龍門山斷裂帶及其周邊地區(qū)重力場和巖石層力學(xué)特性研究*

陳 石 徐偉民 石 磊 盧紅艷 郭鳳義

（中國北京 100081 中國地震局地球物理研究所）

引言

2008年5月12日汶川MS8．0地震和2013年4月20日蘆山MS7．0地震時間僅相隔5年，發(fā)震構(gòu)造都位于龍門山斷裂帶．這兩次地震都具有非常嚴重的破壞性，給我國人民的生命財產(chǎn)造成了巨大損失．汶川地震后，國內(nèi)外學(xué)者對龍門山斷裂帶及其周邊地區(qū)開展了大量的研究工作．蘆山地震發(fā)生后，許多學(xué)者從兩次地震的時空分布關(guān)系、發(fā)震機制、深部結(jié)構(gòu)特點、主余震之間關(guān)系等方面展開了討論（陳運泰等，2013；劉杰等，2013；王衛(wèi)民等，2013）．這兩次地震震源機制都為逆沖型，震中深度都為19km左右（張勇等，2009；劉杰等，2013）．兩次地震都屬于典型的板內(nèi)大地震，都是由于印度板塊向北推擠造成青藏高原東緣（以龍門山為界）與揚子地塊發(fā)生碰撞而最終導(dǎo)致的此類逆沖型地震（鄭勇等，2013）．從龍門山地區(qū)的歷史地震活動性上看，地震活動性并不強．在龍門山南段地區(qū)歷史上僅記錄到3次MS≥6．0的地震．在蘆山MS7．0主震后，MS≥5．0的余震發(fā)生了4次（劉杰等，2013）．在對龍門山南段的地震危險性估計時采用平衡地震矩方法．首先，用GPS數(shù)據(jù)計算龍門山斷裂帶及其周邊地區(qū)主要斷層的走滑速率；其次，根據(jù)地震目錄估算主要斷層上的地震矩釋放程度；最后，給出區(qū)域內(nèi)每個主要斷層上的地震矩累積或釋放程度估計，亦即通過平衡每個斷層上地震矩累積和釋放來估計地震危險性程度．研究認為由于該區(qū)域地震活動性不強，導(dǎo)致較大的應(yīng)變積累沒有得到應(yīng)有的釋放，構(gòu)成了此次蘆山地震的必要條件之一（Wangetal，2010）．

從青藏高原東緣的松潘—甘孜地塊至四川盆地的揚子地塊地形變化可以看出，以龍門山為界存在約4km的地形落差．由自由空氣重力異常圖可以看出，龍門山兩側(cè)的重力異常差異高達200×10－5m／s2．巨大的地形起伏和重力異常差異也表明在龍門山斷裂帶及其周邊地區(qū)存在明顯的構(gòu)造變形和深部結(jié)構(gòu)變化．根據(jù)對四川盆地沉積層年代和厚度分布研究，發(fā)現(xiàn)在盆地內(nèi)部中新生代沉積厚度最大可達10km．沉積厚度最深處位于四川盆地西側(cè)，多為中生代沉積；而新生代沉積僅集中在四川盆地西南部，最深為700m左右（Burchfieletal，2008）．從四川盆地西部邊緣的沉積特征上看，沿龍門山斷裂的南北區(qū)域應(yīng)該具有不同的巖石層變形特征和演化歷史．通過重力方法計算巖石層有效彈性厚度，進一步討論相關(guān)的巖石層動力學(xué)的問題已經(jīng)十分成熟．目前已有學(xué)者通過重力異常剖面研究青藏高原南緣地區(qū)的巖石層變形與動力學(xué)演化問題（Jinetal，1994，1996）；通過重力導(dǎo)納方法研究該區(qū)域的重力均衡異常問題（陳石等，2011）；通過巖石層有效彈性厚度方法來研究中國及其周邊地區(qū)的巖石層動力學(xué)問題（Chenetal，2013）等．

