龙门山前陆褶皱冲断带构造解析与川西前陆盆地的发育

通过详细的野外地质调查和精细的地震剖面构造解析,揭示了龙门山前陆褶皱冲断带的基本构造特征。对比分析了龙门山北段与南段构造变形几何学和运动学的差异,提出龙门山北段主要表现为一系列复杂的逆冲推覆构造,晚三叠纪变形强于新生代;龙门山南段则以基底卷入的叠瓦状冲断为特点,晚白垩纪—早第三纪变形尤为突出。与前陆褶皱冲断带相对应的是,川西晚三叠纪时期的周缘前陆盆地主要表现在整个龙门山褶皱冲断带的前渊地区;而晚白垩纪—早第三纪再生前陆盆地却局限在川西盆地的南部,并且印—藏碰撞的持续挤压作用使得晚新生代构造变形不断向东扩展进入川西盆地南部。

龙门山中、新生界软沉积物变形及构造演化

龙门山是由三条主要断裂组成的山体。汶川—茂县断裂,也称后山断裂,构成龙门山的西部边界;映秀—北川断裂为龙门山的中央断裂;灌县—安县断裂为龙门山的东部边界,也称前山断裂。龙门山断裂带以东为始自晚三叠世末的不同时期的前陆盆地。前陆盆地中从晚三叠世至2008年5月12日汶川地震(MS8.0),在不同年代地层中均有丰富的软沉积物变形构造(SSDS)记录,包括液化变形、重力作用变形、水塑性变形及其他相关的变形。这些变形层的地点紧邻龙门山的三条断裂,这些断裂在不同时期的活动诱发不同时期的强地震,导致当时尚未固结的沉积物变形(震积岩)。上三叠统小塘子组的软沉积的变形构造有液化角砾岩、液化滴状体、液化底辟、触变底辟、卷曲变形、拉伸布丁、负载、球-枕构造、枕状层及粒序断层等。侏罗系、白垩系主要为粗粒沉积物,除少数层位发现有液化变形外,主要的软沉积变形类型为各种形态、大尺度的砾岩负载构造。古近系为湖相沉积,沉积物粒度较细,软沉积物变形又出现大量液化变形构造,如液化混插、液化角砾岩等。2008年5月12日汶川地震(MS8.0)诱发大规模地表以下沙层液化,形成一系列液化变形构造与微地貌:液化沙堆、液化席状沙、沙火山、液化丘、坑状地形与混杂堆积。应用龙门山反射地震成果、古地震记录,结合区域构造可以给出龙门山断裂带发生的时间顺序与地震造山时期:(1)松潘—甘孜造山带与扬子板块的碰撞发生于晚三叠世早期,二者的边界即现在的汶川—茂县断裂;汶川—茂县断裂于晚三叠世末逆冲推覆造山,三叠纪末龙门山地区的山地可称松潘-甘孜山,在其东侧形成前陆盆地;晚三叠世印支造山旋回的大陆动力作用是龙门山诞生与孕育的阶段。(2)映秀—北川断裂与灌县—安县断裂的逆冲活动时间为侏罗纪—早白垩世,形成高山与前陆盆地。(3)早白垩世的龙门山已是一个由三条逆冲断裂组成的断裂带山体,可称古龙门山,山高约3 500m。(4)三条断裂在古近纪的活动诱发古近系软沉积物变形,但断裂未发生逆冲推覆造山,沉积物为湖相细粒沉积,古近纪是一个地震活动期,但不是造山的阶段。(5)中生代龙门山经历了多次瞬时地震造山与平静期山脉剥蚀降低的过程,现在的龙门山是晚新生代期间多次地震瞬时造山的产物。与众多的龙门山地学研究者不同,本文系采用另一种思维——软沉积物变形构造,即通过古地震途径讨论龙门山地区的构造演化。

