龍門山斷裂帶西南端地殼電性結構

王立鳳 趙國澤 詹艷 陳小斌 肖騎彬 趙凌強 王繼軍 喬亮 韓冰

(中國地震局地質(zhì)研究所，地震動力學國家重點實驗室，北京 100029)

0 引言

2013年4月20日在松潘－甘孜地塊與四川盆地西緣接觸的邊界帶——龍門山斷裂帶SW段發(fā)生了MS7.0蘆山地震，震中距汶川地震震中約90km，該區(qū)在汶川地震后未發(fā)生地震破裂和余震(徐錫偉等，2013;房立華等，2013)。為什么在汶川地震僅5a時間后又發(fā)生了蘆山地震?有的研究認為，蘆山地震是由于汶川地震的誘發(fā)或觸發(fā)而引起的(易桂喜等，2013;單斌等，2013)。也有的研究認為，從2次地震余震分布區(qū)存在間隔和地殼結構分析，2次地震是相對孤立的地震事件，盡管都是由于松潘－甘孜地塊與四川盆地沿龍門山斷裂帶相互作用的結果(詹艷等，2013)。

因此，人們又開始關注蘆山地震西南端的地殼結構樣式，以及未來發(fā)生地震的危險性。本文針對這一爭論問題，在蘆山地震余震分布區(qū)的西南邊界附近，穿過龍門山斷裂帶沿著NW方向開展了大地電磁剖面(LS6)探測研究(圖1)。剖面西起龍池口西北約8km處，向SE經(jīng)天全縣，最終到達沙坪鎮(zhèn)中壩。剖面距蘆山地震震中30多km，距西南側鮮水河斷裂和龍門山斷裂帶交會區(qū)約80km，穿過雙石－大川斷裂和大邑斷裂，全長約58km，共完成22個測點，平均點距2～3km。在通過斷裂附近，測點加密到1km左右。由于地形影響，個別測點的點距在5～6km(圖1)。

圖1 大地電磁測點位置、蘆山地震區(qū)地形區(qū)域構造及相位張量分解主軸方位玫瑰圖Fig.1 Topographic and tectonic map of the Lushan earthquake area and the rose diagrams of the geoelectric strike direction by the phase tensor decomposition.

大地電磁測深法是探測地殼結構的有效方法，并在構造活動區(qū)或者地震區(qū)取得了大量有價值的研究結果(Wei et al.，2001;陳樂壽，2009;Bai et al.，2010;Zhao et al.，2012)。研究發(fā)現(xiàn)在北美圣安德列斯斷裂地震帶、新西蘭太平洋澳大利亞碰撞帶、智利和玻利維亞高原活動構造帶以及中國的多個地震區(qū)，在地殼內(nèi)往往存在電性結構劇烈變化的現(xiàn)象，或者存在高阻體和低阻體交混并存的現(xiàn)象(Brasse et al.，2002;趙國澤等，2004，2010;Wannamaker et al.，2009;Becken et al.，2011;Xiao et al.，2013)。2次地震的震源均位于高阻和低阻的過渡區(qū)(Zhao et al.，2012;詹艷等，2013)。因此，人們希望知道，沿龍門山斷裂帶向西南發(fā)展，地殼結構是什么樣子，有什么變化，這些是本研究的重要內(nèi)容之一。

本文研究剖面(LS6)位于龍門山斷裂帶西南端部附近，它距離龍門山斷裂帶與鮮水河斷裂帶交會區(qū)僅80多km。剖面位置及其附近地區(qū)的構造特點與龍門山斷裂帶中段有較大差別。在中段，主要有大體上沿NE向相互近似平行的中央斷裂(北川斷裂)、后山斷裂(茂－汶斷裂)和前山斷裂(彭－灌斷裂)3條斷裂，汶川地震主震發(fā)生在北川斷裂附近。但在本測區(qū)由于鮮水河斷裂的影響，使所謂的后山斷裂(耿達－隴東斷裂)呈現(xiàn)為向南突出的弧形斷裂，中央斷裂為五龍斷裂，在前山斷裂(雙石－大川斷裂)以東，出現(xiàn)了含多條斷裂的復雜現(xiàn)象(圖1)(陳立春等，2013;Chen et al.，2014)。本文將依據(jù)大地電磁剖面探測結果，探討龍門山斷裂帶西南端附近的地殼電性結構，探索分析未來的地震危險性。

