汶川地震断裂带结构、岩性特征及其与地震活动的关系

文章以龙门山中央断裂带映秀-北川断裂带为研究对象,重点对汶川地震破裂带南段虹口乡八角庙地区地表断裂带进行了详细研究,并结合汶川地震科学钻探1号孔(WFSD-1)岩芯部分研究成果,探讨龙门山中央断裂带的物质组成及其结构特征.研究表明,映秀-北川断裂带由很多次级小规模断裂(破碎带)以及夹持其中的块体所构成,其中断层泥的厚度由几毫米到25cm不等,与WFSD-1岩芯记录的地震断裂现象基本一致.从虹口乡八角庙露头来看,映秀-北川断裂带整体宽约120m,分布有近80条含有断层泥的次级断裂带.以台湾车笼埔断裂钻探项目(TCDP)和汶川地震科学钻探(WFSD)研究来看,一次大地震只能形成几毫米至约2cm厚的断层泥,推断映秀-北川断裂带中每层断层泥至少发生过1次到13次地震,该区总厚度约150cm的断层泥中发生地震次数至少为183次,说明沿着映秀-北川断裂带重复发生过多次强地震活动.每次地震活动并不完全沿袭老的地震断裂主滑移带滑动,而是沿着断层泥边部区域滑动.从整个断裂带中断层泥分布特征来看,地震断裂活动具有向断裂下盘迁移的趋势,并且断层泥的厚度与断裂活动性成正比关系,表明断裂带宽度与地震活动次数及其演化历史有着成因上的直接联系,多次地震活动叠加可能是龙门山形成的主要成因.     

汶川地震断裂带断层滑移作用——来自高磁化率断层岩的信息

断层岩与地震有着密切相关,通常沿断裂带的断层面发育。本研究以2008年汶川地震(MS 8.0)的发震断裂（映秀-北川断裂带）发育的古地震造成的断层岩为研究对象,利用Bartington MS2仪器表面测量探头对发育于四川省都江堰市虹口乡（31°8.789′N,103°41.472′E）映秀-北川断裂带花岗岩中的两条断层岩开展了高密度测量。测试结果表明磁化率在2×10-6SI 到74×10-6 SI之间变化,所测剖面均显示出断层岩区域与高磁化率相互对应现象。这种现象可能是由于断层滑移作用产生的高磨擦温度导致断层岩中高磁化率新矿物的形成所致。断层滑移作用致使断层泥中矿物颗粒粒径的减小也可能使磁化率增强。高磁化率断层岩（断层泥）的存在可以作为地震断层的判别依据之一,本研究对于定量分析研究断层岩（断层泥）提供了一种新尝试。     

汶川地震断裂带结构特征与龙门山隆升的关系

2008年汶川地震(MW7.9)发生在青藏高原东缘龙门山断裂带上,并沿映秀-北川断裂和灌县-安县断裂分别产生约270km和80km的不同性质的地表破裂带。断裂岩是断裂活动的产物,是断裂带的物质组成,其结构特征记录了断裂活动演化的历史。本文以汶川地震发震断裂映秀-北川断裂带中虹口八角庙地区地表露头和汶川地震科学钻探一号孔(WFSD-1)岩心为主要研究对象,通过详细的野外调研、显微结构及XRD分析等,识别出映秀-北川断裂带由五个次级单元组成,分别为:碎裂岩带、黑色断层泥和角砾岩带、灰色断层角砾岩带、深灰色断层角砾岩带以及断层泥和角砾岩带。断裂岩组合显示映秀-北川断裂带具有多核断裂结构特征。映秀-北川断裂带在地表出露的宽度约为240m,岩心中厚度约为105m,碎裂岩、断层角砾岩、断层泥在地表及岩心中均发育,而假玄武玻璃仅在地表碎裂岩部分出现。汶川地震主滑移带斜切了映秀-北川断裂带,不完全沿袭古地震滑移带,暗示汶川地震断裂带与映秀-北川断裂带可能不是同一个断裂体系。通过断裂岩的研究确定了映秀-北川断裂带存在着摩擦熔融、热增压、动态润滑和机械润滑等多种断裂滑移机制。低温热年代学的研究推断映秀-北川断裂带的形成时代为15～10Ma,自形成以来,映秀-北川断裂带的长期活动控制着龙门山的快速隆升。断裂带五个不同断裂岩组合的内部结构带,可能与龙门山不同的隆升速率期有着一定的联系。     

