汶川8.0级地震前龙门山断裂带及邻近区域的震间形变与发震机理

利用跨龙门山后山和前山断裂的短水准监测资料、龙门山区域GPS和水准测量资料,结合龙门山及邻近区域的地震构造、以及2008年汶川8.0级地震前的中小地震活动等信息进行分析,研究汶川地震前横跨龙门山断裂带的震间(震前)地壳形变特征,探讨引起发震断裂近场和远场形变的构造活动与动力学模式,并由此认识汶川地震的孕育与成因机制,以及该地震破裂的发生机理.     

汶川8．0级地震前龙门山断裂带的垂直变化特征

根据龙门山构造带上的跨断层水准测量资料,计算了龙门山断裂带1986年至2008年1月的垂直活动速率、断层形变异常强度及测线的月变化率,研究了龙门山断裂带1986至2008年初的异常变化。结果表明．龙门山断裂带的垂直活动速率不大,在1mm／n以下。但是在大震发生前的1～3a．断层活动加速．在形变异常强度图上变化显著,在月变率统计图上,也有明显的异常．龙门山断裂带的断层形变异常对于南北地震带上600余公里以内的3次7级以上大震均有反映．对本区的地震反映更明显。     

芦山地震断层的滑动分布与汶川地震断层的关系

本文利用2013年芦山M_S7.0级地震同震GPS数据反演了芦山断层几何与断层滑动分布,结果表明:芦山地震发震断层具有南陡北缓、上陡下缓的特征,低倾角的区域位于发震断层北段且靠近映秀断层的一侧;滑动分布模型的最大滑动量为0.82m,其深度为13.67km与小震发生集中平均深度12.5km接近.我们选取1998—2014年龙门山断裂带区域地壳形变观测数据,拟合获得了龙门山断裂带走向方向上的速度分量,发现在汶川M_S8.0地震与芦山M_S7.0地震之间宽度约30km破裂空区,龙门山断裂带西南段与东北段的形变分量以破裂空区为界方向相反.断裂带东北段(汶川地震主要发震断层)的形变分量方向与断层右旋走滑运动方向一致,而在断裂带西南段(芦山地震发震断层)的形变分量方向与断层左旋走滑运动方向一致.芦山地震走滑方向与汶川地震走滑方向相反是因为该断裂带构造运动在特有几何构造下受青藏高原东南向挤压,遇龙门山中段岩石圈楔状构造的阻挡,在汶川M_S8.0地震与芦山M_S7.0地震间的地震空区,形成了构造运动向其两侧分流的结果.     

芦山MS7.0地震前远、 近场形变 时空演化特征研究

应用芦山M_S7.0地震震中附近跨断层及连续形变观测资料, 分析了芦山地震前不同阶段地形变变化的特点, 讨论了震中附近区域异常时空演化过程. 结果表明: ① 自2013年1月起, 沿鲜水河断裂带一些跨断层基线观测到显著的加速转折变化, 沿安宁河、 则木河断裂带个别场地的跨断层水准基线, 2010年以来出现的巨幅异常等是突出的场兆变化; 沿龙门山断裂带一些水准观测在汶川M_S8.0地震后持续的调整变化具有近震源区变形特征. ② 鲜水河、 龙门山和安宁河3条主要断裂围成的三叉口地区, 地倾斜、 应变、 重力及断层水准和蠕变观测临震前均未有显著的异常变化, GPS水平、 垂直位移年速率最小, 该地区是形变变化或形变异常分布的“空区”. ③ 在对近场与远场多种连续形变数据通过傅里叶变换提取年周期成分后发现, 临震前2—3年近震源区域的地倾斜、 重力年变化幅度不是增大, 而是减小. 芦山M_S7.0地震前观测到的形变前兆现象特征与汶川M_S8.0地震等震前的前兆现象较为接近. 因此, 芦山地震前近震源区及外围形变异常分布特征不是个别的现象.      

