龙门山南段及其前陆区晚第四纪构造变形的河流地貌研究

正作为青藏高原的东边界,巴颜喀拉块体与四川盆地的接触带,龙门山自中新世以来发生了强烈隆升,形成了世界上最陡峻的地形梯度带。从四川盆地西边界到青藏高原仅50 km范围内高差达4.5 km,龙门山因此成为研究青藏高原物质向东运动及青藏高原东缘隆升机制的重要场所。关于青藏高原东缘的变形机制主要有两种端元模型:一种是以地壳缩短为主的大陆逃逸模式,认为青藏高原东缘的变形主要集中在重要的活动边界断裂上;另一种是下地壳流模     

库车前陆褶皱带盐相关构造样式

塔里木盆地库车前陆褶皱带中段中新生代地层中发育一套下第三系盐岩层, 对该区构造变形起着重要控制作用. 根据野外地质调查、地震资料和钻井资料对盐相关构造研究表明, 库车前陆褶皱带发育盐上、盐间和盐下三套不同的构造样式. 盐上构造样式主要包括逆冲断层及断层相关褶皱、盐推覆构造、三角带构造和盐成凹陷. 盐间构造样式主要包括盐枕构造、盐间断褶构造和盐焊接构造等. 盐下构造样式主要包括叠瓦冲断带、双重构造、背冲断块或断褶构造. 研究表明, 库车前陆褶皱带盐上、盐间和盐下构造样式形态迥异, 但它们是在统一应力场作用下形成的, 在成因上有着密切联系, 其动力学机制与重力作用、挤压作用和盐岩层塑性流动作用密切相关.     

龙门山中段推覆构造带及相关构造的演化历史和变形机制（二）

川西前陆盆地是从晚三叠世晚期（须家河期）以来开始发育的，其形成是龙门山推覆构造带自北西往南东持续推覆的结果。本区的构造发展经历了伸展裂陷、构造反转和持续推覆３个主要阶段。构造变形的力源主要来自松潘－甘孜褶皱带的北东～南西向收缩派生的南东向挤压     

西南天山柯坪推覆构造东段晚第四纪变形样式与缩短速率

柯坪推覆构造的变形量和变形速率对于认识中国大陆的地球动力学过程有重要意义,但晚第四纪以来的变形特征与缩短速率是众多研究中的薄弱环节。文中通过大量的野外调查、探槽开挖、变形地貌面实测与阶地堆积物的测年,分析了柯坪推覆构造普昌断裂以东部分的晚第四纪变形样式、变形量和缩短速率。晚第四纪以来,研究区在地表和近地表的变形主要通过2种形式表现出来:低角度逆断层运动和新褶皱的弯曲变形。这些变形主要由最新地貌面的隆升和缩短来实现。研究区存在2个变形强度大的地段,缩短速率西段为1·32mm/a;东段为1·39mm/a     

龙门山南段前缘地区活褶皱-逆断层运动学机制——以芦山地震为例

2013年4月20日发生在龙门山南段的芦山MS7.0地震是继发生在龙门山中北段的汶川MS8.0地震之后的又一次强震。本文通过震后地表变形特征、余震分布、震源机制解、石油地震勘探剖面、历史地震数据等资料,结合前人对龙门山南段主干断裂、褶皱构造特征的研究以及野外实地考察,应用活动褶皱及"褶皱地震"的相关理论,初步分析芦山地震的发震构造模式。认为芦山地震为典型的褶皱地震,发震断裂为前山或山前带一隐伏断裂。构造挤压产生的地壳缩短大部分被褶皱构造吸收。认为龙门山南段前缘地区具有活褶皱-逆断层的运动学特征,表明龙门山逆冲作用正向四川盆地内部扩展。     

龙门山冲断带多层次滑脱带与滑脱构造变形

龙门山冲断带发育多层次的滑脱层,通过野外地质考察、地震剖面解释和平衡剖面分析,可以将其划分为:(ⅰ)深层次滑脱带,包括壳幔滑脱带、壳内滑脱带和前震旦系基底滑脱带,所发育的构造变形样式主要有壳幔拆离滑脱变形、基底韧性剪切变形等;(ⅱ)中层次滑脱带,包括寒武-奥陶系滑脱带、志留系滑脱带等,发育的构造变形样式主要有等厚褶皱、尖棱褶皱、构造虚脱及其构造组合等;(ⅲ)浅层次滑脱带,包括上三叠统须家河组滑脱带、侏罗系滑脱带等,发育的构造变形样式主要包括逆冲推覆构造和重力滑动构造样式、背冲断块、三角带构造和双重构造等.多套滑脱层不仅使褶皱-冲断带自深层往浅层发育了不同的构造变形样式,同时还使得局部构造发生了明显的构造作用的叠加,研究表明,多套滑脱层在龙门山冲断带的形成和演化过程中具有重要的作用.     