1 數(shù)據(jù)觀測與分析

1.1 野外資料觀測

野外數(shù)據(jù)觀測在2013年6月開始實施，使用加拿大Phoenix公司的MTU－5A儀器。由于施工時剖面西端水利發(fā)電站已經(jīng)開始工作，電磁干擾嚴重，為保障獲得高質(zhì)量的資料，每個測點觀測時間延長至40h。對資料采用遠參考道技術克服局部的電磁干擾，如圖2所示遠參考前后視電阻率和相位曲線圖，經(jīng)過遠參后數(shù)據(jù)曲線變得更為光滑。此外，資料處理時還使用具有Robust功能的數(shù)據(jù)處理技術。經(jīng)過處理后得到的大多數(shù)測點的視電阻率曲線連續(xù)光滑，形態(tài)合理。但少數(shù)測點的部分頻段的相位資料稍差。圖2給出了3個不同區(qū)段256Hz～1/1000Hz頻帶范圍的典型視電阻率和相位曲線，其中601位于龍門山斷裂帶中央斷裂(五龍斷裂)東側，609和613位于龍門山斷裂帶向川西前陸盆地(四川盆地邊緣，四川盆地的重要組成部分)過渡區(qū)，618和622位于川西前陸盆地，以上測點的位置參見圖1。視電阻率和相位曲線形態(tài)和幅值顯示3個區(qū)段的電性結構各不相同。601測點的曲線可反映龍門山斷裂帶的電性，2種極化的視電阻率數(shù)值整體都比較高，反映該區(qū)大體在中上地殼范圍為高電阻率，往深部電阻率有所減小。609和613測點位于前山斷裂(雙石－大川斷裂)以東，2種極化的視電阻率數(shù)值整體都比較低，并顯示在較薄的相對高電阻率之下為低阻，隨著頻率的降低電阻率再升高，反映在低阻之下存在高阻體;618和622測點位于川西前陸盆地區(qū)，除了對應相對高頻的淺層電阻率與609、613測點相似外，613測點再往深部電阻率沒有明顯減小，即顯示大體在中上地殼范圍為高電阻率，而618測點從百Hz到幾十Hz存在電阻率降低，而隨著頻率的降低電阻率再升高，表明上地殼存在一個低電阻率的夾層，總體上618和622測點與601測點對應的區(qū)域相比高電阻率體厚度小。

1.2 區(qū)域電性結構維性和走向分析

在對大地電磁測深數(shù)據(jù)進行二維反演之前，必須對所有數(shù)據(jù)進行維性分析和區(qū)域主軸方位的分析(蔡軍濤等，2010)。本文采用MTpioneer軟件系統(tǒng)(陳小斌等，2004)提供的多頻點最優(yōu)化算法的相位張量分解技術，確定主軸方位以及構造維性分析。

圖2 各個構造單元內(nèi)部典型測點(圖1白色實心圓)測量方向遠參考處理前(上)、后(下)視電阻率和相位曲線Fig.2 Apparent resistivity and impedance phase curves of typical sites in each geological unit before(Upper)and after(Down)remote reference processing.

圖3給出了LS6剖面全部測點相位張量二維偏離度隨頻率變化的立體等值線圖。圖中可見大部分測點自高頻至0.01Hz頻段的二維偏離度值普遍＜0.2，在609測點附近，即雙石－大川斷裂帶附近低頻段二維偏離度值＞0.3，推測是斷裂帶附近由于構造復雜使得構造具有三維特征，但整個剖面主體具有二維特性，可以使用二維反演技術開展地下電性結構的反演。

圖3 相位張量二維偏離度頻率變換的立體等值線圖Fig.3 Skewness by the phase tensor decomposition technique.

