汶川地震区的流变结构与发震高角度逆断层滑动的力学条件

本文利用龙门山地区的地质、地球物理剖面、弹性波速和流变实验数据等,建立了汶川地震相关构造单元的地壳流变结构.川西高原和龙门山构造带的地壳流变结构中存在多个塑性流变层,而四川盆地地壳基本没有出现塑性流变层,这种复杂的流变结构是汶川地震孕育和发生的基础.岩石破裂-黏滑-摩擦实验表明,以二长花岗岩为代表的震源区岩石具有很高的破裂强度和摩擦强度,能够承受极大的差应力和积累巨大的能量,这是高角度逆断层能够滑动和汶川地震强度大的原因之一.高流体压力是高角度逆断层滑动和触发汶川地震的另一个必要条件,而龙门山断层带内可能存在这种比较高的流体压力.     

基于龙门山断裂带中段平行逆断层格局 和动力学背景的特征地震数值模拟实验

本文构建一种应用有限元开展特征地震数值模拟的新方法, 并以龙门山断裂带中段的浅层构造和动力学机制为背景, 研究了平行逆冲断层分布格局对区域地震活动性的影响. 结果表明, 从断层活动相互影响的角度看, 包含3条平行逆断层的断裂带的整体地震活动性并不适用严格周期的特征地震模型, 当断层间距在20 km以下时, 随着断层间距的缩短, 对单条断层应用特征地震模型的适用性会逐渐降低. 龙门山断裂带中段的模拟计算结果显示, 后山断裂的地震活动相对独立, 区域活动性和中央断裂的断层活动很可能不适用严格周期的特征地震模型.      

龙门山断层脆-塑性转化带流变结构与汶川地震孕震机制

汶川地震发震断层为高角度逆断层,这种断层滑动和发生强震需要断层深部具备特殊的力学条件。发震断层地区地表出露若干韧性剪切带,其中不同类型石英变形具有不同的变形温度。细粒糜棱岩中的石英表现为高温位错蠕变,变形温度为500~700℃;含残斑初糜棱岩中的石英表现为中温位错蠕变,其变形温度为400~500℃;早期石英脉中的石英表现为低温位错蠕变,变形温度为280~400℃;晚期石英脉以碎裂变形为主,其变形温度为150~250℃。石英的这些变形特征显示出断层带经历了多期脆-塑性转化。根据糜棱岩中的重结晶石英的粒度估计的断层塑性流动应力为15~80MPa。石英和长石内的微量水以晶体缺陷水、颗粒边界水和流体包裹体水的形式存在,水含量随岩石的应变增加而升高,变化范围为0.01~0.15wt%。断层脆-塑性转化带内石英含有大量与裂隙愈合相关的次生流体包裹体,其捕获温度为330~350℃,流体压力为70~405MPa,估计的流体压力系数为0.16~0.9,代表强震发生后,断层带内产生的大量微裂隙逐渐愈合过程中的流体特征。在考虑断层带流体压力和应变速率变化条件下,利用石英流变参数建立了从间震期到地震成核阶段断层脆-塑性转化带流变结构和震后快速蠕滑阶段断层脆-塑性转化带流变结构。结果表明,在间震期、地震成核阶段、震后快速滑动阶段,断层强度和脆-塑性转化深度随应变速率和流体压力变化而变化,且脆-塑性转化特征与石英的变形机制、断层速度弱化和强化转化深度、汶川地震震源深度等吻合,显示映秀-北川断层具备摩擦滑动速度弱化和地震成核的基础,而断层带内存在高压流体可能是触发高角度逆断层滑动和汶川地震发生的主要机制。     

