1.3 国内外研究现状
1.3.1 长周期大地电磁法在我国大陆岩石圈深部结构探测中的应用
长周期大地电磁法（LMT）是基于大地电磁理论发展起来的超低频电磁测深方法，国外研究地壳、上地幔结构和大陆动力学的LMT测深应用已较为普遍，国内对LMT的应用开始于20世纪90年代。1995—1997年，魏文博、陈乐寿、谭捍东、邓明等在中美合作的“国际喜马拉雅和西藏高原深剖面及综合研究”（简称INDEPTH）项目中，将长周期和宽频大地电磁场的观测结合起来，投入使用1套V-5系统和21套LIMS系统，V-5系统的工作频率为0.00046～320Hz，LIMS系统的工作频率为0.00003～0.1Hz，在同一测点上使用两套不同的系统进行观测，然后把它们的数据拼接起来，得到了超宽频带的大地电磁资料。通过对数据的处理、反演与解释，获得了亚东—巴木错沿线地区的深部壳幔电性结构。1998—1999年，魏文博、金胜、叶高峰、邓明等在INDEPTH（Ⅲ）-MT项目中在西藏中、北部布置了德庆—龙尾错（500线）和那曲—格尔木（600线）超宽频带大地电磁深探测试验剖面，开展西藏高原中、北部地壳和上地幔导电性研究，进一步证实了高原具有十分特殊的壳幔电性结构，为深入研究中部、北部地区断裂构造格局提供了依据。2001—2005年，魏文博、金胜、叶高峰、邓明等在藏南由西向东共布置5条南北方向、横跨雅鲁藏布江的MT深探测试验剖面，即1995年完成的野外数据采集的亚东—雪古拉（100线）剖面，2001年完成的错那—墨竹工卡（700线）剖面和吉隆—措勤（800线）剖面，2004年完成的定日—措麦（900线）剖面和下察隅—昌都（1000线）剖面。此外，还布置了1条东西方向的MT深探测试验剖面，即拉孜—芒康（2000线）剖面。通过这6条剖面的电性结构成像，讨论了研究区地壳和上地幔导电性三维结构特点；发现了西藏南部沿东西方向超出1000km范围，较普遍存在中、下地壳高导层，这些高导层并不完全是连续的，在雅鲁藏布江大拐弯处变薄、变浅、视电阻率升高；讨论了藏南岩石圈的流变性问题，认为藏南中、下地壳具有良导电性，可以证明西藏巨厚的地壳中确实存在部分“熔融体”和“热流体”，藏南巨厚的中、下地壳的物质状态是热的、软弱的、塑性的，甚至可能是“流变”的。2007年，白登海、Ivan. M. Varentsov、孔祥儒等在EHS3D项目中选用Phoenix V5-2000多功能电法仪和LEMI-417长周期大地电磁仪相结合，完成了青藏高原东部下察隅—玉树剖面的宽频大地电磁资料的采集工作。LEMI-417长周期大地电磁数据预处理工具选用的是由俄罗斯科学院地球物理所地球电磁中心Ivan. M. Varentsov教授等开发的PRC-MTMV处理软件包，通过二维反演得到了该地区地下100km深的电性结构。2008年“5·12”汶川地震发生以后，成都理工大学王绪本教授在国家自然科学基金的资助下在龙门山地区先后布置了若干条大地电磁剖面，分别为广元—名山、碌曲—合川、刷经寺—高梁镇剖面，选用Phoenix V8多功能电法仪和4台长周期大地电磁仪LEMI-417进行同步观测，为解决“5·12”汶川地震余震综合监测与龙门山前山断裂带活动性分析、龙门山中段地壳与上地幔电性结构及其动力学特征和扬子地台西缘深部地质结构与油气赋存背景研究等科学问题提供了依据。2010年，白登海、Martyn J. Unsworth、Max A. Meju等在Nature Science发表文章，通过位于东喜马拉雅构造结的4条宽频大地电磁剖面得到了该地区的深部电性结构，表明从青藏高原到中国西南部的800km区域存在埋深在20～40km的高电导率物质“管道流”。以上项目的成功实施，总结出了长周期大地电磁法的应用方法和技术手段，验证了该方法在我国深部地球物理勘探中的可行性和可靠性，以及该方法在我国大陆岩石圈深部结构探测中的重要地位和作用。
