唐新功 尤雙雙 胡文寶 嚴(yán)良俊

(油氣資源與勘探技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(長(zhǎng)江大學(xué))，湖北荊州 434023)

龍門山斷裂帶地殼密度結(jié)構(gòu)

唐新功 尤雙雙 胡文寶 嚴(yán)良俊

(油氣資源與勘探技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(長(zhǎng)江大學(xué))，湖北荊州 434023)

研究龍門山及鄰區(qū)地殼密度結(jié)構(gòu)對(duì)于認(rèn)識(shí)該地區(qū)地震活動(dòng)性具有重要意義。根據(jù)龍門山及鄰區(qū)(100°～105°E，28°～33°N)的布格重力異常資料，選取了跨越龍門山斷裂帶的6條重力測(cè)線，在深地震測(cè)深資料約束下，使用Geosoft軟件分別反演出了龍門山地區(qū)地下的沉積層、康拉德界面和莫霍面的深度分布。研究結(jié)果表明:龍門山斷裂帶兩側(cè)的地殼結(jié)構(gòu)明顯不同，西面高原地區(qū)沉積層較薄，大部分為基巖出露;而東邊盆地沉積層明顯較厚，多在6km以上。莫霍面和康拉德面在兩側(cè)均相對(duì)平緩，康拉德面從東部的大約24km增加到青藏高原山區(qū)的35km左右;莫霍面深度從東部盆地的大約42km增加到西部青藏高原的67km左右。龍門山斷裂帶整體表現(xiàn)為一條近SN向的陡變重力梯度帶，并在其地殼內(nèi)各界面均發(fā)生錯(cuò)斷，莫霍面和康拉德面錯(cuò)斷距離分別達(dá)6～7km和3～5km。該區(qū)地殼的這種陡變和不均勻性是導(dǎo)致地震活動(dòng)性強(qiáng)烈的主要原因之一。

汶川地震 龍門山斷裂帶 重力反演 地殼密度結(jié)構(gòu) 莫霍面

0 引言

2008年5月12日四川汶川發(fā)生了MS8.0的強(qiáng)烈地震。汶川地震發(fā)生在龍門山構(gòu)造帶內(nèi)的映秀-北川斷裂，該地震造成的地表破裂長(zhǎng)達(dá)240km，并在灌縣-江油斷裂形成了72km的地表破裂(劉啟元等，2009)。作為青藏高原東部邊緣和南北構(gòu)造帶的一個(gè)重要邊界，龍門山斷裂帶東西兩側(cè)的地球物理場(chǎng)和地殼及巖石層結(jié)構(gòu)組成存在著顯著的差異，這一邊界成為構(gòu)造不穩(wěn)定的地帶之一。與青藏高原內(nèi)部不同，青藏高原東緣主要發(fā)育近SN向的走滑斷裂，并無大規(guī)模的地殼增厚現(xiàn)象。盡管龍門山兩側(cè)的地形高差達(dá)4000m左右，但震前的GPS觀測(cè)表明，橫跨整個(gè)龍門山斷裂帶的滑動(dòng)速率不超過2mm/a，單條斷裂的活動(dòng)速率不超過1mm/a，龍門山斷裂現(xiàn)今運(yùn)動(dòng)速率很小，活動(dòng)性不明顯(單新建等，2009;吳建平等，2009)。龍門山斷裂帶北段，過去的研究認(rèn)為沒有明顯的晚第四紀(jì)活動(dòng)的證據(jù)，有歷史記錄以來，龍門山斷裂帶中、南段至少發(fā)生過4次6～6.5級(jí)強(qiáng)震，龍門山斷裂帶北段無6級(jí)以上強(qiáng)震發(fā)生的記載(吳建平等，2009)。有歷史紀(jì)錄以來龍門山斷裂未發(fā)生過7級(jí)以上的大地震。龍門山斷裂帶的地震活動(dòng)頻度低，強(qiáng)度不大(張培震等，2008)，這可能導(dǎo)致過去對(duì)該地區(qū)的地震活動(dòng)性認(rèn)識(shí)不足。

