龙门山断裂带断层泥中速-高速摩擦性质的实验研究

为了认识龙门山断裂带在汶川地震中的同震滑动力学性质,我们对龙门山断裂带地表断层带露头上的断层泥及少量WFSD-1断层泥开展了中速-高速摩擦实验研究。主要关注的问题包括：龙门山断裂带高速摩擦性质及其不均匀性、震后断层强度恢复问题、高速滑动可能的主导弱化机制问题和宽速度域内摩擦滑动速度依赖性问题。     

岩石高速摩擦实验的进展

文中简述了地震动力学国家重点实验室近年来在岩石高速摩擦实验方面的进展。为了深化断层与地震力学研究,实验室建设了一套旋转剪切低速-高速摩擦实验装置,可开展滑动速率介于板块运动速率(cm/a量级)至地震滑动速率(m/s量级)的岩石摩擦实验,其中高速摩擦性能填补了实验室的技术空白。以此为依托,围绕汶川地震断层带力学性质研究,开展了一系列高速摩擦实验。结果表明,龙门山断裂带断层泥的高速摩擦性质具有一致性,其高速滑动下显著的滑动弱化必定在汶川地震中极大地促进了破裂的扩展;断层弱化的主导机制是与摩擦生热相关的过程,包括凹凸体急速加热弱化和热压作用;断层泥在经历高速滑动弱化之后摩擦系数可在5~10s内恢复0.4,断层强度的快速恢复是同震主破裂带余震减少的原因之一。基于对实验装置现状和现有成果的分析,展望了近期实验室岩石高速摩擦的发展方向。     

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.      

汶川Ms8．0级强震震前龙门山断裂带断层形变异常分析

概述和分析四川汶川Ms8．0级强震的发震构造及其地质背景,从断层形变的角度研究这次地震前形变场的异常变化情况。结论是：汶川地震区的地形变前兆异常是客观存在的,在某些局部区域甚至是非常显著的;流动短水准观测资料反映出了震前龙门山断裂带局部区域的加速活动;从现有形变资料出发,要实现如此大地震的预报仍然缺乏根据和把握。     

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.     

龙门山断裂带断层岩在水热条件下的摩擦滑动特性实验研究

为了探索断层岩石在断层带不同温度和压力条件下其摩擦强度和摩擦滑动稳定性对于断层活动性的影响,我们采集了龙门山断裂带地震发生区段出露的自然断层泥样品和后山断裂带韧性剪切带中的富含层状硅酸盐矿物的糜棱岩样品进行了水热条件下的摩擦滑动实验研究。我们根据自然断层泥样品的XRD分析结果选取了5种具有不同矿物组合及含量的自然断层泥样品并在50MPa的初始围压和25℃～150℃的温度条件下进行了摩擦滑动实验。     

龙门山映秀-北川断裂平溪黑色断层泥中有机质成分分析及对断层摩擦滑动性质的影响

通过对龙门山映秀-北川断裂平溪黑色断层泥一系列的分析测试,发现黑色断层泥中含有约9wt%的有机质组分,并且属于干酪根类型。通过对有机质的气相色谱质谱分析得到,其中主要的烷烃化合物成分为正构烷烃(C14-C21)、无环异戊二烯烷烃(姥鲛烷和植烷)、甾烷、萜烷和n烷基环已烷(C10-C21)。对有机化合物的初步分析表明,有机质形成于海相或咸水湖泊相的还原环境,并且赋存时间长,有机质成熟度高。通过对比实验发现,黑色断层泥中有机质的出现能够显著地弱化断层的摩擦强度以及提高断层摩擦滑动的稳定性。     

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。     

模拟断层泥摩擦滑动速度依赖性转换的实验研究

基于岩石摩擦的速率-状态摩擦定律,速度弱化是断层失稳的必要条件,速度弱化向速度强化的转换控制着断层从不稳定滑动向稳定滑动的转换.因此,断层摩擦滑动的速度依赖性转换涉及断层带上地震活动特征、地震成核深度以及慢地震机制等重要问题.     

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.     

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-...     

