过汶川地震主断裂科学钻WFSD-1反射地震采集方法研究

横穿龙门山地震反射剖面系列探测是WFSD工程中的一项重要研究内容.通过WFSD-1先导孔区二维反射地震的观测方法研究和试验,实现了预期目标:(1)在震后恶劣的天气、陡峭地形和地表严重破裂、破碎、滑塌等困难条件下,获得了WFSD工程首条分辨率较高的二维反射地震剖面;(2)从地学研究目的出发,结合龙门山地区的复杂地震地质条件,提出了以浅、中、深部复杂反射体探测为目标的高密度时间、空间采样的数据采集方法,为后续剖面的实施提供了方法依据;(3)发现了映秀—北川断裂带地表出露位置以西5 km范围内垂向上的多层次地质体的反射; 1.2 s以下的中深部反射体明显具有层状沉积岩或变质岩的特征;推断认为测线上彭灌杂岩最大厚度约3 km;(4)灌县—安县断裂带呈明显的双层结构,山前隐蔽带沉积体系完整;(5)在孔区附近800m范围内,进行了20~30 m激发点距、10 m道距的密集观测,为WFSD-1孔完钻深度以浅反射体的高精度标定提供了可靠的原始数据.     

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.     

汶川地震断裂带滑移行为、物理性质及其大地震活动性——来自汶川地震断裂带科学钻探的证据

断裂带物质组成、结构及其物理性质是理解断裂变形机制和地震破裂过程的基础和关键,断裂带地震（黏滑）和非地震（蠕滑）滑移行为不仅对了解地震活动性和山脉隆升过程具有重要意义,而且直接为防震减灾提供科学依据.我们以穿过龙门山映秀—北川和灌县—安县断裂带的汶川地震断裂带科学钻探（WFSD）岩心和地表出露的断裂带为研究对象,通过对断裂岩组成、结构、显微构造和钻孔物性测井数据进行分析研究,确定了龙门山逆冲断裂带滑移行为和物性特征,初步探讨了大地震活动性和有关断裂带的隆升作用：（1）映秀—北川断裂带倾向NW,浅部倾角~65°,发育的断裂岩厚约180~280 m,由碎裂岩、假玄武玻璃（地震化石）、断层泥和断层角砾岩组成.断裂带具有高自然伽马、高磁化率值、低电阻率、低波速等物理性质以及对称型破碎结构.断层泥普遍具有摩擦热效应的高磁化率值和石墨化作用特征,是古地震滑动的岩石记录.表明映秀—北川断裂带为经常发生大地震的断裂带,晚新生代以来类似汶川地震的大地震复发周期小于6000—10000年,具有千年复发周期特征.（2）灌县—安县断裂带倾向NW,浅部倾角~38°,发育的断裂岩厚约40~50 m,仅由断层泥和断层角砾岩组成,具有典型的"压溶"结构,表现出蠕滑性质.除压溶作用外,定向富集的层状黏土矿物和微孔隙的发育使断层强度变弱.断裂带具上盘破碎的非对称型破碎结构,除具低磁化率值特征外,其他物性与映秀—北川断裂带一致.（3）根据断裂岩厚度与断层滑移量相关经验公式关系,以及断层产状,粗略估算映秀—北川断裂带自中生代以来累积垂直位移量大于9 km,灌县—安县断裂带累积垂直位移量小于3 km.映秀—北川断裂带长期大地震产生的累积垂直位移量是龙门山隆升的主要贡献.     

WFSD钻孔气体氢浓度动态与断裂构造及地震的关系

为了开展汶川8级地震孕育机理及其科学问题深入研究,“十一五”国家科技专项“汶川地震断裂带科学钻探(WFSD)”2008年11月开始实施.汶川断裂带科学钻探项目设计在龙门山断裂带上钻5口科学深钻,其中WFSD-2井位于汶川地震主断裂的北川-映秀断裂中段,断裂上盘为8亿年前形成的古老彭灌花岗岩闪长质杂岩,下盘为三叠系煤系地层,2009年7月6日开钻,设计孔深2000m,截止2012年1月15日终孔钻进深度为2 180.52 m.     

2008年汶川大地震中北川地区极重震害的物理机制研究

2008年汶川特大地震中北川地区受灾特别严重,而该地区远离汶川主震震中超过100多千米.尽管汶川地震发生已近10年,但这种不正常现象一直困扰着地学工作者,至今没有给出合理的解答.为此,本文利用有限单元方法模拟汶川地震的主要发震断裂带（即：映秀—北川断层）的自发破裂动力学过程.模型中,几乎平直的映秀—北川断裂带在高川地区发生拐折,形成高川右弯.模拟结果显示,破裂沿着映秀—北川断裂带向东北方向前行,当破裂前端到达高川右弯时,破裂形态发生剧烈变化,破裂传播速度由亚剪切破裂突然转化为超剪切破裂.与断层阶区促进超剪切破裂明显不同的是,这种超剪切破裂形态的转化不需要时间停顿.由于超剪切地震破裂的产生,破裂辐射的地震波发生相长干涉,形成马赫波,地震动被大大放大.计算给出的强地面运动峰值加速度在北川地区不仅数值高,而且高值区分布范围广,造成了北川地区的震害特别严重.模拟结果还表明,若高川右弯不存在（即映秀—北川断层面为平直）,则北川地区的断层不会形成超剪切破裂;如果高川右弯附近断层的不连续程度较大,则破裂会被终止;这些情况下,北川地区的震害都没有那么严重.所以,高川右弯的几何形状对于超剪切破裂的形成起着决定性作用,也是造成远离震中的北川地区震害特别严重的主要原因.因此,分析发震断层几何对于研究震源动力学过程及震害评估等有着非常重要的科学意义和实际应用价值.

