龙门山断裂带隆起造山独特性探讨

龙门山断裂带位于四川盆地西缘;青藏高原东部;为四川盆地与松潘-甘孜地块的接触构造边界。龙门山地区海拔从东侧100 km外四川盆地的500 m突升至3 000 m高度;明显地标注了青藏高原的东部边界;其隆升机制也引起了国内外地质工作者的广泛兴趣;并且提出了多种隆升机制模型。在本次研究中;我们利用SinoProbe-02深反射地震剖面数据对龙门山地区的隆升机制进行研究;从而进一步探讨龙门山地区隆起造山的独特性;并讨论其与传统意义中的造山带的区别;认为龙门山断裂造山带为板块内部构造活动引起岩石圈隆起所形成的。本文的研究结果将使我们更深刻地了解龙门山地区的构造活动特点;并且有助于了解青藏高原东缘对印度-欧亚板块碰撞的构造响应。     

宽角反射、折射地震数据与重力数据综合解释龙门山及邻近地区地壳结构

青藏高原东部的隆升机制一直都是地学界的研究热点,研究学者们提出和发展了多种岩石圈变形模型,而存在多种模型的主要原因之一是对青藏高原东部地壳及岩石圈结构认识不足。本文主要针对SinoProbe-02项目横跨龙门山断裂带、全长400多公里的宽角、折射地震数据及重力数据进行联合反演和综合解释。研究结果表明,龙门山及邻近地区地壳结构可明确划分为上地壳、中地壳和下地壳。上地壳上层为沉积层,龙门山断裂带以西大部分区域被三叠纪复理岩覆盖,而在龙日坝断裂与岷江断裂之间出现了密度为2.7g/cm³的高速异常体;向东靠近龙门山地区,沉积层厚度逐渐减薄。中地壳速度变化不均一,而且变形强烈;若尔盖盆地和龙门山断裂带下方出现明显低速带;中地壳在龙门山西侧厚度加厚,在岷江断裂下方和四川盆地靠近龙门山断裂带地区附近厚度达到最大。莫霍面整体深度从东往西增厚,最厚可达56 km。本次研究得到的地壳结构和密度分布分析结果表明现有的地壳厚度和物质组成不足以支撑龙门山及邻近地区目前所达到的隆升高度,因此四川盆地刚性基底西缘因挤压作用产生的弯曲应力也是该地区抬升的重要条件之一。     

青藏高原东缘龙门山山系构造隆起的地貌表现

龙门山山系是青藏高原东缘新生代造山作用的体现,是理解青藏高原向东扩展动力学过程的窗口.龙门山隆升机制研究因而成为青藏高原地学领域的热点问题之一,并形成了地壳缩短与下地壳管道流两种截然不同的观点,进一步的讨论期待着对龙门山隆升特征作出更深入地认识.夷平面与河流地貌忠实地记录了山地隆升的过程,其形态能够客观地反映山地隆升的几何特征.文章通过数字高程资料分析了龙门山地区的第三纪夷平面,并沿横穿龙门山的大渡河流域测量了河流阶地、山麓剥蚀面及其同期宽谷地貌.夷平面、宽谷地貌与河流阶地的变形特征显示,晚新生代以来,龙门山山系一方面相对东侧四川盆地发生显著的冲断式隆升,隆起幅度达4500m左右;同时相对青藏高原腹地发生了一定的挠曲式隆升,挠曲的枢纽大致沿龙日坝断裂带展布,隆起幅度为500m至1000m,即龙门山山系的构造隆升由东翼的冲断作用与西翼的挠曲作用联合完成,龙门山山系因而构成了青藏高原与四川盆地之间的一道地形屏障.文章最后讨论了导致龙门山山系拱曲冲断作用的可能因素,包括上地壳的断弯褶皱作用、下地壳物质上涌作用和地表侵蚀导致的重力均衡效应.鉴于沿龙门山隆升带东西两翼发现了纵向逆冲断裂或逆走滑断裂,而没有发现纵向张性构造,推断断弯褶皱可能为主导因素.     