龙门山及汶川M_S8.0级地震垂直形变场研究

2008年5月12日四川汶川MS8.0级大震,不但对震区人民群众生命财产带来重大灾难,也给地震工作者带来了一系列新的科学挑战。汶川地震发生之后,中国地震局迅速启动了汶川地震地表破裂地质调查、龙门山断裂带地壳结构地球物理探测、龙门山断裂带及汶川地震地壳形变场监测、汶川地震工程震害调查等一系列科学考察工作。本报告主要介绍本次科学考察工作就汶川8.0级地震及龙门山断裂带垂直形变所取得的监测研究成果。     

2008年汶川8.0级地震前横跨龙门山断裂带的震间形变

利用区域GPS和水准测量资料,结合地震构造背景的分析,本文研究2008年汶川8.0级地震前横跨龙门山断裂带地区的震间地壳形变,探讨引起这种形变的活动构造与动力学模式,并由此认识汶川地震的孕育与成因机制.主要结果表明：1997～2007年期间,自龙门山断裂带中段朝北西约230 km的地带内存在垂直于断裂的水平缩短变形、以及平行于断裂的水平右旋剪切变形,缩短率为1.3×10^-8/a （即：0.013 mm/km/a）,角变形速率为2.6×10^-8/a;同一地带在1975～1997年期间还表现出垂直上隆变形,上隆速率在龙门山前山断裂与中央断裂之间仅0.6 mm/a,而至龙门山后山断裂及其以西达2～3 mm/a.这些反映了在汶川地震之前至少10～30余年,龙门山断裂带中段的前山与中央断裂业已闭锁、并伴有应变积累.造成这种形变的主要原因是：以壳内的低速层为“解耦”带,巴颜喀拉地块上地壳朝南东的水平运动在四川盆地西缘受到华南地块的阻挡、转换成龙门山断裂带中段的逆冲运动;由于该断裂段的震间闭锁,致使西侧的巴颜喀拉地块的上地壳发生横向缩短以及平行断裂的右旋剪切变形.然而,龙门山断裂带北段在1997～2007年期间除了有大约0.9 mm/a的右旋剪切变形外,横向的缩短变形极微弱,这可能与该断裂段西侧的岷江、虎牙、龙日坝等断裂带吸收了巴颜喀拉地块朝东水平运动的大部分有关.另外,汶川地震前,横跨龙门山断裂带中段与北段的地壳形变特征的差异,与汶川地震时能量释放的空间分布吻合.     

汶川地震和芦山地震的孕震机理及震前中长期地震危险性研究

运用非连续变形分析法与三维有限元法相结合的方法,以GPS资料作为位移速率和震源机制的约束条件,通过数值模拟研究了青藏高原及其东侧邻区构造地块的运动、变形、相互作用及其与近30年来发生于该区的大地震之间的关系。研究中引入了以应力与摩擦强度的比值定义的断层“失稳危险度”,通过数值模拟计算得到了研究区地壳块体边界断层的失稳危险度分布。结果表明,失稳危险度高的地段与近期该区发生的M_S≥7.0地震所在的位置基本一致,其中龙门山断裂带上包括汶川和芦山大地震的发震断层均为失稳危险度最高值地区。计算得到的应变率强度分布图显示,青藏高原东部边缘整条地带均为应变率强度的陡变带,特别是以龙门山断裂带上的陡变最为明显,其西侧应变率强度为东侧的近4倍,而且,这个带位于宽度相同、走向与龙门山断裂带走向相一致的高应变能密度带中,表明这两次大地震前,作为其发震断层的龙门山断裂带已积累了相当高的应变能,失稳危险度高,处于力学上的不稳定状态。模拟计算得到在上地壳层中,2001年昆仑山口西M_S8.1地震引起汶川、芦山地震发震断层的库仑破裂应力增加约0.016 MPa,相当于龙门山断裂带约两年的应力积累,也就是说,使汶川、芦山地震发震断层的失稳破裂提前了约两年。 此外,关于2008年汶川M_S8.0地震的模拟计算表明,汶川地震的发生也使包括芦山地震发震断层的龙门山断裂带西南段和东昆仑断裂带东南端的库仑破裂应力增大,应变能积累增强,这说明汶川M_S8.0地震的发生对已处于失稳危险度较高状态的2013年芦山地震和2017年九寨沟地震发震断层的提前失稳破裂起到了促进作用。      