汶川地震最大垂直位移处同震滑移带特征及其高磁化率意义

本文根据映秀-北川地表破裂带最大垂直位移观测点(31°50'21.2"N,104°28'09.7"E)测量数据,结合同震滑移面特征、擦痕产状等,重新讨论了汶川地震地表破裂带展布特征、过程、最大同震位移值等基本参数。该观测点对应约7.0m的垂直位移,水平位移约为5.0m。同震断层滑移面上只发育一组侧伏向为SW、侧伏角约55°擦痕,说明汶川地震破裂在映秀-北川断裂北段主要经历了一次破裂过程。使用U形槽连续采集同震滑移带断层泥样品,在2G-760岩石磁学系统自动控制平台上利用Bartington MS2磁化率仪的环形探头,按每1cm间距采集数据。测试结果说明同震滑移带断层泥具有高磁化率特征,增强机制可能是由于地震滑移作用产生的高摩擦温度导致断层岩中高磁化率新矿物的形成所致。本研究对于鉴定断层岩经历摩擦生热作用提供了一种定量分析新尝试。     

四川汶川地震断裂带科学钻探2号孔(WFSD-2)岩性特征和断裂带的结构

以WFSD-2钻孔岩心为研究对象,通过详细的岩心编录和岩石学、构造地质学等研究,识别出该钻孔岩心具有6段岩性,从上向下依次为彭灌杂岩(0~599.31m)、三叠系须家河组二段(599.31~1211.49m)、彭灌杂岩(1211.49~1679.51m)、三叠系须家河组三段(1679.51~1715.48m)、彭灌杂岩(1715.48~2081.47m)、三叠系须家河组四段(2081.47~2283.56m)。彭灌杂岩主要以花岗岩和火山岩为主,三叠系须家河组沉积岩以砂岩、粉砂岩、泥岩、页岩、煤层(线)和砾岩为主。3套彭灌杂岩与三叠系须家河组沉积岩重复出现,时代较老的岩性段逆冲覆盖在新的地层之上,表明龙门山构造带由一系列逆冲岩片叠置而成。岩心中断裂岩较为发育,主要为断层角砾岩、碎裂岩和断层泥,反映出脆性变形作用的特点。通过对断裂岩的统计分析,厘定了20余条产状不同、规模不等的次级断裂带,断裂带宽度和断裂密度峰值显示FZ600、 FZ720、 FZ782、 FZ817、 FZ922、 FZ951、FZ1449、 FZ1681、FZ2082为主要断裂带,其中FZ1681系规模最大的一条断裂。依据断裂岩的组合特征可以将岩心中断裂带的结构以断层泥为核部划分为两大类：对称型断裂带和不对称型断裂带。根据地表破裂带、WFSD-1钻孔岩心中主滑移带位置的几何关系、岩性分层等因素,可推断汶川地震主滑移带应位于FZ1134、FZ1449或FZ1681之中,同时也暗示该地区经常发生类似汶川地震的大地震活动。研究表明,龙门山地区经历了强烈的构造缩短和快速隆升作用,暗示龙门山地区构造活动非常强烈。     