关于汶川地震发震机制

2008年5月12日汶川8级地震的发震断层是四川龙门山逆冲带的前锋灌县—安县断层,或此断层附近新产生相同产状的断层。发震断层走向NE倾向NW,逆冲兼右行平移。汶川地震的发震机制是印藏陆-陆碰撞后,印度次大陆活塞状嵌入欧亚板块造成青藏高原东部向SEE方向近水平挤压,在龙门山冲断带前锋向东南逆冲到四川盆地,构造应力积累和释放的结果。汶川地震演示了一个青藏高原东缘龙门山隆起的构造模型,即其经由龙门山冲断带的地壳冲断作用和缩短作用而隆升。这与Burchfiel的模型不同,该模型认为龙门山上升是由于韧性下地壳流受到四川盆地高强度地壳阻挡而上涌所致。这两种模型可能各有其适用时间阶段,然而本文的模型是不可或缺的,因汶川地震已显示了它的真实性。     

汶川-映秀8.0级大地震的发生与岩石圈精细速度结构和动力机制

汶川-映秀8.0级大地震发生在由3条NE向断裂带组成的龙门山逆冲走滑断裂系上,造成了以汶川、映秀为中心和其周边地域的严重破坏和人员的重大伤亡.然而强烈地震发生前却未见有可能的确切征兆或浅表层异常活动的迹象(相对于短期和临震预测),即浅层过程与地震发生的深层过程并不匹配.那么为什么在龙门山地区突然发生了这次大地震,它具有哪些特征?其成因机制又是什么?为此必须对这次强烈地震"孕育"、发生和发展的壳、幔速度结构以及其深层动力过程进行深入研究和探讨.通过对松藩-甘孜、龙门山造山带和四川盆地地域人工源地震深部探测以及天然地震层析成像、接收函数与面波频散反演研究分析,初步结果表明:1)在印度洋板块与欧亚板块陆-陆碰撞和挤压作用下,形成了喜马拉雅造山带和东构造结,该东构造结似一尖楔向NNE方向顶挤并插入青藏高原东北缘,故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高速"刚性"物质阻隔下,一部分物质则转而向东南侧向运移;2)龙门山造山带与其西北侧地带地形高差达3500±500m左右,地壳厚度在龙门山西北部为65±5km左右,四川盆地为40±2km左右,而龙门山地带与其东、西两侧相比则其地壳厚度变化幅度达15～20km,这里恰为应力作用的耦合与集中地带;3)下地壳和地幔盖层物质以上、中地壳(深20～25km)中的低速层为第一滑移面,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,下地壳和上地幔盖层物质以高角度在龙门山断裂系与四川盆地的耦合地带向上运移(或称逆冲),且在龙门山地表3条断裂构成的断裂系向下收敛到15±5km左右深处汇聚,二者强烈碰撞、挤压和震源介质破裂;即存物质与能量的强烈交换下,高度集中的应力得到急速释放,故形成了这次8.0级大地震.为此通过该区的壳、幔速度结构变异,初步揭示了这次8.0级大地震"孕育"、发生和发展的深部介质和构造环境及其深层动力过程.     

龙门山晚新生代均衡反弹隆升的定量研究

龙门山位于青藏高原东缘与四川盆地的交接部位,是青藏高原周边山脉中地形梯度变化最大的山脉,其隆升过程和机制一直是国际地学界关注的焦点。晚新生代经过大量的滑坡、泥石流等快速剥蚀作用,龙门山的高程却不断升高。讨论了龙门山构造隆升的3种地球动力学机制,即下地壳通道流机制、地壳挤压缩短变形机制、地壳均衡反弹机制。晚新生代龙门山的隆升与剥蚀引起的均衡反弹作用相关,剥蚀作用使得地壳岩石逐步被移去,剥蚀区重力损失,岩石圈或地壳卸载作用导致山脉顶峰的隆升。结合数字高程模型数据研究表明,巨大地震的长期同震构造变形以及滑坡、泥石流等引起的快速剥蚀所导致的地壳均衡反弹,可能是龙门山晚新生代构造隆升的地球动力学新机制。龙门山地区现今高程受构造作用与剥蚀引起的均衡反弹作用的共同影响,其中剥蚀引起的均衡反弹作用对龙门山隆升的影响贡献率约占30%。     

青藏高原及邻区大地构造单元划分新方案

青藏高原是在漫长的基底构造演化和特提斯开合过程之后形成的、具有多体多山多层结构的造山复合体 ,这个造山复合体并不是沿近东西向展布的蛇绿岩带呈线性分布 ,而是具有完整的似盆状地壳结构。晚新生代强烈隆升的青藏高原的主体结构与先期形成的板块碰撞构造关系不大 ,而与周缘的锡瓦利克盆地、川西盆地、柴达木盆地、塔里木盆地密切相关 ,它们在空间上相互依存 ,物质上相互转换 ,构造上相互作用。作为板块缝合带的蛇绿混杂岩带是划分青藏特提斯构造域的主要构造边界 ,而青藏高原从青藏特提斯构造域经洋陆转换之后进入晚新生代板内构造发展…     

