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。     

汶川地震前后龙门山地区区域构造应力场演化的数值模拟

以龙门山地区为研究对象,采用数值模拟方法,通过模拟强震发生前后以及发生时的构造应力场特征,得到了龙门山地区构造应力场变化规律。结果表明,龙门山地区在汶川地震到地震时到地震后的最大主应力和剪应力的数值和方向均发生了改变,最大主应力方向整体上由NEE变为SEE,但在不同地区这种变化表现有所差异。剪应力在震前和震时均有局部区域出现了集中,特别是在映秀附近; 但在地震后,区域内剪应力相对均匀分布,而且与地震前相比,剪应力在龙门山前山断裂和龙门山中央断裂分布的值明显减小,在后山断裂附近分布的剪应力数值增大。同时地震后剪应力在龙门山中央断裂上集中的区域逐渐向东北方向移动。应力场变化规律与地震时的地表形变规律和震后余震的分布规律一致。     

汶川地震后沿龙门山裂断带原地应力测量初步结果

2008年5月12日在中国四川省西部汶川发生Ms8.0地震,震中位于青藏东缘龙门山断裂带。地震发生后的4个月,沿龙门山断裂带中南段开展了原地应力测量,获得了3个测点的应力大小和方向。在3个测孔中浅部采用压磁应力解除法,深部采用水压致裂法。浅部测量结果显示,位于震中区映秀测点,水平最大主应力值为4.3MPa,最大主应力方向为N19°E;宝兴测点位于震中区西南的龙门山断裂带南段,汶川地震没有导致该段地表破裂,该点获得的水平最大主应力值为9.8MPa,最大主应力方向为N51°W;位于龙门山断裂带最西南端的康定测点,水平最大主应力值为2.6MPa,最大主应力方向为N39°E。利用水压致裂法对各钻孔100～400m深度进行了应力测量,获得了应力随深度变化趋势和应力状态。与震前其它应力测量结果和中国其它地区表层地应力测量结果比较,龙门山断裂带西南段处于相对高应力水平,震中区仍处于中等应力水平。这项研究成果将为评价龙门山断裂带余震和今后强震发展趋势提供关键构造物理参数。     

芦山地震前后龙门山断裂带西南段地应力状态对比分析

2013年4月20日芦山Ms7.0级地震后,为研究龙门山断裂带西南段震后的地应力状态,应用水压致裂法和压磁应力解除法在该区开展了2个钻孔的原地应力测量工作。测量结果显示硗碛测点在128～188m深度范围内最小水平主应力的量值为10.47～18.47 MPa,最大水平主应力的量值为19.60～25.83 MPa,方向为N63°～85°W;天全测点在114～142m深度范围内最小水平主应力的量值为5.20～7.73 MPa,最大水平主应力的量值为8.21～9.31 MPa,方向为N59°W。两个测点水平主应力与垂直应力的关系均为σ_Hσ_hσ_v,其中硗碛测点最大、最小水平主应力与垂直应力比值的平均值分别为5.27和3.01,天全测点最大、最小水平主应力与垂直应力比值的平均值分别为2.60和1.76,表明有利于逆断层活动。通过比较该地区芦山地震前后实测地应力状态,发现芦山地震后,龙门山断裂带西南段的北段(即邛崃大邑西-宝兴北-汶川南一带)和南段(即天全-荥经-泸定-康定一带)应力积累量增加。相同深度范围内,北段硗碛测点震后的应力大小要比地震前有明显的提高,这也与硗碛测点地应力监测结果一致。实测应力方向与震前基本一致,都为NW-NWW。基于实测地应力资料,根据库伦破裂准则和Byerlee定律分析,位于北段的硗碛测点震前部分压裂段的最大水平主应力处于使断层滑动临界值的上下限之间,而地震后最大水平主应力则均已超过断层滑动临界值的上限。位于南段的飞仙关测点震前最大水平主应力均未达到断层滑动临界值的下限,而地震后天全测点的最大水平主应力则均处于使断层滑动临界值的上下限之间。采用最大剪应力(σ_1-σ_3)/2与平均应力(σ_1+σ_3)/2的比值μ_m(断层摩擦)参数评估研究区地应力的积累水平和地震危险性。震前硗碛测点μ_m的量值为0.16～0.72,平均为0.50,震后为0.71～0.81,平均为0.77。震前飞仙关测点μ_m的量值为0.31～0.35,平均值为0.32,震后天全测点μ_m的量值为0.53～0.57,平均值为0.55,两个研究区的μ_m的量值均变大。分析认为芦山地震后龙门山断裂带西南段的北段和南段的应力积累量增加,都有发生断层滑动的可能性,尤其是北段。     

