〔作者简介〕 徐志萍, 女, 1987年生, 2012年于中国地质大学(武汉)获地球探测与信息技术专业硕士学位, 工程师, 主要研究方向为重磁电方法与深部结构构造, 电话: 0371-63757378, E-mail: xuzhipingcom@126.com。
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。
In recent years, strong earthquakes of MS8.0 Wenchuan and MS7.0 Lushan occurred in the central-southern part of Longmenshan fault zone. The distance between the two earthquakes is less than 80 kilometers. So if we can obtain the inner structure of the crust and upper mantle, it will benefit us to understand the mechanism of the two earthquakes.
Based on the high resolution dataset of Bouguer gravity anomaly data and the initial model constrained by three-dimensional tomography results of P-wave velocity in Sichuan-Yunnan region, with the help of the preconditioned conjugate gradient(PCG)inversion method, we established the three dimensional density structure model of the crust and upper mantle of the central-southern segment of Longmenshan, the spatial interval of which is 10 kilometers along the horizontal direction and 5 kilometers along the depth which is limited to 0~65km, respectively. This model also provides a new geophysical model for studying the crustal structure of western Sichuan plateau and Sichuan Basin. The results show obvious differences in the crustal density structure on both sides(Songpan-Ganzê block and Sichuan Basin)of Longmenshan fault zone which is a boundary fault and controls the inner crustal structure. In Sichuan Basin, the sedimentary layer is represented as low density structure which is about 10km thick. In contrast, the upper crust of Songpan-Ganzê block shows a thinner sedimentary layer and higher density structure where bedrock is exposed. Furthermore, there is a wide scale low density layer in the middle crust of the Songpan-Ganzê block. Based on this, we inferred that the medium intensity of the Songpan-Ganzê block is significantly lower than that of Sichuan Basin. As a result, the eastward movement of material of the Qinghai-Tibet plateau, blocked by the Sichuan Basin, is inevitably impacted, resulting in compressional deformation and uplift, forming the Longmenshan thrust-nappe tectonic belt at the same time. The result also presents that the crustal structure has a distinct segmental feature along the Longmenshan fault zone, which is characterized by obviously discontinuous changes in crustal density. Moreover, a lot of high- and low-density structures appear around the epicenters of Wenchuan and Lushan earthquakes. Combining with the projection of the precise locating earthquake results, it is found that Longmenshan fault zone in the upper crust shows obvious segmentation, both Wenchuan and Lushan earthquake occurred in the high density side of the density gradient zone. Wenchuan earthquake and its aftershocks are mainly distributed in the west of central Longmenshan fault zone. In the south of Maoxian-Beichuan, its aftershocks occurred in high density area and the majority of them are thrust earthquake. In the north of Maoxian-Beichuan, its aftershocks occurred in the low density area and the majority of them are strike-slip earthquake. The Lushan earthquake and its aftershocks are concentrated near the gradient zone of crustal density and tend to the side of the high density zone. The aftershocks of Lushan earthquake ended at the edge of low-density zone which is in EW direction in the north Baoxing. The leading edge of Sichuan Basin, which has high density in the lower crust, expands toward the Qinghai-Tibet Plateau with the increase of depth, and is close to the west of the Longmenshan fault zone at the top of upper mantle. Our results show that there are a lot of low density bodies in the middle and lower crust of Songpan-Ganzê Block. With the increase of the depth, the low density bodies are moving to the south and its direction changed. This phenomenon shows that the depth and surface structure of Songpan-Ganzê Block are not consistent, suggesting that the crust and upper mantle are decoupled. Although a certain scale of low-density bodies are distributed in the middle and lower crust of Songpan-Ganzê, their connectivity is poor. There are some low-density anomalies in the floor plan. It is hard to give clear evidence to prove whether the lower crust flow exists.