龙门山断裂带及其邻区电性结构特征

龙门山断裂带是中国大陆地壳中著名的造山带和地震带。为了研究龙门山逆冲推覆构造的深部结构及其与青藏高原物质东向逃逸之间的关系,布置了跨越西秦岭造山带、松潘—甘孜褶皱带、四川盆地的4条大地电磁测深剖面,每条剖面有宽频大地电磁测深点20个,共计80个宽频大地电磁测深数据以及16个长周期数据;进行了二维、三维反演,得到了电性模型。研究结果显示:在30 km以浅,龙门山断裂带基本上与电性梯度变化带相重合,说明龙门山断裂带是深达地壳中部的深大断裂带;松潘-—甘孜褶皱带在20 km以浅呈现以高阻为主的较为复杂的电性结构分布特征,这与其复杂的地表构造有关;在20 km以深,接近龙门山断裂带附近呈现为高阻,推测此高阻可能是对四川盆地的基底的反映,表明松潘—甘孜褶皱带以龙门山断裂为界推覆至四川盆地之上;推断青藏高原物质东向逃逸,有可能从松潘—甘孜褶皱带深部沿礼县—宕昌一带向东北方向逃逸,这一运移主要是发生在18 km以下、30 km以上的中下地壳范围内,物质逃逸的主要形式是部分熔融。     

龙门山均衡重力异常及其对青藏高原东缘山脉地壳隆升的约束

青藏高原东缘处于不均衡状态，自西而东可分为青藏高原弱负均衡重力异常区、龙门山正均衡重力异常区和四川盆地负均衡重力异常区，表明该区的不均衡状态并未导致Airy均衡运动的产生，即龙门山没有均衡下降，而处于不断的隆升状态，显示该地区反均衡运动的构造抬升是导致龙门山隆升的主因。本次采用似三度体重力异常计算方法对该区的正均衡重力异常进行模拟和反演，研究了大尺度地貌分异与均衡重力异常分区之间的相互关系，结果表明，龙门山的下地壳顶面抬升了11．2～12．6km，造成了龙门山的正均衡异常，揭示了构造抬升和剥蚀作用在相似的时间尺度上和空间尺度上控制着龙门山地貌的形成，龙门山的表面隆升是构造隆升和剥蚀作用相叠加的产物。     

中国东南陆区岩石圈结构与大规模成矿作用

本文以区域地质、矿产地质为基础,与地球物理和岩石圈深部地质的研究成果相结合,对中国东南陆区的地块、造山带、古板块结合带、隆起带、坳陷带和断陷盆地的地壳厚度变化与物质结构、莫霍面形态、岩石圈地幔的厚度变化与结构进行了研究与构造区划.论述了燕山期陆内造山与喜马拉雅期大陆伸展及其导致的岩石圈物质结构调整作用,建立了隆坳构造分异与壳幔物质结构调整模式,探讨了本区地壳减薄的深部地质过程,分析了燕山期陆内造山的动力机制以及大规模成矿作用与岩石圈物质结构构造的相关关系.     

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。     

全球定位系统测量与青藏高原东部流变构造

通过1991～1997年期间高精度全球定位系统测量,建立了青藏高原东部及其邻区的现代地壳运动速度场。相对成都,鲜水河-小江断裂以西的藏东-滇中地区的运动速度变动在1．57～17．49mm／a之间,总体为8mm／a以上。该断裂以东地区的运动速度小,约为0～7mm／a。在此基础上,通过对围绕东喜马拉雅构造结的涡旋和川西地区的涡旋的认定,以及它们在地壳变形中的作用的分析,阐述了青藏高原东部及其邻区深部物质流变的主要形式和地壳流变构造。     

