龙门山断裂带卫星重力场特征及其发震机制
汤井田1,2,3, 杨磊1, 任政勇1,2,3,*, 胡双贵1,2,3, 徐志敏4
1)中南大学, 地球科学与信息物理学院, 长沙 410083
2)中南大学, 有色金属成矿预测与地质环境监测教育部重点实验室, 长沙 410083
3)中南大学, 自然资源部覆盖区深部资源勘查工程技术创新中心, 长沙 410083
4)承德石油高等专科学校, 河北省仪器仪表工程技术研究中心, 承德 067000
*通讯作者: 任政勇, 男, 教授, 从事重磁电正反演及信号处理反演成像研究, E-mail: renzhengyong@csu.edu.cn

〔作者简介〕 汤井田, 男, 1965年生, 1992年于中南工业大学获地球探测与信息技术专业博士学位, 教授, 博士生导师, 主要从事电磁场理论和应用、 地球物理信号处理及反演成像等研究, E-mail: jttang@csu.edu.cn

摘要

为了整体了解青藏高原东南缘龙门山断裂带的卫星重力场特征及其发震机制, 文中基于重力卫星数据展现出研究区域的地形信息, 并通过解算反映莫霍面起伏的区域重力异常, 反演出研究区域的莫霍面深度, 同时运用GPS速度场数据探测了研究区域地壳的形变速率及方向; 最后, 结合龙门山断裂带的构造背景及前人已有的深部探测结果, 分析其发震前后重力时变场的动态特征并探讨了发震机理。 研究结果表明: 青藏高原东缘深部物质逐年向E流展, 在龙门山断裂带处强势受阻, 持续的挤压、 碰撞过程形成了深部莫霍面的 “陡降带”, 长期的应力作用利于逆冲推覆和走滑构造的形成; 龙门山地震带震前处于明显的重力变化梯度带, 深部物质运移的流速差异大, 流体压力增强, 有助于地壳流体入侵和软流圈物质底侵上涌; 物质和能量的持续积累最终将导致深部应力严重失衡、 深部薄弱构造剪切破裂, 从而发生逆冲、 推覆构造运动的大地震。

关键词: 龙门山断裂带; 卫星重力场; 莫霍面; GPS速度场; 重力时变场; 地震
中图分类号:P315.72+ 文献标志码:A 文章编号:0253-4967(2019)05-1136-19
CHARACTERISTICS OF SATELLITE GRAVITY FIELD AND SEISMOGENIC MECHANISM IN THE LONGMENSHAN FAULT ZONE
TANG Jing-tian1,2,3, YANG Lei1, REN Zheng-yong1,2,3, HU Shuang-gui1,2,3, XU Zhi-min4
1)School of Geosciences and Info-Physics, Central South University, Changsha 410083, China
2)Key Laboratory of Metallogenic Prediction of Nonferrous Metals and Geological Environment Monitoring of Ministry of Education, Central South University, Changsha 410083, China
3)Technical Innovation Center of Coverage Area Deep Resources Exploration, Ministry of Natural Resources, Central South University, Changsha 410083, China
4)Chengde Petroleum College, Hebei Instrument & Meter Engineering Technology Research Center, Chengde 067000, China;
Abstract

