1.3 國內外研究現狀

1.3.1 長周期大地電磁法在我國大陸巖石圈深部結構探測中的應用

長周期大地電磁法（LMT）是基于大地電磁理論發展起來的超低頻電磁測深方法，國外研究地殼、上地幔結構和大陸動力學的LMT測深應用已較為普遍，國內對LMT的應用開始于20世紀90年代。1995—1997年，魏文博、陳樂壽、譚捍東、鄧明等在中美合作的“國際喜馬拉雅和西藏高原深剖面及綜合研究”（簡稱INDEPTH）項目中，將長周期和寬頻大地電磁場的觀測結合起來，投入使用1套V-5系統和21套LIMS系統，V-5系統的工作頻率為0.00046～320Hz，LIMS系統的工作頻率為0.00003～0.1Hz，在同一測點上使用兩套不同的系統進行觀測，然后把它們的數據拼接起來，得到了超寬頻帶的大地電磁資料。通過對數據的處理、反演與解釋，獲得了亞東—巴木錯沿線地區的深部殼幔電性結構。1998—1999年，魏文博、金勝、葉高峰、鄧明等在INDEPTH（Ⅲ）-MT項目中在西藏中、北部布置了德慶—龍尾錯（500線）和那曲—格爾木（600線）超寬頻帶大地電磁深探測試驗剖面，開展西藏高原中、北部地殼和上地幔導電性研究，進一步證實了高原具有十分特殊的殼幔電性結構，為深入研究中部、北部地區斷裂構造格局提供了依據。2001—2005年，魏文博、金勝、葉高峰、鄧明等在藏南由西向東共布置5條南北方向、橫跨雅魯藏布江的MT深探測試驗剖面，即1995年完成的野外數據采集的亞東—雪古拉（100線）剖面，2001年完成的錯那—墨竹工卡（700線）剖面和吉隆—措勤（800線）剖面，2004年完成的定日—措麥（900線）剖面和下察隅—昌都（1000線）剖面。此外，還布置了1條東西方向的MT深探測試驗剖面，即拉孜—芒康（2000線）剖面。通過這6條剖面的電性結構成像，討論了研究區地殼和上地幔導電性三維結構特點；發現了西藏南部沿東西方向超出1000km范圍，較普遍存在中、下地殼高導層，這些高導層并不完全是連續的，在雅魯藏布江大拐彎處變薄、變淺、視電阻率升高；討論了藏南巖石圈的流變性問題，認為藏南中、下地殼具有良導電性，可以證明西藏巨厚的地殼中確實存在部分“熔融體”和“熱流體”，藏南巨厚的中、下地殼的物質狀態是熱的、軟弱的、塑性的，甚至可能是“流變”的。2007年，白登海、Ivan. M. Varentsov、孔祥儒等在EHS3D項目中選用Phoenix V5-2000多功能電法儀和LEMI-417長周期大地電磁儀相結合，完成了青藏高原東部下察隅—玉樹剖面的寬頻大地電磁資料的采集工作。LEMI-417長周期大地電磁數據預處理工具選用的是由俄羅斯科學院地球物理所地球電磁中心Ivan. M. Varentsov教授等開發的PRC-MTMV處理軟件包，通過二維反演得到了該地區地下100km深的電性結構。2008年“5·12”汶川地震發生以后，成都理工大學王緒本教授在國家自然科學基金的資助下在龍門山地區先后布置了若干條大地電磁剖面，分別為廣元—名山、碌曲—合川、刷經寺—高梁鎮剖面，選用Phoenix V8多功能電法儀和4臺長周期大地電磁儀LEMI-417進行同步觀測，為解決“5·12”汶川地震余震綜合監測與龍門山前山斷裂帶活動性分析、龍門山中段地殼與上地幔電性結構及其動力學特征和揚子地臺西緣深部地質結構與油氣賦存背景研究等科學問題提供了依據。2010年，白登海、Martyn J. Unsworth、Max A. Meju等在Nature Science發表文章，通過位于東喜馬拉雅構造結的4條寬頻大地電磁剖面得到了該地區的深部電性結構，表明從青藏高原到中國西南部的800km區域存在埋深在20～40km的高電導率物質“管道流”。以上項目的成功實施，總結出了長周期大地電磁法的應用方法和技術手段，驗證了該方法在我國深部地球物理勘探中的可行性和可靠性，以及該方法在我國大陸巖石圈深部結構探測中的重要地位和作用。

