汶川地震区断层围陷波探测

对汶川地震区开展震后科考和断层围陷波探测,本文主要介绍平通镇断层围陷波探测及初步结果。平通镇处在汶川8．0级地震断层带正上方,地表破坏十分严重。该断层围陷波测线横跨断层,以地震探槽为大致中点,沿NW—SE方向两端延伸,测线长约400m。这次观测结果表明,在汶川8．0级地震的新破裂带中可以观测到断层围陷波,反映了断层带内外的介质在物理性质上有较大的差异。该测线记录的断层围陷波优势频率大约为3—4Hz。探槽附近的台站断层围陷波较强,初步推测,该地段地壳内断层的宽度大约有200m。     

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.     

铲形逆冲断层地震破裂动力学模型及其在汶川地震研究中的启示

2008年发生了汶川地震的龙门山断层带是典型的铲形逆冲断层带.利用二维线弹性有限元模型,得到关于铲形逆冲断层带一些具普适性的认识:(1)如果断层带强度不随深度变化,则地震从断层带转换层附近开始发动,破裂沿断层向上传播,当地震蓄积能量足够大时,破裂可以冲破到地表,如汶川地震.(2)一旦到达地表,其最大同震位错将位于断层带出露地表处;且在断层带介质弱化或损伤大致相同条件下,铲形断层倾角越缓,地表的同震位错量越大.(3)与最大同震位错位于地表不同,同震应变能释放最大处位于地壳内十几公里深处的断层带转换层附近.(4)在断层带介质软化或损伤度大致相同条件下,铲形断层倾角越缓,地震对震间期积累应变能的释放越多、范围越广,对地表近断层区域造成的破坏可能越大.(5)冲破到地表的逆冲型大地震会进一步增加铲形断层带下盘转换层以下(约在15~22 km)地壳深处和断层上盘距离断层地表出露点约十几公里处地壳浅部的应变能积累密度;汶川地震之后的余震分布,除了沿主破裂面附近的继续破裂外,也体现了以上地区应变能的继续释放.本文得到的这些认识有助于深入理解汶川地震的动力学机制.     

汶川8.0级地震地表破裂带宽度调查

根据汶川8.0级地震地表破裂带的实地调查,龙门山断裂带的中央断裂与前山断裂地表破裂带宽度自北向南一般<40m。在Ⅹ—Ⅺ度极震区,沿断裂延伸方向破裂带之上及其两侧,各类房屋建筑无论何种结构均绝大部分倒塌损毁。考虑到逆断层作用引起的"地壳缩短"以及各种不确定性,并结合以往历史强震地表破裂带的宽度统计,提出汶川8.0级地震灾后重建时,极震区地震断层两侧的"避让带"宽度为25m。在"避让带"之内,只能建造高于抗震设防标准的2层以下的建筑物,应明确禁止兴建学校、医院等公共建筑     

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。     

利用断层围陷波研究昆仑山口西8.1级地震破裂面

利用横跨地表破裂带的小点距的地震测线, 对2001年11月14日昆仑山口西8.1级地震进行了断层围陷波的观测实验. 经过数字滤波和频谱分析等技术, 由地震记录图中分离出了断层围陷波. 资料处理结果表明： ① 无论是人工地震震源还是天然地震震源, 只要位于断层带内或紧靠断层带, 均能激发断层围陷波; ② 断层围陷波的能量主要集中于断层带内, 其振幅随测点与断层带距离的增加而急剧衰减; ③ 断层围陷波的优势频率与断层的宽度及断层带内介质的速度有关, 断层带越宽, 或断层带内部介质速度越低, 则观测到的断层围陷波的优势频率越低; ④ 断层围陷波存在着频散现象; ⑤ 根据昆仑山口西地震测线断层围陷波的观测结果, 可推断该处破裂面宽度为300 m左右, 远远大于地表破裂带的宽度.     