受印度板块的挤压, 青藏高原地壳物质东移被稳定的四川盆地阻挡, 使得龙门山地区发生强烈隆升, 沿着青藏高原东缘形成NNE向、 全长500km的龙门山造山带。除此之外, 最近深部结构的研究结果显示, 青藏高原东缘的隆升可能还与印度板块深俯冲至地幔转换带形成大地幔楔密切相关(Lei et al., 2009b, 2014, 2016; 雷建设等, 2018)。从构造分区上看, 龙门山造山带位于南北地震带中段, 西邻松潘-甘孜微块体, 东接稳定的扬子地块, 是南北地震带地壳形变和地震活动最强烈的地区之一(图1)。新生代以来, 该区构造运动强烈, 在多期岩浆活动和构造变形作用下, 形成了多个规模和性质不同的活动断裂(Lei et al., 2009a; 刘保金等, 2009; Zhang et al., 2010; 徐锡伟等, 2013)。
近年来, 龙门山断裂带中段和南段先后发生了2008年汶川MS8.0和2013年芦山MS7.0强烈地震, 2次地震相距80多km, 均为逆冲型地震(Zhang et al., 2009; 易桂喜等, 2016)。为研究它们的深部孕震环境及动力学演化过程, 不少学者在龙门山及其邻区开展了大量地球物理深部探测工作, 包括地壳上地幔三维速度结构(郭彪等, 2009; 雷建设等, 2009; 刘启元等, 2009; 吴建平等, 2009; 胥颐等, 2009)、 二维电性结构(王绪本等, 2008; 赵国泽等, 2009)、 高精度人工地震探测剖面(王椿镛等, 2003; 嘉世旭等, 2014; 王帅军等, 2015)、 地壳上地幔密度结构(张季生等, 2009; 唐新功等, 2012; 张恩会等, 2015; 杨光亮等, 2015), 他们通过分析川西高原和四川盆地地壳上地幔速度、 密度、 电性结构的差异, 探讨了龙门山断裂带的深部特征以及深部孕震环境。这些成果为更深入认识汶川地震和芦山地震深部构造环境提供了依据。但由于地球物理探测数据本身的限制, 且天然地震台网间距较大, 电法、 重力、 人工地震探测剖面较少, 密度反演结果空间分辨率较低, 使得人们对汶川地震和芦山地震的深部孕震环境和动力学背景的认知程度仍然十分有限。
本文收集全国地质资料馆 1︰20万、 1︰50万、 1︰100万布格重力资料, 并对其进行重新采样, 得到研究区(28.5° ~32.5° N, 101° ~105° E)范围内点距为10km的布格重力异常数据, 以川滇地区 0.3° × 0.3° 网格P波速度三维层析成像结果(数据来自川滇实验场项目课题组内部交流结果)为初始约束, 经速度-密度转换及插值处理后得到三维网格间距为10km(横向)× 10km(纵向)× 5km(深度)的密度反演初始模型, 利用预优共轭梯度(Preconditional Conjugate Gradiem, PCG)反演方法得到了龙门山断裂带中南段及其周围地区地壳上地幔的三维密度结构, 然后结合汶川地震、 芦山地震及其余震的精定位结果探讨了川滇地区强震构造背景、 深部孕震环境等问题。本次研究的结果, 可以为川滇地震预报试验场的各类监测、 实验和研究项目提供一个地壳结构的基础模型。
为得到地壳上地幔的密度结构, 在进行反演之前, 需消除深部密度差异引起的重力异常。Borwin(1983)提出了地球深部场源深度与重力场球谐表达式位系数关系式:
式中, Z为场源深度, R为地球半径, n为位系数阶数。根据式(1)计算出EGM2008卫星重力模型中低于97阶的重力场, 近似代替深度> 65km的场源引起的重力异常; 用布格重力异常减去该重力场值, 得到基本反映地壳上地幔密度分布信息的剩余重力场, 并对其进行三维密度反演(图2)。获取数据的范围为28.5° ~32.5° N, 101° ~105° E。
如图2所示, 研究区重力异常西低东高, 异常值变化范围-520× 10-5~-40× 10-5m/s2, 青藏高原地区为低重力异常区, 四川盆地为高重力异常区, 在二者之间沿着龙门山形成1条NE-SW向的重力异常变化梯级带。
