青藏高原东缘地壳上地幔结构及其动力学意义

本文综述了我们在青藏高原东缘实施的垂直切过龙门山断裂带宽频带地震探测的研究成果,揭示了研究区复杂的地壳上地幔结构,结果表明松潘-甘孜地块与四川盆地西缘莫霍面深度为58 km与40 km±,在龙门山断裂带下方存在约15 km的莫霍面错断; 松潘-甘孜与龙门山断裂带域地壳纵横波速度比Vp/Vs比值远大于173,预示着粘性下地壳流或基性/超基性物质的存在。探讨了研究区强烈的盆山之间以及深部不同层圈之间的相互作用,推断四川盆地对青藏高原东缘软流圈驱动的物质东向逃逸阻挡作用可能深达整个上地幔。     

龙门山大地电磁深部结构及汶川地震(MS 8.0)

2008年5月12日汶川发生的MS 8.0地震使四川、甘肃和陕西等省遭受重大人员伤亡及财产损失,本文通过震前完成的穿过龙门山构造带中段的松潘中江大地电磁测深剖面的反演解释,揭示了龙门山构造带及其两侧松潘甘孜褶皱带、川西前陆盆地地壳内部30 km深处电性结构。龙门山构造带东侧四川盆地为上部较厚低阻沉积盖层之下存在连续稳定高阻的扬子基底特征,而以西的松潘甘孜褶皱带分上部和下部两部分,上部为高阻古生界夹低阻中新生界,下部（中下地壳）呈连续低阻层,推测可能存在一个连续稳定的壳内高导层。而龙门山恰好是青藏高原与扬子地台联合作用的结果,形成了上部高阻及下部基底高阻,中间夹西倾低阻带,低阻带最厚10 km,其深度从地表10 km连续向西延伸至20 km深处,与松潘甘孜褶皱带15～20 km的低阻层相连。这个异常低阻带可能是松潘甘孜地块向东向上移动的传输带,北川映秀断层逆冲分量显然大于右行走滑分量,因此汶川地震属于右行平移-逆冲断裂型地震。     

龙门山断裂带印支期左旋走滑运动及其大地构造成因

位于青藏高原东缘的龙门山构造呈北东—南西向将松潘—甘孜褶皱带和华南地块分割开。前者主要是由一套巨厚的三叠纪复理石沉积组成 ,分布在古特提斯海的东缘。后者由前寒武纪基底和上覆的古生代和中生代沉积盖层组成。位于汶川—茂汶断裂以东的前龙门山存在一系列倾向北西的逆掩断层 ,它们将许多由元古宙和古生代岩层组成的断片向南东置于四川盆地的中生代红层之上 ,构成典型的薄皮构造。许多研究由此断定松潘—甘孜褶皱带和四川盆地之间在中生代发生过大规模的北西—南东向挤压。然而 ,汶川—茂汶断裂西侧的松潘—甘孜褶皱带内部的挤压构造线大多是垂直于而不是平形于龙门山断裂带 ,这表明当时的挤压应力不是北西—南东向而是北东—南西向。近年来在龙门山构造带内发现 ,在三叠纪时龙门山断裂带在发生推覆的同时还经历过大规模的北东—南西向的左旋走滑运动 ,协调走滑运动的主要构造为汶川—茂汶断裂。走滑运动的成因与松潘—甘孜褶皱带北东—南西向缩短有关。汶川—茂汶断裂的左旋走滑在龙门山的北东端被古特提斯海沿勉略俯冲带的消减和发生在大巴山的古生代 /中生代岩层的褶皱和冲断作用所吸收 ,在龙门山的南西端被古特提斯海沿甘孜—理塘俯冲带的消减和松潘—甘孜三叠纪复理石的褶皱和冲断作用所吸?     

