地壳流变结构控制作用下的龙门山断裂带地震发生机理

青藏高原东缘低地形变速率的龙门山断裂带上相继发生了2008汶川M_w7.9级地震和2013芦山M_w6.6级地震.地震勘探与震源定位结果揭示了龙门山区域地震空间分布特征：纵向上,龙门山断裂带这两次地震主震均发生在龙门山断裂带上地壳的底部（14~19 km）,绝大部分余震均发生在上地壳范围（5~25 km）,而在其中、下地壳深度范围内鲜见余震发生;横向上,地震（M_w>3）在龙门山断裂带青藏高原一侧密集分布且曾有大震发生,而四川盆地地震稀少（M_w>3）.为探讨龙门山断裂带地震发生机理,并解释以上龙门山区域地震空间分布特征,本文建立了龙门山断裂带西南段跨芦山地震震中区域的四种不同流变结构的龙门山断裂带三维岩石圈模型,以地表GPS观测资料为约束边界条件,数值模拟龙门山断裂带岩石圈在数千年以上长期匀速构造挤压作用下的应力积累特征,探讨了地壳分层流变性质对地壳应力积累的影响,分析了该区域地震空间分布与构造应力积累速率的关系.计算结果表明：该区域在数千年的应力积累过程中,脆性上地壳中应力表现近于恒定值的线性增长趋势,龙门山断裂带上地壳底部出现应力集中积累现象,这一应力集中现象可以解释龙门山断裂带汶川地震与芦山地震主震的发生,及其大部分余震在脆性上地壳中的触发;青藏高原一侧上地壳应力积累速率远远高于四川盆地的应力积累速率,这一应力积累分布现象可以解释龙门山区域青藏高原一侧地震密集而四川盆地地震稀少的地震空间分布特征;通过比较不同流变结构模型中的应力积累状态,认为导致这一应力积累空间分布状态的重要控制因素在于青藏高原中、下地壳较低的黏滞系数与四川盆地中、下地壳较高的黏滞系数的差异.在柔性的中、下地壳内,应力增长近于指数形式,稳定状态之后其应力增长速率近于零,构造应力积累难以达到岩石破裂强度,因而鲜见地震发生.地壳各层位的应力增长率差异与地震成层分布的现象共同揭示了龙门山区域岩石圈分层流变结构：脆性上地壳、韧性中、下地壳（青藏高原一侧较弱,四川盆地一侧较强）、韧性岩石圈上地幔.     

四川芦山7.0地震和汶川8.0地震震源区地壳岩石圈变形特征分析

地壳和岩石圈变形特征研究对于深入了解中强地震的深部孕震环境具有重要科学意义.本文联合P和S波远震接收函数偏移成像结果,对发生过芦山7.0地震和汶川8.0地震的龙门山断裂带及附近区域地壳和岩石圈结构进行分析.结果揭示出在青藏高原向四川盆地过渡的龙门山断裂带,Moho面和岩石圈底界面(LAB)呈现出强烈变形,特别是芦山地震和汶川地震震源区下方地壳出现了错断、下凹,岩石圈也呈现下凹变形特征.这种地壳及岩石圈变形所代表的高应力的积累可能是汶川和芦山地震发生的重要深部地球动力学背景.     

金川—芦山—犍为剖面重力异常和地壳密度结构特征

重力剖面金川—芦山—犍穿越芦山震区,近垂直于龙门山断裂带南段,长约300km,测点距平均2.5km,采用高精度绝对重力控制下的相对重力联测与同址GPS三维坐标测量,获得了沿剖面的自由空气异常和布格重力异常,并对布格重力异常进行了剩余密度相关成像和密度分层结构正反演研究.结果表明,芦山地震所在的龙门山断裂带南段存在垂直断裂走向的宽广的巨型重力梯级带,重力变化达252×10-5 m·s-2以上(龙泉山以西),反映出四川盆地与松潘—甘孜地块地壳厚度陡变(约14.5km)性质;四川盆地与松潘—甘孜地块过渡区(龙门山断裂带与新津—成都—德阳断裂之间)存在(30~50)×10-5 m·s-2的剩余异常"凹陷",可能与上地壳低密度体、山前剥蚀与松散堆积和推覆体前缘较为破碎有关;剩余密度相关成像显示地壳密度呈现分段性特征,在芦山地震位置出现高低密度变化;地壳呈现三层结构,四川盆地上、中、下地壳底界面平缓,反映其稳定阻挡作用,而松潘—甘孜块体上、中、下地壳底界面明显往盆地逐步抬升,反映出青藏高原往东的强烈挤压作用;松潘—甘孜块体往东推覆变形主要集中在上地壳范围内,推覆深度随离龙门山断裂带愈近而越浅.本文通过对密度分布及结构特征的研究,分析了芦山地震及龙门山地区地壳构造背景和当前活动性的深部动力环境特征.     

