世界上最快回应大地震的汶川地震断裂带科学钻探

2008年5月12日汶川大地震之后,在青藏高原东缘龙门山地区实施了汶川地震断裂带科学钻探,这是目前世界上最快回应大地震的科学钻探,为地学家探索地震成因机制提供了极好的机遇.汶川地震断裂带科学钻探工程（WFSD）沿产生同震地表破裂的两条断裂带——龙门山的映秀—北川断裂和灌县—安县断裂共实施了6口科学群钻.其目标在于对钻孔的岩心、岩屑和流体样品进行多学科观察、测试和研究,揭示汶川地震断裂带的深部物质组成、结构、产出以及构造属性;探索地震过程中的岩石物理和化学行为、能量状态与破裂演化过程;认识汶川地震发生的应力环境、巨大的地震破裂产生及传播原因、地下流体在地震的孕育、发生、停止过程中的作用,从而检验和深入理解地震断裂发震机理.目前,汶川科钻项目已取得的部分重要成果如下：（1）查明了汶川地震断裂带结构、组成;（2）揭示了汶川地震过程中"热增压"为重要断裂弱化机制,提出断裂带内石墨可作为判断大地震发生的标志;（3）发现目前世界上最低的断层摩擦系数,并首次记录到大震后断裂带快速愈合信息;（4）重建龙门山的构造格架,提出汶川大地震发生的新的成因模式;（5）通过对汶川地震余震的精确定位、钻孔附近的地震台阵观测,确定了地震活动与龙门山断裂带不同区段的空间关系;揭示断裂带深部流体特征与地震活动的关系,为确定大震孕育过程提供深部流体活动行为的科学依据.     

汶川地震断裂带科学钻探WFSD-1孔成像测井岩心空间归位

2008年汶川大地震发生后,我国迅速实施了汶川地震断裂带科学钻探项目(WFSD).钻井取心是研究地下情况的直接资料,但取心时通常采用非定向取心技术,缺少准确的深度和方位信息,需要利用测井资料对其进行深度和方向的还原,即岩心空间归位.针对汶川地震断裂带科学钻探项目一号孔(WFSD-1孔),利用成像-岩心扫描图像综合处理软件(CCSDLogCore)精确和直观的完成了2055块岩心图像的空间归位.对归位成果进行了分析,发现随着钻孔深度的增加,岩心深度误差增大,说明了归位结果符合实际情况,为下一步地质构造分析奠定了基础,文章还总结了归位过程中遇到的问题并提出了建议.     

芦山M_S7.0级地震与龙门山断裂带的活动性

2013年4月20日四川省芦山县发生了MS7.0级强烈地震,该地震的发生与龙门山断裂带的活动有直接关系。通过研究龙门山断裂带及周边区域的形变监测资料,得出：龙门山断裂带的活动趋势取决于巴颜喀拉块体与四川盆地的相对运动,而其运动的主要动力来自青藏高原和上扬子克拉通地块的推挤。结合发震区域地质构造和地壳形变观测数据分析结果,论述此次地震与龙门山断裂带的活动关系,并提出未来5年重点监视区域。     

龙门山断裂带重力变化与汶川8.0级地震关系研究

利用成都地区1996~2008年绝对重力和相对重力观测资料获得区域重力场时空动态变化结果,系统分析了龙门山断裂带重力场变化特征及其与汶川8.0级地震的关系.①重力变化与龙门山断裂构造活动存在密切空间联系,重力测量较好地反映了伴随活动断层的物质迁移和构造变形引起的地表重力变化效应.②成都地区重力场动态图像较完整地反映了2008年5月12日汶川8.0级地震孕育、发生过程中出现的流动重力前兆信息.③映秀及北川重力点值时序变化累积量达120×10^-8m·s^-2,较好地反映了汶川地震前映秀和北川两个极震区附近的重力测点随时间的剧烈波动性上升变化.④汶川地震前,龙门山断裂带东侧的四川盆地相对稳定,而较显著的重力变化发生在龙门山断裂带西侧的川西高原上.     