汶川Ms 8.0级地震震源区地壳深部结构研究

2005年10月至2007年4月,我们在松潘-甘孜、龙门山地块布设的流动地震台阵观测剖面正好经过地震震源区映秀,这为研究地震震源区深部结构提供很好的机会.观测剖面自成都龙泉山,途经都江堰、卧龙,终止于新都桥,全长约400km,台站间距5～10km,34个流动宽频带地震仪共记录到该时间段内5.5级以上远震事件542个,大于等于6.0级为195个.利用该观测剖面记录到的远震P波波形资料,采用接收函数方法来研究汶川Ms8.0级地震震源区地壳深部结构,结合地震构造背景的分析,探讨引起这次地震的动力学模式,并由此认识汶川地震的孕育与成因机制.根据震源区地表破裂和余震分布及深部结构的综合分析,可以划出震源区下方的地震断裂带.主要研究结果表明:1)根据界面分布特征,发现松潘-甘孜地块及龙门山推覆体中在20～60km深度存在一个厚度约15～20km的低速中地壳,而四川盆地地壳内不存在低速层.该中地壳内的低速层,是引起中上地壳的推覆运动的滑脱层.2)Moho面自扬子盆地(36～42km)跨龙门山(50km)到松潘-甘孜腹地(62～65km)逐渐加深,跨鲜水河断裂又变浅(60km),说明横跨扬子盆地-龙门山-松潘-甘孜地块的该断裂带是地壳厚度的陡变带.该结果揭示了松潘-甘孜地块与扬子地块是碰撞接触模式,龙门山的推覆构造就是上地壳逆冲的结果.     

龙门山断裂带深部构造和物性分布的分段特征

根据龙门山断裂带周边的固定数字地震台网和流动地震观测获得的宽频带地震记录,用多种地震学方法研究该地区的地壳上地幔结构。深部结构研究表明,龙门山断裂带物性分布具有显著的分段特征。用远震接收函数H-k叠加方法计算了各个台站的地壳厚度和波速比。地壳厚度总体变化是,地壳从东向西增厚,最小厚度为37.8 km,最大厚度是68.1 km。从东南向西北横跨龙门山断裂带的地壳急剧增厚,从41.5 km增厚至52.5 km。但是,龙门山断裂带两侧地壳厚度的差异在断裂带的南段和北段是不同的。在南段,地壳厚度急剧变化的分界线在中央断裂附近;在中段,分界线在后山断裂附近;在北段,则断裂带两侧地壳厚度差异很小。泊松比的空间分布是,松潘—甘孜地体北部和西秦岭造山带具有低泊松比(ν<0.26),扬子地台具有低—中泊松比(ν<0.27),松潘—甘孜地体南部、三江褶皱带和四川盆地具有中—高泊松比(0.26<ν<0.29)。除龙门山断裂带南段及其附近,大部分地区均不具有超高的泊松比(ν>0.30)。龙门山断裂带南段地壳具有高泊松比(ν>0.30),而北段地壳则为中—低泊松比。高泊松比可以看成是铁镁质组分增加和/或部分熔融的证据,表明那里的下地壳部分熔融是可能的。松潘—甘孜地体东南部地区的下地壳处于富含流体或温度较高的部分熔融状态,它有助于青藏高原的下地壳物质向东运动。青藏高原东部中、上地壳向东运动受刚性强度较大的扬子地台的阻挡,沿龙门山断裂带产生应变能积累。当应变达到临界值,发生急剧的摩擦滑动,释放积累的应变能,产生汶川Ms8.0地震。汶川地震在龙门山断裂带不同地段,表现出不同的破裂特征和余震分布,可能与断层带的分段深部构造差异有关。     

2008年汶川8.0级地震的发震构造:沿龙门山断裂带新生的地壳深部断裂

在区域地质构造研究中,龙门山断裂带也称为龙门山褶皱-冲断带或推覆构造带。许多研究者认为,2008年汶川8级地震的发震构造是这条断裂带或其中央映秀—北川断裂。笔者在深入分析龙门山断裂带的构造演化和岩石圈结构构造特征的基础上,着重探讨8级地震的发震构造,提出不同的认识。龙门山断裂带经历了松潘—甘孜造山带的前陆褶皱-冲断带(T3-J)、造山带(K-E)和青藏高原边缘隆起带(N-Q)3个动力学条件不同的演化阶段,在前两个阶段断裂带递进发展,第三阶段断裂带则被改造。从三维空间看,龙门山断裂带位于松潘—甘孜地块东南缘的上地壳内,并被推覆到扬子陆块上;而松潘—甘孜地块的中—下地壳和岩石圈地幔发生韧性增厚,而且向扬子陆块壳下俯冲,从而使浅、深部构造在垂向上形成"吞噬"扬子地块的"鳄鱼嘴"式结构。虽然在平面上汶川8级地震的主余震分布与映秀—北川断裂一致,但从剖面上看其震源所构成的震源破裂体位于龙门山断裂带之下的扬子陆块内。这种不一致性表明,8级地震的发震构造不是龙门山断裂带,而是扬子陆块内新生的高角度断裂,其走向基本与龙门山断裂带一致。推测这一震源断裂的形成过程是:当松潘—甘孜地块向东南推挤时,其前缘"鳄鱼嘴"构造咬合并错断被吞噬的扬子陆块部分,形成具有右旋逆平移性质的新断裂,导致汶川8级地震的发生。     