龙门山断裂带印支期左旋走滑运动及其大地构造成因

位于青藏高原东缘的龙门山构造呈北东—南西向将松潘—甘孜褶皱带和华南地块分割开。前者主要是由一套巨厚的三叠纪复理石沉积组成 ,分布在古特提斯海的东缘。后者由前寒武纪基底和上覆的古生代和中生代沉积盖层组成。位于汶川—茂汶断裂以东的前龙门山存在一系列倾向北西的逆掩断层 ,它们将许多由元古宙和古生代岩层组成的断片向南东置于四川盆地的中生代红层之上 ,构成典型的薄皮构造。许多研究由此断定松潘—甘孜褶皱带和四川盆地之间在中生代发生过大规模的北西—南东向挤压。然而 ,汶川—茂汶断裂西侧的松潘—甘孜褶皱带内部的挤压构造线大多是垂直于而不是平形于龙门山断裂带 ,这表明当时的挤压应力不是北西—南东向而是北东—南西向。近年来在龙门山构造带内发现 ,在三叠纪时龙门山断裂带在发生推覆的同时还经历过大规模的北东—南西向的左旋走滑运动 ,协调走滑运动的主要构造为汶川—茂汶断裂。走滑运动的成因与松潘—甘孜褶皱带北东—南西向缩短有关。汶川—茂汶断裂的左旋走滑在龙门山的北东端被古特提斯海沿勉略俯冲带的消减和发生在大巴山的古生代 /中生代岩层的褶皱和冲断作用所吸收 ,在龙门山的南西端被古特提斯海沿甘孜—理塘俯冲带的消减和松潘—甘孜三叠纪复理石的褶皱和冲断作用所吸?

龙门山前陆盆地晚三叠世沉积通量与造山带的隆升和剥蚀

根据钻井资料、地层剖面资料,利用Surfer8.0软件编制出晚三叠世前陆盆地各组段的残留地层等厚图,得出各组段残留地层的沉积总量,并计算出各阶段沉积通量:21.4t/(m2·Ma)、184.2t/(m2·Ma)、278.0t/(m2·Ma)、147.6t/(m2·Ma)、703.5t/(m2·Ma)、272.0t/(m2·Ma)。然后,利用物质平衡法将沉积物回剥至龙门山造山带并进行脱压校正,计算出晚三叠世龙门山造山带剥蚀总厚度为2514m,各阶段造山带剥蚀速率分别为:0.009mm/a、0.114mm/a、0.133mm/a、0.094mm/a、0.423mm/a和0.133mm/a。最终,重塑了龙门山造山带晚三叠世的隆升历史:在距今228.0～199.6Ma的时间内龙门山造山带地壳隆升了约4.3～4.6km,地表隆升了1.8～2.1km;并且隆升过程具有明显的阶段性,可划分为初始隆升(228.0～216.5Ma)、加速隆升(216.5～211.0Ma)、缓慢隆升(211.0～203.6Ma)、急剧隆升(203.6～202.7Ma)和缓慢隆升(202.7～199.6Ma)五个阶段。

青藏高原东缘龙门山逆冲构造深部电性结构特征

通过对汶川地震前观测的碌曲—若尔盖—北川—中江大地电磁剖面的数据处理和反演解释,揭示了沿剖面的松潘—甘孜地块、川西前陆盆地、龙门山构造带及秦岭构造带50 km深度的电性结构特征及相互关系,表明青藏高原东缘向东挤压,迫使向东流动的地壳物质沿高原东缘堆积,并向扬子陆块逆冲推覆.龙门山恰好位于松潘—甘孜地块与扬子陆块对挤部位,主要受松潘—甘孜地块壳内高导层滑脱和四川盆地基底高阻体阻挡的约束,地壳深部存在着西倾且连续展布的壳内低阻层,表明龙门山深部确实存在着逆冲推覆构造,其逆冲断裂系中的三条断裂不仅以不同的倾角向西北倾斜,并且向深部逐渐汇集,但茂县—汶川断裂可能在深部与北川—映秀断裂是分离的.龙门山两翼的四川盆地和松潘甘孜褶皱带的电性结构既具有明显差异性,又具有一定的相关性.四川盆地显示巨厚的低阻沉积盖层和连续稳定的高阻基底的二元电性结构,而松潘—甘孜地块则表现为反向二元结构,即上部大套高阻褶皱带,下部整体为低阻的变化带,龙门山逆冲构造带本身又表现为松潘地块逆冲上覆在四川盆地之上,构成上部高阻褶皱带、中部低阻逆冲断裂带和底部盆地高阻基底的三层电性结构.对比龙门山逆冲构造断裂带的西倾延伸上下盘两侧的两个反对称的二元电性结构,松潘区块深部推断的结晶基底与龙门山断裂带下盘推断的下伏盆地结晶基底又存在某种内在对应关系,推断可能存在一个西延至若尔盖地块的泛扬子陆块.因此,龙门山构造带地壳电性结构研究对于揭示青藏高原东缘陆内造山动力过程,探索汶川大地震的深部生成机理都具有重要意义.

