龍門山中段與川西北高原地殼結(jié)構(gòu)的地震觀測

龍門山中段與川西北高原地殼結(jié)構(gòu)的地震觀測

青藏高原東部的物質(zhì)分布在阿拉森、鄂爾多斯和四川盆地周圍穩(wěn)定的地塊上，導(dǎo)致了東北緣的遼山、六盤山、西秦嶺、東龍門山等褶皺帶的強(qiáng)烈浮力。四川盆地西北龍門山造山帶長約500公里，在中彭至灌木帶（長約120公里）之間形成了青藏高原東緣高度與周邊盆地之間的最大高差。龍門山脈的九頂山（海拔49m）和東南側(cè)的盆地（海拔約600米）之間只有30公里，相對(duì)高差為4400米。龍門山和隨后由數(shù)千米深的峽谷組成的龍門山脈，成為青藏高原東緣構(gòu)造活動(dòng)最活躍的地區(qū)之一（圖1）（馬立芳，2002；馬興元，1989）。5·12汶川地震前記載龍門山褶皺帶中、南段中強(qiáng)地震(6~6.5級(jí))僅發(fā)生過3次,龍門山北段(江油東北)無發(fā)生6級(jí)以上強(qiáng)震的記載,認(rèn)為該區(qū)域總體上地震頻度和強(qiáng)度偏小,其地震烈度評(píng)估也較小,定義為低應(yīng)力應(yīng)變釋放區(qū)(馬杏垣,1989).震前GPS資料表明跨越整個(gè)龍門山斷裂帶的滑動(dòng)速率只有不超過約2mma2008年5月12日的汶川M這里我們面臨了一個(gè)復(fù)雜科學(xué)疑問和難題,為什么5·12汶川地震發(fā)生在地震低頻度區(qū)、四川盆地與龍門山之間幾乎沒有相對(duì)運(yùn)動(dòng)的“低構(gòu)造變形速率”地區(qū)(馬杏垣,1989;張培震等,2008)?是否是該地震發(fā)生的深層過程和淺層動(dòng)力學(xué)響應(yīng)并不匹配(滕吉文等,2008)?青藏高原東緣與四川盆地接觸邊緣長達(dá)約500km的龍門山分段構(gòu)造及深部耦合關(guān)系如何?汶川地震在構(gòu)造上的特殊性吸引了中外地球科學(xué)家對(duì)此進(jìn)行探索研究,不同的地球物理方法從不同角度探討了龍門山褶皺造山帶構(gòu)造的特殊性、兩側(cè)地殼構(gòu)造差異與地震發(fā)生關(guān)系,取得了豐富的成果和認(rèn)識(shí)(許志琴等,2007;朱介壽,2008;蔡學(xué)林等,2008;王緒本等,2008;李勇等,2008;徐錫偉等,2008;滕吉文等,2008;劉啟元等,2008;Clark和Royden,2000;Zhang等,2009,2010;Fu等,2011).1986年在龍門山中段完成了兩條深地震測深剖面,圖1中Ⅰ,Ⅱ,對(duì)四川盆地、青藏高原東部及東北緣進(jìn)行了初步的探測研究,得到四川盆地地殼結(jié)構(gòu)成層、介質(zhì)速度隨深度增加穩(wěn)定特征以及西側(cè)褶皺帶地殼增厚、殼內(nèi)介質(zhì)速度偏低以及出現(xiàn)低速層結(jié)構(gòu)特征(崔作舟等,1996;袁學(xué)誠,1997;朱介壽,2008;蔡學(xué)林等,2008).Ⅰ測線僅在茂縣布置一個(gè)炮點(diǎn)向西高原接收而沒有相遇炮點(diǎn)觀測,單側(cè)地震記錄難以得到西側(cè)高原可靠、穩(wěn)定地殼構(gòu)造及殼內(nèi)速度結(jié)構(gòu)模型,在炮點(diǎn)東側(cè)龍門山中段地殼Moho界面反射震相出現(xiàn)觀測盲區(qū)(殼幔邊界的臨界反射約炮檢距100km).