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M_s 8.0级地震断层间相互作用及其对起始破裂段的启示

汶川地震在地表形成了北东向与北西向两个方向的地表破裂带,余震分布也清晰地显示沿着小鱼洞断裂存在一条北西向小震密集条带。为了研究北西向小鱼洞断裂在汶川地震破裂过程中的作用,在已有的地表破裂数据和认识的基础上,结合汶川地震前小震资料和余震资料,完善了汶川地震震源构造模型。分别计算了以北川—映秀断裂西南的虹口段(BY1)与小鱼洞断裂作为初始破裂段所产生的库仑静应力变化量(ΔCFS)分布图像。结果显示,以北川—映秀断裂虹口段(BY1)做为起始破裂段,虽然小鱼洞断裂西北段(XYD2)的局部地段处于应力触发区,但在出现地表破裂的小鱼洞断裂东南段(XYD1)却处于1.5 bar的应力抑制区,同时随着北川—映秀断裂向北东方向的进一步破裂,小鱼洞断裂仍处于应力抑制区,并且范围有所扩大。如果这样,在汶川地震过程中,小鱼洞断裂应该是稳定的,不可能产生地表破裂带及小震密集条带;以小鱼洞断裂作为起始破裂段,北川—映秀断裂BY1段的大部分区段处于1.0～1.5 bar的应力触发区,不但如此,小鱼洞断裂对彭灌断裂也有触发作用。基于以上结果,认为汶川地震破裂过程是以北西向小鱼洞断裂为起始破裂段,该断裂的破裂触发了北川—映秀断裂和彭灌断裂,并导致北川—映秀断裂向北东方向发生级联破裂。     

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.     

映秀-北川断裂的地表破裂与变形特征

2008年5月12日在龙门山映秀北川断裂带发生的8.0级特大地震,属于逆冲—走滑型地震。本文以地表破裂为切入点,在映秀北川断裂的关键部位开展了详细的野外地貌测量,标定了映秀北川断裂带的垂向断距和水平断距,结果表明映秀北川断裂的地表破裂带从映秀向北东延伸达180~190 km,走向介于NE30°~50°之间,倾向北西,地表平均垂向断距为2.9 m, 平均水平断距为3.1 m;地表最大错动量的地点位于北川县擂鼓镇,垂直断错为6.2±0.1 m,水平断错为6.8 ±0.2 m , 逆冲分量与右行走滑分量的比值为3∶1~1∶1,表明该断裂以逆冲—右行走滑为特点,逆冲运动分量略大于或等于右行走滑运动分量。根据近南北向的分段断裂可将映秀北川断层的地表破裂带划分为两个高值区和两个低值区,其中两个高值区分别位于南段的映秀—虹口一带和中北段的擂鼓—北川县城—邓家坝一带。基于保存于破裂面上的擦痕,我们将该地震破裂过程划分为两个阶段,早期为逆冲作用,晚期为斜向走滑作用。     

四川汶川Ms 8.0地震地表破裂构造初步调查与发震背景分析

5月16-24日对川西汶川大地震震中区的发震断裂地带进行的实地考察和初步测量,获得了宝贵的地表变形和同震位移最数据资料,证实汶川地震属于逆冲断裂型地震,主破裂沿映秀-北川断裂带发育,前山地区滑灌县-安县断裂也有地表破裂,同震位移量在3～5m.汶川地震产牛的地表破裂构造和运动性质显示明显分段特性,映秀-北川段以挤压逆冲为主,而北川以北段则伴有显著的右旋走滑分量.     

