龙门山地区的P波速度结构与汶川地震的深部构造特征

利用四川地震台网2000年1月～2008年4月的地震数据,使用地震层析成像方法反演了龙门山及其邻近地区的地壳P波速度结构,以此为依据分析了龙门山断裂带和汶川Ms8.0地震的深部构造特征.研究结果表明,龙门山的地壳速度结构和深部动力学性质与汶川Ms8.0地震的破裂起始点、震源深度以及破裂传播方向密切相关.龙门山西侧的彭灌杂岩体是地壳内部应变强度较大、易于应力长期积累的主要载体,汶川Ms8.0地震即位于彭灌杂岩体的南端,毗邻四川盆地的西部边缘,该块体与四川盆地地壳的碰撞是引发汶川Ms8.0地震的直接原因.在汶川以北,沿着龙门山断裂的高速异常有利于破裂的发生和传递,而汶川以南地壳强度相对较弱,不易产生脆性破裂而引发地震,这可能是地震破裂自汶川向东北方向延伸、汶川以南缺少地震活动的重要原因.汶川Ms8.0地震的深部动力成因与龙门山断裂两侧的构造差异有关,松潘-甘孜造山带中下地壳强度较弱,青藏高原的向东运动受到四川盆地刚性岩石层阻碍,迫使龙门山发生垂向变形,中下地壳厚度增加,莫霍面弯曲下沉,基底则褶皱抬升向山前盆地逆冲,地壳形变所产生的应力积累为汶川地震的发生提供了深部动力来源.     

川西地区现今垂直地壳运动研究

地处川滇菱形活动地块中、北部的川西及邻区, 是青藏高原物质大规模东南方向运动的重要通道, 也是青藏高原上新世以来大幅隆起的重要延伸区和影响区. 利用川西及其邻区1970年至2006年的多期水准观测资料, 采用以相邻水准点间高差变化速率为观测值的垂直形变网平差方法, 获得了川西地区近30年来的长期地壳垂直运动速度场图像. 结果表明, 相对稳定的四川盆地, 川西地区现今仍处在差异性的快速隆升阶段, 其中: (1) 位于泸定、雅江之间的高尔寺山地区现今隆起速率为3.0~4.0 mm/a, 位于雅江、理塘之间的剪子弯山-卡子拉山地区的现今隆起速率为4.0~4.8 mm/a, 而位于理塘、中甸之间的沙鲁里山、大-小雪山地区, 其现今隆起速率为3.0~4.0 mm/a. (2) 位于鲜水河断裂带东南端的贡嘎山区, 其相对四川盆地的现今隆起速率至少为5.8 mm/a, 相对安宁河谷地的隆起速率也不小于3.0~4.0 mm/a, 贡嘎山隆升速率之大可与喜马拉雅山5~10 mm/a的隆起速率相媲美. (3) 大凉山地区的现今隆起变形主要集中在安宁河断裂带与大凉山断裂带之间的块体上, 相对四川盆地的隆起速率为2.5~3.0 mm/a. (4) 位于川滇菱形地块中部的丽江、永胜、攀枝花地区, 相对四川盆地表现为-2.0~-1.0 mm/a的下降运动, 其相对下降运动与GPS地壳水平运动所表现出的东西向拉张变形特征相一致. (5) 综合GPS、水准、大地电磁测深等观测资料分析认为, 川西地区尤其是贡嘎山脉的现今快速隆升运动, 可能与下地壳塑性流的受阻增厚密切相关, 而川滇菱形地块中南部的东西向拉张和下沉变形, 则可能与喜马拉雅东构造结地区下地壳塑性流的南东、南西向分叉运动有关.     

青藏高原东缘龙门山断裂带南西段地震危险性分析

2008年5月12日汶川8.0级大地震发生在位于青藏高原东缘、南北地震带中段的龙门山断裂带中北段,该地震破裂自初始破裂点开始,沿龙门山断裂带中央及前山断裂呈NE向单侧扩展;龙门山断裂带南西段在本次地震中并未参与活动.     

