2013年4月20日芦山M_S7.0强烈地震和2008年5月12日汶川M_S8.0强烈地震均与龙门山断裂带相关，前者位于西南段，后者在中段，震中相距85 km，两次地震的余震区之间存在45 km的间隔(刘杰等，2013；詹艳等，2013).在不到5年的时间内龙门山断裂带上连续发生了两次强烈地震，可见该断裂带是一条活动性强的断裂带.汶川地震所在的龙门山断裂带中段自西向东发育3条近平行的汶川—茂汶断裂、北川断裂和彭灌断裂，汶川地震是北川断裂和彭灌断裂活动的结果.而芦山地震所在的龙门山断裂带西南段也由3条近平行的断裂组成，即耿达—陇东断裂、盐井—五龙断裂和双石—大川断裂，芦山地震发生在双石—大川断裂的东侧(赵博等，2013).

汶川地震和芦山地震均与龙门山断裂带相关，时间相隔之短，震级之大，二者相距之近，并且在2次地震的余震之间还存在约45 km的空区，这些都充分反映了龙门山断裂带中南段地下构造的复杂性，因此急待查清龙门山断裂带中南段的地下构造特征，确定汶川地震和芦山地震的地下构造背景和地震孕育发生模式.由于芦山地震发生在双石—大川断裂的东侧，附近还有大邑断裂、新开店断裂及其他一些隐伏断裂，芦山地震的发震断裂究竟是哪条断裂？另外它是不是汶川地震的余震？目前尚无可靠结论(曹俊兴，2013；李勇等，2013；李渝生等，2013；洪海春等，2013).目前一些地震研究机构给出的地震破裂过程虽不尽相同，但所有震源破裂过程的结果均显示破裂未达地表(刘成利等，2013；徐锡伟等，2013a；应丹琳等，2013)，从而给地表地质调查带来困难，因此采用有效方法准确确定芦山地震的发震断层及其附近断层的准确位置，对构建芦山地震的地震构造模型、研究芦山地震发震机制非常重要.汶川地震和芦山地震后许多学者通过不同的方法、手段对汶川和芦山地震区的地质构造、发震机制等开展了大量研究，取得了很多成果(朱艾斓等，2005；胥颐等，2009；张红艳等，2013；赵翠萍等，2013；郑勇等，2013).然而由于方法所限，这些成果对揭示芦山地震区的地壳深浅结构的分辨显得不足，无法获得断裂带附近深浅结构的精细图像.深地震反射剖面技术是目前地学界公认的探测地壳深部结构最为有效的技术之一，已在许多地区取得了很多重要的研究成果(方盛明等，2009；赵成彬等，2013)，本次利用深地震反射剖面技术对芦山地震区的地壳结构和断裂构造特征进行探测，根据穿过芦山震区的深地震反射剖面，研究分析芦山地震区的深部结构和发震构造特征，确定芦山地震的发震断层，为认识芦山地震特殊的深部构造背景、研究龙门山断裂带西南段的深部孕震环境以及该区未来的地震危险性提供重要资料.

研究区位于龙门山断裂带西南段，构造分区为龙门山构造带前山和山前带.地表出露岩性主要有白垩系上统灌口组(K_2g)和夹关组(K_2j)泥岩、砂岩、砾岩，下统天马山组(K_1l)泥岩、砂岩、砾岩.局部出露志留系、泥盆系、三叠系和侏罗系，少量出露第四系全新统砾石层.该区地层以中下三叠统富膏盐岩层(滑脱层)为界，发育上下两套完全不同的构造样式.其上从双石—大川断裂向东至龙泉山构造带，发育数排平行排列或斜列的断层相关褶皱，其下则很好地保存了先期的垒堑式张性构造，尽管它们在印支期以来的挤压过程中发生反转，但幅度有限，反转断层也大多向上滑脱消失于该滑脱层内，或部分延入侏罗系内部(张勤学等，2007；李智武等，2009).