汶川8.0级地震前龙门山断裂带孕震构造运动特征分析

根据弹性回跳理论,利用1999至2007年相对中国大陆的三期GPS水平运动速度场资料,着重对每一期跨龙门山断裂带的GPS站点运动速度,在平行龙门山断裂带上的投影速度进行计算,在此基础上,以图示和幂函数拟合方式,分析了龙门山断裂带两侧地面相对运动变形情况。结果显示:汶川8.0级地震前龙门山断裂带两侧地面相对运动出现了右旋剪切运动,且这种右旋剪切运动受阻于龙门山断裂带。这对于识别判定孕震弹性应变能积累变形异常,进而开展地震预测与研究具有积极意义。     

龙门山断裂带晚第四纪活动性分段的初步研究

NE向展布于松潘-甘孜造山带与扬子陆块之间的龙门山断裂带,是由后山断裂等4条主干断裂及其控制的冲断构造岩片组成的具前展式发育特点的推覆构造带。它形成于印支运动,此后多次活动,第四纪以来活动强烈,但不同地段活动程度具有明显的非均一性。根据地貌、地质构造、布格重力异常和地震活动等资料的综合分析研究认为:1)以位于虎牙—北川—安县一线的近SN向虎牙断裂和擂东断裂为界划分出断裂带西南段和东北段,其活动性迥然不同,西南段晚更新世以来活动强烈,中小地震频繁;东北段第四纪活动微弱,仅偶有小震分布。2)在青藏高原被挤压隆升和块体侧向滑移的作用下,川青地块向SEE滑动,使它东缘发育的岷山隆起与被其截切的龙门山断裂带西南段一起构成了川青地块东部的活动边界,而龙门山断裂带东北段则被遗弃     

地震活动时空演化中看到的龙门山断裂带地震孕育的几个现象

龙门山断裂带在先后5年中发生了2008年汶川M S8强震和2013芦山M S7强震。研究龙门山断裂的地震活动特点,分析地震发展形势成为人们关注的焦点。文中从龙门山断裂带40多年的地震时空演化出发探讨了汶川地震孕育过程中的几个现象:1)孕震范围远小于发震范围,说明在有限断层段上孕育的地震在快速失稳过程中可以连接和扩展成规模很大的失稳断层;2)汶川地震前孕震区小震密集,持续了8年以上,而无明显错动和变形,意味着汶川断层段可能经历了强烈的碎裂方式的挤压应变,在碎裂达到一定程度后失稳;3)为进一步了解震前主震区附近的变化,研究了紫坪铺水库专用台网记录的2004年以来主震附近区域的小震活动的时空过程。结果显示,震前主震附近区域的地震活动曾在2005年10月和2006年10月发生过2次沿断层走向的扩展,扩展时间恰巧与紫坪铺水库2次高水位相呼应。其中,2006年10月地震活动的扩展范围大,震级高。这对说明汶川地震最后的失稳过程十分重要。此外,文中还讨论了汶川地震的发生过程与断层几何相关以及芦山地震没有直接发生在汶川地震后,而是发生在多年后的可能原因。研究结果有助于认识逆断层型强震孕育过程。     

汶川8.0级地震前龙门山地区小震活动与固体潮的关系

通过对汶川8.0级地震前,龙门山地区小震活动与月球上中天、下中天时刻对应关系的讨论,得到龙门山小震活动与月球引潮力的低潮对应关系不明显.另外,对龙门山小震与固体潮理论曲线对应的讨论,得到每组小震的头震在接近固体潮曲线的谷底发生,即地震的发生与固体潮的低潮有关.在临近大震前,地震多发生在固体潮曲线的上升部位,即引潮力增长...     

汶川M_s 8.0地震大震复发周期的研究进展

汶川Ms8.0地震发生在青藏高原东缘NE向龙门山断裂带上,造成以映秀、北川为中心的长达300km的同震地表破裂带.初步研究认为,龙门山断裂带大震复发属于特征地震模式.本文在考虑地形差异影响下,用有限元数值模拟方法对汶川地震的大震复发周期进行研究.初步结果表明:龙门山断裂带大震复发周期为3908～4482a,该结果与古地震、断层滑动法、地震矩率、GPS数据确定等给出的结果具有较好的一致性,为龙门山断裂带的地震活动性及地震危险性研究提供重要的定量依据.     