西藏林芝地应力测量监测与尼泊尔M_S8.1级强震远场响应分析

为查明川藏铁路林芝段现今地应力状态和附近主要断裂运动学和动力学活动特征,在西藏林芝北侧开展了300 m深度钻探工程和随深度系统水压致裂现今原位地应力测量与压磁法地应力实时监测工作。原地应力测量结果表明:(1)三个主应力大小之间关系为SHSh≥SV,表明区域构造作用水平应力起主导作用,易于发生逆断活动;(2)现今最大水平主应力方向为北北东向,反映区域内北东—近南北向断裂带现今活动具有顺时针走滑的特征;(3)基于实测数据得到剪应力相对大小μ_m=0.11~0.23,反映了该区域应力积累较低,区域内断层活动的危险性较小。地应力实时监测结果表明2015年尼泊尔M_S8.1级强震在该地应力实时监测站点具有显著的远场效应:(1)尼泊尔地震前,最大与最小水平主应力值分别增加了0.35 MPa和0.24 MPa,最大水平主应力方向基本保持不变;(2)尼泊尔地震时同震应力变化表明,地震导致最大与最小水平主应力值分别减小了0.05 MPa和0.04 MPa,最大水平主应力方向基本保持不变;(3)尼泊尔地震4个月后,最大水平主应力减小了0.05 MPa,而最小主应力增加了0.01 MPa,最大水平主应力方向基本保持不变。基于钻孔原地应力测量与实时监测数据分析尼泊尔地震前、震时、震后该站点地应力变化情况,对于区域内断裂活动、地震危险性、地壳稳定性等研究具有重要意义。     

芦山地震的发生对周围断层影响的数值模拟

芦山地震发生后,地震的发生造成周围断层应力变化值得关注。本文基于川滇地区的三维非线性有限元模型,利用芦山地震同震静态滑移量结果,分析地震的发生对川滇地区主要断裂的同震加卸载效应。初步结果表明,芦山地震的发生造成龙门山断裂中南段、岷江断裂、马尔康断裂、鲜水河断裂北西段、大凉山断裂南段、小江断裂南段不同程度的应力增加。其中龙门山断裂中南段增加最为显著,最大库仑应力增加量达0.035 MPa;岷江断裂次之,最大达0.0075 MPa;马尔康断裂增加量达0.0031 MPa;鲜水河断裂北西段达0.0008 MPa。而从断裂带同震应变积累与释放方面分析的结果同样表明上述四条断裂地震危险性增强。该结果可以为川滇地区地震危险性分析提供一定的参考依据。     

基于差分干涉雷达的汶川地震同震形变特点

地震同震形变场是认识震源机制、确定发震断裂、分析发震断裂活动方式、评估震害损失及揭示未来发震趋势的重要依据。但在龙门山地区复杂的自然环境中, 现有的地震同震形变场获取方法(GPS测量、构造形迹分析、震源机制解结合数值模拟计算)难以快速、全面的捕捉到这种信息, 这突显出差分干涉雷达技术(D-InSAR, Differential Interferometry SAR)在同震形变场研究中的优势。本文介绍了其观测原理, 在地震同震形变监测中的研究现状, 并重点分析了已获取的D-InSAR汶川地震同震形变场的观测结果。基于差分干涉雷达观测及相关资料, 对龙门山断裂在本次地震中活动性进行了初步分析, 结果表明干涉雷达形变图像与地表破裂范围、逆冲角度的变化、上下盘升降关系及大型余震的展布存在很强的相关性。      