前人在龍門山及鄰近地區(qū)已經(jīng)進(jìn)行了一些地球物理探測(cè)研究。特別是2008年汶川地震之后，許多學(xué)者從震源破裂過程、地質(zhì)構(gòu)造、深部結(jié)構(gòu)和動(dòng)力演化等方面對(duì)地震的成因機(jī)制進(jìn)行了分析討論。他們使用不同的地球物理方法和地球物理資料分別對(duì)龍門山及鄰區(qū)的P波速度結(jié)構(gòu)(郭飚等，2009;吳建平等，2009)、S波速度結(jié)構(gòu)(劉啟元等，2009;胥頤等，2009)、電性結(jié)構(gòu)(王緒本等，2008;趙國(guó)澤等，2009)、余震分布(陳九輝等，2009;吳建平等，2009)等進(jìn)行了研究，分析了川西高原和四川盆地的地殼上地幔結(jié)構(gòu)的主要差異，討論了主要斷裂帶的深部特征以及強(qiáng)烈地震發(fā)生的深部構(gòu)造環(huán)境等。張培震等(2008)討論了汶川地震的地質(zhì)構(gòu)造背景，朱介壽等(2008)給出了震區(qū)及其鄰域的巖石圈速度結(jié)構(gòu)，雷建設(shè)等(2009)和郭飆等(2009)使用層析成像方法得到了龍門山地區(qū)的速度結(jié)構(gòu)，張季生等(2009)研究了龍門山地區(qū)的重磁異常特征及與地震的關(guān)系，認(rèn)為龍門山斷裂帶是青藏高原的重力梯度帶的一部分，該斷裂帶切穿了莫霍面。這些研究結(jié)果為理解汶川地震提供了依據(jù)。然而從過去到現(xiàn)在對(duì)于龍門山地區(qū)的研究還不夠深入，加上過去研究中存在數(shù)據(jù)密度不足、空間分辨率低等條件限制，迄今為止，人們對(duì)汶川地震的形成機(jī)理以及相關(guān)的深部構(gòu)造和動(dòng)力學(xué)背景的認(rèn)知程度仍然十分有限。本文將從重力學(xué)的角度對(duì)龍門山地區(qū)的密度結(jié)構(gòu)進(jìn)行探討，利用做過地形校正的實(shí)測(cè)重力資料，在發(fā)表的深地震測(cè)深結(jié)果(曾融生等，1995;滕吉文等，2002;王有學(xué)等，2005;朱介壽，2008)的約束下，對(duì)龍門山地區(qū)深部密度界面進(jìn)行反演，以得到深部各密度界面的重力異常的空間分布。

1 重力數(shù)據(jù)與二維反演結(jié)果

我們選擇了6條跨過龍門山斷裂帶的重力測(cè)線(圖1，從上至下依次為1～6號(hào)線)，這6條測(cè)線橫切了龍門山斷裂帶的6個(gè)不同部位，其中1～5號(hào)線走向?yàn)镹W-SE，6號(hào)線為E-W走向。

圖1 龍門山及鄰近地區(qū)6條重力測(cè)線分布與布格重力異常圖，從上到下依次為L(zhǎng)1～L6Fig.1 The distribution of 6 gravity survey lines named L1 to L6 at Longmenshan area and the Bouguer gravity anomaly.

據(jù)20世紀(jì)80年代的地震和重力資料(馮銳等，1985，1989)，所研究板塊的地殼結(jié)構(gòu)主要分4層，各層初始密度分別為:沉積層 2.3g/cm3、上地殼 2.67g/cm3、中地殼 2.80g/cm3、下地殼2.90g/cm3，上地幔的密度為3.30g/cm3。本文將以此為分層原則，并對(duì)各層密度采用馮銳等(1985，1989)給出的資料。在此初始模型基礎(chǔ)上，通過反復(fù)修改地質(zhì)模型，實(shí)現(xiàn)與觀測(cè)重力異常值的擬合，來獲得測(cè)點(diǎn)處地殼構(gòu)造的最佳密度分布特征(唐新功等，2006)。

圖2至圖7分別是6條重力測(cè)線的二維反演結(jié)果，各測(cè)線擬合誤差和平均誤差數(shù)據(jù)見表1?？梢钥闯?，6條線的擬合誤差均＜2mGal，平均擬合誤差在0.8mGal以下。

圖2 測(cè)線L1二維重力反演結(jié)果剖面圖Fig.2 2D inversion profile of line L1.

