利用雙差走時成像研究青藏高原東緣地殼速度結(jié)構(gòu)

武振波, 鄒昆, 蘇金蓉, 滑玉琎, 李萍萍, 徐濤

1 成都理工大學(xué)地球物理學(xué)院, 成都 610059

2 成都理工大學(xué)地球勘探與信息技術(shù)教育部重點實驗室, 成都 610059

3 四川省地震局, 成都 610041

4 太原理工大學(xué)礦業(yè)工程學(xué)院, 太原 030024

5 中國科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所, 中國科學(xué)院礦產(chǎn)資源研究重點實驗室, 北京 100029

6 中國科學(xué)院地球科學(xué)研究院, 北京 100029

0 引言

青藏高原東緣與揚子塊體西緣接合帶具有復(fù)雜的演化歷史與鮮明的地貌特征,經(jīng)歷了多個塊體相互作用,發(fā)育不同規(guī)模、不同方向的斷裂構(gòu)造,使得該地區(qū)成為研究青藏高原側(cè)向生長機制、不同塊體相互作用及孕震環(huán)境的天然實驗場.

目前,基于不同研究方法和數(shù)據(jù)已有很多學(xué)者在青藏高原東緣開展了地球物理深部結(jié)構(gòu)探測,揭示出該區(qū)域深部結(jié)構(gòu)特征整體上以龍門山—雅礱江構(gòu)造帶為界或過渡區(qū),重力異常(李丹丹等,2023)、莫霍面深度(姜永濤等,2015)、速度結(jié)構(gòu)(王志等,2021)以及電阻率參數(shù)(張樂天等,2012;閔剛等,2017)均存在明顯的東西向差異.然而,已發(fā)表結(jié)果很多將松潘—甘孜塊體作為一個整體研究對象,聚焦于上述構(gòu)造接觸帶的討論,尤其重點關(guān)注龍門山斷裂帶區(qū)域,而對松潘—甘孜塊體內(nèi)部及重要次級活動斷裂——龍日壩斷裂帶的關(guān)注度明顯不足.

如圖1所示,研究區(qū)內(nèi)塊體包括阿壩次級塊體、龍門山次級塊體、川滇塊體、大涼山次級塊體.龍日壩斷裂帶作為龍門山次級塊體的西界,相比于周圍岷江、虎牙及龍門山斷裂帶,該斷裂帶明顯缺乏現(xiàn)代地震記錄;有研究發(fā)現(xiàn)其上發(fā)生過古地震且現(xiàn)今仍具備發(fā)震所需的活動構(gòu)造及動力條件(徐錫偉等,2008;任俊杰,2013;劉昭歧,2019).大涼山次級塊體內(nèi)部有多條中小型活動斷裂,但僅記錄到 3 次 5.0 級以上中強地震且無 6.0 級以上歷史強震記錄(易桂喜等,2016),不過其西邊界安寧河—則木河斷裂帶及東邊界滎經(jīng)—馬邊—鹽津斷裂帶上均發(fā)生過6.5級以上歷史強震(雷蕙如等,2022).李姜一等(2020)根據(jù) GPS 研究認為大涼山斷裂帶南段布拖、交際河斷裂積累的能量分別能夠發(fā)生一次MW7.5地震且離逝時間已接近地震平均復(fù)發(fā)間隔,其潛在地震危險性不容忽視.

在地貌上,青藏高原東緣與四川盆地的邊界為龍門山斷裂帶(張培震等,2002);東南緣與華南塊體的邊界為川滇塊體內(nèi)部總體呈北東—南西走向的金河—箐河斷裂帶(吳貴靈等,2019),早期研究認為該段是龍門山斷裂帶的南延,后因鮮水河斷裂帶左旋走滑被錯斷(Burchfiel et al., 1995;許志琴等,2007).在深部結(jié)構(gòu)上,地球物理探測發(fā)現(xiàn)莫霍面深度在龍門山斷裂帶(Zhang et al., 2009)、木里—金河—箐河斷裂帶兩側(cè)均存在差異(黃周傳等,2021).由此可見,青藏高原東緣復(fù)雜的斷裂系統(tǒng)、塊體相互作用、地表高程及莫霍面深度差異等對該區(qū)域的深淺介質(zhì)變形及構(gòu)造動力學(xué)過程有重要調(diào)節(jié)作用.

圖1 研究區(qū)構(gòu)造簡圖紅色圓圈代表2008年汶川、2013/2022年蘆山、2017年九寨溝、2020年成都青白江、2021年瀘縣、2022年漢源/馬爾康/瀘定地震;藍色圓圈代表震級6.5及以上歷史地震(雷蕙如等,2022);青色圓點代表本文所用震級≥ 3.0地震事件(來源中國地震臺網(wǎng)中心;孔雀藍三角形代表寬頻帶地震臺;深藍色粗線為塊體邊界(鄧起東等,2002).