龙门山断裂带总体走向N45°E，倾向NW.自北西向南东，龙门山逆冲推覆构造带由3条西倾的铲形主干断裂带组成(张岳桥等，2013)，即龙门山后山断裂、中央断裂及前山断裂，这3条主断裂带自晚第四纪以来均显示由北西向南东的逆冲运动，并伴有显著的右旋走滑分量.芦山地震发生的龙门山断裂带南段，叠瓦状次级逆断层发育.自西向东，排列着盐井—五龙、双石—大川、新开店、大邑、浦江—新津等几条NE向断层.其中盐井—五龙断裂是龙门山中央断裂的南段，双石—大川断裂属于前山断裂的南段，为龙门山构造带东南侧的边界断裂，新开店断裂、大邑断裂等则是四川盆地内部的地表倾角较陡的隐伏断裂(图 1)(林茂炳和陈运则，1996；董绍鹏等，2008).

图 1

Fig. 1

图 1 芦山地震区地质构造(徐锡伟等，2013b)和地震测线位置图Fig. 1 Geological structure (Xu et al., 2013b) and the location of the seismic profile within the Lushan earthquake area

本次深地震反射剖面位于四川省雅安市境内.由于工作区山高林密、植被较厚，有些地区为常年无人通行的无人区，为便于施工剖面沿弯线布设，剖面方向NW—SE.该剖面西北端(桩号0 km)位于宝兴县穆坪镇的黄桷坪附近，坐标为：102°51′50.99″E，30°19′34.68″N；东南端(桩号40 km)位于名山区新店镇阳坪村附近，坐标为：103°12′7.63″E，30°08′30.36″N，剖面全长40 km(图 1).剖面自西北向东南沿途经过的村镇主要有：宝兴县穆坪镇、中坝乡，芦山县双石镇、龙门乡、隆兴乡，名山区上里镇、建山乡、新店镇等.穿过的构造主要有双石—大川断裂、芦山向斜、新开店断裂、中里向斜、莲花山背斜、名山向斜和大邑断裂等(冉永良等，2007).

地震波的激发采用钻孔爆破震源，钻孔深度25 m，单炮药量24～30 kg，由于地壳深部和上地幔顶部反射能量较弱，为保证获得清晰的中、下地壳反射，每间隔1 km左右增加一个井深40 m、药量80～100 kg的大炮.地震波的接收使用法国生产的SN388型遥测数字地震仪，采样间隔4 ms，记录长度20 s，每个地震道使用10个10 Hz的地震检波器串进行组合接收.为了兼顾地壳浅部(300～500 m)及中、深层的反射，采用排列中间激发、双边不对称零偏移距接收的观测系统，观测系统参数为道间距30 m、800道接收、炮间距180 m、覆盖次数67次.

资料处理采用FOCUS和GRISYS地震反射数据处理系统，数据处理方法主要有振幅能量均衡、折射静校正、时变带通滤波、二维倾角滤波、反褶积、正常时差校正(NMO)、倾角时差校正(DMO)、剩余静校正、共面元叠加、叠后偏移和叠后剖面去噪等.尤其是采用了反褶积处理，明显提高了深层反射的叠加能量，使深层反射的连续性明显变好；采用倾角时差校正(DMO)技术，解决了大倾角地层因倾角时差的存在叠加时反射波同相轴得不到同相叠加而影响反射波叠加效果的问题；采用共面元叠加解决了弯曲测线因共中心点分散影响反射波叠加效果的问题，使剖面上大倾角地层反射波的叠加效果得到了明显的增强，剖面信噪比也得到了一定程度的提高(王丽娜等，2003；刘建芳等，2007).