早期的深地震測深由于觀測系統(tǒng)缺陷,盆地邊緣炮間距達(dá)120~150km,大炮檢距布置使殼內(nèi)界面觀測不能完全覆蓋互換、甚至出現(xiàn)觀測空區(qū),使對(duì)龍門山地殼結(jié)構(gòu)難以進(jìn)行細(xì)致研究.2000年在龍門山南端沿30°N線完成了長約550km的竹巴龍-資中深地震測深剖面Ⅲ,全自動(dòng)輕便數(shù)字地震接收儀器的利用使在高原環(huán)境惡劣條件下進(jìn)行野外觀測接收提供了方便,取得了良好的地震記錄,主要結(jié)論是:四川盆地地殼厚約40~43km,川西高原鮮水河以西約58~62km,四川盆地殼內(nèi)各層速度明顯高于西側(cè)高原,在高原上地殼下部發(fā)現(xiàn)低速度層結(jié)構(gòu);對(duì)地震記錄的理論地震圖振幅譜分析、計(jì)算下地殼介質(zhì)品質(zhì)因數(shù)Qp得到高原(100~300)明顯小于四川盆地(>1000),推測川西高原的低Qp可能由該區(qū)域的下地殼流的高衰減造成(王椿鏞等,2003;Wang等,2007).但竹巴龍-資中剖面Ⅲ也是炮點(diǎn)設(shè)計(jì)太少(全剖面550km,僅設(shè)計(jì)6個(gè)炮點(diǎn)),未能對(duì)龍門山南端盆山接觸帶深部地殼進(jìn)行全覆蓋直接觀測和詳細(xì)探測研究.迄今為止,深地震測深還未能對(duì)龍門山褶皺造山帶中央?yún)^(qū)進(jìn)行直接觀測,難以深入探測研究龍門山造山帶內(nèi)部地殼精細(xì)結(jié)構(gòu),也無法給出龍門山地表(前山、中央和后山)斷裂系在地下的空間展布,只能得到一個(gè)均化的地殼結(jié)構(gòu)圖像及推測結(jié)果.由于缺少翔實(shí)可信的深部結(jié)構(gòu)、構(gòu)造模型的支持,有關(guān)龍門山逆沖構(gòu)造和深部動(dòng)力學(xué)機(jī)制認(rèn)識(shí)仍存在較大分歧.滕吉文等(2008)認(rèn)為龍門山淺層過程與地震發(fā)生的深層過程并不匹配;有的認(rèn)為在上部地殼15~20km處存在約5~7km厚的低速層(崔作舟等,1996;袁學(xué)誠,1997;王椿鏞等,2003;王緒本等,2008),造成結(jié)構(gòu)上下解藕;周永勝等(2009)認(rèn)為是殼內(nèi)多層解耦;朱介壽(2008)認(rèn)為殼內(nèi)低速層在約20~30km處;有些認(rèn)為低速結(jié)構(gòu)來自更深的松潘-甘孜造山帶中下地殼(Clark和Royden,2000;Royden等,2008;李勇等,2008).龍門山地殼結(jié)構(gòu)與地震構(gòu)造關(guān)系的疑問以及提出的科學(xué)問題需要在新的、更完善的深部探測基礎(chǔ)上深入進(jìn)行.本文利用剛完成的主動(dòng)源深地震測深方法對(duì)上述有關(guān)問題進(jìn)行了探測研究.1龍門山中段的主動(dòng)源深層地震觀測系統(tǒng)和地震相分析1.1東南角大水面、深入深度、國北緣高分辨射線聯(lián)合觀測系統(tǒng)汶川地震后在龍門山中段開工建設(shè)綿竹至茂縣公路,修復(fù)的災(zāi)區(qū)簡易公路穿越了龍門山中段5·12地震極震區(qū),為我們?cè)谠搮^(qū)域布置完善的深地震測深觀測系統(tǒng)提供了條件.深地震測深測線由東南四川盆地中部遂寧向西北過綿竹,穿越龍門山中段、5·12地震極震區(qū)清平鄉(xiāng)上川西北高原,經(jīng)茂縣、黑水縣,西至阿壩縣,全長500km.沿測線完成人工源炮點(diǎn)12個(gè),炮間距10~80km,藥量0.6~2.2T.利用三分向輕便數(shù)字地震儀布置觀測點(diǎn)440個(gè)、觀測點(diǎn)距0.4~2.0km.