映秀 北川断裂带中垂直断裂带走向的NW SE向构造和汶川地震

通过汶川科学钻探钻孔地质实体(岩芯)的构造研究、非弹性应变恢复法(ASR法)地应力测试,结合区域构造和汶川地震NW向余震带的综合分析,提出沿映秀-北川断裂走向的狭窄范围内存在一组NW-SE向构造,其总体产状为:走向N48°W,倾角中等,与映秀-北川断裂带的总体走向和ASR地应力测试获得的一组最大主应力方位(侧伏方向224°)和最大水平应力方位(44°)接近垂直。NW-SE向构造,除少数发育为宏观的断裂构造外,多数表现为密集的裂隙系(或隐断裂)和隐伏断裂,以逆冲性质为主,局部略具左行走滑特征。映秀-北川断裂两侧相向倾斜的NW-SE向裂隙系表明其两侧存在有方向相反的运动,映秀-北川断裂属两侧具有不同形成机制和相向位移的双侧走滑型断裂。映秀-北川断裂的同震垂向位移受NE-SW向构造和NW-SE向构造双重因素制约,在汶川地震的主震带与NW向余震带叠置部位具最大的垂向位移量。从时间尺度分析,在汶川地震的全过程中,仅开始时刻表现为自NW→SE方向的强烈逆冲作用,随后的主要时间段内均表现为沿断裂带方向的运动和自SW→NE方向的逆冲。NW-SE向构造的形成是龙门山深部应力和能量长期积聚的结果,强震发生时,初始时刻的自NW向SE方向的强烈挤压,瞬即转换成自SW向NE方向的运动和强烈挤压。NE-SW向挤压构造应力场,是由NW-SE向挤压作用长期积累和诱导,并叠置在区域NW-SE向主导的挤压构造应力场之上的局部构造应力场,但在发震后,它主导了地震能量自震源区沿断裂走向向NE方向的快速传递和扩展及NW向强余震的发生,地震能量在NE-SW向强烈挤压过程中得到最终释放。因此,映秀-北川断裂在地震的不同阶段,其性质存在差异,在地震宁静期或弱震期(应力积累和闭锁期)以自NW往SE方向的逆冲性质为主,兼有右行走滑特征,但在强震期(应力释放和解锁期),除发震时表现为强烈的继承性逆冲作用,随后即转化为以平行断裂带走向自SW向NE方向的快速运动和扩展及自SW往NE方向的逆冲作用为主。     

南迦巴瓦地区地应力场估算与构造稳定性探讨

南迦巴瓦地区是喜马拉雅东构造结新构造活动最为强烈的区域, 晚第四纪活动断裂发育, 地震活动强烈, 嘉黎断裂带、东久-米林断裂带及墨脱断裂带等活动断裂构造稳定性直接影响该地区工程规划建设。地应力是区域构造稳定性评价的关键性参数, 当前, 关于南迦巴瓦地区地应力场研究成果相对缺乏, 难以满足交通廊道地质安全风险评价实际需求。基于震源机制解数据, 采用应力张量反演方法, 揭示南迦巴瓦地区构造应力场最大主应力方向; 依据断层滑动失稳临界地应力条件, 联合应力形因子和断层摩擦系数反演, 估算南迦巴瓦周边不同区域地应力绝对大小。结果表明: 南迦巴瓦地区现今地应力场最大主应力方向为北东至北北东向; 最大、最小水平主应力大小随深度线性增加梯度分别为0.032~0.0355 MPa/m、0.0227~0.0236 MPa/m, 存在非均匀特征, 估测结果与原位地应力实测值一致性较好; 在当前地应力环境下, 南迦巴瓦周边地区主要活动断裂局部段落存在较大的地震危险性。研究成果可为南迦巴瓦地区工程规划建设提供参考。      

汶川地震断裂带科学钻一号孔ASR法地应力测量

大地震后发震断裂附近的应力状态是认识和理解地震机理的重要参数.5.12汶川地震后,我国开展了基于地震机理研究的汶川地震断裂带科学钻探项目(Wenchuan Earthquake Fault Scientific Drilling Project,简称WFSD),为研究震后龙门山断裂带附近深部应力状态提供了条件.本文主要介绍适合深部应力测量的非弹性应变恢复法(Anelastic strain recovery method,简称ASR法)的测试设备和流程,并利用ASR法对WFSD-1号钻孔岩心进行了原地应力测量,取得了该钻孔424～1173 m深度范围内7个岩心样品的非弹性应变恢复实测数据,并根据成像测井对岩心进行了定向,确定了原地应力方向,估算了原地应力的大小.WFSD-1钻孔最大主应力的方位为NW69°～NW35°,主应力的大小随深度的增加而增大.     