1.3.2 上揚子地塊西緣構造帶深部地質構造的已有認識

國際上，加拿大、蘇聯、美國和日本等國都在強震區做過大量的深部地球物理探測工作。加拿大在溫哥華半島地震活動區進行了深部細結構探測，結果表明該區震源深度下限明顯沿著低速高導層頂面展布；蘇聯對伏龍芝地區發生的兩次中強震的震源區解剖，結果表明震源體位于殼內鏟狀斷裂的轉折部位和殼內高導層上；美國在新馬德里、圣安德烈斯斷裂帶和鄰區，以及洛杉磯北嶺1994年6.8級地震區均開展了詳細的發震構造探測和介質特性的研究；日本對松代震群、關西地震及其他地震活動帶進行了深部孕震環境探測研究，給出了各自的強震震源結構模型。目前，國際上雖然對板內強震的孕育環境和發生的深部構造條件，特別是震源結構、介質物性特征、震源錯動和破裂類型等的研究取得了一些重要的進展，但是并沒有徹底解決重大問題。因此，用深部地球物理方法探測各種類型構造區、震源區細結構并進行深淺構造關系研究，對于強震孕震構造模式的建立具有重要意義（王椿鏞，1999）。

我國幾次重大地震后都使用了大地電磁法來探測地震區地下深處介質的孕震介質結構和構造環境。1985—1986年，國家地震局的秦馨菱、L. B. Pedersen、趙玉林等在唐山地震區及其周圍地區開展了大地電磁測深（MTS）研究工作，共觀測34個測點，得到了唐山地震主震及余震發生區域的地殼電性結構。1986年10—11月，北京大學的高文、蔣邦本和白登海在邢臺地震區進行了大地電磁觀測，并對該地區電性結構與地震的關系進行了研究，共觀測了13個測點，分兩條剖面：一條剖面從束鹿縣（今河北省辛集市）新城到任縣永福莊，全長約100km，方位NE35°，布設5個測點；另一條剖面從河北井徑到山東夏津，全長約200km，方位NW65°，布設8個測點。2004年5—6月，中國地震局地質研究所的詹艷、趙國澤、王繼軍、陳小斌等對1927年古浪8級大震區及其周邊地塊的深部電性結構實施了大地電磁探測工作，野外資料采集使用兩套加拿大Phoenix公司的V5-2000儀器進行野外數據記錄，剖面長約340km、共布置了16個測點，沿剖面的電性結構圖像及視電阻率變化幅度較清楚地呈現出深部斷裂結構和規模、地塊電性結構和變形程度，以及古浪大震區的深部結構特征。

“5·12”汶川地震發生后，有關青藏高原東緣龍門山地區的構造變形表現、深部地球動力學過程、深部結構特征等再次引起地學界的廣泛關注。探測該地區地殼及上地幔深部結構、揭示其內部構造特征是深入理解青藏高原東緣地區陸陸匯聚、俯沖、碰撞、隆升奧秘，以及“5·12”汶川地震的孕震成因、震源機制及其深部動力學特征的關鍵。自20世紀70年代起，為研究川西及鄰區的深部地質構造背景、大陸巖石圈結構及其動力學，在龍門山及其周邊地區開展了一些深部地球物理探測工作，石油部門也在龍門山地區實施了一些地震反射剖面。“5·12”汶川地震發生以后，我國地質、地球物理學家也積極在龍門山及鄰區開展各種試驗研究，中國地質調查局組織了實施龍門山地震帶科學鉆探工程，中國地震局也在該地區做了大量工作。這些重要的科學數據，為探討龍門山地區的陸塊碰撞機制與動力學問題奠定了基礎。

在“5·12”汶川地震活動帶及鄰區構造帶內的深部地球物理資料包括深地震測深剖面、大地電磁測深剖面、地震反射剖面和天然地震層析成像。目前，已先后完成了6條大地電磁測深剖面，其中阿壩—大足剖面、阿壩—瀘州剖面于20世紀80年代由地質礦產部完成，巴塘—資中剖面由國家地震局于90年代末完成；紅原—岷縣剖面、瑪曲—江油剖面由中石化南方公司于2002年完成；碌曲—中江剖面由成都理工大學于2007年完成。研究區域內完成的深地震測深剖面5條，其中唐克—閬中剖面、唐克—蒲江剖面為中國地震局8301工程；阿壩—雙流、黑水—邵陽剖面，花石峽—簡陽剖面為地礦部工程；竹巴籠—資中剖面為中國地震局86287工程。研究區域內完成的地震反射剖面有6條，即青川—茶壩剖面、礦山梁剖面、平武—南壩—厚壩L55剖面、北川—通口—彰明L14剖面、白鹿—香水S6剖面、靈關—飛仙關剖面。此外，還有一些學者利用天然地震資料研究了該地區的三維速度結構（劉建華等，1989；陳培善等，1990；孫若昧等，1991；王椿鏞，2002；朱介壽等，2005；王志等，2010）。