本文以巖石層彈性板模型為基礎(chǔ)，通過計算巖石層有效彈性厚度的方法，研究龍門山斷裂帶兩側(cè)的巖石層構(gòu)造差異特征；通過模型計算與實際觀測的重力異常之間的對比，反演等效的巖石層有效彈性厚度變化；最后根據(jù)反演結(jié)果，進一步分析跨震中剖面異常特征和巖石層剛度變化對地震危險性的影響．

1 巖石層有效彈性厚度的計算方法

巖石層長期變形演化特征與其力學(xué)強度具有密切的關(guān)系，通?？梢杂脦r石層剛度或巖石層有效彈性厚度來表征巖石層的力學(xué)強度特征．巖石層剛度D與有效彈性厚度Te之間的關(guān)系可表示為

式中，E為楊氏模量，ν為泊松比．

不同地區(qū)的巖石層通常具有不同的剛度特征，如果巖石層用一個彈性板來近似，在給定剛度參數(shù)后，可以計算彈性板的撓曲變形特征，并進一步計算其自由空氣重力異常和布格重力異常．巖石層彎曲變形的大小可以用一個變形參數(shù)α來表示，α值可用于估算造山帶邊緣的前陸盆地寬度和地形撓曲變形大?。═urcotte，Suchubert，2002）等：

式中，ρm為地幔密度，ρin為盆地內(nèi)沉積物密度．

眾所周知，重力異常是由于地形在巖石層之上的加載作用引起巖石層底部撓曲而產(chǎn)生的，因此，在給定巖石層剛度或有效彈性厚度等力學(xué)參數(shù)后，就可以算出巖石層撓曲變形量，進一步可以計算模型重力異常．自由空氣重力異常和布格重力異常計算公式可表示為（Watts，2001）：

式中，k為波數(shù)；H（k）為地形譜，即實際地形在頻率域的表示；Δg（k）為重力異常譜，可以通過Fourier逆變換計算，得到空間域的重力異常；Δgfree－air（k）為自由空氣重力異常，ΔgBouguer（k）為布格重力異常；ρc為地殼密度；G為萬有引力常數(shù)；t為地殼厚度；d為地形起算平面到異常計算平面的距離（本文采用的高程和計算異常平面同為大地水準面，此時d＝0）；Φe（k）為均衡響應(yīng)函數(shù)，該函數(shù)是一個頻率函數(shù)，表征不同波長特征巖石層的變形，采用下式計算：

通過式（3）、（4）給定地形譜和巖石層力學(xué)參數(shù)后，即可計算不同模型參數(shù)的理論重力異常；再通過與實測重力異常比較，求最小均方根誤差，即可獲得不同區(qū)域的巖石層剛度或有效彈性厚度的參數(shù)估計．本計算中，E＝95GPa，ν＝0．295，ρm＝3 120kg／m3，ρc＝2670kg／m3，ρin＝2 400kg／m3，t＝30km．以上參數(shù)的選取參考了Jiang以及Fielding的結(jié)果．他們認為，青藏高原東緣地區(qū)的Te值非常之低約為7km（Fielding，McKenzie，2012），而在四川盆地內(nèi)部Te值可以在36—45km之間（Jiang，Jin，2005）．

2 龍門山斷裂帶及其周邊地區(qū)重力異常

本文的研究區(qū)域選擇以龍門山斷裂帶南端為中心，包括青藏高原東緣地區(qū)和四川盆地（圖1）．為了研究龍門山斷裂帶兩側(cè)的巖石層有效彈性厚度差異，圖1中以藍色實線分為A，B，C和D等4個區(qū)域．A區(qū)以龍門山斷裂帶為界，覆蓋青藏高原東緣（松潘—甘孜地塊）；D區(qū)覆蓋四川盆地（揚子地塊）．這兩個區(qū)域可以分別代表兩個地塊，計算其力學(xué)參數(shù)并對比結(jié)果可以定量研究兩個塊體的巖石層力學(xué)特征．B和C區(qū)跨龍門山斷裂帶，其中B區(qū)主要覆蓋龍門山地震帶南部，包括汶川地震和蘆山地震的兩個主震震中區(qū)域，含括了四川盆地西南側(cè)的新生代沉積區(qū)域；C區(qū)則主要覆蓋了大部分汶川余震區(qū)，同時也覆蓋了四川盆地部分的中生代沉積區(qū)域．根據(jù)巖石層彈性板理論，在前陸盆地沉積最深位置，對應(yīng)巖石層彎曲變形最強烈位置．但是現(xiàn)有四川盆地西部的沉積層勘探資料表明僅四川盆地西南部分存在新生代沉積，其它部分都是中生代沉積．這說明中新生代四川盆地西側(cè)的龍門山斷裂帶下方的巖石層變形歷史不同，因此，本文分為B和C兩個區(qū)域來分別計算其巖石層力學(xué)參數(shù)．