玉树地震震前甘孜—玉树断裂局部应力场时空偏转特征的离散元模拟研究

区域地质构造活动会改变地壳的应力状态, 构造地震是区域地质构造活动的极端方式, 了解震前发震断裂局部应力场的变化规律对断裂活动性的表征具有重要意义。为此, 利用颗粒离散元软件PFC2D, 以玉树地震台站YRY-4钻孔应变仪的监测数据为依据, 模拟2010年4月14日玉树MS 7.1级地震发震断裂, 甘孜—玉树走滑断裂, 震前局部应力场最大主应力方向的时空偏转特征。研究表明, 震前玉树台站位置的模拟最大水平主应力SH方向出现逆时针偏转, 在积累了一定应变能后偏转逐步恢复, 模拟局部应力方向的变化趋势与现场实际观测结果基本一致。断裂处不同位置SH变化规律不同, 距离断裂构造越近, 局部应力受到的扰动越明显; 位于拉应力集中区的SHT和压应力集中区的SHP同时向两者所在区域的分界方向旋转, 且偏转角随时步的增加逐步增大; 不同区域的应力积累程度不同, 且随着加载时间的推移而增强, 并在不同时刻发生破裂, 具有明显的时空异步效应。     

大地震前后实测地应力状态变化及其意义——以龙门山断裂带为例

实测地应力状态在连续地震事件前后的变化特征,对于应用地应力实测数据探索开展地震预报等研究有重要意义,但一直以来缺少典型实例研究。以龙门山断裂带西南段的跷碛和映秀地区为研究区,利用该地区汶川地震前至芦山地震后获得的地应力实测数据,分析了表征地应力状态的特征参数在汶川和芦山地震事件前后变化特征,探讨了其对地震预报研究的意义。研究表明,跷碛地区地应力状态特征参数K_HV、K_Hh和μ_m变化表现为芦山地震后值（QQ-14）大于汶川地震前（QQ-99）,QQ-99结果大于汶川地震后值（QQ-09）,而主应力梯度系数变化为QQ-09>QQ-14>QQ-99;分析认为K_HV、K_Hh和μ_m变化规律能准确反映汶川和芦山地震事件前后跷碛地区构造应力场演化特征,而仅用主应力随深度变化梯度系数变化特征,不能完全准确地反映构造应力场调整变化情况;映秀地区,除K_Hh外,主应力随深度变化梯度系数、K_HV和μ_m均表现为汶川地震后结果大于震前,其变化反映的应力场调整变化特征需要补充数据检验;利用地应力状态参数变化规律开展地震预报探索研究时,长期的、可对比的高质量地应力测量数据是研究有所突破的关键。研究成果对于龙门山地区构造应力场和减灾防灾研究有重要意义,对于应用地应力数据探索开展地震预报研究等有参考价值。      

龙门山及邻区断裂分布及地震前后断裂形态差异

利用欧拉方程(欧拉反褶积法)对龙门山地区重力数据进行反演,得到了地震前龙门山及邻区断裂的分布特征及参考深度。汶川地震波及范围广、破坏性大,地震前后发震断裂及周围断裂的形态必然会存在一定差异。笔者布设了一条实测重力剖面来对比地震前后断裂的形态。对比发现,地震后龙门山断裂带的逆冲趋势减弱,映秀—北川断裂与都江堰—江油断裂之间产生了多个破碎带。通过断裂形态的变化探究本次地震的成因,提出了应力面(第二地震面)和多震源的观点。     

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。     

太原西山区块煤储层地应力分布特征及评价

地应力是影响煤层气开发的关键参数,为了分析太原西山区块煤储层地应力条件,为煤层气勘探开发提供理论依据,采用水力压裂法测量地应力,统计了太原西山区块35口井煤储层地应力资料,获取二叠系山西组2号煤储层地应力与煤层埋深之间的相关关系,阐明了现今地应力分布特征。结果表明,研究区山西组2号煤层破裂压力梯度、闭合压力梯度和煤储层压力梯度的平均值分别为4.77 MPa/hm、2.82 MPa/hm和0.6 MPa/hm;2号煤层最小水平主应力梯度、最大水平主应力梯度和垂直主应力梯度的平均值分别为2.82 MPa/hm、3.24 MPa/hm和2.7 MPa/hm。主应力均随煤层埋深增加呈线性规律增高。根据最小水平主应力的大小,将研究区划分为低应力区、中应力区、高应力区3个区。      

