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。     

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。     

2008年5月12日汶川地震（Ms8.0）地表破裂带的分布特征

2008年5月12日14时28分,青藏高原东缘龙门山地区（四川汶川）发生了Ms8.0级地震。震后野外考察表明,5.12汶川地震发生在NE走向的龙门山断裂带上,该断裂带晚新生代以来的逆冲速率小于1mm/a,GPS观察结果表明其缩短速率小于3mm/a。这次5.12汶川地震造成了多条同震逆冲地表破裂带,总体长约275km,宽约15km,发震断裂机制主要为逆冲作用（由NW向SE逆冲）伴随右旋走滑。地表主破裂带沿龙门山断裂带的映秀—北川断裂发育,长约275km,笔者称为映秀—北川破裂带,破裂带具有逆冲兼右旋走滑性质。地表次级破裂带沿龙门山断裂带的前缘断裂安县—灌县断裂南段发育,长80km,笔者称为汉旺破裂带,破裂带基本为纯逆冲性质。在这两条破裂带之间发育两条更次一级的同震地表破裂带：一条长约20km呈NE走向的地表破裂带,笔者称为深溪沟破裂带,由于这条破裂带靠近主破裂带南段,并且与主破裂带变形特征一致,因此,笔者将深溪沟破裂带划归映秀—北川破裂带;另一条长约6km呈NW走向、由SW向NE逆冲并兼有左旋滑动的地表破裂带,笔者称为小鱼洞破裂带,它连接映秀—北川破裂带和汉旺破裂带,成为侧向断坡。另外,在灌县—安县断裂东侧的四川盆地内,由都江堰的聚源到江油发育一条NE向的沙土液化带,它可能是四川盆地西部深部盲断裂活动的结果。同震地表破裂带的分布特征表明,龙门山断裂带活动断裂具有强烈的逆冲作用并伴随较大的右旋走滑,断裂向四川盆地扩展。在龙门山断裂带上类似2008年5月12日Ms8.0汶川大地震的强震复发周期为3000～6000a。     

汶川8.0级地震地表破裂带

汶川8.0级地震的发震构造为龙门山断裂带。地震地表破裂分布在北川-映秀断裂和江油-灌县断裂上,长度分别为200km和70km。地震地表破裂表现为地表出露的地震破裂面、雁列分布的地震裂缝、地震断坎和断塞塘等。地表破裂的性质主要为右旋逆冲,最大同震位错的逆冲量和走滑量均为5.0m左右,分别位于擂鼓和虹口附近。地表破裂带的最大挤压缩短量为3.5m左右,最大宽度约为70～100m。     

汶川地震地形形变监测与分析

地形形变监测与分析对于研究汶川地震对震区及青藏板块地形变化的影响有重要意义。通过收集相关监测点的汶川地震前后地形形变数据,采用统一模式进行数据处理,将震前与震后的形变监测成果归算到ITRF2005参考框架和2008.363（2008年5月12日）历元,计算得到震中区域的大地基准造成严重破坏,监测点形变位错,水平位移量达243 cm,沉降量达68 cm,隆起量达36 cm。并对汶川地震地形形变监测进行分析,认为位于“映秀镇—北川—青川”断裂带西侧块体呈现向东南方向移动并呈现隆起趋势;东侧块体向西北方向移动并呈现下沉趋势;北侧块体向东北方向移动,南侧块体向西南北方向移动,块体两侧形成了明显挤压形态。上述研究为进一步揭示汶川地震产生的机理和龙门山断裂带的活动提供了良好基础。     

汶川8.0地震地表破裂平通镇段的变形特征

2008年5月12日14时28分04秒,四川省汶川县发生MS8.0大地震。发震断裂为龙门山断裂带,地震地表破裂带分布在北川-映秀断裂上的映秀-石坎子段和江油-灌县断裂上的磁峰-睢水段。平武县平通镇地表破裂现象典型,在T1和T2阶地上形成了地震断坎和裂缝。应用高精度GPSRTK技术对平通镇地震断坎及两侧作详细的地形测量,并测量了线性显著的路面中线和鱼塘西边壁。在室内生成高分辨率DEM与大比例尺地形剖面图,量取同震垂直与水平位移,并估算压缩缩短量和断层产状。结果显示汶川8.0级地震在平通镇形成的同震垂直位移为3.0±0.1m,右旋水平位移为4.0±0.2m,压缩缩短量为2.5m,断层产状为NE40°/NW∠50°。平通镇的同震右旋位移与本次地震的最大右旋位移相近,而逆冲垂直位移有所降低。     