断层围陷波观测和应用

断层围陷波的观测特点是利用密集的地震台阵,横跨断层布设测线。可以利用爆炸震源也可以利用余震进行观测,本文分别介绍了实际观测的例子。对大地震破裂带内部的观测,测线位置通常布设在地表破裂带明显、已开挖了地震探槽、断层陡坎出露等地震地质的典型地段。利用爆炸震源激发观测断层围陷波,震源位置应尽量选择在断层带上,震源炸药量大约500kg,测线位置与震源的距离大约5—15km。断层围陷波在新破裂带和老的断层中都能形成和传播,因此该方法可以用于大震破裂带研究,也可以用于城市活断层探测。     

昆仑山地震(M_w7.8)破裂行为、变形局部化特征及其构造内涵讨论

地震地表破裂是地壳弹性应变转化为永久性构造变形的表现形式.2001年昆仑山地震在东昆仑断裂带库赛湖段产生的地表破裂带整体长426km,由西部剪切走滑破裂段、中部张剪切破裂段和东部剪切走滑破裂段等3个相对独立的地表破裂段组成,即昆仑山地震由震级为Mw=6.8,Mw=6.2和Mw≤7.8的3次地震破裂事件组成,其中东段Mw≤7.8级地震为昆仑山地震主震,由4次更次级地震事件组成.野外测量表明,不同段落上单条地表破裂宽度一般介于数米至15m,最大不超过30m;组合地表破裂带的宽度主要取决于几何结构,特别是次级地表破裂带斜列区的宽度,具有变形局部化的基本特征.结合东昆仑断裂带第四纪地质速率与GPS监测应变速率一致性,2001年昆仑山地震地表破裂局部化特征说明,青藏高原北部巴颜喀拉与祁连-柴达木两大块体间的构造变形主要表现为东昆仑断裂带宽度有限的剪切走滑错动,东昆仑山断裂带南北两侧块体具有整体运动特征.地震破裂局部化特征对确定重大工程、居民住宅和生命线工程等免遭走滑断层同震地表错动引起直接破坏的避让带宽度具有十分重要现实意义.     

芦山地震断层的滑动分布与汶川地震断层的关系

本文利用2013年芦山M_S7.0级地震同震GPS数据反演了芦山断层几何与断层滑动分布,结果表明：芦山地震发震断层具有南陡北缓、上陡下缓的特征,低倾角的区域位于发震断层北段且靠近映秀断层的一侧;滑动分布模型的最大滑动量为0.82 m,其深度为13.67 km与小震发生集中平均深度12.5 km接近.我们选取1998-2014年龙门山断裂带区域地壳形变观测数据,拟合获得了龙门山断裂带走向方向上的速度分量,发现在汶川M_S8.0地震与芦山M_S7.0地震之间宽度约30 km破裂空区,龙门山断裂带西南段与东北段的形变分量以破裂空区为界方向相反.断裂带东北段（汶川地震主要发震断层）的形变分量方向与断层右旋走滑运动方向一致,而在断裂带西南段（芦山地震发震断层）的形变分量方向与断层左旋走滑运动方向一致.芦山地震走滑方向与汶川地震走滑方向相反是因为该断裂带构造运动在特有几何构造下受青藏高原东南向挤压,遇龙门山中段岩石圈楔状构造的阻挡,在汶川M_S8.0地震与芦山M_S7.0地震间的地震空区,形成了构造运动向其两侧分流的结果.

     

鲜水河断裂带南东段康定—色拉哈断裂的浅层地球物理勘探

活动断层不仅是产生地震的根源,而且地震时其断层线两侧的建筑物破坏最为严重。因此准确探测出活动断层的位置和分布范围,并采取有效的工程避让措施,可大大降低地震灾害和经济损失。康定—色拉哈断裂作为鲜水河断裂南东段的主干断裂,具备发生强震的地震地质构造条件,因此该断裂所穿越的几个城镇的地震危险性不容忽视。针对康定新城探测场区存在交通条件不便、场地工作面狭窄等问题,在浅层地震反射波法探测工作中采取小道间距、小偏移距、多道短排列接收和共反射点多次覆盖观测的工作方式获取地震反射时间剖面,浅层地震探测结果辅以高密度电阻率成像断面,并结合地表地震地质调查结果,共同揭示康定—色拉哈断裂在康定新城北侧的展布位置、产状规模和近地表构造形态。研究结果发现康定—色拉哈断裂在康定新城北东侧呈左旋右界羽列状展布,经过两岔口村折多河Ⅰ级阶地处该断裂隐伏段近地表倾角约40°～50°,其破碎带及其影响带宽度约110m,随着地形的升高,破碎带的视宽度进一步增加至200m左右,并沿断层垭口向木格措方向延伸展布。浅层地球物理探测成果为判定康定—色拉哈断裂近地表构造活动提供了可靠的地震学证据,也为康定新城的地震危险性评价和制定抗震防灾规划提供了可靠的基础资料。     

