关于汶川地震成因机制的探讨

地震成因是一个复杂的课题，本文从“密度平衡椭球体理论”关于地壳运动动力来源的基本原理出发，通过对中国西部和汶川地区地壳密度结构和P波的分析，从区域板块运动和汶川地区二极构造运动两个层次，从平面上和垂向上差异性，对汶川地震形成机制进行了探讨。

2008年5月12日14时28分04秒，四川省汶川县发生了8级大地震，面波震级达8.0Ms、矩震级达8.3Mw（根据美国地质调查局的数据，矩震级为7.9Mw），地震烈度达到11度。地震波及大半个中国及多个亚洲国家。北至北京，东至上海，南至香港、泰国、台湾、越南，西至巴基斯坦均有震感。

有关汶川地震的研究各方面的成果已发表论文达数万篇，可谓数量巨大，但主要都从地震特征、应力场特征、构造地质等角度进行探讨，而关于汶川地震成因，主流意见认为印度洋板块向亚欧板块俯冲，造成青藏高原快速隆升导致地震。高原物质向东缓慢流动，在高原东缘沿龙门山构造带向东挤压，遇到四川盆地之下刚性地块的顽强阻挡，造成构造应力能量的长期积累，最终在龙门山北川—映秀地区突然释放。逆冲、右旋、挤压型断层地震。四川特大地震发生在地壳脆—韧性转换带，震源深度为10km～20km，与地表近，持续时间较长，因此破坏性巨大，影响强烈。

地壳运动的动力来源是什么？一般理论都没有令人信服的解释。本文在分析研究了本区地壳结构特征的基础上，从密度平衡椭球体理论[1]出发，对汶川地震产生的动力来源等成因问题进行了综合分析研究。

区域条件

区域地壳结构特征

四川省汶川县位于羌塘-扬子-华南板

块[2]中部，即二级构造单元扬子陆块与可可西里-巴颜喀拉中生代造山带接合部（图1）——龙门山推覆带（龙门山走滑断裂）。

由图2可知，中国西部由西昆仑山、塔里木盆地、天山到准喀尔盆地，密度存在分带现象，西昆仑山小于南部密度和北部的塔里木盆地；天山的密度大于准喀尔盆地，准喀尔盆地密度小于阿尔泰；同样由图3可知，由青藏高原、柴达木盆地、祁连山至河西走廊也存在密度分带；由图4可知，由准噶尔盆地、天山、吐-哈盆地、祁连山、柴达木盆地、阿尼玛卿山、巴颜喀拉山、龙门山-大巴山至四川盆地也存在密度分带。

区域运动特征

1）地壳水平运动的动力来源。根据密度平衡椭球体理论，如图5所示，P点地球自转产生的惯性离心力F、F点切向分量F1和法向分量F2分别为：

图5 地球表面p点受力分析图[1]

（1）

（2）

（3）

其中：r——P点到自转轴的距离；——地球的自转角速度；m——P点的质量。

对于P点的引力G、P点切向分量G1和法向分量G2分别为：

（4）

（5）

（6）

其中：M——地球的质量；K——万有引力常数。

G1方向指向极点，故为向极力；G2与F2的差为P点的重力。

如果P点密度发生变化，则质量变化为m+△m，由质量增量△m引起的G1和F1的

变化和

由式（5）和式（2）可得：

（7）

质量变化一般有地幔物质转化为地壳组成物质（岩溶侵入）和沉积作用，即△m为正值，再者，地壳物质转化为地幔物质（地壳底部融熔作用），地壳物质的剥蚀（风化剥蚀作用），即△m為负值。

具有一定自转速度、一定密度的星体，经过长期的旋转，必然形成具有一定扁率的平衡椭球体。地壳局部质量变化时，将产生水平运动，当质量变大时将缓慢的向极点运动，变小时将缓慢的向赤道方向运动。

2）板块运动方式。由图2至图4可知，塔里木板块与羌塘-杨子-华南板块接触段，塔里木板块密度小于羌塘-杨子-华南板块密度，因而，根据密度平衡椭球体理论，塔里木板块具有向赤道运动趋势，而羌塘-杨子-华南板块具有向北极运动的趋势（图6），从而形成了西昆仑山脉。

羌塘-杨子-华南板块与柴达木-华北板块接触段（图2），北部密度大于南部密度，因而，羌塘-杨子-华南板块有向赤道运动的趋势，柴达木-华北板块有向北极运动的趋势，从而形成了柴达木盆地。

