隐伏断层在强震砂土液化中的作用——以2008年汶川Mw 7.9地震为例

2008年汶川Mw7.9地震的强地面震动在龙门山前地区造成大量的砂土液化、喷砂冒水等地震灾害现象。震后野外调查发现,砂土液化点主要分布于地下水位只有几米深的山前河流的低阶地处,以大面积砾性土液化为特征,约58%的液化点位于距北川断层20~35km的范围内。对喷水高度及喷水过程进行了详细记录,喷水高度与峰值加速度并没有明显的相关性,喷水高度异常点(2m)集中于山前断裂系统近地表投影处。汶川地震中喷水高度异常、砾性土液化的位置与山前断裂系统的吻合性说明,沉积盆地内的地质构造可能在砂土液化强度和与震动相关的地震灾害方面起到促进作用,所以在类似的地质和水文环境中,除主震的断层错动外,应考虑地质构造在地震危险性评估和建筑物抗震设计中的重要作用。     

龙门山中、新生界软沉积物变形及构造演化

龙门山是由三条主要断裂组成的山体。汶川—茂县断裂,也称后山断裂,构成龙门山的西部边界;映秀—北川断裂为龙门山的中央断裂;灌县—安县断裂为龙门山的东部边界,也称前山断裂。龙门山断裂带以东为始自晚三叠世末的不同时期的前陆盆地。前陆盆地中从晚三叠世至2008年5月12日汶川地震(MS8.0),在不同年代地层中均有丰富的软沉积物变形构造(SSDS)记录,包括液化变形、重力作用变形、水塑性变形及其他相关的变形。这些变形层的地点紧邻龙门山的三条断裂,这些断裂在不同时期的活动诱发不同时期的强地震,导致当时尚未固结的沉积物变形(震积岩)。上三叠统小塘子组的软沉积的变形构造有液化角砾岩、液化滴状体、液化底辟、触变底辟、卷曲变形、拉伸布丁、负载、球-枕构造、枕状层及粒序断层等。侏罗系、白垩系主要为粗粒沉积物,除少数层位发现有液化变形外,主要的软沉积变形类型为各种形态、大尺度的砾岩负载构造。古近系为湖相沉积,沉积物粒度较细,软沉积物变形又出现大量液化变形构造,如液化混插、液化角砾岩等。2008年5月12日汶川地震(MS8.0)诱发大规模地表以下沙层液化,形成一系列液化变形构造与微地貌:液化沙堆、液化席状沙、沙火山、液化丘、坑状地形与混杂堆积。应用龙门山反射地震成果、古地震记录,结合区域构造可以给出龙门山断裂带发生的时间顺序与地震造山时期:(1)松潘—甘孜造山带与扬子板块的碰撞发生于晚三叠世早期,二者的边界即现在的汶川—茂县断裂;汶川—茂县断裂于晚三叠世末逆冲推覆造山,三叠纪末龙门山地区的山地可称松潘-甘孜山,在其东侧形成前陆盆地;晚三叠世印支造山旋回的大陆动力作用是龙门山诞生与孕育的阶段。(2)映秀—北川断裂与灌县—安县断裂的逆冲活动时间为侏罗纪—早白垩世,形成高山与前陆盆地。(3)早白垩世的龙门山已是一个由三条逆冲断裂组成的断裂带山体,可称古龙门山,山高约3 500m。(4)三条断裂在古近纪的活动诱发古近系软沉积物变形,但断裂未发生逆冲推覆造山,沉积物为湖相细粒沉积,古近纪是一个地震活动期,但不是造山的阶段。(5)中生代龙门山经历了多次瞬时地震造山与平静期山脉剥蚀降低的过程,现在的龙门山是晚新生代期间多次地震瞬时造山的产物。与众多的龙门山地学研究者不同,本文系采用另一种思维——软沉积物变形构造,即通过古地震途径讨论龙门山地区的构造演化。     

Soft-sediment Deformation in the Late Triassic and the Indosinian Tectonic Movement in Longmenshan

