金川—蘆山—犍為剖面重力異常和地殼密度結(jié)構(gòu)特征

楊光亮， 申重陽， 吳桂桔， 談洪波，石磊， 汪健， 張品， 王嘉沛

1 中國地震局地震研究所(地震大地測量重點實驗室)， 武漢 430071 2 中國地震局地殼應(yīng)力研究所武漢科技創(chuàng)新基地， 武漢 430071 3 中國科學(xué)院計算地球動力學(xué)重點實驗室， 北京 100049 4 中國地震局地球物理研究所， 北京 100081

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金川—蘆山—犍為剖面重力異常和地殼密度結(jié)構(gòu)特征

楊光亮1，2，3， 申重陽1，2*， 吳桂桔1，2， 談洪波1，2，石磊4， 汪健1，2， 張品1，2， 王嘉沛1，2

1 中國地震局地震研究所(地震大地測量重點實驗室)， 武漢 430071 2 中國地震局地殼應(yīng)力研究所武漢科技創(chuàng)新基地， 武漢 430071 3 中國科學(xué)院計算地球動力學(xué)重點實驗室， 北京 100049 4 中國地震局地球物理研究所， 北京 100081

重力剖面金川—蘆山—犍穿越蘆山震區(qū)，近垂直于龍門山斷裂帶南段，長約300 km，測點距平均2.5 km，采用高精度絕對重力控制下的相對重力聯(lián)測與同址GPS三維坐標(biāo)測量，獲得了沿剖面的自由空氣異常和布格重力異常，并對布格重力異常進(jìn)行了剩余密度相關(guān)成像和密度分層結(jié)構(gòu)正反演研究.結(jié)果表明，蘆山地震所在的龍門山斷裂帶南段存在垂直斷裂走向的寬廣的巨型重力梯級帶，重力變化達(dá)252×10-5m·s-2以上(龍泉山以西)，反映出四川盆地與松潘—甘孜地塊地殼厚度陡變(約14.5 km)性質(zhì)；四川盆地與松潘—甘孜地塊過渡區(qū)(龍門山斷裂帶與新津—成都—德陽斷裂之間)存在(30～50)×10-5m·s-2的剩余異?！鞍枷荨保赡芘c上地殼低密度體、山前剝蝕與松散堆積和推覆體前緣較為破碎有關(guān)；剩余密度相關(guān)成像顯示地殼密度呈現(xiàn)分段性特征，在蘆山地震位置出現(xiàn)高低密度變化；地殼呈現(xiàn)三層結(jié)構(gòu)，四川盆地上、中、下地殼底界面平緩，反映其穩(wěn)定阻擋作用，而松潘—甘孜塊體上、中、下地殼底界面明顯往盆地逐步抬升，反映出青藏高原往東的強(qiáng)烈擠壓作用；松潘—甘孜塊體往東推覆變形主要集中在上地殼范圍內(nèi)，推覆深度隨離龍門山斷裂帶愈近而越淺.本文通過對密度分布及結(jié)構(gòu)特征的研究，分析了蘆山地震及龍門山地區(qū)地殼構(gòu)造背景和當(dāng)前活動性的深部動力環(huán)境特征.

蘆山地震； 重力剖面； 布格重力異常； 地殼結(jié)構(gòu)； 龍門山斷裂帶

1 引言

龍門山斷裂帶(天全至廣元)長約500 km,寬約30～50 km(李勇和曾允孚，1994；陳運(yùn)泰等，2013)，處于深部構(gòu)造運(yùn)動復(fù)雜的重力異常梯度帶上, 是地殼厚度由東向西急劇加厚的陡變過渡帶(馬宗晉和鄭大林，1981；滕吉文等，2008)，亦是地殼介質(zhì)波速擾動的正負(fù)異常分界線(王椿鏞等，2003), 物質(zhì)的組成與結(jié)構(gòu)十分復(fù)雜，但具有分段特征(樓海等，2010).繼該帶中段2008年5月4日發(fā)生汶川MS8.0強(qiáng)烈地震后，2013年4月20日在其西南段再次發(fā)生蘆山7.0級強(qiáng)烈地震(北緯30°19′,東經(jīng)102°57′)，震中距汶川地震僅87 km.蘆山地震破裂具逆沖性質(zhì)，震源深度約13 km(劉杰等，2013)，位于龍門山斷裂帶南段的大川—雙石斷裂附近(陳立春等，2013).國內(nèi)外對這次地震有關(guān)問題十分關(guān)注，開展了大量研究(詹艷等,2013;Ren et al.,2013; Chen et al.,2014).該次地震孕育發(fā)生的構(gòu)造動力學(xué)背景有何特點？與汶川地震有何差異？目前仍具一定爭議.