2008年汶川MS8.0地震前龙门山—岷山构造带的地震活动性参数与地震视应力分布

本文利用四川区域台网最近30多年的地震资料,计算了2008年四川汶川MS8.0地震前沿龙门山—岷山构造带的多个地震活动性参数(包括震级-频度关系中的a、b与a/b值,复发间隔Tr值),同时,计算了震前2年多的时间内ML≥3.5地震的视应力. 在此基础上分析了地震活动性参数值和地震视应力的空间分布与汶川主震破裂范围、MS≥5.0余震分布的关系. 主要结果表明:①汶川地震前,沿龙门山—岷山构造带的地震活动性参数与地震视应力的分布均存在显著的空间差异. 其中,龙门山断裂带中-北段的绵竹—茂县段与江油—平武段具有远低于区域平均值的显著异常低b值、低a值、相对较高a/b值以及较小复发间隔Tr值的参数值组合,反映这两个断裂段在汶川主震之前已处于高应力闭锁状态,且发生强震的概率明显高于其他段落. 这两个段落成为汶川主震破裂的中心段落和破坏严重的地段; ②汶川地震前,位于前述两断裂段之间的龙门山断裂带北川段具有较高的b值与a值、较低a/b值的参数值组合,显示出应力积累水平不高的状态. 汶川主震后,北川断裂段的余震强度与频度均偏低,缺少MS≥5.0的余震; ③地震活动性参数与视应力显示汶川地震之前龙门山断裂带南西段的应力积累水平明显低于中-北段,这种差异可能与汶川主震破裂沿断裂带中-北段呈北东向单侧扩展有关. 另外,地震活动性参数值组合也反映龙门山断裂带南西段近期发生大地震的可能性较小.     

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.     

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.     

Fault zone structures of northern and southern portions of the main central fault generated by the 2008 Wenchuan earthquake using fault zone trapped waves

The rupture process of the May 12,2008 MS8.0 Wenchuan earthquake was very complex. To study the rupture zones generated by this earthquake,four dense temporary seismic arrays across the two surface breaking traces of the main-shock were deployed in July and recorded a great amount of aftershocks. This paper focuses on the data interpretation of two arrays across the central main fault,the northern array line 1 and southern array line 3. The fault zone trapped waves recorded by the two arrays were used to st...     

汶川8.0级地震前发震断裂带地震活动特征研究

设定两个不同研究区域,分别就汶川8.0级地震前地震活动特征进行研究,得出以下结论：①至少在2008年5月11日之前的38年时间中,龙门山断裂带中段出现M5.0以上地震空段,汶川巨大地震就发生在这一空段;②第一研究区域强震释放能量出现阶段性梯次减少现象;③至2008年初,估算出第一研究区域地应力积累量已达5.0136×1016J,相当于一次M7.9强震所能释放的能量;④第二研究区域中小地震在龙门山断裂带中段的南端形成了几乎垂直相交的两条地震带,小震活动明显增多.     

2008年汶川8.0级地震发震断裂的滑动速率、复发周期和构造成因

2008年5.12汶川大地震发生在中国大陆南北地震带中段.由于龙门山断裂带历史上只发生过3次6～61/2级强震,而且其晚第四纪构造活动速率很低,以至于对其潜在地震危险性认识不足.为什么在龙门山地区突发大地震,该地震具有哪些特征？其成因机制是什么？本文在地震地质科学考察的基础上,利用震前的GPS观测结果,试图对上述问题进行一些初步的思考和探讨.结果表明,5.12汶川大地震是龙门山断裂带的映秀—北川断裂突发错动的结果,地表上形成200多公里长的地表破裂带;灌县—江油断裂在地震中也发生了破裂,形成的地表破裂带长达60多公里.震前的GPS观测表明,横跨整个龙门山断裂带的滑动速率不超过～2 mm/yr,单条断裂的活动速率不超过～1 mm/yr,与地震地质研究结果和历史地震记录相一致.利用地震地质考察和地震波反演得到的最大同震位移可以获得相当于5.12汶川大地震的强震复发周期为2000～6000年.龙门山断裂带发育在破裂强度很大的变质杂岩体中,断裂带本身在剖面上呈“犁形”或“铲形”结构,有利于能量积累,形成破坏性巨大的地震.所以,5.12汶川大地震是一次低滑动速率、长复发周期和高破坏强度的巨大地震,是一种值得高度重视和深入研究的新的地震类型.     

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.     

