川滇地區地殼均衡狀態及其與區域強震的關系

姜永濤 張永志 王 帥

1 長安大學地質工程與測繪學院，西安市雁塔路126號，710054

2 南陽師范學院環境科學與旅游學院，南陽市臥龍路1638號，473061

川滇地區地質構造結構復雜，地形地貌反差顯著，深淺構造活動強烈，地震發生頻度高且強度大［1］。國內外學者利用重力異常和地震觀測等資料對Moho界面的形態進行了大量研究。馮銳［2］利用全國1°×1°布格重力異常數據，基于Parker－Oldenburg位場反演方法得到全國的地殼厚度和上地幔密度分布特征，結果顯示川滇地區處于地殼厚度的陡變帶上。Braitenberg［3］在地震剖面資料的約束下，運用頻率域迭代算法研究青藏高原地區的Moho起伏。Shin［4］利用GRACE 衛星重力場模型，基于Parker－Oldenburg迭代算法研究青藏高原地區的地殼厚度特征。王謙身［5］將Airy均衡地殼深度和由布格重力異常反演的區域地殼深度進行對比，研究龍門山斷裂附近區域的地殼均衡狀態。本文利用CRUST1.0提供的地殼結構，探討了川滇地區的地殼結構和地殼均衡狀態，并分析其與區域構造斷裂、地震活動之間的關系。

1 區域構造和地震活動情況

1.1 川滇地區地震空間分布特征

圖1給出了川滇地區M＞4.5地震的空間分布［6］，圖中藍色小點為震中分布，時間跨度為1980－01～2014－10。可以看出，地震沿活動斷裂的帶狀分布特征非常突出，顯示地震的發生與活動構造關系密切。此外，區域大震震源機制［7］顯示，甘孜－玉樹斷裂為走滑型斷裂帶，龍門山斷裂帶為逆沖型斷層，且北段呈現少許走滑特征，說明大震震源機制與斷層活動形式密切相關。

圖1 川滇地區地震空間分布Fig.1 Spatial distribution of earthquakes in Sichuan－Yunnan region

圖1中的區域斷裂［8］包括：EKL 東昆侖斷裂帶；LRB 龍日壩斷裂；MJ岷江斷裂；LMS 龍門山斷裂帶；GY 甘孜－玉樹斷裂帶；XSH 鮮水河斷裂帶；DLS大涼山斷裂；ANH 安寧河斷裂；ZMH 則木河斷裂；XJ小江斷裂；MZ 湄沾斷裂；BY 白玉斷裂；LT 理塘斷裂；LCJ瀾滄江斷裂；NJ怒江斷裂；BT 巴塘斷裂；JSJ金沙江斷裂；DZ 德欽－中甸斷裂；LJ－XJ 麗江－小金河斷裂；HH 紅河斷裂；NCJ南華－楚雄－建水斷裂；NTH 南汀河斷裂。

1.2 地震時間分布特征

川滇地區1980～2014年M＞5.5地震資料得到的震級－時間分布與應變能釋放圖（圖2（a））顯示，川滇地區大震在時間分布上是不均勻的。結合地震累積能量釋放曲線，2008年以后的地震發生頻率和能量釋放率都明顯大于汶川地震前，說明2008年之后區域地震活動進入了一個強活動性階段。通過震級－深度分布圖（圖2（b））可知，區域大震主要集中在5～15km 深度的斷裂帶上，與朱艾斕等［9］研究結果一致，且在25～33 km 深度處存在明顯的缺震（震級M＞5.5）層。

圖2 震級－時間分布與應變能釋放圖及震級－深度分布圖Fig.2 Magnitude－time and strain energy release map，magnitude－depth map

2 地殼結構

2.1 CRUST1.0

CRUST1.0［10］是覆蓋全球、空間分辨率為1°×1°的地殼模型。模型中Moho深度取最新全球地震研究資料中地殼厚度數據的1°窗口平均值，對南極洲等資料缺乏區域，Moho深度由重力反演得到。

CRUST1.0將地殼分為8層，從上至下依次是水層、冰層、上、中、下沉積層和上、中、下結晶地殼，給出了1°×1°的各層厚度、密度及波速Vp、Vs數據。其中大陸地形、海深和冰蓋數據來源于ETOPO1；上、中、下沉積層的厚度和密度數據來源于全球沉積層模型；上、中、下地殼的厚度和密度數據來自于地震資料。CRUST1.0 模型經過全球最新地震面波數據的驗證和改正，是目前空間分辨率和精度最高的全球地殼模型。