对龙门山中生代和新生代构造演化的讨论

5．12汶川大地震是在无任何征兆的情况下发生的,这表明龙门山构造带现今的应力与应变场以及在历史中形成的构造格架极为复杂．龙门山构造格架先是形成于太平洋和特提斯两大构造域在中生代的相互作用,后又作为青藏高原的东边界协调青藏高原的隆升和水平生长,其现今的地质地貌格局就形成于这两构造事件的叠加作用．在晚三叠世,扬子西缘发生陆内汇聚作用,在川西形成龙门山构造带,并导致四川前陆盆地的形成,龙门山与四川前陆盆地表现出典型的盆山耦合关系．然而,在中生代大部分时间里,松潘-甘孜构造带与扬子地块表现出截然不同的造山极性．扬子地块沿一系列左行走滑断裂持续发生顺时针旋转,并主要在四川盆地发育一套河湖相沉积,而松潘-甘孜构造带则以大规模北东．南西向挤压缩短为特征,并发生整体抬升．在新生代大部分时间里,龙门山和四川盆地对青藏高原的生长和抬升并没有表现出强烈的构造和沉积响应．在地壳表面水平变形速率很低的背景下,现今的龙门山却呈现出非常年轻的高峻地貌特征,其地形梯度之大甚至超过喜马拉雅山．由此可以推测青藏高原与四川盆地之间的汇聚作用可能发生在地壳深部,可能受下地壳流动的控制．晚新生代时期发源于青藏高原东缘的岷江在龙门山山前突然卸载了大量的洪积物,充填在成都平原内,是气候还是构造成因？对此存在不同的认识．汶川大地震引发了大面积的滑坡、泥石流和河流的堰塞,这些地质灾害给我们的启示是：成都平原的砾石沉积可能有相当一部分与地质历史中大地震引发的洪水有关,其中最著名的是大邑砾岩．在大邑砾岩之下还存在一套沉积特征截然不同的砾岩,其年龄可能是晚中新世（8～13Ma）,这些砾岩连同上覆的大邑砾岩和下伏?     

龙门山断裂带地壳精细结构与汶川地震发震机理

利用2001年1月至2008年6月四川固定地震台网和临时地震台站记录到的大量P波到时资料,反演了龙门山断裂带及周边地区的地壳精细三维P波速度模型. 结果表明,汶川主震以北和以南地区的结构存在较大差异,以北地区的龙门山断裂带具有很强地壳不均匀性,这与该区发生了大量汶川地震的余震相一致. 这些结果有意义地改进了前人对龙门山断裂带仅为不同块体过渡带的认识. 汶川主震震源区下方存在有明显低波速异常体,表明流体可能存在于龙门山断裂带内. 这些流体可能直接影响汶川大震的形成. 本文的成像结果为下地壳流沿龙门山断裂带上浸提供了可靠的地震学证据.     

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。     

2008年汶川8.0级地震前横跨龙门山断裂带的震间形变

利用区域GPS和水准测量资料,结合地震构造背景的分析,本文研究2008年汶川8.0级地震前横跨龙门山断裂带地区的震间地壳形变,探讨引起这种形变的活动构造与动力学模式,并由此认识汶川地震的孕育与成因机制.主要结果表明：1997～2007年期间,自龙门山断裂带中段朝北西约230 km的地带内存在垂直于断裂的水平缩短变形、以及平行于断裂的水平右旋剪切变形,缩短率为1.3×10-8/a （即：0.013 mm/km/a）,角变形速率为2.6×10-8/a;同一地带在1975～1997年期间还表现出垂直上隆变形,上隆速率在龙门山前山断裂与中央断裂之间仅0.6 mm/a,而至龙门山后山断裂及其以西达2～3 mm/a.这些反映了在汶川地震之前至少10～30余年,龙门山断裂带中段的前山与中央断裂业已闭锁、并伴有应变积累.造成这种形变的主要原因是：以壳内的低速层为“解耦”带,巴颜喀拉地块上地壳朝南东的水平运动在四川盆地西缘受到华南地块的阻挡、转换成龙门山断裂带中段的逆冲运动;由于该断裂段的震间闭锁,致使西侧的巴颜喀拉地块的上地壳发生横向缩短以及平行断裂的右旋剪切变形.然而,龙门山断裂带北段在1997～2007年期间除了有大约0.9 mm/a的右旋剪切变形外,横向的缩短变形极微弱,这可能与该断裂段西侧的岷江、虎牙、龙日坝等断裂带吸收了巴颜喀拉地块朝东水平运动的大部分有关.另外,汶川地震前,横跨龙门山断裂带中段与北段的地壳形变特征的差异,与汶川地震时能量释放的空间分布吻合.     