粘弹性数值模拟龙门山断裂带应力积累及大震复发周期

2008年5月12日在低地形变速率的龙门山断裂带上突发汶川强震,引发人们对该地震孕震机制的思考。本文根据GPS观测资料确定边界条件,通过三维粘弹性数值模拟探讨了汶川地震的孕震机理,计算了该区域岩石圈的应力增加速率和积累过程,以及汶川地震同震应力变化与震后应力松弛,在此基础上估算了汶川8.0级大地震的复发周期。数值模拟结果表明:印度板块对欧亚板块的推挤造成青藏高原的物质东流,高原中、下地壳物质在龙门山断裂带处遭到相对坚硬的四川盆地的阻挡之后,部分中、下地壳物质在龙门山断裂带下堆积产生应力集中。两个重要因素为应力集中提供了重要控制作用:其一是青藏高原中、下地壳较低的粘滞系数与四川盆地中、下地壳较高的粘滞系数的差异,其二是从青藏高原到四川盆地的Moho面深度在龙门山断裂带的突变。低应变速率的龙门断裂带岩石圈在数千年时间尺度的应力积累过程中,脆性上地壳的应力随时间近乎线性增长,并且上地壳深部的应力增长率超过浅部,6000年内应力积累最大量达到-21.6MPa,应力增长速率为-0.0036MPa/a;而柔性的中、下地壳以及岩石圈上地幔的应力在增长一段时间之后趋于稳定。在空间上,龙门山断裂带受到的压应力从断层西南向北东方向逐渐减小,而剪应力从西南到北东方向逐渐增大,应力状态有利于地震发生时断层的破裂方式从西南的逆冲运动向北东的逆冲兼走滑运动的方式发展。通过应力积累与地震应力降的计算得到汶川8.0级大地震的复发周期约为5400年。     

青藏高原东缘旋转变形机制的数值模拟

在印度板块与欧亚板块的碰撞作用下,青藏高原受到华南块体、鄂尔多斯块体等不同程度的阻挡,引起高原的整体隆升。青藏高原东南缘发生物质向南"逃逸",青藏高原东缘现今的地壳运动表现为围绕青藏高原东构造结发生顺时针的旋转。针对青藏高原东缘的旋转变形特征,基于以大型活动断裂为界的块体构造模型,利用粘弹性接触单元有限元模拟,分析了控制青藏高原东缘旋转变形的动力学环境,模拟的GPS速度与实测GPS速度能够较好的地吻合,构造应力场分布特征和活动断层的性质也能够较大程度地吻合,模拟过程采用的边界及其代表的动力学环境表明,青藏高原东缘整体受控于印度板块的持续碰撞和稳定的华南板块的阻挡,在下地壳的拖曳和重力作用下,青藏高原物质从南部边界"逃逸"。在"逃逸"过程中,受印度板块斜向俯冲作用的影响,沿实皆断裂缅甸板块对巽他板块的剪切拉升作用是形成围绕喜马拉雅东构造结的旋转运动和地壳变形的重要因素,也是青藏高原东南缘旋转活动构造体系的主要影响因素之一。     

Crustal structure of the northeastern margin of the Tibetan plateau from the Songpan-Ganzi terrane to the Ordos basin

The 1000-km-long Darlag–Lanzhou–Jingbian seismic refraction profile is located in the NE margin of the Tibetan plateau. This profile crosses the northern Songpan-Ganzi terrane, the Qinling-Qilian fold system, the Haiyuan arcuate tectonic region, and the stable Ordos basin. The P-wave and S-wave velocity structure and Poisson's ratios reveal many significant characteristics in the profile. The crustal thickness increases from northeast to southwest. The average crustal thickness observed increases from 42 km in the Ordos basin to 63 km in the Songpan-Ganzi terrane. The crust becomes obviously thicker south of the Haiyuan fault and beneath the West-Qinlin Shan. The crustal velocities have significant variations along the profile. The average P-wave velocities for the crystalline crust vary between 6.3 and 6.4 km/s. Beneath the Songpan-Ganzi terrane, West-Qinling Shan, and Haiyuan arcuate tectonic region P-wave velocities of 6.3 km/s are 0.15 km/s lower than the worldwide average of 6.45 km/s. North of the Kunlun fault, with exclusion of the Haiyuan arcuate tectonic region, the average P-wave velocity is 6.4 km/s and only 0.5 km/s lower than the worldwide average. A combination of the P-wave velocity and Poisson's ratio suggests that the crust is dominantly felsic in composition with an intermediate composition at the base. A mafic lower crust is absent in the NE margin of the Tibetan plateau from the Songpan-Ganzi terrane to the Ordos basin. There are low velocity zones in the West-Qinling Shan and the Haiyuan arcuate tectonic region. The low velocity zones have low S-wave velocities and high Poisson's ratios, so it is possible these zones are due to partial melting. The crust is divided into two layers, the upper and the lower crust, with crustal thickening mainly in the lower crust as the NE Tibetan plateau is approached. The results in the study show that the thickness of the lower crust increases from 22 to 38 km as the crustal thickness increases from 42 km in the Ordos basin to 63 km in the Songpan-Ganzi terrane south of the Kunlun fault. Both the Conrad discontinuity and Moho in the West-Qinling Shan and in the Haiyuan arcuate tectonic region are laminated interfaces, implying intense tectonic activity. The arcuate faults and large earthquakes in the Haiyuan arcuate tectonic region are the result of interaction between the Tibetan plateau and the Sino–Korean and Gobi Ala Shan platforms.     