以探測四川盆地、川西北高原地殼結(jié)構(gòu),研究盆-山接觸邊緣、龍門山中段造山帶為重點(diǎn),形成了遂寧-綿竹-茂縣-黑水-阿壩測線中間接收點(diǎn)、炮點(diǎn)密集的高分辨折射,兩側(cè)相對(duì)稀疏的寬角反/折射聯(lián)合觀測系統(tǒng)(圖2(a)和(b)).1.2地震地質(zhì)及震相特征震相分析及記錄構(gòu)造信息提取是主動(dòng)源地震探測研究地殼結(jié)構(gòu)至關(guān)重要的(嘉世旭和劉昌銓,1995;嘉世旭和張先康,2008).遂寧-綿竹-茂縣-黑水-阿壩深地震測深地震記錄品質(zhì)高,清晰的震相較好地反映了不同構(gòu)造區(qū)地殼結(jié)構(gòu),還記錄到了龍門山中段、地震極震區(qū)中上地殼復(fù)雜構(gòu)造反射震相.(1)地表沉積蓋層折射、反射震相Psed,Pse11和結(jié)晶基底折射震相Pg.測線東側(cè)四川盆地(100~270km樁號(hào)段)記錄到清晰的地殼淺表層的沉積層折射Psed、底部反射Pse11和結(jié)晶基底折射Pg震相.Psed波出現(xiàn)區(qū)間、視速度和折合到時(shí)分別是0~50km,3.5~5.2kms測線西部松潘-甘孜塊體內(nèi)部(川西北高原盆地,460~600km樁號(hào)段)Psed震相僅在近炮點(diǎn)約10km出現(xiàn),Pg波折合到時(shí)約0.6~1.0s.測線中段構(gòu)造轉(zhuǎn)換帶(270~460km樁號(hào)段)Psed波缺失,Pg波在炮點(diǎn)附近出現(xiàn)、折合到時(shí)0.1~0.3s,特別龍門山后山(中央-后山斷裂、285~320km樁號(hào)段)顯示了地表高速、結(jié)晶基底露頭構(gòu)造特征.近炮點(diǎn)Psed,Pse11和Pg不同性質(zhì)波震相很好地記錄了四川盆地、川西北高原及中段褶皺造山帶等不同構(gòu)造單元沉積蓋層厚度、結(jié)晶基底結(jié)構(gòu)差異和構(gòu)造性質(zhì)(圖3和4).(2)殼內(nèi)反射震相Pi、殼幔邊界Moho反射震相Pm及上地幔頂部折射震相Pn.與Ⅲ剖面的資中炮點(diǎn)震相分析相似(王椿鏞等,2003;Wang等,2007),四川盆地內(nèi)部殼內(nèi)出現(xiàn)三組較為明顯的反射波組Pi(P1,P3和P4),出現(xiàn)區(qū)間炮檢距50~200km,該波組震相較弱,折合到時(shí)隨炮撿距加大而迅速減小、時(shí)距曲線較為陡峭.Moho界面反射波Pm在炮撿距約90km可清晰追蹤,整個(gè)追蹤段表現(xiàn)為強(qiáng)震相,時(shí)距曲線陡峭,在約炮撿距250km與折合零線相交,視速度約7.0kms龍門山以西的褶皺帶和川西北高原殼內(nèi)反射波組明顯增多,主要震相有P11,P1,P2,P3,P4和P5等6組不同深度反射波組,在炮檢距20~280km不同區(qū)間出現(xiàn).這類波組振幅強(qiáng)、衰減慢,時(shí)距曲線平緩,末端視速度6.2~6.4kms青藏高原東北緣與四川盆地深地震測深地震記錄截面圖在不同剖面(圖1中的Ⅰ~Ⅵ測線)都顯示了四川盆地內(nèi)部殼內(nèi)反射震相簡單、Moho界面反射震相強(qiáng)和高視速度走時(shí)記錄特征,高原內(nèi)部殼內(nèi)反射震相振幅強(qiáng)、多波組和Moho反射弱、低視速度走時(shí)記錄特征(崔作舟等,1996;Wang等,2007;嘉世旭和張先康,2008;嘉世旭等,2009).(3)龍門山上地殼內(nèi)部反射震相.9個(gè)炮點(diǎn)(Sp2~10)圍繞龍門山(220~360km樁號(hào))進(jìn)行了密集(觀測點(diǎn)距0.4~0.6km)觀測,第一次記錄了龍門山中段斷裂帶更為復(fù)雜的、特殊的地殼淺表層構(gòu)造現(xiàn)象.