關于汶川地震成因機制的探討

地震成因是一個復雜的課題，本文從“密度平衡橢球體理論”關于地殼運動動力來源的基本原理出發，通過對中國西部和汶川地區地殼密度結構和P波的分析，從區域板塊運動和汶川地區二極構造運動兩個層次，從平面上和垂向上差異性，對汶川地震形成機制進行了探討。

2008年5月12日14時28分04秒，四川省汶川縣發生了8級大地震，面波震級達8.0Ms、矩震級達8.3Mw（根據美國地質調查局的數據，矩震級為7.9Mw），地震烈度達到11度。地震波及大半個中國及多個亞洲國家。北至北京，東至上海，南至香港、泰國、臺灣、越南，西至巴基斯坦均有震感。

有關汶川地震的研究各方面的成果已發表論文達數萬篇，可謂數量巨大，但主要都從地震特征、應力場特征、構造地質等角度進行探討，而關于汶川地震成因，主流意見認為印度洋板塊向亞歐板塊俯沖，造成青藏高原快速隆升導致地震。高原物質向東緩慢流動，在高原東緣沿龍門山構造帶向東擠壓，遇到四川盆地之下剛性地塊的頑強阻擋，造成構造應力能量的長期積累，最終在龍門山北川—映秀地區突然釋放。逆沖、右旋、擠壓型斷層地震。四川特大地震發生在地殼脆—韌性轉換帶，震源深度為10km～20km，與地表近，持續時間較長，因此破壞性巨大，影響強烈。

地殼運動的動力來源是什么？一般理論都沒有令人信服的解釋。本文在分析研究了本區地殼結構特征的基礎上，從密度平衡橢球體理論[1]出發，對汶川地震產生的動力來源等成因問題進行了綜合分析研究。

區域條件

區域地殼結構特征

四川省汶川縣位于羌塘-揚子-華南板

塊[2]中部，即二級構造單元揚子陸塊與可可西里-巴顏喀拉中生代造山帶接合部（圖1）——龍門山推覆帶（龍門山走滑斷裂）。

由圖2可知，中國西部由西昆侖山、塔里木盆地、天山到準喀爾盆地，密度存在分帶現象，西昆侖山小于南部密度和北部的塔里木盆地；天山的密度大于準喀爾盆地，準喀爾盆地密度小于阿爾泰；同樣由圖3可知，由青藏高原、柴達木盆地、祁連山至河西走廊也存在密度分帶；由圖4可知，由準噶爾盆地、天山、吐-哈盆地、祁連山、柴達木盆地、阿尼瑪卿山、巴顏喀拉山、龍門山-大巴山至四川盆地也存在密度分帶。

區域運動特征

1）地殼水平運動的動力來源。根據密度平衡橢球體理論，如圖5所示，P點地球自轉產生的慣性離心力F、F點切向分量F1和法向分量F2分別為：

圖5 地球表面p點受力分析圖[1]

（1）

（2）

（3）

其中：r——P點到自轉軸的距離；——地球的自轉角速度；m——P點的質量。

對于P點的引力G、P點切向分量G1和法向分量G2分別為：

（4）

（5）

（6）

其中：M——地球的質量；K——萬有引力常數。

G1方向指向極點，故為向極力；G2與F2的差為P點的重力。

如果P點密度發生變化，則質量變化為m+△m，由質量增量△m引起的G1和F1的

變化和

由式（5）和式（2）可得：

（7）

質量變化一般有地幔物質轉化為地殼組成物質（巖溶侵入）和沉積作用，即△m為正值，再者，地殼物質轉化為地幔物質（地殼底部融熔作用），地殼物質的剝蝕（風化剝蝕作用），即△m為負值。

具有一定自轉速度、一定密度的星體，經過長期的旋轉，必然形成具有一定扁率的平衡橢球體。地殼局部質量變化時，將產生水平運動，當質量變大時將緩慢的向極點運動，變小時將緩慢的向赤道方向運動。

2）板塊運動方式。由圖2至圖4可知，塔里木板塊與羌塘-楊子-華南板塊接觸段，塔里木板塊密度小于羌塘-楊子-華南板塊密度，因而，根據密度平衡橢球體理論，塔里木板塊具有向赤道運動趨勢，而羌塘-楊子-華南板塊具有向北極運動的趨勢（圖6），從而形成了西昆侖山脈。

羌塘-楊子-華南板塊與柴達木-華北板塊接觸段（圖2），北部密度大于南部密度，因而，羌塘-楊子-華南板塊有向赤道運動的趨勢，柴達木-華北板塊有向北極運動的趨勢，從而形成了柴達木盆地。