图6 中国西部板块运动方式简图

红色箭头为一级板块相对运动方向，蓝色箭头为二级构造单元相对运动方向；紫色为一级板块，褐色为二级构造单元；多色折线为布格重力反演解释剖面

汶川地震形成机制

P波特征

龙门山走滑断裂主要由汶川—茂汶断裂、光光山断裂、阳平关—青川断裂、康县断裂等组成[4]。由图7可知，龙门山走滑断裂为P波突变带，西部青藏高原的P波明显大于东部四川盆地。汶川地区地震源基本分布于P波等值线密集区。

图7 穿过汶川地震震源区的P波速度垂直剖面[6]

WMF，汶川-茂县断裂；YBF，映秀-北川断裂；GJF，灌县-江油断裂；

白色圆点代表沿剖面±20km范围内重新定位后的余震在剖面上的投影

地壳密度特征

四川盆地密度与龙门山-大巴山存在明显差异，羌塘-扬子-华南板块的二级构造单元可可西里-巴颜喀拉中新生代造山带密度大于四川中生代盆地，四川盆地密度自上而下这2.6t/cm3、2.8t/cm3、2.67t/cm3、3.3t/cm3，龙门山-大巴山地壳密度分别为2.8t/cm3、2.67t/cm3、3.3t/cm3。

因而，龙门山-大巴山一带，平面上表现为四川中生代盆地与可可西里-巴颜喀拉中新生代造山带存在地壳结构差异，同时在垂向上两者之间也存在地壳密度差异。

地壳运动特征

对比图7和图4，龙门山走滑断裂P波突变带和地壳密度突变带相对应。进一步表明该带为地壳结构变化带。因而，根据密度平衡椭球体理论，四川中生代盆地具有向赤道运动趋势，可可西里-巴颜喀拉中新代造山带具有向北极运动趋势（图6中蓝色箭头）。

由于印度板块向青藏高原俯冲，而羌塘-扬子-华南板块有向赤道运动方向的趋势，羌塘-扬子-华南板块的二级构造单元四川中新生代盆地是构造运动相对稳定单元，而西部可可西里-巴颜喀拉中新代造山带为构造运动相对活跃单元，作为二者的结合部的龙门山走滑断裂必然是地壳应力聚集带。

在龙门山走滑断裂深20km处同样是P波和密度突变带，所以，本区的地震震源深度一般都在20km左右。

结论

根据密度平衡椭球体理论汶川地震的发生是区域、局部地壳结构特征所决定的：

1）龙门山走滑断裂四川中生代盆地是相对稳定地块和可可西里-巴颜喀拉中新代造山带的结合部，为地壳应力聚集创造了物质条件。2）冈瓦纳板块的二级构造单元冈底斯中生代-新生代造山带向北极运动，而相对低密度的羌塘-扬子-华南板块向赤道运动，因而，在羌塘-扬子-华南板块西段受到冈底斯中生代-新生代造山带阻挡，因而，东西段结合部的龙门山走滑断裂，必然是地壳应力聚集带。3）龙门山走滑断裂带在深度20km左右处同样存在密度和P波突变，这就决定了地壳应力主要集中在20km深度带。4）在龙门山走滑断裂平面上东西两侧存在着P波和密度差异，两者存在着相对运动的趋势，为地壳应力的聚集创造了动力来源。

参考文献

[1]于双忠.煤矿工程地质研究[M].北京：中国矿业大学出版社，1991.

[2]刘训，游国庆.中国的板块构造区划[J].中国地质，2015，42（1）：1-17.

[3]彭聪.中国西部布格重力异常特征和地壳密度结构[J].地球学报，2005（5）：417-422.

[4]王二七，孟庆任，陈智樑，等.龙门山断裂带印支期左旋走滑运动及其大地构造成因[J].地学前缘，2001，8（2）：375-384.

[5]侯遵泽，杨文采，刘家琦.中国大陆地壳密度差异多尺度反演[J].地球物理学报，1998（5）：642-651.

[6]李志伟，胥颐，黄润秋，等.龙门山地区的P波速度结构与汶川地震的深部构造特征[J].中国科学，2011，42（3）：283-290.

（作者简介：蒋向明，中国煤炭地质总局水文地质局。）