对汶川8.0级地震前四川地区地形变类观测异常的研究

研究给出四川地区跨断层短水准、短基线和固定形变台在汶川8.0级地震前出现的异常现象.四川地区跨断层流动垂直、水平形变观测场地观测,在汶川8.0级地震前出现中长期趋势异常的场地数为6个,1个为长期趋势异常,其余5个为中期趋势异常.异常观测场地比为6/31=0.19.其中,龙门山断裂带所在的川北地区有4处跨断层流动短水准观...     

芦山MS7.0级地震前的形变空区特征研究

上世纪70年代以来,国内外基本形成了以监测震中附近断层预滑动进行地震预测的研究思路,但近些年来,一些大地震前近震源区域的形变变化却引起了巨大的争议.本文应用芦山地震震中附近跨断层及连续形变观测资料,分析了震前不同阶段地形变变化的特点,讨论了震中附近区域异常时空演化过程.分析结果表明,沿鲜水河断裂带一些跨断层基线、安宁河及则木河断裂带个别场地的跨断层水准基线出现的显著异常变化,这些异常出现在远离芦山地震震中的区域上;在近震源区域,在龙门山断裂带南段的一些断层水准变化量极小,在鲜水河、龙门山和安宁河3条主要断裂围成的三叉口地区,倾斜、应变、重力及断层水准和蠕变观测临震前未有显著的异常变化,该区是形变变化或形变异常分布的“空区”.本文也与汶川地震前形变异常分布进行了对比,认为震前形变“空区”现象可能是强震前的一种共性特征.     

龙门山断裂带多参数深部结构成像与地震成因研究

通过反演大量的纵、横波地震数据,获得了沿龙门山断裂带及周边区域的深部三维精细结构,结合前人二维大地电磁探测研究成果,提出龙门山断裂带地壳形变与深部速度结构和导电率不均匀性有关,探讨了2008年汶川和2013年芦山地震的诱发和产生与流体侵入及地壳形变的密切关系.本研究发现,2008年汶川地震发生在高速度、高泊松比和低电导率的区域,2013年芦山地震则位于高速度、低泊松比和低电导率的发震层.在上地壳中,四川前陆盆地的低速、低泊松比和低阻异常与松潘一甘孜地块的高速、高泊松比和高阻异常形成了鲜明的对比.在龙门山断裂带下方的两个低速和低阻块体,将龙门山断裂带分成南、中和北三段.我们的研究认为,这两个异常体与来自松潘甘孜地块的下地壳和(或)上地幔的局部熔融或流体侵入到龙门山断裂带的脆弱区有关.基于对汶川和芦山地震的余震分布特征及震源区的地震波速度、泊松比及电阻率参数分析,揭示了龙门山断裂带深部剧烈的地壳形变与流体应力积累对2008年汶川和2013年芦山地震的触发及其地震破裂过程具有重要的控制作用.     