龙门山造山带的早期活动及其对造山作用的启示

2008年汶川地震后,在映秀-北川同震地表破裂带南段虹口乡八角庙地区发现有假玄武玻璃出露于~240m宽的断裂带内,代表了断裂带以往地震和断裂活动的直接产物。这套假玄武玻璃的高温熔融成因得到了元素地球化学和熔融结构的证实。玻璃基质、蚀变矿物和碎屑斑晶的化学分析显示假玄武玻璃继承了碎裂岩/超碎裂岩围岩的主要化学成分,除石英外,主要由长石和云母两种端员组分选择性熔融形成,并呈现出了化学组分分布的不均一性。假玄武玻璃的锆石U-Pb和玻璃基质~(40)Ar/~(39)Ar定年结果证实映秀-北川断裂的古地震发生于229~216Ma的中-晚三叠世,并具有11~14km的震源深度,表明映秀-北川断裂的早期活动始于印支期的造山运动。伴随着印支造山运动的发生,龙门山断裂带形成了其初始构造框架,并对之后的构造演化产生了深远的影响。     

汶川地震(Ms 8.0)地表破裂过程探讨

汶川地震(Ms8.0)形成了具逆冲兼右旋走滑性质的映秀-北川破裂带、纯逆冲性质的灌县-安县破裂带以及它们之间具左旋走滑-逆冲性质的小鱼洞破裂带,成为世界上迄今为止空间上分布最为复杂、长度最大的逆冲型地震地表破裂带.其地表破裂过程对理解发震机理具有重要的科学意义.文章根据地表破裂带的不同运动特性以及分段性,并结合不同地段同震断层擦痕行迹,探讨汶川地震地表破裂过程.通过详细分析,认为沿地表破裂带出现南北两个大的滑移量峰值,以及南北两段破裂带的几何分布和运动特性均不同,表明汶川地震是由南北两个次级破裂事件组成,这个结论与地震波数据反演结果一致,并根据八角庙和北川地区同震断层擦痕的运动学对比研究,推测汶川地震初期破裂以逆冲运动为主,沿映秀断裂和灌县-安县断裂,同时形成约100-80kin长近纯逆冲性质的映秀-清平段地表破裂带和灌县-安县地表破裂带,并且在这两条破裂带向NE方向扩展过程中形成了小鱼洞地表破裂带.由于南部初期破裂事件触发了北川断裂的活动,造成后期破裂事件的发生.后期破裂事件以右旋走滑(或右旋斜冲)运动为主,沿映秀-北川断裂形成龙池-深溪沟-八角庙-清平-擂鼓-北川-南坝-石坎等一线破裂带,该破裂带在映秀断裂带上叠加了第一次破裂事件形成的部分破裂带,整体地表破裂带南段(映秀-清平段)叠加了两次不同性质的破裂过程,北段(擂鼓-北川-南坝-石坎段)只反映了第一二次破裂事件的过程.所以,汶川地震地表破裂带中约270km长的映秀-北川破裂带具有逆冲兼右旋走滑性质,而约80km长的灌县-安县破裂带为纯逆冲性质.地震破裂过程是一动态复杂的物理过程,上述地表破裂模型可以解释两条不同性质破裂带的形成.但是否符合实际的地震破裂过程,还需要通过近台网地震波数据精细反演地震震源破裂过程的验证.     

“5·12”地震什邡市重灾区活动断裂构造与建设适宜性分析

"5·12"汶川特大地震导致龙门山构造带的主干断裂中央断裂带(北川～映秀断裂)和前山断裂带(灌县～江油断裂)发生了强烈活动,造成了汶川、北川、映秀、绵竹等地大量建筑被毁,人员伤亡惨重。分析阐述了什邡市境内活动断裂规律、活动断裂对建筑选址的影响,对灾后重建选址提出了建议。     