龙门山南段芦山震区浅层沉积与构造变形——对深部发震构造的约束

2013年4月20日在龙门山南段发生M_W6.7强震,造成重大人员伤亡和财产损失.芦山地震发生后,针对发震断层是高角度还是低角度断层?断层的归属、性质和地震构造模型等问题,一直存在不同的认识和争议.本次研究采用了芦山震区的三条高精度二维人工地震反射剖面,结合区域地质、钻井资料,对芦山震区浅层沉积与构造变形进行综合解释;研究同时综合了震源机制解、小震重定位结果以及深地震探测剖面,并结合龙门山地区古生代以来的构造演化史,对震区地质构造进行解析.研究认为龙门山南段主要发育了三套不同层次的滑脱层并控制了上地壳形变,呈现多层滑脱、多期变形、构造叠加的复杂特征.2013年芦山地震的主要活动断层发育在深部约20 km滑脱层之上,倾向NW、倾角较陡大约在45°~50°,并产生反冲断层形成Y字状结构.地震地质解释表明,芦山地震的同震活动断层没有突破中生界和新生界,并非先前认为的双石—大川断裂（F4）或山前大邑隐伏断裂（F6）;芦山地震的发震断层为一基底盲冲断层;深地震反射结果进一步揭示芦山地震的发震断层为一早期（古生代）形成的正断层.研究认为芦山地震发震构造符合简单剪切断层转折褶皱模型（Simple-shear Fault-Bend Fold）,2013年芦山地震为一次非特征型地震.晚新生代以来在青藏高原向四川盆地强烈挤压持续作用下,早期正断层重新活动并产生了芦山地震.这种深部隐伏断层活化产生的特殊型地震,无疑增加了龙门山地区地震灾害的风险和不确定性.

     

塔里木盆地西南前陆构造分段及其成因

大量野外调查和地球物理资料构造解释发现, 塔里木盆地西南凹陷周边前陆盆地带具有沿前陆走向构造分段的规律性, 即在西昆仑-帕米尔和西南天山前陆发育了一系列相间分布的由山系向盆地逆冲的弧形推覆构造系统及由塔里木盆地西南凹陷向山系反冲的弧形反冲构造系统, 逆冲与反冲构造间以走滑或斜冲断层相隔; 塔西南凹陷基底的北东向隆起和凹陷与前陆构造分段具成因联系, 发现薄皮弧形推覆构造段对应基底构造上隆区(小于10 km), 塔里木盆地反冲构造段对应基底构造下凹区(大于8 km). 沿造山带走向隆升幅度和速率或变形格局的差异、前陆盆地多个沉降中心及巨厚沉积盖层、盆地基底构造中隆起带和凹陷带及前陆盆地沉积盖层中存在多层膏岩层等软弱层是塔西南盆地前陆构造分段产生的控制因素, 而晚第三纪以来西昆仑-帕米尔与西南天山再造山隆升与塔里木盆地基底构造深浅部不同耦合变形作用是塔里木盆地西南前陆构造分段的主因.     

龙门山山前大邑断裂活动时代与最新构造变形样式初步研究

通过野外地质填图、3D扫描仪以及全站仪测量等技术手段,取得了大邑断裂活动时代与最新构造变形样式的初步证据。大邑断裂所在地区白垩纪和新近纪地层的褶曲变形时代应在新近纪末—早更新世,而断裂的最新活动时代是全新世,其最新构造变形样式主要表现为全新世地层的褶皱,在地貌上表现为多个山前鼓丘。这些鼓丘单个平面形态呈椭圆形,沿山前呈雁列状分布,延伸长度为2.5km。根据鼓包的剖面形态,推测大邑断裂为一条全新世活动的盲断裂     

龙门山中段后山断裂带晚第四纪运动特征

本文通过对龙门山断裂带中段后山断裂带主要断裂的研究,认识到从茂汶断裂往西北到挂思岭断裂,断裂最新活动时代有逐渐变老的趋势,反映了龙门山后山断裂在晚新生代同样具有前展式(背驮式)逆冲推覆特征,主断裂茂汶断裂的最新活动时代为晚更新世晚期;后山断裂带除逆冲挤压构造变形外,还存在拉张变形,这为研究青藏高原的运动学及动力学等问题提供了重要信息.     