Longmenshan fault zone is a famous orogenic belt and seismic zone in the southeastern Tibetan plateau of China. The Wenchuan MS8.0 earthquake on May 12, 2008 and the Ya’an MS7.0 earthquake on April 20, 2013 occurred in the central-southern part of Longmenshan fault zone. Because of its complex geological structures, frequent earthquakes and special geographical locations, it has attracted the attention of many scholars around the world. Satellite gravity field has advantages in studying gravity field and gravity anomaly changes before and after earthquake. It covers wide range, can be updated regularly, without difficulty in terms of geographical restrictions, and is not affected by environmental factors such as weather, terrain and traffic. Therefore, the use of high-precision Earth satellite gravity field data inversion and interpretation of seismic phenomena has become a hot topic in earth science research. In order to understand satellite gravity field characteristics of the Longmenshan earthquake zone in the southeastern Tibetan plateau and its seismogenic mechanism of earthquake disasters, the satellite gravity data was used to present the terrain information of the study area. Then, by solving the regional gravity anomaly of the Moho surface, the crustal thickness of the study area was inverted, and the GPS velocity field data was used to detect the crustal deformation rate and direction of the study area. Combining the tectonic setting of the Longmenshan fault zone and the existing deep seismic sounding results of the previous researchers, the dynamic characteristics of the gravity time-varying field after the earthquake in the Longmenshan earthquake zone was analyzed and the mechanism of the earthquake was explored. The results show that the eastward flow of deep materials in the eastern Tibetan plateau is strongly blocked at the Longmenshan fault zone. The continuous collision and extrusion process result in a “deep drop zone” in the Moho surface, and the long-term stress effect is conducive to the formation of thrust-nappe and strike-slip structures. The Longmenshan earthquake zone was in the large-scale gradient zone of gravity change before the earthquake, the deep plastic fluid material transport velocity differed greatly, the fluid pressure was enhanced, and the rock mechanical strength in the seismic source region was weakened, which contributed to the intrusion of crustal fluid and the upwelling of the asthenosphere. As a result, the continuous accumulation of material and energy eventually led to continuous stress imbalance in the deep part and shear rupture of the deep weak structure, causing the occurrence of the thrust-nappe and strike-slip earthquake.

Keyword: Longmenshan fault zone; satellite gravity field; Moho surface; GPS velocity field; gravity time-varying field; earthquake
0 引言

地球重力场模型已逐渐成为人类感知地球内部物质变化的一种重要手段。 自21世纪以来, 随着重力卫星技术的快速发展, 国际上先后发射了CHAMP、 GRACE和GOCE 3类地球重力场观测卫星, 极大促进了大地测量学、 海洋科学以及固体地球物理学等学科领域的发展。 先进的卫星重力测量技术为我们刻画出高精度的全球重力场模型, 为大尺度区域重力异常特征及重力反演研究提供了极大帮助。 此外, 卫星重力时变场研究也如雨后春笋般逐渐兴起。 GRACE(Gravity Recovery and Climate Experiment)双星系统提供的月重力场模型为连续监测全球地表物质迁移和再分布情况提供了直观的观测手段, 目前已经逐渐适用于全球区域储水量变化、 冰川融化以及地震监测等研究(郑秋月等, 2015; 严畅达等, 2018)。

在基于高精度地球重力场模型解算重力异常的研究中, 郭良辉等(2012)利用优化滤波方法对中国大陆布格重力异常进行了处理和分析; 陈石等(2015)利用EGM2008自由空气异常模型得到了蒙古国周边区域的重力异常分布特征; 郭东美等(2015)基于EIGEN-6C2模型反演分析了青藏高原的地壳特征; Xu等(2017)对青藏高原布格重力异常进行小波多尺度分析, 并进行了莫霍面深度反演研究。 在与GRACE卫星重力时变场相关的地震研究中, 段虎荣等(2009)利用GRACE卫星数据分析了汶川地震发震前后的重力场变化; 陈国雄等(2012)以2008年汶川地震为例, 利用GRACE卫星的重力时变场信息, 给出了多尺度变化场与汶川地震的关系; 姜永涛等(2014)基于去相关滤波方法, 结合3次实际地震对青藏高原东缘卫星重力时变场进行了特征分析; 严畅达等(2018)总结了目前GRACE卫星重力数据在地震研究中的应用, 对新一代GRACE-Follow on卫星提高地震重力信号观测精度的发展提出了展望。

对于青藏高原东南缘龙门山断裂带这一热点区域, 目前已有许多地球物理深部探测结果。 Huang等(2002)、 楼海等(2008)和郑勇等(2013)利用获得的龙门山断裂带附近区域的波速结构及地壳厚度结果, 揭示了巴颜喀拉块体与四川盆地相互作用及地壳形变的机理; Zhao等(2012)和詹艳等(2013)分析了龙门山断裂带中段及西南段的大地电磁剖面的地壳电性结构, 结果表明其地下高阻体阻碍了青藏高原深部物质向E运移。 上述成果多集中于结合详细的区域构造资料, 依据特定地质构造方向的二维剖面测量数据进行相关研究, 而对于大尺度区域的地质构造进行研究则较为困难。 与地面测量手段相比, 卫星重力测量技术具有资料定期更新, 研究范围广, 无困难地域限制, 不受天气、 地形和交通等环境因素影响的优点, 具有明显优势。 目前, 重力卫星测量技术在青藏高原东南缘的应用亦取得了一定成果(陈国雄等, 2012; 姜永涛等, 2014; 毕奔腾等, 2016; Xu et al., 2017), 然而结合高精度卫星重力场的区域地质构造解释及重力时变场的深部物质迁移变化的研究较少。 事实上, 多种卫星重力场资料的联合分析能更好地反映研究区域构造特征及其孕震机理。