圖1 龍門山斷裂帶及其周邊地區(qū)構(gòu)造、地震活動及研究區(qū)域示意圖紅色實線為斷裂位置，四川盆地內(nèi)部黑色等值線為沉積層厚度，藍色矩形和剖面為研究區(qū)域，粉色空心圓為汶川MS8．0地震及其余震分布，紅色空心圓為蘆山MS7．0地震及余震分布Fig．1 The sketch map of tectonic setting and seismic activities of Longmenshan fault zone and its surrounding regions and the delineation of study area in this paper．The red solid lines represent the faults，the black contours in Sichuan basin give the sedimentary thickness，the blue rectangle delineates the study area，pink and red circles denote the Wenchuan MS8．0and Lushan MS7．0 earthquakes and their aftershocks，respectively

另外，本文還選擇了橫跨汶川地震震中的WW′剖面和蘆山地震震中的LL′剖面．通過對比兩條剖面上地形、重力異常和不同巖石層參數(shù)模型的理論曲線關(guān)系，來認識和分析發(fā)震震中構(gòu)造的巖石層力學(xué)特點，為進一步分析強震危險區(qū)特征提供科學(xué)依據(jù)．為了進一步對該區(qū)域的數(shù)據(jù)進行分析和計算，需要將經(jīng)緯度坐標(biāo)轉(zhuǎn)換為平面坐標(biāo)，因此，本文均采用蘭伯托（Lambert）投影進行坐標(biāo)轉(zhuǎn)換，投影中心經(jīng)度為102．5°E，緯度為32°N．以下各圖中，均采用投影后的平面坐標(biāo)．

本研究中使用的自由空氣重力異常數(shù)據(jù)（TOPEX V20．1版本）和地形數(shù)據(jù)（SRTM＿Plus V15．1版本），均來自TOPEX最新提供的全球重力異常數(shù)據(jù)庫①http：∥topex．ucsd．edu／marine＿grav／，原始數(shù)據(jù)網(wǎng)格精度為1″，網(wǎng)格點間距約為2km（Sandwell，Smith，1997，2009；Smith，Sandwell，1997）．本研究主要關(guān)注由于地形加載引起的巖石層撓曲變形．這個過程中巖石層相當(dāng)于一個低通濾波器，即由于巖石層具有一定抗彎剛度，對于小尺度的地表地形加載不能使巖石層底部產(chǎn)生撓曲變形．而且淺部由于地殼不均勻密度分布而產(chǎn)生的高頻重力干擾也不在本文的模型考慮之中，因此，在進行二維頻率域模型計算之前，對自由空氣重力數(shù)據(jù)（圖2）和地形數(shù)據(jù)都采用50km高斯低通濾波器進行濾波，并對自由空氣異常數(shù)據(jù)進行了中區(qū)和遠區(qū)地形校正及中間層校正處理，最后得到布格重力異常（圖3）．再根據(jù)式（3）和式（4），分別計算了不同巖石層有效彈性厚度下的模型自由空氣重力異常和布格重力異常．