龙门山断裂带南段应力状态与强震危险性研究

龙门山断裂带可分为南段、中段和北段,2008年汶川M8.0级地震发生在该断裂带中-北段. 龙门山断裂带南段是否存在发生强震的危险性倍受关注. 利用1977—2012年四川区域地震台网资料,获得了龙门山断裂带南段的地震活动性参数b值图像以及汶川地震前、后b值的差值Δb图像. 同时,根据宽频带数字地震波形资料,计算了2007年以来南段及附近区域ML≥3.8级地震的视应力. 结果表明,2008年汶川地震后,龙门山断裂带南段天全—芦山、泸定和宝兴北部等区域应力增强,而靠近汶川余震区南端的大邑地区应力水平降低. 天全至宝兴段应力水平相对较高,具有发生中-强地震的条件. 鲜水河断裂带康定以南段应力水平低,短期内发生强震的可能性较小.     

龙门山断裂带假玄武玻璃特征及断层弱化机制的探讨

与断层相关的假玄武玻璃被认为是地震化石,记录了地震发生过程和断裂机制的重要信息,对认识断层地震活动性具有重要意义.本文综合地表露头及汶川科钻（WFSD-1、WFSD-2）岩心研究,对映秀—北川断裂带南段彭灌杂岩中发育的假玄武玻璃进行详细的结构、构造及矿物成分分析.这些假玄武玻璃以断层脉和单个/网状贯入脉的形式产出,厚度由几毫米到数十厘米不等,与碎裂岩和超碎裂岩相伴生.显微结构观察发现假玄武玻璃中发育大量熔融特征构造,如港湾状熔蚀边、蜂窝状气孔构造、黏滞性流动构造以及针状、球粒状、羽状、纤维状、粒状等多种形态的微晶及微晶集合体,表明其为断层滑动摩擦熔融的产物,指示摩擦熔融润滑是断层滑动过程中最主要的弱化机制.同时热增压和机械润滑机制可能存在于断层滑动的不同阶段.此外,从野外和显微镜下都观察到假玄武玻璃脉具有浅灰、深灰、浅褐、棕褐色及黑色等不同的颜色,可能代表着不同程度的脱玻化作用,并且不同颜色有相互穿插交切关系,可能指示存在多期假玄武玻璃,也就是说,产生假玄武玻璃的大地震事件沿映秀—北川断裂带重复发生.最近的研究认为这些假玄武玻璃形成于晚三叠世时期地下~10—15 km深度.结合须家河组地层中发育的厚层断层泥和角砾岩,~180—280 m宽的映秀—北川断裂岩带是断裂长期活动演化的产物.作为龙门山地区最陡峭的地形边界,映秀—北川断裂带长期地震活动造成的地壳缩短加厚可能是龙门山快速隆升的主要原因.

     

有限元数值模拟龙门山断裂带地震循环的地壳变形演化

现今地壳变形数据显示横跨龙门山断裂带的地壳缩短速率低于3 mm·a^-1,如此小的地壳缩短速率与龙门山断裂带附近的长期地质造山（平均高程约4.5 km）形成强烈对比.我们构建并使用了一个二维平面应变黏弹塑性有限元模型来模拟龙门山断裂带的地震循环位移变化,从而探讨了短期变形与长期变形之间的关系.模型模拟了地震循环的各个阶段（震间加载期、同震瞬间和震后黏性松弛调整期）以及多个地震循环（万年尺度）的地表变形,揭示了变形在地震循环中是如何累积、释放、调整以及最终形成永久变形导致了造山.模拟结果显示,岩石圈流变结构以及断层几何形态均对地震循环的地表位移变化有着显著的影响.经过多个地震循环,青藏高原东缘整体产生水平缩短与增厚抬升,而四川盆地基本保持稳定,区域的水平缩短主要由断层位错及青藏东缘的缩短抬升来调解,造成了青藏东部与川西盆地的差异抬升.研究结果将地震循环时间尺度的短期变形与长期地质造山联系起来,帮助我们理解青藏高原东部的隆升机制.

     

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.     