四川汶川地震断裂带科学钻探2号孔(WFSD-2)岩性特征和断裂带的结构

以WFSD-2钻孔岩心为研究对象,通过详细的岩心编录和岩石学、构造地质学等研究,识别出该钻孔岩心具有6段岩性,从上向下依次为彭灌杂岩(0~599.31m)、三叠系须家河组二段(599.31~1211.49m)、彭灌杂岩(1211.49~1679.51m)、三叠系须家河组三段(1679.51~1715.48m)、彭灌杂岩(1715.48~2081.47m)、三叠系须家河组四段(2081.47~2283.56m)。彭灌杂岩主要以花岗岩和火山岩为主,三叠系须家河组沉积岩以砂岩、粉砂岩、泥岩、页岩、煤层(线)和砾岩为主。3套彭灌杂岩与三叠系须家河组沉积岩重复出现,时代较老的岩性段逆冲覆盖在新的地层之上,表明龙门山构造带由一系列逆冲岩片叠置而成。岩心中断裂岩较为发育,主要为断层角砾岩、碎裂岩和断层泥,反映出脆性变形作用的特点。通过对断裂岩的统计分析,厘定了20余条产状不同、规模不等的次级断裂带,断裂带宽度和断裂密度峰值显示FZ600、FZ720、FZ782、FZ817、FZ922、FZ951、FZ1449、FZ1681、FZ2082为主要断裂带,其中FZ1681系规模最大的一条断裂。依据断裂岩的组合特征可以将岩心中断裂带的结构以断层泥为核部划分为两大类:对称型断裂带和不对称型断裂带。根据地表破裂带、WFSD-1钻孔岩心中主滑移带位置的几何关系、岩性分层等因素,可推断汶川地震主滑移带应位于FZ1134、FZ1449或FZ1681之中,同时也暗示该地区经常发生类似汶川地震的大地震活动。研究表明,龙门山地区经历了强烈的构造缩短和快速隆升作用,暗示龙门山地区构造活动非常强烈。     

四川汶川地震断裂带科学钻探2号孔（WFSD-2）岩性特征和断裂带的结构

以WFSD-2钻孔岩心为研究对象,通过详细的岩心编录和岩石学、构造地质学等研究,识别出该钻孔岩心具有6段岩性,从上向下依次为彭灌杂岩（0-599.31m）、三叠系须家河组二段（599.31-1211.49m）、彭灌杂岩（1211.49-1679.51m）、三叠系须家河组三段（1679.51-1715.48m）、彭灌杂岩（1715.48-2081.47m）、三叠系须家河组四段（2081.47-2283.56m）。彭灌杂岩主要以花岗岩和火山岩为主,三叠系须家河组沉积岩以砂岩、粉砂岩、泥岩、页岩、煤层（线）和砾岩为主。3套彭灌杂岩与三叠系须家河组沉积岩重复出现,时代较老的岩性段逆冲覆盖在新的地层之上,表明龙门山构造带由一系列逆冲岩片叠置而成。岩心中断裂岩较为发育,主要为断层角砾岩、碎裂岩和断层泥,反映出脆性变形作用的特点。通过对断裂岩的统计分析,厘定了20余条产状不同、规模不等的次级断裂带,断裂带宽度和断裂密度峰值显示FZ600、FZ720、FZ782、FZ817、FZ922、FZ951、FZ1449、FZ1681、FZ2082为主要断裂带,其中FZ1681系规模最大的一条断裂。依据断裂岩的组合特征可以将岩心中断裂带的结构以断层泥为核部划分为两大类：对称型断裂带和不对称型断裂带。根据地表破裂带、WFSD-1钻孔岩心中主滑移带位置的几何关系、岩性分层等因素,可推断汶川地震主滑移带应位于FZ1134、FZ1449或FZ1681之中,同时也暗示该地区经常发生类似汶川地震的大地震活动。研究表明,龙门山地区经历了强烈的构造缩短和快速隆升作用,暗示龙门山地区构造活动非常强烈。     

