利用接收函數(shù)反演龍門山斷裂帶及鄰區(qū)深部結(jié)構(gòu)

王 成 朱介壽 宋文杰 江曉濤

（1.油氣藏地質(zhì)及開發(fā)工程國家重點實驗室（成都理工大學(xué)），成都610059；2.中國石油 塔里木油田勘探開發(fā)研究院，新疆 庫爾勒841000）

繼北美“地球透鏡計劃”之后，中國提出了“喜馬拉雅攀登計劃”，目的旨在揭示中國大陸地區(qū)構(gòu)造、演化和動力學(xué)過程，探測活斷層系統(tǒng)行為，研究地震破裂過程，推進(jìn)對自然災(zāi)害的認(rèn)識，了解地幔結(jié)構(gòu)與動力學(xué)、地殼構(gòu)造學(xué)等。龍門山地區(qū)的深部結(jié)構(gòu)，自2008年“5.12”汶川特大地震發(fā)生之后，作為計劃的一部分，又以其獨特而又復(fù)雜的地質(zhì)地貌及構(gòu)造演化特性，吸引了更多專家學(xué)者的關(guān)注。

龍門山斷裂帶及鄰區(qū)是揚子地臺和青藏高原的地貌分界，同時又是南北向地球物理階梯帶。龍門山推覆體形成根源主要來自深部（下地殼至上地幔）的物質(zhì)流或深大斷裂的推覆作用，還是屬于僅限于地殼上部的薄皮構(gòu)造；其深部結(jié)構(gòu)如何？

本文利用的遠(yuǎn)震波形數(shù)據(jù)來源于垂直于龍門山斷裂帶的被動源地震剖面上所布設(shè)的流動臺和部分固定臺站，通過接收函數(shù)的方法對龍門山及其鄰區(qū)的深部結(jié)構(gòu)進(jìn)行反演，為上述問題的闡釋提供依據(jù)。

1 龍門山斷裂帶的區(qū)域地質(zhì)背景

龍門山斷裂帶位于四川盆地與川西高原之間，東起廣元，西至瀘定，北交大巴山，南截鮮水河，呈NE45°帶狀分布。其東與揚子地臺相連，西與松潘－甘孜地塊相接，屬典型的盆－山－原式結(jié)構(gòu)。龍門山斷裂帶由與龍門山脈走向大致一致的4條大型斷裂帶組成，即青川－茂汶斷裂帶（后山斷裂帶）、北川－映秀斷裂帶（中央斷裂帶）、安縣－都江堰斷裂帶（前山斷裂帶）、廣元－江油－大邑隱伏斷裂帶。

連接四川盆地和川西高原的龍門山地區(qū)，沿銀廠溝至龍門山中央斷裂帶方向，在小于15km的水平距離，海拔高度上升了近3km，屬于全球大陸斷崖陡坡帶。

龍門山推覆體兩側(cè)相鄰區(qū)域的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)差異較大，內(nèi)部出現(xiàn)許多類似彭灌雜巖、寶興雜巖等地質(zhì)異體［1］。

根據(jù)GPS觀測數(shù)據(jù)顯示，川西北高原地塊位移速度，約為向東每年5～10mm，而龍門山附近的地塊位移卻僅為每年1mm，在誤差范圍之內(nèi)；圖1為龍門山斷裂帶兩端的GPS位移圖像，其左右兩端的相對位移僅2mm，所以我們認(rèn)為，龍門山各小斷裂帶本身和其斷裂帶整體的滑動速率很小。

歷史記載及現(xiàn)代儀器記錄表明龍門山斷裂帶也只發(fā)生過5次6級以上強震，分別是1970年2月24日大邑西6.3級、1958年2月8日北川6.25級、1941年寶興西6級、1657年4月21日汶川6.5級和1327年天全西6級地震，沒有記錄到7級以上歷史地震的發(fā)生［2］。龍門山地區(qū)作為一個鎖閉單元，被認(rèn)為是一個“低應(yīng)力”的區(qū)域，卻積累如此大的應(yīng)力，發(fā)生了“5.12”汶川特大地震。