青藏高原东缘的地壳流及动力过程

黏滞性地壳流对地壳及上地幔变形作用及动力机制,是大陆新生代造山带的一个重要研究内容.青藏高原中下地壳存在部分熔融或含水物质的黏滞性流体,已为一系列地球物理及岩石学研究所证实.为研究青藏高原东缘地壳流的动力作用,本文用密集的被动源宽频带地震台的观测数据,反演了地壳上地幔精细速度结构和泊松比.研究表明,川西及滇西北高原的中地壳内普遍存在低速层,而高泊松比的地壳只分布在川西北地区.位于中地壳的黏滞性地壳流从青藏高原腹地羌塘高原流出,自北西向南东流入青藏高原东缘.这些黏滞性地壳流带动了上地壳块体水平移动,当它们受到刚强的四川盆地及华南地块阻挡时将发生分层作用,地壳流将分为二或更多分支不同方向的分流,向上的一支地壳流将对上地壳产生挤压,引起地面隆升,向下的一支地壳流将使莫霍面下沉加厚下地壳.黏滞性地壳流的运动在地壳中产生应变破裂发生强烈地震活动,地震的空间分布与震源机制也受到地壳流动力作用控制.

     

川西龙门山及邻区地壳上地幔远震P波层析成像

本文利用川西地震台阵记录到的远震P波走时数据和非线性层析成像算法,获得龙门山地区400 km深度范围内的三维P波速度结构.为了适应川西地区复杂的地质结构,本文的层析成像方法采用了快速行进三维走时计算算法和Tarantola非线性反演算法.我们的结果揭示了川滇地块、松潘—甘孜地块和四川盆地三个不同地块构造差异及该区深部动力学特征.本文的研究表明：1）研究区地壳上地幔P波速度结构具有较为明显的分区特征,松潘—甘孜地块和川滇地块岩石圈速度较低,四川盆地岩石圈速度较高,四川盆地的岩石圈厚度从南250 km向北逐渐减薄至100 km.松潘—甘孜地块上地幔存在地幔上涌的特征.2）川滇地块和四川盆地仅是垂直接触关系,而在龙门山地区四川盆地前缘存在减薄的现象,并伴随松潘—甘孜地块上地幔低速物质有侵入四川盆地岩石圈下方的特征,这显示了四川盆地与松潘—甘孜地块和川滇地块的动力学关系的差异.3）以映秀为界,龙门山断裂带被从松潘—甘孜侵入的低速异常分为南北两段：龙门山南段和龙门山北段,汶川大地震及其余震序列均分布在龙门山断裂带的北段.在青藏高原向东挤压和地幔上涌的双重作用下造成松潘—甘孜地块隆升,由于汶川处于龙门山北段的最南端,应力容易在此集中.这些因素可能是汶川MS8.0地震的基本动力学背景.本文的结果不支持四川盆地的俯冲及层间流动的动力学模型.     

汶川8.0级地震构造动力成因分析

汶川8.0级地震发生在青藏活动地块区的东部边界带, 是继2001年昆仑山口西大地震之后青藏块区的又一次巨大地震。 根据龙门山推覆逆冲断裂带深浅部构造背景和壳幔结构特征, 文中构建了汶川地震的震源简化模型。 并依据震源模型的力学抽象建立了孕震过程的动力学方程组, 且在简化解释下给出了孕震过程中的应力、 应变的解析表达式。 应用模型的解析解, 并参照龙门山构造区的构造形变观测结果, 初步讨论了汶川地震的孕震过程, 给出了汶川8.0级地震的孕育过程可达3000多年的结果, 指出由于龙门山地区构造形变速率很低, 因而导致孕震过程缓慢, 大震复发期较长的基本结果。     

