汶川Ms 8.0级地震震源区地壳深部结构研究

2005年10月至2007年4月,我们在松潘-甘孜、龙门山地块布设的流动地震台阵观测剖面正好经过地震震源区映秀,这为研究地震震源区深部结构提供很好的机会.观测剖面自成都龙泉山,途经都江堰、卧龙,终止于新都桥,全长约400km,台站间距5～10km,34个流动宽频带地震仪共记录到该时间段内5.5级以上远震事件542个,大于等于6.0级为195个.利用该观测剖面记录到的远震P波波形资料,采用接收函数方法来研究汶川Ms8.0级地震震源区地壳深部结构,结合地震构造背景的分析,探讨引起这次地震的动力学模式,并由此认识汶川地震的孕育与成因机制.根据震源区地表破裂和余震分布及深部结构的综合分析,可以划出震源区下方的地震断裂带.主要研究结果表明:1)根据界面分布特征,发现松潘-甘孜地块及龙门山推覆体中在20～60km深度存在一个厚度约15～20km的低速中地壳,而四川盆地地壳内不存在低速层.该中地壳内的低速层,是引起中上地壳的推覆运动的滑脱层.2)Moho面自扬子盆地(36～42km)跨龙门山(50km)到松潘-甘孜腹地(62～65km)逐渐加深,跨鲜水河断裂又变浅(60km),说明横跨扬子盆地-龙门山-松潘-甘孜地块的该断裂带是地壳厚度的陡变带.该结果揭示了松潘-甘孜地块与扬子地块是碰撞接触模式,龙门山的推覆构造就是上地壳逆冲的结果.     

大陆板内地震的发震机理与地震预报——以汶川地震为例

大陆板内地震主要产于新生代厚壳造山带或高原,在平面上呈弥散状分布,在剖面上震源沿中地壳成层分布,为浅源地震.盆山活动断层系统呈规律性组合,盆山挤压边界为逆冲型压性发震断层;盆山走滑转换边界为走滑型扭性发震断层;造山带内部主要是伸展型张性发震断层.大陆板内地壳分层流变作用制约了板内地震的构造物理过程.大陆下地壳韧性流层为地震活动提供了热能,热软化和热融化介质发生缓慢的韧性流动,是孕震构造;中地壳韧-脆性剪切带发生热-应力转换,聚积应力和应变,为蕴震构造;当下地壳流动在中地壳积累的应变超过上地壳特定构造部位介质的应力-应变极限时,上地壳形成脆性发震断层,产生地震.震源出现在上地壳脆性断层与中地壳脆-韧性剪切带的交汇部位,青藏高原的震源深度通常为12～35 km.目前地震预报是世界科学难题,然而,大陆动力学和板内地震的理论突破可能为短临预报提供了新思路.如果大陆下地壳热动力作用是中地壳产生地震和上地壳发生地震的根源,那么上地壳脆性断层活动会释放出地壳深部的热流体和热气体,引起局部的地温异常、水文异常和大气异常.建议从大气到地表再到地下系统地监测活动断层带及邻区的地下水、地表水、大气的温度异常和成分变化,结合观测下地壳流层厚度、地应力-应交变化、重力异常、磁异常、地电异常等,综合评价地壳活动性和发震可能性.2008年5月12日发生的里氏8.0级汶川地震处于龙门山造山带与四川盆地的构造边界上,是典型的大陆板内地震,震源处于映秀-北川断层上,震源深度为12 km.350 km长的地表破裂带呈右行左阶雁行排列在具有逆冲和右行走滑性质的汶川-茂县-青川、映秀-北川和江油-都江堰3条断层带上.下地壳的韧性流动伴随中地壳韧-脆性剪切带应力和应变的积累,产生上地壳脆性活动断层,并控制地表破裂带和滑坡的分布.     