為進一步探討揚子塊體與青藏高原構(gòu)造接合帶內(nèi)地震災(zāi)害頻發(fā)的構(gòu)造環(huán)境,以及包括龍日壩斷裂帶在內(nèi)的活動斷裂深部結(jié)構(gòu)特征,我們利用四川地震臺網(wǎng)64個寬頻帶地震臺在2008年1月至2015年12月記錄的震級≥3.0事件波形數(shù)據(jù)和PhaseNet算法(Zhu and Beroza, 2019),獲得高精度P波到時;其次,使用VELEST(Kissling et al., 1994)程序包對地震進行絕對定位和反演研究區(qū)初始一維速度模型;然后,采用Zhang和Thurber(2003)提出的雙差層析成像方法反演四川盆地及鄰區(qū)(100°E—106°E,26°N—33°N)地殼P波速度結(jié)構(gòu);最后,根據(jù)本文反演結(jié)果、構(gòu)造地質(zhì)和該區(qū)域已開展地球物理探測等資料進行綜合分析,探討了上述結(jié)果的地質(zhì)意義,為進一步認識上述科學(xué)問題提供更多深部結(jié)構(gòu)約束.

1 構(gòu)造背景

圖1展示了研究區(qū)主要構(gòu)造單元,包括阿壩次級塊體、龍門山次級塊體、川滇塊體、大涼山次級塊體及相鄰的四川盆地和華南塊體.圖2顯示了該區(qū)域主要活動斷裂帶,主要包括：龍日壩、岷江、虎牙、鮮水河—安寧河—則木河、龍門山、大涼山、峨邊—金陽、滎經(jīng)—馬邊—鹽津等斷裂帶.

圖2 本研究速度剖面以及該區(qū)域已有地球物理探測剖面位置AA′—HH′黑線對應(yīng)本研究獲取的速度剖面;與HH′重合的紫線為郭曉玉等(2014)實施的人工源深地震反射剖面;L3和L4青色實線分別為劉昭歧(2019)、趙航(2019)的大地電磁剖面;青色圓點表示的 L1和L2為Zhao等(2012)實施的大地電磁剖面,黃色圓點表示的L5為玄松柏等(2015)的重力剖面,綠色圓點表示的L6為程遠志等(2017)的大地電磁剖面;紅色五角星分別為2008年汶川(MS8.0)、2022年瀘定(MS6.8)和2018年西昌(MS5.1)地震. ①龍日壩斷裂帶(LRBF);②龍門山斷裂帶(LMSF);③鮮水河斷裂帶(XSF);④安寧河斷裂帶(ANF);⑤則木河斷裂帶(ZMF);⑥大涼山斷裂帶(DLSF);⑦峨邊—金陽斷裂帶(EBF);⑧滎經(jīng)—馬邊—鹽津斷裂帶(MBF);⑨蓮峰斷裂帶(LFF);⑩華鎣山斷裂帶(HYSF);龍泉山斷裂帶(LQSF);岷江斷裂帶(MJF);虎牙斷裂帶(HYF);理塘斷裂帶(LTF);錦屏山斷裂帶(JPSF);小金河—麗江斷裂帶(XJH-LJF);金河—菁河斷裂帶(JJF);得力鋪斷裂帶(DLPF);昭通—魯?shù)閿嗔褞?ZLF).

龍日壩斷裂帶在青藏高原東緣的研究中一直未受到重視,直到Shen等(2005)發(fā)現(xiàn)其兩側(cè) GPS 測站速度有差異,而后徐錫偉等(2008)通過野外考察和衛(wèi)星圖像識別確認了它的真實存在.這條斷裂帶將松潘—甘孜塊體分為阿壩和龍門山兩個次級塊體(圖2),其北段由龍日曲(西)和毛爾蓋(東)2 條分支斷裂組成,南段只包含西支斷裂;龍日曲斷裂以右旋走滑為主兼具南東方向的逆沖(任俊杰,2013);毛爾蓋斷裂為純右旋走滑(徐錫偉等,2008),但Ansberque等(2018)認為毛爾蓋斷裂向南東傾斜,為龍門山逆沖推覆構(gòu)造的反沖斷裂.從地貌及地表形變特征上看,阿壩次級塊體表現(xiàn)為相對平緩的高原且GPS觀測到的地表形變以水平運動為主,而龍門山次級塊體主要表現(xiàn)為山體隆升和地表褶皺(任俊杰,2013).郭曉玉等(2014)人工源地震剖面顯示龍門山次級塊體下方基底斷層發(fā)育.姜永濤等(2015)發(fā)現(xiàn)龍門山次級塊體的自由空氣重力異常值大于其東、西兩側(cè)塊體,推測該塊體是一個深部物質(zhì)重新分異、調(diào)整和能量強烈交換的地帶.

