龙门山断裂带地壳密度结构

唐新功 尤双双 胡文宝 严良俊

(油气资源与勘探技术教育部重点实验室(长江大学)，湖北荆州 434023)

龙门山断裂带地壳密度结构

唐新功 尤双双 胡文宝 严良俊

(油气资源与勘探技术教育部重点实验室(长江大学)，湖北荆州 434023)

研究龙门山及邻区地壳密度结构对于认识该地区地震活动性具有重要意义。根据龙门山及邻区(100°～105°E，28°～33°N)的布格重力异常资料，选取了跨越龙门山断裂带的6条重力测线，在深地震测深资料约束下，使用Geosoft软件分别反演出了龙门山地区地下的沉积层、康拉德界面和莫霍面的深度分布。研究结果表明:龙门山断裂带两侧的地壳结构明显不同，西面高原地区沉积层较薄，大部分为基岩出露;而东边盆地沉积层明显较厚，多在6km以上。莫霍面和康拉德面在两侧均相对平缓，康拉德面从东部的大约24km增加到青藏高原山区的35km左右;莫霍面深度从东部盆地的大约42km增加到西部青藏高原的67km左右。龙门山断裂带整体表现为一条近SN向的陡变重力梯度带，并在其地壳内各界面均发生错断，莫霍面和康拉德面错断距离分别达6～7km和3～5km。该区地壳的这种陡变和不均匀性是导致地震活动性强烈的主要原因之一。

汶川地震 龙门山断裂带 重力反演 地壳密度结构 莫霍面

0 引言

2008年5月12日四川汶川发生了MS8.0的强烈地震。汶川地震发生在龙门山构造带内的映秀-北川断裂，该地震造成的地表破裂长达240km，并在灌县-江油断裂形成了72km的地表破裂(刘启元等，2009)。作为青藏高原东部边缘和南北构造带的一个重要边界，龙门山断裂带东西两侧的地球物理场和地壳及岩石层结构组成存在着显著的差异，这一边界成为构造不稳定的地带之一。与青藏高原内部不同，青藏高原东缘主要发育近SN向的走滑断裂，并无大规模的地壳增厚现象。尽管龙门山两侧的地形高差达4000m左右，但震前的GPS观测表明，横跨整个龙门山断裂带的滑动速率不超过2mm/a，单条断裂的活动速率不超过1mm/a，龙门山断裂现今运动速率很小，活动性不明显(单新建等，2009;吴建平等，2009)。龙门山断裂带北段，过去的研究认为没有明显的晚第四纪活动的证据，有历史记录以来，龙门山断裂带中、南段至少发生过4次6～6.5级强震，龙门山断裂带北段无6级以上强震发生的记载(吴建平等，2009)。有历史纪录以来龙门山断裂未发生过7级以上的大地震。龙门山断裂带的地震活动频度低，强度不大(张培震等，2008)，这可能导致过去对该地区的地震活动性认识不足。

前人在龙门山及邻近地区已经进行了一些地球物理探测研究。特别是2008年汶川地震之后，许多学者从震源破裂过程、地质构造、深部结构和动力演化等方面对地震的成因机制进行了分析讨论。他们使用不同的地球物理方法和地球物理资料分别对龙门山及邻区的P波速度结构(郭飚等，2009;吴建平等，2009)、S波速度结构(刘启元等，2009;胥颐等，2009)、电性结构(王绪本等，2008;赵国泽等，2009)、余震分布(陈九辉等，2009;吴建平等，2009)等进行了研究，分析了川西高原和四川盆地的地壳上地幔结构的主要差异，讨论了主要断裂带的深部特征以及强烈地震发生的深部构造环境等。张培震等(2008)讨论了汶川地震的地质构造背景，朱介寿等(2008)给出了震区及其邻域的岩石圈速度结构，雷建设等(2009)和郭飙等(2009)使用层析成像方法得到了龙门山地区的速度结构，张季生等(2009)研究了龙门山地区的重磁异常特征及与地震的关系，认为龙门山断裂带是青藏高原的重力梯度带的一部分，该断裂带切穿了莫霍面。这些研究结果为理解汶川地震提供了依据。然而从过去到现在对于龙门山地区的研究还不够深入，加上过去研究中存在数据密度不足、空间分辨率低等条件限制，迄今为止，人们对汶川地震的形成机理以及相关的深部构造和动力学背景的认知程度仍然十分有限。本文将从重力学的角度对龙门山地区的密度结构进行探讨，利用做过地形校正的实测重力资料，在发表的深地震测深结果(曾融生等，1995;滕吉文等，2002;王有学等，2005;朱介寿，2008)的约束下，对龙门山地区深部密度界面进行反演，以得到深部各密度界面的重力异常的空间分布。

1 重力数据与二维反演结果

我们选择了6条跨过龙门山断裂带的重力测线(图1，从上至下依次为1～6号线)，这6条测线横切了龙门山断裂带的6个不同部位，其中1～5号线走向为NW-SE，6号线为E-W走向。

图1 龙门山及邻近地区6条重力测线分布与布格重力异常图，从上到下依次为L1～L6Fig.1 The distribution of 6 gravity survey lines named L1 to L6 at Longmenshan area and the Bouguer gravity anomaly.