内容提要:龙门山地区上三叠统包括卡尼阶马鞍塘组、诺利阶小塘子组与瑞替阶须家河组.通过野外研究在小塘子组与须家河组的多个层位中首次识别出丰富的地震触发成因的软沉积物变形,包括液化变形(液化角砾岩、液化滴状体、液化底劈、液化均一层等);塑性变形(卷曲变形,软布丁)以及与重力作用相关的负载、球-枕、枕状层.上述软沉积物变形是龙门山地区晚三叠世构造运动的响应,它们是印支期松潘-甘孜地体与扬子板块裂开、碰撞、逆冲走滑伴生的地震事件的记录.通过古地震事件与沉积事件结合分析,提出龙门山地区印支期的构造运动过程为:晚三叠世中期(印支构造期中期)松潘-甘孜地体与扬子板块开始裂开,古断裂走向近NS,断裂活动产生的地震于小塘子组浅海沉积中触发—系列软沉积物变形;晚三叠世晚期(印支构造期晚期)松潘-甘孜地体与上扬子板块发生陆内俯冲,地震诱发须家河组湖相沉积物变形;晚三叠世末期(印支构造期末期)松潘-甘孜地体左旋走滑逆冲于上扬子板块之上,形成松潘-甘孜山与川西前陆盆地,二者边界即现今的汶川-茂县断裂,印支期的造陆与造山伴随古地震发生.依据已识别的软沉积物液化变形位置与汶茂断裂的距离,估算出诺利阶小塘子组古地震震级约为Ms7.2;目前小塘子组液化变形记录远非距汶茂断裂最远的液化点,因而实际的古地震震级远远大于Ms7.2,应存在更强的地震事件.龙门山发生的毁灭性大地震(如2008,5,12汶川大地震Ms8)实际上于晚三叠世期间早已频繁发生,现今龙门山的活动地震带是中生代古地震带的延续.     

龙门山晚三叠世软沉积物变形与印支期构造运动

龙门山地区上三叠统包括卡尼阶马鞍塘组、诺利阶小塘子组与瑞替阶须家河组。通过野外研究在小塘子组与须家河组的多个层位中首次识别出丰富的地震触发成因的软沉积物变形,包括液化变形(液化角砾岩液化滴状体、液化底劈、液化均一层等);塑性变形(卷曲变形,软布丁)以及与重力作用相关的负载、球-枕、枕状层上述软沉积物变形是龙门山地区晚三叠世构造运动的响应,它们是印支期松潘-甘孜地体与扬子板块裂开、碰撞逆冲走滑伴生的地震事件的记录。通过古地震事件与沉积事件结合分析,提出龙门山地区印支期的构造运动过程为:晚三叠世中期(印支构造期中期)松潘-甘孜地体与扬子板块开始裂开,古断裂走向近NS,断裂活动产生的地震于小塘子组浅海沉积中触发一系列软沉积物变形;晚三叠世晚期(印支构造期晚期)松潘-甘孜地体与上扬子板块发生陆内俯冲,地震诱发须家河组湖相沉积物变形;晚三叠世末期(印支构造期末期)松潘-甘孜地体左旋走滑逆冲于上扬子板块之上,形成松潘-甘孜山与川西前陆盆地,二者边界即现今的汶川-茂县断裂,印支期的造陆与造山伴随古地震发生。依据已识别的软沉积物液化变形位置与汶茂断裂的距离,估算出诺利阶小塘子组古地震震级约为Ms7.2;目前小塘子组液化变形记录远非距汶茂断裂最远的液化点,因而实际的古地震震级远远大于Ms7.2,应存在更强的地震事件。龙门山发生的毁灭性大地震(如2008,5,12汶川大地震Ms8)实际上于晚三叠世期间早已频繁发生,现今龙门山的活动地震带是中生代古地震带的延续。     

