区域地球物理学旨在应用先进的地球物理场观测技术,按规定网格密度观测区域地球物理场,取得关于区域地壳上地幔组成结构的信息,并最终揭示区域地壳三维结构与构造形态,为资源勘探、地质灾害预防及生态均衡提供科学依据。由于区域重力场观测成本较低且可反映全地壳物质的密度信息,因此利用区域重力场揭示地壳三维密度结构与构造分区逐渐成为现今区域地球物理学研究的主攻方向之一。但是,不同类型的大陆构造单元边界反映的地壳变形强度可能非常悬殊,甚至可达几十倍,因此单纯用线状异常幅度或者梯度并不能够准确地识别和圈定大陆构造单元间的边界。必须对地壳变形产生的线形刻痕进行准确的数学描述,并对其隐含的特征信息进行数学分析,才能准确提取大地构造单元及其边界的信息,为大陆构造单元划分提供可靠依据。以随机过程理论为基础的刻痕分析技术是表面识别方法的一种,可确切地识别表面形貌的各项动态特征。该方法已被广泛应用于自动化工程及其它领域。本论文首次将工程学界的刻痕分析技术引入到地球物理学领域,通过跨学科研究发展位场刻痕分析方法。首先,从物理学角度将地壳变形带看作为地球动力学作用在地壳中留下的刻痕,那么地壳变形带对应强的物质密度各向异性;其次,利用位场刻痕分析方法提取重力场各向异性新信息,进而识别出地壳变形带及其边界信息;最后,将小波变换、频谱分析、广义反演理论及位场刻痕分析方法结合,发展位场多尺度刻痕分析方法,用于提取地壳不同深度的密度扰动、脊形化系数及脊形体边界系数,进而分析地壳不同深度地质体、地壳变形带、构造单元的平面分布特征及立体作用模式。本论文取得的主要研究成果如下:(1)提出位场刻痕分析方法;采用三维空间域局部谱矩信息构建脊形化系数及脊形体边界系数两个新参数。其中脊形化系数用于刻画重力场各向异性信息,可反映地壳变形带及大地构造单元分区;脊形体边界系数可以更加详细、均衡、连续的刻画大地构造单元的边界。(2)利用重力场理论模型数据验证了位场刻痕分析方法的正确性。在桐柏-大别地区的应用结果显示:刻痕的脊形化系数很好的反映了地壳变形带和构造单元边界,为构造单元的分区提供了丰富的信息;脊形体边界系数刻画的边界细而强,更有利于对构造单元边界的准确定位;综合这两种信息可为地壳构造单元的划分提供客观的依据与标准。中国大陆区域布格重力场上的试验结果表明已发现的板块缝合带、地块碰撞带、地壳拆离断裂带和大型走滑断裂带大都反映为较深的地壳刻痕。但是,新构造期非定形的地壳活动断裂带多反映为浅地壳刻痕,而不一定与现代地壳变形地震带位置完全重合。(3)将前人已研究成熟的小波多尺度变换、频谱分析、广义反演理论和本文新提出的位场刻痕分析方法结合便形成了多尺度刻痕分析方法,构建了位场信息处理解释的完整体系,可用于刻画地壳分层的三维密度结构、地壳变形带分布和构造单元分区。(4)对满加尔坳陷地区进行多尺度刻痕分析,提取出满加尔坳陷地壳不同深度的密度扰动、脊形化系数及脊形体边界系数三套图件;密度扰动图可以客观地为沉积盆地内部构造单元划分提供可靠的依据;利用脊形化系数及脊形体边界系数可以确定满加尔坳陷内部深层密度扰动带及其边界的分布;综合利用脊形化系数和脊形体边界系数,圈定了深层满中高密度扰动带和满北低密度带,为深层油气勘探提供重要的基础资料。