汶川8.0级地震前GPS与跨断层资料反映的运动与变形演化特征

为了研究与总结2008年5月12日汶川8.0级地震前GPS与跨断层资料反映的龙门山断裂带及其周边地区的运动、构造变形、应变积累演化过程,以及汶川地震临震阶段可能的物理机制,本文综合1999~2007期GPS速度场、1999~2008年大尺度GPS基线时间序列、1985~2008年跨断层短水准等资料进行了相关分析与讨论。结果表明:(1)GPS速度剖面结果显示,宽达500km的川西高原在震前有明显的连续变形,而四川盆地一侧和跨龙门山断裂带基本没有变形趋势,表明震前川西高原在持续不断地为已经处于闭锁状态的龙门山断裂带提供能量积累。(2)GPS应变率结果显示,震前龙门山断裂带中北段的NW侧EW向挤压变形明显,变形幅度从远离断裂带较大到靠近断裂带逐渐减小,而断裂带变形微弱;龙门山断裂带西南段周边形成了显著的EW向挤压应变集中区,应变积累速率明显大于中北段。(3)断层闭锁程度反演结果显示,除了汶川地震的震源位置闭锁相对较弱,且西南段有大概20km宽度断层在12~22.5km深度为蠕滑状态以外,震前整条龙门山断裂基本处于强闭锁状态。(4)大尺度GPS基线结果显示,跨南北地震带区域的NE向基线从2005年开始普遍出现压缩转折,反映NE向地壳缩短的相对运动增强。(5)跨断层短水准场地结果显示,震前年均垂直变化速率和形变累积率很低,表明断层近场垂向活动很弱、闭锁较强。通过以上分析认为,在相对小尺度的地壳变形中,震前龙门山断裂带深浅部均处于强闭锁状态,断裂带水平与垂直变形都很微弱,这可能经历了一个缓慢的过程,而且越是临近地震的发生,微弱变形的范围可能越大;在相对大尺度的地壳变形中,震前龙门山断裂带西侧的巴颜喀拉块体东部地区经历了地壳缓慢且持续的缩短挤压变形,为龙门山断裂带应变积累持续提供了动力支持。     

龙门山中段后山断裂带晚第四纪运动特征

本文通过对龙门山断裂带中段后山断裂带主要断裂的研究,认识到从茂汶断裂往西北到挂思岭断裂,断裂最新活动时代有逐渐变老的趋势,反映了龙门山后山断裂在晚新生代同样具有前展式(背驮式)逆冲推覆特征,主断裂茂汶断裂的最新活动时代为晚更新世晚期;后山断裂带除逆冲挤压构造变形外,还存在拉张变形,这为研究青藏高原的运动学及动力学等问题提供了重要信息.     

Deformation Evolution Characteristics Revealed by GPS and Cross-fault Leveling Data before the MS8.0 Wenchuan Earthquake

Based on GPS velocity during 1999-2007, GPS baseline time series on large scale during 1999-2008 and cross-fault leveling data during 1985-2008, the paper makes some analysis and discussion to study and summarize the movement, tectonic deformation and strain accumulation evolution characteristics of the Longmenshan fault and the surrounding area before the M_S8.0 Wenchuan earthquake, as well as the possible physical mechanism late in the seismic cycle of the Wenchuan earthquake. Multiple results indicate that:GPS velocity profiles show that obvious continuous deformation across the eastern Qinghai-Tibetan Plateau before the earthquake was distributed across a zone at least 500km wide, while there was little deformation in Sichuan Basin and Longmenshan fault zone, which means that the eastern Qinghai-Tibetan Plateau provides energy accumulation for locked Longmenshan fault zone continuously. GPS strain rates show that the east-west compression deformation was larger in the northwest of the mid-northern segment of the Longmenshan fault zone, and deformation amplitude decreased gradually from far field to near fault zone, and there was little deformation in fault zone. The east-west compression deformation was significant surrounding the southwestern segment of the Longmenshan fault zone, and strain accumulation rate was larger than that of mid-northern segment. Fault locking indicates nearly whole Longmenshan fault was locked before the earthquake except the source of the earthquake which was weakly locked, and a 20km width patch in southwestern segment between 12km to 22.5km depth was in creeping state. GPS baseline time series in northeast direction on large scale became compressive generally from 2005 in the North-South Seismic Belt, which reflects that relative compression deformation enhances. The cross-fault leveling data show that annual vertical change rate and deformation trend accumulation rate in the Longmenshan fault zone were little, which indicates that vertical activity near the fault was very weak and the fault was tightly locked. According to analyses of GPS and cross-fault leveling data before the Wenchuan earthquake, we consider that the Longmenshan fault is tightly locked from the surface to the deep, and the horizontal and vertical deformation are weak surrounding the fault in relatively small-scale crustal deformation. The process of weak deformation may be slow, and weak deformation area may be larger when large earthquake is coming. Continuous and slow compression deformation across eastern Qinghai-Tibetan Plateau before the earthquake provides dynamic support for strain accumulation in the Longmenshan fault zone in relative large-scale crustal deformation.     