這些研究結(jié)果使人們不得不對汶川地震的發(fā)震機制，以及龍門山的內(nèi)部動力學(xué)過程做出新的思考。

2 觀測資料

本文主要利用圖2中跨龍門山的2個被動源剖面來研究龍門山斷裂帶及兩側(cè)的深部結(jié)構(gòu)差異。剖面1自成都、資陽經(jīng)汶川、黑水、紅原至瑪曲，全長約500km，觀測系統(tǒng)由BBVS－120寬頻帶地震計、EDAS－24IP地震數(shù)據(jù)采集器組成。BBVS－120地震計頻帶范圍為120s－40Hz，儀器采樣率間隔為0.01s，采用GPS授時，以小時存儲連續(xù)記錄。該剖面共設(shè)有25個地震臺站，其中包括7個四川省地震局的固定臺站。2009年9月至2011年4月期間完成了流動臺站布設(shè)及數(shù)據(jù)采集的工作，共選取遠(yuǎn)震事件記錄261個。所選取的地震事件全球位置分布如圖3所示。剖面2為2007年宋文杰等人完成的自成都龍泉山經(jīng)都江堰、臥龍、小金、丹巴至道孚，全長400km的另一條剖面［1］。

3 數(shù)據(jù)與方法

遠(yuǎn)震體波中包含臺站下方大量地殼和地幔速度間斷面信息，接收函數(shù)法通過提取這些信息來了解各臺站下方的分層情況。目前這種方法已成為研究區(qū)域性的殼幔結(jié)構(gòu)最有效的方法之一。

圖1 龍門山兩側(cè)的GPS位移圖像Fig.1 The GPS displacement for both sides of Longmenshan

圖2 被動源剖面的臺站分部Fig.2 Distribation of the stations in the passive source profile

圖3 剖面1中的臺站記錄到的遠(yuǎn)震事件分布Fig.3 The distribution of teleseismic events recorded by the stations

本文正是利用接收函數(shù)的方法選取震中距在30°～90°之間的遠(yuǎn)震事件，以排除多次轉(zhuǎn)換震相的干擾以及P波和S波的重疊，避免地核折射波震相干擾并且避免因P波能量衰減損失較大而接收不到P波震相；遠(yuǎn)震體波的入射角很小，可以抑制地殼橫向不均勻性的影響；震級＞5.5級的地震事件可以較好地抑制噪聲對信號的干擾，提高信噪比，使接收到的波形數(shù)據(jù)信息更容易被提取和分離。

然后通過儀器響應(yīng)校正將不同性能的地震儀器和不同波形轉(zhuǎn)換參數(shù)的波形數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為統(tǒng)一的地動位移以減少誤差。由于一些非自然因素，使波形出現(xiàn)“漂移”等異?，F(xiàn)象，本文使用0.05～2 Hz頻段的濾波器對波形數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，抑制此類高頻和低頻噪音干擾。

利用方位角將數(shù)據(jù)中記錄的原始三分量ZNE旋轉(zhuǎn)到ZRT坐標(biāo)系中，再利用入射角把ZRT坐標(biāo)系旋到LQT射線坐標(biāo)系（圖4），L為直達(dá)P波的射線方向，Q為射線平面內(nèi)與L垂直的方向。使PS轉(zhuǎn)換波得到分離，此時，P波的能量主要集中在L方向，轉(zhuǎn)換波的能量主要集中在Q方向［10］。

根據(jù)射線理論，考慮臺站位置、理論射線參數(shù)、事件的反方位角，用一維地球模型把疊加后的時間域接收函數(shù)沿射線逆轉(zhuǎn)偏移到三維深度，并把獲得的偏移結(jié)果投影到剖面上得到圖6所示地殼及上地幔頂部的深度剖面。

4 結(jié)果和分析

圖6為剖面1和剖面2深度為100km的接收函數(shù)反演結(jié)果，2個剖面地殼內(nèi)部均有分層現(xiàn)象，將地殼分為上、中、下3層，且均呈整體向西逐漸增厚趨勢。莫霍面在龍門山推覆體中央位置約43km深度的地方出現(xiàn)不同程度的陡降，向西陡降至最深約68km處后平緩上升，向北南陡降至最深約58km處后平緩上升。我們推測松潘－甘孜地塊東緣地殼厚度呈南深北淺、東深西淺之勢。