鉴于此, 本文选取青藏高原东南缘为研究区域, 以地震频发的龙门山断裂带为主要研究目标。 基于高精度地球重力场WGM2012(World Gravity Map 2012模型数据展现研究区域的基本区域地质构造概况, 通过解算反映莫霍面起伏的区域重力异常, 利用改进的Parker-oldenburg界面反演方法进行了研究区域莫霍面深度反演研究, 并结合GPS(Global Positioning System)速度场数据分析, 给出龙门山断裂带的孕震构造及深部物质运移特征; 同时以此为基础, 分析了龙门山地震带发震前后GRACE卫星重力时变场的动态变化特征, 揭示了发震前后深部物质流动及能量转换情况, 初步探究其发震机理, 期望利用全球卫星重力测量技术, 对龙门山断裂带的地震监测或短临预报工作提供有价值的参考。

1 青藏高原东南缘区域的构造特征
1.1 区域地形信息

青藏高原东南缘的龙门山断裂带是中国地震和构造运动十分活跃的地带之一, 2008年5月12日的汶川MS8.0地震和2013年4月20日的雅安市芦山县MS7.0地震分别发生在龙门山断裂带的中部和南部。 龙门山断裂带在仅仅5a内就发生了2次大地震, 多发的地震、 复杂的地质构造以及特殊的地理位置使得龙门山断裂带成为研究热点。

WGM2012地球重力场模型是基于全球超高阶重力场模型EGM2008(Earth Gravitational Model 2008)和全球地形高程参考模型ETOPO1(ETOPO1 Global Topography)计算的新型高精度重力场模型, 其重力场模型阶数达到2 190阶, 具有2'× 2'高精度网格数据。 该模型参考实际地球模型, 考虑了地表不同组成成分的质量贡献, 根据大地测量学及地球物理学相关原理严格进行相应的重力数据处理, 为我们了解青藏高原东南缘区域(24° ~36° N, 96° ~108° E)的地形及重力异常空间分布特征提供了帮助。

从青藏高原东缘地形图(图1a)中可以发现, 龙门山断裂带整体呈NE走向, 断裂带长约500km, 宽约70km, 由数条大断裂带构成(张培震, 2008)。 龙门山断裂带所处的地形是一个较为明显的过渡带, 其区域梯度变化大, 地形坡度陡峭, 西北为青藏高原的羌塘地块及巴颜喀拉地块, 西南侧为川滇地块, 东临四川盆地。 龙门山断裂带海拔约1 500m, 其地形高度差最高可达4 500m, 从而有效形成了地形剧烈变化的梯度带。 自由空气重力异常是反映地形特征的重力场信息, 地形与自由空气重力异常值呈正相关, 自由空气重力异常值越大则该处地形越高。 图1b显示, 龙门山断裂带以西的巴颜喀拉和羌塘块体为较大的正异常, 以东的四川盆地区域则是较小的负异常, 而龙门山断裂带处于一个明显的正、 负异常过渡带上, 是巴颜喀拉地块与四川盆地之间的明显界限。

图 1 青藏高原东南缘地形信息
a 青藏高原东南缘高程; b 青藏高原东南缘自由空气重力异常。黑色线为主要区域构造线(邓起东等, 2002)。 QTB 羌塘地块; CDB 川滇地块; SCB 四川盆地; BHB 巴颜喀拉地块; LMSF 龙门山断裂带。 红点为汶川地震震中, 黑点为雅安地震震中
Fig. 1 Topographical information of southeastern Tibetan plateau.