图 2a为该剖面的原始单炮试验记录图，采用30 m道距、1001道接收、最小偏移距0 m、井深40 m、药量100 kg.可以看到初至波同相轴扭曲明显，反映了沿测线地形起伏变化较大.由于在施工中采取了相应的抗干扰措施，获得了信噪比较高的原始记录，从图 2a上可以看到多组反射波，其中2～5 s和7～8 s之间都存在多组能量较强的反射波.而对于采用24～30 kg药量激发的单炮记录，2～5 s之间仍可以看到多组能量较强的反射波，但7～8 s之间的反射能量明显较弱.

图 2

Fig. 2

图 2 研究区(a)单炮地震记录和(b)平均速度剖面图Fig. 2 The seismic record profile (a) and the average velocity profile (b) in the research region

图 2b为由原始记录经过速度分析得到的平均速度剖面图.该剖面平均速度在纵向上总体随着深度的增加呈逐渐增大的趋势，但浅部和深部增加的速度(即速度梯度)不同，总体表现为浅部速度梯度大、中深部速度梯度逐渐变小.在横向上浅部(4 s以上)平均速度总体表现为比较稳定，平均速度等值线基本呈水平形态；深部(4 s以下)平均速度基本呈两端低、中间高的形态，其中西北端稍低，东南端较低，速度等值线呈明显的下倾形态.

图 3为该剖面的时间剖面图，图 4为时间剖面解释图，图 5为地质解释剖面图.由图 3可以看出，在桩号3～36 km、双程反射时间7～9 s和桩号0～39 km、双程反射时间13～14.5 s之间，存在2组反射能量较强、横向分段连续性较好的反射波组T_C和T_M，它们分别对应来自上、下地壳分界面(C)和莫霍界面(Moho)的反射.图 4显示C界面埋深约为19～23 km，Moho界面埋深约为39～40 km.T_C和T_M反射波组都是具有一定持续时间的反射条带，这表明C和Moho界面都是具有一定厚度的薄层组合，其中C界面厚约1.0 km，呈两端浅、中间深的下凹形态，西北段向东南倾斜，东南段向西北倾斜，并在2段的相接处存在明显的波组交叉干涉现象.Moho界面厚约2.5～4.0 km，略呈西北深、东南浅的倾斜形态.

图 3

Fig. 3

图 3 深地震反射时间剖面图Fig. 3 The deep seismic reflection time profile in the research region

图 4

Fig. 4

图 4 深地震反射时间剖面解释图Fig. 4 The interpretation section of the deep seismic reflection profile in the research region

上地壳内6.5 s以上存在多个清晰的反射波组，其下为相对的反射“透明带”.尤其在4 s以上，可以明显看出多组反射能量相对较强、横向连续性较好、起伏变化形态明显的反射震相T_K、T_J、T_T、T₁和T₂，这些震相都是来自基底以上沉积地层的反射，它们在整条剖面上都可以追踪.根据该地区石油物探和钻探资料(冉永良等，2007；张勤学等，2007；李勇等，2013)，其中T_K、T_J和T_T分别为来自白垩系、侏罗系、三叠系底界的反射，T₁和T₂为来自古生界内部地层的反射，这些反射震相都存在明显受构造作用造成的同相轴中断、错断等畸变现象.除上述反射震相之外，在剖面5～6 s之间还存在一组断断续续分布的略呈西北低、东南高的反射震相，根据石油物探资料它应该是来自深层滑脱面的反射(李勇等，2013).而在T₂和T_C反射震相之间的上地壳内，除了该滑脱面的反射之外，反射能量都较弱，仅存在一些断断续续的能量较弱的反射能量团，表现出了上地壳由脆性向脆-韧性过渡的典型的结晶基底特征，这表明上地壳内结晶基底以下的岩石经过高温高压的变质作用，缩小了不同岩石之间的物性(波阻抗)差异，难以形成较强的反射.与上地壳相比，下地壳内(7 s以下)很难识别出横向连续性较好的反射波组，但在下地壳内存在一些断断续续、延续较短的强反射能量团和反射条带，其中西北段和东南段相对较弱，中段较强，表现出了芦山地区地壳下部介质和上地幔顶部的物质由于受高温高压的变质作用或者受构造应力的作用所形成的反射特征.