汶川地震断裂作用研究新认识

2008年汶川地震后,人们不得不思考问题是:大地震是如何发生的?下一次大地震什么时候发生?也就是涉及地质学家和地球物理学家一直未解决的科学问题:断层是如何破裂的?震后断裂是如何愈合的?我们试图通过对汶川地震断裂带结构、断裂摩擦行为和断裂愈合过程的研究来回答这些问题。本文将介绍通过对地表露头和汶川地震断裂科学钻探一号孔(WFSD)岩心中汶川地震主滑移带的详细研究,以及钻孔中长期温度监测来分析有关汶川地震断裂动态弱化和摩擦行为,并结合钻孔中长期水文监测计算所得断裂带渗透率变化,分析震后断裂愈合过程,进而探讨和认识汶川地震断裂作用所涉及的上述问题。经过详细研究,确定了汶川地震断裂带(映秀—北川断裂带)宽105~240 m、具有五个不同断裂岩组合的内部结构,是一条经常发生大地震、具多种弱化机制的断裂带;发现了汶川地震不仅具有同震石墨化作用,而且测量到目前世界上最低的动态摩擦系数(≤0.02),同时首次记录到大地震后断裂快速愈合信息。这些研究结果不仅直接回答了一直困扰在地震地质和地震物理学领域几十年的关键问题,而且对完善地震断裂理论和认识汶川地震机制具有极其重要的意义,为防震减灾提供了理论依据。     

地表探槽断裂岩岩石磁学揭示汶川地震断裂带不同滑移机制

岩石磁学能揭示岩石的磁性矿物组合,通过断裂岩不同的磁性矿物组合可揭示地震过程中磁性矿物变化、地震摩擦温度及地震滑移机制等基础地震地质问题。2008年Mw 7.9级汶川地震使两条断裂带同时发生地表破裂,包括映秀-北川和灌县-安县断裂地表破裂带,破裂带上地震断裂岩为岩石磁学提供了大量的研究对象。本研究主要以汶川地震地表破裂带上两个探槽内断裂岩为对象,包括映秀-北川地表破裂带上的八角庙探槽和灌县-安县地表破裂带上的九龙探槽,结合目前已发表的地表及WFSD-1孔的研究成果,从岩石磁学角度探讨汶川地震断裂带经历的地震滑移机制:1综合映秀-北川地震断裂带上八角庙探槽和其它位置的断裂岩岩石磁学研究,结果显示该地震断裂带附近断层泥的高磁化率源于新生的亚铁磁性矿物,如磁铁矿和磁赤铁矿等,故映秀-北川地震断裂曾经历高温快速热增压地震滑移机制;2灌县-安县地震断裂带上九龙探槽内断层泥略低的平均磁化率源于其铁的硫化物含量比断层角砾及侏罗纪砂岩多,铁的硫化物可能源于地震过程或断裂岩抬升到地表后的地表作用,如果断层泥中铁的硫化物多含量源于地震过程,则灌县-安县地震断裂带曾经历低温慢速机械润滑地震滑移机制;3两条断裂经历的不同地震滑移机制可能受控于断裂深部结构,如断层产状,映秀-北川地震断裂带的陡倾角易产生高温快速地震滑移,而灌县-安县地震断裂带的缓倾角更易产生低温慢速地震滑移。     

差应变法地应力测量——以汶川地震断裂带科学钻探WFSD-1钻孔为例

岩心差应变分析法是汶川地震断层科学钻探(WFSD)项目地应力测量的主要手段之一, 该技术通过高压容器对取之于钻孔不同深度的实验样品施加围压, 观察先前由于失去地层应力而膨胀产生的裂纹重新闭合, 并通过裂纹闭合过程差应变曲线分析, 确定主应力大小和方向。WFSD-1孔12个岩心样品的DSA测试结果表明:断层上下盘的应力状态有明显差异, 区域地应力不仅随深度增加, 还与地质结构和岩石的物理性质等因素有关。      

Multiple generations of pseudotachylyte in the Wenchuan fault zone and their implications for coseismic weakening