近炮點(diǎn)初至折射波到時(shí)記錄了結(jié)晶基底由盆地邊緣深埋(低速的Psed沉積層折射震相,Pg結(jié)晶基底折合到時(shí)約1.8s)到中央斷裂附近出露地表(Psed震相缺失,Pg折合到時(shí)0.1s),即沉積蓋層由東(盆地邊緣)向西(造山隆起)減薄尖滅構(gòu)造.龍門山與四川盆地接觸區(qū)域Pg波組續(xù)至區(qū)記錄到兩組淺層強(qiáng)反射震相P12,P11.這兩組波緊隨Pg續(xù)至區(qū)出現(xiàn),振幅強(qiáng)、追蹤區(qū)間炮撿距10~80km,這兩組震相的強(qiáng)勢明顯壓制了同區(qū)域結(jié)晶基底折射Pg震相,暗示了龍門山強(qiáng)烈抬升造山過程中上地殼內(nèi)部近地表的橫向滑脫破裂構(gòu)造(圖4).盆地邊緣沉積蓋層底部反射波組Pse11后也接收到清晰的P11波組,反映了該界面(或破裂延伸)向盆地邊緣的滲透(圖4Sp5).穿越龍門山的折射、反射波組都出現(xiàn)由西向東的走時(shí)超前和在盆地內(nèi)部的強(qiáng)烈滯后,走時(shí)曲線起伏變化顯示了褶皺造山帶地殼構(gòu)造由西向東的迅速抬升變形、高速巖性的地表出露和盆地內(nèi)部巨厚中生代沉積構(gòu)造影響.在龍門山褶皺造山帶內(nèi)部實(shí)施密集炮點(diǎn)和小接收點(diǎn)距深地震測深探測,得到了沉積蓋層Psed,Pse11、結(jié)晶基底Pg和上地殼近地表P12,P11等復(fù)雜震相,這些震相對(duì)于解譯龍門山造山構(gòu)造及強(qiáng)地震孕育構(gòu)造環(huán)境至關(guān)重要.2地質(zhì)成果地質(zhì)支撐根據(jù)震相分析及各波組走時(shí)提取,完成了沿測線各炮點(diǎn)一維垂向非均勻速度深度模型的計(jì)算.利用有限差分方法反演沉積蓋層及結(jié)晶基底折射波組Psed,Pg走時(shí)數(shù)據(jù),得到剖面沉積蓋層、結(jié)晶基底及上地殼頂部速度結(jié)構(gòu).在此基礎(chǔ)上,參考沿測線的隆起、坳陷、斷裂等已有地質(zhì)研究成果(馬杏垣,1989;馬麗芳,2002),完成剖面二維非均勻結(jié)構(gòu)模型的初始設(shè)計(jì).利用動(dòng)力學(xué)射線追蹤Seis83程序(Cervny和Psencik,1984)完成剖面12個(gè)炮點(diǎn)的反射、折射波組的二維速度模型走時(shí)擬合計(jì)算.在較為完善、多次覆蓋的追逐相遇觀測系統(tǒng)以及靈活的二維非均勻速度模型設(shè)計(jì)基礎(chǔ)上,很好地控制、模擬了殼內(nèi)不同深度界面地震折射、反射波組射線追蹤路徑及在地表的出現(xiàn)區(qū)間.通過反復(fù)計(jì)算、模型修改,使各震相走時(shí)擬合誤差(除個(gè)別點(diǎn)外)小于0.1s.圖5是部分炮點(diǎn)射線追蹤、走時(shí)擬合結(jié)果及全剖面射線覆蓋圖.最終得到龍門山中段褶皺造山帶及兩側(cè)四川盆地、川西北高原二維地殼結(jié)構(gòu)(圖6).3地殼結(jié)構(gòu)界面深地震測深結(jié)果顯示了揚(yáng)子克拉通西北部(四川盆地)、構(gòu)造轉(zhuǎn)換帶(褶皺造山帶)和青藏高原東北緣松潘-甘孜微塊體(川西北高原)等三段不同構(gòu)造特征地殼結(jié)構(gòu).