汶川8.0级特大地震震源断裂特征及其动力学分析

笔者根据地壳表层地质构造和地震地质研究与地震测深和大地电磁测深成果,运用现代构造解析理论与方法,论证了汶川8.0级特大地震的深部构造环境,探讨了汶川8.0级特大地震震源区的地震断裂和震源断裂基本特征与相互关系,及其形成的地球动力学问题。笔者认为龙门山碰撞造山带深处隐伏壳幔韧性剪切带可能是汶川8.0级特大地震主震区的震源断裂,而地壳表层发育的映秀断裂带、北川断裂带和彭县—灌县断裂带等可能是汶川8.0级特大地震主震区的地震断裂,该区震源断裂与地震断裂既有显著区别,又有密切联系。研究表明,在印度板块与太平洋板块和菲律宾海板块对欧亚板块俯冲碰撞的动力学作用下,形成上扬子地块向青藏高原东缘碰撞—楔入以及青藏高原东缘向东仰冲,深部向东俯冲的动力学态势,造成龙门山碰撞造山带切割莫霍界面的壳幔韧性剪切带向中上地壳扩展,应力高度集中与能量快速释放破裂,从而引起汶川8.0级特大地震的发生,以及大型同震地表破裂带的形成。探索震源断裂与地震断裂区别与联系,对进一步研究地震机制与发震动力学以及防震减灾有重要意义。     

汶川Ms8.0地震后龙门山断裂带地壳应力场及其构造意义

2008年5月12日在青藏高原东缘龙门山断裂带中段发生汶川8.0级特大地震。大震发生时释放应力并对震源区及外围构造应力场产生影响,受汶川地震断层破裂方式和强度空间差异性的影响,震后龙门山断裂带地壳应力场也应表现差异特征,至今鲜有针对该科学问题深入的分析和讨论。经过系统收集、梳理汶川地震后沿龙门山断裂带水压致裂地应力测量数据与2008年汶川地震中强余震序列震源机制解资料,对汶川地震后龙门山断裂带中上地壳构造应力场进行厘定,通过与震前构造应力场对比,深入探讨了汶川8.0级地震对龙门山断裂带地壳应力场的影响,进而对汶川震后应力调整过程及青藏高原东缘龙门山地区深部构造变形模式进行研究,研究结果表明:受汶川8.0级地震的影响,震后龙门山断裂带地壳构造应力场空间分布具有差异性,近地表至上地壳15 km深度范围,映秀—青川段最大主应力方向为北西西向、地应力状态为逆走滑型,青川东北部最大主应力方向偏转至北东东向、应力状态转变为走滑型;15~25km深度范围,龙门山断裂带最大主应力方向仍为北西—北西西向、应力状态以逆冲型为主。汶川8.0级地震后,龙门山断裂带中地壳北西西向逆冲挤压的构造应力特征进一步支持了青藏高原东缘龙门山地区东西两侧刚性块体碰撞挤压、逆冲推覆的动力学模式。     

关于汶川地震发震机制

2008年5月12日汶川8级地震的发震断层是四川龙门山逆冲带的前锋灌县—安县断层,或此断层附近新产生相同产状的断层。发震断层走向NE倾向NW,逆冲兼右行平移。汶川地震的发震机制是印藏陆-陆碰撞后,印度次大陆活塞状嵌入欧亚板块造成青藏高原东部向SEE方向近水平挤压,在龙门山冲断带前锋向东南逆冲到四川盆地,构造应力积累和释放的结果。汶川地震演示了一个青藏高原东缘龙门山隆起的构造模型,即其经由龙门山冲断带的地壳冲断作用和缩短作用而隆升。这与Burchfiel的模型不同,该模型认为龙门山上升是由于韧性下地壳流受到四川盆地高强度地壳阻挡而上涌所致。这两种模型可能各有其适用时间阶段,然而本文的模型是不可或缺的,因汶川地震已显示了它的真实性。     

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。     

四川芦山2013年Ms7.0地震发震构造初步研究

2013年4月20日8时2分,四川龙门山断裂带的雅安芦山发生Ms7.0级地震,震中位于芦山县太平镇和双石镇之间,震源深度13～14km,震中最大烈度达IX级。震中区野外调查发现,尽管房屋建筑损坏较严重,但这次地震没有产生明显的地表破裂构造,仅见少量的地裂缝和喷砂冒水现象。高分辨率遥感图像解译、主余震分布、震源机制解等综合分析认为,该地震是龙门山断裂带西南段一次独立的破裂事件,属于逆冲型地震,沿双石-大川断裂中南段发生破裂,主破裂面西倾,倾角33°～43°,推断芦山地震与龙门山构造带底部滑脱带(13～19km)断坡构造活动有关。历史上,沿双石-大川断裂发生至少2次Ms6～6.5级地震,由此认为芦山地震是龙门山断裂带西南段特征型地震,与汶川地震不同。原地地应力测量和监测数据表明这是汶川地震后龙门山断裂带西南段应力释放的结果。     