圖1給出了5個測點(601、609、613、618和622)的反映地下電性結構主軸方向的玫瑰圖，電性主軸方向或者對應電性結構走向，或者對應電性結構傾向。圖1中顯示，它們或者大體上為NE－SW方向，或者為NW－SE方向?？紤]到剖面區(qū)構造走向為NE－SW方向，所以NE－SW電性結構走向與構造走向一致，剖面方向基本上與電性結構走向垂直，因此對剖面進行二維反演是合理的。

2 大地電磁測深數(shù)據(jù)反演和電性結構

2.1 二維反演

對剖面大地電磁資料反演利用的是NLCG(Rodi et al.，2001)二維反演方法。在反演中對某些測點可能存在的靜位移進行了校正。反演中引入數(shù)據(jù)誤差，對電場方向(130°)與走向垂直的TM模式的視電阻率和阻抗相位分別采用0.05Ω·m(對數(shù)值)和0.05rad的誤差水平，對電場方向沿走向(N40°E)的TE模式的視電阻率和阻抗相位分別使用0.2Ω·m(對數(shù)值)和0.05rad的誤差水平。反演的初始模型采用電阻率為100Ω·m的均勻半空間。經(jīng)過修改正則化因子進行多次反演，對比模型粗糙度和數(shù)據(jù)擬合誤差，最后反演模型對應的正則化因子為τ=3。模型的資料擬合誤差為2.46。

圖4給出TM極化和TE極化觀測的視電阻率和阻抗相位曲線與模型響應視電阻率和相位對比擬斷面圖，可見二者有很好的對應性。另外，圖4的擬斷面圖中，不論是TM極化還是TE極化的視電阻率和相位都顯示，沿剖面的電性結構大體可分成3段，601至607測點區(qū)段(雙石－大川斷裂以西)為發(fā)育較大厚度高阻體區(qū);608至617測點區(qū)段(雙石－大川斷裂到大邑斷裂之間)的淺層為中等電阻率區(qū)，其下為明顯的低阻區(qū);618至622測點區(qū)段(大邑斷裂以東)為相對高阻層覆蓋著相對低阻區(qū)，支持了圖2中數(shù)據(jù)曲線反映的電性結構特點。

圖4 LS6剖面TE和TM極化模式實測視電阻率和阻抗相位(上)與2－D模型視電阻率和阻抗相位響應(下)擬斷面圖Fig.4 Comparison of TE and TM apparent resistivity and impedance phase of measured values(Upper)and calculated values from 2-D theoretical response(Down)along the profile LS6.

2.2 電性結構分析

圖5給出LS6剖面的二維電性結構反演模型，沿剖面可分出不同電性結構的3個區(qū)段。自西北端向SE到雙石－大川斷裂東緣為第1區(qū)段，自地表附近到約30km深度為高阻體(HRB)，高阻體下方出現(xiàn)一厚10～15km的低阻層，低阻層向東逐漸變淺。自雙石－大川斷裂東緣向SE到大邑斷裂西側為第2區(qū)段，電性結構復雜。自地表到約5km深度，顯示橫向電阻率劇烈變化，其中有規(guī)模較小的多個高阻和低阻塊體交叉發(fā)育。往深部到10多km深度，出現(xiàn)電阻率僅有幾Ω·m的近似圓形的高導塊體，直徑達10km。之下電阻率有所增大，并與西側第1區(qū)段的低阻層相連，也與東側第3區(qū)段的低阻層連接。自大邑斷裂西側向SE到剖面東南端，約在20km深度以上，在電阻率整體為高電阻率的背景上，出現(xiàn)2個局部的相對低阻塊體，在大邑斷裂附近的低阻塊體較淺，可能與鄰近大邑斷裂有關。在剖面東端較深的低阻體，其深度約在7km上下，可能與四川盆地的沉積層有關。在3個區(qū)深部都存在的低阻層，相互連通，電阻率數(shù)值由NW向SE有減小的趨勢，深度逐步減小，厚度為10～15km。但是在第2區(qū)段該低阻層與上部的高導體連接。推測該低阻層與第1區(qū)段所在的龍門山斷裂帶和第3區(qū)段所在的四川盆地的相互作用有關，它可能屬于地殼內(nèi)的滑脫層。

圖5 LS6剖面電性結構(下圖)和LMS4剖面電性結構(上圖)對比二維反演電性結構圖Fig.5 Electrical resistivity models derived by 2D inversion of the MT data along the profiles LMS4(upper)and LS6(down).