芦山地震发震构造及其与汶川地震关系讨论

芦山地震发生在巴彦喀拉块体与华南块体之间龙门山推覆构造带南段。野外考察表明,芦山地震在震中区没有形成具有构造地质意义的地震地表破裂带,仅在各山前陡坡地带出现平行于山麓陡坡的张性地裂缝、山地基岩崩塌、滑坡等边坡震动失稳现象和震动引起的砂土液化现象。重新定位的芦山地震余震分布、震源机制解和地表构造地质等分析表明,芦山地震的发震断层为一条现今尚未出露地表、其上断点仍埋藏在地下9 km以下地壳中的一条盲逆断层,走向212°,倾向NW,倾角38°±2°,上断点以上至地表的构造变形符合断层扩展背斜模型。根据汶川地震和芦山地震的余震空间分布、地震破裂过程、深浅构造关系等差异反映出它们是分别发生在龙门山推覆构造带中段和南段的两次独立地震破裂事件。     

芦山地震发震构造及其与汶川地震关系讨论

芦山地震发生在巴彦喀拉块体与华南块体之间龙门山推覆构造带南段。野外考察表明,芦山地震在震中区没有形成具有构造地质意义的地震地表破裂带,仅在各山前陡坡地带出现平行于山麓陡坡的张性地裂缝、山地基岩崩塌、滑坡等边坡震动失稳现象和震动引起的砂土液化现象。重新定位的芦山地震余震分布、震源机制解和地表构造地质等分析表明,芦山地震的发震断层为一条现今尚未出露地表、其上断点仍埋藏在地下9 km以下地壳中的一条盲逆断层,走向212°,倾向NW,倾角38°±2°,上断点以上至地表的构造变形符合断层扩展背斜模型。根据汶川地震和芦山地震的余震空间分布、地震破裂过程、深浅构造关系等差异反映出它们是分别发生在龙门山推覆构造带中段和南段的两次独立地震破裂事件。     

龙门山造山带早期断裂活动的古地震制约——来自汶川科钻(WFSD)岩心的证据

强地震是断裂活动的表现形式,可以诱发地表沉积层序顶部未固结的软沉积物发生变形,形成新的变形层(即震积岩***)。因此,在连续沉积剖面中赋存的多层震积岩应是断裂活动的直接证据。川西前陆盆地中的软沉积物变形记载了龙门山断裂带的活动信息,对认识龙门山造山带演化历史具有重要意义。本文通过"汶川地震断裂带科学钻探"一号孔(WFSD-1)和三号孔(WFSD-3)连续岩心剖面的岩性分析和构造研究,识别出11段不同深度的液化角砾岩层,它们是地震触发成因的软沉积物变形岩层。11个液化角砾岩段厚度从~20m至102m不等,分布在晚三叠世须家河组二-五段。这些液化角砾岩层记录了龙门山前陆盆地形成过程中晚三叠世断裂活动特征及趋势。这些厚度不等的震积岩粗略指示约2~20万年的地震活动长周期(地震幕),以及约4至70万年的间震期(地震幕的间隔时间),反映了龙门山断裂早期脉动式(幕式)活动特征。从不同段液化角砾岩层分布间隔规律来看,地震活跃期间隔(即间震期)越来越短,显示龙门山造山带断裂活动越来越强的趋势。结合前人地表软沉积物变形研究,我们认为龙门山造山带在晚三叠世经历了多期次的正断-逆冲活动的造山作用(至少经历14个地震活跃期),形成龙门山雏形及前陆盆地。     

基于台湾集集地震数据的CPT与SPT液化判别方法比较

利用集集地震静力触探试验(CPT)数据,对基于CPT测试的Robertson液化判别方法和Olsen方法进行了检验,两个方法对液化点判别成功率分别为82.61%和80.43%,对非液化点判别成功率分别为31.82%和44.32%。CPT液化判别方法对液化点判别基本可靠,但对非液化点判别准确性较差。对集集地震标准贯入试验(SPT)数据,美国地震工程研究中心(NCEER)推荐的SPT液化判别方法对液化点和非液化点判别成功率分别达到92.41%和94.35%。SPT方法判别成功率非常高,整体准确性远高于CPT方法。另一方面,CPT的土分类图可以同时反映土的种类与强度,甚至可以对集集地震液化土与非液化土进行区分。对于细粒土的液化初判,CPT土分类图也优于SPT方法中的黏粒含量指标。因此,土分类图是CPT的优势所在。     

