關于汶川地震成因機制的探討

地震成因是一個復雜的課題，本文從“密度平衡橢球體理論”關于地殼運動動力來源的基本原理出發(fā)，通過對中國西部和汶川地區(qū)地殼密度結構和P波的分析，從區(qū)域板塊運動和汶川地區(qū)二極構造運動兩個層次，從平面上和垂向上差異性，對汶川地震形成機制進行了探討。

2008年5月12日14時28分04秒，四川省汶川縣發(fā)生了8級大地震，面波震級達8.0Ms、矩震級達8.3Mw（根據(jù)美國地質(zhì)調(diào)查局的數(shù)據(jù)，矩震級為7.9Mw），地震烈度達到11度。地震波及大半個中國及多個亞洲國家。北至北京，東至上海，南至香港、泰國、臺灣、越南，西至巴基斯坦均有震感。

有關汶川地震的研究各方面的成果已發(fā)表論文達數(shù)萬篇，可謂數(shù)量巨大，但主要都從地震特征、應力場特征、構造地質(zhì)等角度進行探討，而關于汶川地震成因，主流意見認為印度洋板塊向亞歐板塊俯沖，造成青藏高原快速隆升導致地震。高原物質(zhì)向東緩慢流動，在高原東緣沿龍門山構造帶向東擠壓，遇到四川盆地之下剛性地塊的頑強阻擋，造成構造應力能量的長期積累，最終在龍門山北川—映秀地區(qū)突然釋放。逆沖、右旋、擠壓型斷層地震。四川特大地震發(fā)生在地殼脆—韌性轉(zhuǎn)換帶，震源深度為10km～20km，與地表近，持續(xù)時間較長，因此破壞性巨大，影響強烈。

地殼運動的動力來源是什么？一般理論都沒有令人信服的解釋。本文在分析研究了本區(qū)地殼結構特征的基礎上，從密度平衡橢球體理論[1]出發(fā)，對汶川地震產(chǎn)生的動力來源等成因問題進行了綜合分析研究。

區(qū)域條件

區(qū)域地殼結構特征

四川省汶川縣位于羌塘-揚子-華南板

塊[2]中部，即二級構造單元揚子陸塊與可可西里-巴顏喀拉中生代造山帶接合部（圖1）——龍門山推覆帶（龍門山走滑斷裂）。

由圖2可知，中國西部由西昆侖山、塔里木盆地、天山到準喀爾盆地，密度存在分帶現(xiàn)象，西昆侖山小于南部密度和北部的塔里木盆地；天山的密度大于準喀爾盆地，準喀爾盆地密度小于阿爾泰；同樣由圖3可知，由青藏高原、柴達木盆地、祁連山至河西走廊也存在密度分帶；由圖4可知，由準噶爾盆地、天山、吐-哈盆地、祁連山、柴達木盆地、阿尼瑪卿山、巴顏喀拉山、龍門山-大巴山至四川盆地也存在密度分帶。

區(qū)域運動特征

1）地殼水平運動的動力來源。根據(jù)密度平衡橢球體理論，如圖5所示，P點地球自轉(zhuǎn)產(chǎn)生的慣性離心力F、F點切向分量F1和法向分量F2分別為：

圖5 地球表面p點受力分析圖[1]

（1）

（2）

（3）

其中：r——P點到自轉(zhuǎn)軸的距離；——地球的自轉(zhuǎn)角速度；m——P點的質(zhì)量。

對于P點的引力G、P點切向分量G1和法向分量G2分別為：

（4）

（5）

（6）

其中：M——地球的質(zhì)量；K——萬有引力常數(shù)。

G1方向指向極點，故為向極力；G2與F2的差為P點的重力。

如果P點密度發(fā)生變化，則質(zhì)量變化為m+△m，由質(zhì)量增量△m引起的G1和F1的

變化和

由式（5）和式（2）可得：

（7）

質(zhì)量變化一般有地幔物質(zhì)轉(zhuǎn)化為地殼組成物質(zhì)（巖溶侵入）和沉積作用，即△m為正值，再者，地殼物質(zhì)轉(zhuǎn)化為地幔物質(zhì)（地殼底部融熔作用），地殼物質(zhì)的剝蝕（風化剝蝕作用），即△m為負值。

具有一定自轉(zhuǎn)速度、一定密度的星體，經(jīng)過長期的旋轉(zhuǎn)，必然形成具有一定扁率的平衡橢球體。地殼局部質(zhì)量變化時，將產(chǎn)生水平運動，當質(zhì)量變大時將緩慢的向極點運動，變小時將緩慢的向赤道方向運動。

2）板塊運動方式。由圖2至圖4可知，塔里木板塊與羌塘-楊子-華南板塊接觸段，塔里木板塊密度小于羌塘-楊子-華南板塊密度，因而，根據(jù)密度平衡橢球體理論，塔里木板塊具有向赤道運動趨勢，而羌塘-楊子-華南板塊具有向北極運動的趨勢（圖6），從而形成了西昆侖山脈。