本研究采用了张世晖(2003)提出的改进三维密度成像方法, 该方法将Occam’ s反演方法的光滑因子和包含深度加权信息的预优矩阵结合起来引入反演的目标函数之中。同时引入深度加权函数(Li et al., 1998), 用以克服反演结果趋于地表的现象, 即 “ 趋肤效应” , 改善解的非惟一性, 并提高了运算效率和反演精度。算法上, 该方法使用了基于规则网格的长方体快速正演算法和包含深度加权信息的预优共轭梯度反演算法。下面简要介绍该方法的原理。
假设a、 b、 c分别为长方体单元在x轴、 y轴和z轴方向上的半边长,
式中,
第k层长方体在每1个观测点产生的重力异常为
式中,
令k=1, 2, …, L, 就可以计算出所有层长方体单元产生的重力异常值, 将每一个观测点上的重力异常值叠加, 就得到地下模型体在地面上形成的重力异常。
光滑密度成像的目标函数为
令式(5)在满足
深度加权函数可以补偿核函数随深度的自然衰减。Li等(1998)在3-D磁化率成像中采用了深度加权函数:
其中,
为降低迭代次数, 提高收敛速度, Van Decar等(1994)提出通过预优矩阵来改善方程组的条件数, 利用预优共轭梯度算法来求解类似
式中,
利用冯锐等(1986)提出的速度-密度转换公式, 将川滇地区0.3° × 0.3° 网格P波速度三维层析成像结果转换成三维密度模型, 作为反演初始模型。 同时, 考虑到边界效应的影响, 将反演范围确定为29° ~32° N, 101.5° ~104.5° E, 将最大反演深度确定为65km。在进行三维密度反演之前, 对初始模型进行了插值和正则化处理, 得到立方体网格步长为10km× 10km× 5km的三维密度模型, 其中横向网格大小为10km× 10km, 网格深度为5km, 节点共计23i534个。反演时采用消除了深部场源影响的剩余重力异常(图2), 重力异常网格重采样间距为10km, 对三维空间网格模型进行全三维反演, 经过96次反演迭代后(图3), 最终得到了拟合误差≤ 2.0× 10-5m/s2的三维密度结构。
图 4给出了龙门山中南段地壳上地幔三维密度反演结果, 其中绿色色阶代表不同深度处地壳的平均密度。
地壳上地幔三维密度分布图 The 3-D density structure of the crust and upper mantle.
黑色实线为活动断裂(邓起东等, 2003); 红色圆点为汶川地震、 芦山地震震中; 黑色圆点为余震震中; 余震参考文献(朱艾斓等, 2008; 易桂喜等, 2016)
深度为5km的密度分布图像中, 四川盆地大部分地区以低密度异常为主, 龙门山断裂带的茂汶断裂为高密度异常条带, 位于鲜水河断裂带东侧的康定附近存在一明显的高密度区, 结合已有的地质资料(许志琴等, 2007), 高密度异常与龙门山彭灌杂岩和康定杂岩体位置一致, 低密度异常与第四纪沉积层相一致。
深度为10km的地壳密度横向不均匀性明显, 在川西北高原的金川和理县以西表现为局部低密度异常区, 但其密度仍高于四川盆地; 四川盆地的低密度异常区向盆地内部移动, 表明在四川盆地相应区域存在厚约10km的沉积盖层, 在成都附近有一幅值和范围较小的局部高密度异常圈闭; 以汶川地震震中为界, 龙门山断裂带北段和南段密度结构出现明显的分段特征, 其北段的密度总体上高于南段, 与刘启元等(2009)得到的S波速度结果一致; 芦山地震震中附近有一近EW向低密度条状构造带将龙门山中段和南段分开, 沿着龙门山中、 南段表现为南北高、 中间低的密度分布特征。
15km深度处, 四川盆地低密度异常幅值和范围明显减小, 仅分布在成都南部部分地区; 龙门山断裂带自北向南, 以汶川地震震中和芦山地震震中为界分为3段, 北段、 中段和南段均为高密度异常区, 但三者之间密度差异不大, 汶川地震位于龙门山北段和中段2个高密度异常区中间, 此深度处, 该区域的密度略高于地壳的平均密度, 芦山地震位于龙门山中段和南段低密度异常区的边缘, 密度接近该深度处地壳的平均密度。
20km深度处, 龙门山断裂带中段和北段以茂汶断裂为界, 西侧为松潘-甘孜低密度异常区, 且幅值低于上地壳15km处密度值, 表明在松潘-甘孜块体下方中地壳存在低密度层, 该结果与嘉世旭等(2014)的人工地震探测结果具有较好的一致性, 但自北向南, 松潘-甘孜块体内低速层并不连续, 在小金附近仍为高密度异常区; 在龙门山断裂带中、 南段之间宝兴附近的低密度异常区范围近一步增加。