阿坝—遂宁宽角地震剖面重建藏东缘龙门山地区地壳速度结构

龙门山断裂带位于青藏高原东缘,在中生代和晚新生代经历强烈的构造变形,急剧抬升,是研究青藏高原隆升和扩展动力学过程的重要窗口.本文利用起伏地形下的高精度成像方法,对"阿坝一龙门山一遂宁"宽角反射/折射地震数据重新处理,通过走时反演重建研究区地壳速度结构.剖面自西向东跨越松潘一甘孜块体、龙门山断裂带和四川盆地,不同块体速度结构表现了显著的差异.松潘甘孜块体地表复理石沉积层内有高速岩体侵入,低速层低界面起伏不平反映了该区的逆冲推覆构造.中下地壳速度横向上连续变化,平均速度较低(约6.26 km·s~(-1)).四川盆地沉积层西厚东薄,并在西侧出现与挤压和剥蚀作用相关的压扭形态.中下地壳西薄东厚,平均速度较高(约6.39 km.s~(-1)).龙门山断裂带是地壳速度和厚度的陡变带,Moho面自西向东抬升约13 km.在整个剖面上Moho面表现为韧性挠曲,中下地壳横向上连续变化,推测古扬子块体已到达松潘甘孜块体下方.松潘甘孜块体下方中下地壳韧性变形,并在底部拖曳着被断裂切割的脆性上地壳,应力在不同断裂上积累和释放,诱发大量地震.     

青藏高原北部东昆仑-羌塘地区的岩石圈结构及岩石圈剪切断层

通过横穿青藏高原北部东昆仑-羌塘地区的格尔木-唐古拉山口(西段)和共和-玉树(东段)两条天然地震探测剖面的综合研究, 揭示东昆仑-羌塘地区岩石圈结构的如下特征: (1)地壳厚度自南往北由70~75 km减小至55~60 km, 西段厚度变化幅度(10 km)较东段(20 km)小; (2)地壳具高速与低速转换界面相间组成的层状结构, 东段中地壳为透镜状低速层; (3)在150 km深度范围内岩石圈的物理状态具高速体和低速体相间特征; (4)岩石圈结构不连续性表明地体边界及地体内部存在150~250 km深度的3条主要的岩石圈剪切断层带: 昆南-阿尼玛卿岩石圈剪切断裂带、金沙江岩石圈剪切断裂带和鲜水河岩石圈剪切断裂带. 推测青藏高原北部存在岩石圈规模的向东挤出作用.     

青藏高原东缘岩石圈结构对现今地表垂向运动影响的数值分析

参考青藏高原东缘松潘-甘孜地块至四川盆地陡变地形起伏和地壳密度结构的横向差异,本文建立了二维牛顿黏性流体有限元模型,计算分析构造加载、陡变地形和重力效应控制下青藏高原东缘岩石圈变形特征,探讨横向不均匀的地壳密度结构、陡变地形和岩石圈流变性质对区域现今垂向运动的影响.计算结果显示：在构造加载作用下,松潘-甘孜地块至四川盆地地表抬升微弱.区域横向不均匀的地壳密度结构驱使松潘-甘孜地块地壳整体抬升,速率高达2 mm·a^-1,四川盆地整体下沉,速率约1 mm·a^-1,与龙门山两侧现今观测到的地表垂向变形模式相近.龙门山地区陡变地形驱使柔性地壳流动,调整区域地壳局部变形;岩石圈流变结构影响重力驱动作用下的模型变形量值和岩石圈变形耦合程度,松潘-甘孜地块较低的中地壳黏滞系数引起上、下地壳的变形解耦;模型较高的岩石圈地幔黏滞系数使重力驱动作用下区域垂向变形量降低.因此,青藏高原东缘地壳密度结构差异、地形起伏和岩石圈流变性质是现今区域垂向变形的重要动力学控制因素.     