近年來, 在龍門山斷裂帶及鄰近的鮮水河斷裂帶實施了大量的地球物理探測研究,采用多種地球物理方法獲得了該區(qū)地殼上地幔結(jié)構(gòu)特征.人工地震深部探測研究獲得了龍門山斷裂帶西南段的二維和三維速度結(jié)構(gòu)(王椿鏞等，2002，2003；王有學(xué)等，2005；高銳等，2006；嘉世旭和張先康，2008;嘉世旭等,2014；蔡學(xué)林等，2008；張季生等，2009)，結(jié)果顯示莫霍界面自松潘甘孜地塊向龍門山斷裂帶及四川盆地逐漸抬升，變化范圍為40～60 km.寬頻帶地震臺站觀測及接收函數(shù)研究(張忠杰等，2009；Bai et al.,2010)顯示松潘—甘孜地塊地殼厚度58 km，四川盆地地殼厚度約40 km.樓海和王椿鏞(2005)、樓海等(2008，2010)分析了川滇及鄰區(qū)視密度分布，探討了龍門山斷裂帶的向下伸展可能模式及深部環(huán)境.多條大地電磁剖面穿過龍門山斷裂帶，電性結(jié)構(gòu)差異顯示(孫潔等，2003；金勝等，2010；詹艷等，2013)，測區(qū)地下介質(zhì)的電性在縱向上表現(xiàn)為多層結(jié)構(gòu)，橫向以鮮水河斷裂和龍門山斷裂相對應(yīng)的兩組電性梯度帶為界，具有分塊特征，龍門山斷裂帶西南段自地表到上地幔頂部存在龍門山高阻體.Zhang等(2014)利用跨汶川震區(qū)(映秀、北川)的二條重力剖面對龍門山斷裂帶中段的地殼密度結(jié)構(gòu)進(jìn)行了研究，但龍門山斷裂帶南段尚缺乏精細(xì)的密度結(jié)構(gòu)信息.

重力剖面探測一直得到廣泛應(yīng)用，其通過高精度、小間距、跨斷層觀測地表重力異常來反演研究地下物質(zhì)密度分布特征(包括塊體之間差異性、深淺構(gòu)造密度差異等)，并推估地殼內(nèi)部地質(zhì)構(gòu)造展布和介質(zhì)變形狀態(tài).如Halls和Mound(1998)及Nitescu和Halls(2002)利用剖面高精度重力與GPS定位數(shù)據(jù)反演獲取了加拿大卡普斯卡辛構(gòu)造區(qū)斷裂帶發(fā)育與產(chǎn)狀情況；孟令順等(1990)研究了新疆葉城—西藏獅泉河重力剖面的地殼莫霍面結(jié)構(gòu)；王謙身等(1997)利用青藏高原西部吉隆—魯谷剖面高程與重力異常的關(guān)系進(jìn)行對比分析，得到了各地殼塊體構(gòu)造單元非均衡狀態(tài).本文根據(jù)跨越龍門山斷裂帶南段的一條長300 km剖面所獲得的觀測數(shù)據(jù)，研究沿剖面的重力異常分布特征及其所反映的地殼分層密度結(jié)構(gòu)特征，探討蘆山7.0地震孕育發(fā)生的構(gòu)造動力學(xué)環(huán)境.

2 重力剖面數(shù)據(jù)

2.1 研究區(qū)地質(zhì)構(gòu)造背景

蘆山地震位于由龍門山、鮮水河和安寧河三大主要斷裂帶構(gòu)成的“Y”形交匯區(qū)或川滇地塊、松潘地塊以及華南地塊過渡區(qū)(張培震，2008)內(nèi)的龍門山斷裂帶南段(圖1，陳立春等，2013).龍門山斷裂帶以逆沖推覆運(yùn)動為主兼有右旋走滑(陳社發(fā)等，1994)，鮮水河斷裂帶、安寧河斷裂帶以左旋走滑運(yùn)動為主，三大斷裂帶的相互作用，導(dǎo)致該區(qū)大震頻發(fā)，地殼構(gòu)造運(yùn)動劇烈且十分復(fù)雜.龍門山逆沖推覆斷裂帶是青藏高原東部的松潘—甘孜地塊與華南地塊西北的四川盆地之間的邊界，兩側(cè)構(gòu)造塊體的地質(zhì)構(gòu)造差異運(yùn)動十分明顯.松潘—甘孜地塊廣泛分布巨厚三疊紀(jì)復(fù)理石雜巖沉積；龍門山逆沖推覆斷裂帶主要分布前寒武變質(zhì)巖帶，自東北向西南依次分布有彭灌雜巖、寶興雜巖及康定雜巖三個主要雜巖帶；四川前陸盆地基底由花崗巖、流紋英安巖組成，盆地內(nèi)部為呈近水平分布的沉積巖層，是古生代和中、新生代前陸盆地疊合的復(fù)式盆地, 盆地地層層序齊全.

從大尺度區(qū)域布格異常(據(jù)地質(zhì)礦產(chǎn)部1988年編制出版的1∶400萬《中國布格重力異常圖》改繪)來看(圖1), 龍門山造山帶及震中區(qū)處于布格重力異常北東向線性高梯度帶上，梯級變化達(dá)260 mGal左右.該梯級帶在蘆山附近開始往南拐曲，并在瀘定附近開始往南西和南南東分為兩支.汶川8.0地震也發(fā)生在這一北東向重力異常梯級帶上，反映出兩次地震孕育構(gòu)造環(huán)境的共性和局部差異.已有研究表明(樓海和王椿鏞，2005;樓海等，2008)龍門山斷裂帶兩側(cè)深淺介質(zhì)視密度分布明顯差異(四川盆地密度較高，松潘—甘孜塊體密度較低)，暗示深部(下地殼和地幔)與淺部(上、中地殼)物質(zhì)在運(yùn)移過程中解耦.

圖1 蘆山震區(qū)布格異常與主要斷層分布Fig.1 Regional Bouguer gravity anomaly and faults

圖2 重力剖面測點分布及構(gòu)造 紅色圓點為重力測點，黃色圓圈為蘆山地震， 五角星為絕對重力點，斷裂信息據(jù)鄧起東(2007).Fig.2 Gravity stations and tectonic structures Red dots are gravity stations, yellow circle is Lushan earthquake postion, star are absolute gravity stations, tectonic structures after Deng (2007).