基于复合方法的天水盆地宽频带地震动模拟

本文采用有限差分和随机振动合成结合的复合方法,模拟了当礼县—罗家堡断裂发生矩震级Mw7.7级大地震时,在天水盆地产生的宽频带地震动场,分析了在设定地震条件下盆地内的地震动分布特征,为该区黄土地震滑坡分析提供了地震动参数结果。结果显示:(1)有限差分法和随机振动合成法可以很好地互补,得到盆地内地表宽频带地震动;(2)地震在盆地区域产生了强烈地震动,PGA(峰值加速度)介于150~900 gal,离断层较近的区域东南角的PGA最大,随着断层距的增加,PGA逐渐减小。河谷南侧的PGA值相比北侧较大,具备诱发滑坡的强大动力条件;(3)盆地区域PGV(峰值速度)最大为120 cm/s。受第四系覆盖层放大效应和地形放大效应共同影响,水平向地震动在盆地区域东侧和中部具有较大PGV,而西侧PGV相对较小。竖向地震动在盆地区域东侧较弱,而在中部和西侧较强,特别是最西侧陡峭的山坡上,PGV达到了最大值。此外,竖向地震动明显受到覆盖层厚度的影响,譬如在盆地区域南侧的中间部位,也具有较大的PGV。     

汶川地震断裂带科学钻探工程一号孔主断层的随钻流体响应特征

汶川地震断裂带科学钻探工程(WFSD)的主要研究目的是探讨龙门山断裂带深部断裂的物质属性。随钻实时流体分析作为井口流体实时监测手段,首次获得了龙门山断裂带随钻流体组分响应特征,在一号孔(WFSD-1)主断层上出现随钻流体多组分同时异常,且异常强度大。通过比较WFSD-1号孔主断层的钻探岩心岩性和随钻流体组分剖面,认为随钻流体组分的异常区间与主断层的区间保持一致,表明流体异常与断层的响应特征,主断层区间的流体异常为多组分的极值异常,强度与断层泥厚度成正比。这些钻探泥浆气体响应特征将为钻探工程、取心钻进提供第一时间支持。     

Dynamic Analysis of Deformational Structures of the Xiannüshan Fault Zone in the Three Gorges of the Yangtze River

Field investigation and laboratory work reveal that inhomogeneity of the deformation of the Xiannüshan fault is mainly characterized by lateral zonation, longitudinal segmentation and downward stratification. Based on these results, a 3-D deformational structure model of the fault was established and its geometrical and kinematic characteristics in two main deformational stages i.e. the main Yanshanian and Himalayan were discussed. The directions of principal and the differential stresses in these two stages were determined by using conjugate joints, striations of fault planes and microstructures of the fault zone. The direction of (1 is N-S in direction with differential stresses of 150(250 MPa in the Yanshanian, and N70E with a differential stress ranging from 80-120 MPa in the Himalayan.     