1.2 区域莫霍面深度反演

基于正常地球重力场参考模型, 在自由空气重力异常场信息的基础上, 利用Fullea等(2008)提出的大尺度范围地形改正算法, 经中间层校正及基于1'× 1'的ETOPO1高程数据的地形校正来获得布格重力异常数据, 从而将重力异常解算到大地水准面, 其中地壳密度取平均值2.67g/cm3, 地形改正半径取为167km。 此外, 布格重力异常是由地表浅部至地壳深部不同地质体所产生的重力异常的叠加场, 消除沉积层的干扰可提高莫霍界面深度的反演精度。 近年来, 小波多尺度分析成为位场分离研究中的有用工具(姜磊等, 2014; Xuan et al., 2016), 本文采用小波多尺度分析方法进行沉积层校正, 选用双正交bior 4.4小波基函数进行多尺度分析, 以分离研究区域的布格重力异常, 然后采用径向对数功率谱方法对小波近似信息进行平均场源约束计算, 从而得到反映莫霍面起伏的区域场重力异常。

径向对数功率值与径向频率基本呈线性变化, 通过绘制径向功率谱和圆波数的谱图, 可计算出最低波数段内的曲线斜率并近似推断地下异常场源的深度(Xu et al., 2017):

h-ΔlnP2Δr(1)

式中, Δ lnP和Δ r分别为径向功率谱和圆波数的变化率, h为场源平均深度。

图 3 青藏高原东南缘莫霍面深度反演图
a 莫霍面深度正演与观测值之差的数据点统计; b 反演莫霍面的深度
Fig. 3 Depth map of Moho surface in southeastern Tibetan plateau.

从图2a中可以发现布格重力异常在四川盆地区域、 川滇地块南部的负异常幅值在0~150mGal变化, 而青藏高原的巴颜喀拉、 羌塘块体及川滇地块的西北部则处于幅值为400~600mGal的较高负异常区域。 布格重力异常与地壳厚度有着密切的联系, 一般而言, 布格重力异常值越小, 区域地壳越厚, 这在一定程度上反映出龙门山断裂带处于地壳厚度变化显著的过渡带上。

图 2 青藏高原东南缘反映莫霍面的区域重力异常计算
a 青藏高原东南缘布格重力异常; b 五阶小波近似反映的莫霍面区域异常; c 区域异常径向对数功率谱分析
Fig. 2 Regional gravity anomaly calculation of Moho surface in southeastern Tibetan plateau.

之后利用小波多尺度分析来分离研究区域的布格重力异常。 图2b为五阶小波的近似信息, 经径向对数功率谱分析(图2c)计算得到的场源平均深度约47.36km, 与全球地壳模型CRUST1.0(Laske et al., 2013)给出的研究区域莫霍面的平均深度相近, 可见五阶小波的近似信息基本反映了研究区域莫霍面起伏的区域重力场。

为了加深对区域构造环境的认识, 下一步利用反映莫霍面起伏的区域重力异常数据进行青藏高原东南缘的莫霍面深度反演。 在频率域中莫霍面界面的反演中常使用Parker-oldenburg位场迭代反演方法:

FΔg(x)=-2πGρe-kz0n=1(-k)n-1n!F[hn(x)](2)Fhx=-F[Δg(x)]e-kz02πGρ+n=2F[hn(x)]·(-k)n-1n!(3)

filter(k)=121+cosk-2πa2b-a, a< k< bfilter(k)=0, k> bfilter(k)=1, k< a(4)

式中, x为位置矢量, Δ g x为区域重力异常, h(x)为参考水平面向下深度, F Δg(x)F h(x)为其对应参数的傅里叶变换值; G为万有引力常数, ρ 为反演界面的密度差, z0为界面平均深度, k为径向圆频率值, filter为一低通滤波器, ab均为滤波参数。

由于重力异常的高频成分会导致反演迭代结果不稳定, 为保证迭代收敛, 采用改进的Parker-oldenburg反演算法, 利用公式(4)对重力异常傅里叶谱结果进行低通滤波处理, 并对边缘数据进行边界锥形余弦滤波处理(Gó mez-Ortiz et al., 2005)。 通过公式(2)和(3)可以发现参考平均深度z0及壳幔密度差ρ 的选取十分重要, 于是在研究区域采用精准度较高的人工地震探测结果(徐志萍等, 2018), 选用平均深度46km、 壳幔密度差0.4g/cm3作为界面反演的初始参考值。 经过6次迭代反演计算, 连续2次迭代的莫霍面深度差值的标准差< 0.05, 故结束迭代计算, 得到的莫霍面深度反演结果如图 3所示。 对比莫霍界面深度的正演值与观测值之差(图3a)可发现, 大部分数据点分布在-10~10mGal, 其平均值为1.022mGal, 标准差为1.653mGal, 基本符合正态分布特征, 说明界面反演结果可靠性较好。 此结果与前人利用重力数据资料反演得到的莫霍面深度基本一致(张恩会等, 2015; Xuan et al., 2016; 徐志萍等, 2018)。