2008年汶川地震同震滑移特征、最大滑移量及构造意义

2008年汶川地震（M_s8.0）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。沿约275km长的地表破裂带的同震滑移及其最大滑移量的确定,对认识和理解汶川地震地表破裂过程及其变形机制具有重要意义。我们沿地表破裂带进行了详细的滑移特征考察及其同震位移测量,发现沿映秀-北川破裂带分布南北两个滑移峰值区段,南段以深溪沟-虹口破裂段为中心,以逆冲为主伴随右旋走滑运动为特征,最大垂直位移量为6.0～6.7m,北段以北川破裂段为中心,以右旋走滑为主伴随逆冲运动为特征,最大垂直位移量为11～12m,南北两滑移峰值区段所代表的两次地表破裂事件与地震波数据反演结果一致。通过对北川段破裂带的精细地形剖面测量,以及地震前后对比,在北川县曲山镇沙坝村一组获得该破裂段的最大右旋水平位移为12～15m,最大垂直位移为11～12m,这是目前世界上一次地震产生的最大同震垂直位移,最大斜向滑移量为14～17m,为整个汶川地震地表破裂最大滑移量,是汶川地震的宏观震中。北川破裂段高角度的地震断裂、逆冲断裂面的倒转作用以及具最大滑移量的强烈变形作用是北川县城遭受到最强的地表破坏和地质灾害的主要原因。具有走滑量和逆冲量近一致（走滑水平位移/逆冲垂直位移比值为1）的斜向逆冲作用可能是山脉快速隆升的重要机制。     

汶川地震主滑移带（PSZ）：映秀—北川断裂带内的斜切逆冲断裂

2008年5月12日在青藏高原东缘龙门山地区发生了毁灭性的汶川地震(Ms 8.0),并沿映秀—北川断裂和灌县—安县断裂分别产生约270 km和80 km长、并具不同运动性质的地表破裂带。大地震后的断裂带科学钻探是研究地震机制的有效方法,为更好地了解汶川地震过程中的断裂机制、岩石的物理、化学变化和特征,2008年11月4日(汶川地震后的178 d)快速实施了汶川地震断裂带科学钻探项目(WFSD),该项目在这两条断裂带的上盘布置深浅不一的五口群钻(500～3000 m深)。笔者以汶川科钻一号孔(WFSD-1)岩心为主要研究对象,通过对岩心的岩石学研究和构造分析,识别出映秀—北川断裂带中的不同断裂岩分布和组合,以及确定了汶川地震主滑移带位置,为进一步研究汶川地震断裂机制提供了基础。     

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...     

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。     

量子地震模型:对汶川地震的解释

从大量的地震参数分析可知,在由同一主震引发的所有的余震发生的位置都不同。在发生地震之前,地震的震中位置都是一些相互独立、互不连续且发生了弹性应变的单元个体,笔者称这些独立不连续的弹性应变单元称为应变量子。综合前人研究成果,笔者建立了一个地震模型。运用该模型对2008年5月12日发生在中国汶川地震作了解释:由于在龙门山断裂带周围形成了许多的应变量子,这些应变量子的形成阻碍了龙门山断裂的运动,产生滑移亏损,从而造成在地震前测量到的龙门山断裂带速度场变化很不显著。2008年5月12日14时28分时,在龙门山断裂周围已形成应变量子中的其中一应变量子最先达到它的最大储能,释放它所储存的应变能,引发了汶川Ms8.0地震。此次地震产生的地震波引发了龙门山断裂周围地壳应力的重分布,使得其他应变量子提前达到最大储能,释放出能量,于是触发成千上万次余震。此外,我们或许可以通过观测断裂滑移速率的变化情况来预测断裂周围应变量子的形成,从而来预测该断裂是否存在潜在地震的可能。     