2.2 數(shù)據(jù)采集

金川—蘆山—犍為重力剖面測點分布如圖2所示.該剖面自西北部的金川，依次經(jīng)過馬爾康斷裂末端、龍門山斷裂帶(汶川—茂汶斷裂、映秀—北川斷裂和大川—雙石斷裂、新津—成都—德陽斷裂和龍泉山西緣斷裂，直至東南部的犍為，總體上呈北西—南東向.該剖面地形高差起伏跨度較大，范圍為300～5000 m，蘆山西北部毗鄰青藏高原，地形陡峭，落差大，構(gòu)造復(fù)雜；蘆山東南部深入四川盆地，地形平坦.測點平均點距約2.5 km，同址進(jìn)行重力和GPS三維坐標(biāo)觀測，相對重力聯(lián)測時與附近的姑咱、郫縣兩個絕對重力點連測(圖2中五角星)，共采集127個有效測點數(shù)據(jù)，相對重力聯(lián)測采用高精度Scintrex CG-5型自動重力儀,GPS三維地理坐標(biāo)觀測采用Trimble SPS882全球?qū)Ш叫l(wèi)星接收機(jī).圖2中北西向虛直線為剖面測點擬合線，為便于后述分析，實測點位的位置由其在虛直線上的投影點來代替，這不會造成沿剖面走向的重力異常信號損失.

2.3 重力與GPS數(shù)據(jù)處理及重力異常

以WGS84高程坐標(biāo)系統(tǒng)為基準(zhǔn)，對重力觀測數(shù)據(jù)依次作漂移、潮汐等改正后，作平差處理，得到各測點重力觀測值，其點值精度優(yōu)于20×10-8m·s-2. 再對重力觀測值依次進(jìn)行正常重力改正、大氣改正、高度改正、地形改正、中間層改正得到重力自由空氣異常、完全布格異常(圖3).自由空氣異常可近似看作補(bǔ)償深度為零的均衡異常(成福元等，1991)，與地形高程相關(guān)性較高，因而地形改正量與自由空氣異常呈反相相關(guān)，圖3顯示其相關(guān)性對應(yīng)較好，只是部分區(qū)段(-40～0 km間)的自由空氣異常和地形改正量相關(guān)性稍異.在西北部地形較復(fù)雜地區(qū)，最大改正量達(dá)50×10-5m·s-2；東南部地形平坦地區(qū)，地形改正量近于零.由此可見，地形改正基本消除了地表地形的影響.

從圖3可見，布格重力異?？傮w上呈漸進(jìn)式線性上升，變化范圍為(-403～-151)×10-5m·s-2，顯示出蘆山震區(qū)所在的龍門山斷裂帶南段存在巨型梯級帶，該梯級帶異常變化達(dá)252×10-5m·s-2以上，龍泉山以西(樂山)均處在梯級帶范圍.該梯級帶也呈現(xiàn)出分段特征，根據(jù)重力異常幅差變化可以分為三段.第一段為金川—達(dá)維—寶興段呈線性特征，一致性較好，該段主要斷裂為馬爾康斷裂，該斷裂僅末端與剖面相連，在布格異常圖上幾無明顯特征；第二段為寶興—蘆山—雅安—洪雅段，即映秀—北川斷裂與新津—成都—德陽斷裂之間，布格異常在線性背景上明顯“凹陷”，其中映秀—北川斷裂兩側(cè)異常幅差達(dá)50×10-5m·s-2，新津—成都—德陽斷裂兩側(cè)異常幅差達(dá)30×10-5m·s-2，可能與上地殼低密度層、山前剝蝕與松散沉積或推覆體前緣較為破碎等有關(guān)；第三段為洪雅—樂山—犍為，該段布格異常趨于平穩(wěn).主要發(fā)育有龍泉山西緣斷裂，在該斷裂兩側(cè)布格重力異常稍有抬升，似與龍泉山褶皺發(fā)育有關(guān).

對剖面布格重力異常去除線性趨勢得到剩余重力異常(圖4)，其更加突出局部重力變化信息.從剩余重力異常中可見，夾金山至蘆山之間存在明顯的重力異常高，反映出推覆體物質(zhì)長期累積狀況；龍門山斷裂帶與新津—成都—德陽斷裂之間存在局部異常低或“凹陷”，其可能與上地殼低密度體、山前剝蝕與松散堆積和推覆體前緣較為破碎有關(guān)；龍泉山西緣斷裂附近，存在剩余布格異常局部高現(xiàn)象.

3 剖面密度分布模型及其分析

布格重力異常是地殼物質(zhì)分布不均勻引起的，對布格重力數(shù)據(jù)進(jìn)行反演計算可獲得地下密度分布模型.不作任何先驗信息約束的重力反演，如通過歐拉反褶積、維納分解及剩余密度相關(guān)成像法(郭良輝等，2009)可探測地下空間物性分布圖像，獲取地殼密度分布的差異特征.在此基礎(chǔ)上，借助其他地質(zhì)和地球物理信息依據(jù)一定的準(zhǔn)則進(jìn)行反演計算，可進(jìn)一步獲得可信的地殼結(jié)構(gòu)分布模型.本文先采用剩余密度的相關(guān)成像方法對剖面密度結(jié)構(gòu)作初步探查，獲取剩余密度分布信息；再結(jié)合該區(qū)域已有人工地震結(jié)果進(jìn)行選擇法重力反演，研究沿剖面的地殼密度分布特征.

