中国大陆古地震研究的关键技术与案例解析(2)——汶川地震地表变形特征与褶皱逆断层古地震识别

汶川MS8.0地震是近代少有的大陆褶皱逆断层型巨大地震,其地表破裂带是研究和解剖褶皱逆断层地表同震变形样式,并以此探讨古地震遗迹的不可多得的现实案例。在整理和分析汶川地震地表破裂带地质地貌调查资料的基础上,选择可能仅记录1次事件的平通、邓家(北川-映秀断裂)和九龙(江油-灌县断裂)等地为例,分析同震变形的特点和类型,并结合映秀、桂溪等地的古地震研究成果,讨论褶皱逆断层型古地震识别的技术要点。结果显示:地表变形主要包括逆断层直接位错、折曲位错变形和弯曲褶皱变形等类型;崩积楔、断层与地层切盖关系是分析断错地表型古地震事件的可行依据,而折曲位错变形型和弯曲褶皱变形型古地震识别则强调在上盘是否存在侵蚀不整合面,下盘是否存在生长地层,以及标志地层在断层两盘位差的突然增减;断层陡坎高度的倍数关系在一定程度上与古地震次数相关,但不能简单地用同震位移量除以陡坎高度的方法确定古地震期次;对于低角度逆断层的古地震识别,薄长状崩积楔、断层与堆积地层的切错关系和不同标志地层在断层两侧的累积位差的突变是重要的标志。识别古地震应因地制宜、思考多种因素的影响、用多种证据相互印证。     

汶川M_S 8.0地震基岩中的地表破裂

在汶川MS8.0地震中,地表破裂变形带多表现为挠曲坎或断层坎,地表基岩破裂少见,作者在安县肖家桥附近基岩中发现了出露完整的地震地表破裂带。在仔细分析该破裂带变形特征和内部结构构造的基础上,结合区域上地震地表破裂特点,认为:这次地震的地表破裂主要沿先存的映秀-北川断裂发生和扩展,地震断层作用形式以右旋斜冲运动为主,安县肖家桥附近映秀-北川断裂的最大垂直同震位错为5.4m,与通过挠曲坎或断层坎测量的结果基本一致     

汶川地震震中映秀地区地表破裂特征

汶川8级大震的震中位于映秀镇,地震在映秀地区造成了多处地表破裂,如公路拱曲、地震陡坎,坡中槽新变形等,长度达300余米.经实地全站仪和GPS测量,定量分析了地表破裂的垂直分量与水平分量以及两者之间的比值,以此揭示了映秀-北川断裂的运动性质为逆冲兼右行走滑,在映秀地区逆冲分量大于走滑分量.将本次地震造成的位错数据与震前资料对比,发现汶川地震产生的地表破裂位置与地质历史上映秀-北川断裂造成的断层位错位置是相当吻合的,说明映秀地区Ⅳ级阶地上40余米的的断层陡坎可能是地质历史时期若干次大地震的结果.     

地表破裂型逆断层地表缩短量计算方法探讨——以汶川M_S 8.0地震地表变形为例

合理估计逆断层地表破裂缩短量是全面认识同震地表变形参数的核心内容,目前还没有较成熟的方法。以汶川MS8.0地震地表破裂为例,尝试通过探槽开挖来研究逆断层水平缩短量的计算问题。在分析汶川地震同震变形的基础上,总结了3种陡坎的成因模式:断层断错地表型、挠曲型、断层与挠曲叠加型,并依据这些模型提出了一些水平缩短量的计算方法及其限制条件,以及如何理解逆断层地表破裂探槽开挖所揭示的信息。最后给出了汶川MS8.0地震白鹿中心学校和汉旺全新村两地点水平缩短量的求解过程及结论,计算得到白鹿中心学校探槽水平缩短量为(2.83±0.3)m,汉旺全新村探槽水平缩短量为(0.61±0.11)m     

亚像素相位相关法在获取汶川地震近场形变中的应用

震后地表实际破裂带的分布及其近场的形变特征,是理解块体运动学特性、断层破裂特征、地震发生机制等科学问题的十分重要的约束条件。基于InSAR获取的汶川地震同震形变场,由于发震断层附近同震形变梯度巨大,沿断层带出现了非相干条带,以致于无法获得断层附近的形变量。而基于亚像素级的光学影像偏移量法为获取断层附近大形变分布提供了可能。文中以SPOT卫星影像为数据源,采用光学影像偏移量法获得了什邡及茂县地区的水平位移形变场。结果显示龙门山断裂带上至少2条断裂同时发生破裂,形成了主要地表破裂带(龙门山镇-高川破裂带)和次级地表破裂带(汉旺破裂带),沿龙门山镇-高川破裂带平均位移量为4～6m,在高川附近伴随的平均右旋水平位移为1～3m; 汉旺破裂带因逆冲导致水平缩短,平均位移量一般为1～2m。汶川-茂县断裂带没有明显的地表破裂带。研究表明,利用光学影像相位相关法能够获得近断层位错量,可以成为InSAR手段的重要补充。     