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。     

汶川M_w 7.9级地震同震断层陡坎类型与级联破裂模型

2008年5月12日,汶川Mw7.9级地震在青藏高原东缘沿龙门山逆冲断裂带中段形成了两条NE向和一条NW向逆冲走滑型地表破裂。依据同震地表陡坎形态特征,将其分为8种类型:逆断层陡坎、上盘垮塌陡坎、挤压推覆陡坎、右旋挤压推覆陡坎、断层相关褶皱陡坎、后冲挤压陡坎、上冲叠覆陡坎和局部正断层陡坎。汶川地震所形成的同震地表破裂主要由以逆冲为主的映秀破裂段和兼具逆冲、右旋走滑的北川破裂段两部分组成,这两个破裂段分别对应于Mw7.8与Mw7.6级地震事件;它们还可进一步细分为分别对应于Mw7.5、Mw7.7、Mw7.0和Mw7.5等4个次级事件的4个次级破裂段。这些次级破裂段的级联破裂可以用来解释为什么汶川地震的持续时间长达110 s。余震震源机制分析结果表明,发震断层的倾角随深度的增加而变缓,且从西南向北东逐渐变陡可以用来解释走滑分量增加的成因。此次大地震还表明,沿青藏高原东缘地形抬高的主要驱动力可能是地壳挤压缩短,而不一定是下地壳物质流动和膨胀引起上地壳的隆升。     

四川汶川地震断裂活动和次生地质灾害浅析

为了揭示汶川地震断裂活动与次生地质灾害的关系,在对汶川地震重灾区进行快速调查的基础上,分析了影响汶川地震的龙门山断裂带震后的断裂活动、地表破裂与崩塌、滑坡、泥石流等次生地质灾害发育特征的关系。野外调查发现,龙门山3条断裂带的地表变形破坏（包括沿断裂带的道路、农田、建筑物和边坡变形破坏）特征具有明显的差异性和分段性,映秀-北川断裂地震活动最剧烈,南坝-关庄断裂、灌县-安县断裂、平武-青川断裂等活动性次之的“横向”差异性,以及龙门山断裂带由南向北地震活动性减弱的“纵向”分段性。地震断裂活动的差异性和分段性明显控制了崩塌、滑坡、泥石流等次生地质灾害的发育特征,即映秀-北川断裂区域的次生地质灾害规模大、分布密度大、危害严重,沿其余断裂的次生地质灾害危害相对较轻。     

用地震资料估计的龙门山断裂深部形变及其对于汶川地震成因的意义

2008年5月12日汶川8.0级地震前龙门山断裂被“忽视”的原因之一是地质学证据和GPS测量证据均显示龙门山断裂长期以来形变速率很低。问题是,构造地质的结果是对一个较长的时间尺度的,而GPS结果反映的是较短时间尺度上的、地表上的、水平方向的形变,因此有理由怀疑由此得到的结论能否反映现今龙门山断裂的深部形变的全貌。我们采用类似于Kostrov方法的思路,利用最近30 a的地震资料,试图研究龙门山断裂的深部形变,并与其相邻的断裂进行比较。利用ML2.5以上的微震资料,给出了沿龙门山断裂带的累积Benioff应变,并根据震级频度关系计算了a值的空间分布。作为对照,同时计算了龙门山断裂邻区沿鲜水河、安宁河、则木河断裂各区域内的累积Benioff应变和a值。结果表明,在与地质学证据不同的时间尺度上,在与GPS证据不同的时间尺度、不同的深度上,并且不仅考虑到水平形变,与周边的断裂带相比,龙门山断裂带其实并不是一个“安静的”断裂带。在更短的时间尺度上,可以回溯性地观察到微震活动的一些异常变化,但这些变化似乎很难用于该地震的预测。我们讨论了相关的观测资料分析对于汶川地震的成因的意义。     

Parameters of Coseismic Reverse‐ and Oblique‐Slip Surface Ruptures of the 2008 Wenchuan Earthquake,Eastern Tibetan Plateau

