利用接收函数反演龙门山断裂带及邻区深部结构

王 成 朱介寿 宋文杰 江晓涛

（1.油气藏地质及开发工程国家重点实验室（成都理工大学），成都610059；2.中国石油 塔里木油田勘探开发研究院，新疆 库尔勒841000）

继北美“地球透镜计划”之后，中国提出了“喜马拉雅攀登计划”，目的旨在揭示中国大陆地区构造、演化和动力学过程，探测活断层系统行为，研究地震破裂过程，推进对自然灾害的认识，了解地幔结构与动力学、地壳构造学等。龙门山地区的深部结构，自2008年“5.12”汶川特大地震发生之后，作为计划的一部分，又以其独特而又复杂的地质地貌及构造演化特性，吸引了更多专家学者的关注。

龙门山断裂带及邻区是扬子地台和青藏高原的地貌分界，同时又是南北向地球物理阶梯带。龙门山推覆体形成根源主要来自深部（下地壳至上地幔）的物质流或深大断裂的推覆作用，还是属于仅限于地壳上部的薄皮构造；其深部结构如何？

本文利用的远震波形数据来源于垂直于龙门山断裂带的被动源地震剖面上所布设的流动台和部分固定台站，通过接收函数的方法对龙门山及其邻区的深部结构进行反演，为上述问题的阐释提供依据。

1 龙门山断裂带的区域地质背景

龙门山断裂带位于四川盆地与川西高原之间，东起广元，西至泸定，北交大巴山，南截鲜水河，呈NE45°带状分布。其东与扬子地台相连，西与松潘－甘孜地块相接，属典型的盆－山－原式结构。龙门山断裂带由与龙门山脉走向大致一致的4条大型断裂带组成，即青川－茂汶断裂带（后山断裂带）、北川－映秀断裂带（中央断裂带）、安县－都江堰断裂带（前山断裂带）、广元－江油－大邑隐伏断裂带。

连接四川盆地和川西高原的龙门山地区，沿银厂沟至龙门山中央断裂带方向，在小于15km的水平距离，海拔高度上升了近3km，属于全球大陆断崖陡坡带。

龙门山推覆体两侧相邻区域的结构和性质差异较大，内部出现许多类似彭灌杂岩、宝兴杂岩等地质异体［1］。

根据GPS观测数据显示，川西北高原地块位移速度，约为向东每年5～10mm，而龙门山附近的地块位移却仅为每年1mm，在误差范围之内；图1为龙门山断裂带两端的GPS位移图像，其左右两端的相对位移仅2mm，所以我们认为，龙门山各小断裂带本身和其断裂带整体的滑动速率很小。

历史记载及现代仪器记录表明龙门山断裂带也只发生过5次6级以上强震，分别是1970年2月24日大邑西6.3级、1958年2月8日北川6.25级、1941年宝兴西6级、1657年4月21日汶川6.5级和1327年天全西6级地震，没有记录到7级以上历史地震的发生［2］。龙门山地区作为一个锁闭单元，被认为是一个“低应力”的区域，却积累如此大的应力，发生了“5.12”汶川特大地震。

这些研究结果使人们不得不对汶川地震的发震机制，以及龙门山的内部动力学过程做出新的思考。

2 观测资料

本文主要利用图2中跨龙门山的2个被动源剖面来研究龙门山断裂带及两侧的深部结构差异。剖面1自成都、资阳经汶川、黑水、红原至玛曲，全长约500km，观测系统由BBVS－120宽频带地震计、EDAS－24IP地震数据采集器组成。BBVS－120地震计频带范围为120s－40Hz，仪器采样率间隔为0.01s，采用GPS授时，以小时存储连续记录。该剖面共设有25个地震台站，其中包括7个四川省地震局的固定台站。2009年9月至2011年4月期间完成了流动台站布设及数据采集的工作，共选取远震事件记录261个。所选取的地震事件全球位置分布如图3所示。剖面2为2007年宋文杰等人完成的自成都龙泉山经都江堰、卧龙、小金、丹巴至道孚，全长400km的另一条剖面［1］。

3 数据与方法

远震体波中包含台站下方大量地壳和地幔速度间断面信息，接收函数法通过提取这些信息来了解各台站下方的分层情况。目前这种方法已成为研究区域性的壳幔结构最有效的方法之一。

图1 龙门山两侧的GPS位移图像Fig.1 The GPS displacement for both sides of Longmenshan

图2 被动源剖面的台站分部Fig.2 Distribation of the stations in the passive source profile

图3 剖面1中的台站记录到的远震事件分布Fig.3 The distribution of teleseismic events recorded by the stations

本文正是利用接收函数的方法选取震中距在30°～90°之间的远震事件，以排除多次转换震相的干扰以及P波和S波的重叠，避免地核折射波震相干扰并且避免因P波能量衰减损失较大而接收不到P波震相；远震体波的入射角很小，可以抑制地壳横向不均匀性的影响；震级＞5.5级的地震事件可以较好地抑制噪声对信号的干扰，提高信噪比，使接收到的波形数据信息更容易被提取和分离。