从图 4和图 5可以看出，在剖面的上部褶皱和断裂构造比较发育，在时间剖面4 s以上反射同相轴存在明显的起伏变化现象，反映出了沿测线向斜和背斜相间分布的现象，尤其是隆兴乡下面的芦山向斜比较清晰.在剖面5～6 s之间的一组断断续续分布略呈西北低、东南高的反射震相，应该是来自深层滑脱面的反射，该反射在西北部和中部能量较强，反射震相基本能够连续追踪；在东南部能量相对较弱，但仍可看到其向东南延伸的趋势.以该滑脱层为界，界面上、下的反射具有明显不同的特征，界面以上反射震相较多，结构复杂，断裂较多，表现出介质以脆性变形为主；界面以下反射震相较少，结构简单，断裂也较少，表现出介质以塑性变形为主，该滑脱面在上部脆性地层和下部塑性地层之间起到了解耦作用.根据该剖面的反射波组特征存在7条特征明显的断裂.

图 5

Fig. 5

图 5 芦山地震区地质解释剖面图Fig. 5 The geological interpretation profile in the Lushan earthquake area

F₁断裂：位于剖面桩号9.9 km左右，视倾向北西，视倾角上陡下缓，为东南盘下降、西北盘上升的逆断裂.在桩号9.9 km附近，T_K、T_J、T_T和T₁反射波组都存在明显的波形畸变和同相轴错断现象，反射同相轴难以连续追踪.在断裂的两侧T_T和T₁反射同相轴呈上拱形态，而在断裂附近同相轴则呈相互交叉、干涉的形态.F₁断裂向上错断了T_K地层界面，向下切穿了T_T、T₁和T₂地层界面延伸到深度12 km左右，根据F₁断裂的性质和在剖面上的位置，它应该是双石—大川断裂的反映.

F₂断裂：F₂断裂是一条埋藏较深的隐伏断裂，位于剖面桩号10.19 km左右，视倾向南东，视倾角相对较陡，为西北盘下降、东南盘上升的逆断层.在图 3的时间剖面上可以清楚地看出，在桩号10.19 km附近，T_T、T₁和T₂反射震相不仅能量变化较大，而且存在明显的反射同相轴扭曲或错断等波形畸变现象.断裂两侧波组特征差异较大，在F₂断裂的西北侧，T₂反射震相呈西北高、东南低的倾斜形态；在F₂断裂的东南侧，T₂反射震相呈明显的上拱形态.F₂断裂向上错断了T_T地层界面，向下错断了T₂地层界面并向下延伸到13 km左右归并到F₄断裂上.根据F₂断裂的性质和在剖面上的位置，它应该是一条规模相对较大的隐伏断裂.

F₃断裂：位于剖面桩号18.4 km，该断裂视倾向南东，视倾角较陡，为西北盘下降、东南盘上升的逆断层.在F₃断裂的两侧，在双程反射时间1.5～3.0 s之间，T_J、T_T和T₁反射震相明显被错断，断裂两侧波形特征也明显不同，在F₃断裂的西北侧，这3组震相基本呈水平展布；在F₃断裂的东南侧，这3组震相呈上拱形态或向西北倾斜的形态.F₃断裂向上错断了T_J地层界面，向下错断了T₂地层界面并向下延伸归并到F₄断裂上.根据F₃断裂的性质和在剖面上的位置，它应该是芦山向斜下面的一条隐伏断裂.