2.2 區域主要地殼界面

由CRUST1.0模型［10］計算的川滇地區上地殼深度和地殼厚度如圖3、圖4所示。

圖3 川滇地區上地殼厚度Fig.3 Upper crust thickness

圖4 川滇地區地殼厚度Fig.4 Crust thickness

從圖3可以看出，川滇地區上地殼厚度呈現西北－東南向遞減的趨勢。龍門山次級塊體、雅江次級塊體和香格里拉次級塊體為上地殼厚度變化的高梯度帶；四川盆地上地殼厚度在20km 左右，起伏度較低。結合地震（M＞5.5）深度分布（圖2（b）），川滇地區大震主要發生在脆性上地殼中。

圖4顯示，川滇地區Moho起伏較大，從區域西北60km 發散狀遞減為區域東南35km。通過與地貌的對比可以發現，區域Moho起伏與地形有一定的鏡像關系，但在龍門山次級塊體，地表地形陡變帶、上地殼厚度梯度帶和Moho起伏梯度帶在分布特征上有一定的差異，這可能反映龍門山斷裂帶為一個深部物質重新分異、調整和能量強烈交換的地帶［11］，該斷裂帶曾發生2008－05－12汶川Mw7.9 大 震 和2013－04－20 蘆 山Ms7.0地震。

3 川滇地區地殼均衡狀態

Airy大陸均衡理論把地殼視為“漂浮”在密度較大均質巖漿（名為硅鎂層）上的密度較小的均質巖石柱體（名為硅鋁層），處于平衡狀態。根據阿基米德原理，山越高則陷入巖漿越深，形成山根；海越深則巖漿向上凸出也越高，形成反山根。這樣，較輕的山根補償山體的質量過剩，較重的反山根補償海水的質量不足，且均衡補償面可位于山根底部任意深度。

區域地殼均衡深度與實際地殼深度（由地震資料或重力資料獲取）的差值反映現今區域地殼深部的構造活動狀態［5，12］。根據地表高程H計算Airy地殼均衡厚度的公式為：

式中，ρm＝3.27g／cm3，ρc＝2.67g／cm3，分別為地幔和地殼的平均密度；t為川滇地區地殼平均深度，本文t＝39km（據CRUST1.0模型）。

由于地貌形成除受構造運動作用外，河流、風蝕等外部作用也對其有一定的影響，因此本文在計算均衡Moho深度前，對區域地形進行20km窗口的中值濾波處理，然后根據式（1）求算川滇地區均衡Moho深度（圖5）。可以看出，區域均衡Moho深度與地貌鏡像關系明顯，四川盆地均衡Moho深度為40～42km，阿壩次級塊體均衡Moho深度為55～60km，26°N 以南各次級塊體均衡Moho均小于50km。此外，龍門山斷裂帶位于均衡Moho深度的陡變帶上，并與龍門山斷裂帶走向一致。

將區域地殼均衡深度mohoairy與實際地殼深度mohocrust1.0作差，可以得到反映地殼深部構造活動的均衡狀態（圖6）。當mohoairy＞mohocrust1.0時，為達到均衡狀態，真實Moho面應為深度增大趨勢，或者地表高程表現為下沉運動。圖6顯示，川滇地區26°N 以南區域呈現正均衡狀態，但區域水準測量顯示現今地殼呈抬升狀態［13］，原因可能是由于青藏高原中下地殼流帶來的地殼物質在此處源源不斷地積累；四川盆地mohoairy≈mohocrust1.0，說明地殼處于均衡狀態；圖6中均衡差異最顯著的地區位于龍門山斷裂帶附近，龍門山斷裂帶本身就處于均衡狀態變化的高梯度帶上，其北側為正均衡狀態（＋6km），南側為負均衡狀態（－6km），西南側為正均衡狀態（＋6km），這可能反映龍門山斷裂帶附近為地殼深部物質重新分異、調整和能量強烈交換的地帶。

由大震與區域均衡狀態的關系可以看出，逆沖／正斷型地震發生在均衡狀態差異劇烈的梯度帶上，如汶川地震和蘆山地震；而走滑型地震發生在均衡狀態差異不明顯的地區，如玉樹地震、魯甸地震和普洱地震。