龙门山断裂带中上地壳速度结构的短周期环境噪声成像

本文利用在龙门山断裂带周边布设的57个台站自2008年11月至2009年11月为期一年的垂直分量连续地震环境噪声数据,通过短周期地震环境噪声成像方法,获得了龙门山断裂带中北段地壳25 km深度范围的S波精细速度结构.结果表明: (1)龙门山断裂带周边区域10 km以上的速度结构与地表断裂的分布形态具有良好的一致性,速度结构控制了龙门山主要断层的深部延展特征;在15 km及以下深度,S波速度结构呈现沿龙门山和沿岷山隆起走向的交叉构造格局,由此造成的速度结构差异可能影响了汶川地震的破裂过程; (2)速度结构随深度的分布特征为龙门山断裂带主要断层的深部延伸形态给出了良好的约束,结果进一步确认了龙门山断裂中段的高角度铲型断裂构造特征; (3)研究区的南端发现了龙门山断裂下方20 km以下深度具有与松潘地块中地壳低速层相关的低速结构的迹象,这可能是汶川地震破裂带南段22 km左右深度存在脆韧转换带的一个证据.研究结果显示出密集台阵和短周期环境噪声成像方法在地壳浅部精细结构和断层探测研究中具有巨大潜力.     

龙门山断裂带地壳密度结构

研究龙门山及邻区地壳密度结构对于认识该地区地震活动性具有重要意义.根据龙门山及邻区( 100°～105°E,28°～33°N)的布格重力异常资料,选取了跨越龙门山断裂带的6条重力测线,在深地震测深资料约束下,使用Geosoft软件分别反演出了龙门山地区地下的沉积层、康拉德界面和莫霍面的深度分布.研究结果表明:龙门山断裂带两侧的地壳结构明显不同,西面高原地区沉积层较薄,大部分为基岩出露;而东边盆地沉积层明显较厚,多在6km以上.莫霍面和康拉德面在两侧均相对平缓,康拉德面从东部的大约24km增加到青藏高原山区的35km左右;莫霍面深度从东部盆地的大约42km增加到西部青藏高原的67km左右.龙门山断裂带整体表现为一条近SN向的陡变重力梯度带,并在其地壳内各界面均发生错断,莫霍面和康拉德面错断距离分别达6 ～ 7km和3～ 5km.该区地壳的这种陡变和不均匀性是导致地震活动性强烈的主要原因之一.     

龙门山断层的造山机制

龙门山断层的抬升模式过去主要有由下部地壳的流动(Lower crustal channel flow,LCCF)模式与脆性地壳的增厚(Brittle crustal thickening)的变形模式。2008年汶川地震后,一般认为它是源自在浅部由压缩性断层所导致的造山运动,这应无疑义,但深部是否为由LCCF引发的浅部压缩性断层模式或仅为薄壳构造所引起仍有待证实。     

龙门山断裂带精细速度结构的双差层析成像研究

利用川西流动地震台阵、汶川地震震后应急台网记录到的P波到时资料,对2008年5月至2008年10月期间发生的汶川地震余震序列应用双差层析成像方法进行了地震震源和三维P波速度结构的联合反演.结果显示,联合反演获得的地震重定位结果与基于一维地壳参考模型的双差定位方法结果相近;研究区15 km以上速度结构与地表断裂分布密切相关,20 km以下深度呈现北东向和北西向交错结构.汶川地震破裂带南段龙门山断裂带之间上地壳呈现高速异常,速度结构的非均匀变化是控制余震分布和主震破裂传播的主要因素;联合反演结果给出了小鱼洞—理县方向存在隐伏断裂的速度结构证据,同时发现,破裂带北东段可能沿新发断裂扩展;结果确认了汶川地震起始段的高角度逆冲断裂特征,也确认了前山断裂和中央断裂在约20 km深度合并到脆韧转换带的特征.     

龙门山断裂带及邻区小震活动的远震动态触发特征

强震发生后,在相距较远(远大于强震破裂尺度)的地区出现小地震活动增强现象,且明显高于区域背景地震活动水平,称为动态地震触发现象.此现象于1992年兰德斯7.3级地震后首次发现,随后在全球范围内得到验证.     

High-velocity frictional behavior of Longmenshan fault gouge from Hongkou outcrop and its implications for dynamic weakening of fault during the 2008 Wenchuan earthquake

High-velocity friction experiments were conducted on clayey fault gouge collected from Hongkou outcrop of Beichuan fault,located at the southwestern part of Longmenshan fault system that caused the disastrous 2008 Wenchuan earthquake.The ultimate purpose of this study is to reproduce this earthquake by modeling based on measured frictional properties.Dry gouge of about 1 mm in thickness was deformed dry at slip rates of 0.01 to 1.3 m/s and at normal stresses of 0.61 to 3.04 MPa,using a rotary-shear high-...     