龙山门断裂带活动特征与工程区域地壳稳定性评价理论

2008年5月12日发生的里氏8.0级汶川地震处于龙门山造山带与四川盆地的构造边界上。350km长的地表破裂带呈右行左阶雁行排列在具有逆冲和右行走滑性质的汶川茂县青川、映秀北川和江油都江堰3条断层带上。下地壳的韧性流动伴随中地壳韧-脆性剪切带应力和应变的积累,产生上地壳脆性发震断层,并控制地表破裂带和滑坡的分布。震源出现在上地壳脆性断层与中地壳脆-韧性剪切带的交汇部位。〖KG2〗以汶川地震为例,结合板内地震基本特征,提出引入大陆动力学理论完善工程区域稳定性理论基础,构建基于板块学说、地质力学和大陆动力学理论的相互补充的工程区域稳定性评价体系;对活断层与地震活动性预测提出见解,强调仅仅从活断层的存在及其活动强度来预测地震活动性与强度是远远不够甚至是错误的,必须将下地壳、中地壳和上地壳结构作为一个整体加以研究和判别;提出工程区域地壳稳定性评价指标体系,指出了大陆内部安全岛划分应采用的核心指标。     

汶川、芦山地震前龙门山断裂带地壳形变特征对比分析

为研究2008年汶川地震和2013年芦山地震前地壳形变特征,本文利用1999—2015年四期GPS速度场和1990—2017年跨断层短水准资料,对跨断层GPS速度剖面、GPS应变率场、断层闭锁程度和滑动亏损、跨断层年均垂直变化速率等进行了分析讨论,总结了汶川和芦山地震前后龙门山断裂带三维地壳变形演化特征。结果表明,汶川地震前龙门山断裂带中、北段处于强闭锁状态、断层面应力应变积累水平很高,而龙门山断裂带西南段闭锁较弱、变形速率明显高于中北段、依然可以积累应力应变,汶川地震震源位于闭锁相对弱的部位,这可能是导致汶川地震自初始破裂点沿龙门山断裂带向北东方向单侧破裂,而震中西南方向断层并没有发生破裂的原因之一。汶川地震的发生引起龙门山断裂带西南段应力应变积累速率加快、断层闭锁程度增强、闭锁面积增大,这在一定程度上促进了芦山地震的发生,而芦山地震震源位于汶川地震前强闭锁和弱闭锁的高梯度过渡部位。因为芦山地震只释放了龙门山断裂带西南段有限的应变能,并没有显著缓解该段的地震危险性,所以汶川和芦山地震之间的地震空段以及芦山地震西南方向的地震空段,依然需要持续关注。此外,本文还收集和对比分析了多次6～9级地震前地壳变形特征,同样显示地震成核于闭锁高梯度带区域而非完全闭锁区域内部,并且随着震级升高闭锁断层面的长度也在增大,这一现象还需在高分辨率形变数据的帮助下进行深入研究和分析。     

青藏高原东北缘推覆体构造稳定性定量化评价——以龙门山推覆体为例

2008年5月12日汶川特大地震震害调查及分析表明,目前以活动断裂和历史地震调查为重点的工程区域构造稳定性评价方法存在漏判与误判特大地震问题,从而为工程安全埋下重大安全隐患。以龙门山活动推覆体为例,在已有研究成果基础上,利用岩体结构控制论、拜尔利定律等普适性原理对龙门山地壳岩体结构力学特征、控震结构面的抗剪强度与地震震级的线性相关性、地震震级与抗震设防烈度的关系进行了定量研究,对评价区域构造稳定性的关键问题进行了探讨。结果表明,推覆体型活动地块边界带中的滑脱层是对推覆体区域构造稳定性起主要控制作用的构造结构面--控震结构面,地震震级与滑脱层的埋深、抗剪切强度存在显著相关性：8级地震的震源深度接近20 km、7级地震的震源深度接近14 km、6级地震的震源深度接近10 km,据此对研究区及邻近的古地震进行了深度核定,圈定了龙门山活动推覆体-岷山地块的6级以上强震可能发生的范围、对应Ⅶ－Ⅺ度的抗震设防烈度范围。此研究成果弥补了以往根据活动断裂-发震断裂-历史最大震级与对应地震烈度评价工程区域构造稳定性,因历史地震资料疏漏不全、活动断裂带研究平面与深度范围局限以及忽视区域构造稳定性的岩体力学实质而导致评价结果常常出现误判与漏判的诸多缺陷。     