龙门山山前彭州隐伏断裂高分辨率地震反射剖面

彭州断裂是龙门山山前一条重要的隐伏断裂.为了调查彭州断裂的位置、性质及其活动性,5·12汶川M_S8.0。地震发生后,作者采用可控震源和高精度的地震反射勘探方法,对彭州隐伏断裂进行了高分辨率地震反射成像.本文利用获得的浅层地震剖面资料并结合石油地震反射剖面,给出了彭州断裂的空间展布特征以及断裂两侧的新生代地层厚度.结果表明,彭州断裂为一条走向NE、倾向NW、倾角约为58°-62°的逆断层,该断层向上错断了第四纪沉积层,具有明显的第四纪活动,向下大约在深度8-10 km左右收敛到向西缓倾的滑脱面之上.研究结果为评价断裂的活动性和灾后重建提供了地震学证据.

2022年6月1日四川芦山M_(S)6.1强震构造精细特征

2022年6月1日,四川芦山发生M_(S)6.1(M_(W)5.9)强震,龙门山断裂带南段的地震危险性再次引起广泛的关注和讨论.本次研究根据震源机制、余震重定位和深地震反射剖面,详细分析了发震断层,并刻画了芦山震区同震断层的三维结构和模型.此次地震为典型的逆冲型地震,震源机制两组节面参数(走向/倾角/滑动角)分别为节面I:221.5°/44.4°/103.3°;节面II:23.2°/47.1°/77.3°,矩心深度为15.5 km.结合余震展布特征,认为发震断层为一条倾向SE的反冲断层,初始破裂深度约19 km,倾角约50°.研究重新解译了芦山震区上地壳的地质构造,认为龙门山断裂带南段存在两套重要的滑脱层,具有分层滑脱变形(解耦)的特征:浅部滑脱层之上为叠瓦构造,深浅滑脱层之间为双重构造.2013年M_(S)7.0地震与2022年M_(S)6.1地震的发震断层,均为发育在基底约20 km深度的滑脱层上的盲冲断层,为早期先存构造并重新活化的产物.芦山M_(S)6.1地震的余震丛集相对独立,与之前2013年芦山M_(S)7.0地震的发震断层并非相同的断层,因此认为是一次相对独立的破裂事件.2008年汶川M_(S)8.0地震与2013年芦山M_(S)7.0地震之间的地震空区,先存断裂众多,就空区的断层规模而言可以产生7级左右强震.而深部基底盲断层和浅部盖层隐伏断层的广泛存在,增加了该地区地震灾害风险评估的难度和不确定性.

汶川8.0级地震的基本特征及其研究进展

2008年5月12日在龙门山发生的汶川8.0级特大地震属于逆冲—走滑型地震。为了尽快和最好地利用汶川地震的资料,推动地震地质科学的研究。在论述了汶川地震科学研究的基本现状和研究进展的基础上,重点讨论了龙门山地震带的地质背景、活动构造、汶川地震的基本特征、地表破裂及组合样式、历史强地震复发周期、观测数据的积累与整合、构造运动学和动力学机制、地质灾害和灾后重建、龙门山地区未来地震的预测和预报等方面的内容。并建议从汶川大地震中汲取教训,整合地质学、地球物理和地球化学等多学科的综合研究,探讨汶川地震的形成过程和机制,以有效地减轻和逐步避免今后可能发生的类似的灾难。