龙门山断裂带大地震孕震环境的岩石磁学证据

地震断裂带的孕震环境对于研究地震的发生至关重要.本文以汶川地震断裂带科学钻探2号（WFSD-2）钻孔岩心中的假玄武玻璃、碎裂岩及其围岩为研究对象,通过岩石磁学测试,并结合显微结构观察探讨龙门山断裂带大地震的孕震环境.WFSD-2岩心碎裂岩中的假玄武玻璃是龙门山断裂带曾经发生过大地震活动的岩石学证据,假玄武玻璃具有高磁化率特征,而碎裂岩的磁化率值与围岩相似,假玄武玻璃中的新生磁铁矿是其高磁化率值异常的重要原因之一.假玄武玻璃中较少量的新生磁铁矿暗示了假玄武玻璃的生成环境为含氧量较低的高温还原环境.大地震断裂的摩擦热是改变龙门山断裂带中假玄武玻璃岩石磁学特征的主导因素,流体作用较弱.无高磁化率异常的碎裂岩经历的温度小于300℃,推测假玄武玻璃的生成深度较深.WFSD-2岩心中20余层假玄武玻璃脉体证明映秀—北川断裂带是一条长期活跃的断裂带,龙门山断裂带上曾经发生了多次大地震断裂活动,这些大地震可能发生在深度较大、流体作用较弱的还原性孕震环境中.

     

龙门山山前彭州隐伏断裂高分辨率地震反射剖面

彭州断裂是龙门山山前一条重要的隐伏断裂.为了调查彭州断裂的位置、性质及其活动性,5·12汶川MS8.0地震发生后,作者采用可控震源和高精度的地震反射勘探方法,对彭州隐伏断裂进行了高分辨率地震反射成像.本文利用获得的浅层地震剖面资料并结合石油地震反射剖面,给出了彭州断裂的空间展布特征以及断裂两侧的新生代地层厚度.结果表明,彭州断裂为一条走向NE、倾向NW、倾角约为58°～62°的逆断层,该断层向上错断了第四纪沉积层,具有明显的第四纪活动,向下大约在深度8～10 km左右收敛到向西缓倾的滑脱面之上.研究结果为评价断裂的活动性和灾后重建提供了地震学证据.     

龙门山断裂带北段深部结构与反射地震特征

2008年5月12日汶川M_W7.9特大地震发生在龙门山断裂带,龙门山断裂带深部结构的复杂性制约了地震的破裂过程.通过对研究区区域地质、汶川地震前后采集的地震反射剖面等研究,在对龙门山北段汶川地震断裂带的深部结构和反射地震特征进行了分析的基础上,探讨了它对地表破裂过程的制约.研究结果表明,在地震剖面上,断裂带表现为能量破碎、联系性差;频率剖面上显示整体剖面频率在5~45 Hz,断裂带呈现频率低（15~26 Hz）等特征.龙门山北段映秀—北川断裂在10 km以上是一条倾向北西的高角度走滑兼逆冲性质的断裂,倾角50°~70°.它分割了西侧的轿子顶杂岩和东侧的唐王寨推覆体,错断了早期形成的逆冲岩片,从南到北总位移量由大变小.它高角度的几何形态约束了断裂以走滑为主兼逆冲分量的运动性质,降低了地表滑移量,影响了地震破裂过程以及余震沿断裂带两侧分布的特性.

     

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Mw7.9级地震和2013芦山Mw6.6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（Mw>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（Mw>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.     

龙门山断层地震周期及其动力学过程模拟研究

在断层面上引入速率-状态相依摩擦本构关系、考虑铲形逆冲断层几何结构特征、断层下盘和上盘中下地壳及上地幔为黏弹性介质、上盘上地壳为弹塑性介质,本文用二维有限元动力学模型模拟了龙门山断层上大震准周期复发行为、分析了断层上地震孕育位置、地震周期不同阶段的应力/应变场演化特征.不同于近垂直走滑断层上的地震周期行为,大陆铲形逆冲断层上的构造应力的积累和释放过程更复杂、有其独特性.我们得到如下认识：（1）铲形逆冲断层上的地震复发是准周期行为.（2）龙门山断层最大库仑应力位于断层17~20 km深处,应力长期积累和同震释放都在此深度最大,说明地震会在此处孕育、发动.（3）在断层破裂的深部和浅部,同震滑动大小和构造应力释放大小并非同步,而是差异悬殊.（4）地震仅部分释放区域积累的应变能,断层上盘上地壳顶部和底部的褶皱、破裂等永久变形形式也是释放应变能的重要形式.（5）应变能密度增量的演化图像分为：震间、同震、震后期,清晰反应了龙门山断层附近的地震动力学过程.（6）地震发生除释放能量外,同时也对近断层的中地壳和断层底部有很大的应变能加载;这些加载,在震后期可能通过震后滑移、余震或中下地壳乃至上地幔的驰豫形变用几十年时间释放.以上对大陆内铲形逆冲断层上变形特征的了解,有助于我们在其地震周期行为中评估地震危险性.