汶川地震前龙门山断裂带闭锁程度和滑动亏损分布研究

利用1999—2007期GPS水平速度场数据,采用Defnode负位错反演程序估算了龙门山断裂在汶川地震前的闭锁程度和滑动亏损分布,结合龙门山断裂带附近地表水平应变率场结果,综合分析了震前地壳变形特征.反演结果表明,震前龙门山断裂中北段处于完全闭锁状态,闭锁深度达到21 km(闭锁比例0.99)左右,垂直断层方向的挤压滑动亏损速率约为2.2 mm/a,平行断层方向的右旋滑动亏损速率约为4.6 mm/a.龙门山断裂南段只有地表以下12 km闭锁程度较高(闭锁比例0.99),垂直断层方向滑动亏损速率约为1.4 mm/a,平行断层方向滑动亏损速率约为4.6 mm/a;在12~16 km处闭锁比例约为0.83,垂直断层方向滑动亏损速率约为1.2 mm/a,平行断层方向滑动亏损速率约为3.8 mm/a;在16~21 km处闭锁比例约为0.75,垂直断层方向滑动亏损速率约为1.1 mm/a,平行断层方向滑动亏损速率约为3.5 mm/a.在21~24 km处整条断裂均逐步转变为蠕滑.上述反演结果与区域应变计算获得的龙门山断裂带中北段整体应变积累速率较低、南段应变积累速率较高相一致,均表明中北段闭锁程度高、南段闭锁程度稍低,该特征可以较好地解释汶川地震时从震中向北东向单向破裂现象.     

汶川地震前龙门山断裂带闭锁程度和滑动亏损分布研究

利用1999—2007期GPS水平速度场数据,采用Defnode负位错反演程序估算了龙门山断裂在汶川地震前的闭锁程度和滑动亏损分布,结合龙门山断裂带附近地表水平应变率场结果,综合分析了震前地壳变形特征.反演结果表明,震前龙门山断裂中北段处于完全闭锁状态,闭锁深度达到21 km(闭锁比例0.99)左右,垂直断层方向的挤压滑动亏损速率约为2.2 mm/a,平行断层方向的右旋滑动亏损速率约为4.6 mm/a.龙门山断裂南段只有地表以下12 km闭锁程度较高(闭锁比例0.99),垂直断层方向滑动亏损速率约为1.4 mm/a,平行断层方向滑动亏损速率约为4.6 mm/a;在12~16 km处闭锁比例约为0.83,垂直断层方向滑动亏损速率约为1.2 mm/a,平行断层方向滑动亏损速率约为3.8 mm/a;在16~21 km处闭锁比例约为0.75,垂直断层方向滑动亏损速率约为1.1 mm/a,平行断层方向滑动亏损速率约为3.5 mm/a.在21~24 km处整条断裂均逐步转变为蠕滑.上述反演结果与区域应变计算获得的龙门山断裂带中北段整体应变积累速率较低、南段应变积累速率较高相一致,均表明中北段闭锁程度高、南段闭锁程度稍低,该特征可以较好地解释汶川地震时从震中向北东向单向破裂现象.     

汶川8级大地震活动断裂滑动速率异常低的比较讨论

本文在收集1900—2008年东亚大陆西部三角地震区内8次陆内逆冲型浅源大地震(M≥7.5)活动断裂的滑动速率基础上, 初步比较分析表明东亚大三角地震区陆内逆冲型孕震断层的缩短或垂直平均滑动速率≤12 mm/a; 2008年四川汶川8.0级大地震发生在滑动速率异常低(0.2～1.0 mm/a)的龙门山活动断层上; 地震震级大小和滑动速率大小之间的关系并没有显示出线性的简单相关关系; 地震震级大小可能与多种因素有关, 包括断层的地质年代、 尺度(长度、 宽度和深度)、 活动速率和历史、 物性, 以及应力-应变本构关系和动力学环境等, 需要深入研究。     

汶川地震断裂带东北端浅部结构的人工地震探测

结合汶川地震断裂带动态监测,利用快速响应探测系统,开展了断层带浅部结构人工地震探测.针对地震断裂带动态监测条件下的复杂波场和低信噪比的情况,在f-k波场分离的基础上,分别利用了折射波共中心点成像、面波速度反演、反射波叠加成像方法,进行了浅层断层和构造成像处理,并对处理结果进行了综合解释,给出了断裂带浅部断层分布和速度特征.为汶川地震龙门山断裂带东北端动态监测提供了基础结构信息,所发展的断裂带快速响应探测技术对于地震应急动态监测具有重要意义.