這些工作得到了不同地區地殼、上地幔的分層結構信息，為龍門山及鄰近地區深部構造的研究提供了寶貴資料。從研究結果看，雖然不同剖面得到的具體數據略有差異，但在許多方面取得了共識。

1. 龍門山逆沖推覆構造帶結構特征

龍門山構造帶由一系列大致平行的疊瓦狀沖斷帶構成。龍門山地區實施的反射地震探測結果給出了探測區較為清晰的上部地殼內逆沖推覆構造變形特征，以及龍門山構造帶與川西前陸盆地的接觸關系圖像。平武—南壩—厚壩L55測線和北川—通口—彰明L14測線的地質解釋結果，反映了龍門山逆沖推覆變形帶的典型構造特征，龍門山推覆構造帶是被幾條巨大的L形逆掩斷層分割成幾個巨型的推覆構造，其間又發育著次一級或再次級的沖斷層及沖斷塊。相鄰的巨型推覆構造及其前緣下盤地層發育、巖石性質、褶皺形態、斷層特征等均有明顯的差別，且較新的推覆構造重覆于較老的推覆構造之上。賈東等通過詳細的野外地質調查及對龍門山北段和南段的反射地震剖面構造的綜合分析認為，龍門山北段主要表現出阿爾卑斯型逆沖推覆構造，晚三疊紀變形強于新生代變形，南段則以基底卷入的疊瓦狀沖斷為特點，新生代變形較為突出。2007年，王緒本、朱迎堂、趙錫奎等對碌曲—若爾蓋—北川—中江大地電磁剖面的反演解釋結果，提供了龍門山自北西向南東逆沖構造的大地電磁測深證據，龍門山構造帶10～15km深度存在一條延伸較長的向西傾斜的低阻體，向西該低阻帶延伸至下地殼高導層，向東向上逆沖，與地表地質確定的逆沖斷裂相連。以龍門山構造帶為界，東部四川盆地為上部較厚低阻沉積蓋層之下存在連續穩定高阻基巖地塊特征。龍門山構造帶以西的松潘—甘孜褶皺帶為上部古生界高阻巖層夾低阻碎塊，下部（中下地殼）呈連續低阻層，推測可能存在一個連續穩定的殼內高導層。

2. 地殼結構與構造

朱介壽等利用四川40個固定和流動臺站紀錄資料，給出了川西地區3層地殼結構模型，求得上、中、下地殼的厚度分別為21km、14km和17km，地殼平均厚度為51～52km，P_n波速度約為7.8km/s。蔣國芳利用四川測震臺網短周期地震儀記錄的來自不同方向的深遠震在莫霍面所產生的P_S波，用轉換波方法求得四川地區42個臺站下方的莫霍面深度，結果表明：以龍門山構造帶為界，其東西兩側的莫霍面深度存在較大差異，在東側的成都附近約為45.8km，而其西的甘孜約為62.4km。趙珠等利用四川臺網記錄的爆破和天然地震P波資料，求得川西高原的地殼厚度為61～64km，P_n波速度為7.8～7.84km/s；四川盆地的地殼厚度為40～41km，P_n波速度為8.15～8.2km/s。深地震測深結果顯示，龍門山構造帶是一個地殼厚度陡變帶，帶內地殼結構復雜，深大斷裂發育，在其兩側地殼結構及上地幔頂部P_n波速度均存在較大差異。在龍門山東側的四川盆地，莫霍面埋深為43～46km， P_n波速度為8.0～8.2km/s；在龍門山斷裂帶底下，莫霍面深約為45km，P_n波速度為7.8km/s；在龍門山西側的松潘—甘孜褶皺帶內，莫霍面深度為51～54km，P_n波速度為7.6～7.8km/s，川西高原低的上地幔頂部的P_n波速度結構可能意味著殼幔之間存在較為強烈的熱交換過程。另外，深地震和大地電磁測深結果顯示：在龍門山斷裂帶東西兩側的松潘—甘孜褶皺帶及四川盆地的中上地殼中存在低速層和高導層，其埋深在20～30km的深度范圍內，龍門山構造帶低速高導層缺失，具有高阻基底。竹巴龍—資中深地震測深剖面結果顯示：龍門山以西的川西高原，上地殼存在厚度為8～10km、速度為5.80km/s的低速層，但四川盆地不存在上地殼低速層結構，表現為速度隨深度增加的正常速度分布。這些結果表明，在四川盆地內，上部地殼內低速層的分布可能不具有普遍性。一般認為上地殼的低速高導層是存在流體作用的顯示，或者與推測存在的深層韌性剪切帶有關，可以推測，中上地殼內的低速高導層，有可能成為龍門山L形逆掩斷層的滑脫面，為龍門山中上地殼內淺源地震的孕育提供了深部構造條件。基于區域地殼結構模型的龍門山地震定位結果及最新的中國中西部地震定位結果均顯示：龍門山及川西高原大部分地震事件的重新定位震源深度小于20km，為發生在中上地殼脆性結構層內的淺源地震。