青藏高原东缘龙门山逆冲构造深部电性结构特征

通过对汶川地震前观测的碌曲—若尔盖—北川—中江大地电磁剖面的数据处理和反演解释,揭示了沿剖面的松潘—甘孜地块、川西前陆盆地、龙门山构造带及秦岭构造带50 km深度的电性结构特征及相互关系,表明青藏高原东缘向东挤压,迫使向东流动的地壳物质沿高原东缘堆积,并向扬子陆块逆冲推覆.龙门山恰好位于松潘—甘孜地块与扬子陆块对挤部位,主要受松潘—甘孜地块壳内高导层滑脱和四川盆地基底高阻体阻挡的约束,地壳深部存在着西倾且连续展布的壳内低阻层,表明龙门山深部确实存在着逆冲推覆构造,其逆冲断裂系中的三条断裂不仅以不同的倾角向西北倾斜,并且向深部逐渐汇集,但茂县—汶川断裂可能在深部与北川—映秀断裂是分离的.龙门山两翼的四川盆地和松潘甘孜褶皱带的电性结构既具有明显差异性,又具有一定的相关性.四川盆地显示巨厚的低阻沉积盖层和连续稳定的高阻基底的二元电性结构,而松潘—甘孜地块则表现为反向二元结构,即上部大套高阻褶皱带,下部整体为低阻的变化带,龙门山逆冲构造带本身又表现为松潘地块逆冲上覆在四川盆地之上,构成上部高阻褶皱带、中部低阻逆冲断裂带和底部盆地高阻基底的三层电性结构.对比龙门山逆冲构造断裂带的西倾延伸上下盘两侧的两个反对称的二元电性结构,松潘区块深部推断的结晶基底与龙门山断裂带下盘推断的下伏盆地结晶基底又存在某种内在对应关系,推断可能存在一个西延至若尔盖地块的泛扬子陆块.因此,龙门山构造带地壳电性结构研究对于揭示青藏高原东缘陆内造山动力过程,探索汶川大地震的深部生成机理都具有重要意义.     

青藏高原及周边现今构造变形的运动学

青藏高原现今构造变形的定量化研究是理解其动力过程的基础 ,近年来高速发展的GPS(全球定位系统 )技术为测量大尺度现今构造变形提供了最有效的手段。我们利用青藏高原及周边的5 5 3个GPS观测数据给出了其现今构造变形的速度场 ,表明印度和欧亚板块之间的相对运动主要被青藏高原周边的地壳缩短和内部的走滑剪切所调整吸收。其中 ,喜马拉雅山系吸收了青藏高原总缩短量的 4 4%～ 5 3% ,北部的阿尔金山、祁连山和柴达木盆地吸收了 1 5 %～ 1 7% ,高原内部吸收了 32 %～4 1 %。青藏高原的“向东挤出”实际上是地壳物质的向东流动而不是刚性地块的挤出。这一地壳物质流动带在高原西部以地表张性正断层和共轭剪切走滑断层为特征 ,到高原中东部转换为巨型的弧形走滑断裂带 ,再到高原东北缘转换为地壳缩短和绕东喜马拉雅构造结的顺时针旋转。青藏高原的大尺度现今构造变形以连续变形为特     

龙门山断裂系及邻区地壳重力均衡效应与汶川地震

龙门山断裂系位于松潘-甘孜山地与成都盆地平原之间,地形高差达3500±500 m.根据重力资料给出四川中西部成都盆地、龙门山、邛崃山区、松潘等川西山地(102°E～105°E,30°N～33°N)的地壳厚度(Moho界面深度)分布.为了探究汶川大地震孕育与发生的原因,将其与据艾里(Airy)大陆均衡理论给出的理论均衡地壳厚度进行对比分析,以探讨该地区的地壳均衡状态.研究结果表明:龙门山断裂带系及以西地区深部地壳是处于很不均衡的状态.为了深化认识重力均衡与大地震的相关性,尚需对该地区深部结构与地壳重力均衡效应作精细研究.同时,本文上述研究结果亦有益于震后确定城镇布局和为不同类型建筑物重建选址方面提供深部要素.     