F₄断裂：位于剖面桩号25.36 km左右，该断裂视倾向北西，视倾角上陡下缓，呈铲形向下延伸，为西北盘上升、东南盘下降的逆断层.F₄断裂是该剖面上的一条规模较大的断裂，沿断裂4.0 s以上的T_J、T_T、T₁和T₂反射震相明显被错断，断裂两侧波形特征也明显不同.T_J反射震相在F₄断裂的西北侧呈弧形展布，而在断裂的东南侧呈西北低东南高的倾斜形态；T₂反射震相在断裂的两侧虽然都呈弧形展布，但能量差别较大.另外T_T和T₁反射震相也呈明显的扭曲和错断形态.该断裂向上错断了T_J地层界面，向下错断了T₂地层界面，并以铲形向下延伸到深度16 km左右，然后和F₆断裂一起归并到深层滑脱面之上.根据F₄断裂的性质和在剖面上的位置，它应该是位于双石—大川断裂和大邑断裂之间的一条隐伏断裂.

F₅断裂：位于剖面桩号30.8 km左右，该断裂视倾向北西，视倾角相对较陡，为东南盘下降、西北盘上升的逆断层.在F₅断裂的西北侧存在一些能量较强、上部倾斜、下部呈弧形或水平的反射同相轴，而在断裂的东南侧反射能量较弱，几乎看不到能够连续追踪的反射同相轴.F₅断裂向上错断了T_K地层界面，向下错断了T_T地层界面.根据F₅断裂的性质和在剖面上的位置，它应该是大邑断裂或其分支断裂的反映.

F₆断裂：位于剖面桩号32.5 km左右，该断裂视倾向北西，视倾角相对较陡，为西北盘上升、东南盘下降的逆断层.在2.0～5.0 s之间，断裂的西北侧为一些弧形的反射震相，能量较弱，东南侧为一组向西北倾斜的反射震相，能量较强，同相轴连续性较好，两侧波形特征差异较大.该断裂向上错断到T_T地层界面，向下错断了T₂地层界面并以铲形向下延伸到16 km左右归并到深层滑脱面上.根据F₆断裂的性质和在剖面上的位置，它应该是大邑断裂的反映.

另外，在剖面桩号19.4 km附近，在双程反射时间7～9 s的T_C反射震相存在明显的扭曲、交叉等相互干涉现象，两侧反射同相轴难以连续追踪，反射同相轴形态也明显不同，其中西北侧反射同相轴向东南倾斜，东南侧反射同相轴向西北倾斜，因此该处可能是下地壳内的一个变形带或者是两个块体之间的缝合带，也可能在该处存在断裂(F₇)，F₇断裂应该是一条错断上、下地壳分界面和Moho界面的深大断裂，该断裂可能在下地壳内形成一个岩浆上涌的通道，而断裂两侧的强反射有可能与上地幔岩浆的上涌有关.

根据震源定位结果，芦山地震的震中位于双石—大川断裂的东侧，而双石—大川断裂为倾向北西的逆断层，因此芦山地震的震源不应该在双石—大川断裂上，应该在其东侧深度约为16 km的滑脱带上.根据已有资料，在芦山之下存在一个龙门山前缘滑脱带，该滑脱带从双石—大川断裂以西往东一直延伸到四川盆地内部，西陡东缓，倾向NW，深度为10～20 km，位于此滑脱带之上的盖层以类似断展褶皱的形式向东扩展，而一些断裂则通过这些褶皱传播到地表.该滑脱带的位置与震源机制解获得的震源深度相当，也与本次的探测结果相吻合，隐伏断裂F₄和大邑断裂F₅、F₆也都归并到这个滑脱带上.由图 5可以看出，在双石—大川断裂(F₁)以东至大邑断裂(F₅和F₆)之间还存在3条隐伏断裂(F₂—F₄)，这3条隐伏断裂规模较大，错断地层明显，尤其是F₄断裂从深度1 km左右向下一直延伸到16 km左右并指向震源位置，最终归并到深度16 km左右的滑脱带上.由于F₂、F₃和F₄断裂为一组隐伏断裂，呈复合“Y”字型，关系较为密切，规模又较大，因此认为芦山地震的发震断裂应为隐伏断裂F₄，而隐伏断裂F₂和F₃受控于F₄而活动，从而引发了许多余震，震源机制解和余震定位结果也都充分证实了这一点(房立华等，2013；李传友等，2013；曾祥方等，2013).