汶川地震（MS 8.0）地表破裂及其同震右旋斜向逆冲作用

2008年5月12日14时28分,青藏高原东缘龙门山地区发生了震惊世界的汶川地震（MS 8.0）,地震不仅造成巨大的人员伤亡和财产损失,并形成了迄今为止空间上分布最为复杂、长度最大的逆冲型同震地表破裂带。通过多次野外考查表明,汶川地震（MS 8.0）在龙门山断裂带上至少使两条NE走向、倾向NW的映秀-北川断裂和灌县-安县断裂同时发生地表破裂,并沿映秀-北川断裂产生的地表破裂带长度约275 km,以逆冲运动伴随右旋走滑为其破裂特征,最大垂直位移量约11 m,最大右旋走滑位移量至少约12 m;沿灌县-安县断裂产生的地表破裂带长度约80 km,表现为纯逆冲运动的破裂特征,最大垂直位移量约4 m;另外发育一条长约6 km呈NW走向连接于映秀-北川破裂带和汉旺破裂带的小鱼洞破裂带,以左旋走滑兼有逆冲运动为特征。地表破裂基本沿袭早先活动断裂带上,并使早先抬高的地貌更加抬高,表明龙门山地区地震在同一断裂带上重复发生过,并且无数次地震活动（包括类似汶川MS 8.0地震的强震）的累积,逐渐形成了现今的龙门山。根据同震断裂面以及断裂面上的擦痕分析表明,汶川地震是由两次破裂事件叠加而成,初期破裂以逆冲运动为主,后期破裂以右旋走滑为主,这种破裂过程与地震波数据反演结果（陈运泰等,2008;Ji, 2008;王为民等,2008）一致。在地表破裂带南段（映秀—清平段）叠加了两次不同性质的破裂过程,北段（北川—南坝段）只反映了第二次破裂事件的过程。利用长期滑移速率与汶川地震同震位移对比,估算出在龙门山断裂带上类似汶川地震（MS 8.0）的强震复发周期为3000~6000 a。通过对比研究,西昆仑山、阿尔金山和东昆仑山与龙门山具有很相似的转换挤压构造特征,斜向逆冲作用是青藏高原周缘山脉快速崛起的主要机制。     

Surface Rupture and Co-seismic Displacement Produced by the Ms 8.0 Wenchuan Earthquake of May 12th, 2008, Sichuan, China： Eastwards Growth of the Qinghai-Tibet Plateau

An earthquake of Ms 8 struck Wenchuan County,western Sichuan,China,on May 12~(th), 2008 and resulted in long surface ruptures (>300 km).The first-hand observations about the surface ruptures produced by the earthquake in the worst-hit areas of Yingxiu,Beichuan and Qingchuan, ascertained that the causative structure of the earthquake was in the central fault zones of the Longmenshan tectonic belt.Average co-seismic vertical displacements along the individual fault of the Yingxiu-Beichuan rupture zone reach 2.5-4m and the cumulative vertical displacements across the central and frontal Longmenshan fault belt is about 5-6 m.The surface rupture strength was reduced from north of Beichuan to Qingchuan County and shows 2-3 m dextral strike-slip component.The Wenchuan thrust-faulting earthquake is a manifestation of eastward growth of the Tibetan Plateau under the action of continuous convergence of the Indian and Eurasian continents.     

汶川大地震（MS 8.0）同震变形作用及其与地质灾害的关系

2008年5月12日发生于四川盆地西部龙门山断裂带的汶川大地震（MS 8.0）波及半个亚洲,震撼整个中国。本文通过地震后的实地调查,对发育在龙门山断裂带上的同震地表破裂带的分布、产状、继承性复活与变形特征,以及同震变形与地震地质灾害的关系等进行了初步总结,分析表明这次汶川大地震(MS 8.0)沿北川-映秀逆冲断裂和安县-灌县逆冲断裂同时发生地表破裂,前者产生以高角度逆冲兼右旋走滑为特征的地表破裂带长约275 km,后者产生以缓倾角逆冲作用为特征的地表破裂带长约80 km。汶川大地震的同震地表破裂带分布具有分段性特征,并与地表破坏程度的分带性有着一定的内在联系,详细研究表明,同震地表破裂带的产状直接影响地表破坏程度和地震地质灾害的强度,汶川大地震（MS 8.0）沿呈高角度陡倾的北川-映秀逆冲断裂发育的同震地表变形所产生的地表破坏程度和地震地质灾害的强度比沿缓倾角的安县-灌县逆冲断裂要强。从各种类型的地震断裂来看,具有垂直运动的逆冲型地震断裂所造成的地表破坏程度和地质灾害强度比具水平运动的走滑型地震断裂要强。因此,汶川大地震发生的破裂过程和同震地表变形与地震地质灾害的关系值得深入研究。     