圖2中岷山隆起近南北向,該斷塊地貌特征與兩側(cè)不同,在深部則隸屬我國以南北地震帶分界的東西部地殼厚度陡變帶上(任俊杰,2013).岷江斷裂帶為岷山斷塊的西邊界,總體走向近南北,傾向NW,傾角存在橫向變化,研究表明它是一條全新世活動斷裂.虎牙斷裂帶是岷山斷塊的東邊界,第四紀(jì)以來表現(xiàn)為逆沖兼走滑運動,2017年九寨溝地震就發(fā)生在這條斷裂帶上,1976年其上已發(fā)生過兩次7級以上地震,暗示該條斷裂在全新世活動強烈(易桂喜等,2017).龍門山斷裂帶主要由后山、中央、前山和山前隱伏等斷裂組成(鄧起東等,1994),其中央斷裂中段為2008年汶川地震的發(fā)震構(gòu)造,而中央斷裂南段的大雙—雙石斷裂、山前隱伏斷裂則孕育了2013年蘆山地震(邵崇建,2019);龍門山斷裂帶橫向上存在分段性特征,北段以右旋走滑為主,中南段以逆沖推覆為主且構(gòu)造變形已向東擴展到四川盆地內(nèi)部龍泉山背斜(黃偉和江娃利,2012),抑或進一步向東至威遠背斜一帶(Hubbard and Shaw, 2009;李勇等,2011).

大涼山次級塊體位于川滇菱形塊體與四川盆地之間,西界為安寧河—則木河斷裂帶,東界為滎經(jīng)—馬邊—鹽津斷裂帶,南界包含蓮峰、昭通—魯?shù)閿嗔褞?內(nèi)部還發(fā)育有大涼山、漢源—甘洛、西河—美姑等一系列NW-SE向斷裂帶,這些NW-SE向斷裂帶在北端被NE-SW走向的龍門山斷裂帶南段截切.該區(qū)域作為青藏高原與揚子塊體構(gòu)造接合帶的中段,與北部以逆沖為主的龍門山構(gòu)造帶、南部以左旋走滑為主的小江斷裂帶展現(xiàn)的“線性”邊界不同,表現(xiàn)為從造山帶延伸到盆地的彌散性變形,區(qū)域內(nèi)多條活動斷裂帶兼具逆沖與走滑雙重運動學(xué)性質(zhì)(周榮軍等,2003;趙高平,2016),單條斷裂帶變形也存在橫向分段性(張芹貴等,2019;李姜一等,2020;馮嘉輝等,2021),反映出該區(qū)域復(fù)雜的構(gòu)造應(yīng)力場和獨特的孕震環(huán)境.從圖1來看,大涼山塊體內(nèi)部現(xiàn)今表現(xiàn)為弱地震活動,強震主要分布在邊界斷裂帶上.有研究表明,歷史上昭覺、美姑、越西、西昌均發(fā)生過5.0級以上地震,探槽研究揭示出大涼山斷裂帶曾多次發(fā)生7.0級以上強震(宋方敏等,2002;馮嘉輝等,2021);2014年魯?shù)?.3級、越西5.1級地震也說明該地區(qū)具備發(fā)生中強地震的構(gòu)造條件,應(yīng)當(dāng)予以關(guān)注.

綜上所述,青藏高原東緣與揚子塊體西緣接合地區(qū),構(gòu)造變形強烈,活動斷裂密布且運動學(xué)性質(zhì)復(fù)雜,自2008年汶川地震之后該區(qū)域地震活動持續(xù)性增強,對四川盆地、大涼山及龍門山次級塊體等都產(chǎn)生了日益顯著的影響.

2 數(shù)據(jù)和方法

2.1 數(shù)據(jù)預(yù)處理

從中國地震臺網(wǎng)中心下載研究區(qū)域(100°E—106°E,26°N—33°N)內(nèi)2008年1月至2015年12月期間震級≥3.0的地震事件目錄,波形數(shù)據(jù)來源于四川省地震臺網(wǎng)64個寬頻帶臺站.主要處理步驟包括：首先,基于PhaseNet算法(Zhu and Beroza, 2019)和人工抽檢質(zhì)控獲得了31416個清晰的P波震相到時,該機器學(xué)習(xí)算法相較于人工拾取震相到時穩(wěn)定性更高、分析速度更快、數(shù)據(jù)誤差更小.之后,采用VELEST程序?qū)Φ卣鹗录M行絕對定位,共重定位1777個有效事件.為了進一步控制數(shù)據(jù)質(zhì)量,本文對VELEST絕對定位后的走時數(shù)據(jù)進行了嚴(yán)格篩選,標(biāo)準(zhǔn)為：(1)設(shè)置地震對時,限定地震對與臺站之間的距離小于900 km,每個臺站對之間的距離小于15 km;(2)每個地震最多同時與另外30個地震組成地震對;(3)每個地震事件高質(zhì)量P波走時記錄不低于8個,同時剔除偏離地震波走時曲線較大的震相數(shù)據(jù).最后,得到1572個地震事件的29944個P波絕對走時和206154個P波相對走時數(shù)據(jù).圖3b—c分別展示了兩個MS3.1地震事件的原始波形,紅色豎線為拾取的P波初至;圖3a則顯示出P波震相走時隨震中距呈現(xiàn)良好的一致性變化,高質(zhì)量走時數(shù)據(jù)集有效保障了雙差層析成像結(jié)果的可靠性.