由以上分析可知芦山地震的发震断裂应为隐伏断裂F₄以及F₂和F₃，它们都位于双石—大川断裂以东(图 4和图 5).根据地震地质和地面震害调查结果显示，沿双石—大川断裂及以东的龙门乡至芦山县城的向斜盆地地裂缝、地表变形点、砂土液化区、边坡裂缝发育，滑坡或边坡坍塌明显，建筑破坏严重(陈立春等，2013；李渝生等，2013)，表明芦山地震极震区也位于双石—大川断裂及以东地区.由于双石—大川断裂是一条走向北东、倾向北西的逆断层，如果双石—大川断裂是发震断裂，那么震源和极震区应该位于双石—大川断裂的西侧而不应该位于东侧，因此根据芦山地震极震区的位置、隐伏断裂F₄、F₂、F₃的位置和“Y”字型的组合形态，结合余震剖面上的余震也呈“Y”字型分布(房立华等，2013)这些证据，可以充分说明芦山地震的发震断层不是双石—大川断裂而是芦山向斜下面的隐伏断裂F₄、F₂和F₃.那么芦山地震的发震断层和极震区之间是什么关系呢？根据图 4和图 5中发震断裂F₄、F₂、F₃的位置和芦山地震极震区的位置可以看出，F₂断裂向上延伸到深度3 km左右已靠近双石镇，并已接近F₁断裂.根据其他野外观察结果，在芦山7.0级地震中，芦山附近的断裂发生了向SE的逆冲运动，并且还包含了部分反冲运动，这与本次探测结果F₄隐伏断裂向SE方向的逆冲和F₂、F₃断裂向NW方向的反冲相吻合.这种反冲是双石—大川断裂与其东侧断裂所夹逆冲岩体在前进滑动中，为了调节断裂前锋所受的阻力而发生的.由于这些块体沿F₄断裂的逆冲和沿F₂、F₃断裂的反冲导致了芦山所在块体的抬升以及地面建筑物的破坏和地裂缝发育，使该地块成为此次地震的震害最严重的地带，也就是地震烈度图上最重的Ⅸ度区的范围，这次地震引发的滑坡等次生灾害也主要分布于这一范围内(李传友等，2013)，并且还造成了余震剖面上“Y”字型的余震分布图像.

芦山地区的浅部构造比较复杂，褶皱、断裂较多，主要存在于上地壳内的滑脱层以上，由于滑脱层的存在，在地壳深、浅部之间形成了一种既彼此相对独立、又相互影响的特殊关系，在上部和中、下部地壳之间既传递部分形变和能量，又具有解耦作用，使上部地壳的脆性变形和下部地壳的塑性变形解耦.深部构造相对简单，仅上、下地壳分界面变化较大，可能存在错断上下地壳分界面的深部断裂，该深部断裂倾角较陡，规模较大，应该是一条老断裂，本次地震的发生应该与它无关，因此芦山地震区的深部和浅部断裂应该是相互独立的.芦山地震区由于受北西—南东向挤压应力的作用在地壳的上部形成了一些上陡下缓的隐伏逆冲断层和反冲断层(F₄、F₂和F₃)，这些断层向下延伸最终归并到深度16 km左右的滑脱面上，由于这些盲逆断层上盘地层的褶皱变形从而在断层的上盘形成了逆断层-褶皱系统，在上里镇至龙门乡之间的盲逆断层的上盘形成了扩展背斜构造(徐锡伟等，2013a)，芦山地震的发生主要与滑脱面以上的浅部断裂(F₄、F₂和F₃)有关.