3.1 剩余密度相關(guān)成像

剩余密度相關(guān)成像方法是將地下空間剖分成二維規(guī)則網(wǎng)格，計算每一網(wǎng)格結(jié)點單位剩余密度差所產(chǎn)生的異常與實測異常在一定窗口范圍內(nèi)的歸一化互相關(guān)系數(shù)(或稱場源發(fā)生的概率)，根據(jù)網(wǎng)格結(jié)點上場源出現(xiàn)的概率勾畫出界于-1和+1之間的等效物性參數(shù)表示的場源分布.剩余密度相關(guān)成像扣除了重力場的背景信息，可突出地下介質(zhì)密度非均勻性.相關(guān)系數(shù)的大小表示質(zhì)量虧損和盈余的程度，零值表示既不虧損也不盈余，值越大表示盈余(正值)或虧損(負(fù)值)越大.利用郭良輝等(2009)提供的重力多參量數(shù)據(jù)相關(guān)成像系統(tǒng)(GravCI3D)計算得到了基于異常分離的剖面相關(guān)成像結(jié)果(圖5).

圖5所示的剩余密度相關(guān)成像結(jié)果清晰地展示了該剖面地下介質(zhì)的分段特征和深淺構(gòu)造差異.松潘—甘孜塊體、華南塊體的川西前陸盆地和龍門山斷裂帶過渡區(qū)呈現(xiàn)相異的地殼物質(zhì)分布特性.松潘—甘孜塊體物質(zhì)偏于虧損(負(fù)值)，俞往下虧損俞嚴(yán)重；密度擾動主要發(fā)生在上地殼(10 km以內(nèi))，在馬爾康斷裂處存在密度擾動，但影響范圍有限；中、下地殼相關(guān)系數(shù)變化不大，整體連續(xù)性較完整.龍門山斷裂帶大部分處于零值附近，中央斷裂與后山斷裂附近主要呈正值，在前山斷裂(灌縣—安縣斷裂)附近出現(xiàn)形狀不規(guī)則、范圍較大的局部物質(zhì)虧損(負(fù)值)區(qū)，蘆山地震震源區(qū)正處于該局部物質(zhì)虧損區(qū)的邊緣.新津—成都—德陽斷裂至龍泉山斷裂以東，相關(guān)系數(shù)在各地殼深度逐步增大、完整性較好，樂山—犍為中下地殼顯示大片盈余(正值)隆起區(qū).因此，從剩余密度相關(guān)成像可知，剖面地殼的密度擾動具有虧損、盈虧交替及盈余的橫向分段(塊)特征.

3.2 地殼密度分層結(jié)構(gòu)

首先根據(jù)剖面地殼結(jié)構(gòu)具有縱向分層、橫向分塊特征建立初始模型.由上述剩余密度相關(guān)成像結(jié)果，可將剖面地殼密度結(jié)構(gòu)在橫向上分為松潘—甘孜地塊、龍門山過渡帶(龍門山斷裂帶至新津—成都—德陽斷裂)、華南地塊(四川盆地)三段；縱向分層可參考本區(qū)域及鄰區(qū)已有的地震測深、層析成像結(jié)果.嘉世旭等(2014)通過人工地震寬角反射/折射方法獲得了龍門山中段褶皺造山帶及兩側(cè)的二維非均勻地殼速度結(jié)構(gòu)模型.王椿鏞等(2003)在金沙江附近的竹巴龍, 經(jīng)理塘、雅江、康定和雅安, 至岷江附近的資中開展了深地震測深研究, 該剖面東段與本剖面基本重合.蔡學(xué)林等(2008)在王椿鏞等(2003)成果的基礎(chǔ)上，對其進(jìn)行了構(gòu)造解析.以這些地震測深剖面速度結(jié)構(gòu)成果主，結(jié)合區(qū)域其他地震層析成像結(jié)果(王椿鏞等，2002)，構(gòu)建剖面區(qū)域地殼速度結(jié)構(gòu)模型，并利用經(jīng)驗關(guān)系轉(zhuǎn)換成密度(楊光亮等，2011)，獲得地殼各層密度初始模型(見表1).

圖3 剖面重力異常、地形改正與斷裂位置關(guān)系(mGal=10-5 m·s-2)Fig.3 Gravity anomaly,terrain correction and fault along gravity profile(mGal=10-5 m·s-2)

圖4 剖面剩余重力異常Fig.4 Residual gravity anomaly

圖5 剖面布格重力異常相關(guān)成像Fig.5 2D correlation imaging for gravity anomaly of profile

表1 剖面地殼密度初始模型Table 1 The initial model of the crust density

注：深度單位為km；密度單位為g·cm-3.

利用上述成果信息，采用人機(jī)交互的選擇法(Talwani，1959)進(jìn)行模擬與反演.反演時亦參考了大地電磁、地質(zhì)調(diào)查成果(孫潔，2003；王緒本，2008；金勝等，2010；詹艷等，2013)，最終獲得了圖6所示的剖面密度分層結(jié)構(gòu)模型(其中上圖為布格重力異常實際觀測值與擬合計算值).