圖3 (a) P波震相走時-震中距關(guān)系圖; (b)、(c) 分別為兩個MS3.1地震事件按震中距排列的地震波形與到時拾取

2.2 初始速度模型及反演參數(shù)選擇

一般而言,地震波到時與臺站位置、震源參數(shù)以及速度模型之間存在非線性關(guān)系(Thurber, 1992; Kissling et al., 1994).Kissling等(1994)提出了一種聯(lián)合反演震源參數(shù)與速度結(jié)構(gòu)的方法：首先給定一個初始速度模型,通過對臺站及震源參數(shù)的校正來修正初始模型,然后多次迭代,求得均方根殘差最小的解即為反演的最優(yōu)一維速度模型.為保證數(shù)據(jù)對研究區(qū)進行均勻性覆蓋,本研究只選取了震級≥3.6、方位分布較均勻的423個事件且每個事件至少有10個震相記錄作為輸入數(shù)據(jù).由于VELEST算法只對每層速度進行校正,而不改變層數(shù)和層厚,經(jīng)不斷調(diào)試,最終將各層深度設(shè)置在-30 km,0 km,5 km,10 km,15 km,20 km,25 km,30 km,40 km,50 km,100 km,水平網(wǎng)格設(shè)置為0.5°×0.5°.參考研究區(qū)域內(nèi)多個已發(fā)表速度結(jié)構(gòu)(鄧文澤等,2014;劉偉等,2019;蔣一然等,2021;鄧山泉等,2021)作為初始輸入,經(jīng)反復(fù)測算和殘差分析,本文選擇了走時均方根殘差(RMS)最小時對應(yīng)的反演結(jié)果作為后續(xù)雙差層析成像的一維初始速度模型(如表1).

表1 基于VELEST反演獲得的研究區(qū)域一維初始速度模型Table 1 1D initial velocity model updated by VELEST Package for the study region

2.3 雙差層析成像

Zhang和Thurber(2003)在雙差定位方法基礎(chǔ)上進一步提出了雙差層析成像方法,可以同時獲得重定位地震位置和三維速度模型.針對同一個地震臺(k)接收到的兩個射線路徑相似的相鄰地震對(i和j),其中地震i從震源到觀測臺站k的到時可以表示為：

(1)

(2)

(3)

(3)式也可表示成：

(4)

雙差層析成像方法同時使用地震絕對走時和相對走時數(shù)據(jù)來實現(xiàn)三維速度結(jié)構(gòu)和震源參數(shù)的聯(lián)合反演.在迭代初期,設(shè)置絕對走時數(shù)據(jù)較大權(quán)重,用來約束地震絕對位置及大尺度速度結(jié)構(gòu);后期則給定到時差數(shù)據(jù)較大權(quán)重,用來約束地震相對位置和源區(qū)內(nèi)的速度結(jié)構(gòu).反演過程采用阻尼最小二乘(LSQR)算法(Paige and Saunders, 1982)求解,該方法需要設(shè)定合適的阻尼(damp)因子和平滑(smooth)因子,后者用來約束慢度變化量,前者同時約束地震位置和慢度變化量.經(jīng)反復(fù)測試,根據(jù)相應(yīng)參數(shù)的均衡曲線,本研究最終選擇的阻尼因子和平滑因子分別為150和15(圖4a,b).經(jīng)過多次迭代反演,走時殘差由初始0.16 s降低為0.04 s(圖4c).

圖4 (a)和(b)分別為阻尼參數(shù)、平滑因子均衡曲線,(c)為反演前后的走時殘差變化. 反演過程中阻尼和平滑因子兩個參數(shù)的取值分別為150和15

2.4 檢測板分辨率測試

在進行速度反演之前,我們對成像結(jié)果進行了分辨率模型測試.一般而言,首先設(shè)定理論速度模型,按照實際地震射線分布計算理論走時,然后再對理論速度模型施加一定程度的擾動,再次正演計算的走時視為觀測走時,選擇合適的參數(shù)進行反演,通過觀察反演結(jié)果對擾動后模型的恢復(fù)程度來評估模型分辨率.本研究中,設(shè)定水平網(wǎng)格大小為0.5°×0.5°,然后在網(wǎng)格點施加 ±5%的速度擾動,按照實際射線路徑進行反演.檢測板恢復(fù)情況如圖5所示,15 km、20 km、30 km、40 km、50 km深度上速度模型在射線集中區(qū)域(四川盆地及其鄰近的龍門山、大涼山次級塊體)恢復(fù)良好.相比之下,5 km、10 km及25 km深度處模型恢復(fù)效果較差,可能由于射線較少或不均勻分布所致.整體來看,根據(jù)本文數(shù)據(jù)集可以對研究區(qū)15～50 km深度范圍內(nèi)地殼速度結(jié)構(gòu)進行有效約束.