龙门山中南段地壳上地幔三维密度结构

基于高精度布格重力异常资料,以川滇地区P波速度三维层析成像结果为约束建立初始模型,采用预优共轭梯度(Preconditional Conjugate Gradiem,PCG)反演方法得到了龙门山断裂带中南段的地壳上地幔(深度范围0～65km)三维密度结构(网格间距为10km(横向)×10km(纵向)×5km(深度))。密度成像结果表明:龙门山断裂带中南段两侧地壳密度结构存在明显差异,四川盆地有约10km厚的低密度沉积层,松潘-甘孜块体因沉积层较薄,且部分地区有基岩出露,上地壳表现为高密度结构;松潘-甘孜块体中、下地壳有大范围低密度层分布,介质强度明显低于高密度的四川盆地,青藏高原东移物质受到四川盆地阻挡后更易于在低密度的一侧发生挤压形变及隆升,从而形成龙门山逆冲推覆构造带;龙门山断裂带内部在地壳结构上具有明显的分段特征,表现为沿着龙门山断裂带地壳密度变化不连续,以汶川地震和芦山地震震中为界,形成多个高、低密度异常区;同时,结合地震精定位结果分析,汶川地震及其余震多分布于壳内中央断裂带西侧高密度体内,芦山地震及其余震则集中在地壳密度变化梯级带附近并偏向高密度体一侧。四川盆地下地壳密度较高,其前缘随深度增加向青藏高原方向扩展,在上地幔顶部接近龙门山断裂带以西。松潘-甘孜块体中、下地壳虽然有一定规模的低密度体分布,但其连通性差,在平面上多形成局部低密度异常区,是否存在下地壳流仍无法给出明确的证据。     

芦山—康定地区布格重力异常及其归一化梯度图像的构造物理涵义

芦山—康定地区是川滇块体、松潘—甘孜块体和华南块体三个块体过渡的"Y"型交汇区,构造变形十分强烈.本文对EGM2008计算的布格重力异常进行1~5阶离散小波变换,得到三方向分量平方和的平方根(HVDM)图像;利用实测剖面布格重力异常数据,得到剖面的布格重力异常归一化总梯度(NFG)图像.结果分析表明:(1)垂直于龙门山断裂带南段剖面的NFG图像显示推覆构造体前端切割较浅、后端逐步变深至中地壳,说明松潘—甘孜块体在深约10~30km之间存在滑脱构造,在青藏高原东向挤出和四川盆地的阻挡作用下,造成深、浅部构造差异性运动,形成逆冲推覆的龙门山构造带;(2)HVDM图像和剖面的NFG图像均显示龙门山断裂带西南段与中段和东北段不同,松潘—甘孜块体对四川盆地的逆冲推覆作用沿北东方向具有分段性;(3)雅江—洪雅剖面NFG图像显示鲜水河断裂带和龙门山断裂之间存在高梯度变化带,在鲜水河断裂带下方强变形带不仅在20km左右东倾至龙门山断裂带前缘,且逐渐近垂直向下伸入至少到下地壳,反映了两大断裂带交汇区域变形作用较强.川滇块体内部和四川盆地内部则显示低值,说明其变形作用较弱.强烈左旋剪切的鲜水河断裂带对芦山—康定地区构造活动具有主要的控制作用.     

深反射大炮揭示的青藏高原侧向碰撞带地壳骨架结构

青藏高原东南缘处于印度板块与欧亚板块碰撞的侧翼,揭示该地区的岩石圈结构有助于完整理解青藏高原碰撞造山的动力学过程,对构建大陆碰撞成矿理论框架至为关键.本研究对横过青藏高原侧向碰撞带的一条深反射地震剖面的15个大炮资料,进行了针对性静校正、去噪等处理和单次叠加成像,结果剖面显示了侧向碰撞带岩石圈结构的骨架特征:(1)双程走时(TWT)8～10s的强反射(Tc)将地壳分为上、下两层;Tc可能是大型滑脱构造的拆离面,其存在使上地壳的变形与下地壳解耦;(2)Moho间断面反射(Tm)为3～4个同相轴的窄带反射波组,横向不连续,与深大断裂交汇处被错断,但断距不大;(3)在兰坪—思茅地块下方TWT21s和扬子克拉通西缘下方TWT22～24s存在相向倾斜的反射波组(TL);以Tc、Tm和TL构成的骨架结构,定性地描绘出剖面下方岩石圈地幔以汇聚为主、地壳块体以侧向滑移为主和上地壳为薄皮逆冲或滑脱的分层动力学模式.该岩石圈变形样式明显不同于以正向碰撞挤压、地壳缩短垂向增厚为主的"冈底斯模式".     

