深度较深，东部方向深度较浅，对应为华北坳陷。地壳由东向西方向逐渐增厚，区域莫霍面形态与地表地形呈负相关。太行山山前断裂带南段（邯郸—邢台断裂）位于莫霍面深度变化过渡带，对该地区莫霍面深度分布和东西部构造格局形成有着重要影响。由于其作用，该地区出现了明显的莫霍面深度东西分异的格局，并将山西断隆和华北坳陷区域分隔开来，地壳厚度从东到西方向由 37. 0 km 增厚至 39.8 km。研究结果表明，太行山山前断裂带为一条深大断层，并具有多期活动的特性。作为构造边界带，它对其两侧岩石圈的构造运动产生着显著影响。

ρ—密度/（g/cm³）；V_p—纵波/（km/s）；V_s —横波/（km/s）

3 重力剖面地质建模

为直观清晰地研究临清台陷的基底构造特征，本文选择沿NW—SE方向构建两条重力剖面L01与 L02，分别位于临清台陷北部及南部。其中沿内丘 —任县—邱县位置建立剖面 L01，沿武安—邯郸— 馆陶位置建立剖面 L02，两条剖面长度均为 110.25 km（图12）。

由两条剖面可以看出，太行山山前断裂南段东部的临清台陷中上地壳底部埋深由北向南逐步加深，最深处可达12 km，四周被NW向及NE向两组断裂所截，断线内部的次级断块活动强烈，形成多个局部断隆构造。地层构造为不对称的“堑式”或“垒式”结构，其受断裂构造的控制作用较强，具有伸展盆地的构造特征。剖面上断裂构造发育，从而表明区内构造的生成演化与断裂的活动密切相关，也就即断裂活动是区内构造生成、演化的主导因素。其主要边界断裂太行山山前断裂南段（F1）、太行山山内断裂（F3）、馆陶西断裂（F8）均切穿中地壳，为区域内的深大断裂，临清台陷内部的次级断裂则多为切穿上地壳。

4 结论

（1）基于重力异常数据，本研究采用小波分析方法进行多尺度分解，并利用不同阶次小波变换细节反演浅部地质体及上、中、下地壳内地质构造的分布特征。结果表明，一阶小波变换细节主要反映了浅地表密度不均匀地质体的分布特征，而二、三和四阶小波变换细节则可以反映出上、中、下地壳内地质构造的分布特征。其中，裂陷盆地凹陷区与低重力异常相对应，隆起区则与高重力异常区对应。随着深度的增加，其密度的横向差异逐渐由复杂转向稳定。由本次成果可以看出，小波多尺度分析方法在重力异常资料分析中具有很好的效果，可以有效地分离出不同地壳深度范围内的地质体横向密度差异分布特征。

（2）研究区隐伏断裂较多，深部构造特征复杂，结合对重力场的边界增强分析，对主要断裂带进行了详细的分析，确定了研究区12条断裂的空间展布及切割深度。并对太行山山前断裂内丘—任县段 （F1-d）的平面位置重新厘定，在原有的认识上该段位置向西平移约 6 km，辅以磁法平面、大地电磁测深剖面及钻孔资料用于佐证本次的观点与认识。

（3）研究区莫霍面在纵向上起伏变化较小，整体表现为西深、东浅的特点，将研究区大体上一分为二，太行山山前断裂带南段位于莫霍面深度变化过渡带，地壳厚度从东到西方向由 37 km 下降至 39.8 km。研究结果表明，太行山山前断裂带为一条深大断层，并具有多期活动和构造边界带等特征。由于其作用，该断裂带在地质演化过程中对其两侧岩石圈的构造运动产生着显著影响。

致谢 本文的野外地球物理工作得到了河北省地矿局第一地质大队技术人员的帮助，在撰写中得到了天津华北地质勘查局专家的大力支持，审稿专家对本文提出了宝贵的修改意见，在此一并表示感谢!

参考文献