總體認為四川盆地與西北部的川西高原存在明顯差異，川西北塊體為造山帶型地殼結構，具有地殼厚度大（60～65km）、平均速度低（地殼平均速度為6.25～6.30km/s，上地幔頂部速度為7.70～7.80km/s）、視電阻率低等特征；四川盆地為地臺型地殼結構，具有地殼厚度薄（45～50km）、平均速度高（地殼平均速度為6.45～6.50km/s，上地幔頂部速度為8.00～8.20km/s）、視電阻率高等特征；揚子塊體的地殼上地幔強度大于青藏高原東緣川滇、松潘—甘孜塊體，前者在巖石圈深度范圍作為一種有效的阻擋構造，約束或限制青藏高原物質向東側向滑移，引起地殼明顯縮短，迫使川滇塊體的運動方向向南偏轉，并使各塊體主邊界斷裂帶表現出明顯走滑運動和疊瓦狀逆沖斷裂構造。

龍門山地區位于松潘甘孜褶皺帶、西秦嶺造山帶和川西前陸盆地的交匯區域，青藏高原物質東流的匯聚之地，地殼活動強烈，地質結構復雜，對其地質演化過程、俯沖碰撞模式、強震形成機理等若干地學基本問題的認識還存在較大爭議。例如，有人認為四川盆地巖石圈厚度小于100km，較川西高原薄；有人則認為正相反。對龍門山斷裂帶的認識，有人認為其終止于中地殼的高導、低速帶上，有人則認為是切穿巖石圈的深大斷裂。此外，在各活動塊體邊界位置等方面也存在不同認識。其原因主要是能夠令人信服的、能夠相互印證的深部地球物理資料相對較少。獲得該地區準確、翔實的深部地球物理資料是解決上述地質科學難題的關鍵。

1.3.3 前期工作存在的主要不足

前期工作取得了一些重要的成果，發表了大量的論文，但遺憾的是相對于廣袤的上揚子地塊西緣而言，該區大地電磁測深工作仍顯不足，部分剖面的測點數較少、點距較大，難以全面反映該區深部結構；另外，早期的工作限于當時大地電磁正反演成像技術水平，反演主要靠一維反演或二維反演的人機聯作方式獲得地電模型，這樣的模型受人為因素影響較大，難以全面、客觀地反映復雜的實際地質模型；最重要的一點是由于當時大地電磁探測儀器發展水平的限制，前期的工作主要還是采用寬頻帶大電磁測深儀器進行測量，很少采用長周期大地電磁技術進行觀測研究，由于寬頻帶大地電磁測深儀器的響應頻率的限制，因此，即使延長觀測時間，也不能記錄到周期足夠長的有效電磁場信號。特別是在川西高原地區，中上地殼普遍存在中上地殼低阻高導層，整個巖石圈視電阻率普遍較低，寬頻帶大地電磁測深法觀測無法獲得該區巖石圈完整的電性結構信息，從而導致獲得的模型深部信息的可靠程度受到影響。由此可見，前期在這一地區開展的研究工作主要還是局限在中上地殼，尚未涉及巖石圈尺度。

因此，本書采用超寬頻大地電磁法探測模式，采用先進的二維帶地形反演成像技術，從中上地殼和巖石圈兩個分辨尺度上研究該區的殼幔電性結構模型。