圖3 測(cè)線L2二維重力反演結(jié)果剖面圖Fig.3 2D inversion profile of line L2.

圖4 測(cè)線L3二維重力反演結(jié)果剖面圖Fig.4 2D inversion profile of line L3.

圖5 測(cè)線L4二維重力反演結(jié)果剖面圖Fig.5 2D inversion profile of line L4.

對(duì)于1號(hào)線，選取了過龍門山斷裂帶長(zhǎng)約280km的一段重力測(cè)線進(jìn)行研究 (圖2)，在地震資料約束下，反演得到了斷裂帶及周圍地區(qū)的重力剖面界面深度分布圖 (圖10)。圖中黑線為模型計(jì)算得到的重力異常值，黑點(diǎn)為實(shí)測(cè)點(diǎn)的重力異常。

從圖2可以看出，反演結(jié)果顯示了該段測(cè)線在龍門山斷裂帶上東西兩側(cè)區(qū)域布格重力異常場(chǎng)差異較明顯。斷裂帶東南側(cè)處于顯著的正異常，而西北側(cè)均處于較大的負(fù)異常區(qū)。在四川盆地地區(qū)沉積層較厚，最厚達(dá)9km，在龍門山斷裂帶明顯減小，西部山區(qū)很多基巖出露，沉積很薄，最厚沉積僅1km左右。莫霍面深度變化很大，在43～66km之間，康拉德面變化趨勢(shì)和莫霍面基本一致，深度在24～35km之間。

圖6 測(cè)線L5二維重力反演結(jié)果剖面圖Fig.6 2D inversion profile of line L5.

圖7 測(cè)線L6二維重力反演結(jié)果剖面圖Fig.7 2D inversion profile of line L6.

對(duì)于2號(hào)線，選取了過龍門山斷裂帶長(zhǎng)約310km的一段重力測(cè)線進(jìn)行研究 (圖3)，從圖3可以看出，反演結(jié)果顯示了該段測(cè)線重力異常值從西北到東南大體上逐漸減小。沉積層厚度在0～10.16km之間變化，在四川盆地沉積層相對(duì)較厚。莫霍面深度變化很大，在44～66km之間，康拉德面深度變化趨勢(shì)和莫霍面基本一致，在25～36km之間。

對(duì)于3號(hào)線，選取了過龍門山斷裂帶長(zhǎng)約340km的一段重力測(cè)線進(jìn)行研究 (圖4)，沉積層厚度在0～10.47km之間變化，在四川盆地沉積層較厚，過了斷裂帶后厚度減薄。莫霍面深度變化在43～66km之間，康拉德面深度在24～36km之間。

對(duì)于4號(hào)線，選取了過龍門山斷裂帶長(zhǎng)約380km的一段重力測(cè)線進(jìn)行研究 (圖5)，在四川盆地地區(qū)沉積層最厚達(dá)11km，在龍門山斷裂帶明顯減小，西部山區(qū)很多基巖出露，沉積很薄，最厚沉積僅2km左右。莫霍面深度變化很大，在42～67km之間，康拉德面深度在25～36km之間。

對(duì)于5號(hào)線，選取了過龍門山斷裂帶長(zhǎng)約360km的一段重力測(cè)線進(jìn)行研究 (圖6)，在四川盆地地區(qū)沉積層最厚達(dá)9.48km，在龍門山斷裂帶明顯減小，西部山區(qū)很多基巖出露，沉積很薄，只是在山坳處有較厚的沉積，深度不超過6km。莫霍面深度變化很大，在44～67km之間，康拉德面深度在26～35km之間。