圖5 Airy均衡moho深度Fig.5 Moho discontinuity of Airy isostasy

圖6 均衡與實際moho深度差異Fig.6 Difference of Airy and real moho discontinuity

4 結 語

1）區域地震沿活動斷裂的帶狀分布特征非常突出，且大震震源機制與斷層活動特征密切相關，顯示地震與活動構造的關系密切。

2）川滇地區處于地殼結構（上地殼厚度或Moho深度）的陡變帶上。區域地殼均衡狀態顯示，26°N 以南區域呈現正均衡狀態；四川盆地地殼處于均衡狀態；區域均衡差異最顯著的地區位于龍門山斷裂帶附近，可能反映龍門山斷裂帶附近為地殼深部物質重新分異、調整和能量強烈交換的地帶。

3）由區域大震與均衡狀態的關系可以看出，逆沖／正斷型地震發生在均衡狀態差異劇烈的梯度帶上；而走滑型地震往往發生在均衡狀態差異不明顯的地區。

［1］王雙緒，蔣鋒云，郝明，等.青藏高原東緣現今三維地殼運動特征研究［J］.地球物理學報，2013，56（10）：3 334－3 345（Wang Shuangxu，Jiang Fengyun，Hao Ming，et al.Investigation of Features of Present 3D Crustal Movement in Eastern Edge of Tibet Plateau［J］.Chinese J Geophys，2013，56（10）：3 334－3 345）

［2］馮銳.中國地殼厚度及上地幔密度分布：三維重力反演結果［J］.地震學報，1985，7（2）：143－157（Feng Rui.Crustal Thickness and Densities in the Upper Mantle Beneath China—the Results of Three Dimensional Gravity Inversion［J］.Acta Seismologica Sinica，1985，7（2）：143－157）

［3］Braitenberg C，Zadro M，Fang J，et al.The Gravity and Isostatic Moho Undulations in Qinghai－Tibet Plateau［J］.Journal of Geodynamics，2000，30（5）：489－505

［4］Shin Y H，Xu H，Braitenberg C，et al.Moho Undulations Beneath Tibet from GRACE－Iintegrated Gravity Data［J］.Geophysical Journal International，2007，170（3）：971－985

［5］王謙身，滕吉文，張永謙，等.龍門山斷裂系及鄰區地殼重力均衡效應與汶川地震［J］.地球物理學進展，2008，23（6）：1 664－1 670（Wang Qianshen，Teng Jiwen，Zhang Yongqian，et al.The Effect of Crustal Gravity Isostasy and Wenchuan Earthquake in Longmenshan Faults and Adjacent Area［J］.Progress in Geophysics，2008，23（6）：1 664－1 670）

［6］http：／／earthquake.usgs.gov／earthquakes／search／，2015

［7］http：／／www.globalcmt.org／CMTsearch.html，2015

［8］鄧起東.中國活動構造圖［M］.北京：地震出版社，2007（Deng Qidong.Map of Active Tectonics in China［M］.Beijing：Seismological Press，2007）

［9］朱艾斕，徐錫偉，周永勝，等.川西地區小震重新定位及其活動構造意義［J］.地球物理學報，2005，48（3）：629－636（Zhu Ailan，Xu Xiwei，Zhou Yongsheng，et al.Relocation of Small Earthquakes in Western Sichuan，China and Its Implications for Active Tectonics［J］.Chin J Geophys，2005，48（3）：629－636）

［10］Laske G，Masters G，Ma Z，et al.Update on CRUST1.0—a 1－Degree Global Model of Earth’s Crust［J］.EGU General Assembly，2013，15：2658

［11］滕吉文，白登海，楊輝.2008汶川Ms8.0地震發生的深層過程和動力學響應［J］.地球物理學報，2008，51（5）：1 385－1 402（Teng Jiwen，Bai Denghai，Yang Hui，et al.Deep Processes and Dynamic Responses Associated with the Wenchuan Ms8.0Earthquake of 2008［J］.Chinese J Geophys，2008，51（5）：1 385－1 402）

［12］Heiskanen W A，Moritz H.Physical Geodesy［M］.Springer，2005

［13］Hao M，Wang Q，Shen Z，et al.Present Day Crustal Vertical Movement Inferred from Precise Leveling Data in Eastern Margin of Tibetan Plateau［J］.Tectonophysics，2014