從圖2的自由空氣重力異?？梢钥闯觯邶堥T山斷裂帶西北側(cè)的青藏高原東緣邊界位置存在明顯的重力正異常，其異常幅度最大約為100×10－5m／s2，且正異常在靠近龍門山斷裂帶一側(cè)最大．這說明由于印度板塊持續(xù)向北推擠引起的青藏高原東緣地區(qū)不斷向龍門山一帶水平運動，但由于受到揚子地塊的阻擋，在龍門山一帶引起了大規(guī)模的地殼橫向縮短變形，并導(dǎo)致地殼持續(xù)增厚，堆積大量物質(zhì)，大量物質(zhì)的盈余形成了重力正異常帶．同時，從圖2中也可以發(fā)現(xiàn)在四川盆地內(nèi)分布著大范圍的自由空氣負異常帶，盆地西邊界的負異常明顯大于東部，其中以盆地西南角新生代沉積區(qū)負異常值最大，最大值超過－120×10－5m／s2．其異常形態(tài)與圖1中的盆地沉積厚度正相關(guān)．自由空氣重力正異常意味著區(qū)域物質(zhì)相對盈余，而負異常表示相對虧損．四川盆地內(nèi)部正是由于沉積物質(zhì)密度小于地殼平均密度，且重力異常與沉積厚度相關(guān)說明了重力負異常主要由于低密度盆地沉積引起，并且盆地下方的地幔物質(zhì)上升不足以彌補質(zhì)量較輕的盆地沉積．

圖3中的布格重力異常是在自由空氣重力異?；A(chǔ)上，經(jīng)由地形校正和中間層校正后得到，由于布格重力異常中已經(jīng)去掉地表地形起伏的影響，因此，該異常主要的低頻成份是由深部地殼界面起伏引起的（由于地幔物質(zhì)與地殼物質(zhì)之間存在密度差）．從圖3中可以看出，龍門山斷裂帶正處于布格重力異常梯度帶上，整個青藏高原東緣地區(qū)均為負異常，四川盆地異常大于青藏高原．從異常大小可以看出，正是由于地形對巖石層的垂向加載作用，引起了撓曲變形；由于彈性板受到垂向重力均衡作用，形成了所謂的“山根”；又由于地殼物質(zhì)密度小于地幔密度，從而引起物質(zhì)相對虧損，最終在地勢高的地區(qū)形成大面積的負異常區(qū)．但是在盆地內(nèi)部由于沉積層密度較小于地幔上涌物質(zhì)，最終形成了高異常區(qū)．而對于龍門山斷裂帶雖然其地形較高，但是由于存在地殼橫向擠壓作用，部分地表物質(zhì)并未達到完全均衡狀態(tài)（產(chǎn)生對應(yīng)的“山根”），因此，在龍門山地區(qū)形成了布格正負異常過渡區(qū)和布格異常高梯度帶（圖3中的B和C區(qū)）．

圖2 龍門山斷裂帶及其周邊地區(qū)自由空氣重力異常自由空氣重力數(shù)據(jù)來自TOPEX V20．1，本文對異常采用50km高斯低通濾波處理，圖中黑色等值線標(biāo)注為重力異常值Fig．2 Free-air gravity anomaly of Longmenshan fault zone and its surrounding regions The free-air gravity data come from TOPEX V20．1，and a 50km Gaussian low-pass filtering is applied

圖3 龍門山斷裂帶及其周邊地區(qū)布格重力異常Fig．3 The Bouguer gravity anomaly of Longmenshan fault zone and its surrounding regions

3 巖石層有效彈性厚度估算結(jié)果和剖面分析

本文為研究青藏高原東緣地區(qū)不同地塊之間和龍門山斷裂帶南北段的巖石層力學(xué)特性差異，將研究區(qū)劃分為A，B，C和D區(qū)域．首先對這4個區(qū)域的重力異常進行了理論模型計算．分別計算了巖石層有效彈性厚度Te不同的15組模型的理論自由空氣重力異常和布格重力異常．其中第一組厚度為1km，最后一組為61km，中間相鄰兩組之差為4km．分別將每組數(shù)據(jù)與實際觀測的重力異常進行對比，求最小均方根誤差下的模型厚度值，即作為一個區(qū)域的最佳值．圖4是對A，B，C和D區(qū)域分別計算的均方根誤差變化結(jié)果（其中使用自由空氣重力異常和布格重力異常的計算結(jié)果趨勢類似，圖4結(jié)果為自由空氣重力異常理論模型和觀測模型的均方根誤差）．圖4a是A與D兩個區(qū)域的對比結(jié)果，圖4b是B與C兩個區(qū)域的對比結(jié)果．