由圖6可知，剖面地殼密度分層模型總體分為四層.上、中地殼密度呈現(xiàn)分段性，四川盆地密度略大于松潘甘孜塊體的，過渡區(qū)域所在的龍門山斷裂帶處密度略降低.C1為上地殼上部低密度覆蓋層的底界面，深度變化范圍為0～7 km，密度為2.40～2.43 g·cm-3，在龍門山斷裂帶以西較薄，往東逐漸增厚，最厚處為龍門山斷裂帶與四川盆地的過渡地帶，最深達(dá)7 km.C2為上地殼底界面, 深度變化范圍為6～20 km，龍門山斷裂帶以西上地殼底部存在一厚約2 km的低密度(2.62 g·cm-3)薄層，其從金川附近20 km深往東南逐步抬升，推測為推覆構(gòu)造體下部滑脫層.龍門山斷裂帶上地殼底面上隆至8 km左右，往東緩慢下降，到犍為約10 km.四川盆地上地殼下部密度為2.66～2.70 g·cm-3.C3為中地殼底界面，深度范圍為24～36 km，從西北往東南至新津—成都—德陽斷裂，逐步上升，其以東則平緩變化，C3總體起伏相對C2、C4界面較平緩.中地殼密度為2.83～2.85 g·cm-3.C4為下地殼與上地幔的分界面即莫霍面，深度范圍為42.5～57 km，莫霍面在龍門山斷裂帶附近下凹，往東遠(yuǎn)離龍門山斷裂帶則急劇抬升，龍門山斷裂帶兩側(cè)差異變化約14.5 km.下地殼密度為2.92～2.93 g·cm-3，莫霍面以下密度為3.35 g·cm-3.

總體而言，松潘—甘孜地塊上地殼底界抬升劇烈、中地殼底界緩慢抬升、下地殼底界中間高兩側(cè)低——弧形隆起；過渡帶的上地殼底界以山前斷裂為中心局部隆起、中地殼底界逐步抬升、下地殼急劇抬升；四川盆地各地殼界面相對平緩.嘉世旭等(2014)龍門山中段地震測深結(jié)果顯示，四川盆地地殼內(nèi)部界面及介質(zhì)速度橫向均勻, 地殼厚約41～43 km，松潘—甘孜塊體地殼厚約53～57 km，與本文結(jié)果基本一致.由此可見，在青藏地塊東向擠壓作用下，龍門山推覆體的前端應(yīng)力較為集中，同時中下地殼的向上隆升作用，使之成為構(gòu)造變形和斷裂易發(fā)部位.

4 結(jié)果和討論

4.1 動力學(xué)背景分析

從大尺度構(gòu)造動力環(huán)境來看，在印度板塊向北持續(xù)推擠作用下，青藏高原不斷隆升，造成高原物質(zhì)向北、向東擴(kuò)散，東流物質(zhì)受鄂爾多斯塊體和華南地塊(四川盆地)剛性塊體阻擋，導(dǎo)致了高原物質(zhì)側(cè)向流出現(xiàn)象、大型走滑剪切帶和東緣擠壓推覆構(gòu)造帶，其中龍門山斷裂帶為青藏高原東緣松潘—甘孜塊體與華南地塊的四川盆地分界上的推覆構(gòu)造帶(徐錫偉，2008；申重陽等，2009).這些構(gòu)造單元在青藏高原物質(zhì)東向運(yùn)移作用下，形成了龍門山地區(qū)的重力高梯度帶，該帶直接控制了剖面上龍泉山西緣斷裂(110 km處)以西的區(qū)域(圖7)；東向運(yùn)動受到華南塊體四川盆地的阻擋，引起的物質(zhì)密度變化主要發(fā)生在龍門山過渡帶(-50～52 km),該區(qū)域物質(zhì)上部沿著上地殼滑脫層移動，滑動傾角隨著靠近龍門山斷裂帶逐漸增大，其前端與華南塊體接觸部位形成陡傾角的龍門山斷裂帶，中部發(fā)生褶曲變形，下部因重力均衡調(diào)整向下深入地幔，引起莫霍面變形.龍泉山西緣斷裂以東區(qū)域不在重力梯度帶范圍，顯示為較穩(wěn)定的地殼結(jié)構(gòu)，幾乎不受東向推擠引起的構(gòu)造變形的影響.雅安一樂山剖面磁組構(gòu)的測試結(jié)果表明(羅良等，2013)龍門山西南地區(qū)新生代并沒有受到川西南褶皺帶構(gòu)造變形的影響，與本結(jié)果一致.

因此，松潘—甘孜塊體地殼增厚是青藏高原物質(zhì)東向運(yùn)移、堆積隆升、地殼均衡調(diào)整及四川盆地阻擋等作用長期演化造成的，也是汶川和蘆山地震重要的深部地球動力學(xué)背景；而松潘—甘孜地塊與四川盆地莫霍面巨大差異的形成和發(fā)育、中下地殼底部阻擋后迅速抬升，是龍門山斷裂帶發(fā)展和蘆山地震孕育形成的深部原因.

圖6 金川—蘆山—犍為剖面密度分層結(jié)構(gòu)Fig.6 Density structure of gravity profile along Jinchuan-Lushan-Jianwei

圖7 龍門山斷裂帶南段地殼運(yùn)動模式Fig.7 Crustal movement pattern of South Longmenshan Fault

4.2 地殼密度分段特征與動力學(xué)背景關(guān)系

金川—蘆山—犍為剖面布格重力異常的解譯結(jié)果，基本反映了龍門山斷裂帶南段地殼內(nèi)部構(gòu)造的深淺差異特征.從布格重力異常、剩余密度相關(guān)成像和地殼分層結(jié)構(gòu)圖像可見，龍門山斷裂帶南段橫向分塊、縱向分層特征明顯，為此，結(jié)合區(qū)域構(gòu)造動力學(xué)背景，分別對松潘—甘孜地塊、龍門山過渡帶和四川盆地的地殼結(jié)構(gòu)特征進(jìn)行分析.