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。     

川西龙门山褶皱冲断带分带性变形特征

通过野外地质考察和地震资料解释,将龙门山褶皱冲断带划分为5个构造带,即青川-茂汶断裂以西为松潘-甘孜构造带,青川-茂汶断裂与北川-映秀断裂之间为韧性变形带,北川-映秀断裂与马角坝-通济场-双石断裂之间为基底卷入冲断带,马角坝-通济场-双石断裂与广元-关口-大邑断裂之间为前缘-褶皱冲断带,广元-关口-大邑断裂以东为前陆坳陷带,在构造变形特征上,各条断裂在演化上具有前展式特征,在松潘-甘孜构造带和韧性变形带构造变形强烈,形成推覆构造带等构造变形样式,在前缘-褶皱冲断带和前陆坳陷带,变形强度较弱,形成背冲断块或断层相关褶皱等构造,西北部区域的变形表现为塑性变形特征,向南东方向渐变为塑-脆性变形和脆性变形,在剖面上各条断裂所形成的深度向盆地方向逐渐递减。龙门山褶皱冲断带的分带性变形特征是由多种因素共同影响的结果,这些因素主要有板块构造背景的决定作用、多套滑脱层的控制作用和岩性因素的制约作用。     

龙门山南段飞来峰构造变形及形成演化

龙门山前山构造带中分布着大量的飞来峰。为了解其构造演化过程,主要通过分析研究龙门山南段白石-苟家飞来峰和金台山飞来峰内部及下覆地层的构造变形特征,确定出其至少经历了5个构造变形序列,并结合前人资料讨论龙门山南段飞来峰的形成和演化。     

2008年汶川8.0级地震的发震构造:沿龙门山断裂带新生的地壳深部断裂

在区域地质构造研究中,龙门山断裂带也称为龙门山褶皱-冲断带或推覆构造带。许多研究者认为,2008年汶川8级地震的发震构造是这条断裂带或其中央映秀—北川断裂。笔者在深入分析龙门山断裂带的构造演化和岩石圈结构构造特征的基础上,着重探讨8级地震的发震构造,提出不同的认识。龙门山断裂带经历了松潘—甘孜造山带的前陆褶皱-冲断带(T3-J)、造山带(K-E)和青藏高原边缘隆起带(N-Q)3个动力学条件不同的演化阶段,在前两个阶段断裂带递进发展,第三阶段断裂带则被改造。从三维空间看,龙门山断裂带位于松潘—甘孜地块东南缘的上地壳内,并被推覆到扬子陆块上;而松潘—甘孜地块的中—下地壳和岩石圈地幔发生韧性增厚,而且向扬子陆块壳下俯冲,从而使浅、深部构造在垂向上形成"吞噬"扬子地块的"鳄鱼嘴"式结构。虽然在平面上汶川8级地震的主余震分布与映秀—北川断裂一致,但从剖面上看其震源所构成的震源破裂体位于龙门山断裂带之下的扬子陆块内。这种不一致性表明,8级地震的发震构造不是龙门山断裂带,而是扬子陆块内新生的高角度断裂,其走向基本与龙门山断裂带一致。推测这一震源断裂的形成过程是:当松潘—甘孜地块向东南推挤时,其前缘"鳄鱼嘴"构造咬合并错断被吞噬的扬子陆块部分,形成具有右旋逆平移性质的新断裂,导致汶川8级地震的发生。     

龙门山中—南段构造格局及其形成演化

龙门山中－南段前陆盆地变形区,后山褶皱推覆带和滑覆飞来峰构成了本区的基本构造格局,它是在古生代扬子板块西缘稳定大陆边缘陆棚沉积建造的基础上经历印支运动以来多次变形改造的结果。     

龙门山中段清平飞来峰的构造变形特征及形成机制

在野外考察、室内分析的基础上对清平飞来峰的构造特征、形成机制进行了研究。其结果表明清平飞来峰具有明显的叠覆式特征,共分5层。各层峰体特征、成因各具特色,下部两层为推覆体,上部三层为滑覆体。推覆体与滑覆体共同构成同一飞来峰,为龙门山飞来峰中所少见。从而证实了龙门山飞来峰先发育推覆体,后发育滑覆体的地质景观确实存在。     

Differential exhumation in response to episodic thrusting along the eastern margin of the Tibetan Plateau