A區(qū)代表的青藏高原東緣松潘—甘孜塊體的最佳擬合Te值為13km，D區(qū)代表的四川盆地的揚子塊體擬合Te值為33km．由擬合的最佳巖石層彈性厚度可以看出，四川盆地內(nèi)部巖石層有效彈性厚度（剛度）明顯高于青藏高原東緣地區(qū)，也就是揚子地塊較硬，這也正是為何由于兩個地塊的碰撞而在龍門山地區(qū)產(chǎn)生大范圍地殼橫向縮短的原因之一．在以龍門山變形帶為主體的B和C兩個區(qū)域內(nèi)，B區(qū)的最佳擬合Te值為21km，C區(qū)的最佳擬合Te值為33km．這說明如果把兩個區(qū)域看作一個整體，B區(qū)的巖石層剛度小于C區(qū)，C區(qū)與四川盆地平均的巖石層剛度相當(dāng)．一般造山帶的巖石層彈性厚度較小，而對于古老而穩(wěn)定的克拉通而言巖石層彈性厚度較大．在變形強烈的地區(qū)巖石層彈性厚度一般小于變形較弱地區(qū)．從B區(qū)和C區(qū)的擬合結(jié)果上可以看出，龍門山斷裂帶的南段變形要強于北段．這也可以從四川盆地現(xiàn)有沉積物年代上推斷，因為只有在南段對應(yīng)的四川盆地西南角存在新生代沉積，才能夠說明該區(qū)域在新生代存在明顯的巖石層撓曲，進而才會形成較新的新生代前陸盆地沉積地層序列．

圖4 研究區(qū)A，B，C和D巖石層有效彈性厚度（Te）反演結(jié)果及誤差曲線Fig．4 Inversion results and error curves of lithospheric effective elastic thickness（Te）in the regions A，B，Cand D

為了更進一步分析巖石層彈性厚度變化如何影響重力異常，以及兩者之間的關(guān)系特點，我們選擇了橫跨震中位置，且跨過變形較強烈B區(qū)的兩個剖面進一步深入研究．圖5a，b和c為橫跨汶川地震震中的WW′剖面的異常曲線；圖5d，e和f為橫跨蘆山地震震中的LL′剖面的異常曲線．圖5a，d為地形起伏，汶川地震震中位于WW′剖面約225km處，蘆山地震的震中位置位于LL′剖面約265km處．

圖5 跨汶川地震震中位置WW′剖面（a，b，c）和跨蘆山地震震中LL′剖面（d，e，f）異常曲線Fig．5 Gravity anomaly curves of the WW′and LL′profiles cross the epicenters of Wenchuan（a，b，c）and Lushan（d，e，f）earthquakes

圖5b，e分別為選擇的不同巖石層Te值理論模型（實線）與實際自由空氣重力異常（虛線）的曲線對比；圖5c，f分別為選擇的不同巖石層Te值理論模型（實線）與實際布格重力異常（虛線）的曲線對比．從圖5b，c中可以發(fā)現(xiàn)，隨著巖石層有效彈性厚度Te值逐漸增加，青藏高原和四川盆地兩側(cè)的重力異常變化趨勢正好相反．在四川盆地一側(cè)隨著Te值增加，重力負異常值減小，異常絕對值增加，這體現(xiàn)在盆地內(nèi)部沉積層密度較低，由于受到地幔均衡力作用，巖石層被迫向上彎曲變形，隨著Te值增加巖石層的抗彎剛度變大，這種撓曲變形受到抑制，但這時盆地內(nèi)的低密度沉積得不到地幔高密度物質(zhì)的彌補，使得重力負異常值不斷減?。欢谇嗖馗咴粋?cè)這種情況則正好相反，這種機制體現(xiàn)在隨著Te值的增加，巖石層底部變形受到抑制，無法形成對應(yīng)的低密度“山根”，因此，重力異常不斷增加．這種高原與盆地之間的均衡機制差異隨著Te值變化對自由空氣重力異常和布格重力異常產(chǎn)生的影響趨勢是相似的．圖5b，c中的四川盆地與青藏高原之間有一個變化趨勢轉(zhuǎn)折交叉點，該點位于剖面起點約220km處．該點可以看作高原與盆地之間的分界線，也是巖石層剛度變化最大的位置．在該點左邊的高原地區(qū)我們可以看出實際觀測的重力異常與Te＝9km的紅線模型曲線較接近；而在該點右邊的盆地地區(qū)，實際觀測的重力異常與Te＝33km的綠線模型曲線較接近．這種差異性正好體現(xiàn)了盆山結(jié)合帶之間的巖石層力學(xué)差異性特征．也就是說，如果要研究一個復(fù)雜區(qū)域范圍內(nèi)的Te值，有必要使用變剛度模型來進行擬合．特別是在盆山結(jié)合帶地區(qū)，不同剛度或Te值的模型曲線差異不大，因此，可能需要劃分較細單元進行擬合．