松潘—甘孜地塊：松潘—甘孜地塊位于巴顏喀拉地塊的東部(張培震，2008).剩余密度成像(圖5)和分層密度結(jié)構(gòu)(圖6)顯示該地塊地殼密度相對四川盆地較低、但地殼厚度明顯要大，反映出地表隆升與地殼增厚可用艾利均衡模式來解釋(樓海等，2010)，與視密度分析結(jié)果(樓海等，2008)一致.其上地殼覆蓋層剩余密度相關(guān)系數(shù)呈正負(fù)交替，說明松潘—甘孜塊體向東推覆運(yùn)動造成地表密度劇烈變化，暗示其長期構(gòu)造演化形成的較強(qiáng)褶皺變形(陳社發(fā)等，1994).上地殼底部的低密度層有利于上部推覆變形作用往盆地的推進(jìn)，使松潘—甘孜塊體往東推覆變形主要集中在上地殼范圍內(nèi)，推覆深度隨離龍門山斷裂帶愈近而越淺，說明龍門山過渡帶中、下地殼差異上隆時可能伴生往北傾斜的向上掀斜力的作用.龍門山造山帶中段、北段人工地震結(jié)果顯示在松潘地塊上地殼底部10 km左右存在低密度薄層(蔡學(xué)林等，2008；嘉世旭等，2014)，表明松潘—甘孜地塊上地殼底部的低密度層是廣泛分布、龍門山推覆構(gòu)造體非常巨大的.中地殼總體抬升，幅度較上地殼平緩，反映出四川盆地對青藏高原往東的強(qiáng)烈擠壓的阻擋相對上地殼變?nèi)?，這可能因為中地殼較上地殼剛性變?nèi)?、塑性增?qiáng)(韌性轉(zhuǎn)換帶)所致(Clark and Royden,2000).臨近龍門山斷裂帶，莫霍面略有下降，可能與殼內(nèi)重力均衡調(diào)整有關(guān).該區(qū)重力均衡研究(樓海等，2010)顯示為較大的正均衡異常，莫霍面下降表明該區(qū)已對重力均衡響應(yīng)作了調(diào)整，但還未調(diào)整完全，推測莫霍面還有進(jìn)一步向下調(diào)整的空間.

龍門山過渡帶：龍門山斷裂帶與新津—成都—德陽斷裂之間的區(qū)域，由具逆沖推覆性質(zhì)的后山斷裂(汶川—茂汶斷裂)、中央斷裂(映秀—北川斷裂)、前山斷裂(灌縣—安縣斷裂)和山前隱伏斷裂等多條斷裂疊瓦狀組成.地震測深、層析成像(王椿鏞等，2003；朱介壽，2008；樓海等，2008；蔡學(xué)林等，2008;嘉世旭等，2014)均證實該區(qū)地殼特征主要為增厚、縮短、楔狀變形結(jié)構(gòu).從密度分層結(jié)構(gòu)可見(圖5)，龍門山斷裂帶以高角度破裂出現(xiàn)，其根部會合在一起.破裂集中在上地殼范圍內(nèi)(陳社發(fā)等，1994；張培震，2008；Bai et al，2010)，表明推覆構(gòu)造較淺.龍門山斷裂帶東部上覆低密度層由沉積速度較快所致.剩余密度相關(guān)成像結(jié)果顯示，龍門山過渡帶為微弱負(fù)值，表明該處密度相對整個剖面處于均值偏虧損狀態(tài).龍門山斷裂帶西南段的大地電磁剖面顯示(詹艷等，2013)在龍門山斷裂帶下部存在深至莫霍面的高阻體，蘆山地震發(fā)生在高低電阻率變換區(qū)域，與剩余密度相關(guān)成像的負(fù)密度異常區(qū)位置相近，也是相關(guān)系數(shù)高低值過渡位置，反映出松潘—甘孜地塊與四川盆地過渡區(qū)復(fù)雜動力作用效應(yīng)，剩余密度相關(guān)成像與該區(qū)域大地電磁反演圖像具有相似性.

該區(qū)域莫霍面發(fā)生急劇變化，深度從57 km抬升至42.5 km，總體幅差達(dá)到14.5 km.人工地震剖面研究(張忠杰等，2009)認(rèn)為莫霍面在龍門山下方存在約15 km迅速抬升，認(rèn)為龍門山斷裂帶屬于青藏高原東緣薄地幔向四川盆地下方厚地幔過渡帶的轉(zhuǎn)換部位，受到深達(dá)上地幔的華南塊體的阻擋，除向東南方向轉(zhuǎn)向外，還可能存在向下的垂直運(yùn)動分量，使莫霍面發(fā)生快速抬升.

四川盆地：四川盆地屬華南地塊的一部分，密度分層結(jié)構(gòu)顯示各層物質(zhì)基本為平行層狀分布，其剩余密度相關(guān)系數(shù)基本為正，新津—成都—德陽斷裂及龍泉山斷裂以東剩余密度相關(guān)系數(shù)在各地殼深度逐步增大、完整性較好，這種特性改變不了密度水平分層的基本特征，說明其對西部擠壓的穩(wěn)定阻擋作用.

4.3 蘆山地震與汶川地震的關(guān)系

2008年汶川8.0 級地震和此次蘆山7.0 級地震均發(fā)生在龍門山構(gòu)造帶上，前者發(fā)生在龍門山斷裂帶中段的中央斷裂附近，后者發(fā)生在龍門山斷裂帶的南段的前山斷裂附近，具備相類似的地質(zhì)構(gòu)造背景和地震活動背景.蘆山地震和汶川地震均發(fā)生在北東向重力梯級帶上，蘆山地震位于梯度帶往南開始拐曲部位，汶川地震位于北東走向的線性梯級帶上.穿過汶川地震的重力剖面顯示的密度結(jié)構(gòu)(Zhang et al., 2014)橫向上呈分段特征，密度略有差異；縱向上分多個密度層，密度結(jié)構(gòu)與本剖面基本相似，但其莫霍面略深，反映出兩次地震孕育構(gòu)造環(huán)境的共性和局部差異.