為了便于討論,根據(jù)地殼速度結(jié)構(gòu)性質(zhì),以地表,G,C1,C3和Moh界面分界,把地殼分為沉積蓋層和上、中、下地殼等四層結(jié)構(gòu)(圖6(c)).3.1地表沉積相四川盆地(100~270km樁號(hào)段)海拔400~500m,地表被中生代中晚期侏羅-白堊系地層覆蓋,龍門山前的成都平原地表有一層極薄的第四系沉積.沿測線沉積蓋層厚5.5~6.5km,介質(zhì)速度3.6~5.2kms3.2甘孜塊體內(nèi)部地表川西北高原盆地(460-600km樁號(hào)段)屬于松潘-甘孜塊體內(nèi)部,海拔3500~4000m,地表主要被中生代早期三疊系(T)地層覆蓋.沿測線沉積蓋層厚2.5~3.0km,介質(zhì)速度3.6~5.1kms3.3地殼內(nèi)部速度結(jié)構(gòu)特征松潘-甘孜構(gòu)造轉(zhuǎn)換帶(270~460km樁號(hào)段)屬于四川盆地與川西北高原盆地之間寬約200km的褶皺造山帶,地表為“鋸齒狀”高山峽谷,深切的河谷與高聳山峰高差由西向東達(dá)1000~3500m,地殼厚度由高原盆地東南邊緣龍日壩斷裂⑥(約460km樁號(hào))的54km逐漸抬升至四川盆地西緣山前斷裂②(約270km樁號(hào))的43km(圖6).根據(jù)構(gòu)造轉(zhuǎn)換帶殼內(nèi)速度結(jié)構(gòu)和界面構(gòu)造形態(tài)特征可分為東西兩段.西段茂紋④(龍門山后山)斷裂-龍日壩弧形斷裂⑥(320~460km樁號(hào)段)為褶皺轉(zhuǎn)換帶主體部分,地表巖性主要為與西側(cè)高原相似的中生代三疊系巖層,局部出現(xiàn)古生代泥盆、志留系和燕山期花崗巖出露,褶皺帶造山構(gòu)造高山峽谷高差一般為1000~2000m.地殼結(jié)構(gòu)延續(xù)了西側(cè)川西北高原地殼構(gòu)造特征,殼內(nèi)低速結(jié)構(gòu)進(jìn)一步增加,下地殼低速顯著增厚,殼內(nèi)界面產(chǎn)狀總趨勢保持了與殼幔(Moho)界面相似的由西向東的緩慢抬升.東段龍門山前山斷裂②-后山斷裂④(270~320km樁號(hào)段)間的構(gòu)造特殊性值得特別關(guān)注.該區(qū)域地表主要為深源物質(zhì)-元古期花崗巖覆蓋,高速(接近6.0kms對(duì)比四川盆地與西側(cè)高原地殼內(nèi)部速度結(jié)構(gòu):青藏高原東側(cè)松潘-甘孜塊體及構(gòu)造轉(zhuǎn)換帶上部地殼(G~C2,約uf02d2~20km)介質(zhì)速度降低0.1~0.2kms4龍門山殼內(nèi)小黃圈的動(dòng)力學(xué)過程為了更好解釋龍門山中段地殼結(jié)構(gòu)與東西兩側(cè)四川盆地、松潘-甘孜褶皺帶的構(gòu)造耦合關(guān)系及動(dòng)力學(xué)過程,這里以龍門山殼內(nèi)速度變異帶、界面起伏突變帶和低速圈閉外沿包絡(luò)等為依據(jù),描繪了主要構(gòu)造和速度變異帶F1,F2和F3.圖6(c)中的小黃圈是沿測線南北兩側(cè)10km范圍內(nèi)從2008-05-12至2008-12-31時(shí)間段大于M4.1地殼流變結(jié)構(gòu)我們說青藏高原地殼增厚、介質(zhì)速度偏低,這是與高原外圍穩(wěn)定“剛性”塊體地殼結(jié)構(gòu)性質(zhì)比較而言.高原外圍塔里木、華北和揚(yáng)子等克拉通塊體地殼速度結(jié)構(gòu)具有很好的相似性,地殼從上向下速度遞增、結(jié)構(gòu)規(guī)律.通過地殼分層速度對(duì)比、細(xì)化分析青藏高原東北緣與四川盆地地殼速度結(jié)構(gòu)隨深度變化,在此基礎(chǔ)上討論介質(zhì)性質(zhì)變化.