根据莫霍面深度反演结果(图3b), 龙门山断裂带两侧的地壳厚度自西向东逐渐减小。 青藏高原东缘的羌塘块体及巴颜喀拉块体的莫霍面深度约达65km, 川滇地块北部区域的莫霍面深度约55km, 四川盆地则约深40km。 而龙门山断裂带附近区域的莫霍面深度变化剧烈, 两侧地壳厚度差约达25km, 巨大的地壳差异带使其成为构造活跃区域及应力作用的耦合地段(滕吉文等, 2008)。 自NW的巴颜喀拉块体至SE的四川盆地区域, 龙门山断裂带成为该研究区域莫霍面深度变化最为剧烈的地区, 其极有可能是在印度洋板块与欧亚板块长期的地质构造运动中, 深部壳幔物质受到四川盆地强硬地壳的阻挡而形成的。

1.3 区域GPS速度场

此外, 现代大地测量技术能使我们能以更高的精度和时空分辨率认识区域地壳运动以及形变特征, 为探索断层活动和地震特性提供强有力的支持(伍吉仓等, 2018)。 GPS作为一种研究地壳形变的重要技术, 以其定位精度高、 全天候作业等优点广泛应用于地壳形变的监测和研究。 在图3b所示的莫霍面深度反演结果的基础上, 基于1998— 2014年GPS流动站相对于稳定欧亚大陆速度场的数据资料(Zhao et al., 2015)绘制出GPS速度场, 如图 4所示。

图 4 GPS流动站1998— 2014年相对于稳定的欧亚大陆速度场Fig. 4 Horizontal GPS velocities with respect to stable Eurasia from 1998 to 2014.

龙门山断裂带的形成可追溯到新生代时期, 印度洋板块与欧亚板块的一系列碰撞、 挤压作用激发了深部壳幔物质的侧向移动, 造成了喜马拉雅造山带构造向NE的侧向挤压, 使得龙门山断裂带发生大规模的构造变形、 抬升(楼海等, 2008; 詹艳等, 2013)。 从GPS速度场(图4)中可以进一步发现, 在两大板块一系列构造的长期碰撞、 挤压作用下, 地壳向青藏高原东缘变形移位, 亦是青藏高原深部物质向E流展的表现; 地表水平形变速率自西向东逐渐减小, 青藏高原整体大构造水平运动速率约20mm/a, 而整个龙门山断裂带的滑动速率约3mm/a, 相对于整个青藏高原大构造环境活动而言, 龙门山断裂带的地表水平变形运动并不明显。 此外, 青藏高原深部存在丰富的物质热流活动, 深部物质流至龙门山断裂带附近时, 受到以龙门山为NW边界的四川盆地岩石圈的阻挡, 在形成逆冲推覆构造的同时, 脆弱态的下地壳相互挤压碰撞, 在接触部位形成了破碎带(毕奔腾等, 2016)。 部分物质流被稳定的四川盆地刚性块体所阻挡, 受迫向上移动并不断侵入到破碎岩石中(毕奔腾等, 2016; 王志等, 2017), 这有助于该区域地壳的抬升, 也促进了物质流的大量累积。 此外, GPS监测数据还显示部分物质受到四川盆地岩石圈的强烈阻挡, 转而向川滇地块SE向流动。