龙门山断裂带及其周边地区重力场 和岩石层力学特性研究

继2008年汶川M_S8.0地震之后, 2013年4月20日又发生了芦山M_S7.0地震, 两次地震的发震构造同属龙门山断裂带. 根据最新的重力和地形资料, 采用岩石层弹性板模型, 计算了龙门山断裂带及其周边地区的二维岩石层有效弹性厚度分布, 并从岩石层的力学特征分析了穿过两次地震震中位置的重力剖面特征; 结合以往在该地区的研究成果, 分析了岩石层的力学变形问题. 结果表明, 以龙门山为界, 四川盆地所在的扬子板块弹性厚度为33(±4) km, 龙门山西北的松潘—甘孜地块的弹性厚度为13(±4) km, 两侧岩石层存在明显的力学强度差异. 包括两次地震震中范围的龙门山断裂带南部区域的有效弹性厚度值小于北部地区, 说明该区域的岩石层更容易发生变形, 可以解释在构造上具备强震发生的岩石层动力学条件.     

Internal structures and high-velocity frictional properties of Longmenshan fault zone at Shenxigou activated during the 2008 Wenchuan earthquake

This paper reports internal structures of a wide fault zone at Shenxigou, Dujiangyan, Sichuan province, China, and high-velocity frictional properties of the fault gouge collected near the coseismic slip zone during the 2008 Wenchuan earthquake. Vertical offset and horizontal displacement at the trench site were 2.8 m (NW side up) and 4.8 m (right-lateral), respectively. The fault zone formed in Triassic sandstone, siltstone, and shale about 500 m away from the Yingxiu-Beichuan fault, a major fault in the Longmenshan fault system. A trench survey across the coseismic fault, and observations of outcrops and drill cores down to a depth of 57 m revealed that the fault zone consists of fault gouge and fault breccia of about 0.5 and 250–300 m in widths, respectively, and that the fault strikes N62°E and dips 68° to NW. Quaternary conglomerates were recovered beneath the fault in the drilling, so that the fault moved at least 55 m along the coseismic slip zone, experiencing about 18 events of similar sizes. The fault core is composed of grayish gouge (GG) and blackish gouge (BG) with very complex slip-zone structures. BG contains low-crystalline graphite of about 30 %. High-velocity friction experiments were conducted at normal stresses of 0.6–2.1 MPa and slip rates of 0.1–2.1 m/s. Both GG and BG exhibit dramatic slip weakening at constant high slip rates that can be described as an exponential decay from peak friction coefficient μ _p to steady-state friction coefficient μ _ss over a slip-weakening distance D _c. Deformation of GG and BG is characterized by overlapped slip-zone structures and development of sharp slickenside surfaces, respectively. Comparison of our data with those reported for other outcrops indicates that the high-velocity frictional properties of the Longmenshan fault zones are quite uniform and the high-velocity weakening must have promoted dynamic rupture propagation during the Wenchuan earthquake.     