铲形逆断层和平行逆断层体系的破裂特征——以龙门山断裂带中段为例的数值模拟

汶川地震是有地震历史记载以来首次发生在大陆内部的高角度8级逆冲强震,给板内逆冲强震研究提供了许多新的课题。论文主要开展了以下两方面的研究:(1)近地表陡倾角铲形逆断层的破裂特征研究。基于龙门山断裂带中段动力学背景建立有限元模型,系统地研究近地表陡倾角铲形逆断层(本文所称近地表陡倾角铲形断层,要求近地表倾角至少≥65°)的破裂特征,并探讨了汶川地震逆冲滑动量随深度分布形态所可能蕴含的地壳信息。对于近地表陡倾角铲形断层,在断层倾向的高强度挤压下,断层近地表部分对逆冲破裂和滑动有一定的阻碍作用;铲形断层的近地表倾角越陡,陡倾角部分的深度范围越大,断层近地表部分对逆冲破裂和滑动的阻碍作用会越明显;近地表陡倾角的铲形断层形态和巴颜喀拉块体的高强度挤压很可能是形成汶川地震逆冲滑动量随深度分布形态的重要原因,无地表破裂的前期地震并不是造成汶川地震滑动量随深度分布特征的必要条件。(2)平行逆断层体系中断层活动之间的相互影响研究。讨论了分布距离对平行逆断层地震活动规律的影响,并定量地评估了汶川地震中前山断裂同震逆冲破裂对中央断裂逆冲破裂释放的影响。同震破裂实验结果显示:在同震逆冲破裂中,前山断裂和中央断裂的破裂释放之间有一定的替代关系;汶川地震中,由于前山断裂发生同震逆冲破裂,中央断裂相应段落逆冲破裂释放很可能降低了约10%,减少的标量地震矩约为9.54×1018 N·m。平行逆断层长期挤压破裂实验结果显示:在龙门山断裂带的动力学环境和浅层构造背景下,当平行逆断层之间的距离在20km以下时,两条平行逆断层会在破裂释放上形成主次关系,距离越短,主次关系越显著;两条平行逆断层之间发生同步逆冲破裂的比例很低,受平行逆断层之间距离的影响也很小;两条平行逆断层之间发生同步地表逆冲破裂的比例更低,在龙门山动力学机制和浅层构造背景下,距离在10~20km左右时,平行逆断层之间最容易发生同步地表逆冲破裂。结合龙门山断裂带中段的实验结果显示:后山断裂的地震活动很可能相对独立;12km的距离使得中央断裂和前山断裂之间发生同步地表逆冲破裂的风险相对较高,这很可能是导致汶川地震中出现同震地表破裂的一个重要原因。     

青海玉树M_S7.1级地震地表破裂带的遥感影像解译

2010年4月14日青海省玉树发生MS7.1级地震,造成严重的人员伤亡和重大的经济损失。除组织现场快速震害评估和地表破裂带调查外,利用高分辨率卫星影像解译是迅速给出初步震害评估和同震地表破裂的位置和展布的最佳途径。本文通过对震前、震后高分辨率SPOT卫星影像的对比,解译出了12km长的同震地表破裂带,其在影像上主要表现为线性阴影和色彩变化。地表破裂带位置和先存的断层、老破裂带位置一致,说明青海玉树地震属于原地复发型地震。同时,解译结果也得到了来自野外实地调查结果的验证,证明了遥感解译的可信性和及时性。但解译破裂长度远小于实际破裂长度,也说明了基于2.5m分辨率的SPOT卫星影像的遥感解译存在较大的局限性。     

5·12汶川地震地表破裂基本参数的再论证及其构造内涵分析

地震地表破裂基本参数是反演地震破裂过程的基本约束条件和预测其他活动断层地震危险性不可缺少的物理量.以野外地表破裂带重要观测点全站仪或差分GPS仪实测数据为基础,结合高分辨率遥感资料解译、先存断层陡坎构造地貌标志的识别、以及地形测绘资料的考证等,重新论证了5·12汶川地震地表破裂带展布样式、长度、最大同震位移值等基本参数.结果表明,地震地表破裂带长度可达240 km,最大垂直位移为6.5±0.5 m,最大右旋走滑位移4.9 m,基于倾角向下变缓逆断层模型推测汶川地震在龙门山推覆构造带中段产生了最大~7 m的地壳缩短量,说明青藏高原东缘横向逆断层为将高原内部东向水平运动转换为高原隆升的转换构造,这一研究结果有助于深化认识青藏高原东缘隆升机理.     