三峡库区及邻区背景噪声直接成像

统计中国地震台网在四川盆地及邻区的55个台站1年以上的连续宽频带地震波形数据,采用波形互相关等技术得到两两台站之间的经验格林函数,并提取了6～35s的瑞利波相速度频散曲线;采用面波直接反演算法,得到了四川盆地及邻区的地壳横波速度结构。成像结果显示:短周期与地表结构特征具有良好的一致性,盆地呈现为低速区,盆地西边的青藏高原呈现为高速区,且与前人研究结果四川盆地下方存在较厚沉积层(约10km)相一致;深度10～20km很好地反映了中上地壳结构存在明显的横向不均匀变化,四川盆地从低速区逐渐向高速区转变,而松潘-甘孜地块和川滇地区逐渐转变为低速区;深度25～35km四川盆地呈现明显的高速区,而松潘-甘孜地块呈现低速区,推测由于青藏高原东缘物质东流而受到四川盆地坚硬的中下地壳的阻挡,导致应变在龙门山断裂带脆性上地壳内部的高度累积,从而引起了汶川地震的发生。研究成果为四川盆地及邻区的地壳结构研究提供了新的独立观测证据,为进一步深入研究提供了重要依据。     

龙门山及其邻区的地壳厚度和泊松比

根据龙门山及其周边地区(26°～35°N,98°～109°E)的132个台站的宽频带远震记录,使用H-k叠加方法计算地壳厚度和波速比.结果表明该区域的地壳厚度总体变化是:从东向西增加,东部的最小厚度为37.8km,西部的最大厚度是68.1 km,其中横跨龙门山断裂带的地壳厚度变化最大,从东南的41.5km增加到西北的52.5km.根据Airy均衡理论,用台站的高程和观测地壳厚度数据求得最小二乘意义下的壳幔密度差为0.649g/cm3,平均地壳厚度为37.9km.龙门山及其邻近地区基本上处于均衡状态.松潘-甘孜地体北部和西秦岭造山带具有低泊松比(v<0.26),扬子地台的西南部具有低一中泊松比(v<0.27),松潘-甘孜地体南部、三江褶皱带和四川盆地具有中一高泊松比(0.26≤P≤0.29).该地区的泊松比空间分布不支持青藏高原东部广泛分布的下地壳流的假说.龙门山断裂带南段及其附近地区的高泊松比(v≥0.30)可以看成是地壳具有较高的铁镁质组分和/或存在部分熔融.该地区下地壳可能是处于富含流体和温度较高的部分熔融状态.松潘-甘孜块体南部的上地壳物质向东运动,受刚性强度较大的扬子地台的阻挡,导致沿龙门山断裂带产生应变积累.当断层被地壳流体弱化,积累的应变能量快速释放,产生汶川Ms8.0地震.     

龙门山中段及邻区地壳密度结构及其地球动力学启示

龙门山是我国东西构造、地貌分界线的重要组成部分。其两侧的岩石圈结构差异,是形成龙门山造山带的主要原因之一,并对龙门山的构造演化起着持续影响。为了解龙门山两侧壳幔结构差异,本文从重力角度探讨跨龙门山地区的地壳密度结构。我们使用EGM2008模型的重力异常数据,以最新的阿坝-遂宁人工源地震剖面速度模型为基础,得到了龙门山造山带中段及其邻区的精细地壳密度结构。密度结构显示松潘-甘孜地区和四川盆地分别具有软弱和坚硬的下地壳。根据本文所得到的地壳密度结构模型,我们认为龙门山的隆升主要受印度洋板块与欧亚大陆板块的陆-陆碰撞作用影响,强烈的挤压作用使青藏高原物质向东运移,东移物质在青藏高原东缘龙门山地区受到坚硬的四川盆地的阻挡转而向上运移,造成了龙门山的隆升。     