Pseudotachylytes are generally considered to be remnent products of past earthquakes, conveying significant information, which provide improved insight into the fault behavior and their mechanical properties. Pseudotachylytes and cataclastic rocks are exposed in the Pengguan complex along the Yingxiu-Beichuan fault zone, which ruptured during the 2008 Wenchuan earthquake, at the eastern margin of the Tibetan Plateau in Sichuan province, China. From outcrop investigations, pseudotachylyte veins are gray, dark-gray, brown and black, with thicknesses ranging from several mm to ∼10 cm. Microstructural observations, via optical microscope and SEM, show that distinct textures, such as spherulites, microlites, honeycomb-like vesicle structures, flow textures, irregularly shaped and deep embayed clasts, are present in the pseudotachylytes, suggesting that the pseudotachylytes are indeed melt-origin. Different colored veins and their overprinting relations observed at both macroscopic and microscopic scales, demonstrate that seismic faulting events and the associated generations of pseudotachylyte occurred repeatedly along the Yingxiu-Beichuan fault zone. Friction melt lubrication, thermal pressurization and mechanical lubrication, all can exist during one fault slip motion, indicating that multiple fault weakening mechanisms may work during a single coseismic event.     

2008年汶川地震断裂带北东段南坝地区岩石特征与内部结构

龙门山断裂带中的映秀-北川断裂带是2008年汶川地震的主发震断裂,它具有斜冲断裂的运动学特征（逆冲兼右旋走滑）,其中南西段映秀断裂带以逆冲为主,而北东段北川断裂带以右旋走滑为主。断裂带的物质组成和内部结构的研究,有利于深入认识断裂活动性质、构造变形行为和地震发震机制。本文以出露于映秀-北川断裂带北东段南坝地区的断裂岩为研究对象,通过野外地质调查、显微构造观察、XRD和μXRF等多种分析手段,探讨映秀-北川断裂带北东段的岩石组成和内部结构。研究表明发育于寒武纪粉砂质板岩中的断裂带宽度约30m,断层中心发育厚20~40cm的黑色断裂物质,2008年汶川地震的同震位移沿黑色物质层中厚约10mm滑动带滑动。断层NW侧和SE侧表现出近于对称的结构特征,两侧的角砾岩宽~4m和~3m,破碎带宽~10m和~12m。黑色断裂物质中石英含量30%~50%,长石含量18%~25%,黏土矿物总含量30%~36%,主要由伊利石、伊蒙混层和绿泥石组成,少有蒙脱石。XRD结果显示黑色断裂物质具有非晶质成分特征,SEM观测结果可见熔融结构特征,显微结构与μXRF结果呈现后期流体作用明显,其表明黑色断裂物质主要由古地震滑动形成的假玄武玻璃蚀变而成,并发育不同蚀变程度的多期假玄武玻璃。上述研究揭示出断裂摩擦熔融是汶川地震断裂带北东段南坝地区的重要动态弱化机制,其内部结构和岩石特征与南西段映秀断裂带具有明显的差异。     

汶川地震后龙门山断裂带活动特征

利用地震后2009~2011年GPS监测数据,获得了龙门山断裂带所在地区2009~2010年、2010~2011年以及2009~2011年GPS测站运动速度场,分析了区域地壳运动总体趋势及形变特征;通过分析龙门山断裂带北段、中段、南段横切剖面的测站运动速度变化,探讨了汶川地震后龙门山断裂带运动特征。分析表明:汶川地震前后,地壳运动总体趋势未变,作顺时旋转;断裂带西侧GPS测站运动速度变大,东侧运动速度变小;龙门山断裂带的断裂性质地震前后都为右旋走滑挤压,断裂带运动速率受汶川地震影响较大,震后运动速率较震前有显著的增加。龙门山断裂带震后各段次级断裂活动不同,中南段以前山断裂运动为主,其它各段以后山断裂运动为主。地震后龙门山断裂带表现出的运动特征主要与地震活动有关。受汶川地震的影响,区域动力学、运动学平衡被打破,龙门山断裂带东侧震后初期弹性回返,表现为低速反向运动。龙门山断裂带西侧震后松弛为拉张区,运动速度加大。地震对断裂带的影响不同,导致断裂带各段及次级断裂表现出不同的运动特征。     