對(duì)于6號(hào)線，選取了過龍門山斷裂帶長(zhǎng)約340km的一段重力測(cè)線進(jìn)行研究 (圖7)，在四川盆地地區(qū)沉積層最厚達(dá)8km，在龍門山斷裂帶明顯減小，西部山區(qū)很多基巖出露，沉積很薄，在部分山坳處沉積也不超過3km。莫霍面深度很大，在44～65km之間，康氏面深度在26～33km之間變化。1～6線的莫霍面和康氏面在龍門山斷裂帶兩側(cè)均發(fā)生了錯(cuò)斷，這與該地區(qū)顯著的重力梯級(jí)帶特征一致。

2 三維結(jié)果

根據(jù)龍門山斷裂帶地區(qū)的二維重力剖面，采用差值法得到了該地區(qū)的三維重力的平面分布圖。圖8～10分別為龍門山地區(qū)的沉積層、康氏面和莫霍面深度分布圖。從圖中可以看出東南部四川盆地地區(qū)沉積層較厚，西北部山區(qū)較淺，而莫霍面與康拉德面的深度則在東南部較淺，大約分別為24km和43km，西北部山區(qū)較深，分別達(dá)到約35km和67km。其中莫霍面的平面分布與過去發(fā)表結(jié)果基本一致(曾融生等，1995;胥頤等，2009)。而康氏面的結(jié)果未見有論文發(fā)表。

3 結(jié)論與討論

使用實(shí)測(cè)布格重力資料對(duì)龍門山斷裂帶進(jìn)行了重力學(xué)研究，在地震資料約束下，逐層反演得到了研究地區(qū)的沉積層、康拉德面以及莫霍面的深部分布圖像，可看出龍門山斷裂帶及鄰區(qū)的地殼密度結(jié)構(gòu)具有以下特點(diǎn):

圖8 龍門山及鄰近地區(qū)的沉積層厚度分布圖(單位:km)Fig.8 3D plane view of sediment distribution in Longmenshan Fault and its adjacent area.

圖9 龍門山及鄰近地區(qū)的康氏面厚度分布圖(單位:km)Fig.9 3D plane view of Conrad discontinuity in Longmenshan Fault and its adjacent area.

圖10 龍門山及鄰近地區(qū)的莫霍面厚度分布圖(單位:km)Fig.10 3D plane view of Moho discontinuity in Longmenshan Fault and its adjacent area.

布格重力異常在6條測(cè)線上稍有不同，但是其變化規(guī)律基本是相同的，即斷裂帶東側(cè)為重力高區(qū)，而西側(cè)為重力低區(qū)，龍門山斷裂帶則處于這2個(gè)區(qū)域之間重力劇烈變化的梯級(jí)帶上。布格重力異常圖上線性過渡帶的特征通常可以作為深部斷裂的識(shí)別標(biāo)志。斷裂帶兩側(cè)重力異常值變化幅度達(dá)350mGal，平均重力梯度在2mGal/km以上，反映了龍門山重力梯度帶是中國(guó)西南部地區(qū)一條延伸范圍大、變化劇烈的重力梯度帶和斷裂帶。

以龍門山斷裂帶為界，東西兩側(cè)在沉積層厚度、康氏面和莫霍面深度上存在顯著差異。沉積層厚度從東南部盆地的6～10km迅速減少到西北部山區(qū)的0～1km，山區(qū)大部分地區(qū)基巖出露;康氏面深度從東南部的24～28km迅速增加到西北部的35～38km;莫霍面深度則從東南部的42km左右迅速增加到西北部的60～65km，并在龍門山斷裂帶發(fā)生錯(cuò)斷，這與過去研究結(jié)果一致(張季生等，2009)。強(qiáng)烈的地下物質(zhì)界面的差異可能是導(dǎo)致其地震活動(dòng)強(qiáng)烈的主要原因之一。