圖5 不同深度檢測板恢復(fù)測試結(jié)果

3 反演結(jié)果

3.1 不同深度P波速度結(jié)構(gòu)

圖6為雙差層析成像獲得的不同深度處P波速度結(jié)構(gòu).深度15 km的速度結(jié)構(gòu)主要反映了上地殼特征,通常與沉積層和造山帶分布相關(guān).據(jù)航磁、地震和區(qū)域地質(zhì)資料,四川盆地基底在平面上具有三分性：位于龍門山斷裂帶和龍泉山斷裂帶之間的川西凹陷、龍泉山至華鎣山斷裂帶之間的川中隆起及華鎣山至齊耀山斷裂帶之間的川東褶皺.其中,川西凹陷基底埋深7～11 km,川中隆起基底埋深變淺且在威遠背斜處最淺(～4 km),而川東褶皺區(qū)的基底埋深為8～11 km(羅志立,1998).圖6a中川西地區(qū)的低速應(yīng)該由較厚沉積層導(dǎo)致,而龍泉山和威遠背斜附近由于沉積層減薄,基底隆起表現(xiàn)為高速異常.地質(zhì)研究表明,龍門山—錦屏山造山帶出露有大面積前震旦紀(jì)變質(zhì)雜巖,由南至北包括轎子頂雜巖、彭灌—寶興雜巖以及康定—冕寧—攀枝花一帶的雜巖(許志琴等,2007),它們主要由巖漿巖-變質(zhì)巖組成,巖石物理上其剪切、摩擦強度均遠大于周邊沉積層,在圖6a中表現(xiàn)為沿龍門山—鮮水河—安寧河斷裂帶附近展布的高速異常條帶,該高速異常帶向下延伸至中下地殼～30 km(圖6b—d).四川盆地內(nèi)部的低速異常隨深度增加逐漸減小,相比之下大涼山、龍門山次級塊體整體表現(xiàn)為低速異常,但龍門山次級塊體因局部出露花崗巖而致使地震波在中上地殼出現(xiàn)局部高速.

深度40～50 km的速度圖主要反映了下地殼至上地幔頂部結(jié)構(gòu)特征.與中上地殼速度分布不同,西側(cè)以龍門山斷裂帶、南側(cè)以滎經(jīng)—馬邊—鹽津斷裂帶為界,四川盆地整體表現(xiàn)為中下地殼高速異常,而與其相鄰的龍門山次級塊體和大涼山次級塊體對應(yīng)為低速異常.接收函數(shù)結(jié)果表明,地殼厚度在四川盆地下方分布在40～50 km范圍內(nèi)且橫向變化平緩(Wang et al., 2018),向西越過龍門山斷裂帶在松潘—甘孜塊體下方加深至50～60 km(Zhang et al., 2009;郭曉玉等,2014;Wang et al., 2018),可見圖6e—f展示的速度結(jié)構(gòu)與該區(qū)域地殼厚度分布存在良好一致性.在深度50 km速度圖上,青藏高原由于地殼加厚而相對于同深度的四川盆地巖石圈地幔呈現(xiàn)為整體低速.為進一步討論青藏高原東緣不同塊體變形、接觸關(guān)系及斷裂帶特征等,我們繪制了圖2中不同剖面下方的垂向速度剖面,如圖7所示,其中圓點代表垂直剖面20 km橫向?qū)挾确秶鷥?nèi)的地震事件投影,白色十字代表來自SWChinaCVM-2.0模型的莫霍面深度(劉影等,2023).

3.2 不同塊體及邊界斷裂帶下方的速度結(jié)構(gòu)

圖7a—f為本文獲得的沿不同緯度方向以及沿102°E的P波速度剖面,剖面位置為圖2中AA′—FF′.整體上看,殼幔速度結(jié)構(gòu)具有分塊性特征且與區(qū)域構(gòu)造地質(zhì)基本一致;SWChinaCVM-2.0模型(劉影等,2023)給出的莫霍面深度與速度等值線～7.2 km·s-1吻合較好;四川盆地表現(xiàn)為上地殼低速、低阻,下地殼高速、高阻的二層結(jié)構(gòu),反映出上覆沉積蓋層與下伏穩(wěn)定的克拉通結(jié)晶基底的構(gòu)造特征;龍門山斷裂帶下方也顯示地殼淺部為低速、深部為高速,前者與斷裂帶活動有關(guān),后者對應(yīng)揚子塊體結(jié)晶基底,整體反映出其由西向東的逆沖推覆特征.

圖7 (a)—(f)分別為本文獲得的圖2中AA′—FF′剖面下方的P波速度結(jié)構(gòu); (g)為劉昭歧(2019)獲得的電性結(jié)構(gòu),剖面為圖2-L3; (h)和(i)分別為趙航(2019)獲得的電性結(jié)構(gòu)、玄松柏等(2015)獲得的重力異常梯度結(jié)構(gòu),剖面為圖2-L4、L5; (j)為程遠志等(2017)獲得的電性結(jié)構(gòu),剖面為圖2-L6(a)—(f)中白色十字代表莫霍面深度(參考SWChinaCVM-2.0),灰色圓點代表沿剖面橫向20 km范圍內(nèi)地震事件投影; (b)中紅色五角星為2008年汶川地震; (f)中紅色五角星分別為2018年西昌(左)、2022年瀘定(右)地震.

