2008汶川Ms8.0地震发生的深层过程和动力学响应

汶川Ms8.0强烈地震发生在一条现今并不活动的龙门山构造带上,造成了以汶川、映秀为中心及其周边地域的严重破坏和人员的重大伤亡.然而强烈震发生前却未见有可能的确切征兆或浅表层异常活动,即浅层过程与地震发生的深层过程并不匹配.为此对这次强烈地震"孕育"、发生和发展的深层过程进行了分析和探讨,初步研究表明:①在印度洋板块与欧亚板块陆—陆碰撞、挤压作用下,喜马拉雅造山带东构造结向NNE方向顶挤、楔入青藏高原东北缘,迫使高原深部物质向东流展,在受到以龙门山为西北边界的四川盆地阻隔下,一部分物质则转而向东南侧向运移;②龙门山地带在地形上差达3500±500m左右,而地壳厚度在龙门山西北部为60±5km左右,四川盆地为40±2km左右,而龙门山地带与其东、西两侧相比则为地壳厚度变化幅度达15～20km的突变地域,即为应力作用的耦合地带;③中、下地壳和地幔盖层物质以地壳低速层、低阻层(深20～25km)为第一滑移面,以上地幔软流层顶面为第二滑移面,且在四川盆地深部"刚性"物质阻隔下,深部壳、幔物质以高角度在龙门山构造带和四川盆地的耦合地带向上运移(或称逆冲),且在龙门山地表三条断裂构成的断裂系向下延伸到20km左右深处汇聚,二者强烈碰撞、挤压、震源介质破裂;在物质与能量的强烈交换下,应力得到释放,故形成了这次Ms8.0强烈地震.为此从深部初步揭示了这次强烈地震"孕育"、发生和发展的深层动力过程.     

2008汶川Ms8.0地震发生的深层过程和动力学响应

汶川M_s8.0强烈地震发生在一条现今并不活动的龙门山构造带上,造成了以汶川、映秀为中心及其周边地域的严重破坏和人员的重大伤亡.然而强烈震发生前却未见有可能的确切征兆或浅表层异常活动,即浅层过程与地震发生的深层过程并不匹配.为此对这次强烈地震“孕育”、发生和发展的深层过程进行了分析和探讨,初步研究表明：①在印度洋板块与欧亚板块陆—陆碰撞、挤压作用下,喜马拉雅造山带东构造结向NNE方向顶挤、楔入青藏高原东北缘,迫使高原深部物质向东流展,在受到以龙门山为西北边界的四川盆地阻隔下,一部分物质则转而向东南侧向运移;②龙门山地带在地形上差达3500±500 m左右,而地壳厚度在龙门山西北部为60±5 km左右,四川盆地为40±2 km左右,而龙门山地带与其东、西两侧相比则为地壳厚度变化幅度达15~20 km的突变地域,即为应力作用的耦合地带;③中、下地壳和地幔盖层物质以地壳低速层、低阻层（深20~25 km）为第一滑移面,以上地幔软流层顶面为第二滑移面,且在四川盆地深部“刚性”物质阻 隔下,深部壳、幔物质以高角度在龙门山构造带和四川盆地的耦合地带向上运移（或称逆冲）,且在龙门山地表三条断裂构成的断裂系向下延伸到20 km左右深处汇聚,二者强烈碰撞、挤压、震源介质破裂;在物质与能量的强烈交换下,应力得到释放,故形成了这次M_s.0强烈地震.为此从深部初步揭示了这次强烈地震“孕育”、发生和发展的深层动力过程.     

汶川—映秀MS8.0地震的发震断裂带和形成的深层动力学响应

在印度洋板块与欧亚板块的碰撞-挤压作用下,不仅形成了喜马拉雅弧形山造山带,而且导致其东部弧顶—东构造结似一尖楔沿NNE方向插入青藏高原的东北缘.造成了巴颜喀拉块体和龙门山断裂系深、浅部构造强烈活动和变形,并导致高原腹地壳、幔物质以大型走滑断裂为通道边界向E-ES方向运移.2008年5月12日汶川—映秀M_S8.0地震就发生在这相对活动的巴颜喀拉块体与相对稳定的四川盆地之间的龙门山断裂系辖区内.基于该区深部壳、幔结构和主震（M_S8.0）与7万多次余震震中位置与震源深度的展布研究表明,汶川—映秀M_S8.0地震的发震断裂不是震中在地表投影位置附近,而是龙门山断裂系3条以不同角度西倾、且向下在15±5 km深处汇聚的断裂带CF.该发震断裂带不是一条简单的线性断裂带,而是一半径为5 km左右的柱状震源体,沿NE向展布.在青藏高原东北缘深部物质向东与向东南运动过程中地壳各层整体逐渐抬升,且在龙门山断裂系地带为减薄的转折部位,而地壳低速层却在这里尖灭.在两陆-陆板块碰撞力系作用下,壳、幔介质以上地壳底部低速层（深20±5 km）为上滑移面,并与上地壳解耦,而在深处则以岩石圈底部漂曳的软流层顶部（深100±10 km）为下滑移,故下地壳和上地幔盖层物质才能同步运动.它们在四川盆地高速“刚性”壳、幔物质阻隔下,龙门山断裂系的3条向下汇聚的断裂带与下地壳和上地幔盖层物质同步沿龙门山断裂系的断层面向上逆冲,当向上与向下同步运动的固态壳、幔介质二者在15±5 km深处强烈碰撞时激发了这次M_S8.0地震和一系列强余震的发生和发展.基于上述可见,对强烈地震孕育,发生和发展的深部介质与构造环境,深部物质与能量的交换、运移和深层动力过程的研究乃核心所在.     