龙门山地区上地壳的拱曲冲断作用及其深部动力学机制探讨

地形地貌与区域地质构造分析揭示,龙门山一带上地壳的汇聚作用表现为松潘－甘孜块体东缘的褶皱拱曲与扬子克拉通西缘的高角度叠瓦状冲断,近地表形成了一个巨大的北东向展布的拱曲冲断构造带。松潘－甘孜块体东缘的拱起预示着可能有来自深部的顶托。人工地震测深得到的地壳P波速度结构剖面也揭示,松潘－甘孜块体东缘上地壳普遍有较大范围的拱起,上地壳底部的低速层也同步抬升,其隆起范围与近地表的拱曲冲断带比较一致,说明很可能存在来自中下地壳的上拱作用。面波层析成像揭示松潘－甘孜块体与扬子克拉通具有截然不同的壳幔结构,扬子克拉通速度较高,且不存在低速夹层; 而松潘－甘孜块体速度偏低,地壳明显增厚,且下地壳及地幔上部存在S波低速层,地幔低速层上涌至壳幔过渡带,甚至侵入四川盆地之下,且上涌的范围与地表拱曲冲断带恰巧吻合,推测地幔盖层与下地壳塑性软弱物质的局部上涌促成了上地壳的拱曲。2008年汶川8.0级地震发生在拱曲冲断带中段,最大同震位移场位于龙门山拱曲冲断带及四川盆地西缘,揭示松潘－甘孜块体东缘的拱曲与扬子克拉通西缘的冲断共同受制于两大块体最新的汇聚作用。认为龙门山拱曲冲断构造带是陆内汇聚与壳幔通道流上涌联合作用的结果。爆破地震测深与地震层析成像不显示陆内俯冲图像,两大地块之间中地壳以下似为一近直立的汇聚带,这一构造格架将物质迁移主要限于垂向上,有利于龙门山保持大地形高差,而四川盆地一侧则因难以形成大的构造负载,前陆凹陷作用不显著。     

华南地区进贤-柘荣剖面深部电性结构

为了研究华南地区的深部电性结构,探寻浅部地质过程的深部背景,布设了江西进贤至福建柘荣超长周期大地电磁测深剖面。通过剖面数据的处理、定性分析及二维反演,获得剖面岩石圈尺度的电性结构模型,并分区块对壳幔电性结构及主要断裂进行了分析。反演结果表明：1）剖面可分为4个构造单元,分别为江南造山带、华夏地块内部、华夏褶皱带和东南沿海岩浆岩带;2）武夷山与东南沿海岩浆岩带两处电性莫霍面隆起,电性莫霍面的起伏特征受控于区域深大断裂;3）剖面电性岩石圈整体表现为西薄东厚,江南造山带岩石圈-软流圈界面埋深为80~100 km,华夏褶皱带及东南沿海岩浆岩带的岩石圈-软流圈界面埋深约为140 km,存在一处岩石圈减薄区和两处软流圈上涌区,反映了伸展构造作用对岩石圈的不均匀改造。     

大陆岩石圈导电性的研究方法

随着地球科学的进展 ,大陆岩石圈导电性结构的研究越来越引起人们的重视 ,而超宽频带大地电磁测深则是目前用于探测岩石圈导电性最有效的地球物理先进技术。它把现代性能优良的宽频带大地电磁系统 (MT 2 4NS或V5 2 0 0 0 )与长周期智能化大地电磁系统 (LIMS)配套使用 ,采集地面上频率范围为n× 10 -4～n× 10 2 Hz的天然电磁场信号 ,并通过一系列数据处理和反演计算 ,获得深达下地壳和上地幔的地下导电性结构模型。此模型不仅可以提供有关岩石圈地质构造轮廓的信息 ,更重要的是可以间接反映现今地下深部的热结构特征和物质状态分布特点。多年来 ,应用超宽频带大地电磁测深对青藏高原岩石圈导电性结构的研究表明 ,高原的中、下地壳确实是良导电性的 ;它可能说明西藏地壳中普遍存在岩石的局部熔融 ,或地热流体。沿着应县—商河剖面的大地电磁测深研究结果从电性的角度证明了太行山山前断裂为一组向东倾斜的深断裂 ,华北地区岩石圈以其为界划分为东、西两区 ;东区为低阻区 ,与构造活动区的岩石圈导电性特征相符 ;西区为高阻区 ,表现出稳定大陆区岩石圈导电性结构的特点。     