25km深度处, 沿着龙门山断裂带自北向南, 松潘-甘孜块体内低密度层连成一片, 幅值与20km处密度值接近, 而四川盆地则为大范围高密度异常区, 且幅值和范围随深度的增加而增加。
30km深度处, 松潘-甘孜块体下方为大范围低密度异常区, 地壳较为软弱, 而四川盆地为高密度异常区, 地壳强度高, 可阻挡松潘-甘孜块体中、 下地壳低密度物质向E运移; 在龙门山断裂带南侧的雅安附近有一EW向分布的高密度异常体, 阻断了龙门山断裂带向S延伸。
45km深度处, 根据人工地震探测结果(嘉世旭等, 2014; 王帅军等, 2015), 松潘-甘孜块体在该深度处为下地壳, 呈现出大范围低密度异常, 地壳较为软弱, 仅在小金附近形成局部高密度异常圈闭; 四川盆地上地幔顶部为高密度异常区。
65km深度处, 位于青藏高原东缘的松潘-甘孜块体整体密度较四川盆地偏低, 二者之间的龙门山断裂带为密度变化梯级带, 同时也是莫霍面深度变化梯级带。
为进一步分析地壳密度结构与汶川地震、 芦山地震之间的关系, 分别将朱艾斓等(2008)、 易桂喜等(2016)得到的汶川地震、 芦山地震余震定位结果投影到相应深度的地壳密度图像中(图4), 余震投影深度如表1、 表2所示。汶川地震余震震源主要分布在深度≤ 20km的区域, 深度15km处地震分布最多, 余震主要发生在龙门山中央断裂带西侧, 以茂县— 北川为界, 南部余震震源主要位于高密度体内, 震源机制以逆冲推覆为主, 兼有少量右旋走滑分量, 北部余震震源位于低密度体内, 震源机制以右旋走滑为主, 兼有少量逆冲分量(朱艾斓等, 2008)。芦山地震余震震源主要分布在深度≤ 20km的区域, 且范围较小, 在地壳10km深处, 余震震源多位于高、 低密度变化梯级带上高密度体一侧, 与龙门山断裂带走向一致, 呈条带状分布; 在地壳15km深处, 余震震源主要分布在宝兴低密度异常区东南缘, 震源附近密度接近该深度地壳平均密度; 在20km深处, 芦山地震西北侧垂直龙门山断裂带方向的密度变化等值线走向由NNE向转换为NWW向, 密度值由等于或高于地壳密度变为低密度, 基本没有余震分布, 表明芦山地震余震终止于地壳脆韧转换带上方; 在20~42km深度范围内, 汶川地震在龙门山断裂带北段仍有余震分布, 根据朱艾斓等(2008)的解释结果认为, 25~40km深度范围内的下地壳余震与壳内脆性变形的断裂活动有关, 20~25km深度范围内的缺震层可能对应于龙门山推覆构造带的深部滑脱面。
为进一步研究汶川、 芦山地震下方地壳密度结构分布特征, 垂直构造走向过汶川、 芦山地震震中切取了2条剖面AA'和BB', 沿构造走向切取了2条剖面CC'和DD'(图2), 结果如图 5所示。
AA'剖面: 龙门山断裂带两侧的松潘-甘孜块体和四川盆地具有明显的深、 浅构造背景差异, 在上地壳(深度≤ 15km), 松潘-甘孜块体密度较高, 四川盆地密度较低; 在中、 下地壳(深度范围20~45km), 松潘-甘孜块体密度较低, 有低密度层分布, 与嘉世旭等(2014)通过人工地震得到的川西北高原(松潘-甘孜块体)下地壳介质速度大幅降低、 岩性强烈弱化的结果相对应, 四川盆地中、 下地壳密度逐渐增加, 结构稳定, 密度明显高于松潘-甘孜块体; 在龙门山断裂带下方, 莫霍面深度由松潘-甘孜块体内的50~60km迅速抬升至40~45km; 汶川地震发生在上地壳高、 低密度变化带中高密度的一侧, 在汶川地震震源下方, 地壳内高、 低密度层交互出现, 表明在青藏高原中、 下地壳低密度物质东移过程中, 受坚硬的四川盆地阻挡, 向上逆冲并形成龙门山推覆构造带。汶川地震余震投影宽度为70km, 主要分布在上地壳20km深度以上的高密度体内。