地震发生的主要原因是板块之间相互碰撞、 挤压, 从而造成板块边缘及内部发生明显的破裂及位错现象(滕吉文等, 2008; 祝意青等, 2010)。 通过分析WGM2012高精度地球重力场信息可以清晰地发现, 龙门山断裂带不仅位于地形差异较大的陡变带, 亦是地壳厚度变化剧烈的过渡带。 在大背景下, 青藏高原的下地壳和上地幔主要呈低密度、 低速度、 高电导率和高泊松比异常的特征, 并存在部分熔融和流体作用(Wang et al., 2010; 王志等, 2017; 雷建设等, 2018; 徐志萍等, 2019)。 深部物质东流的进程受到了以龙门山为NW边界的四川盆地刚性块体的阻隔, 使得巴颜喀拉地块和四川盆地之间形成了高强度的挤压状态, 亦促进了应力的不断积累(滕吉文等, 2008; 王志等, 2017)。 龙门山断裂带两侧地壳厚度的显著差异反映了地壳内部受到了EW向强烈挤压的趋势, 深部物质流的软弱以及长期向E的挤压应力作用有利于逆冲推覆和走滑构造的形成, 造就了龙门山断裂带特殊的地质构造背景及地震的诱发环境。

2 青藏高原东南缘重力时变场特征
2.1 重力时变场的计算

在巨大地震孕育及发生的过程中, 震源区域会发生较为明显的物质运移及质量分布变化, 重力场值也会产生明显变化。 利用GRACE卫星的重力时变场信息, 可以较为精确地监测地震前后物质及能量的变化情况。

由GRACE卫星重力场模型得到的大地椭球面上的重力时变场变化可写为

Δgr, θ, λ=GMr2n=2n-1Rrn·m=0n[(ΔCnmcos+ΔSnmsin)]·Pnmcosθ(5)

式中, θ λ 分别为地心余纬和经度, r为观测点到地球质心之间的距离, Δ g(r, θ , λ )为观测点的重力时变差值, GM为地心引力常数, R为地球的平均半径, nm分别为模型位系数的阶和次, Pnm(cosθ )为完全正则化勒让德函数, Δ Cnm、Δ Snm为所选重力场模型的相应阶次的球谐系数差值。

GRACE卫星双星系统通过测量星间距求解月重力场模型, 但由于测量方式及轨道倾角等因素, 使得月重力场模型球谐系数具有很强的相关性, 球谐误差随着阶次的增大而逐渐增加, 研究区重力时变场的解算结果会在SN向产生较为明显的SN向条带状波纹, 因此需要设计平滑核心函数对其位系数进行限制(Swenson et al., 2006)。 本文采用德国地学研究中心GFZ(German Research Center for Geosciences)发布的Level-2 RL-05地球重力模型, 该数据为已处理的规格化重力场球谐系数, 最大阶数为90阶, 该模型在计算中已经扣除了大气、 海洋极潮、 固体潮及海潮等的影响(Christoph et al., 2012), 其半波长空间分辨率可达350km。 此外, 为了尽可能地压制周期性区域水文特征引起的重力时变场干扰, 采用每年冬季1— 3月的平均重力场值作为其年度均值。 利用德国地学研究中心的Kusche等(2009)提出的去相关平滑滤波方法, 经测验选用优于高斯类滤波结果的DDK5滤波方法(姜永涛等, 2016), 选取青藏高原东缘震源区域范围(24° ~36° N, 96° ~108° E), 以2005— 2009年、 2009— 2013年2类尺度为4a的重力年平均重力场进行年度差分及年度累积计算, 基于此比较重力时变场的动态变化。

2.2 重力时变场的动态变化与发震机制分析

图 5、 图6、 图 7和图 8分别为2008年汶川地震与2013年雅安地震前后重力时变场的变化特征。 从图 5和图 6中可以发现, 汶川地震(红点处)发生前, 2005— 2007年龙门山断裂带附近的重力场值剧烈增大(幅值达约3μ Gal), 并于2008年呈缓慢增大的态势, 正重力变化场的梯度向汶川附近区域逐年增强。 雅安位于龙门山断裂带的南侧, 重力场变化则较为平缓。 重力时变场变化是空间重力场变化的表现, 可以通过研究区域深部的壳幔物质迁移来定性分析卫星重力场的变化。 按照板块运动的地幔对流说(傅容珊等, 1998)相关理论, 将深部壳幔物质看作软流性物质, 若地壳及上地幔物质流动速度增大、 壳幔物质增多, 将产生较为明显的正重力场变化; 而地壳及上地幔物质流动速度减小、 壳幔物质减少, 则将产生负重力场变化。 从2005— 2007年的重力变化场中可以发现, 汶川地区重力场值上升明显, 正重力场变化梯度在2007年达到最大, 龙门山断裂带SW侧较大范围内持续正重力场值的变化, 地下物质会聚流入持续增加, 能量大量累积。 与2007年相比, 在2008年则产生了较大的正负重力场变化梯度带, 反映该时间段内地下物质发生较大的差异运动, 处于物质膨胀和收缩的过渡部位(申重阳等, 2009; 陈国雄等, 2012), 潜在震源的相对薄弱部位极易产生剪应力, 使得构造破裂。 其次, 比较2008年与2009年汶川地震前后重力场变化可发现, 龙门山断裂带东、 西两侧出现了相反的重力场变化, 这有可能是对震后壳幔物质重新调整过程的反映。