Mesozoic and Cenozoic tectonic evolution of the Longmenshan fault belt

The giant earthquake (M _s=8.0) in Wenchuan on May 12, 2008 was triggered by oblique convergence between the Tibetan Plateau and the South China along the Longmenshan fault belt. The Longmenshan fault belt marks an important component of the tectonic and geomorphological boundary between the eastern and western part of China and has a protracted tectonic history. It was first formed as an intracontinental transfer fault, patitioning the differential deformation between the Pacific and Tethys tectonic domains, initiated in late Paleozoic-early Mesozoic time, then served as the eastern boundary of the Tibetan Plateau to accommodate the growth of the plateau in Cenozoic. Its current geological and geomorphological frameworks are the result of superimposition of these two tectonic events. In Late Triassic, the Longmenshan underwent left-slip oblique NW-SE shortening due to the clockwise rotation of the Yangtze Block, which led to the flexural subsidence of the Sichuan foreland basin, but after that, the subsidence of the Sichuan Basin seems no longer controlled by the tectonic activity of the Longmenshan fault belt. The Meosozoic tectonic evolution of the Songpan-Ganzi fold belt differs significantly compared with that of the Yangtze Platform, featured by intensive northeast and southwest shortening and resulted in the close of the Paleo-Tethys. Aerial photos taken immediately after main shock of the giant May 12, 2008 earthquake have documented extensive rock fall and landslides that represent one of the most destructive aspects of the earthquake. Both rock avalanches and landslides delivered a huge volume of debris into the middle part of the Minjiang River, and formed many dammed lakes. Breaching of these natural dams can be catastrophic, as occurred in the Diexi area along the upstream of the Minjiang River in the year of 1933 that led to devastating floodings. The resultant flood following the breaching of these dams flowed through and out of the Longmenshan belt into the Chengdu Plain, bringing a huge volume of sediments. The oldest alluvial deposits within the Chengdu Plain are estimated to be Late Miocene (8–13 Ma). We suggest that the flooding that transported the course-grained sediments into the Chengdu Plain occurred in late Cenozoic, resulted from both the climate and the historical earthquakes similar to the May 12 earthquake. Estimated age of the sediments related to earthquakes and coeval shortening across the Chengdu Plain indicate that the eastern margin of the plateau became seismically and tectonically active in Late Miocene. Supported by Knowledge Innovation Project of Chinese Academy of Sciences (Grant No. KZCX2-YW-12), National Natural Science Foundation of China (Grant Nos. 40672151, 40721003, 40472121 and 40830314) and PetroChina Company Limited     

龙门山和鲜水河断裂带对区域构造加载作用的动态响应

为了研究汶川地震和鲜水河断裂带上的地震之间是否有触发作用及区域构造加载作用在这些地震发生过程中对应力场的影响.我们以汶川地震和鲜水河断裂带所在区域上的共7次地震为研究对象,区域构造加载作用由GPS速度边界近似,用分裂节点技术模拟上地壳地震的发生,并采用三维黏弹性有限元方法,模拟库仑应力的演化.研究结果表明:鲜水河断裂带上的地震震前积累的库仑应力的17%~38%来自区域构造加载的持续作用,其他的地震形变引起的库仑应力的积累约占49%~67%,故地震触发作用明显(除1948年理塘地震和1973年炉霍地震外);而汶川地震震前1893—1981年发生的地震释放了该区部分库仑应力,不可能对汶川地震有触发作用.汶川地震的库仑应力积累可能主要来自区域构造加载作用,地震发生以后几乎释放了所在区域的所有库仑应力,形成新的格局.     

Internal structure of Longmenshan fault zone at Hongkou outcrop,Sichuan, China,that caused the 2008 Wenchuan earthquake

This paper reports the internal structures of the Beichuan fault zone of Longmenshan fault system that caused the 2008 Wenchuan earthquake, at an outcrop in Hongkou, Sichuan province, China. Present work is a part of comprehensive project of Institute of Geology, China Earthquake Administration, trying to understand deformation processes in Longmenshan fault zones and eventually to reproduce Wenchuan earthquake by modeling based on measured mechanical and transport properties. Outcrop studies could be integrated with those performed on samples recovered from fault zone drilling, during the Wenchuan Earthquake Fault Scientific Drilling (WFSD) Project, to understand along-fault and depth variation of fault zone properties. The hanging wall side of the fault zone consists of weakly-foliated, clayey fault gouge of about 1 m in width and of several fault breccia zones of 30–40 m in total width. We could not find any pseudotachylite at this outcrop. Displacement during the Wenchuan earthquake is highly localized within the fault gouge layer along narrower slipping-zones of about 10 to 20 mm in width. This is an important constraint for analyzing thermal pressurization, an important dynamic weakening mechanism of faults. Overlapping patterns of striations on slickenside surface suggest that seismic slip at a given time occurred in even narrower zone of a few to several millimeters, so that localization of deformation must have occurred within a slipping zone during coseismic fault motion. Fault breccia zones are bounded by thin black gouge layers containing amorphous carbon. Fault gouge contains illite and chlorite minerals, but not smectite. Clayey fault gouge next to coseismic slipping zone also contains amorphous carbon and small amounts of graphite. The structural observations and mineralogical data obtained from outcrop exposures of the fault zone of the Wenchuan earthquake can be compared with those obtained from the WFSD-1 and WFSD-2 boreholes, which have been drilled very close to the Hongkou outcrop. The presence of carbon and graphite, observed next to the slipping-zone, may affect the mechanical properties of the fault and also provide useful information about coseismic chemical changes.