龙门山断裂带隆起造山独特性探讨

龙门山断裂带位于四川盆地西缘,青藏高原东部,为四川盆地与松潘—甘孜地块的接触构造边界。龙门山地区海拔从东侧100 km外四川盆地的500 m突升至3 000 m高度,明显地标注了青藏高原的东部边界,其隆升机制也引起了国内外地质工作者的广泛兴趣,并且提出了多种隆升机制模型。在本次研究中,我们利用SinoProbe-02深反射地震剖面数据对龙门山地区的隆升机制进行研究,从而进一步探讨龙门山地区隆起造山的独特性,并讨论其与传统意义中的造山带的区别,认为龙门山断裂造山带为板块内部构造活动引起岩石圈隆起所形成的。本文的研究结果将使我们更深刻地了解龙门山地区的构造活动特点,并且有助于了解青藏高原东缘对印度-欧亚板块碰撞的构造响应。

汶川地震和九寨沟地震断层作用及动力学过程研究进展--纪念汶川地震十周年

2008年5月12日汶川地震(M_S8.0)发生后,各部门组织开展了一系列汶川地震相关的地学研究,包括国家科技专项"汶川地震断裂带科学钻探"项目.经过十年的持续探究,在地震地质、震源物理、地震实验、地震动力学、深部地球物理和长期监测等方面研究取得了一系列重大突破与重要成果.在汶川地震十周年之际,《地球物理学报》集中在2018年第5期刊发39篇文章作为汶川地震十周年专辑,专辑涵盖了汶川地震和九寨沟地震断层作用与动力学过程以及相关领域的一批最新研究成果.这些工作涉及汶川地震断层作用、地震参数及地震动力学数值模拟、汶川地震前地震活动性与多参数异常、晚第四纪构造与地震活动及其地表作用、青藏高原东部壳幔结构与龙门山断裂带深部构造和九寨沟地震等六方面的研究.本文将从这六个研究方向简要介绍收入本专辑论文的研究工作,呈现地震断层作用及动力学过程等研究成果,为深入认识大地震孕育和发生过程提供重要的基础.

龙门山断裂带大地震孕震环境的岩石磁学证据

地震断裂带的孕震环境对于研究地震的发生至关重要.本文以汶川地震断裂带科学钻探2号(WFSD-2)钻孔岩心中的假玄武玻璃、碎裂岩及其围岩为研究对象,通过岩石磁学测试,并结合显微结构观察探讨龙门山断裂带大地震的孕震环境.WFSD-2岩心碎裂岩中的假玄武玻璃是龙门山断裂带曾经发生过大地震活动的岩石学证据,假玄武玻璃具有高磁化率特征,而碎裂岩的磁化率值与围岩相似,假玄武玻璃中的新生磁铁矿是其高磁化率值异常的重要原因之一.假玄武玻璃中较少量的新生磁铁矿暗示了假玄武玻璃的生成环境为含氧量较低的高温还原环境.大地震断裂的摩擦热是改变龙门山断裂带中假玄武玻璃岩石磁学特征的主导因素,流体作用较弱.无高磁化率异常的碎裂岩经历的温度小于300℃,推测假玄武玻璃的生成深度较深.WFSD-2岩心中20余层假玄武玻璃脉体证明映秀—北川断裂带是一条长期活跃的断裂带,龙门山断裂带上曾经发生了多次大地震断裂活动,这些大地震可能发生在深度较大、流体作用较弱的还原性孕震环境中.