青藏高原电性结构及其对岩石圈研究的意义

在西藏近南北向布设了横跨青藏高原的3条大地电磁测深剖面(亚东-雪古拉、达孜-巴木错、那曲-格尔木),采用超宽频带大地电磁测深方法进行了地壳、上地幔电性结构探测研究,发现该剖面具有的主要电性结构特征为:①那曲以南地段,电性层比较薄,低阻体多呈串珠状断续分布,产状明显北倾,倾角为20°～30°。②那曲—雁石坪地段,电性层厚度有所增加,低阻体或高阻体呈近于水平薄板状分布。③雁石坪以北地段,电性层厚度较大,低阻体呈大透镜体状较连续地向南倾,倾角40°左右。④3个地段的电性层差异明显,与构造背景和岩浆活动性关系密切。以上电性特征为研究印度板块和欧亚大陆碰撞机制提供了地球物理依据。     

龙门山造山带地质和地球物理资料的综合解释

通过对航磁、重力、深部地壳测深、大地电磁测深及地热流值估算等多种地球物理资料和地质资料的综合研究，提出龙门山造山带地壳，上地幔结构模式，并通过平衡剖面恢复结合地史资料对龙门山造山带的演化进行了探讨。     

郯庐断裂带中段地震活动性与深部地壳电性结构关系的探讨

郯庐断裂带(郯城—庐江断裂带)中段地震活动强度大、频率高,是中国东部一条重要的地震活动带。强震沿该断裂带中段局部发生,弱震不均匀分布,一些部位为无震区。本文利用5条大地电磁测深剖面,对该断裂带中段地震孕育的深部背景进行了对比分析。结果表明,该断裂带切穿整个地壳,地壳电性结构显著不均一,但普遍出现陡立的低阻带与高阻带相间排列的现象,从而成为强烈的新构造活动带。该断裂带上3处≥Ms7级强震的地壳电性结构实例显示,带内上地壳中、下部出现刚性高阻层连接旁侧或两侧刚性高阻体时才会出现大的应力积累,从而成为强震发生必要的深部结构条件。而该断裂带弱震区显示全地壳尺度陡立软弱低阻带与刚性高阻带相间排列现象,其中的高阻带内只能积累有限应力而诱发弱震。该断裂带无震区上地壳出现了巨厚的异常软弱低阻层,成为极易蠕滑带,旁侧的刚性高阻体完全无法积累应力而诱发地震。上述实际对比分析表明,大型活动断裂带内上地壳的电性结构和流变学与地震活动性密切关联。     

云南腾冲火山构造区的电性结构特征及其地质意义

为配合科学钻探选址,在云南腾冲县城以北至固东镇之间沿东西向布设了4条可控源音频大地电磁测深剖面和2条大地电磁测深剖面,对6条剖面的电磁测深资料进行了预处理和二维反演,获得了6条剖面的电阻率模型.这些剖面具有的主要电性结构特征为:盆地地壳内存在2套低阻,其中浅部的低阻层沿南北向稳定存在,由含水(热水)的火山岩下部、花岗岩上部与花岗砂砾岩组成,构成了腾冲盆地的地热资源的热储层,其主要层位在300～1500 m范围内:深部的低阻体是作为热源的岩浆囊,位于马站一曲石乡之间的部分深12～30 km,东西宽25 km以上.以上电性特征为研究云南腾冲火山构造区岩浆和火山活动提供了地球物理依据.     