Abstract: On May 12th, 2008, the Mw7.9 Wenchuan earthquake ruptured the Beichuan, Pengguan and Xiaoyudong faults simultaneously along the middle segment of the Longmenshan thrust belt at the eastern margin of the Tibetan plateau. Field investigations constrain the surface rupture pattern, length and offsets related to the Wenchuan earthquake. The Beichuan fault has a NE-trending right-lateral reverse rupture with a total length of 240 km. Reassessment yields a maximum vertical offset of 6.5±0.5 m and a maximum right-lateral offset of 4.9±0.5 m for its northern segment, which are the largest offsets found; the maximum vertical offset is 6.2±0.5 m for its southern segment. The Pengguan fault has a NE-trending pure reverse rupture about 72 km long with a maximum vertical offset of about 3.5 m. The Xiaoyudong fault has a NW-striking left-lateral reverse rupture about 7 km long between the Beichuan and Pengguan faults, with a maximum vertical offset of 3.4 m and left-lateral offset of 3.5 m. This pattern of multiple co-seismic surface ruptures is among the most complicated of recent great earthquakes and presents a much larger danger than if they ruptured individually. The rupture length is the longest for reverse faulting events ever reported.     

龙门山断裂带深部构造和物性分布的分段特征

根据龙门山断裂带周边的固定数字地震台网和流动地震观测获得的宽频带地震记录,用多种地震学方法研究该地区的地壳上地幔结构。深部结构研究表明,龙门山断裂带物性分布具有显著的分段特征。用远震接收函数H-k叠加方法计算了各个台站的地壳厚度和波速比。地壳厚度总体变化是,地壳从东向西增厚,最小厚度为37.8 km,最大厚度是68.1 km。从东南向西北横跨龙门山断裂带的地壳急剧增厚,从41.5 km增厚至52.5 km。但是,龙门山断裂带两侧地壳厚度的差异在断裂带的南段和北段是不同的。在南段,地壳厚度急剧变化的分界线在中央断裂附近;在中段,分界线在后山断裂附近;在北段,则断裂带两侧地壳厚度差异很小。泊松比的空间分布是,松潘—甘孜地体北部和西秦岭造山带具有低泊松比(ν<0.26),扬子地台具有低—中泊松比(ν<0.27),松潘—甘孜地体南部、三江褶皱带和四川盆地具有中—高泊松比(0.26<ν<0.29)。除龙门山断裂带南段及其附近,大部分地区均不具有超高的泊松比(ν>0.30)。龙门山断裂带南段地壳具有高泊松比(ν>0.30),而北段地壳则为中—低泊松比。高泊松比可以看成是铁镁质组分增加和/或部分熔融的证据,表明那里的下地壳部分熔融是可能的。松潘—甘孜地体东南部地区的下地壳处于富含流体或温度较高的部分熔融状态,它有助于青藏高原的下地壳物质向东运动。青藏高原东部中、上地壳向东运动受刚性强度较大的扬子地台的阻挡,沿龙门山断裂带产生应变能积累。当应变达到临界值,发生急剧的摩擦滑动,释放积累的应变能,产生汶川Ms8.0地震。汶川地震在龙门山断裂带不同地段,表现出不同的破裂特征和余震分布,可能与断层带的分段深部构造差异有关。     

隐伏断层在强震砂土液化中的作用——以2008年汶川Mw 7.9地震为例

2008年汶川Mw7.9地震的强地面震动在龙门山前地区造成大量的砂土液化、喷砂冒水等地震灾害现象。震后野外调查发现,砂土液化点主要分布于地下水位只有几米深的山前河流的低阶地处,以大面积砾性土液化为特征,约58%的液化点位于距北川断层20~35km的范围内。对喷水高度及喷水过程进行了详细记录,喷水高度与峰值加速度并没有明显的相关性,喷水高度异常点(2m)集中于山前断裂系统近地表投影处。汶川地震中喷水高度异常、砾性土液化的位置与山前断裂系统的吻合性说明,沉积盆地内的地质构造可能在砂土液化强度和与震动相关的地震灾害方面起到促进作用,所以在类似的地质和水文环境中,除主震的断层错动外,应考虑地质构造在地震危险性评估和建筑物抗震设计中的重要作用。