BB'剖面穿过龙门山断裂带南段, 过芦山地震震中, 密度结构与AA'基本相同, 四川盆地上地壳为低密度沉积层, 中、 下地壳为稳定的高密度结构, 松潘-甘孜块体上地壳为强度较大的高密度介质区, 中、 下地壳为相对软弱的低密度介质, 且横向密度不均匀性明显, 芦山地震发生在上地壳内高、 低密度变化区域中低密度的一侧。将易桂喜等(2016)给出的芦山地震余震定位结果投影到BB'剖面, 投影宽度为30km, 芦山地震余震发生在上地壳深度范围为9~17km的区域, 位于2个低密度体之间的高密度区域。
CC'剖面与龙门山构造带走向一致, 上地壳沉积层较薄, 甚至有基岩出露; 龙门山构造带自北向南分段特征明显, 以汶川地震震中为界, 将龙门山分为南、 北两段, 汶川地震震中位于两侧高密度体中间; 在龙门山断裂带中、 南段之间有一明显的低密度体, 结合图 4给出的三维密度分布结果, 芦山地震发生在该低密度体东南侧。沿着龙门山断裂带, 汶川地震余震投影宽度约57km, 且主要分布在上地壳高密度体内, 结合三维密度切片结果分析可知, 由于受到南侧低密度体的阻挡, 余震终止于上地壳的高密度体内。
从图 5中AA'和CC'剖面可以看出, 在20~25km深度范围内存在一缺震层, 其地壳密度接近整个剖面平均密度(绿色), 且为密度变化梯度带, 朱艾斓等(2008)推测该深度可能对应于龙门山构成推覆构造带的深部滑脱面。为进一步分析汶川地震和芦山地震深部构造差异, 沿着龙门山断裂带过2个地震的震中切取了DD'剖面, 可以明显地看出, 汶川地震发生在2个高密度体之间, 莫霍面上隆的部位, 芦山地震余震投影宽度为23km, 主要发生在低密度体内, 莫霍面下凹的部位。
本文根据龙门山中南段及其邻区的布格重力资料, 以川滇地区 0.3° × 0.3° 网格P波速度三维层析成像结果为约束, 将其转换为三维密度模型, 利用预优共轭梯度(Preconditional Conjugate Gradiem, PCG)方法, 反演得到研究区(29° ~32° N, 101.5° ~104.5° E)地壳及上地幔65km深度范围内的三维密度结构, 为研究川西高原和四川盆地的地壳结构提供了新的地球物理学模型。反演结果表明:
(1)松潘-甘孜块体和四川盆地的地壳上地幔密度结构具有显著差异, 龙门山断裂带是它们的边界断裂带, 对两侧地壳结构具有明显的控制作用。
(2)四川盆地上地壳低密度特征表明相应区域存在厚度约10km的松散沉积盖层, 松潘-甘孜块体中、 下地壳有低密度层分布, 地壳较为软弱, 青藏高原物质东移受坚硬的四川盆地阻挡发生强烈变形和隆升, 形成龙门山逆冲推覆构造带。
(3)龙门山断裂带在上地壳具有明显的分段特征, 汶川地震和芦山地震均发生在地壳密度变化梯级带附近高密度体一侧。汶川地震余震主要分布在龙门山中央断裂带西侧, 以茂县— 北川为界, 南部余震多位于高密度体内, 以逆冲为主, 北部余震位于低密度体内, 以走滑为主; 芦山地震余震在平面上沿着龙门山南段上地壳密度变化梯级带分布, 分布范围小, 向N终止于宝兴附近EW向展布的低密度体边缘。
(4)在深度30km以下, 四川盆地密度较高, 前缘随深度的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。
(5)本研究中, 松潘-甘孜中下地壳, 尤其是30~65km深度内有较大范围低密度异常分布(图4), 相比于相邻的四川盆地, 表现出明显的低密度特征, 随着深度的增加, 低密度范围逐渐向S移动, 走向亦发生改变, 表明该区深浅构造不一致, 暗示了地壳与地幔物质运动过程的解耦(熊熊等, 2002)。松潘-甘孜块体中、 下地壳存在大范围的相对软弱的结构, 但由于本研究所得结果中低密度体并没有表现出较好的空间连通性, 在平面图上(图4)多以局部低密度异常区为主, 因此, 本文研究成果仅能证明在青藏高原东部存在大范围低密度异常体, 但其是否为下地壳流存在的依据, 仍有待进一步研究。
致谢 上海市地震局朱艾斓博士提供了汶川地震余震精定位结果, 审稿专家提出了建设性意见, 在此一并表示感谢!
The authors have declared that no competing interests exist.
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