另外，仔細觀察圖5b高原與盆地之間的模型曲線和實際觀測異常曲線特征，在距離剖面起點約180km處，實際觀測的異常曲線要遠高于Te＝9km的紅色曲線，與Te＝53 km的藍色曲線相近．這種現(xiàn)象表現(xiàn)出的局部重力異常遠高于整體接近Te值模型計算的重力異常值，可以看做一種局部的地形未得到均衡補償（形成“山根”）．在力學(xué)機制上可能是由于兩個塊體之間的推擠而產(chǎn)生的巖石層板下加載的構(gòu)造應(yīng)力所致，由于地形形成時間很短，還沒有經(jīng)過一定的地質(zhì)時間尺度變化得到均衡補償．因而并不能局部地認為該區(qū)的巖石層剛度或有效彈性厚度Te很高，這可以避免與我們在宏觀上對于造山帶處Te值應(yīng)該較小的認識產(chǎn)生矛盾．所以要理解Te的物理意義，往往要綜合理解地質(zhì)和地球物理等多方面的因素而做出解釋．特別是對于小尺度的區(qū)域計算Te值變化實際意義可能不大，因為只有在一定規(guī)模尺度下區(qū)域重力勢能對巖石層變形才能產(chǎn)生至關(guān)重要的作用．而對于那些小尺度地形或局部區(qū)域較為急劇的變化可能主要因遠程板塊的相互擠壓或下地幔對流拖曳等非垂向作用力對局部巖石層變形作用而引起，那么這種情況下僅僅用一個巖石層有效彈性厚度Te來解釋巖石層的力學(xué)狀態(tài)就不再合適了．對比圖5b與圖5e，我們也可以看到類似的現(xiàn)象．這種情況往往也在地表伴隨逆沖型構(gòu)造中出現(xiàn)．而對比剖面上的兩次地震震中的位置，我們可以發(fā)現(xiàn)兩次大地震的震中都出現(xiàn)在盆山巖石層接觸帶位置，即巖石層有效彈性厚度變化最大的位置．在汶川地震的WW′剖面上，震中位置接近盆山巖石層交接位置；而蘆山地震的LL′剖面上，震中位置更接近于盆地方向．因此，這個結(jié)果可能對未來強震危險區(qū)的判斷具有一定參考價值．

從以上對圖5的剖面分析結(jié)果可以看出，如果對于整條剖面采用單一的有效彈性厚度Te值來擬合整條剖面上的重力異?？赡苁遣缓线m的．因此，我們在二維波速域內(nèi)，采用滑動窗口的方法，分塊擬合了研究區(qū)覆蓋范圍上的巖石層有效彈性厚度變化，窗口大小選擇為50km．由于頻率域計算的邊界效應(yīng)的影響，我們?nèi)サ袅酥苓呎`差較大的地區(qū)，得到擬合結(jié)果如圖6所示．圖6中的平均均方根誤差（RMS）約為8．37（四川盆地較穩(wěn)定的板塊內(nèi)部RMS值小于3），遠低于圖4中對區(qū)域A-D的RMS約為20的擬合結(jié)果．