控制龙门山地区地形的动力学机制

龙门山断裂带是青藏高原的东部边缘,也是高原最陡的边缘之一.跨龙门山断裂,在不到100km的空间尺度内,地形差异高达～4km,而对控制、维持这一地形差异的机制尚存在很大争议.文章基于地震波速度结构、地壳厚度、岩石圈有效弹性厚度等资料,结合岩石圈均衡和岩石圈挠曲分析,定量研究了地壳、岩石圈地幔对地形的贡献.结果表明,控制龙门山地区地形的主要机制包括岩石圈均衡和岩石圈挠曲的静态支撑,以及下地壳流及地幔对流的动力作用,不同机制在松潘-甘孜块体和四川盆地对地形贡献的权重不一.静态地形和动力地形对龙门山断裂两侧～4km的地形差异贡献相当,其中静态地形差异～2km,主要来自岩石圈均衡贡献;动力地形差异～2km,源自松潘-甘孜块体下下地壳流的物质堆积上隆作用和四川盆地下上地幔对流的向下应力拉拽的综合效应.因此,下地壳流与地幔对流是研究龙门山及其邻近地区动力学问题必需考虑的动力因素.     

基于2001年MW7.8可可西里地震震后形变模拟研究藏北地区岩石圈流变学结构

青藏高原岩石圈的流变学结构和形变机制是地学界长期争论的重大科学问题.2001年发生在东昆仑断裂带的M_W7.8可可西里地震造成青藏高原北部地区岩石圈构造应力场的很大改变,引起下地壳与上地幔的快速弛豫形变,从而为研究这一问题提供了难得的机会.本研究采用该区域的GPS震后观测,反演这一地区岩石圈的流变学参数并探讨其形变机制.反演所采用的数据来自45个GPS观测点,其中包括一个中国地壳运动观测网络的基准站,数据最长时间跨度达6.4年.大地震震后形变场主要来源于地壳、上地幔的黏弹性松弛与断层面上的震后余滑,因此本研究同时反演介质的黏滞系数和断层的震后余滑.考虑到东昆仑断层南侧的巴颜喀拉-羌塘地区与北侧的柴达木盆地地区具有明显不同的地壳结构,断层南北两侧采用不同的Burgers体流变学结构,其下地壳-上地幔的短期和长期黏滞系数采用网格搜索法获得;断层震后余滑反演则同时施加近似正比于库仑应力的约束.最终结果显示：东昆仑断层北侧柴达木盆地地区下地壳-上地幔短期和长期黏滞系数分别为5×10¹⁸ Pa·s和1.5×10²⁰ Pa·s;东昆仑断层南侧巴颜喀拉-羌塘地区下地壳-上地幔短期和长期黏滞系数分别为1.5×10¹⁸ Pa·s和1.5×10¹⁹ Pa·s.这一结果表明：巴颜喀拉-羌塘地区下地壳-上地幔黏滞系数显著低于柴达木盆地,意味着巴颜喀拉-羌塘地区下地壳可能存在部分熔融,其地壳形变模式更趋近于连续形变,而柴达木盆地形变模式更趋近于块体运动.研究区下地壳长期黏滞系数比下地壳流模型所主张的黏滞系数高2~3个数量级,表明下地壳流在本地区可能不存在.     