龍門山西側(cè)褶皺帶及高原地殼上中部介質(zhì)速度相對(duì)四川盆地僅降低了0.1~0.2kms有關(guān)東北緣地殼流變結(jié)構(gòu)的溫壓實(shí)驗(yàn)(周永勝和何昌榮,2009),基于流體動(dòng)力學(xué)原理的模擬計(jì)算青藏高原與外圍塊體大尺度構(gòu)造地貌關(guān)系(Clark和Royden,2000;Royden等,2008;王曉芳和何建坤,2012)都提示高原下地殼流的可能存在.通過地形和布格重力異常數(shù)據(jù)研究巖石圈有效彈性厚度認(rèn)為彈性地殼的厚度在高原中部和川西北高原地區(qū)僅20km(Jordan和Watts,2005).Wang等(2007)通過對(duì)川西高原地震記錄的理論地震圖振幅譜分析發(fā)現(xiàn)下地殼巖石品質(zhì)因數(shù)Qp在高原(100~300)大大低于四川盆地(>1000),推測川西高原的低Qp可能由該區(qū)域的下地殼流的高衰減造成.深地震測深得到了青藏高原東北緣下地殼介質(zhì)速度急劇降低和層厚增加構(gòu)造特征,進(jìn)一步揭示了地殼深部介質(zhì)物性塑化和下地殼流可能存在的證據(jù).高原及構(gòu)造轉(zhuǎn)換帶地殼增厚主要由被改造、低速的中下地殼介質(zhì)塑性形變?cè)龊裨斐?東北緣東側(cè)邊緣盆-山接觸帶殼內(nèi)低速介質(zhì)的擴(kuò)展走向顯示,在四川盆地下地殼高速剛性巖性阻擋下,高原下地殼塑性東流物質(zhì)的低速結(jié)構(gòu)進(jìn)一步發(fā)展并增厚、并在構(gòu)造轉(zhuǎn)換帶形成局部堆積,持續(xù)的作用迫使下地殼弱化蠕變物質(zhì)轉(zhuǎn)向向相對(duì)寬松的地表方向、沿剛性盆地邊緣逆勢上沖,最終在龍門山中段造山帶殼內(nèi)形成下寬上窄、向西傾斜、向上逆沖低速通道構(gòu)造(圖6(c)).4.2龍門山中段地殼結(jié)構(gòu)格局深地震測深結(jié)果顯示了控制龍門山中段地表隆起造山前山都江堰-江油斷裂、中央映秀-北川斷裂和后山汶茂斷裂在地殼深部延伸F1,F2和F3構(gòu)造形態(tài),揭示了龍門山中段斷裂系的深淺構(gòu)造關(guān)系和不同深度斷裂性質(zhì)變化.F1(盆山交界的前山斷裂)斷裂在地表以近垂直向下切穿結(jié)晶基底、上地殼內(nèi)界面由東向西急劇抬升變化帶,沿中下地殼速度變異帶邊緣,略微向西傾斜延伸至地殼底部.四川盆地下地殼高速介質(zhì)巖性向西略有延伸,形成寬約15km的速度變異帶(7.2~6.3kms龍門山中段地表強(qiáng)烈抬升區(qū)域夾持于F2至F3(中央至后山斷裂)之間,近地表的高速(6.1kms前面震相分析時(shí)已提及,跨龍門山245~350km樁號(hào)段觀測到緊隨Pg后的P12,P11強(qiáng)反射震相(圖4),由此得到龍門山上地殼內(nèi)部6~13km兩條新增界面.龍門山上部地殼構(gòu)造形態(tài)顯示,在下地殼介質(zhì)強(qiáng)烈逆沖推擠下沿中央斷裂上沖脆性形變,形成了以中央斷裂為頂部的大幅上隆、并引起上部地殼內(nèi)介質(zhì)破裂、橫向滑脫構(gòu)成新增C12,C11界面.由此形成了在龍門山中段造山構(gòu)造過程中地殼尺度的縱向F1,F2和F3斷裂和上地殼局部尺度的橫向破裂(C12和C11斷面)復(fù)雜的斷裂體系(圖6(c)).4.3龍門山中段地殼結(jié)構(gòu)及地震構(gòu)造環(huán)境在人工地震探測得到龍門山中段及兩側(cè)地殼結(jié)構(gòu)、斷裂體系構(gòu)造基礎(chǔ)上,綜合區(qū)域GPS結(jié)果、震源位置的殼內(nèi)分布、地表巖性以及隆起造山大地構(gòu)造特征,進(jìn)一步探討松潘-甘孜塊體與四川盆地接觸邊緣的構(gòu)造耦合關(guān)系、5·12汶川地震構(gòu)造背景及動(dòng)力學(xué)過程.