滇西南阿墨江断裂带与2018年墨江M5.9地震

野外调查表明,阿墨江断裂Ⅲ级夷平面和T4阶地上发育断层垭口,其下地貌面则无断层地貌显示;断层构造岩胶结紧密或呈半固结状,少有断层泥发育;SEM测年显示早更新世活动,断层泥ESR年龄为549±54ka,断层上覆中—上更新统残坡积土未被切穿或发生构造变形;说明该断裂带最新活动时代为早—中更新世。2018年墨江M5.9地震等震线长轴呈与断裂带走向一致的NW方向,指示此次地震的发震构造为阿墨江断裂带西支。受青藏高原物质向东南挤出的影响,震中所在的思茅块体作S向运动。虽然阿墨江断裂带晚第四纪无明显的地表活动迹象,但因该断裂带本身构成了宽阔的构造软弱带,在近SN向挤压应力场作用下,局部地区的应力集中仍可能导致新的破裂并触发类似墨江M5.9地震的中-强地震活动。从区域上看,云南还存在构造条件与之相似的断裂带,如滇东地区的弥勒-师宗断裂带,历史上沿该断裂带曾发生11次5级以上中-强地震。因此,在区域地震危险性评价中,还应该关注第四纪活动迹象不明显,但仍有潜在发震危险性的区域性大断裂。     

2008年汶川地震破裂的滑移向量

估计同震滑移向量对于认识和理解破裂方式和破裂过程具有重要意义。2008年汶川大地震在青藏高原东缘龙门山推覆构造带的中央断裂和前山断裂上各形成了一条长250 km和72 km的地表破裂带。地震发生后至今,已经发表了大量有关同震位错沿破裂带分布的论文和报告,但绝大部分都仅仅是破裂的走向位错和垂直位错,极少有同震滑移向量的报道。这不仅是因为野外难以直接测量到水平缩短量(或拉张量),而且还因为这些走滑位错实际上是视走滑位错,部分或全部来自水平缩短或拉张。因此,仅仅根据视走滑同震位错和垂直同震位错估计的同震总滑移量肯定包含了相当大的误差。尝试利用据不同走向参考线测量到的一组(两个以上)视走滑位错来计算水平滑移向量的这一新方法,获得了中央破裂带上的7个水平同震滑移向量,并结合垂直位错量进一步计算了走滑、倾滑和水平缩短三个同震滑移分量以及断层倾角和破裂面上的同震滑移向量,综合出露破裂面的擦痕所指示的滑移向量,并对比根据矩张量解获得的震源深度的滑移向量,得出以下认识:(1)破裂南段的地表滑移向量的方位角明显小于震源深度滑移向量的方位角,表明在破裂从震源向地表传播过程中破裂面上的滑移向量发生了逆时针旋转;(2)滑移方位角向北东方向逐渐增大,表明地平面上水平滑移向量表现出顺时针旋转的趋势,而且在破裂向北东方向传播过程中近地表的走滑分量逐渐减小而倾滑分量逐渐增大;(3)几乎在每一个观测点倾滑分量都大于走滑分量,表明汶川地震的破裂方式在任何地点都是以逆冲运动为主;(4)破裂面倾角在10.4°～64.7°,平均值为41°,与天然破裂露头和探槽揭示的结果基本一致;(5)滑移向量沿破裂带的分布显示,走滑分量中段大而两端小,倾滑分量则相反,中段小两端大。     

长诏断裂带垂直运动与地震关系初探

利用跨断层短水准资料分析了长诏断裂带断层活动特征,结果表明:长诏断裂带总体活动性质基本相同,分时段活动性质有所不同。断层各段多数以压性逆断为主,不同于历史地质考察结果。此外,长诏断裂带各断裂都具有分段活动特点。