Internal structure of Longmenshan fault zone at Hongkou outcrop,Sichuan,China,that caused the 2008 Wenchuan earthquake

This paper reports the internal structures of the Beichuan fault zone of Longmenshan fault system that caused the 2008 Wenchuan earthquake,at an outcrop in Hongkou,Sichuan province,China.Present work is a part of comprehensive project of Institute of Geology,China Earthquake Administration,trying to understand deformation processes in Longmenshan fault zones and eventually to reproduce Wenchuan earthquake by modeling based on measured mechanical and transport properties.Outcrop studies could be integrate...     

龙门山断裂带地壳精细结构与汶川地震发震机理

利用2001年1月至2008年6月四川固定地震台网和临时地震台站记录到的大量P波到时资料,反演了龙门山断裂带及周边地区的地壳精细三维P波速度模型. 结果表明,汶川主震以北和以南地区的结构存在较大差异,以北地区的龙门山断裂带具有很强地壳不均匀性,这与该区发生了大量汶川地震的余震相一致. 这些结果有意义地改进了前人对龙门山断裂带仅为不同块体过渡带的认识. 汶川主震震源区下方存在有明显低波速异常体,表明流体可能存在于龙门山断裂带内. 这些流体可能直接影响汶川大震的形成. 本文的成像结果为下地壳流沿龙门山断裂带上浸提供了可靠的地震学证据.     

Internal structure of Longmenshan fault zone at Hongkou outcrop,Sichuan, China,that caused the 2008 Wenchuan earthquake

This paper reports the internal structures of the Beichuan fault zone of Longmenshan fault system that caused the 2008 Wenchuan earthquake, at an outcrop in Hongkou, Sichuan province, China. Present work is a part of comprehensive project of Institute of Geology, China Earthquake Administration, trying to understand deformation processes in Longmenshan fault zones and eventually to reproduce Wenchuan earthquake by modeling based on measured mechanical and transport properties. Outcrop studies could be integrated with those performed on samples recovered from fault zone drilling, during the Wenchuan Earthquake Fault Scientific Drilling (WFSD) Project, to understand along-fault and depth variation of fault zone properties. The hanging wall side of the fault zone consists of weakly-foliated, clayey fault gouge of about 1 m in width and of several fault breccia zones of 30–40 m in total width. We could not find any pseudotachylite at this outcrop. Displacement during the Wenchuan earthquake is highly localized within the fault gouge layer along narrower slipping-zones of about 10 to 20 mm in width. This is an important constraint for analyzing thermal pressurization, an important dynamic weakening mechanism of faults. Overlapping patterns of striations on slickenside surface suggest that seismic slip at a given time occurred in even narrower zone of a few to several millimeters, so that localization of deformation must have occurred within a slipping zone during coseismic fault motion. Fault breccia zones are bounded by thin black gouge layers containing amorphous carbon. Fault gouge contains illite and chlorite minerals, but not smectite. Clayey fault gouge next to coseismic slipping zone also contains amorphous carbon and small amounts of graphite. The structural observations and mineralogical data obtained from outcrop exposures of the fault zone of the Wenchuan earthquake can be compared with those obtained from the WFSD-1 and WFSD-2 boreholes, which have been drilled very close to the Hongkou outcrop. The presence of carbon and graphite, observed next to the slipping-zone, may affect the mechanical properties of the fault and also provide useful information about coseismic chemical changes.