圖4 方位角轉(zhuǎn)換示意圖Fig.4 The schematic plot of azimuth conversion

圖5 遠(yuǎn)震P波轉(zhuǎn)換點空間坐標(biāo)與接收函數(shù)時間對應(yīng)關(guān)系示意圖Fig.5 The schematic of inversion by the receiveld function

圖中還可見到松潘－甘孜地塊及龍門山推覆體的中地殼內(nèi)深25km左右存在1個厚約10km近水平延伸的低速層，該低速層的南東端結(jié)束于龍門山中央斷裂與前山斷裂之間的下方，而龍門山前山斷裂及以東的揚子地臺西緣地殼的殼內(nèi)低速層則不發(fā)育。朱介壽［8］等所做的跨龍門山的阿壩－雙流爆破地震剖面圖也顯示在同一位置存在低速層。這與樓海［3］等所做的重力以及朱迎堂、王緒本［15］等所做的大地電磁觀測到的重磁異常相對應(yīng)，說明圖中陰影區(qū)域確實存在10km左右的低速、低密度、低阻層。

圖6 剖面1與剖面2反演結(jié)果對比Fig.6 Comparison of inversion results of the two profiles

剖面2在龍門山推覆體內(nèi)形成的陡降帶與龍門山中央斷裂帶走勢一致，而剖面1在龍門山推覆體內(nèi)形成的陡降帶距離汶川地震主震位置的龍門山中央斷裂帶約70km，這與龍門山中央斷裂帶的走勢不一致，也與地貌和地表構(gòu)造特征不吻合。

5 結(jié)論與討論

遠(yuǎn)震接收函數(shù)方法是研究地殼結(jié)構(gòu)和組成的一種有效方法［13］。利用接收函數(shù)法的反演結(jié)果，根據(jù)揚子板塊和松潘甘孜地塊地殼厚度的分區(qū)性，可以看出松潘－甘孜地塊南部－龍門山地帶是莫霍面強烈變化轉(zhuǎn)折部位，是揚子地塊西緣和松潘－甘孜地塊的構(gòu)造邊界。松潘－甘孜北部的莫霍面強烈變化部位在龍門山中央斷裂西側(cè)，因此，我們推測龍門山中央斷裂西側(cè)70km處是揚子地塊西緣和松潘－甘孜地塊的構(gòu)造邊界。劉啟元［14］等人利用上地幔S波速度反演的結(jié)果也表明龍門山斷裂帶為四川盆地與松潘－甘孜地塊的碰撞界面。

松潘－甘孜地塊及龍門山推覆體中的低速中地殼易形成滑脫層，使其上覆的上地殼與低速中地殼滑脫拆離，脆性上地殼向東仰沖推覆，比較軟的松潘－甘孜地塊對堅硬的四川陸塊，在龍門山由北西向南東逆沖推覆滑動形成了走滑－逆沖推覆構(gòu)造，并形成前山、中央和后山幾條主要鏟式斷層。莫霍面在白溪鄉(xiāng)東側(cè)緩降帶與地表斷裂帶不一致正是由于龍門山推覆體上覆上地殼和中下地殼滑脫拆離造成的。

印度板塊在青藏高原中部地區(qū)向深處俯沖使青藏高原隆起向東運動，在其推動松潘－甘孜地塊同時向東運動的過程中，受到堅硬的四川盆地阻擋，松潘－甘孜地塊地殼中的物質(zhì)流沿箭頭方向（圖6）向上或向下運移。其向上運移一方面使龍門山的山體持續(xù)升高，另一方面在龍門山斷裂帶下部地塊邊界處積累大量的應(yīng)力，而這種逆沖推覆應(yīng)力的積累不以地表GPS水平位移的形式表現(xiàn)出來。汶川Ms 8.0級地震的發(fā)生正是這種應(yīng)力的突然釋放產(chǎn)生的。

四川省地震局、各地政府及相關(guān)人員對研究工作提供了支持，還有為獲取資料而進(jìn)行野外工作的同事們，作者在此向他們深表謝意。

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