Surface Rupture and Co-seismic Displacement Produced by the Ms 8.0 Wenchuan Earthquake of May 12th, 2008, Sichuan, China: Eastwards Growth of the Qinghai-Tibet Plateau

An earthquake of Ms 8 struck Wenchuan County, western Sichuan, China, on May 12^th, 2008 and resulted in long surface ruptures （〉300 km）. The first-hand observations about the surface ruptures produced by the earthquake in the worst-hit areas of Yingxiu, Beichuan and Qingchuan, ascertained that the causative structure of the earthquake was in the central fault zones of the Longmenshan tectonic belt. Average co-seismic vertical displacements along the individual fault of the Yingxiu-Beiehuan rupture zone reach 2.514 m and the cumulative vertical displacements across the central and frontal Longmenshan fault belt is about 5-6 m. The surface rupture strength was reduced from north of Beichuan to Qingchuan County and shows 2-3 m dextral strike-slip component. The Wenchuan thrust-faulting earthquake is a manifestation of eastward growth of the Tibetan Plateau under the action of continuous convergence of the Indian and Eurasian continents.     

2008年汶川大地震孕震、同震及震后变形和应力演化全过程的数值模拟

2008年M_S 8.0级汶川大地震发生在具有复杂的地质构造背景、强烈的地表起伏、不均匀的弹性和黏性结构的龙门山断裂带上。由于震前地震活动性不够强烈且地表构造变形较小,龙门山断裂带的地震危险性在汶川地震之前被低估。从数值模拟的角度,建立黏弹性有限元模型,考虑了初始地形、重力、构造加载、黏弹性松弛等因素对2008年汶川大地震的孕震、同震及震后150年变形全过程的影响,定量研究了映秀-北川断裂带的同震及震后变形,分析了弹性层、黏弹性层的应力积累、释放、调整的特点,模拟得到地表同震和震后位移与大地测量资料较为吻合,对汶川大地震的余震分布进行了力学上的解释,模拟得到震前、同震及震后的应力变化有助于深入分析大地震的动力学成因及其对周围区域的地震危险性影响。      

Seismogenic Structure of the April 20, 2013, Lushan Ms7 Earthquake in Sichuan

At 08:02 on April 20, 2013, a Ms7.0 earthquake occurred in Lushan, Ya'an, in the Longmenshan fault zone, Sichuan. The epicenter was located between Taiping Town and Shuangshi Town, Lushan County and the maximum earthquake intensity at the epicenter reached class IX. Field investigations in the epicenter area found that, although buildings were seriously damaged, no obvious surface rupture structure was produced, only some ground fissures and sand blows and water ejection phenomena being seen. An integrated analysis of high-resolution remote sensing image interpretation, mainshock and aftershock distribution, and focal mechanism solutions indicated that this earthquake was an independent rupturing event in the southwestern segment of the Longmenshan fault zone, belonging to the thrust-type earthquake. Ruptures occurred along the south-central segment of the Shuangshi-Dachuan fault and the principal rupture plane dipped SW at 33-43°. It is inferred that the Lushan earthquake might be related to the ramp activity of the basal detachment zone (13-19 km) of the Longmenshan fault zone. Historically, there occurred at least two Ms6-6.5 earthquakes along the Shuangshi-Dachuan fault zone; thus it is thought that the Lushan earthquake, different from the Wenchuan earthquake, was a characteristic one in the southwestern segment of the Longmenshan fault zone. In-situ stress measurements indicated the Lushan earthquake was the result of stress release of the southwestern segment of the Longmenshan fault zone after the Wenchuan earthquake. This paper analyzes the tectonic setting of the seismogenic structure of this earthquake.     

陕西龙门山地震带地质灾害的地质构造约束

汶川8级特大地震发生于龙门山地震带,地震灾害损失惨重,震后诱发大量次生山地地质灾害。通过笔者参加的我省宁强、略阳等县汶川震后次生地质灾害应急排查,结合区域地质、控震构造和地震活动性分析,以期对陕西龙门山地震带次生山地地质灾害特点和地震活动规律的探讨,对我省防灾减灾提供有益的帮助。