汶川地震及龍門山斷裂帶的深部地球物理結構


  2006年10月在國家重大基礎發展計劃項目(973)的支持下,中國地震局地質研究所地震動力學國家重點實驗室在四川西部布設了由300個寬頻帶地震臺組成密集流動地震觀測臺陣,其中157覆蓋了包括汶川地震的極震區范圍。利用上述流動臺陣觀測的地震走時及波形數據,得到了5.12汶川Ms8.0大震區及其鄰域地殼上地幔高分辨率的速度結構及物性參數。
  1)研究區的地殼厚度和速度結構均有明顯的分塊特征,鮮水河斷裂和龍門山斷裂均為切割地殼的深大斷裂,它們對地殼深部結構具有強烈的控制作用(圖1)。川滇地塊,松潘-甘孜地塊和四川盆地的地殼厚度及其橫向變化存在明顯差異:川滇地塊的地殼厚度為58~60km,其橫向變化不大;松潘-甘孜地塊的地殼厚度為50~58km,由西向東,地殼逐漸變薄;四川盆地的地殼厚度為46~52km,四川盆地前陸存在較為明顯的橫向變形,速度結構顯示出一定程度的橫向變化。
  2)在周邊斷裂的控制作用下,松潘-甘孜地塊內的中下地殼存在大面積廣泛分布的S波低速區,其速度為2.75~3.15km/s,與此相應的地殼平均泊松比高達0.29~0.31,表明了其相對軟弱并容易變形的地殼性質(圖2)。
  3)大部分臺站震后位移方向與同震位移方向相近,表明震后形變在某種程度上是同震形變的延續,其形變源有某種相似性。但斷裂帶下盤近場地區臺站震后位移方向與同震位移方向相反(圖2),表明震后形變源主要為斷裂帶脆性破裂帶以下轉換層的震后滑移;由于斷裂帶為鏟型結構,同震破裂源的斷裂帶單元傾角與震后破裂源的斷裂帶單元傾角不同,造成下盤近場地表觀測位移方向逆轉(圖3)。3)龍門山斷裂帶構成了松潘-甘孜地塊與華南地塊的地殼構造邊界。四川盆地的中下地殼的速度明顯高于松潘-甘孜地塊相應深度的地殼速度。四川盆地前陸地殼平均泊松比略高于0.2。據此推斷,四川盆地至少在地殼深度范圍內,對青藏高原物質的向東擠出構成了明顯的阻擋作用(圖3)。
  4)四川盆地巖石圈的厚度約為150km,接收函數反演及地震層析成像的結果均表明,不存在四川盆地地殼向青藏高原下方的俯沖,龍門山斷裂在大于20km的深度構成了松潘-甘孜地塊與楊子地塊的碰撞邊界,其上部形成活動的高角度逆沖斷裂。四川盆地下方巖石圈底部受到向東擠出的青藏高原熱物質的侵蝕。松潘-甘孜地塊的殼內低速度體與上地幔上涌的低速物質有密切關系(圖4)。
  根據寬頻帶流動地震臺陣觀測數據得到的研究結果表明,汶川大地震的破裂過程與地殼結構密切有關并主要受地殼應力場的控制,而余震的分布主要受地殼結構的控制。汶川地震的余震僅限于上地殼內低速體的上方的龍門山斷裂帶逆沖席體內部,這是汶川地震與臺灣集集大地震的重要區別。四川盆地相對堅硬地殼的阻擋和松潘-甘孜塊體殼內低速體的廣泛存在為其上方地殼在青藏高原作用下與下地殼的拆離創造了條件,導致龍門山斷裂附近高速、堅硬上地殼內積累了高應力,殼內低速體在垂向上使地殼增厚的過程中形成了龍門山斷裂帶上盤的逆沖推覆。這是汶川大地震形成的基本構造背景。根據寬頻帶流動地震臺陣觀測數據得到的深部結構和介質物性參數可以很好地解釋汶川大地震的成因及其余震的演化過程。

圖1研究區的地殼厚度及汶川大地震余震序列的分布 紅色三角形表示觀測臺站


圖2 在18km深度上S波速度及汶川大地震余震序列的分布 紅色三角形表示觀測臺站

    
     

圖3沿31°N剖面的地殼上地幔S波速度和泊松比結構
上圖:地形海拔高度變化;中圖:泊松比;下圖:地殼上地幔S波速度結構;
白色實線標出了Moho界面的形態。黃色圓圈表示地震。白色箭頭表示變形運動的方向。



圖4 沿31°N剖面的地殼上地幔P波速度擾動
白色圓圈為汶川大地震余震,頂部黑色區域標示了地形海拔高度變化



 
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