据20世纪80年代的地震和重力资料(冯锐等，1985，1989)，所研究板块的地壳结构主要分4层，各层初始密度分别为:沉积层 2.3g/cm3、上地壳 2.67g/cm3、中地壳 2.80g/cm3、下地壳2.90g/cm3，上地幔的密度为3.30g/cm3。本文将以此为分层原则，并对各层密度采用冯锐等(1985，1989)给出的资料。在此初始模型基础上，通过反复修改地质模型，实现与观测重力异常值的拟合，来获得测点处地壳构造的最佳密度分布特征(唐新功等，2006)。

图2至图7分别是6条重力测线的二维反演结果，各测线拟合误差和平均误差数据见表1。可以看出，6条线的拟合误差均＜2mGal，平均拟合误差在0.8mGal以下。

图2 测线L1二维重力反演结果剖面图Fig.2 2D inversion profile of line L1.

图3 测线L2二维重力反演结果剖面图Fig.3 2D inversion profile of line L2.

图4 测线L3二维重力反演结果剖面图Fig.4 2D inversion profile of line L3.

图5 测线L4二维重力反演结果剖面图Fig.5 2D inversion profile of line L4.

对于1号线，选取了过龙门山断裂带长约280km的一段重力测线进行研究 (图2)，在地震资料约束下，反演得到了断裂带及周围地区的重力剖面界面深度分布图 (图10)。图中黑线为模型计算得到的重力异常值，黑点为实测点的重力异常。

从图2可以看出，反演结果显示了该段测线在龙门山断裂带上东西两侧区域布格重力异常场差异较明显。断裂带东南侧处于显著的正异常，而西北侧均处于较大的负异常区。在四川盆地地区沉积层较厚，最厚达9km，在龙门山断裂带明显减小，西部山区很多基岩出露，沉积很薄，最厚沉积仅1km左右。莫霍面深度变化很大，在43～66km之间，康拉德面变化趋势和莫霍面基本一致，深度在24～35km之间。

图6 测线L5二维重力反演结果剖面图Fig.6 2D inversion profile of line L5.

图7 测线L6二维重力反演结果剖面图Fig.7 2D inversion profile of line L6.

对于2号线，选取了过龙门山断裂带长约310km的一段重力测线进行研究 (图3)，从图3可以看出，反演结果显示了该段测线重力异常值从西北到东南大体上逐渐减小。沉积层厚度在0～10.16km之间变化，在四川盆地沉积层相对较厚。莫霍面深度变化很大，在44～66km之间，康拉德面深度变化趋势和莫霍面基本一致，在25～36km之间。

对于3号线，选取了过龙门山断裂带长约340km的一段重力测线进行研究 (图4)，沉积层厚度在0～10.47km之间变化，在四川盆地沉积层较厚，过了断裂带后厚度减薄。莫霍面深度变化在43～66km之间，康拉德面深度在24～36km之间。

对于4号线，选取了过龙门山断裂带长约380km的一段重力测线进行研究 (图5)，在四川盆地地区沉积层最厚达11km，在龙门山断裂带明显减小，西部山区很多基岩出露，沉积很薄，最厚沉积仅2km左右。莫霍面深度变化很大，在42～67km之间，康拉德面深度在25～36km之间。

对于5号线，选取了过龙门山断裂带长约360km的一段重力测线进行研究 (图6)，在四川盆地地区沉积层最厚达9.48km，在龙门山断裂带明显减小，西部山区很多基岩出露，沉积很薄，只是在山坳处有较厚的沉积，深度不超过6km。莫霍面深度变化很大，在44～67km之间，康拉德面深度在26～35km之间。

对于6号线，选取了过龙门山断裂带长约340km的一段重力测线进行研究 (图7)，在四川盆地地区沉积层最厚达8km，在龙门山断裂带明显减小，西部山区很多基岩出露，沉积很薄，在部分山坳处沉积也不超过3km。莫霍面深度很大，在44～65km之间，康氏面深度在26～33km之间变化。1～6线的莫霍面和康氏面在龙门山断裂带两侧均发生了错断，这与该地区显著的重力梯级带特征一致。

2 三维结果

根据龙门山断裂带地区的二维重力剖面，采用差值法得到了该地区的三维重力的平面分布图。图8～10分别为龙门山地区的沉积层、康氏面和莫霍面深度分布图。从图中可以看出东南部四川盆地地区沉积层较厚，西北部山区较浅，而莫霍面与康拉德面的深度则在东南部较浅，大约分别为24km和43km，西北部山区较深，分别达到约35km和67km。其中莫霍面的平面分布与过去发表结果基本一致(曾融生等，1995;胥颐等，2009)。而康氏面的结果未见有论文发表。

3 结论与讨论

使用实测布格重力资料对龙门山断裂带进行了重力学研究，在地震资料约束下，逐层反演得到了研究地区的沉积层、康拉德面以及莫霍面的深部分布图像，可看出龙门山断裂带及邻区的地壳密度结构具有以下特点:

图8 龙门山及邻近地区的沉积层厚度分布图(单位:km)Fig.8 3D plane view of sediment distribution in Longmenshan Fault and its adjacent area.