5 結(jié)論

2013年4月20日在龍門山斷裂帶西南段的前山斷裂(大川—雙石)附近發(fā)生了蘆山7.0級地震，國內(nèi)外對該次地震孕育發(fā)生的深部構(gòu)造動力學(xué)背景及其與汶川地震的差異等十分關(guān)注.本文利用橫貫龍門山斷裂帶南段的金川—蘆山—犍為重力剖面觀測數(shù)據(jù)，對該區(qū)重力異常分布及其所反映的地殼深部分層密度結(jié)構(gòu)特征和蘆山7.0地震孕育發(fā)生的構(gòu)造動力學(xué)環(huán)境等進(jìn)行了研究，得到以下結(jié)論.

(1)重力觀測結(jié)果顯示，金川—蘆山—犍為剖面布格重力異常由西北往東南逐步增大，龍泉山以西重力異常幅差達(dá)252×10-5m·s-2，與區(qū)域布格重力異常展示的走向平行龍門山斷裂帶的巨型重力梯級帶一致.剖面布格重力異常具有分段特征，金川—達(dá)維—寶興段呈線性特征；寶興—蘆山—雅安—洪雅段，即映秀—北川斷裂與新津—成都—德陽斷裂之間，布格異常在線性背景上明顯“凹陷”，其中映秀—北川斷裂兩側(cè)異常幅差達(dá)50×10-5m·s-2，新津—成都—德陽斷裂兩側(cè)異常幅差達(dá)30×10-5m·s-2，可能與上地殼低密度層、山前剝蝕與松散沉積或推覆體前緣較為破碎等有關(guān)；洪雅—樂山—犍為段布格異常趨于平穩(wěn)，與四川盆地地殼穩(wěn)定特性有關(guān).

(2)剖面地殼密度結(jié)構(gòu)分為四層，川西前陸盆地密度略大于松潘甘孜塊體.上地殼上伏有一低密度覆蓋層，密度為2.40～2.43 g·cm-3，基底深度為0～7 km，西薄東厚；上地殼下部密度為2.69～2.70 g·cm-3，底界深度為6～20 km，龍門山斷裂帶附近上地殼隆起，最淺處僅約6 km，映秀—北川斷裂以西上地殼底部存在一低密度(2.62 g·cm-3)滑脫薄層；中地殼密度為2.83～2.85 g·cm-3，底界深度為24～36 km，界面起伏相對其上下界面較平緩；下地殼密度為2.92～2.93 g·cm-3，其底界莫霍面深度為42.5～57 km，龍門山斷裂帶附近兩側(cè)差異變化約14.5 km.寶興—蘆山—雅安—洪雅段是松潘塊體和四川盆地的過渡區(qū)域，密度相關(guān)成像顯示前山斷裂(灌縣—安縣斷裂)附近存在較大的局部物質(zhì)虧損區(qū)，蘆山地震震源處于此局部物質(zhì)虧損區(qū)邊緣部位.

(3)該剖面跨越了松潘—甘孜塊體、龍門山斷裂帶和華南塊體，在印度板塊對青藏塊體的推擠作用下，青藏高原物質(zhì)沿巴顏喀拉塊體逐步向東推擠、運(yùn)移，受四川盆地的阻擋在其東部的松潘—甘孜塊體不斷積累，形成了龍門山地區(qū)的重力高梯度帶，該帶直接控制了剖面上龍泉山西緣斷裂(110 km處)以西地區(qū).同時，四川盆地的阻擋作用引起物質(zhì)密度變化主要發(fā)生在龍門山斷裂帶及鄰區(qū)(剖面中-50～52 km段).松潘—甘孜塊體東部上地殼物質(zhì)沿著下伏低密度滑脫層移動，從而形成推覆構(gòu)造運(yùn)動，推覆深度離龍門山斷裂帶愈近而越淺.中、下地殼易于發(fā)生褶曲變形、縮短，往下?lián)锨率鼓裘嫔杂凶冃?龍泉山西緣斷裂以東區(qū)域不屬重力異常梯度帶范圍，上、中、下地殼底界面平緩，顯示為較穩(wěn)定的剛性結(jié)構(gòu).

致謝 剖面野外觀測是由中國地震局“蘆山7.0地震科學(xué)考察”任務(wù)支持下完成，感謝科考指揮部及四川地震局、雅安測繪工程院的大力支持和幫助；感謝郭良輝提供剩余密度相關(guān)成像軟件.十分感謝匿名評審專家提出的修改建議和意見.

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(本文編輯 胡素芳)

Bouguer gravity anomaly and crustal density structure in Jinchuan-Lushan-Qianwei profile

YANG Guang-Liang1，2，3, SHEN Chong-Yang1，2*, WU Gui-Ju1，2, TAN Hong-Bo1，2,SHI Lei4, WANG Jian1，2, ZHANG Pin1，2, WANG Jia-Pei1，2

1KeyLaboratoryofEarthquakeGeodesy,InstituteofSeismology,ChinaEarthquakeAdministration,Wuhan430071,China2WuhanBaseofInstituteofCrustalDynamics,ChinaEarthquakeAdministration,Wuhan430071,China3KeyLaboratoryofComputationalGeodynamics,ChineseAcademyofSciences,Beijing100049,China4InstituteofGeophysics,ChinaEarthquakeAdministration,Beijing100081,China