圖6 中國西部板塊運動方式簡圖

紅色箭頭為一級板塊相對運動方向，藍色箭頭為二級構造單元相對運動方向；紫色為一級板塊，褐色為二級構造單元；多色折線為布格重力反演解釋剖面

汶川地震形成機制

P波特征

龍門山走滑斷裂主要由汶川—茂汶斷裂、光光山斷裂、陽平關—青川斷裂、康縣斷裂等組成[4]。由圖7可知，龍門山走滑斷裂為P波突變帶，西部青藏高原的P波明顯大于東部四川盆地。汶川地區地震源基本分布于P波等值線密集區。

圖7 穿過汶川地震震源區的P波速度垂直剖面[6]

WMF，汶川-茂縣斷裂；YBF，映秀-北川斷裂；GJF，灌縣-江油斷裂；

白色圓點代表沿剖面±20km范圍內重新定位后的余震在剖面上的投影

地殼密度特征

四川盆地密度與龍門山-大巴山存在明顯差異，羌塘-揚子-華南板塊的二級構造單元可可西里-巴顏喀拉中新生代造山帶密度大于四川中生代盆地，四川盆地密度自上而下這2.6t/cm3、2.8t/cm3、2.67t/cm3、3.3t/cm3，龍門山-大巴山地殼密度分別為2.8t/cm3、2.67t/cm3、3.3t/cm3。

因而，龍門山-大巴山一帶，平面上表現為四川中生代盆地與可可西里-巴顏喀拉中新生代造山帶存在地殼結構差異，同時在垂向上兩者之間也存在地殼密度差異。

地殼運動特征

對比圖7和圖4，龍門山走滑斷裂P波突變帶和地殼密度突變帶相對應。進一步表明該帶為地殼結構變化帶。因而，根據密度平衡橢球體理論，四川中生代盆地具有向赤道運動趨勢，可可西里-巴顏喀拉中新代造山帶具有向北極運動趨勢（圖6中藍色箭頭）。

由于印度板塊向青藏高原俯沖，而羌塘-揚子-華南板塊有向赤道運動方向的趨勢，羌塘-揚子-華南板塊的二級構造單元四川中新生代盆地是構造運動相對穩定單元，而西部可可西里-巴顏喀拉中新代造山帶為構造運動相對活躍單元，作為二者的結合部的龍門山走滑斷裂必然是地殼應力聚集帶。

在龍門山走滑斷裂深20km處同樣是P波和密度突變帶，所以，本區的地震震源深度一般都在20km左右。

結論

根據密度平衡橢球體理論汶川地震的發生是區域、局部地殼結構特征所決定的：

1）龍門山走滑斷裂四川中生代盆地是相對穩定地塊和可可西里-巴顏喀拉中新代造山帶的結合部，為地殼應力聚集創造了物質條件。2）岡瓦納板塊的二級構造單元岡底斯中生代-新生代造山帶向北極運動，而相對低密度的羌塘-揚子-華南板塊向赤道運動，因而，在羌塘-揚子-華南板塊西段受到岡底斯中生代-新生代造山帶阻擋，因而，東西段結合部的龍門山走滑斷裂，必然是地殼應力聚集帶。3）龍門山走滑斷裂帶在深度20km左右處同樣存在密度和P波突變，這就決定了地殼應力主要集中在20km深度帶。4）在龍門山走滑斷裂平面上東西兩側存在著P波和密度差異，兩者存在著相對運動的趨勢，為地殼應力的聚集創造了動力來源。

參考文獻

[1]于雙忠.煤礦工程地質研究[M].北京：中國礦業大學出版社，1991.

[2]劉訓，游國慶.中國的板塊構造區劃[J].中國地質，2015，42（1）：1-17.

[3]彭聰.中國西部布格重力異常特征和地殼密度結構[J].地球學報，2005（5）：417-422.

[4]王二七，孟慶任，陳智樑，等.龍門山斷裂帶印支期左旋走滑運動及其大地構造成因[J].地學前緣，2001，8（2）：375-384.

[5]侯遵澤，楊文采，劉家琦.中國大陸地殼密度差異多尺度反演[J].地球物理學報，1998（5）：642-651.

[6]李志偉，胥頤，黃潤秋，等.龍門山地區的P波速度結構與汶川地震的深部構造特征[J].中國科學，2011，42（3）：283-290.

（作者簡介：蔣向明，中國煤炭地質總局水文地質局。）