3 結論和討論

沿LS6剖面的電性結構特點與測區(qū)的構造相呼應，是區(qū)域的松潘－甘孜地塊(龍門山斷裂帶西側)、龍門山斷裂帶和四川盆地相互作用的結果。其中第1區(qū)段反映了龍門山斷裂帶存在的高阻體(HRB)(Zhao et al.，2012)，第2區(qū)段對應龍門山斷裂帶向川西前陸盆地的過渡區(qū)，即龍門山斷裂帶和四川盆地之間的過渡帶，由于二者的相互作用產(chǎn)生了復雜的電性結構(趙國澤等，2004)，并在中地殼出現(xiàn)電阻率很低的高導體。高導體的成因可能是斷層或裂隙的空隙內(nèi)含較豐富的水引起的，淺層的復雜構造也是龍門山斷裂帶和四川盆地相互擠壓造成的裂隙不均勻分布引起的(趙國澤等，2010)。第3區(qū)段對應川西前陸盆地，具有四川盆地的構造和地殼結構特點(Zhao et al.，2012)，在上地殼范圍為整體的高電阻率，中下地殼出現(xiàn)低阻層。

把本剖面(LS6)的電性結構和LMS4剖面的電性結構列于圖5進行對比，有助于在區(qū)域范圍認識本剖面地殼電性結構的特殊性?？梢?，雖然本剖面第1區(qū)段對應龍門山斷裂帶的地下也存在高阻體(HRB)，但是其厚度(約30km)明顯小于LMS4剖面(約50km)，并有向東南側擠出的現(xiàn)象，直到雙石－大川斷裂以東。同樣的原因使得LS6剖面的第2區(qū)段(對應龍門山斷裂帶和四川盆地過渡區(qū))電性結構比LMS4剖面相應位置的電性結構更復雜。在四川盆地的第3區(qū)段，20km以上的上地殼的電阻率雖然也反映了四川盆地的電性結構特點(Zhao et al.，2012)，但是其電阻率數(shù)值比LMS4剖面的四川盆地區(qū)段的電阻率要大?？傮w上，LS6剖面區(qū)的電阻率要比LMS4剖面相應區(qū)段的電阻率結構復雜。

LS6剖面電阻率結構更復雜的原因，可能與它更靠近龍門山斷裂帶和鮮水河斷裂以及南側的安寧河斷裂的交會區(qū)有關(圖1)。這里的淺層地質(zhì)構造更復雜，不像龍門山中段的僅主要受到西北側松潘－甘孜地塊和東南側的四川盆地相互擠壓作用(Zhao et al.，2012)，這里則是受到松潘－甘孜地塊、四川盆地和川滇地塊三方面的相互作用(趙國澤等，2008)。它導致斷裂分布更復雜，例如后山斷裂(耿達－隴東斷裂)及其西側的斷裂出現(xiàn)向南突出的弧形特點，前山斷裂(雙石－大川斷裂)以東出現(xiàn)了走向各異的多條斷層，也導致地殼電性結構更復雜。

LS6剖面區(qū)構造和地殼結構的復雜性，在研究蘆山地震的孕震環(huán)境以及預測未來地震危險性時是必須考慮的因素。這里除了像龍門山斷裂帶中段那樣，仍然受到松潘－甘孜地塊與四川盆地相互擠壓的作用外，擠壓方向不再是幾乎垂直于龍門山斷裂帶的走向(Zhao et al.，2012)，而是有了明顯的向南的偏斜分量(即走滑分量更明顯)。而且還受到西南側川滇地塊以及鮮水河斷裂走滑剪切運動的影響(趙國澤等，2008)。此外，這里位于寶興雜巖帶南端附近，而蘆山地震位于寶興雜巖帶中部(詹艷等，2013)。綜合這些因素，可以推測蘆山地震具有與汶川地震類似的成因機制，即受到松潘－甘孜地塊向SE的推進作用和四川盆地的阻擋作用，但是其不如在中段發(fā)生的汶川地震區(qū)受到的正面“T”形擠壓(易于積累更大的地震能量)作用強，使地震強度小于汶川地震(MS8.0)。此外，在LS6剖面經(jīng)過的地區(qū)，在1327年9月曾發(fā)生天全≥6級地震(易桂喜等，2013;陳立春等，2013)，在這里再要積累發(fā)生7級以上強地震還需要經(jīng)過較長的時間，但不排除由于幾個地塊相互作用和本剖面區(qū)的構造復雜性，仍然會發(fā)生中小地震的可能性。

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