Thermochronological data from the Songpan-Ganze˛Fold Belt and Longmen Mountains Thrust-Nappe Belt, on the eastern margin of the Tibetan Plateau in central China, reveal several phases of differential cooling across major listric thrust faults since Early Cretaceous times. Differential cooling, indicated by distinct breaks in age data across discrete compressional structures, was superimposed upon a regional cooling pattern following the Late Triassic Indosinian Orogeny. ⁴⁰Ar/³⁹Ar data from muscovite from the central and southern Longmen Mountains Thrust-Nappe Belt suggest a phase of differential cooling across the Wenchuan-Maouwen Shear Zone during the Early Cretaceous. The zircon fission track data also indicate differential cooling across a zone of brittle re-activation on the eastern margin of the Wenchuan-Maouwen Shear Zone during the mid-Tertiary, between 38 and 10 Ma. Apatite fission track data from the central and southern Longmen Mountains Thrust-Nappe Belt reveal differential cooling across the Yingxiu-Beichuan and Erwangmiao faults during the Miocene. Forward modelling of apatite fission track data from the northern Longmen Mountains Thrust-Nappe Belt suggests relatively slow regional cooling through the Mesozoic and early Tertiary, followed by accelerated cooling during the Miocene, beginning at ca. 20 Ma, to present day.

Regional cooling is attributed to erosion during exhumation of the evolving Longmen Mountains Thrust-Nappe Belt (LMTNB) following the Indosinian Orogeny. Differential cooling across the Wenchuan-Maouwen Shear Zone and the Yingxiu-Beichuan and Erwangmiao faults is attributed to exhumation of the hanging walls of active listric thrust faults. Thermochronological data from the Longmen Mountains Thrust-Nappe Belt reveal a greater amount of differential exhumation across thrust faults from north to south. This observation is in accord with the prevalence of Proterozoic and Sinian basement in the hanging walls of thrust faults in the central and southern Longmen Mountains. The two most recent phases of reactivation occurred following the initial collision of India with Eurasia, suggesting that lateral extrusion of crustal material in response to this collision was focused along discrete structures in the LMTNB.     

龙门山地震带的地质背景与汶川地震的地表破裂

龙门山位于青藏高原与扬子地台之间, 系由一系列大致平行的叠瓦状冲断带构成, 自西向东发育汶川茂汶断裂、映秀北川断裂和彭县灌县断裂,并将龙门山划分为3个构造地层带,分别为变形变质构造地层带（主要由志留系泥盆系浅变质岩和前寒武系杂岩构成）、变形变位构造地层带（主要由上古生界三叠系沉积岩构成）、变形构造地层带（主要由侏罗系至第三系红层和第四纪松散堆积构成）。 龙门山断裂带属地震危险区,3条主干断裂皆具备发生7级左右地震的能力,其中映秀北川断裂是引发地震的最主要断层,据对彭县灌县断裂青石坪探槽场地的研究结果表明,在该断裂带上最晚的一次强震发生在93040a.B.P.左右,据此,可以初步判定,这3条主干断裂的单条断裂上的强震复发间隔至少应在1000a左右,表明龙门山构造带及其内部断裂属于地震活动频度低但具有发生超强地震的潜在危险的特殊断裂,以逆冲-右行走滑为其主要运动方式。 汶川地震属于逆冲走滑型的地震,地表破裂分布于映秀北川断裂带和彭县灌县断裂带上。根据近南北向的断裂（小鱼洞断层、擂鼓断层和邓家坝断层）和地表断距可将映秀北川断层的地表破裂带划分为两个高值区和两个低值区,两个高值区分别位于南段的映秀-虹口一带和位于中北段的擂鼓北川县城邓家坝一带;两个低值区分别位于中南段的白水河茶坪一带和北段的北川黄家坝至平武石坎子一带,两个高值区分别与小鱼洞断层和擂鼓断层相关。根据保存于破裂面上的擦痕,可将该地震破裂过程划分为两个阶段,早期为逆冲作用,晚期为斜向走滑作用,其与地壳增厚构造模式和侧向挤出摸式在青藏高原东缘的推论具有不吻合性。鉴于龙门山的表层运动速率与深部构造运动速率具有不一致性,初步探讨了龙门山地区的地表过程与下地壳流之间的地质动力模型,认为下地壳物质在龙门山近垂向挤出和垂向运动,从而造成导致龙门山向东的逆冲运动、龙门山构造带抬升和汶川特大地震。在此基础上,根据汶川地震所引发的地质灾害,对地震灾后重建提出了的几点建议。     