近年来龙门山断裂GPS剖面变形与应变积累分析

利用1999~2012年4期GPS速度场数据,对龙门山断裂天全—映秀段及安县—广元段的GPS剖面变形与应变积累作了探讨。在剖面应变积累对地震触发成因及程度方面,将芦山MS7.0与汶川MS8.0地震进行了对比分析。结果表明:(1)芦山地震之前,该地区压性速率远高于1999~2007年,它是汶川大震后的应力调整过程;(2)汶川MS8.0、芦山MS7.0两次强震间隔如此之短,不排除是汶川地震之后龙门山断裂西南段应力场高值压应力的调整过程对此次芦山地震起到触发作用的可能性。     

龙门山南段芦山震区浅层沉积与构造变形——对深部发震构造的约束

2013年4月20日在龙门山南段发生M_W6.7强震,造成重大人员伤亡和财产损失.芦山地震发生后,针对发震断层是高角度还是低角度断层?断层的归属、性质和地震构造模型等问题,一直存在不同的认识和争议.本次研究采用了芦山震区的三条高精度二维人工地震反射剖面,结合区域地质、钻井资料,对芦山震区浅层沉积与构造变形进行综合解释;研究同时综合了震源机制解、小震重定位结果以及深地震探测剖面,并结合龙门山地区古生代以来的构造演化史,对震区地质构造进行解析.研究认为龙门山南段主要发育了三套不同层次的滑脱层并控制了上地壳形变,呈现多层滑脱、多期变形、构造叠加的复杂特征.2013年芦山地震的主要活动断层发育在深部约20 km滑脱层之上,倾向NW、倾角较陡大约在45°~50°,并产生反冲断层形成Y字状结构.地震地质解释表明,芦山地震的同震活动断层没有突破中生界和新生界,并非先前认为的双石—大川断裂（F4）或山前大邑隐伏断裂（F6）;芦山地震的发震断层为一基底盲冲断层;深地震反射结果进一步揭示芦山地震的发震断层为一早期（古生代）形成的正断层.研究认为芦山地震发震构造符合简单剪切断层转折褶皱模型（Simple-shear Fault-Bend Fold）,2013年芦山地震为一次非特征型地震.晚新生代以来在青藏高原向四川盆地强烈挤压持续作用下,早期正断层重新活动并产生了芦山地震.这种深部隐伏断层活化产生的特殊型地震,无疑增加了龙门山地区地震灾害的风险和不确定性.

     

青藏高原东部玛多-沙马地区的重力场与深部构造

根据青藏高原东部玛多-沙马（下察隅）重力剖面的重力数据资料，对该地区的重力场和深部地壳构造特征作了分析研究，提出青藏高原东部的布格重力异常是高原边缘高，内部低，地壳厚度是边缘薄，内部厚，平均地壳厚度为60km左右，在察隅-沙马地区，为负均衡异常区，因此，该地区是属于地壳上升的地区，此项结果，填补了察隅-沙马地区的均衡重力异常的空白。     

青藏高原北部地震区弧形带与东缘带大地震活动特征的对比研究

汶川8.0级地震前地震活动图像,呈现长期(几十年)多阶段中强震起伏和中长期(10～30年)强震活动平静,甚至无5级以上地震情况下突发大地震等显著特点.与青藏高原北部地震区大多数7级以上地震中期(几年至10年)中强震增多和中短期(1～3年)成组大震活跃等特点,形成鲜明的对照.将中国南北带东边缘带M≥7.7的11次大地震(含汶川8.0级)归属于中长期多阶段起伏、中短期突发型地震,相应的另一种大震称为中短期渐进型地震.围绕这一认识,对汶川8.0级地震活动特征作回顾性探讨.     