图9 龙门山及邻近地区的康氏面厚度分布图(单位:km)Fig.9 3D plane view of Conrad discontinuity in Longmenshan Fault and its adjacent area.

图10 龙门山及邻近地区的莫霍面厚度分布图(单位:km)Fig.10 3D plane view of Moho discontinuity in Longmenshan Fault and its adjacent area.

布格重力异常在6条测线上稍有不同，但是其变化规律基本是相同的，即断裂带东侧为重力高区，而西侧为重力低区，龙门山断裂带则处于这2个区域之间重力剧烈变化的梯级带上。布格重力异常图上线性过渡带的特征通常可以作为深部断裂的识别标志。断裂带两侧重力异常值变化幅度达350mGal，平均重力梯度在2mGal/km以上，反映了龙门山重力梯度带是中国西南部地区一条延伸范围大、变化剧烈的重力梯度带和断裂带。

以龙门山断裂带为界，东西两侧在沉积层厚度、康氏面和莫霍面深度上存在显著差异。沉积层厚度从东南部盆地的6～10km迅速减少到西北部山区的0～1km，山区大部分地区基岩出露;康氏面深度从东南部的24～28km迅速增加到西北部的35～38km;莫霍面深度则从东南部的42km左右迅速增加到西北部的60～65km，并在龙门山断裂带发生错断，这与过去研究结果一致(张季生等，2009)。强烈的地下物质界面的差异可能是导致其地震活动强烈的主要原因之一。

莫霍面起伏变化剧烈的地区往往是地震的多发地带。根据以往对龙门山断裂带进行的深地震测深、密度结构、电性结构等方面的研究，许多作者都认为，强震和大震多发生在重力梯度带上或者莫霍面埋深的突变部位。从块体的角度看，龙门山断裂带被一系列NNE向和NEE向的断裂分为若干子块体，它们的边界是脆弱带，而地震就正好发生在这些块体的边界上。一些学者也研究过龙门山的逆冲推覆作用，认为地震震中绝大多数分布在基底的隆起区(王有学等，2005;朱介寿，2008)，本文计算的基底起伏，可以从平面上认识和理解龙门山的逆冲推覆作用。中国大陆几乎所有的8级和近90%的7级以上的大震都发生在活动地块边界上，表明地块间的差异运动是大陆强震孕育和发生的直接控制因素。因此，龙门山断裂带的地震活动有其特殊的深部构造背景，断裂带特殊的地壳密度结构及其所处的特殊的应力场环境，不排除其继续活动的可能性。因此对龙门山断裂带的重力学研究具有一定的参考价值，该区仍具有地震发生的潜在性。

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THE CRUSTAL DENSITY STRUCTURE UNDERNEATH LONGMENSHAN FAULT ZONE

TANG Xin-gong YOU Shuang-shuang HUWen-bao YAN Liang-jun
(Key Laboratory of Exploration Technologies for Oil and Gas Resources of MOE，Yangtze University，Jingzhou，Hubei 434023，China)

It is of importance to study the crustal density structure of Longmenshan Fault zone for understanding the seismicity of this area.Using commercial software of Geosoft，gravity inversion for 6 lines of Bouguer gravity anomaly data was carried out under the constraint of deep seismic sounding(DSS)data obtained in the last two decades.The depth and distribution of sediments，crustal thickness and Conrad discontinuity of Longmenshan tectonic zone and its adjacent area(100°～105°E，28°～33°N)are obtained.The inverted results indicate that the crustal density structure of the Longmenshan Fault zone is obviously different between the two sides.The sedimentary layer in western plateau is thinner and base rocks outcrop almost in most parts;while the thickness of sedimentary layer in eastern Sichuan Basin is much larger，in most parts，it is larger than 6km.The Conrad and Moho discontinuities are relatively smooth in both sides of the faultand the depths of them increase gradually from the eastern 24km and 42km to 35km and 67km under Tibetan Plateau，respectively.The whole fault of Longmenshan displays as a SN-direction gravity gradient zone，with each of its interfaces in the crust under the faults being offset.The displacements of the Conrad and Moho discontinuities are 6 ～7km and 3 ～5km，respectively.The sharp change in crustal thickness ismaybe one of the causes of strong earthquakes in this area.

Wenchuan earthquake，Longmenshan Fault zone，crustal density structure，gravity inversion，Moho discontinuity

P315.2

A

0253-4967(2012)01-0028-11

10.3969/j.issn.0253-4967.2012.01.004

2011-07-31收稿，2011-12-01改回。

国家重点基础研究发展计划(973)项目(2007CB209607)、国家自然科学基金(40727001，44704073，44704074)和高等学校博士学科点科研专项基金(20070489001)共同资助。

唐新功，1968生，男，1992年毕业于江汉石油学院测井专业，获学士学位，2006毕业于北京大学，获理学博士学位，副教授，主要研究方向为电磁法勘探和地球动力学，电话:0716-8060747，E-mail:tangxg@yangtzeu.edu.cn。