沿32°N剖面AA′橫跨松潘—甘孜塊體、龍門山斷裂帶,向東伸入四川盆地,圖7a為其對應(yīng)速度剖面,明顯特征是龍門山次級塊體下方速度結(jié)構(gòu)復(fù)雜,且相比于兩側(cè)塊體速度值明顯偏低;圖7g展示了一條緊挨AA′南側(cè)的電性結(jié)構(gòu)剖面(L3),指示松潘—甘孜塊體存在顯著中下地殼低阻層,該低阻層在龍門山次級塊體下方存在“大肚”現(xiàn)象,在接近龍門山斷裂帶時淺部向上抬升、深部向下加深(劉昭歧,2019),與本文速度結(jié)構(gòu)表現(xiàn)一致.一般情況下,斷裂在深部表現(xiàn)為速度結(jié)構(gòu)的突變,以串珠狀、傾斜舌狀低速或變換強烈的橫向速度梯度帶為標(biāo)志(王夫運等,2008;侯爵等,2023).從圖7a看,中下地殼速度等值線在龍日壩斷裂帶(LRBF)和龍門山斷裂帶(LMSF)下方均發(fā)生抬升,由變化趨勢判斷龍日壩斷裂帶深部傾向南東,向下至少延伸到20～25 km;龍門山斷裂帶傾向北西,向下也延伸至此深度范圍,與地震分布一致.

沿31°N剖面BB′橫跨川滇北西塊體、龍門山次級塊體、龍門山斷裂帶和四川盆地,圖7b為其對應(yīng)速度剖面.該剖面顯著特征之一是下地殼速度等值線變化最劇烈的地方位于龍門山斷裂帶以西約102.5°E附近,SWChinaCVM-2.0模型給出的莫霍面深度在此處也開始抬升,該界線以西地殼厚度約55～60 km,東邊龍門山斷裂帶和四川盆地下方地殼厚度減小到40～45 km.沿30°N剖面CC′橫跨川滇北西塊體、“Y”字型構(gòu)造,伸入四川盆地內(nèi)龍泉山背斜以東,圖7c為對應(yīng)速度剖面,圖7h—i分別為趙航(2019)獲得的電性結(jié)構(gòu)和玄松柏等(2015)獲得的重力異常梯度結(jié)構(gòu)(剖面位置為圖2-L4,L5).不難看出,西段川滇北西塊體存在明顯中下地殼低速、低阻異常,東段龍門山斷裂帶及四川盆地中下地殼為高速、高阻異常,兩者之間“Y”字型構(gòu)造帶下方為介質(zhì)性質(zhì)(速度、電阻率及重力異常)發(fā)生轉(zhuǎn)換的過渡帶或梯度帶;根據(jù)圖7b—c中速度等值線變化,推測鮮水河斷裂帶(XSF)以較陡傾角向南東傾斜,向下至少延伸到中下地殼,表明其是分割塊體的深大邊界斷裂(王椿鏞等,2003;Bai et al., 2010).

圖7d和e分別為沿29°N、28°N剖面下方的垂向速度結(jié)構(gòu),對應(yīng)剖面DD′和EE′自西向東橫跨川滇北西塊體、大涼山次級塊體及四川盆地;圖7j為剖面L6下方的電性結(jié)構(gòu)(程遠志等,2017),與DD′、EE′平行且位于兩者之間;結(jié)果同樣顯示川滇北西塊體存在殼內(nèi)低速、低阻異常區(qū),大涼山次級塊體中上地殼也表現(xiàn)為低速;速度等值線在大涼山次級塊體東西兩側(cè)邊界斷裂帶下方存在突然變化,依據(jù)變化趨勢推測安寧河斷裂帶(ANF)深部以陡傾角向南東傾,馬邊斷裂帶(MBF)傾角也較大但向北西傾斜;大涼山斷裂帶(DLSF)下方20 km以淺存在東傾的舌狀低速異常,電性剖面對應(yīng)位置處呈現(xiàn)為低阻異常.王夫運等(2008)沿鹽源—西昌—馬湖一線實施的人工源深地震測深實驗,同樣揭示安寧河、大涼山斷裂帶深部均向東傾斜且為規(guī)模較大的基底斷裂.圖7f為沿102°E剖面FF′下方的速度結(jié)構(gòu),顯示以鮮水河斷裂帶為界,以南川滇北西塊體、以北龍門山次級塊體地殼呈現(xiàn)明顯低速;小金河斷裂帶(XJF)和鮮水河斷裂帶(XSF)下方速度等值線發(fā)生明顯變化,暗示兩者均延伸到地殼深部.