1.3.2 上扬子地块西缘构造带深部地质构造的已有认识
国际上，加拿大、苏联、美国和日本等国都在强震区做过大量的深部地球物理探测工作。加拿大在温哥华半岛地震活动区进行了深部细结构探测，结果表明该区震源深度下限明显沿着低速高导层顶面展布；苏联对伏龙芝地区发生的两次中强震的震源区解剖，结果表明震源体位于壳内铲状断裂的转折部位和壳内高导层上；美国在新马德里、圣安德烈斯断裂带和邻区，以及洛杉矶北岭1994年6.8级地震区均开展了详细的发震构造探测和介质特性的研究；日本对松代震群、关西地震及其他地震活动带进行了深部孕震环境探测研究，给出了各自的强震震源结构模型。目前，国际上虽然对板内强震的孕育环境和发生的深部构造条件，特别是震源结构、介质物性特征、震源错动和破裂类型等的研究取得了一些重要的进展，但是并没有彻底解决重大问题。因此，用深部地球物理方法探测各种类型构造区、震源区细结构并进行深浅构造关系研究，对于强震孕震构造模式的建立具有重要意义（王椿镛，1999）。
我国几次重大地震后都使用了大地电磁法来探测地震区地下深处介质的孕震介质结构和构造环境。1985—1986年，国家地震局的秦馨菱、L. B. Pedersen、赵玉林等在唐山地震区及其周围地区开展了大地电磁测深（MTS）研究工作，共观测34个测点，得到了唐山地震主震及余震发生区域的地壳电性结构。1986年10—11月，北京大学的高文、蒋邦本和白登海在邢台地震区进行了大地电磁观测，并对该地区电性结构与地震的关系进行了研究，共观测了13个测点，分两条剖面：一条剖面从束鹿县（今河北省辛集市）新城到任县永福庄，全长约100km，方位NE35°，布设5个测点；另一条剖面从河北井径到山东夏津，全长约200km，方位NW65°，布设8个测点。2004年5—6月，中国地震局地质研究所的詹艳、赵国泽、王继军、陈小斌等对1927年古浪8级大震区及其周边地块的深部电性结构实施了大地电磁探测工作，野外资料采集使用两套加拿大Phoenix公司的V5-2000仪器进行野外数据记录，剖面长约340km、共布置了16个测点，沿剖面的电性结构图像及视电阻率变化幅度较清楚地呈现出深部断裂结构和规模、地块电性结构和变形程度，以及古浪大震区的深部结构特征。
“5·12”汶川地震发生后，有关青藏高原东缘龙门山地区的构造变形表现、深部地球动力学过程、深部结构特征等再次引起地学界的广泛关注。探测该地区地壳及上地幔深部结构、揭示其内部构造特征是深入理解青藏高原东缘地区陆陆汇聚、俯冲、碰撞、隆升奥秘，以及“5·12”汶川地震的孕震成因、震源机制及其深部动力学特征的关键。自20世纪70年代起，为研究川西及邻区的深部地质构造背景、大陆岩石圈结构及其动力学，在龙门山及其周边地区开展了一些深部地球物理探测工作，石油部门也在龙门山地区实施了一些地震反射剖面。“5·12”汶川地震发生以后，我国地质、地球物理学家也积极在龙门山及邻区开展各种试验研究，中国地质调查局组织了实施龙门山地震带科学钻探工程，中国地震局也在该地区做了大量工作。这些重要的科学数据，为探讨龙门山地区的陆块碰撞机制与动力学问题奠定了基础。