莫霍面起伏變化劇烈的地區(qū)往往是地震的多發(fā)地帶。根據(jù)以往對(duì)龍門山斷裂帶進(jìn)行的深地震測(cè)深、密度結(jié)構(gòu)、電性結(jié)構(gòu)等方面的研究，許多作者都認(rèn)為，強(qiáng)震和大震多發(fā)生在重力梯度帶上或者莫霍面埋深的突變部位。從塊體的角度看，龍門山斷裂帶被一系列NNE向和NEE向的斷裂分為若干子塊體，它們的邊界是脆弱帶，而地震就正好發(fā)生在這些塊體的邊界上。一些學(xué)者也研究過龍門山的逆沖推覆作用，認(rèn)為地震震中絕大多數(shù)分布在基底的隆起區(qū)(王有學(xué)等，2005;朱介壽，2008)，本文計(jì)算的基底起伏，可以從平面上認(rèn)識(shí)和理解龍門山的逆沖推覆作用。中國(guó)大陸幾乎所有的8級(jí)和近90%的7級(jí)以上的大震都發(fā)生在活動(dòng)地塊邊界上，表明地塊間的差異運(yùn)動(dòng)是大陸強(qiáng)震孕育和發(fā)生的直接控制因素。因此，龍門山斷裂帶的地震活動(dòng)有其特殊的深部構(gòu)造背景，斷裂帶特殊的地殼密度結(jié)構(gòu)及其所處的特殊的應(yīng)力場(chǎng)環(huán)境，不排除其繼續(xù)活動(dòng)的可能性。因此對(duì)龍門山斷裂帶的重力學(xué)研究具有一定的參考價(jià)值，該區(qū)仍具有地震發(fā)生的潛在性。

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THE CRUSTAL DENSITY STRUCTURE UNDERNEATH LONGMENSHAN FAULT ZONE

TANG Xin-gong YOU Shuang-shuang HUWen-bao YAN Liang-jun
(Key Laboratory of Exploration Technologies for Oil and Gas Resources of MOE，Yangtze University，Jingzhou，Hubei 434023，China)

It is of importance to study the crustal density structure of Longmenshan Fault zone for understanding the seismicity of this area.Using commercial software of Geosoft，gravity inversion for 6 lines of Bouguer gravity anomaly data was carried out under the constraint of deep seismic sounding(DSS)data obtained in the last two decades.The depth and distribution of sediments，crustal thickness and Conrad discontinuity of Longmenshan tectonic zone and its adjacent area(100°～105°E，28°～33°N)are obtained.The inverted results indicate that the crustal density structure of the Longmenshan Fault zone is obviously different between the two sides.The sedimentary layer in western plateau is thinner and base rocks outcrop almost in most parts;while the thickness of sedimentary layer in eastern Sichuan Basin is much larger，in most parts，it is larger than 6km.The Conrad and Moho discontinuities are relatively smooth in both sides of the faultand the depths of them increase gradually from the eastern 24km and 42km to 35km and 67km under Tibetan Plateau，respectively.The whole fault of Longmenshan displays as a SN-direction gravity gradient zone，with each of its interfaces in the crust under the faults being offset.The displacements of the Conrad and Moho discontinuities are 6 ～7km and 3 ～5km，respectively.The sharp change in crustal thickness ismaybe one of the causes of strong earthquakes in this area.

Wenchuan earthquake，Longmenshan Fault zone，crustal density structure，gravity inversion，Moho discontinuity

P315.2

A

0253-4967(2012)01-0028-11

10.3969/j.issn.0253-4967.2012.01.004

2011-07-31收稿，2011-12-01改回。

國(guó)家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃(973)項(xiàng)目(2007CB209607)、國(guó)家自然科學(xué)基金(40727001，44704073，44704074)和高等學(xué)校博士學(xué)科點(diǎn)科研專項(xiàng)基金(20070489001)共同資助。

唐新功，1968生，男，1992年畢業(yè)于江漢石油學(xué)院測(cè)井專業(yè)，獲學(xué)士學(xué)位，2006畢業(yè)于北京大學(xué)，獲理學(xué)博士學(xué)位，副教授，主要研究方向?yàn)殡姶欧碧胶偷厍騽?dòng)力學(xué)，電話:0716-8060747，E-mail:tangxg@yangtzeu.edu.cn。