圖6 研究區(qū)二維巖石層有效彈性厚度（Te）反演結(jié)果Fig．6 Inversion result of 2-D effective elastic thickness（Te）of the lithosphere in the study area

觀察圖6中的反演結(jié)果，在四川盆地內(nèi)部，可以看出在盆地中心區(qū)域的巖石層有效彈性厚度Te較大；在盆地西南側(cè)的Te值小于盆地整體平均水平．這可能與該區(qū)域的新生代沉積變形相關(guān)．而在青藏高原東緣位置我們可以看到在區(qū)域低的Te值背景下，出現(xiàn)了一些局部的較高Te值地區(qū)．我們認為這與局部的未補償?shù)匦魏蛶r石層板下加載作用相關(guān)．特別是在WW′和LL′兩條剖面上，距震中位置較近處都出現(xiàn)了一個紅色高Te值結(jié)果，這就是由于我們在分析圖5時提到的局部重力高值變化而引起的．這種在一個連續(xù)背景下突然出現(xiàn)的局部重力異常高值或高Te值結(jié)果，可能對潛在強震危險區(qū)的判斷具有一定意義．另外，我們觀察圖6中的Te值空間變化，可以發(fā)現(xiàn)在兩個塊體邊界龍門山地震活動構(gòu)造帶區(qū)域上，這種變化經(jīng)常表現(xiàn)出非連續(xù)特征，這種小尺度的高頻Te變化特征與地震活動性關(guān)系密切，從重力異常上體現(xiàn)為高均衡重力異常區(qū)域，在這些區(qū)域顯然不適合單獨使用Te的概念來解釋巖石層力學(xué)特征，而更應(yīng)該綜合考慮其它非重力勢能對巖石層構(gòu)造演化的作用．

4 討論與結(jié)論

本文采用頻率域巖石層有效彈性厚度計算方法，計算了青藏高原東緣與四川盆地結(jié)合地區(qū)的龍門山斷裂帶及其周邊的理論重力異常，并與實際最新重力觀測模型數(shù)據(jù)進行對比．分析了不同區(qū)域尺度和兩個過震中剖面（WW′和LL′）位置的巖石層有效彈性厚度變化特征．以彈性板均衡和巖石層撓曲變形理論為基礎(chǔ)，解釋了巖石層力學(xué)強度特征和與現(xiàn)今巖石層動力學(xué)演化之間的關(guān)系．根據(jù)本文的方法，基于自由空氣重力異常與布格重力異常估算巖石層有效彈性厚度的結(jié)果基本一致，得到青藏高原東緣地區(qū)Te值為13（±4）km，四川盆地內(nèi)部的Te值為33（±4）km．對該區(qū)域已有研究結(jié)果主要包括：Jordan和Watts（2005）采用布格重力異常估算包括四川盆地在內(nèi)的青藏高原東緣地區(qū)的Te值在20—45 km之間，而青藏高原內(nèi)部的Te值在5—35km之間變化．Braitenberg等（2003）估計整個青藏高原的Te值在10—30km之間．Jiang和Jin（2005）采用變剛度模型得到的結(jié)果估計四川盆地的Te值約為45km，而青藏高原東緣地區(qū)的Te值在36—38km之間．Fielding和McKenzie（2012）通過二維導(dǎo)納法分析得到的青藏高原東緣Te值非常低約為7km．本文得到的結(jié)果與上述結(jié)果在范圍上一致，但由于采用的方法和數(shù)據(jù)來源不同，時空分辨率也不完全一致，所以Te絕對值略有差異．綜上所述，本文得到主要結(jié)論如下：

1）通過重力異常可以對巖石層有效彈性厚度進行估算，對比不同地區(qū)的Te值可以研究巖石層的變形演化問題．本文計算的龍門山及其周邊地區(qū)的Te值變化，發(fā)現(xiàn)以龍門山構(gòu)造活動帶為邊界，兩側(cè)Te值存在顯著不同．四川盆地所在的揚子地塊力學(xué)強度明顯高于青藏高原東緣地區(qū)．從整體計算得到的Te值變化看，揚子地塊的巖石層平均剛度大于松潘—甘孜地塊16倍左右．