在“5·12”汶川地震活动带及邻区构造带内的深部地球物理资料包括深地震测深剖面、大地电磁测深剖面、地震反射剖面和天然地震层析成像。目前，已先后完成了6条大地电磁测深剖面，其中阿坝—大足剖面、阿坝—泸州剖面于20世纪80年代由地质矿产部完成，巴塘—资中剖面由国家地震局于90年代末完成；红原—岷县剖面、玛曲—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学于2007年完成。研究区域内完成的深地震测深剖面5条，其中唐克—阆中剖面、唐克—蒲江剖面为中国地震局8301工程；阿坝—双流、黑水—邵阳剖面，花石峡—简阳剖面为地矿部工程；竹巴笼—资中剖面为中国地震局86287工程。研究区域内完成的地震反射剖面有6条，即青川—茶坝剖面、矿山梁剖面、平武—南坝—厚坝L55剖面、北川—通口—彰明L14剖面、白鹿—香水S6剖面、灵关—飞仙关剖面。此外，还有一些学者利用天然地震资料研究了该地区的三维速度结构（刘建华等，1989；陈培善等，1990；孙若昧等，1991；王椿镛，2002；朱介寿等，2005；王志等，2010）。
这些工作得到了不同地区地壳、上地幔的分层结构信息，为龙门山及邻近地区深部构造的研究提供了宝贵资料。从研究结果看，虽然不同剖面得到的具体数据略有差异，但在许多方面取得了共识。
1. 龙门山逆冲推覆构造带结构特征
龙门山构造带由一系列大致平行的叠瓦状冲断带构成。龙门山地区实施的反射地震探测结果给出了探测区较为清晰的上部地壳内逆冲推覆构造变形特征，以及龙门山构造带与川西前陆盆地的接触关系图像。平武—南坝—厚坝L55测线和北川—通口—彰明L14测线的地质解释结果，反映了龙门山逆冲推覆变形带的典型构造特征，龙门山推覆构造带是被几条巨大的L形逆掩断层分割成几个巨型的推覆构造，其间又发育着次一级或再次级的冲断层及冲断块。相邻的巨型推覆构造及其前缘下盘地层发育、岩石性质、褶皱形态、断层特征等均有明显的差别，且较新的推覆构造重覆于较老的推覆构造之上。贾东等通过详细的野外地质调查及对龙门山北段和南段的反射地震剖面构造的综合分析认为，龙门山北段主要表现出阿尔卑斯型逆冲推覆构造，晚三叠纪变形强于新生代变形，南段则以基底卷入的叠瓦状冲断为特点，新生代变形较为突出。2007年，王绪本、朱迎堂、赵锡奎等对碌曲—若尔盖—北川—中江大地电磁剖面的反演解释结果，提供了龙门山自北西向南东逆冲构造的大地电磁测深证据，龙门山构造带10～15km深度存在一条延伸较长的向西倾斜的低阻体，向西该低阻带延伸至下地壳高导层，向东向上逆冲，与地表地质确定的逆冲断裂相连。以龙门山构造带为界，东部四川盆地为上部较厚低阻沉积盖层之下存在连续稳定高阻基岩地块特征。龙门山构造带以西的松潘—甘孜褶皱带为上部古生界高阻岩层夹低阻碎块，下部（中下地壳）呈连续低阻层，推测可能存在一个连续稳定的壳内高导层。
2. 地壳结构与构造
朱介寿等利用四川40个固定和流动台站纪录资料，给出了川西地区3层地壳结构模型，求得上、中、下地壳的厚度分别为21km、14km和17km，地壳平均厚度为51～52km，Pn波速度约为7.8km/s。蒋国芳利用四川测震台网短周期地震仪记录的来自不同方向的深远震在莫霍面所产生的PS波，用转换波方法求得四川地区42个台站下方的莫霍面深度，结果表明：以龙门山构造带为界，其东西两侧的莫霍面深度存在较大差异，在东侧的成都附近约为45.8km，而其西的甘孜约为62.4km。赵珠等利用四川台网记录的爆破和天然地震P波资料，求得川西高原的地壳厚度为61～64km，Pn波速度为7.8～7.84km/s；四川盆地的地壳厚度为40～41km，Pn波速度为8.15～8.2km/s。深地震测深结果显示，龙门山构造带是一个地壳厚度陡变带，带内地壳结构复杂，深大断裂发育，在其两侧地壳结构及上地幔顶部Pn波速度均存在较大差异。在龙门山东侧的四川盆地，莫霍面埋深为43～46km， Pn波速度为8.0～8.2km/s；在龙门山断裂带底下，莫霍面深约为45km，Pn波速度为7.8km/s；在龙门山西侧的松潘—甘孜褶皱带内，莫霍面深度为51～54km，Pn波速度为7.6～7.8km/s，川西高原低的上地幔顶部的Pn波速度结构可能意味着壳幔之间存在较为强烈的热交换过程。