重力-地震联合反演在龙门山断裂带的应用及汶川地震机理新认识

《Geosystems and Geoenvironment》：Interpretation of gravity-seismic joint inversion and its application in Longmenshan region

本研究针对龙门山断裂带复杂的地震构造问题，采用重力-地震联合反演技术，系统分析了汶川地震前后重力异常变化、断层形态演变及地层结构响应。研究通过欧拉反褶积和总水平导数法识别断层分布，结合地震剖面约束开展人机交互反演，揭示了地震引起的质量迁移规律和8公里深度应力滑脱面的存在，为理解强震机理和地震预测提供了重要依据。

　　

龙门山地区作为青藏高原与扬子克拉通的关键交界带，是全球大陆内部最具代表性的强震活动区之一。2008年汶川M_S 8.0级地震及其后续的2013年芦山M_S 7.0级地震、2021年泸县M_S 6.0级地震序列，凸显了该区域复杂的地震活动性和潜在灾害风险。理解龙门山断裂带的深部结构变形机制，对于阐明地壳变形过程和地震动力学机理具有至关重要的意义。然而，由于该区域构造背景复杂，单一地球物理方法往往难以准确揭示其深部结构和震源机制，迫切需要发展多方法联合的反演技术来突破解释瓶颈。

在此背景下，周文月等研究人员在《Geosystems and Geoenvironment》上发表了题为"Interpretation of gravity-seismic joint inversion and its application in Longmenshan region"的研究论文。该研究创新性地将重力与地震数据相结合，通过系统分析汶川地震前后的地球物理场变化，深入探讨了地震引起的断层形态演变和地层结构响应，为认识强震孕育机制提供了新的视角。

本研究主要采用了以下关键技术方法：基于ICGEM的震前布格重力异常数据和2009年实测高精度重力剖面数据，运用总水平导数法进行断层边界识别；采用欧拉反褶积方法反演断层空间分布特征，结构指数设定为0以对应接触带或断层构造；结合已有地震剖面解释结果，在GMSYS-2D模块中开展重力-地震人机交互联合反演，通过迭代优化减小计算与观测重力异常之间的残差。

区域重力场特征

研究区布格重力异常显示出明显的分带特征，以龙门山断裂带为界形成陡峭的重力梯度带。该高梯度带也是地震活跃带，包含了汶川、茂县、北川等历史强震区。通过系统划分，研究区可划分为三个一级构造单元，其中龙门山断裂带表现为北东向展布的狭窄重力异常条带，在50公里距离内重力异常幅度变化达60×10^-5 m/s²，反映了强烈的地壳变形和高度非均质的岩石圈结构。

断层识别与形态分析

通过总水平导数法，研究在区内共识别出13条断裂，其中9条为北东向，2条为北西向，2条近东西向。F₅（汶川-茂县断裂）、F₆（映秀-北川断裂）和F₇（都江堰-江油断裂）被确定为主要区域构造，构成了龙门山断裂带的主体构造框架。欧拉反褶积结果进一步证实了这些断层的空间分布，并提供了深度约束信息。

地震引起的重力异常变化

沿马尔康-隆昌剖面（A-A′）的布格重力异常与地形高程呈现明显的镜像关系。震后重力异常变化显示出明显的分段特征：马尔康-理县段重力异常降低，可能反映上地壳扩容或低密度物质迁移；理县-都江堰段重力异常显著增加，表明汶川地震震源区存在明显的物质充填和密度增加；都江堰-内江段重力异常再次降低，差异逐渐减小，暗示物质运移主要局限于中央断裂带。

断层形态震后变化

对比震前震后欧拉反褶积结果发现，地震导致断层推力作用减弱引起断层方向改变，在映秀-北川断裂与都江堰-江油断裂之间出现破碎带。值得注意的是，震后反演结果中未能识别出都江堰-江油断裂，这可能与上地壳浅部破碎或高度变形带掩盖了深部断层结构的重力响应有关。研究还发现在都江堰-江油断裂东侧可能存在一条新断裂（F_new），这可能是由于过去仪器和测量精度限制未能发现的问题。

地层结构变化

通过重力-地震联合反演建立的震前震后地层模型显示，松潘-甘孜造山带地区响应地壳压缩和震后物质迁移发生了显著的地层变形，而四川盆地由于坚硬的克拉通基底，震前后地层结构变化微弱。这种空间差异反映了活动造山带与稳定克拉通块体不同的流变学特性和构造行为。

地震形成机制讨论

研究揭示了一个约8公里深度的构造滑脱面，该面可能是在长期推力褶皱作用下形成的机械边界，分隔了上、下地壳层。印度板块持续的北东向汇聚导致青藏高原东北缘发生持续变形，深部物质沿地壳规模的走滑断裂系统向东迁移，龙门山断裂带作为主要出口，但受到四川盆地刚性岩石圈的阻挡，迫使物质在龙门山带下方向北西方向累积俯冲，形成加厚地壳和高应力状态，最终导致汶川地震的发生。

该研究通过多方法联合反演，系统揭示了汶川地震前后龙门山地区的深部结构变化和地震形成机制。主要结论包括：欧拉反褶积方法能够有效反演断层的位置、方向和估算深度；地震引起断层方向改变和破碎带发育，新发现的断裂需要进一步验证；震后龙门山断裂带西侧地层因压缩而变薄。这些认识不仅深化了对汶川地震机理的理解，也为类似构造背景地区的地震危险性评估提供了重要参考。监测龙门山地区的重力异常变化将为地震预测提供科学依据，而识别出的8公里深度应力滑脱面为理解深部破裂如何引发大规模地表破坏提供了新的解释框架。