     

2008年汶川Ms 8.0地震地表破裂变形定量分析——北川-映秀断裂地表破裂带

2008年汶川MS8.0地震在北川-映秀断裂产生了长达240km的同震地表破裂。通过详细的测量、基于测量标志与断裂变形的几何关系对数据的分析,给出了观测点的断裂同震地表变形的垂直位移、倾向水平缩短、走向滑动、断层上盘水平运动方向等参数。结果显示,断裂同震变形分布的空间变化很大,目前获得的最大水平位移位于虹口乡深溪沟,为4.98m,同时也是最大右旋走滑位移点,走滑量4.5m,而目前获得的最大垂直位移在其东北的支沟,为5.7~6.7m。NE向断裂水平位移多为1~2m,垂直位移多为3m左右,而小鱼洞-草坝分支断裂水平位移和垂直位移都更小,只有0.5~1.5m。擂鼓镇附近的数据则反映与断裂相关的巨型滑坡可能将重力变形叠加到构造变形中。由断层水平缩短和垂直位移计算的断层倾角表明,北川-映秀断裂是浅部陡倾的具有走滑分量的逆断层     

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.     

2008年汶川地震断层北川段的几何学与运动学特征及地震地质灾害效应

2008年5月12日MS8.0 汶川大地震的主要发震断层是龙门山断裂带的映秀—北川断裂.本研究通过地震后的实地调查和地震前后高空间分辨率航空与卫星影像的解译,对映秀—北川断裂带北川段（擂鼓镇—曲山镇）同震地表破裂带的几何学与运动学特征及相关地震地质灾害进行了详细分析.研究结果表明5·12汶川大地震沿映秀—北川断裂带产生的地表破裂带正穿过北川县城—曲山镇中心,并在曲山镇周围诱发了一系列大型滑坡和岩崩等地质灾害,致使北川县城遭到毁灭性破坏.野外考察表明北川段最大逆冲量和右旋走滑量都达8~10 m,这也是映秀—北川地表地震破裂带中位移量最大的地段.同时,值得注意的是曲山镇一带正是地震断层几何学和运动学特征改变的转换地带：曲山镇及其南西部断层倾向北西,呈现以逆冲为主兼右旋走滑的特征;在曲山镇北东断层倾向南东,表现为右旋走滑分量与垂直分量相当,走滑活动特征更明显.研究结果还表明,逆冲-走滑型（或斜向逆冲型）同震地表破裂带的几何学和运动学特征直接影响地震地质灾害及其破坏程度,地震地质灾害的分布表现出明显的不对称性：断层NW盘（上盘）远远强于SE盘（下盘）.地震断层的几何学特征与断层运动的应力及坡向的自由面之间相互作用,加强了滑坡、岩崩等地质灾害的破坏力.因此,汶川大地震为我们研究逆冲-走滑型同震地表破裂的几何学、运动学特征及其地震地质灾害效应提供了契机.     

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Ms8.0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件质的斜滑破裂.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.     

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.     

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.     

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...     

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.     

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.

     

汶川8.0级地震前龙门山断裂带能量场变化

在大地震的孕育和发生过程中,沿断裂带的应力-应变状态与断裂带周围微震活动有着密切的关系.震前沿构造断裂带附近地震活动的能量释放更能反映地震孕育的动态过程.本文采用自然正交函数展开方法,讨论了2008年汶川8.0级地震前沿龙门山断裂带地震活动能量场的时间变化.结果表明,在汶川8.0级地震前,沿龙门山断裂带能量场的几个主要特征值对应的典型场的时间因子出现非常明显的短期上升变化,可能是该次地震短期异常信息.通过对比分析1976年唐山地震等震例认为,研究沿活动断裂带地震活动能量场的时间变化,可以对地震中长期判断有较大危险性的活动断裂区进行有目的的重点监测和预测.     

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.     

从库仑破裂应力和余震分布角度探讨汶川地震和芦山地震的关系

本文以龙门山及周边地区为研究对象,考虑区域地质构造差异、主要活动断裂带、地表附加重力影响,建立能反映地表起伏和岩石圈分层结构的龙门山地区三维粘弹性有限元模型。以地壳水平运动速率观测值为约束条件重建研究区现今构造背景应力场,在此基础上分别模拟了汶川地震和芦山地震的发生机理。通过分析同震库仑破裂应力变化与余震空间分布的关系,探讨了2次地震主震对余震的触发作用以及汶川地震对芦山地震的影响。研究表明,汶川地震和芦山地震的余震大部分由其主震触发,汶川地震对芦山地震的余震有约6.78%的触发作用。汶川地震的同震库仑破裂应力在芦山地震主震位置的增加值约为0.016MPa,如果龙门山断裂带南段库仑破裂应力年累积速率按照0.4×10-3-0.6×10-3MPa·a-1计算,汶川地震使芦山地震提前了约27-40年。计算还表明汶川地震和芦山地震的发生使鲜水河断裂带南段和虎牙断裂的库仑破裂应力增加,这些断裂带在未来发生地震的可能性增加。     

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 ...