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.     

龙门山构造带及汶川震源区的S波速度结构

利用四川地震台网的观测资料和体波地震层析成像方法反演了龙门山地区的S波速度结构,据此分析了龙门山断裂带的地壳结构和汶川震源区的深部构造特征.反演结果表明,地震破裂与龙门山断裂及其两侧的地壳结构差异存在明显的对应关系,汶川以北的龙门山上地壳具备较高的强度且明显抬升,灌县至江油是龙门山西侧应力积累的主要地区,汶川8.0级地震位于其南部边缘;四川盆地的刚性地壳向西俯冲于龙门山之下,其凸出部与造山带古老基底在汶川附近发生碰撞是汶川成为8.0级地震破裂起始点的主要原因.汶川以南的龙门山地区地壳上层具有较大的韧性,岩石强度相对减弱,与龙门山北部相比不易于应力积累和产生破裂,因而汶川以南的龙门山断裂缺少余震活动.龙门山地区地壳厚度明显增加,其原因与中下地壳具备较大的柔韧性有关.由于青藏东部向东挤出时受到四川盆地刚性岩石层的阻挡,龙门山中下地壳的塑性变形和垂向物质的增加导致地壳厚度加大和莫霍面下沉,以此方式吸收了龙门山地区的大部分地壳缩短量,地表则强烈褶皱抬升形成数千米的龙门山脉.     

四川西部暨龙门山地区的Pn波速度和各向异性

利用天然地震的走时数据和层析成像方法反演了四川西部及邻近地区的Pn波速度和各向异性,据此分析了龙门山的上地幔结构和汶川地震的深部构造特征.研究结果揭示了龙门山断裂两侧Pn波速度的差异:松潘-甘孜造山带速度偏低,四川盆地速度偏高;前者易于发生流动和韧性变形,后者显示出较强的刚性,反映出活动造山带和稳定地块岩石层地幔的不同性质.高速区和低速区的分界对应于龙门山断裂,大体上以汶川为界,北段相对平直且与余震的震中分布相一致,南段向四川盆地一侧凹进弯曲,汶川8级地震的震中位于北段和南段之间速度结构横向变化最大的区域,也是龙门山深层构造应力最易于集中和最易于产生应力差的地区,具有十分明显的深部构造特征.Pn波各向异性反映出的深部物质流动与青藏高原的向东运动相吻合,但是明显受到四川盆地刚性岩石层的阻挡,这一作用过程为龙门山地区的应力积累和汶川8级地震的发生提供了深部动力来源.龙门山断裂与上地幔顶部的各向异性无明显的对应关系,估计该断裂的活动仅限于地壳内部,而深部物质的流动与川滇地块沿着鲜水河断裂的旋转挤出有一定的相关性,据此推测龙门山断裂和鲜水河断裂具备不同的深层动力条件.     

三河-平谷8.0级大震区震源细结构的深地震反射探测研究

在1679年三河-平谷8.0级大震的震源区布置了两条总长140km，24次覆盖的近垂直深地震反射剖面，剖面穿过夏垫断裂及二十里长山断裂，结果表明，该区以双程走时7.0s(21km)左右和11.0-12.5s(33-37km)左右的两个强反射叠层把地壳分为上地壳，下地壳和壳幔过渡带；地壳结构在纵向上差异较大，浅部成层性较好，层组较多，结构复杂；上地壳总体呈反射“透明”性质，下部地壳表现为明显的反射性质；在横向上也具有明显的差异；深部断裂主要有夏垫断裂下方的地壳深断裂，断层面较陡，近下直立，该断裂可能为三河-平谷8.0级大地震的发震断裂；分别在两条剖面下地壳和上地壳下部存在局部强反射能量团，应为上地幔物质上涌冷却形成的岩墙或岩体；由于该处的岩浆活动造成了局部应力分布的差异。导致了地壳深断裂的形成，这可能是三河8.0级大震的深部构造背景。     