芦山MS7.0级地震余震序列重新定位及构造意义

利用四川省地震台网的震相数据和双差定位方法对芦山M_S7.0级地震及其余震序列进行了精确定位,根据余震分布确定了发震断层的位置和断层面的几何特征,并对余震活动进行了分析.结果显示,芦山M_S7.0级地震的震中位于30.28°N、102.99°E,震源深度为16.33 km.余震沿发震断层向主震两侧延伸,主要分布在长约32 km、宽约15~20 km、深度为5~24 km的范围内.地震破裂带朝西南方向扩展范围较大,东北方向略小,余震震级随时间迅速衰减.震源深度剖面清晰地显示出发震断层的逆冲破裂特征,推测发震断层为大川—双石断裂东侧约10 km的隐伏断层.该断层走向217°、倾向北西,倾角约45°,产状与大川—双石断裂相比略缓,它们同属龙门山前山断裂带的叠瓦状逆冲断层系.受发震断裂影响,部分余震沿大川—双石断裂分布,西北方向的余震延伸至宝兴杂岩体的东南缘,与汶川地震的破裂带之间存在50 km左右的地震空区,有可能成为未来发生强震的潜在危险区.     

2008年汶川MS8.0地震多断裂破裂的近地表同震滑移及滑移分解

为深入理解汶川地震破裂的构造运动机制,本文选取典型的观测点,利用多种地质地貌标志测绘分析得到了汶川M_S8.0地震发震断裂的近地表三维同震滑移矢量.结果显示,北川—映秀断裂上的白水河—高川破裂段北西盘沿88°方位角水平滑移2.58 m、垂直滑移3.70 m;安县—灌县断裂上的白鹿—汉旺破裂北西盘沿134°方位角水平滑移1.63 m,垂直滑移2.00 m;小鱼洞破裂带南西盘沿76°~79°方位角水平滑移2.15~2.71 m,垂直滑移1.36~1.51 m.平行的白水河—高川破裂段和白鹿—汉旺破裂段合计形成1.72 m右旋走滑和3.49 m垂直断裂带的NW向水平缩短,总滑移方向（106°）与断裂带整体走向（42°）呈64°夹角,整个龙门山推覆构造带处于斜向挤压的构造环境.结合震源过程反演成果的分析显示,斜滑的白水河—高川破裂段和逆冲型白鹿—汉旺破裂段可能是在汶川地震中最大的一次子事件过程以滑移分解的形式而同时破裂形成的,滑移分解作用使两条断裂以斜滑与逆冲组合的力学性质产生破裂而非相同性质的斜滑破裂.小鱼洞破裂以低角度斜滑为主,可能是安县—灌县断裂与北川—映秀断裂以滑移分解形式同时破裂的纽带.小鱼洞断裂是龙门山断裂带长期处于斜向挤压的构造环境的产物,不只是逆冲断裂系中的捩断层.     