汶川M_S8.0地震发震断裂大地震原地重复现象初析

在历史记录中,成都和龙门山地区没有发生过类似汶川MS8.0地震强度的地震。那么,在地质记录中是否会存在类似震级的古地震遗迹?作者分别在中央和前山断裂中段的地表破裂带上4个地点开挖了探槽4个和剖面1个,并进行了断错地貌面的实测。文中从几个地点新老地貌面累计变形量、探槽揭露的古地震遗迹等方面讨论汶川地震发震断裂大地震原地重复现象存在的基本事实。结果表明:无论在中央断裂的小鱼洞、擂鼓镇还是前山断裂的白鹿镇、汉旺等地,汶川5.12地震之后Ⅱ级阶地断层陡坎与Ⅰ级阶地陡坎高度基本呈倍数关系,探槽揭露Ⅱ级阶地标志地层(黄砂土层)在断裂两盘的位差也是5.12地震的约2倍,显示在龙门山地区区域Ⅱ级阶地形成之后,汶川5.12地震发生之前,存在一次与汶川MS8.0地震地表变形规模相当的地震事件     

对汶川地震小鱼洞地表破裂带的调查分析

2008年5月12日的汶川8.0级地震使龙门山断裂带形成了3条同震地表破裂带,这表明有多条活动断层同时参与地震破裂,其过程复杂,现象丰富。本文对小鱼洞地表破裂带及其与另2条地表破裂带的交汇区域进行了野外调查,并对小鱼洞地表破裂带的活动性质和展布特征进行了分析。小鱼洞地表破裂带位于彭州市小鱼洞镇附近,是汶川8.0级地震形成的一条走向NW的逆冲并具有左旋走滑分量的同震地表变形带。调查结果显示,小鱼洞地表破裂带表现出明显的分段性特征：小鱼洞镇一带的中段,逆冲量和走滑量最大;小鱼洞镇向东南方向延伸的南段,逆冲量和走滑量逐渐变小;小鱼洞镇向西北方向进入山区的北段,则表现为以逆冲为主的活动性质。     

中甸-大具断裂南东段晚第四纪活动的地质地貌证据

中甸-大具断裂南东段位于哈巴和玉龙雪山北麓,属于川西北次级块体西南边界,断裂总体走向310°~320°,是一条重要的边界断裂。了解该断裂的活动性质、活动时代和滑动速率等对分析川西北次级块体运动,研究该断裂与玉龙雪山东麓断裂的交切关系等问题具有重要意义。文中基于1︰5万活动断层地质填图,对断裂沿线地层地貌、陡坎地貌、地表破裂、典型断层剖面以及河流阶地等进行了详细的研究。研究表明:1)中甸-大具断裂南东段按几何结构、断错地貌表现、断裂活动性可分为马家村—大具次级段和大具—大东次级段。2)通过野外地质调查发现,马家村—大具次级段断错了全新世冲洪积扇,形成了地表破裂,为全新世活动段;而大具—大东次级段虽然也断错了晚更新—全新世地层,但其断错规模及滑动速率均较小,由此认为其全新世以来活动较弱。3)通过分析断裂沿线断层陡坎、水平位错及地表破裂等地质地貌问题,认为马家村—大具次级段的活动性质为右旋走滑兼正断,其晚更新世以来的垂直滑动速率为0.4~0.8mm/a,水平滑动速率为1.5~2.4mm/a;大具—大东次级段以右旋走滑为主、正断为辅,其晚更新世晚期以来的垂直滑动速率为0.1mm/a。4)在大具盆地内发现的NW向地表破裂带的形成时代很年轻,不排除是1966年中甸6.4级地震或1996年丽江7.0级地震造成的地表破裂。     

THE COSEISMIC VERTICAL DISPLACEMENTS OF SURFACE RUPTURE ZONE OF THE 1556 HUAXIAN EARTHQUAKE

Coseismic displacement plays a role in earthquake surface rupture, which not only reflects the magnitude scale but also has effect on estimates of fault slip rate and earthquake recurrence intervals. A great historical earthquake occurred in Huaxian County on the 23^rd January 1556, however, there was lack of surface rupture records and precise coseismic vertical displacements. It's known that the 1556 Huaxian earthquake was caused by Huashan front fault and Weinan plateau front fault, which are large normal faults in the east part of the southern boundary faults in Weihe Basin controlling the development of the basin in Quaternary. Here, we made a study on three drilling sites in order to unveil the coseismic vertical displacements. It is for the first time to get the accurate coseismic vertical displacements, which is 6m at Lijiapo site of Huashan front fault, 7m at Caiguocun site, and 6m at Guadicun site of Weinan plateau front fault. These coseismic displacements measured based on same layers of drilling profiles both at footwall and hanging wall are different from the results measured by former geomorphological fault scarps. It's estimated that some scarps are related with the nature reformation and the human beings' activities, for example, fluviation or terracing field, instead of earthquake acticity, which leads to some misjudgment on earthquake displacements. Moreover, the vertical displacements from the measurement of geomorphological scarps alone do not always agree with the virtual ones. Hence, we assume that the inconsistency between the results from drilling profiles and geomorphological scarps in this case demonstrates that the fault scarp surface may have been demolished and rebuilt by erosion or human activities.     