龙门山断裂带中北段的地壳电性结构及其动力学模型

2012年在四川龙门山断裂带的茂县—绵竹段进行了点距约3km、横跨断裂带的大地电磁探测,精细处理并反演获得长70km,深50km的2维电性剖面。通过与同位置的反射地震资料对比进行综合解释,刻画出龙门山断裂带中北段的地壳结构:1)四川盆地上覆地层为低阻,电性结构稳定并叠置于坚固的扬子中下地壳之上;龙门山3条主断裂均表现为低阻—中低阻,其构造形态都沿NW向倾斜,并由陡变缓向下延伸,浅部最陡处60°,深部最缓处30°。2)龙门山断裂带上地壳整体逆冲推覆于扬子板块的刚性基底之上,不仅形成由陡趋缓的3条主断裂,而且多期次的地震活动造成隐伏次级断裂发育;映秀-北川断裂之下具有明显NW倾斜且陡立的电性梯度带,2008年汶川地震余震在该区域内集中分布,其中安县-灌县断裂下盘发育大型隐伏的基底断裂,可能为发震断裂,地震能量沿隐伏次级断裂向上传递导致映秀-北川断裂遭破坏最为严重。3)青藏高原东缘的中下地壳下插,使高阻的扬子中下地壳嵌于龙门山逆冲推覆带和青藏高原东缘中下地壳之间,形成"鳄鱼口"样式的构造格架。龙门山的隆升是由上地壳的逆冲推覆脆性变形和中下地壳的壳内高导物质流的韧性变形共同作用的结果。同时提出,由于中下地壳物质流在龙门山不仅受阻于刚性的扬子块体,而且下插于扬子板块上地幔,形成一种可能的类似"传送带"的动力模式,带动了其上盘发生持续的逆冲推覆脆性变形。     

2008年汶川Ms8.0级地震的深部构造环境——远震P波接收函数和布格重力异常的联合解释

对龙门山及其邻近地区20个宽频带地震台站的记录提取远震P波接收函数,并应用H-k叠加方法,求得每个台站下方的地壳厚度和波速比.以此为约束,进一步作接收函数反演,获得各个台站下方的S波速度结构.后龙门山与松潘-甘孜地块的地壳速度结构相似,而前龙门山的地壳速度结构则与四川盆地相似.由此说明,中央主断裂带是青藏高原东部与扬子地块之间主要的边界断裂.松潘甘孜地块至后龙门山中南部地区存在下地壳低速层,有利于中上地壳物质的滑脱作用.远震接收函数和布格重力异常的分析结果支持龙门山断裂带深部构造为滑脱-逆冲型的论断.在松潘-甘孜地块内可能具有双层的滑脱构造.上层滑脱发生在10~15km的深度上,该滑脱带表现为高温韧性滑脱剪切带.下层滑脱则发生在30km左右的深度上,其下方为青藏高原东部广泛存在的下地壳流.布格重力异常的分析表明,在中上地壳,四川盆地的密度较高,松潘-甘孜地块密度相对较低.龙门山断裂带位于密度较高的一侧,是松潘-甘孜地块向东南方的四川盆地逆冲的结果.在地壳下部,四川盆地为高P波速度和高密度区,表明地壳物质是坚硬的.松潘-甘孜块体是低S波速度和低密度区,表明物质比较软弱.高密度块体阻挡了青藏高原东部下地壳物质向四川盆地下方的流动.受印度板块往北运动的影响,青藏高原下地壳物质向东流动.中上地壳物质向东运动受到刚性强度较大的扬子地块的阻挡,在龙门山断裂带上产生应力集中,导致中央断裂带上应力突然释放,产生汶川Ms8.0级地震.     

汶川地震序列早期特征及成因探讨

地震序列的特征和震型判定工作有助于抗震救灾工作的开展,对其发生成因的研究是解决地震预报难题必须面对的科学问题。汶川8．0级地震序列的初步研究表明：①余震沿龙门山断裂带分布于宽100km,长约330km的带状区域内,并侧向于主震震中的北侧;②序列发展初期有2个快速衰减过程;③序列类型为主震一余震型,最大强余震6．4级;④序列的空间演化过程,强余震震源机制结果和地震精确定位结果分析表明,序列具有分段特征;⑤8．0级地震的发震构造是龙门山断裂带,发震构造在剖面上呈现出“犁形”或“铲形”。地球物理勘探和壳、幔结构反演结果表明,自青藏高原穿越龙门山到四川盆地存在地幔阶梯,上地幔阶梯的阻挡作用使得物质东移速率减慢,并蕴积了汶川8．0级地震所需能量。地震的产生正是东西向应力平衡被打破的结果,余震沿龙门山断裂的分布是高原地壳在印度板块的推挤作用下向北北东方向的运动得以继续的表现。整个龙门山断裂带都参与了活动,龙门山断裂带北端作为断裂带的止裂端与南段同期活动。