ESTIMATING THE WENCHUAN EARTHQUAKE RUPTURE PROCESS USING NEAR FIELD STRONG MOTION RECORDS AND COSEISMIC DISPLACEMENTS

Based on the extensive near field broadband strong-motion records with uniform azimuthal coverage and coseismic displacements, the rupture process of 2008 Wenchuan earthquake is inversed by the non-negative least square method and multiple-time window technique. The possible rupture sequence among southern Beichuan Fault, Pengguan Fault and Xiaoyudong Fault and the initial rupture time of high dip angle part of southern Beichuan Fault are analyzed from kinetic aspects, which have been seldom focused on. The results indicate that:(1) The near field waveform fitting residuals and the coseismic displacements show that only a bilateral rupture occurs on the intersection between the southern Beichuan Fault and Xiaoyudong Fault can the synthetic records of the stations located near the southwestern end of the Beichuan Fault conform to the observed ones, and meanwhile, the Pengguan fault cannot generate large slips on its southwestern part. The possible rupture sequence is that the earthquake started at the low dip angle part of Beichuan Fault and propagates to the Pengguan Fault in the shallow area, the Xiaoyudong Fault is triggered by the Pengguan Fault, and then producing bilateral rupture on the high dip angle part of Beichuan Fault at the intersection with the Xiaoyudong Fault. (2) Through analysis of the synthetic second packet records of stations at the southwest area of the fault, we obtain the initial rupture time on the high dip angle part of Beichuan Fault may have a 8s stagnation. In terms of timing, there may be rupture sequence between the southern Beichuan Fault and Pengguan Fault which are parallel to each other. The rupture of the southern shallow part of Beichuan Fault with high dip angle may lag behind the Pengguan Fault. At the same time, there may be a multipoint rupture in the southern section of the Beichuan Fault. (3) There is a good correspondence between the area on the fault with larger slip rate and the surrounding stations with larger PGV. In areas where slip rate on the fault plane is large, the stations tend to have larger peak ground velocities.     

龙门山断裂带北段深部结构与反射地震特征

2008年5月12日汶川M_W7.9特大地震发生在龙门山断裂带,龙门山断裂带深部结构的复杂性制约了地震的破裂过程.通过对研究区区域地质、汶川地震前后采集的地震反射剖面等研究,在对龙门山北段汶川地震断裂带的深部结构和反射地震特征进行了分析的基础上,探讨了它对地表破裂过程的制约.研究结果表明,在地震剖面上,断裂带表现为能量破碎、联系性差;频率剖面上显示整体剖面频率在5~45 Hz,断裂带呈现频率低（15~26 Hz）等特征.龙门山北段映秀—北川断裂在10 km以上是一条倾向北西的高角度走滑兼逆冲性质的断裂,倾角50°~70°.它分割了西侧的轿子顶杂岩和东侧的唐王寨推覆体,错断了早期形成的逆冲岩片,从南到北总位移量由大变小.它高角度的几何形态约束了断裂以走滑为主兼逆冲分量的运动性质,降低了地表滑移量,影响了地震破裂过程以及余震沿断裂带两侧分布的特性.

     

龙门山断裂带多参数深部结构成像与地震成因研究

通过反演大量的纵、横波地震数据,获得了沿龙门山断裂带及周边区域的深部三维精细结构,结合前人二维大地电磁探测研究成果,提出龙门山断裂带地壳形变与深部速度结构和导电率不均匀性有关,探讨了2008年汶川和2013年芦山地震的诱发和产生与流体侵入及地壳形变的密切关系.本研究发现,2008年汶川地震发生在高速度、高泊松比和低电导率的区域,2013年芦山地震则位于高速度、低泊松比和低电导率的发震层.在上地壳中,四川前陆盆地的低速、低泊松比和低阻异常与松潘—甘孜地块的高速、高泊松比和高阻异常形成了鲜明的对比.在龙门山断裂带下方的两个低速和低阻块体,将龙门山断裂带分成南、中和北三段.我们的研究认为,这两个异常体与来自松潘甘孜地块的下地壳和（或）上地幔的局部熔融或流体侵入到龙门山断裂带的脆弱区有关.基于对汶川和芦山地震的余震分布特征及震源区的地震波速度、泊松比及电阻率参数分析,揭示了龙门山断裂带深部剧烈的地壳形变与流体应力积累对2008年汶川和2013年芦山地震的触发及其地震破裂过程具有重要的控制作用.