另外，深地震和大地电磁测深结果显示：在龙门山断裂带东西两侧的松潘—甘孜褶皱带及四川盆地的中上地壳中存在低速层和高导层，其埋深在20～30km的深度范围内，龙门山构造带低速高导层缺失，具有高阻基底。竹巴龙—资中深地震测深剖面结果显示：龙门山以西的川西高原，上地壳存在厚度为8～10km、速度为5.80km/s的低速层，但四川盆地不存在上地壳低速层结构，表现为速度随深度增加的正常速度分布。这些结果表明，在四川盆地内，上部地壳内低速层的分布可能不具有普遍性。一般认为上地壳的低速高导层是存在流体作用的显示，或者与推测存在的深层韧性剪切带有关，可以推测，中上地壳内的低速高导层，有可能成为龙门山L形逆掩断层的滑脱面，为龙门山中上地壳内浅源地震的孕育提供了深部构造条件。基于区域地壳结构模型的龙门山地震定位结果及最新的中国中西部地震定位结果均显示：龙门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，为发生在中上地壳脆性结构层内的浅源地震。
总体认为四川盆地与西北部的川西高原存在明显差异，川西北块体为造山带型地壳结构，具有地壳厚度大（60～65km）、平均速度低（地壳平均速度为6.25～6.30km/s，上地幔顶部速度为7.70～7.80km/s）、视电阻率低等特征；四川盆地为地台型地壳结构，具有地壳厚度薄（45～50km）、平均速度高（地壳平均速度为6.45～6.50km/s，上地幔顶部速度为8.00～8.20km/s）、视电阻率高等特征；扬子块体的地壳上地幔强度大于青藏高原东缘川滇、松潘—甘孜块体，前者在岩石圈深度范围作为一种有效的阻挡构造，约束或限制青藏高原物质向东侧向滑移，引起地壳明显缩短，迫使川滇块体的运动方向向南偏转，并使各块体主边界断裂带表现出明显走滑运动和叠瓦状逆冲断裂构造。
龙门山地区位于松潘甘孜褶皱带、西秦岭造山带和川西前陆盆地的交汇区域，青藏高原物质东流的汇聚之地，地壳活动强烈，地质结构复杂，对其地质演化过程、俯冲碰撞模式、强震形成机理等若干地学基本问题的认识还存在较大争议。例如，有人认为四川盆地岩石圈厚度小于100km，较川西高原薄；有人则认为正相反。对龙门山断裂带的认识，有人认为其终止于中地壳的高导、低速带上，有人则认为是切穿岩石圈的深大断裂。此外，在各活动块体边界位置等方面也存在不同认识。其原因主要是能够令人信服的、能够相互印证的深部地球物理资料相对较少。获得该地区准确、翔实的深部地球物理资料是解决上述地质科学难题的关键。
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，发表了大量的论文，但遗憾的是相对于广袤的上扬子地块西缘而言，该区大地电磁测深工作仍显不足，部分剖面的测点数较少、点距较大，难以全面反映该区深部结构；另外，早期的工作限于当时大地电磁正反演成像技术水平，反演主要靠一维反演或二维反演的人机联作方式获得地电模型，这样的模型受人为因素影响较大，难以全面、客观地反映复杂的实际地质模型；最重要的一点是由于当时大地电磁探测仪器发展水平的限制，前期的工作主要还是采用宽频带大电磁测深仪器进行测量，很少采用长周期大地电磁技术进行观测研究，由于宽频带大地电磁测深仪器的响应频率的限制，因此，即使延长观测时间，也不能记录到周期足够长的有效电磁场信号。特别是在川西高原地区，中上地壳普遍存在中上地壳低阻高导层，整个岩石圈视电阻率普遍较低，宽频带大地电磁测深法观测无法获得该区岩石圈完整的电性结构信息，从而导致获得的模型深部信息的可靠程度受到影响。由此可见，前期在这一地区开展的研究工作主要还是局限在中上地壳，尚未涉及岩石圈尺度。
因此，本书采用超宽频大地电磁法探测模式，采用先进的二维带地形反演成像技术，从中上地壳和岩石圈两个分辨尺度上研究该区的壳幔电性结构模型。