InSAR约束下的2008年汶川地震同震和震后形变分析

2008年5月12日,青藏高原东缘的龙门山断裂带上发生了M_w7.9级汶川地震.本文通过分析覆盖汶川地震震中区域的ALOS/PALSAR像对的方位向偏移量来选择无明显电离层扰动影响的像对进行干涉处理,获取了高精度、连续的InSAR地表形变场.在此基础上,结合高精度GPS同震形变数据,采用同震、黏弹性松弛震后形变联合反演模型同时确定了汶川地震的同震滑动分布和龙门山地区的流变结构参数.研究结果表明,汶川地震是一个断层破裂非常复杂的地震事件,其中,北川段、岳家山段、虹口段和汉旺段的滑动以逆冲为主,而青川段以右旋走滑为主.滑动主要发生在10 km深度以上的区域,最大滑动量位于虹口段的东北端,达10.7 m.地震释放的总能量为9.28×10²⁰ N·m（M_w7.91）,与地震学的结果一致.联合反演模型确定的龙门山地区中下地壳的黏性系数为2×10¹⁸ Pa·s,为青藏高原东部地区的黏性系数提供了一个可靠的下限值.如果有更长时间的震后形变观测时间序列,将为该区域提供更为可靠的流变结构.     

青藏高原下地壳流动方式的数值模拟研究

青藏高原存在柔性下地壳流动被越来越多的学者接受, 但是关于下地壳流动方式及速度存在争议。 地表运动有GPS等直接测量, 上地幔运动有S波分裂间接反映, 下地壳运动目前没有直接观测手段, 使得开展数值分析非常重要。 本文利用三维球壳黏弹性有限元模型研究了青藏高原下地壳柔性流动方式和流动速度。 本文通过对地表GPS观测资料的拟合与不同数值模型的对比分析, 认为青藏高原柔性下地壳东向流动遇到四川盆地的抵阻, 下地壳物质可能仅在高原东南方向存在物质外溢通道, 而在高原东北方向不存在类似的物质通道; 下地壳的流动速度比地表运动速率每年快几毫米至十几毫米, 对应的黏滞系数为10¹⁸~10¹⁹ Pa·s。     

大陆造山带岩石圈拆沉过程的数值模拟

岩石圈拆沉作用是指部分岩石圈由于重力不稳定性而沉入软流圈中的过程,与造山带的演化密切相关.本文基于非牛顿流体近似的有效黏度模型对岩石圈拆沉的过程进行了数值模拟,着重分析了岩石圈的黏度结构对拆沉作用的影响.数值模拟显示,下地壳控制着地壳与岩石圈地幔的耦合程度,对拆沉作用的过程和形态有很大的影响;在一定的初始重力不稳定性条...     

地壳中岩浆沿已有断层运移的数值模拟——在长白山天池火山的应用

本文利用有限元及有限差分的方法,对壳内岩浆房或岩浆囊中的岩浆在构造应力及由于围岩与岩浆的密度差产生的浮力作用下,沿已有断层向上运移的动力学过程进行了数值模拟.在岩浆囊顶部与上覆岩层接触处,沿着已有微小破裂,岩浆在一定超压力条件下使已有断层张开并继续向上延伸,从而形成岩浆向上运移的通道.研究了岩浆黏度、密度差、模型深度对最小超压力（岩浆运移到地表所需的最小岩浆房超压力）的影响.在10 km深度的地壳中,若岩浆黏度为0.1~10³ Pa·s,当超压力达到17~20 MPa时,岩浆压力可以驱动岩浆运移到地表层;同时,岩浆动力黏度越大,使岩脉运移到地表需要的超压力就越大.当密度差为300~700 kg·m^-3,其变化对超压力的影响比较小.本文亦对比了三维应力条件和二维平面应变条件下不同结果,比较了不同条件下岩浆运移造成的地表垂直位移变化.结合长白山天池火山地区的区域地质环境,对长白山天池火山岩浆运移条件进行了参数试验性计算分析,估算了在给定长白山天池火山模型条件下地下可能存在的岩浆囊的大小,其结果对认识长白山天池火山地区岩浆活动及相关的预测和监控有参考意义.     