图 5 青藏高原东南缘年度差分时变重力场(2005— 2009年)Fig. 5 Annual differential time-varying gravity field in southeastern Tibetan plateau(2005— 2009).

图 6 青藏高原东南缘年度累积时变重力场(2005— 2009年)Fig. 6 Annual cumulative time-varying gravity field in southeastern Tibetan plateau(2005— 2009).

图 7 青藏高原东南缘年度差分时变重力场(2009— 2013年)Fig. 7 Annual differential time-varying gravity field in southeastern Tibetan plateau(2009— 2013).

图 8 青藏高原东南缘年度累积时变重力场(2009— 2013年)Fig. 8 Annual cumulative time-varying gravity field in southeastern Tibetan plateau(2009— 2013).

从图 7和图 8中亦可以看出, 雅安地震(黑点处)发生前, 2009— 2013年龙门山断裂带南侧附近的重力场值先较大增长, 后轻微下降, 最后又快速上升, 其累积重力场值保持上升态(约2μ Gal), 说明其深部物质会聚运动在该时间段内总体是增强的。 2009— 2012年的重力场变化则侧面反映出深部物质流先快速积累, 后出现深部物质回流的现象, 这可能是汶川大地震余震的干扰以及大地震对局部重力场的影响(姜磊等, 2014)。 该区域重力场值在2012— 2013年又开始快速上升, 深部能量达到临界点时造成深部断层破裂, 从而引发地震。 而汶川地震震中区(红点处)的重力值则是逐年减小, 2013年才有增大趋势, 这可能是汶川地震后深部物质部分回流, 震后深部物质重新调整恢复的体现。 此外, 还发现该区域震前基本处于正负重力变化梯度带附近, 剪切走滑构造断层在持续失稳的状态下亦容易破碎断裂。

2次地震的显著共同点是震前物质流动速度差异大, 累积重力场动态变化基本处于上升态, 震前震源区基本处在较大的正重力梯度带或正负重力梯度带的中心位置。 该区域极易产生物质压缩、 膨胀现象, 且又位于震源附近相对薄弱的区域, 在震源附近应力持续失去平衡的影响下极易产生剪应力, 从而使深部区域构造破裂。 此外, 结合青藏高原东缘区域的构造背景及前人已有的深部探测结果, 可得到青藏高原东南缘深部的动态影像(图9)。 由于印度洋板块向欧亚板块俯冲, 青藏高原深部物质逐年向E流展。 因受到四川盆地刚性块体的强势阻挡, 龙门山断裂带下地壳部分流体受迫上移并侵入到孕震层的破碎岩石中, 使流体应力增强, 减弱了岩石的力学强度和断层面处的有效正应力, 改变了局部岩石的剪切应力(王志等, 2017; 雷建设等, 2018), 影响了震区断层活动及地震的触发。 此外, 深部物质的东流及SE向的运移迹象, 明显具有向汶川及雅安会聚的趋势, 以致在龙门山断裂带中段及SW段形成了一定的物质和能量的累积。 震前深部流体运移流速差异大、 运动活跃, 导致震前龙门山断裂带深部的物质流大幅度增加。 在青藏高原深部物质东流的动力学影响下, 龙门山断裂带深部形成的高温高压造成壳幔解耦, 壳幔岩石圈物质部分熔融(Wang et al., 2010; 毕奔腾等, 2016; 朱介寿等; 2017)。 毕奔腾等(2016)汇总了一系列前人关于青藏高原东缘的地球物理和地球化学深部探测结果, 一系列证据说明了该区域岩石圈底部软流圈物质存在底侵上涌运动, 并有NE向的上涌位移趋势。 重力时变场的动态变化说明震前龙门山震区深部物质流积累, 震前物质流动速度差异表明其挤压流动能力增强。 面对四川盆地刚性块体的强势阻挡, 高强度的挤压力迫使软流圈物质底侵上涌, 强烈的上拱力亦促进地壳的抬升。 物质和能量的持续累积, 影响了龙门山断裂带的隆升和其地震的诱发。