Active Faulting Pattern,Present‐day Tectonic Stress Field and Block Kinematics in the East Tibetan Plateau

Abstract: This paper examines major active faults and the present-day tectonic stress field in the East Tibetan Plateau by integrating available data from published literature and proposes a block kinematics model of the region. It shows that the East Tibetan Plateau is dominated by strike-slip and reverse faulting stress regimes and that the maximum horizontal stress is roughly consistent with the contemporary velocity field, except for the west Qinling range where it parallels the striking of the major strike-slip faults. Active tectonics in the East Tibetan Plateau is characterized by three faulting systems. The left-slip Kunlun-Qinling faulting system combines the east Kunlun fault zone, sinistral oblique reverse faults along the Minshan range and two major NEE-striking faults cutting the west Qinling range, which accommodates eastward motion, at 10–14 mm/a, of the Chuan-Qing block. The left-slip Xianshuihe faulting system accommodated clockwise rotation of the Chuan-Dian block. The Longmenshan thrust faulting system forms the eastern margin of the East Tibetan Plateau and has been propagated to the SW of the Sichuan basin. Crustal shortening across the Longmenshan range seems low (2–4 mm/a) and absorbed only a small part of the eastward motion of the Chuan-Qing block. Most of this eastward motion has been transmitted to South China, which is moving SEE-ward at 7–9 mm/a. It is suggested from geophysical data interpretation that the crust and lithosphere of the East Tibetan Plateau is considerably thickened and rheologically layered. The upper crust seems to be decoupled from the lower crust through a décollement zone at a depth of 15–20 km, which involved the Longmenshan fault belt and propagated eastward to the SW of the Sichuan basin. The Wenchuan earthquake was just formed at the bifurcated point of this décollement system. A rheological boundary should exist beneath the Longmenshan fault belt where the lower crust of the East Tibetan Plateau and the lithospheric mantle of the Yangze block are juxtaposed.     

Active Faulting Pattern,Present-day Tectonic Stress Field and Block Kinematics in the East Tibetan Plateau

This paper examines major active faults and the present-day tectonic stress field in the East Tibetan Plateau by integrating available data from published literature and proposes a block kinematics model of the region.It shows that the East Tibetan Plateau is dominated by strike-slip and reverse faulting stress regimes and that the maximum horizontal stress is roughly consistent with the contemporary velocity field,except for the west Qinling range where it parallels the striking of the major strike-slip...     

大陆构造变形与地震活动——以青藏高原为例

大陆内部构造变形和地震活动往往突显出复杂的、区域性的特征,很难用板块构造理论来解释。青藏高原是大陆构造变形的典型实例,具有不同构造变形的分区特征,不仅表现在物质组成、地形地貌和断裂组合等方面的不同,而且还表现出不同的地震活动特征。东昆仑断裂带以北的青藏高原北部地块,主要发育一系列挤压环境下的盆岭构造,表现为以连续变形为特征的上地壳挤压缩短变形;高原中北部巴颜喀拉地块,具有整体向东运动的特点,变形主要集中在其边缘,表现为刚性块体运动特征。在东部,由于稳定的四川盆地(扬子地块)的阻挡,位于龙日坝和龙门山断裂带之间相对坚硬的龙门山地区受到东西向强烈挤压,西部边界为伸展变形;在高原中央腹地羌塘地块西部,由于上地壳物质在向东挤出的驱动下不断变形,沿一系列小型正断层和走滑断层以伸展变形为主,表现为弥散型变形特征。相比之下,羌塘地块的东部向东-南东方向挤出,在大型走滑断层之间形成一个刚性块体;高原南部地块以东西向伸展的南北向裂谷系为主要变形特征,高原南缘以南北向挤压的大型逆冲断裂系为特征。历史地震和仪器记录的大地震(M≥8)只发生在高原东北和东南部的大型走滑带,以及东部和南部边缘的大型逆冲断裂上,沿后者更为频发。到目前为止,高原其他地区只发生了8级以下地震。青藏高原这种分区域的地壳变形形式和地震活动分布是大陆构造变形的重要特征。