汶川地震断裂带科学钻探1号井(WFSD-1)非弹性应变恢复法(ASR法)三维地应力测试与"5.12"汶川地震的形成机制

汶川地震断裂带科学钻探1号井(WFSD-1)的ASR三维地应力测试结果表明,龙门山前陆逆冲带与其下伏的龙门山前陆盆地和上覆的松潘-甘孜地块的构造及地应力状态存在有重大差异。从整体上看,在汶川地震中,龙门山前陆逆冲带表现为在强烈的区域性挤压背景下,深部物质沿壳内拆离层自SW向NE方向的"层状"流动,在地壳上部转化为沿映秀-北川断裂(YBF)的快速垂向挤出,而其西侧的松潘-甘孜地块作自SE往NW方向的重力滑覆,东侧的龙门山前陆盆地则表现为自NE往SW方向的走滑或右行旋转。晚新生代以来,扬子地块相对于青藏高原东缘的龙门山造山带并无明显的或大尺度的陆内俯冲作用发生。龙门山前陆逆冲带深部高温低粘度物质垂直向上的、快速的流动和挤出,直接导致了"5.12"汶川地震的发生,而松潘-甘孜地块E向扩展导致龙门山前陆带的强烈挤压和陆壳增厚及深部应力和地震能量的积聚则是诱导深部位移场发生突变和物质快速垂向挤出的主因,E向扩展是深部地震能量积聚和快速垂向挤出作用的必要条件,而非地震发生的直接原因。ASR地应力测试得出的主压应力方向完全平行于GPS同震速度场的位移方向,似乎表明ASR测试获得的原地应力场或许真实地反映了或最接近于地震过程中的构造应力状态。     

郯庐断裂带中段地震活动性与深部地壳电性 结构关系的探讨

郯庐断裂带(郯城—庐江断裂带）中段地震活动强度大、频率高,是中国东部一条重要的地震活动带。强震沿该断裂带中段局部发生,弱震不均匀分布,一些部位为无震区。本文利用5条大地电磁测深剖面,对该断裂带中段地震孕育的深部背景进行了对比分析。结果表明,该断裂带切穿整个地壳,地壳电性结构显著不均一,但普遍出现陡立的低阻带与高阻带相间排列的现象,从而成为强烈的新构造活动带。该断裂带上3处≥Ms7级强震的地壳电性结构实例显示,带内上地壳中、下部出现刚性高阻层连接旁侧或两侧刚性高阻体时才会出现大的应力积累,从而成为强震发生必要的深部结构条件。而该断裂带弱震区显示全地壳尺度陡立软弱低阻带与刚性高阻带相间排列现象,其中的高阻带内只能积累有限应力而诱发弱震。该断裂带无震区上地壳出现了巨厚的异常软弱低阻层,成为极易蠕滑带,旁侧的刚性高阻体完全无法积累应力而诱发地震。上述实际对比分析表明,大型活动断裂带内上地壳的电性结构和流变学与地震活动性密切关联。     

松潘-阿坝地区深部电性特征

针对青藏高原东部特殊的“三角形”区域——松潘-阿坝地区,通过两条测线的MT资料分析和反演,对其深部电性特征进行了揭示,发现松潘-阿坝区中深层构造较为稳定,层状特点明显,地下电性横向变化小,具有稳定地块的特点.这里存在壳内低阻层,厚度近10~20km;深部(岩石圈地幔内部)的电性结构也有两种类型:高阻异常区和具有幔内低阻层的次高阻异常区,全区岩石圈厚度在120km左右,其四周由深断裂与邻区接触.该区深部电性特征不同于龙门山隆起的电性结构,也不同于西秦岭构造带,后者具有高阻基底,岩石圈厚度或更薄或加厚.     

长江中下游南京（宁）-芜湖（芜）段深部壳幔电性结构——宽频大地电磁测深研究

为了较全面、客观地认识南京(宁)-芜胡(芜)地区岩石圈深部结构,探讨岩石圈热结构和壳、幔物质状态等重要科学问题,为矿集区成矿作用和成矿规律的研究提供依据,我们完成了6条宽频大地电磁测深剖面。通过分析各剖面电性成像结果,讨论了研究区地壳-上地幔导电性的"拟三维"结构,发现测区普遍存在连续的下地壳-上地幔低阻层,仅在巢湖冲褶体断开。结合区域热流结果,我们认为下地壳-上地幔有较好的导电性,可能存在局部"熔融体"或"含水剪切断裂",其物质状态很可能是热的、软弱的。此外,我们通过物质状态和电性界面推断了上地幔隆起的位置和长江深断裂带的分布范围,认为长江断裂带不但存在,而且由多条北深南浅的断裂组成,较为复杂。