Internal structures and high-velocity frictional properties of a bedding-parallel carbonate fault at Xiaojiaqiao outcrop activated by the 2008 Wenchuan earthquake

This paper reports internal structures of a bedding-parallel fault in Permian limestone at Xiaojiaqiao outcrop that was moved by about 0.5 m during the 2008 M_W7.9 Wenchuan earthquake. The fault is located about 3 km to the south from the middle part of Yingxiu-Beichuan fault, a major fault in the Longmenshan fault system that was moved during the earthquake. The outcrop is also located at Anxian transfer zone between the northern and central segments of Yingxiu-Beichuan fault where fault system is complex. Thus the fault is an example of subsidiary faults activated by Wenchuan earthquake. The fault has a strike of 243° or N63°E and a dip of 38°NW and is nearly optimally oriented for thrust motion, in contrast to high-angle coseismic faults at most places. Surface outcrop and two shallow drilling studies reveal that the fault zone is several centimeters wide at most and that the coseismic slip zone during Wenchuan earthquake is about 1 mm thick. Fault zone contains foliated cataclasite, fault breccia, black gouge and yellowish gouge. Many clasts of foliated cataclasite and black gouge contained in fault breccia indicate multiple slip events along this fault. But fossils on both sides of fault do not indicate clear age difference and overall displacement along this fault should not be large. We also report results from high-velocity friction experiments conducted on yellowish gouge from the fault zone using a rotary shear low to high-velocity frictional testing apparatus. Dry experiments at normal stresses of 0.4 to 1.8 MPa and at slip rates of 0.08 to 1.35 m/s reveal dramatic slip weakening from the peak friction coefficient of around 0.6 to very low steady-state friction coefficient of 0.1-0.2. Slip weakening parameters of this carbonate fault zone are similar to those of clayey fault gouge from Yingxiu-Beichuan fault at Hongkou outcrop and from Pingxi fault zone. Our experimental result will provide a condition for triggering movement of subsidiary faults or off-fault damage during a large earthquake.     

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.     

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.     

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.     

汶川地震前龙门山区域地壳密度动态变化分析

利用龙门山区域重力网经平差处理和去基准点干扰、 去高程变化影响的1997—2007年11期重复重力观测数据, 借助密度的三维反演方法, 分析研究了龙门山地区地壳各深度的介质密度的动态变化特征。 结果显示: 2008年汶川8.0级地震孕育发生过程中区域密度场的整体时空分布均表现出显著特征。 从时间进程来看, 震前10年的密度变化趋势呈现阶段性变化: 密度变化平稳阶段—变化剧烈阶段(加速增加—缓慢减少)—变化缓慢减少阶段—密度变化缓慢增加阶段, 密度变化程度由强到弱, 表明大地震孕育达到了最后阶段; 从空间分布来看, 密度变化分布有分散—相对集中的趋势, 震前地下密度场具有熵值减小的现象; 密度变化剧烈的地方多发生在龙门山断裂带及其以西的川西高原上。 此外, 随深度的增加, 密度变化趋势越来越明显。 通过比较分析, 在汶川地震前密度变化对重力的影响远远超过高程变化对重力的影响。     

龙门山断裂带中北段大震复发特征与复发间隔估计

汶川MS8.0地震发生在青藏高原东缘著名的龙门山断裂带上,造成了从映秀、北川至南坝长约240km的同震地表破裂带．然而目前关于龙门山断裂带的大震复发特征研究较少．通过地震地质科学考察和断层断错地貌的差分GPS测量,发现第一级河流阶地、河床和河漫滩上的垂直断距大致相当,均代表汶川地震的位错,而第二级河流阶地上的累计位移大致是最新地震垂直位移的2倍．利用断错地貌、地震矩率和滑动速率3种方法,分别估算了龙门山断裂带大地震的复发间隔．结果表明:龙门山断裂带中北段可能发生与汶川大地震相当的地震,大震复发符合特征地震模型;大震复发间隔为3000——6000a．该结果可为龙门山断裂带的大震预测和地震危险性评价等研究提供重要的定量数据．      

The seismicity and tectonic stress field characteristics of the Longmenshan fault zone before the Wenchuan M_S8.0 earthquake

The seismicity of Longmenshan fault zone and its vicinities before the 12 May 2008 Wenchuan MS8.0 earthquake is studied.Based on the digital seismic waveform data observed from regional seismic networks and mobile stations, the focal mechanism solutions are determined.Our analysis results show that the seismicities of Longmenshan fault zone before the 12 May 2008 Wenchuan earthquake were in stable state.No obvious phenomena of seismic activity intensifying appeared.According to focal mechanism solutions of ...