黄河上游地区地应力状态与地质灾害关系探讨

本文在广泛收集研究区相关资料的基础上, 以实测地应力值为依据, 对研究区的地应力状态进行了模拟分析, 进而对地应力状态与地质灾害的关系进行了探讨。得到如下认识:地震活动是地应力积累到一定程度而释放的结果, 强震活动一般发生在最大主应力方向与断裂走向呈锐角的部位, 地震活动往往发生在局部高应力区。崩塌、滑坡、泥石流灾害在空间分布上与最大差应力的高值区存在较好的对应关系, 但与最大主应力高值区则无明显的对应关系。      

汶川大地震触发地质灾害的断层效应分析

512汶川大地震(Ms=8.0)触发了数以万计的崩滑地质灾害,分布范围约10万km2。这些地质灾害的空间分布固然受地形地貌、地层岩性和人类工程活动等因素的影响,然而主要还是受到发震断层的控制,沿发震断裂呈带状分布。通过都(江堰)汶(川)路、北川安县、马公红光3个地质灾害集中发育区的研究,发现汶川地震地质灾害具有以下断层效应:（1）由于属逆断型发震,地质灾害的分布表现出了明显的上/下盘效应,发震断层上盘较下盘地质灾害分布密度高、范围广、规模大;（2）断层上盘0~7km范围为地质灾害强发育区,断层上盘7～11km范围和下盘0～5km范围为地质灾害中等发育区;绝大多数的大型滑坡都分布在距断层5km范围内;（3）断裂的转折和错列部位是地质灾害集中发育部位,大型地质灾害也往往发生在这些部位;（4）滑坡滑动的优势方向为NW-SE, 与映秀北川断裂的空间展布方向基本垂直,这与地震波垂直于断层方向传播有密切的关系;（5）地震地质灾害主要集中发育在Ⅸ度及其以上烈度的区域。其中,Ⅺ度区发育密度与Ⅹ度区的基本相当,Ⅸ度区灾害密度只有前两者的1/3,而Ⅷ度区发育密度只有Ⅺ度区或Ⅹ度区的1/10。     

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。     

塔里木盆地塔中地区上奥陶统古构造应力场模拟与裂缝分布预测

塔里木盆地塔中地区上奥陶统良里塔格组碳酸盐岩构造裂缝是区内油气显示十分活跃的有效储集空间,其发育和分布主要受古构造应力场的控制。依据塔中地区上奥陶统地震资料的断裂构造解释和钻井、测井裂缝特征分析等成果,在声发射地应力测量、岩石力学参数和单轴抗拉强度测试的基础上,考虑断裂对裂缝形成的影响,采用三维有限元法对塔中地区上奥陶统加里东中期Ⅱ幕裂缝形成期的古构造应力场进行了数值模拟,预测了裂缝的分布。结果表明,裂缝形成期地应力最大主应力有效值为47.9～58.3MPa,平均值为51.97MPa,抗张强度为5.13～6.91MPa,平均值为5.81MPa。有效张应力的高值区是构造裂缝发育的有利地区,主要分布在塔中东部大的断裂带交会处和断裂带的部分区段内,与实际钻井统计的上奥陶统高裂缝线密度和油气井分布区基本吻合,可以为研究区的油气勘探提供新的地质依据。     

四川汶川Ms 8.0级地震的地表变形与同震位移

四川汶川Ms 8.0级强烈地震与青藏高原东部松潘-甘孜地块东向挤出导致的龙门山活动断裂右旋斜冲运动存在动力学成因联系。沿龙门山中央北川-映秀断裂发育长度超过250km的地震变形带,由地震陡坎、地震鼓包、地震破裂、地震断层组成,形成了较大的同震位移。在震中区映秀观测到的最大同震位移为7.6m,由右旋走滑位移6.1m和垂直位移4.6m 2个分量组成;虹口地区的右旋走滑位移为2.7m,垂直位移为4.6m,右旋斜冲总位移为5.3m;北川地区的右旋走滑位移为5.7m,垂直位移为3.4m,右旋斜冲总位移为6.6m;平通地区的右旋走滑位移为3.2m,垂直位移为3.0m,右旋斜冲总位移为4.4m。龙门山前缘的汉旺-漩口断裂及龙门山后缘的茂县-汶川断裂、青川断裂也发生了显著的同震断裂活动,但同震位移小于等于1.0m。根据同震位移实测数据和构造会聚速率的GPS观测资料,估算龙门山地区8.0级地震的复发周期为1150~2950年。