湖南深部断裂构造与地震的关系

通过对湖南历史破坏性地震和近代较强有感地震的收集、整理和分析,并对深部断裂带类型与分布进行讨论。在对近代湖南发生的地震进行现场考察工作后,发现湖南历史破坏性地震活动的空间分布与深部断裂带有一定的内在关联,近代强有感地震活动与深部断裂带之间也有密切的内在联系。     

延庆、怀来地区地壳深部磁性构造与地震的研究

应用三维磁性层反演理论和方法，对延庆、怀来地区航磁资料进行了数据处理，反演计算了该区磁性基底埋深、居里等温面埋深和视磁化强度分布。揭示了延庆盆地、矾山盆地、怀来盆地、涿鹿盆地等四个相互联通盆地的磁性基底的定量特征。对该区地震发生的深部原因和地壳内不同特性块体与地震的关系进行了探讨；对该区地震分布的特点进行了研究；初步提出了该区地震的危险区划和今后的重点监测区。     

青藏高原东北部地区的区域地壳现今构造形变系统——陆壳浅源构造地震成因的新认识

依据青藏高原东北部地区的大震（Ｍｓ≥７）,大震形变带、活动断裂和活动的构造体系的资料,以地球系统科学、地质力学、地震地质学、现代地震学的理论和方法为主线,对该区内大震的“共性”进行了探讨,提出了具有三维空间动态地壳现今构造形变系统的新概念,并对该区内地震的形成机制、分布规律等问题提出了新的见解。     

龙门山断裂带深部构造变形的黏弹性模拟及其与强震活动的关联性探讨

根据龙门山断裂带地区的主要构造特征,建立该地区的有限元模型,同时考虑地下深处的黏弹性蠕动和不同部位间的接触关系,模拟计算了研究区在强震轮回活动中的时间演化历程.模拟结果表明:龙门山断裂带深处的滑动速率比浅表的滑动速率大,龙门山断裂带周围是相对容易发生应变积累的地区,其5~19 km深度也是高应力聚集成核区,随时间推移的应力集中程度加剧而引发强震.本模拟分析证实了重复地震观测所揭示的龙门山断裂带存在深浅活动速率差异的现象,这在一定程度上可以解释出乎预料的汶川MW7.9地震的孕育机理.综合分析研究提出:应充分利用重复地震这一天然的"地下蠕变计(subsurface creepmeter)"来探测深部构造变形的活动,为强震危险性分析提供必要的"原位(in situ)观测"约束信息.     

青藏高原东缘下地壳流动的地震学证据

在2000年完成的穿过川西高原和四川盆地的深地震测深剖面揭示了川西高原的地壳结构具有地壳增厚(主要是下地壳增厚)、地壳平均速度低等特点,显示地壳的缩短与增厚的碰撞变形特征。根据川西高原上设置各爆炸点的记录截面图共同呈现PmP(莫霍界面反射波)弱能量的特点,推断在川西高原的下地壳介质具有强衰减(Qp=100~300)的性质。利用我国西部地区的宽频带地震台站的面波资料反演青藏高原及其邻区的地壳上地幔S波三维速度结构,在周期T=29.2s和T=42.9s的Rayleigh波群速度分布图上,显示了青藏高原东部(包括川西高原)呈现大范围的低速异常。多方面的结果表明,地震学方法为当前流行的下地壳流动模型提供了深部证据。     

中小地震应变能密度等值图像在龙门山地震带边界调整中的应用

地震区、带的划分直接影响地震活动性参数的选取和地震危险性分析的结果,它是地震区划中一项重要的工作.龙门山地震带位于南北地震带中部,地震活动相当强烈.目前编制的五代图,根据最新研究的资料,对龙门山地震带与长江中游地震带、巴颜喀拉山地震带东南边界以及柴达木-阿尔金地震带的边界做了相应改动,将成都盆地、龙日坝断裂划归龙门山地震带,将日月山断裂划归柴达木-阿尔金地震带.