断裂熔融作用中单质铁的形成及其指示的孕震环境

目前缺乏来自于地震断裂带的假玄武玻璃的原始特征研究,制约着我们对地震孕震环境和地震发生机制的认识。本文以龙门山断裂带汶川科钻2号钻孔岩心的碎裂岩及花岗闪长岩为研究对象,通过氩气环境下的高温加热实验(最高温度达1750℃)、显微结构观察、地球化学分析和岩石磁学测试,探讨断裂熔融作用中单质铁的形成及其指示意义。花岗闪长岩和碎裂岩在1100℃时发生部分熔融作用,形成了非晶质和微晶;在≥1300℃时形成了大量单质铁组成的微球粒,可能是含铁矿物发生了以碳物质为还原剂的高温还原反应。高温实验后样品的磁化率值高于碎裂岩的磁化率值,新生成的磁铁矿是≤1100℃的样品高磁化率值的主要原因;熔融作用中形成的单质铁和少量的磁铁矿是≥1300℃样品高磁化率值的重要原因。结合前人对于快速摩擦实验熔体、地幔物质及陨石的研究,我们认为粘土矿物、硅酸盐矿物含量较多的断层泥在同震滑移中因热增压机制很难形成单质铁;而花岗岩、安山岩、辉长岩、闪长岩等岩浆岩和糜棱岩在流体作用弱和硫化物含量低的环境中易在大地震中形成单质铁。龙门山断裂带的假玄武玻璃的熔融温度≥1300℃,硫元素含量较低并发现有过剩铁元素。因此,表明龙门山断裂带的假玄武玻璃中可能形成了单质铁,其和磁铁矿是假玄武玻璃高磁化率值异常的重要原因,并指示了深部流体作用弱、硫化物含量低、还原性的孕震环境。

青藏高原东缘新生代早期古应力环境:来自四川盆地西南缘磁组构的记录

四川盆地西南缘紧邻龙门山褶皱冲断带(青藏高原东边界)南段.该地区的新生代早期红层沉积记录了青藏高原东缘的隆升历史及构造演变.本研究选取四川盆地西南缘芦山地区古新统—下渐新统名山组—芦山组地层剖面为研究对象,利用磁组构方法,结合前人对研究区古地磁及构造变形的研究,恢复了该地区新生代早期的古应力方向.本研究获取了548块样品的磁组构数据,这些磁组构的磁面理与层面平行,产状校正后磁线理呈NE-SW方向(39°/219°),K_(3)主轴方向相对集中(为120.9°±1.3°),为弱应变背景下平行层缩短之前初始变形磁组构类型,主要形成于地层成岩阶段,未受到后期褶皱等构造变形的强烈改造.本研究认为芦山剖面磁组构结果记录了研究区新生代早期的构造变形信息:新生代早期龙门山褶皱冲断带南段及川西南盆地受NW-SE向的最大主应力控制.该地区新生代晚期及现今应力场与新生代早期一致,可能继承了新生代早期的应力体制,暗示龙门山作为青藏高原的东边界可能在新生代早期已经形成.

青藏高原东缘的隆升及其水系的响应

本文基于ASTER GDEM数据,采用简单数学函数拟合龙门山地区15条河流的河流纵剖面形态,并结合基岩水力侵蚀模型来分析龙门山不同段落的地形形态特征。初步获得以下几点认识:(1)通过对龙门山地区河流纵剖面的分析,龙门山整体上具有较强的隆升速率,导致这一地区强烈的河流侵蚀作用;(2)龙门山中段和南段的河流双对数图以上凸型为主,说明该区域未达到均衡状态,处于前均衡期;(3)龙门山北段的河流双对数图呈直线形态,说明该区域达到均衡状态,处于均衡期;(4)龙门山中段和南段具有更强的构造活动性、更高的隆升速率,控制了该地区地貌、水系演化过程,并且导致这一地区容易发生地质灾害。

含次生流体包裹体的石英和长石内的微量水及其地质意义

本文采集了龙门山逆冲推覆构造带内三种不同变形程度的长英质岩石,利用傅里叶红外吸收光谱仪（FITR）,测试了包含次生流体包裹体石英和长石内的微量水,并与干净石英样品测试结果进行比较.研究表明,含次生流体包裹体的石英和长石的吸收峰基底宽缓,曲线平滑,主要吸收峰出现在3380-3450cm-1附近,造成次要吸收峰难以识别,吸收强度整体大幅提高,其中3200cm-1、3650cm-1和3730cm-1附近的微弱吸收峰更容易见到.三个样品中含次生流体包裹体的长石的水含量（0.022-0.103wt%H2O）高于石英（0.011-0.031wt%H2O）的水含量,水含量随变形程度的增加先升高后降低.含次生流体包裹体的石英和长石的水含量不能代表矿物内的结构水,但能够反映出微裂隙内流体的多少.因此,这间接指示了震后快速蠕变时期断层带边缘水含量高于中心的流体分布特征.