THE DEVELOPMENT OF OPTICAL REMOTE SENSING TECHNOLOGY AND ITS APPLICATION TO THE ACTIVE TECTONICS RESEARCH

Remote sensing technology has brought great convenience to our understanding of the macroscopic geological features since its inception. Especially, great progress has been made in manufacturing techniques of remote sensing platforms and sensors since the mid 20th century, and a huge number of global remote sensing data have been acquired. The quality of the data has been greatly improved based on the sensor's development. This article briefly reviews the processes of development of the remote sensing technology, elaborates on several satellites' parameters which have important significance for active tectonics interpretation, such as Landsat, SPOT, QuickBird, etc., and systematically reviews the progress in optical image interpretation made with the improvement of image resolution. The paper also briefly introduces the latest optical imaging correlation techniques, the detailed geomorphological mapping techniques based high-resolution satellite images, and the perspective of application of the remote sensing technology to active tectonics research.     

汶川8.0级地震地表破裂带与岩性关系

2008年汶川8.0级地震沿龙门山断裂带内的映秀—北川断裂和灌县—安县断裂分别形成约230 km和70 km的地表破裂带.震后地质考察研究表明,伴随地震断层出露地表的滑动面大多沿炭质泥岩和煤层发育.与1∶5万区域地质图进行对照,显示映秀—北川地震破裂带的西南段（虹口—清平段）和灌县—安县地震地表破裂带的展布与龙门山地区上三叠统须家河组煤系地层的出露范围相一致.龙门山地区的上三叠统须家河组地层中的薄煤层、炭质泥岩层以及志留系、寒武系的炭质页岩层是易于产生滑动的柔性岩层,易形成滑脱面或成岩片夹于断层带中.汶川地震产生的复杂地表破裂带是龙门山逆冲推覆构造带沿地表构造层中夹有煤层等柔性岩层的断层产生B型滑动的结果.     

建筑物震害多源遥感特征与机理分析

随着遥感信息源的不断增加,多种遥感数据被用于详细判读建筑物的震害情况.为准确判读震害等级与建立震害自动识别模式,本文收集整理了汶川地震震区的震害遥感图像,通过目视判读、图像处理、统计分析,重点分析了各类震害建筑物在光学影像中的特征表现、在合成孔径雷达图像中的成像机理特征以及在激光雷达图像中的三维特征.在此基础上构建了建筑物简化模型,并联合光学影像和雷达图像对震害建筑物的影像特征剖面予以分析.结果显示:光学遥感图像色彩信息符合人眼色觉原理,具有较好的直观判读效果;合成孔径雷达图像能够记录地物侧面、表面的粗糙程度和角反射特点,信息量丰富但不直观;激光雷达图像能获取建筑物的三维信息,因此震害评估工作中需有效地综合利用多源遥感数据,才能实现最佳的判识效果.      

汶川8.0级地震发震断层的累积地震位错研究

2008年5月12日,四川省汶川县内发生MS8.0地震。此次地震沿龙门山中央断裂产生1条长达200km的同震地表破裂带。文中选择位于地震地表破裂带北段的南坝镇、凤凰村以及南段的映秀镇这3个地点,以被断层错断的河流阶地为研究对象,对多级阶地面上的地震地表破裂及断层陡坎地貌进行了野外实测工作。经过测量数据的计算和分析,得到了各级阶地上断层陡坎的高度,该值即为该阶地记录的地震断层的累积垂直位错量。若以本次地震的垂直位错量作为古地震位错量的均值,则可计算得到每级阶地累积的地震次数。研究结果表明,各点T1阶地形成以来仅经历过1次事件,即本次地震事件;T2阶地形成以来约经历了5次事件;T3阶地形成以来约经历了9～11次事件;T4阶地形成以来约经历了20次事件。在本文研究的基础上,结合前人的阶地测年数据,则可获得古地震复发间隔的可靠数据     

2012年6月24日宁蒗—盐源5.7级地震的发震构造浅析

本文在分析2012年6月24日宁蒗—盐源5.7级地震的震源机制解、 余震特征、 震害分布基础上, 结合区域第四纪地层分布成因特征、 区域地质构造特征以及对三维卫星遥感影像进行断层地貌解译分析, 认为此次5.7级地震是北西向永宁断裂正断为主活动的结果。 该断裂在影像上线性延伸, 断层崖发育, 其晚第四纪活动性对建立区域新构造变形模式的意义有待进一步研究。