羌塘-楊子-華南板塊與柴達木-華北板塊接觸段（圖2），北部密度大于南部密度，因而，羌塘-楊子-華南板塊有向赤道運動的趨勢，柴達木-華北板塊有向北極運動的趨勢，從而形成了柴達木盆地。

圖6 中國西部板塊運動方式簡圖

紅色箭頭為一級板塊相對運動方向，藍色箭頭為二級構造單元相對運動方向；紫色為一級板塊，褐色為二級構造單元；多色折線為布格重力反演解釋剖面

汶川地震形成機制

P波特征

龍門山走滑斷裂主要由汶川—茂汶斷裂、光光山斷裂、陽平關—青川斷裂、康縣斷裂等組成[4]。由圖7可知，龍門山走滑斷裂為P波突變帶，西部青藏高原的P波明顯大于東部四川盆地。汶川地區(qū)地震源基本分布于P波等值線密集區(qū)。

圖7 穿過汶川地震震源區(qū)的P波速度垂直剖面[6]

WMF，汶川-茂縣斷裂；YBF，映秀-北川斷裂；GJF，灌縣-江油斷裂；

白色圓點代表沿剖面±20km范圍內(nèi)重新定位后的余震在剖面上的投影

地殼密度特征

四川盆地密度與龍門山-大巴山存在明顯差異，羌塘-揚子-華南板塊的二級構造單元可可西里-巴顏喀拉中新生代造山帶密度大于四川中生代盆地，四川盆地密度自上而下這2.6t/cm3、2.8t/cm3、2.67t/cm3、3.3t/cm3，龍門山-大巴山地殼密度分別為2.8t/cm3、2.67t/cm3、3.3t/cm3。

因而，龍門山-大巴山一帶，平面上表現(xiàn)為四川中生代盆地與可可西里-巴顏喀拉中新生代造山帶存在地殼結構差異，同時在垂向上兩者之間也存在地殼密度差異。

地殼運動特征

對比圖7和圖4，龍門山走滑斷裂P波突變帶和地殼密度突變帶相對應。進一步表明該帶為地殼結構變化帶。因而，根據(jù)密度平衡橢球體理論，四川中生代盆地具有向赤道運動趨勢，可可西里-巴顏喀拉中新代造山帶具有向北極運動趨勢（圖6中藍色箭頭）。

由于印度板塊向青藏高原俯沖，而羌塘-揚子-華南板塊有向赤道運動方向的趨勢，羌塘-揚子-華南板塊的二級構造單元四川中新生代盆地是構造運動相對穩(wěn)定單元，而西部可可西里-巴顏喀拉中新代造山帶為構造運動相對活躍單元，作為二者的結合部的龍門山走滑斷裂必然是地殼應力聚集帶。

在龍門山走滑斷裂深20km處同樣是P波和密度突變帶，所以，本區(qū)的地震震源深度一般都在20km左右。

結論

根據(jù)密度平衡橢球體理論汶川地震的發(fā)生是區(qū)域、局部地殼結構特征所決定的：

1）龍門山走滑斷裂四川中生代盆地是相對穩(wěn)定地塊和可可西里-巴顏喀拉中新代造山帶的結合部，為地殼應力聚集創(chuàng)造了物質(zhì)條件。2）岡瓦納板塊的二級構造單元岡底斯中生代-新生代造山帶向北極運動，而相對低密度的羌塘-揚子-華南板塊向赤道運動，因而，在羌塘-揚子-華南板塊西段受到岡底斯中生代-新生代造山帶阻擋，因而，東西段結合部的龍門山走滑斷裂，必然是地殼應力聚集帶。3）龍門山走滑斷裂帶在深度20km左右處同樣存在密度和P波突變，這就決定了地殼應力主要集中在20km深度帶。4）在龍門山走滑斷裂平面上東西兩側(cè)存在著P波和密度差異，兩者存在著相對運動的趨勢，為地殼應力的聚集創(chuàng)造了動力來源。

參考文獻

[1]于雙忠.煤礦工程地質(zhì)研究[M].北京：中國礦業(yè)大學出版社，1991.

[2]劉訓，游國慶.中國的板塊構造區(qū)劃[J].中國地質(zhì)，2015，42（1）：1-17.

[3]彭聰.中國西部布格重力異常特征和地殼密度結構[J].地球?qū)W報，2005（5）：417-422.

[4]王二七，孟慶任，陳智樑，等.龍門山斷裂帶印支期左旋走滑運動及其大地構造成因[J].地學前緣，2001，8（2）：375-384.

[5]侯遵澤，楊文采，劉家琦.中國大陸地殼密度差異多尺度反演[J].地球物理學報，1998（5）：642-651.

[6]李志偉，胥頤，黃潤秋，等.龍門山地區(qū)的P波速度結構與汶川地震的深部構造特征[J].中國科學，2011，42（3）：283-290.

（作者簡介：蔣向明，中國煤炭地質(zhì)總局水文地質(zhì)局。）