内蒙古狼山地区南北向断裂构造应力场特征及其与区域构造演化关系

内蒙古狼山地区断裂构造十分复杂,主要发育有南北、东西、北东和北西走向的断裂构造.从南北向断裂的几何形态、运动性质、构造应力场特征入手进行研究,结合野外实地调查与测量,运用极射赤平投影方法,求出构造应力场的主应力轴方位,进而对本区的构造演化进行了探讨.初步认为,研究区发育的近南北向断裂至少受到过两期构造应力场的作用,第一期是在晚二叠世,由于华北克拉通向北、西伯利亚板块向南活动而形成碰撞拼贴运动所产生的近南北向近水平挤压构造应力场,此时构造应力场的主应力轴σ₁为北偏东10°左右,向北倾伏,倾伏角为15°~20°.在这一期构造应力场的作用下,狼山地区发育了一套破裂系统,它们分别表现为近东西走向的挤压构造带和逆断层、近北东走向的以左行为主的走滑断层、近北西走向的以右行为主的走滑断层以及近南北走向的张性断层.这些早期的断裂系统也制约着该区域后来的构造活动,第二期构造应力场是侏罗纪以来古太平洋板块向亚洲大陆俯冲而产生的.此构造应力场的主应力轴σ₁为北西-南东向,倾伏向为150°左右,倾伏角为10°~20°.第二期构造应力场的作用,使早期南北向断裂由原来的张性破裂面转为左行走滑,早期东西向断裂转为右行走滑,早期北东向左行滑动面转为压性面和褶皱轴方向,而早期的北西向破裂面则转为张性破裂性质.      

玉树地震地表破裂特征及其破裂方式

北京时间2010年4月14日玉树Ms7.1级地震产生了长约50km的地表破裂带,地表破裂系统非常典型。本文通过对果庆益荣松多村附近河滩与结古镇西南河道两岸2个地表破裂点的野外观测和地表破裂的力学分析,探讨玉树地震地表破裂特征和方式。在果庆益荣松多村附近河滩地表破裂与地震陡坎呈间隔式左行右阶排列,具转换压缩性质;在结古镇西南河道北岸主地表破裂带中地表破裂非常发育,出露一处古断层面。地表破裂的野外调查与应力分析结果表明,玉树地震同震地表破裂带总体走向为125°,属于典型的左行走滑破裂带,最大左行走滑位移量1.75m,主压应力为近东西向,这一结果与美国地质调查局和中国地震局地震地球物理研究所公布的结果基本一致。     

阿尔金山南缘断裂带的分段分带特征及其构造演化

通过卫星遥感图像分析和野外调查,参考最新的地质调查和前人研究成果,系统总结了阿尔金山南 缘断裂带的构造特征,表明该断裂带具有沿走向上的多级分段性、横向上的多级分带性,其构造活动性质和运动方 向具有多级周期性反复的演化特点。这是地壳波浪状构造运动在阿尔金山南缘断裂带的具体体现。因此任何单 一的左行、右行或逆冲、正滑作用模式都不能全面、合理地解释其构造演化过程。     

长春市区尖山子—卡伦断层活动性研究

尖山子—卡伦断层是贯穿长春市区的一条主要断裂。以往对其缺乏系统的研究,只是通过地貌和水文地质的一些资料,判断它的大致展布形态和活动时代。本次调查通过遥感、电法、探地雷达、浅层人工地震以及钻孔联合剖面相结合的方法,比较准确地确定了尖山子—卡伦断层在长春市范围内的空间位置、产状和活动时代。调查结果显示,尖山子—卡伦断层错断了白垩系地层,但没有扰动上覆的中更新统地层,以此推断长春市范围内尖山子—卡伦断层在中更新世以来是不活动的。     

玉树地震地表破裂调查与灾后重建避让选址研究

2010年4月14日07时49分40.7秒,青海省玉树县发生Ms7.1级地震。通过现场调查和分析,玉树地震的发震断裂是甘孜—玉树活动断裂的玉树段,地震产生的地表破裂长度为23km,走向北西西—北西,总体表现为左旋走滑特征,可进一步分为3段:西段呈连续延伸的左旋走滑破裂,在隆宝镇的"郭央烟宋多"附近(坐标:北纬33°03′11″、东经96°51′26″)最大水平位移达1.75m,可定为宏观震中;中段主要位于县城南侧,由多条右阶斜列的破裂组成;东段表现为逆冲兼左旋走滑。玉树地震除了造成大量房屋破坏外,次生地质灾害主要包括:地震砂土液化及其引起的公路变形、地震滑坡、地震诱发水渠破坏及其链生土质滑坡和泥石流等。通过对内外动力地质灾害的综合分析,初步提出了玉树地震灾区灾后重建避让选址的建议。     