龙门山构造变形与油气关系探讨

龙门山构造变形始于印支期,经历燕山期和喜山期多次递进变形,构造变形时期具有由北向南、由西向东逐渐变晚和构造变形强度西侧强、东侧弱的特点。龙门山冲断带具有南北分段、东西分带和纵向分层的差异变形特征。龙门山逆冲推覆带构造变形强烈,油气保存条件差。山前断褶带主要发育断弯背斜、断展背斜和断挡背斜等,变形适中,油气保存条件好,龙门山山前断褶皱带有利于油气富集,形成构造油气藏。     

汶川科学钻探PDC取心钻头有限元分析

汶川地震断裂带科学钻探项目是在龙门山"北川-映秀"断裂及龙门山前缘安县-灌县断裂附近实施5口科学群钻,由于所实施的5个钻孔都位于地震断裂带上,地层十分松软破碎,普通取心钻进的取心率低、岩心扰动大。为解决该问题,设计并采用了一种超前式隔水防冲蚀PDC取心钻头,取得了良好的效果,提高了岩心采取率,并保证了岩心的原状性。论文通过UG建立的实体模型导入ANSYS Workbench下的CFX流场分析和Steady-Thermal稳定热分析模块,分析了该钻头的井底流场分布、大小以及钻头的冷却效果,并计算孔底有效排粉的最低泵量,以确定超前式隔水防冲蚀PDC取心钻头取心钻进时保证取心率和岩心原状性要求的最优泵量。     

Thermochronology of the Longmen Shan seismic fault and its implications for faulting activities.SCIEI北大核心CSCD

中生代和新生代多期次的新老构造活动叠加造成了龙门山现今地震频发和复杂的构造格局。沿2008年汶川地震断裂带出露有多种断裂岩组合,为直接开展断裂带热年代学研究提供了重要素材。本研究首次尝试针对映秀-北川断裂带出露的假玄武玻璃开展^(40)Ar/^(39)Ar年龄的多重扩散域(MDD)模拟研究。与钾长石相似的阶梯状上升的年龄谱图表明假玄武玻璃同样具有开展MDD模拟的应用潜力。模拟结果显示,映秀-北川断裂带分别经历了~230Ma和~180Ma起始的构造热事件,对应青藏高原东缘中-晚三叠世统一的挤压造山运动和造山后的伸展垮塌。断裂带内新获得的断层角砾岩磷灰石裂变径迹(AFT)结果与上、下盘已有结果共同组成了较为完整的年龄-高程剖面,揭示出年龄拐点出现在~13Ma,位于~1100m的海拔高度,与热历史反演结果一致,对应映秀-北川断裂带的出露位置,直接证实断裂活动在中中新世以来龙门山的隆升过程中发挥了重要作用。进入中中新世以来,龙门山断裂带的快速剥蚀和地温梯度的显著降低很可能暗示了构造活动机制上的重要转变。     

龙门山中段彭灌断裂带汶川Ms8.0地震同震破裂断层识别及其浅、表构造特征

2008年汶川Ms8.0地震在龙门山中段的彭灌断裂带产生的地表破裂,是该地震产生的第二大地表破裂带.综合应用地质、钻井以及二维、三维地震数据,利用横贯前山带的多条人工地震反射剖面,对彭灌断裂带产生同震破裂的断层进行准确识别和解释.研究表明,龙门山中段的彭灌断裂带是一套由3条主要断层和次级广泛发育的断裂组合构成,浅层表现...