龍門山相對(duì)東側(cè)四川盆地未能觀測明顯位移,川西北高原(剖面460km樁號(hào)以西)GPS記錄5~10mma根據(jù)前面龍門山中段地殼結(jié)構(gòu)及構(gòu)造演化綜合分析,該區(qū)域地震構(gòu)造環(huán)境主要受制于兩個(gè)方面:一是由下向上的大角度近垂直運(yùn)動(dòng),下地殼物質(zhì)上升流沿東側(cè)盆地邊緣由緩而陡向上“鏟式逆沖”引起的上部地殼大角度近垂直上隆和內(nèi)部的脆性破裂形變;二是由西向東的水平運(yùn)動(dòng),后山斷裂以西褶皺造山帶地殼縮短擠壓與前山斷裂以東四川盆地地殼的相向阻抗夾持增強(qiáng)了龍門山斷裂系上地殼高傾角逆斷層的閉鎖.這兩種構(gòu)造應(yīng)力下形成的龍門山中段地殼結(jié)構(gòu)、盆山構(gòu)造耦合關(guān)系對(duì)深入理解5·12汶川特大地震孕育發(fā)生的構(gòu)造背景至關(guān)重要.地表的GPS觀測給出了龍門山20余年相對(duì)于四川盆地的水平方向幾乎沒有位移,而體現(xiàn)龍門山主要活動(dòng)的垂直運(yùn)動(dòng)沒有被有效記錄.雖然龍門山中段地貌的高聳山峰、深切峽谷以及深源介質(zhì)的地表出露都暗示了龍門山中段強(qiáng)烈的抬升垂直構(gòu)造運(yùn)動(dòng);熱年代學(xué)和構(gòu)造研究也揭示龍門山始于中新世中晚期(12Ma)的發(fā)生快速隆升并伴隨有8~10km的地殼物質(zhì)被剝蝕(Kirby等,2002);但龍門山中段相對(duì)于四川盆地橫向運(yùn)動(dòng)的平靜與垂向造山運(yùn)動(dòng)的強(qiáng)烈這種特殊盆山耦合的地殼深部結(jié)構(gòu)以及與地震構(gòu)造的關(guān)系在汶川地震前并沒有引起我們的特別關(guān)注和深入研究.龍門山中段海拔4000~5000m山峰高強(qiáng)度介質(zhì)的壓強(qiáng)、東西側(cè)的擠壓夾持和斷裂帶上地殼近垂直不易滑動(dòng)的產(chǎn)狀造成了該區(qū)域斷裂系的強(qiáng)閉鎖(圖6).這種整個(gè)斷裂帶的強(qiáng)閉鎖導(dǎo)致了慢應(yīng)變但高應(yīng)力的積累,從而形成震前滑動(dòng)虧損帶(或地震空區(qū)).青藏高原地殼東流物質(zhì)持續(xù)作用,隨著龍門山中段西側(cè)構(gòu)造轉(zhuǎn)換帶下地殼塑性流變介質(zhì)逐漸抬高、向上逆沖,在上地殼底部形成逐漸增高的壓力,最終突破閉鎖沿中央斷裂F2上沖引起地震,特殊的構(gòu)造環(huán)境和應(yīng)力狀態(tài)揭示了該區(qū)域地震孕育的長復(fù)發(fā)周期和高破壞強(qiáng)度構(gòu)造特征.龍門山斷裂系與測線附近地震震源位置投影顯示(圖6(c),小黃圈),5·12汶川地震殼內(nèi)破裂主要是沿中央斷裂F2西側(cè)上地殼高角度逆沖進(jìn)行.震后地表調(diào)查和震源過程數(shù)字分析得到最大靜態(tài)滑動(dòng)位移主要位于震中及震中北東方向約100km以逆沖為主、兼右旋走滑分量的地震(徐錫偉等,2008;Zhang等,2010),很好地體現(xiàn)了龍門山中段(彭灌雜巖覆蓋區(qū))地殼深部高角度逆沖過程的地表破裂響應(yīng).震源主要分布在20km以上的上地殼脆性層,塑性流變的下地殼沒有地震發(fā)生,脆-塑轉(zhuǎn)換的中地殼上部(C2與C1界面之間)有少量地