图 9 青藏高原东南缘地形及莫霍面深度影像
a 青藏高原东南缘地形及莫霍面深度的三维影像, 红色虚线为断面剖线; b SE向二维剖面深部物质流动示意图, 蓝色箭头为来自GPS的测量结果, 红色箭头引自文献(毕奔腾等, 2016)
Fig. 9 The topography and Moho depth image of southeastern Tibetan plateau.

3 讨论与结论

本文利用高精度卫星重力场数据, 对青藏高原东南缘龙门山断裂带的区域构造及重力时变动态场特征进行了细致研究, 并结合前人已有的地球物理、 地球化学等深部探测结果, 得到以下几点认识:

(1)印度洋板块向欧亚板块的俯冲等因素激发了深部壳幔物质的流动, 青藏高原深部物质运移逐年向E流展, 受到以龙门山为NW边界的四川盆地刚性块体的强势阻挡, 部分深部物质转而产生了向SE运移的迹象, 造成对龙门山断裂带的碰撞、 挤压, 导致其成为地形差异较大的陡变带和深部地壳厚度变化强烈的过渡地段, 长期的应力作用亦促进了其逆冲推覆和走滑构造的形成, 造就了其特殊的地震孕育环境。

(2)通过研究汶川及雅安2次大地震发震前后重力时变场特征, 发现震前物质流动速度差异大, 而年度累积重力场变化处于上升态, 震前震源区基本处在明显的正负重力梯度带的中心位置, 说明其属于震源附近相对薄弱的区域, 容易产生剪应力而使深部构造破裂, 满足剪切走滑发震断层的形成条件。 震后龙门山断裂带两侧的重力变化趋势相反, 这可能是对震后壳幔物质重新调整恢复的反映。 重力场的动态变化也表明, 震前一段时间内, 重力场值的持续上升和较大的正负重力梯度带变化很可能是深部能量释放的前兆。

(3)结合重力时变动态场特征、 研究区的构造背景及前人已有的深部探测研究结果, 初步探讨了龙门山断裂带的发震机理。 青藏高原深部物质东流受到四川盆地刚性块体的强势阻挡, 部分下地壳物质流受迫上移, 侵入到孕震层的破碎岩石中, 降低了岩石力学强度和断层面的应力作用, 影响了地震的触发, 却侧面促进了地壳的抬升。 震前, 深部物质流体向汶川及雅安流动会聚的趋势明显增强, 震区深部物质流体及其应力累积不断增加并几乎呈现圈闭状态。 随着流体压力的增强, 龙门山断裂带深部的软流圈物质被迫底侵上涌, 亦有助于地壳的抬升。 这在一定程度上阐释了龙门山断裂带处于地壳厚度变化强烈地段的成因, 亦是地震触发的重要诱因。 在这种长期、 复杂的深部运动的趋势下, 震区形成了物质和能量的过度累积, 进入临震闭锁状态。 应力的持续失衡将造成深部断层走滑破裂, 能量爆发释放, 最终发生逆冲推覆构造运动的大地震。

本文的研究结果也表明, 利用全球重力卫星测量技术研究区域静态重力场及时变重力场动态变化特征, 有益于探索震区的孕震构造环境、 发震前后的深部物质流动及能量变化情况。 不断发展的高精度重力卫星测量和其它地球物理勘探技术能够为未来地震运动的中长期预测提供重要的震例经验, 为后续发震机理的研究提供有价值的参考。

致谢 BGI官方网站及德国地学研究中心(GFZ)为本研究提供了原始卫星重力数据; 文中部分图件采用GMT软件进行绘制; 审稿专家为本文提供了建设性的修改意见。 在此一并表示感谢!

The authors have declared that no competing interests exist.

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