On April 20, 2013, LushanMS7.0 earthquake occurred near the range-front fault of the southwest segment of Longmenshan fault zone (Dachuan-Shuangshi fault). The focal depth of the earthquake was 13 km, and the epicenter was only 87 km away from the Wenchuan earthquake. There was no trace of surface rupture. The background of the deep tectonic dynamics and the difference with the Wenchuan earthquake were concerned. According to the gravity profile data of Jinchuan-Lushan-Qianwei which was across the southern segment of Longmenshan fault zone, we try to analyze the characteristics of gravity anomaly distribution, deep crustal formation and density structure along the profile, and then investigate the tectonic dynamics environment of the LushanMS7.0 earthquake. The profile was across the Lushan earthquake, nearly perpendicular to the south section of Longmenshan fault zone, about 300 km long, and the spacing between gravity stations was 2.5 km. We obtained gravity observation value and the 3D coordinate (Longitude, latitude, altitude) by relative gravity surveying under the control of high precision absolute gravity and GNSS (global navigation satellite system), respectively. And then we got free air gravity anomaly and Bouguer gravity anomaly along the profile. Through data processing using residual density image correlation algorithm and interactive inversion interpretation, we obtained results of residual density correlation imaging and density stratification structures.Gravity observation results showed that Bouguer gravity anomaly of the profile from northwest to southeast gradually increased. The maximum change of gravity anomaly reaches to 252×10-5m·s-2in west of Longquanshan, and it was consistent with the giant gravitational gradient zone displayed in regional Bouguer gravity anomaly, which was parallel with Longmenshan fault zone. The gravity anomaly showed segmental feature. It was linear in the segment of Jinchuan-Dawei-Baoxing, "depression" in the segment of Baoxing-Lushan-Ya′an-Hongya, which lies in between Yingxiu-Beichuan fault and Xinjin-Chengdu-Deyang fault. The anomaly amplitude difference between the two sides of Yingxiu-Beichuan fault and Xinjin-Chengdu-Deyang fault was up to 50×10-5m·s-2and 30×10-5m·s-2, respectively. It may be correlated with the characteristics of low density body, denudation, loose accumulation or broken nappe in upper crust. Bouguer anomaly in Hongya-Leshan-Qianwei tended to be stable. It may be related to the characteristics of its crustal stability.The crust density structure was composed of four layers, and the density of the Sichuan basin was slightly larger than that of the Garzê-Songpan block. There was a low density covering layer in upper crust, whose depth was 0～7 km, with a density from 2.40 to 2.43 g·cm-3, thinner in west and thicker in east. The bottom depth of upper crust was from 6 to 20 km and there was a thin detachment layer with low density 2.62 g·cm-3in west of Yingxiu-Beichuan fault in the bottom of upper crust. The depth of middle crust was from 24 to 36 km and its density was 2.83 to 2.85 g·cm-3. The undulation of Moho was 42.5～57 km. The moho was depressed beneath the Longmenshan fault zone, and the depth difference between its two sides reached 14.5 km and density variation was from 2.92 to 2.93 g·cm-3. There was a local material loss region near the range-front fault (the Guanxian Anxian fault), which was irregular in shape, and Lushan earthquake occurred in the edge of the region, which was transfer position of material loss.The profile crosses the Songpan-Garzê block, Longmenshan fault zone, and the South China block. Under the control of pushing effect of Indian plate, Qinghai-Tibet Plateau pushed eastward along the Bayan Har block. Material accumulated in the eastern part of the Songpan Garzê block because of barrier of Sichuan Basin. So the high gravity gradient zone was formed. The west of Longquan mountain (110 km) was directly under control of the high gravity gradient. Material moved eastward and blocked by the Sichuan Basin of South China block, it caused density changes, which mainly occurred in the Longmen mountain fault zone and its adjacent area (50～52 km). In the eastern part of Songpan Garzê block, the material of upper crust moved along the lower density layer, and thus formed the movement of the thrust, and the closer the upper crustal detachment layer got to Longmenshan fault zone, the shallower it was. In the lower crust, it was easier to fold and shorten, which led to the slight deformation of Moho surface. As mentioned before, the area east of Longquan mountain fault was not in the gravity gradient zone, and the crust and upper mantle were stable, and the structures were almost not affected by the deformation caused by the eastward pushing.

Lushan Earthquake; Gravity profile; Bouguer gravity anomaly; Crust structure; Longmenshan fault

10.6038/cjg20150719.

中國地震局行業(yè)重大專項(201308011)，國家自然科學(xué)基金(41204014)和中國地震局地震預(yù)測研究所基本科研業(yè)務(wù)費專項(2013IES010103)資助;科研院所基本科研業(yè)務(wù)費(中國地震局地震研究所所長基金)(IS201416141)資助.

楊光亮，男，1980年生，副研究員，主要從事重力與地球動力學(xué)研究．E-mail：vforyang@gmail.com

*通訊作者 申重陽，男，1963年生，研究員，主要從事重力與地球動力學(xué)研究.E-mail：scy907@163.com

10.6038/cjg20150719

P312, P313

2015-03-20，2015-06-03收修定稿

楊光亮，申重陽，吳桂桔等. 2015. 金川—蘆山—犍為剖面重力異常和地殼密度結(jié)構(gòu)特征.地球物理學(xué)報，58(7):2424-2435,

Yang G L, Shen C Y, Wu G J, et al. 2015. Bouguer gravity anomaly and crustal density structure in Jinchuan-Lushan-Qianwei profile.ChineseJ.Geophys. (in Chinese),58(7):2424-2435,doi:10.6038/cjg20150719.