波速比约束下龙门山及其邻区地壳三维密度结构研究

The instability of the crustal structure in Longmenshan and adjacent regions has always been the focus of the geologists and geophysicists. As one of the most significant geophysical field characteristics, Bouguer gravity anomalies vary drastically across Longmenshan fault zone, and are used widely in crust structure research. Since the gravity resolution is relatively low, usually the “Layer stripping” model based on the known information, e.g. the density interface and the seismic velocity, is used to constrain the gravity data. We propose to apply the crustal Vp/Vs as a part of the “Layer stripping” model to constrain the gravity data to invert the 3D density model in Longmenshan and adjacent regions. We first plan to study the relationship between the crustal Vp/Vs and the density based on the previous experimental studies, and then derive the gravity modeling method based on the crustal Vp/Vs. Secondly, modeling the sedimentary gravity effect, the Moho gravity effect, and the gravity effect from the crustal Vp/Vs. We correct the mentioned three parts of the gravity effects from the observed Bouguer gravity, and finally, use the residual anomaly to invert the 3D density structure. We hope that this study would improve the application of the crustal Vp/Vs on the gravity data interpretation, and the obtained 3D crustal density model in Longmenshan and adjacent regions shows the significance to study the local earthquake activity.

龙门山及其邻区构造的不稳定性一直是地质地球物理学家关注的焦点。布格重力异常急剧变化是该区最显著的地球物理场特征，它被广泛地用于研究地壳结构。鉴于重力资料分辨率较低，人们常常根据已知密度界面、地震波速度等信息建立“剥皮”模型约束重力资料的解释。本申请项目提出将地壳平均波速比作为“剥皮”模型的一部分，约束重力资料研究龙门山地区的地壳三维密度结构。我们将在前人实验研究的基础上，首先开展波速比与密度的转换关系研究，确定地壳平均波速比的重力场模拟方法。在此基础上，利用研究区地壳平均波速比、沉积层与地壳厚度资料，建立重力场“剥皮”模型。最后，对剩余重力异常实施反演建立地壳三维密度结构。通过本项研究，构建波速比与密度之间的量化关系，厘清地壳平均波速比模拟重力场的机制与影响因素，对促进地壳平均波速比与重力资料的交叉研究具有重要的科学意义，同时得到的地壳三维密度模型对研究龙门山地区的地震活动性具有现实意义。

针对龙门山断裂带两侧复杂的地壳结构差异性以及频发的地震灾害，本基金项目采用地壳平均波速比资料，结合沉积层和地壳厚度，约束重力资料研究龙门山及其邻区地壳的三维密度结构，主要研究内容是通过构建龙门山地区波速比与密度的转换关系以及壳幔密度差模型，建立龙门山地区重力场“剥皮”模型并反演地壳三维密度结构，以此研究龙门山断裂带频发的地震事件与地壳密度异常的关系。通过本项目研究，完善了地壳平均波速比重力场模拟的方法，构建了基于平均波速比、沉积层以及莫霍面约束的重力场“剥皮”模型，建立了龙门山地区地壳三维密度模型。与研究区深反射地震测深相比较表明，三维密度模型反映的龙门山地区地壳结构异常与速度异常相吻合，印证了本项目研究成果的有效性。本项目研究认为四川盆地高密度的刚性结构阻挡了青藏高原向东塑性流动，同时由于龙门山断裂带东侧刚性的四川盆地地壳内部应变强度较大、易于应力长期积累，是地震频发的主要因素。基于龙门山地区三维密度结构，揭示了西藏高原向东运动与四川盆地碰撞的接触带，并推测该接触带可能是地震发生的危险地区，提出了龙门山地区“地壳流提供动力背景，局部高密度异常体积累应变提供地震场地”的地震发生机制。项目研究结合龙门山地区三维密度，揭示龙门山地区中下地壳存在低密度异常，且宏观上与低波速与高波速比相对应。推测松潘-甘孜造山带以及柴达木盆地中下地壳强度较弱, 易于发生韧塑性变形和横向流动，青藏高原的向北、向东运动受到塔里木盆地、祁连山地块以及四川盆地刚性岩石层的阻挡，转向南运动，为龙门山地区地震发生提供源动力，同时局部刚性岩体易于积累应变，为地震发生提供场地条件。. 本项目研究拓展了重力-地震联合研究的方法思路，对促进岩石圈结构三维精细探测的方法研究有积极意义，对其他地区的类似研究亦有参考价值。此外，本项目研究获得的龙门山地区地震发生机制，对未来深入研究地震成因及开展地震灾害危险性评价亦有指导意义。