3.3 速度圖上地震分布特征

地震孕育的深部構(gòu)造背景一直是地球科學(xué)關(guān)注的熱點問題之一.從地球物理探測揭示的深部結(jié)構(gòu)來看：地震多發(fā)生在地震波速(竇立婷等,2021)、電阻率(王緒本等,2017)、重力異常(姜永濤等,2015)及大地?zé)崃?唐晗晗等,2020)等介質(zhì)物性參數(shù)發(fā)生變化的過渡帶或梯度帶上,位于斷裂帶內(nèi)部或附近區(qū)域.本文研究區(qū)域內(nèi)的龍門山斷裂帶、鮮水河—安寧河斷裂帶、虎牙斷裂帶等多條活動斷層都是發(fā)震構(gòu)造,從7b、f展示的速度剖面上看,2008年MS8.0汶川、2018年MS5.1西昌及2022年MS6.8瀘定地震均發(fā)生在高-低速過渡區(qū).汶川地震的發(fā)震斷層為龍門山中央斷裂帶(陳運泰等,2013),瀘定地震的發(fā)震斷層為鮮水河斷裂帶(徐泰然等,2022).西昌地震的發(fā)震斷層可能為金河—菁河斷裂帶與安寧河斷裂帶之間的得力鋪斷裂(DLPF),該斷裂走向近南北、以陡傾角向西傾斜,運動學(xué)性質(zhì)為左旋走滑(魏婭玲等,2020),從圖7f速度結(jié)構(gòu)推測其向下延伸至地殼介質(zhì)脆-韌性轉(zhuǎn)換深度范圍15～20 km.

4 討論

龍門山斷裂帶和龍日壩斷裂帶構(gòu)成龍門山次級塊體東、西邊界.目前有關(guān)青藏高原東緣隆升變形模式大多著眼于龍門山斷裂帶的重要性,而忽視了龍門山次級塊體及龍日壩斷裂帶在構(gòu)造變形、應(yīng)變分配及傳遞中的作用.圖7a速度結(jié)構(gòu)表明龍門山次級塊體相比于鄰近塊體地殼速度整體偏低.為進一步探討導(dǎo)致這一現(xiàn)象的原因,我們沿Zhao等(2012)實施的兩條大地電磁剖面位置(圖2-L1, L2)繪制了相應(yīng)速度剖面(圖2-GG′, HH′),其中HH′剖面位置與Guo等(2015)實施的人工源深地震反射剖面近乎重合.圖8a—b、c—d分別對應(yīng)L2、L1剖面下方的速度和電性結(jié)構(gòu).HH′和GG′在姜永濤等(2015)川滇地區(qū)剩余重力異常圖上的位置如圖9b所示,揭示兩條剖面下方龍門山次級塊體地殼介質(zhì)密度異常偏低.綜合速度、電性和密度特征,可以得出：龍門山次級塊體相比于東側(cè)龍門山斷裂帶和四川盆地地殼呈現(xiàn)顯著低速、低阻、低密度特征.此外,圖8a、d中速度等值線變化趨勢指示龍日壩斷裂帶深部向南東傾斜、龍門山斷裂帶則向北西傾斜,與前述觀測現(xiàn)象一致.

圖8 (a)和(d)分別為圖2中HH′ 和GG′剖面下方的P波速度結(jié)構(gòu),(b)和(c)為Zhao等(2012)獲得的類似剖面位置(圖2-L2, L1)下方的電性結(jié)構(gòu)(c)、(d)中紅色五角星為2008年汶川地震. LRBF：龍日壩斷裂帶;LMSF：龍門山斷裂帶;LQSF：龍泉山斷裂帶.

圖9 (a) 1999—2013年測量的GPS水平運動速率向東跨過龍日壩斷裂帶,在龍門山次級塊體發(fā)生了明顯減小(Liang et al., 2013); (b) 川滇地區(qū)剩余重力異常(姜永濤等,2015); (c) 揚子塊體西緣與青藏高原東緣構(gòu)造接觸帶內(nèi)地震活動性分布(震級≥3.0;來源美國地質(zhì)調(diào)查局); (d) 沿圖(c)中A-B線地震重定位深度剖面(何建軍等,2016); (e) 根據(jù)低溫?zé)崮甏鷮W(xué)資料繪制的青藏高原東部“雙向造山楔”示意圖 (Li et al., 2023)

根據(jù)GPS研究(圖9a),塊體水平運動速率向東跨過龍日壩斷裂帶后,在龍門山次級塊體明顯減小(Liang et al., 2013).姜永濤等(2015)對川滇地區(qū)開展了重力學(xué)研究,結(jié)果發(fā)現(xiàn)(1)龍門山次級塊體地形低于阿壩次級塊體,但其自由空氣重力異常值卻比西側(cè)阿壩次級塊體高;(2)剩余重力異常(將Moho起伏引起的地表重力異常從區(qū)域布格重力異常中去除)在龍日壩斷裂帶兩側(cè)存在差異,在龍門山次級塊體內(nèi)部存在南北分異性.一般而言,地形越高對應(yīng)自由空氣重力異常值越大,剩余重力異常則反映了地殼介質(zhì)密度異常.如圖9b所示,龍門山次級塊體北部為負異常,表示介質(zhì)密度低,與觀測到的低速、低阻特征相吻合;南部為正異常,表明介質(zhì)密度異常相比于北部偏高,可能反映了龍門山次級塊體南部構(gòu)造擠壓更為強烈,造成介質(zhì)密度增加.據(jù)研究,以北川—安縣一線為界,沿走向可以將龍門山斷裂帶分為南、北兩段,兩者在斷層傾角、運動學(xué)性質(zhì)、地震活動性、構(gòu)造演化歷史等方面均有差異(李智武等,2008;邵崇建,2019),表現(xiàn)為南段新生代構(gòu)造變形更為強烈,逆沖推覆作用一直向東擴展至四川盆地內(nèi)部,造成大邑、熊坡、龍泉山、威遠等一系列背斜褶皺及伴生斷裂.龍門山斷裂帶南北分段性特征,可能與西側(cè)龍門山次級塊體南北地殼介質(zhì)的密度分異有關(guān),密度增加的介質(zhì)使得青藏高原向東運動的推覆力更容易傳遞到龍門山斷裂帶且傳播距離也更遠.