然后通过仪器响应校正将不同性能的地震仪器和不同波形转换参数的波形数据转换为统一的地动位移以减少误差。由于一些非自然因素，使波形出现“漂移”等异常现象，本文使用0.05～2 Hz频段的滤波器对波形数据进行处理，抑制此类高频和低频噪音干扰。

利用方位角将数据中记录的原始三分量ZNE旋转到ZRT坐标系中，再利用入射角把ZRT坐标系旋到LQT射线坐标系（图4），L为直达P波的射线方向，Q为射线平面内与L垂直的方向。使PS转换波得到分离，此时，P波的能量主要集中在L方向，转换波的能量主要集中在Q方向［10］。

根据射线理论，考虑台站位置、理论射线参数、事件的反方位角，用一维地球模型把叠加后的时间域接收函数沿射线逆转偏移到三维深度，并把获得的偏移结果投影到剖面上得到图6所示地壳及上地幔顶部的深度剖面。

4 结果和分析

图6为剖面1和剖面2深度为100km的接收函数反演结果，2个剖面地壳内部均有分层现象，将地壳分为上、中、下3层，且均呈整体向西逐渐增厚趋势。莫霍面在龙门山推覆体中央位置约43km深度的地方出现不同程度的陡降，向西陡降至最深约68km处后平缓上升，向北南陡降至最深约58km处后平缓上升。我们推测松潘－甘孜地块东缘地壳厚度呈南深北浅、东深西浅之势。

图4 方位角转换示意图Fig.4 The schematic plot of azimuth conversion

图5 远震P波转换点空间坐标与接收函数时间对应关系示意图Fig.5 The schematic of inversion by the receiveld function

图中还可见到松潘－甘孜地块及龙门山推覆体的中地壳内深25km左右存在1个厚约10km近水平延伸的低速层，该低速层的南东端结束于龙门山中央断裂与前山断裂之间的下方，而龙门山前山断裂及以东的扬子地台西缘地壳的壳内低速层则不发育。朱介寿［8］等所做的跨龙门山的阿坝－双流爆破地震剖面图也显示在同一位置存在低速层。这与楼海［3］等所做的重力以及朱迎堂、王绪本［15］等所做的大地电磁观测到的重磁异常相对应，说明图中阴影区域确实存在10km左右的低速、低密度、低阻层。

图6 剖面1与剖面2反演结果对比Fig.6 Comparison of inversion results of the two profiles

剖面2在龙门山推覆体内形成的陡降带与龙门山中央断裂带走势一致，而剖面1在龙门山推覆体内形成的陡降带距离汶川地震主震位置的龙门山中央断裂带约70km，这与龙门山中央断裂带的走势不一致，也与地貌和地表构造特征不吻合。

5 结论与讨论

远震接收函数方法是研究地壳结构和组成的一种有效方法［13］。利用接收函数法的反演结果，根据扬子板块和松潘甘孜地块地壳厚度的分区性，可以看出松潘－甘孜地块南部－龙门山地带是莫霍面强烈变化转折部位，是扬子地块西缘和松潘－甘孜地块的构造边界。松潘－甘孜北部的莫霍面强烈变化部位在龙门山中央断裂西侧，因此，我们推测龙门山中央断裂西侧70km处是扬子地块西缘和松潘－甘孜地块的构造边界。刘启元［14］等人利用上地幔S波速度反演的结果也表明龙门山断裂带为四川盆地与松潘－甘孜地块的碰撞界面。

松潘－甘孜地块及龙门山推覆体中的低速中地壳易形成滑脱层，使其上覆的上地壳与低速中地壳滑脱拆离，脆性上地壳向东仰冲推覆，比较软的松潘－甘孜地块对坚硬的四川陆块，在龙门山由北西向南东逆冲推覆滑动形成了走滑－逆冲推覆构造，并形成前山、中央和后山几条主要铲式断层。莫霍面在白溪乡东侧缓降带与地表断裂带不一致正是由于龙门山推覆体上覆上地壳和中下地壳滑脱拆离造成的。

印度板块在青藏高原中部地区向深处俯冲使青藏高原隆起向东运动，在其推动松潘－甘孜地块同时向东运动的过程中，受到坚硬的四川盆地阻挡，松潘－甘孜地块地壳中的物质流沿箭头方向（图6）向上或向下运移。其向上运移一方面使龙门山的山体持续升高，另一方面在龙门山断裂带下部地块边界处积累大量的应力，而这种逆冲推覆应力的积累不以地表GPS水平位移的形式表现出来。汶川Ms 8.0级地震的发生正是这种应力的突然释放产生的。

四川省地震局、各地政府及相关人员对研究工作提供了支持，还有为获取资料而进行野外工作的同事们，作者在此向他们深表谢意。

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