     

隐伏正断层错动致地表破裂变形特征的研究

通过建立三维计算模型,对隐伏正断层在均匀错动、倾斜错动和翘倾错动方式下地表土体的应力路径、破裂和变形特征进行了研究。根据地表破裂临界值,分析了工程建设“避让带”的宽度和起始位置的变化特征。根据行业规范,提出工程建设“关注带”的确定方法,分析了“关注带”的宽度和起始位置的变化特征,得到以下主要结论:①在断层错动过程中,位于两侧的地表土体应力路径变化明显不同,下盘一侧和上盘一侧分别以三轴拉伸和三轴压缩为主;②地表强变形带与地表破裂带的分布并不一致,需要综合考虑等效塑性应变和总位移比2个指标来评价同震地表错动对建筑物的影响;③当隐伏断层错动的垂直位移达到3m时,工程建设“避让带”的宽度在10—90m范围内变化,受上覆土体厚度和断层倾角的影响最大,而工程建设“关注带”的宽度在150—400m范围内变化,受上覆土体的性质影响最大。     

1954年山丹71/4级地震的孕震构造和发震机制探讨

龙首山断裂带位于青藏高原向北东推挤的最前缘,是河西走廊与阿拉善地块之间的分界断裂之一.虽然观测精度有限,1954年发生在该断裂带上的7_1/4级地震是该断裂上少有的有现代地震观测和记录的大地震.本次地震仅在龙首山北缘断裂带两个次级断裂段之间的一条转换断层上形成了长7 km左右的连续地震地表破裂带,以北西向右旋兼正断为主要特征,这与区域上近东西向左旋逆断构造运动特征差异较大.经过多次野外调查和地质填图,发现在主断层上没有形成地震地表破裂带,而地震震害的分布又完全受龙首山南北两条断裂所围限,说明地震的孕震可能与龙首山断裂带主断裂有关,转换断层上的地表破裂仅为局部的应力释放.利用震源机制解资料,通过静态库仑应力变化模拟可以看到,如果主震发生在南缘断裂上,对地表破裂有显著的触发作用.综合考虑北缘断层可能存在的动态触发作用,说明目前所见地表破裂是龙首山断裂带主断裂地震的同震响应.小震精定位也显示,龙首山南北两侧的断裂在约10 km范围内形成一狭窄的倒三角形,并有向北扩展的趋势.     

汶川MS 8.0地震地表破裂带

2008年5月12日14时28分4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中的映秀-北川断裂。该次地震的地表破裂可分成2条,分别出现在龙门山断裂带中的映秀-北川断裂、彭县-灌县断裂上,前者破裂长度约200km,后者破裂长度约80km。本次地震的最大垂直和右旋水平同震位移出现在都江堰市虹口乡附近的映秀-北川断裂上,分别为(5±0.2)m和(4.8±0.2)m。破裂带南段出露的地表断层产状为N32°E/NW∠76°,其上的侧伏角为S75°～80°W,反映了该次地震在南段以逆冲运动为主,兼有少量的右旋走滑分量     

隐伏逆断层破裂扩展特征的实验研究及其地震地质意义

通过模拟实验研究了逆断层活动过程中上覆沉积层的破裂扩展特征,采用投影条纹测试方法分析了沉积层表面离面(即垂直)位移场的演化过程。结果表明,在沉积层厚度和断层倾角一定的条件下,基岩中的逆断层逐渐向上扩展,并在沉积层表面围绕基岩断层上断点的投影线形成一个离面位移梯度带(即形变带),基岩断层的位移越大,沉积层中的形变带越宽、变形越强烈;但当断层扩展至沉积层表面后,形变带宽度将保持稳定,只是变形随断层位移增加而更集中。对于同样的基岩断层位移和断层倾角,沉积层厚度越大,受基岩断层控制的形变带越宽,即基岩断层的影响范围越大;当沉积层厚度超过某一临界值时,沉积层中会发育因隆起引起的表面拉张破裂。在沉积层厚度和基岩断层位移量一定的情况下,基岩断层倾角的增加将会使表面形变带的宽度减小,但会使变形破坏程度更强烈。实验结果意味着,临界断层位移、临界沉积层厚度以及断层倾角对于确定隐伏逆断层发震产生的地表变形和破坏特征具有重要意义。文中的研究结果有助于进一步认识汶川MS8.0地震的地表变形特征