青藏高原東緣地震活動性如圖9c所示,地震目錄參考USGS-NEIC(United States Geological Survey-National Earthquake Information Center, 美國地質(zhì)調(diào)查局-國家地震信息中心),震級≥ 3.0,時間范圍1908—2021年,可見地震活動集中分布在岷山斷塊—龍門山斷裂帶.四川盆地具有穩(wěn)定克拉通基底,歷史地震活動性本也不高,但龍門山次級塊體處于青藏高原東緣與揚子塊體西緣強烈碰撞擠壓區(qū),現(xiàn)今塊體內(nèi)部地震活動性明顯偏弱,尤其是龍日壩斷裂帶作為一條重要的活動斷裂帶,卻沒有現(xiàn)代地震記錄.圖9d為何建軍等(2016)地震重定位研究獲得的圖9c-AB剖面附近垂向地震分布,可以更清楚的看到龍門山次級塊體缺乏地震活動,龍日壩斷裂帶(LRBF)僅有一些小震分布且指示該條斷裂帶傾角很陡.根據(jù)本文速度結(jié)構(gòu)及前述內(nèi)容,我們推測該地區(qū)介質(zhì)力學(xué)性質(zhì)相對較弱,累積應(yīng)變能主要被地層褶皺和地殼縮短吸收從而造成中強地震缺失.Li等(2023)根據(jù)低溫?zé)崮甏鷮W(xué)研究,發(fā)現(xiàn)龍日壩斷裂帶與汶川—茂縣斷裂之間(即龍門山次級塊體)容納了寬達～150 km的晚新生代快速剝露帶,最大剝露幅度超過15 km,說明晚新生代該塊體發(fā)生過快速隆升;他們提出龍日壩斷裂帶(包括西支龍日曲斷裂和東支毛爾蓋斷裂)在深部應(yīng)該為傾向南東的反沖構(gòu)造,與傾向北西的龍門山構(gòu)造帶組成了“雙向造山楔”構(gòu)造模式(圖9d),共同調(diào)節(jié)晚新生代青藏高原東緣隆升變形,顯然本文速度結(jié)構(gòu)也支持這種斷裂幾何學(xué)特征.

綜上所述,我們認為龍門山次級塊體地殼低速可能與該區(qū)域構(gòu)造擠壓強烈、介質(zhì)密度分異調(diào)整有關(guān).該塊體地殼介質(zhì)相比于四川盆地相對較軟,不易發(fā)生脆性破裂導(dǎo)致現(xiàn)今缺乏地震活動,轉(zhuǎn)而在遭受晚新生代青藏高原向東運動遭遇揚子克拉通阻擋后以垂向地殼縮短增厚、地表褶皺隆升變形為主要特征.除龍門山斷裂帶外,龍日壩斷裂帶在青藏高原東緣應(yīng)變分配中也應(yīng)起重要作用,兩者傾角不同在應(yīng)變分配過程中承擔(dān)的角色也不同：龍門山斷裂帶因傾角較緩以逆沖運動為主要特征,調(diào)節(jié)吸收地殼縮短量,而龍日壩斷裂帶因傾角較陡主要吸收水平走滑變形.

5 結(jié)論

(1)龍門山次級塊體相比于龍門山斷裂帶和四川盆地呈現(xiàn)低速特征,結(jié)合該區(qū)域低阻、低密度、地震活動性缺乏等特征,推測該塊體地殼介質(zhì)巖石力學(xué)性質(zhì)“相對較軟”,不易脆性破裂產(chǎn)生地震,其累積應(yīng)變能釋放的主要形式為地殼縮短、地表隆升變形.

(2)根據(jù)速度等值線變化,推測龍日壩斷裂帶深部向南東傾斜且傾角較陡,為傾向北西的龍門山推覆構(gòu)造系統(tǒng)的反沖構(gòu)造,兩者在調(diào)節(jié)青藏高原東緣晚新生代構(gòu)造隆升變形中都起重要作用.其中,龍門山斷裂帶傾角較緩,主要以逆沖運動導(dǎo)致地殼縮短和山體隆升;龍日壩斷裂帶傾角較陡,主要以走滑運動吸收塊體之間的水平運動差異.

(3)根據(jù)該區(qū)速度剖面、電性剖面及重力異常的聯(lián)合約束,推測鮮水河、安寧河斷裂帶均以較大傾角向東傾斜,至少延伸至中下地殼;大涼山、得力鋪斷裂帶向下延伸至少達15～20 km深度.

致謝謹(jǐn)以此文祝賀滕吉文先生90華誕暨從事地球物理工作70年.感謝中國科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所苗來成研究員和白志明副研究員對本文提出的寶貴建議.