反向断裂下盘较顺向断裂上盘更易富集油气机理的定量解释

为了研究含油气盆地中断裂对油气成藏与分布的控制作用,在断层侧向封闭机理及影响因素研究的基础上,对反向断裂下盘较顺向断裂上盘更易富集油气的机理进行了定量解释。结果表明,无论是反向断裂还是顺向断裂,均源于断层岩封闭油气,断层岩油气运移方向排替压力是影响其侧向封闭油气能力的主要因素。在断裂埋深、断裂倾角和地层岩性、地层倾角相同的条件下,理论上反向断裂断层岩泥质体积分数大于顺向断裂断层岩泥质体积分数,即反向断裂断层岩油气运移方向排替压力大于顺向断裂断层岩油气运移方向排替压力,反向断裂侧向封闭能力强于顺向断裂侧向封闭能力,造成反向断裂下盘较顺向断裂上盘更易富集油气。歧口凹陷板桥断裂下盘沙一段下部断层岩在反向条件和顺向条件下油气运移方向排替压力的实例研究结果表明,反向条件下较顺向条件下在油气运移方向有更高的排替压力,侧向封闭能力更强,更有利于油气在板桥断裂下盘沙一段储层中富集。     

Dynamic Analysis of Deformational Structures of the Xiannüshan Fault Zone in the Three Gorges of the Yangtze River

Field investigation and laboratory work reveal that inhomogeneity of the deformation of the Xiannüshan fault is mainly characterized by lateral zonation, longitudinal segmentation and downward stratification. Based on these results, a 3-D deformational structure model of the fault was established and its geometrical and kinematic characteristics in two main deformational stages i.e. the main Yanshanian and Himalayan were discussed. The directions of principal and the differential stresses in these two stages were determined by using conjugate joints, striations of fault planes and microstructures of the fault zone. The direction of (1 is N-S in direction with differential stresses of 150(250 MPa in the Yanshanian, and N70E with a differential stress ranging from 80-120 MPa in the Himalayan.     

发震断层对微、宏观震中偏离的影响分析:以新疆地区为例

大量震例表明通常情况下地震的微、宏观震中有很大的偏离,如何在震后快速正确估计微、宏观震中偏离的程度,是目前迫切需要解决的重要问题。以新疆地区为例,详细研究了新疆地区M s≥6.5级的历史地震微、宏观震中偏离与发震构造的空间分布关系。新疆地区主要的发震断层类型包括逆断层、逆冲走滑断层及走滑断层3种。针对不同的发震断层类型初步提出了根据发震构造快速估计6.5级以上强震微、宏观震中偏离的模型和方法。微、宏观震中偏离的理想方向取决于破裂的性质(如单侧破裂、双侧破裂),很难确定理想宏观震中在发震断层的确切位置,具有一定的随机性,但是地震微、宏观震中的偏离方向与新疆整体构造应力方向具有一致性,宏观震中位置一般位于发震断层上或其附近,在实际应用过程中可以认为宏观震中就在断层上。     

工程场地的断层密度地质统计学分析

为了深入研究某工程场地内断层的地质特征,通过收集、整理工程场地的地质资料和较系统的野外地质调查,应用指示克里格方法分析了场地内断层密度的空间分布特征。研究表明断层密度具有明显的各向异性分布特征。断层密度分布的主变程方向为296.4°,与工程场地长轴方向一致,在此方向上断层密度具有较好的相关性与连续性,工程地质条件较差。次变程方向为26.4°,在此方向上断层密度的相关性差,工程地质条件则较好。建立了工程场地地表断层密度的定量数学模型,主变程1 692m,次变程759m,主变程方向296.4°,块金值0.127,基台值0.263。划分了场地工程地质带,工程场地南部边缘地质条件较差,中部至北部边缘地质条件相对较好。