2）由于青藏高原不斷受到印度板塊的向北推擠，且揚子地塊的巖石層較硬，因此，在龍門山地區(qū)形成了大規(guī)模的地殼橫向縮短和地形隆升，導(dǎo)致了靠近龍門山地區(qū)出現(xiàn)局部自由空氣重力高異常區(qū)．且從巖石層彈性均衡模型分析，這部分質(zhì)量并沒有在深部得到補償，即該區(qū)尚處于非均衡狀態(tài)．從龍門山南北地區(qū)的局部Te值變化看，其北段的Te值大于南段，這一點與四川盆地僅在西南部存在新生代沉積一致，即在新生代龍門山南段的巖石層可能還在不斷變形．

3）對不同空間尺度Te值估算問題．使用不同的模型和方法可以得到不同的巖石層有效彈性厚度（Te）估算結(jié)果．Te的絕對值并不具有確定性意義，因為采用的計算模型和方法不同，Te值會存在一定差異，但是不同地區(qū)Te值之間的相對差異，可用于評價不同地區(qū)的巖石層差異性演化特征．在大尺度的空間范圍內(nèi)，重力勢能是巖石層變形演化的首要因素，但是對于小尺度的區(qū)域性問題，需要考慮板塊間相互擠壓的橫向作用力及殼幔邊界的對流拖曳作用等，因此選擇合適的尺度和區(qū)域來評價的差異性特征是解釋巖石層動力學(xué)問題的關(guān)鍵．我們得到的龍門山地區(qū)的復(fù)雜Te變化結(jié)果，就需要根據(jù)其具體地質(zhì)與地球物理相關(guān)條件進行分析和解釋．

4）龍門山恰好處于盆山結(jié)合帶部位，緊鄰四川盆地西緣前陸盆地的中新生帶沉積厚度最深區(qū)．從本文得到的結(jié)果可以看出，在龍門山構(gòu)造帶南部區(qū)域的Te值更接近于青藏高原東緣地區(qū)的Te值，而北部區(qū)域的Te值更接近于四川盆地巖石層Te值．從兩個跨過震中的重力剖面分析結(jié)果看，兩次地震都發(fā)生在不同Te模型變化的盆山特征交接點附近．由于在這個交接點附近的Te值變化對重力異常影響不顯著，因此，在二維變Te模型反演結(jié)果中，都出現(xiàn)了局部的最小RMS反演結(jié)果為高Te值，進而形成了局部的Te值變化梯度帶．根據(jù)這兩次地震經(jīng)驗，可以為以后對潛在震源區(qū)危險性評價研究提供一些參考．

5）通過重力異常方法，結(jié)合巖石層彈性板理論還可以研究前陸盆地、造山帶在不同地質(zhì)演化史中的巖石層變形問題．在掌握一定的沉積層物性資料后，可以進一步通過彈性回剝方法恢復(fù)盆地的構(gòu)造演化歷史，反演和計算不同地質(zhì)時期的Te值隨時間變化特征．

在本文的研究中，對于巖石層有效彈性厚度估算僅采用了較為簡單的彈性板模型，并沒有考慮板下加載作用、巖石層非彈性剛度系數(shù)、力學(xué)各向異性參數(shù)、地殼分層密度模型等因素，因此，所得到的值僅適于評價在地質(zhì)時間尺度上的變形問題和對比大尺度下不同區(qū)域巖石層的構(gòu)造演化差異性問題．但本文的研究方法和結(jié)果，對于認識重力異常與巖石層演化之間的關(guān)系具有重要意義．通過兩個震源區(qū)剖面的模型與實測結(jié)果分析，可以進一步解釋發(fā)震區(qū)域的巖石層力學(xué)特點，這對于潛在震源區(qū)危險性判定具有一定的參考意義．

本文研究過程中得到了美國密蘇里大學(xué)劉勉教授在方法和思路方面的指導(dǎo)；在評審過程中，評審專家給出了有益的建設(shè)性意見．作者在此一并表示感謝．

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