利用GPS数据分析四川“Y”型构造区地壳运动状态

四川地区地质构造复杂,地壳活动剧烈,为了深入揭示该区“Y”型构造区地壳1999年以来近20年的动态演化规律,基于1999—2017年7期GPS数据,解算各周期网格速度场、应变率场,研究地壳应变场演化过程。结果表明：①2008年以前的3期GPS速度场相对稳定,汶川地震后,速度场变化最大的龙门山断裂带由4.0—5.0 mm/a增至8.0—10.0 mm/a;②汶川震后,“Y”型构造区最大剪应变高值区出现在汶川以东,由2.0×10^-8/a增到22.0×10^-8/a;龙门山断裂带以SE或SEE向主压应变为主,变化速率约5.0×10^-8/a—12.0×10^-8/a,鲜水河断裂由震前NS向主拉应变转为震后EW向主压应变,安宁河断裂东侧由震前SE向主压应变6.0×10^-8/a减至震后的2.0×10^-8/a;面膨胀结果显示,由震前低密度梯度带瞬间变为平行于龙门山断裂带走向的高密度变化区,且存在以金川至都江堰、北川至青川为条带的2个正负交替过渡区;③汶川地震发生压应力释放后,该区SEE向压性特征又逐渐增强,且持续至2017年,释放了龙门山断裂带地壳内部SEE向压应力多年累积能量,但汶川地震对鲜水河断裂与安宁河断裂的整体运动状态则无明显触发作用。     

青藏高原东缘变形机制的讨论: 来自数值模拟结果的限定

青藏高原东缘的地壳结构是两种主流青藏高原隆升模式争辩的焦点之一.中下地壳流曾经被认为是高原东缘隆升的主要构造驱动力,但是中上地壳之间低阻低速层的发现及其与2008 M_S8.0汶川地震良好的对应关系表明,高原东缘具有向东刚性挤出的可能性.然而大部分关于龙门山断裂的数值模拟仍建立在下地壳流的基础上,仅将低阻低速层作为断裂的延续或是弱化地壳物性参数的软弱层,而非能够控制块体滑动的"解耦层",也没有考虑到刚性块体变形中的断裂相互作用.本文建立了包含相互平行的龙门山断裂与龙日坝断裂的刚性上地壳模型,用极薄的低阻低速层作为块体滑动的解耦带,采用速率相关的非线性摩擦接触有限元方法,基于R最小策略控制时间步长,计算了在仅有侧向挤压力作用下,低阻低速层对青藏高原东缘的刚性块体变形和断裂活动的作用.计算结果显示,低阻低速层控制了刚性块体的垂直变形和水平变形分布特征.在侧向挤压力的持续作用下,在低阻低速层控制下的巴颜喀拉块体能够快速隆升,而缺乏低阻低速层的四川盆地隆升速度和隆升量均极小,隆升差异集中在龙门山断裂附近,使其发生应力积累乃至破裂.龙日坝断裂被两侧的刚性次级块体挟持着一起向南东方向运动,但该断裂的走滑运动分解了绝大部分施加在块体边界上的走滑量,使得相邻的龙门山次级块体的走滑分量遽然减少,也使得龙门山断裂表现出以逆冲为主,兼有少量走滑的运动性质.本文所得的这些计算结果显示了在缺乏中下地壳流,仅在低阻低速层解耦下刚性块体隆升过程及相关断裂活动,提供了青藏高原东缘刚性块体挤出的可行性,为青藏高原东缘隆升机制的研究讨论提供了重要依据.     

峨眉山大火成岩省地壳横波速度结构特征及其动力学意义

峨眉山大火成岩省是我国境内最早获得国际学术界广泛认可的大火成岩省,对于认识地幔柱形成与作用机理、生物与环境演化、资源富集与成矿机制等具有重要意义.本文利用峨眉山大火成岩省宽频带地震台阵(COMPASS-ELIP)以及云南、四川区域地震台网的部分台站资料,基于分格加权叠加策略实现接收函数和面波频散在信息来源和分辨尺度方面的协同;进而开展联合反演,重建了峨眉山大火成岩省关键剖面下方的地壳横波速度结构.研究结果显示:研究区地壳平均S波速度,沿剖面呈现自西向东先增大后减小的分带性,内带中、下地壳速度较高,尤其是下地壳存在明显的高速异常(V_s约3.8~4.2 km·s~(-1))丽江—小金河断裂带和水城—紫云断裂带的东西两侧,中上地壳存在低速层(V_s约3.3 km·s~(-1)),尤其是水城—紫云断裂带东西两侧的中地壳低速层尤为明显.结合本文以及现有的系列研究结果,进一步确认内带中、下地壳高速对应二叠纪古地幔柱作用的遗迹,大规模岩浆的底侵和内侵,不仅改造了滇中块体的地壳结构和组分,而且也改变了地壳的流变强度,进而对现今青藏高原东南缘的深部过程产生了深远影响.