汶川Ms8.0地震后龙门山断裂带地壳应力场及其构造意义

2008年5月12日在青藏高原东缘龙门山断裂带中段发生汶川8.0级特大地震。大震发生时释放应力并对震源区及外围构造应力场产生影响,受汶川地震断层破裂方式和强度空间差异性的影响,震后龙门山断裂带地壳应力场也应表现差异特征,至今鲜有针对该科学问题深入的分析和讨论。经过系统收集、梳理汶川地震后沿龙门山断裂带水压致裂地应力测量数据与2008年汶川地震中强余震序列震源机制解资料,对汶川地震后龙门山断裂带中上地壳构造应力场进行厘定,通过与震前构造应力场对比,深入探讨了汶川8.0级地震对龙门山断裂带地壳应力场的影响,进而对汶川震后应力调整过程及青藏高原东缘龙门山地区深部构造变形模式进行研究,研究结果表明:受汶川8.0级地震的影响,震后龙门山断裂带地壳构造应力场空间分布具有差异性,近地表至上地壳15 km深度范围,映秀—青川段最大主应力方向为北西西向、地应力状态为逆走滑型,青川东北部最大主应力方向偏转至北东东向、应力状态转变为走滑型;15~25km深度范围,龙门山断裂带最大主应力方向仍为北西—北西西向、应力状态以逆冲型为主。汶川8.0级地震后,龙门山断裂带中地壳北西西向逆冲挤压的构造应力特征进一步支持了青藏高原东缘龙门山地区东西两侧刚性块体碰撞挤压、逆冲推覆的动力学模式。     

基于应力多边形与震源机制解的深部岩体应力状态预测方法初探

深部岩体应力量值确定一直是区域地应力场研究中的热点和难点问题,常用的深部岩体应力量值预测方法多以拟合经验公式外推确定为主,缺乏理论依据且可靠性低。研究工作基于应力多边形理论,结合侧压力系数K与震源机制解应力形因子R,在大范围应力预测结果基础之上,对深部应力量值进行了精细限定。以河北易县紫荆关地区的原地应力测量为参考,结合震源机制解资料,估算获得6、11、19km深度处最大侧压力系数K_(max)分别为1.07±0.07、1.14±0.14、1.09±0.09,最小侧压力系数K_(min)分别为0.85±0.15、0.88±0.12、0.86±0.14,并以此计算最大、最小水平主应力,结果的相对偏差在6%～17%之间;利用震源机制解和水压致裂法联合确定的研究区最大水平主应力方向为N44.4°E。研究提出并建立的联合震源机制参数R和应力多边形限定深部应力状态为深部岩体应力状态估算提供了新的途径。     

川西折多山某深埋隧道地应力测量及其应用研究

川西地区地质构造环境复杂,该区深埋隧道建设过程中经常面临岩爆风险,而地应力条件对深埋隧道的规划建设和岩爆风险预判具有重要意义。本研究利用水压致裂法在川西折多山某深埋隧道开展了原地应力测量及其工程效应分析。某钻孔196~650 m深度范围内的地应力测试结果显示,隧址区以水平构造应力为主导,测试深度范围内水平主应力随深度线性增加,且应力增加梯度高于中国大陆背景值。地应力结构整体以逆断型(S_H>S_h>S_v)为主,其中389.50~560.50 m深度范围属应力释放区,地应力结构以走滑型(S_H>S_v>S_h)为主。侧压系数及最大、最小水平主应力比值随深度分布基本符合中国大陆各参数变化特征。最大水平主应力方向为NWW向,与区域应力场分布及周边活动断裂反映的力学机制一致,主要受印度板块向欧亚板块持续俯冲和高原物质东南向扩散作用控制。测点现今地应力强度较高,临近断裂失稳状态,随着应力的不断积累,区内优势破裂方向或已有断裂的特殊构造部位可能发生失稳滑动。最后,基于地应力测量结果对深埋隧道围岩稳定性进行了预判分析,受隧址区高地应力影响,围岩发生中-强岩爆的可能性较大,需优化设计并重点防护。     

青藏高原东北缘海原-六盘山断裂带现今地壳应力环境的数值分析

海原-六盘山断裂是青藏高原东北缘的大型边界断裂带,是中国大陆典型的地震危险区。地壳构造加载特征的定量研究有助于分析区域孕震环境,参考青藏高原东北缘GPS形变和岩石圈精细结构等资料,本文建立海原-六盘山断裂带周缘的三维岩石圈分层模型,分析现今构造加载作用下区域地壳形变和应力演化特征。数值计算结果显示:青藏高原东北缘现今处于以北东-南西向的水平挤压为主导和北西-南东向的水平引张的变形特征。青藏高原东北缘中-下地壳流变性质影响上覆脆性地壳应力环境,中地壳较低粘滞系数对应的模型地壳应力计算值与研究区实际地壳应力场相近。海原断裂中-西段构造加载作用显著,具有相对较高的库仑应力积累和最大剪应力分布;而六盘山断裂周缘地壳应力和最大剪应力小于海原断裂带。构造应力积累的空间分布差异说明六盘山断裂具有较弱的构造孕震环境,而研究区走滑型断裂的孕震加载作用显著。尽管六盘山处于较低的应力状态,但仍不能轻易忽视其长期存在的强震空区所暗示的发震潜力。     

三峡工程永久船闸开挖前后实测应力分布特征

根据实测资料研究了三峡工程区地应力分布特征。三峡工程区浅部和深部的构造应力状态有明显差异,最大水平主应力在浅部表现为NEE向,而深部则表现为NW向,船闸区浅部最大水平主应力方向为NNE向。对永久船闸开挖前后应力分布进行了测量研究。永久船闸开挖前后应力状态有显著的重新调整分布,东西向应力在边坡岩体不同层位（不同高程）有增有减,应力释放量较小;而南北向应力在边坡岩体中上部均减小,应力释放量较大,开挖后坡角部位有应力集中现象。受开挖影响,最大水平主应力方向由开挖前的近NE向发生顺时针方向偏转,变为近东西向。     

滇藏铁路香格里拉—邦达段地应力状态及工程效应分析

滇藏铁路香格里拉—邦达段沿线断层发育,构造运动强烈,为提高沿线工程的稳定性,基于构造形迹、震源机制解和实测数据的多元综合分析法,对研究区主应力方向进行了分析;基于Hoek-Brown强度准则和修正的Sheorey理论,结合实测数据,对研究区岩体强度参数和主应力量值进行了估算和预测,最后对研究区的地应力场特征及其工程效应进行了分析。结果表明:香格里拉-德钦应力区的水平最大主应力方向N0°W~N40°W;芒康-邦达应力区的水平最大主应力方向为N60°E~N80°E;铁路沿线埋深1000 m处,水平最大主应力范围为24.23~37.30 MPa;埋深2000 m处,水平最大主应力范围为47.29~66.69 MPa;香格里拉-德钦应力区隧道轴线设置为N80°W~N40°E有利于围岩稳定,芒康-邦达应力区隧道轴线走向设置为N10°E~N130°E有利于围岩稳定;铁路沿线高地应力显著,埋深超过400 m就可能处于高地应力状态,硬质岩埋深超过700 m会有岩爆风险,软质岩埋深超过1400 m会有大变形风险。     

川滇构造带及其邻区的地壳结构与地震分布

综合前人资料分析了川—滇构造带及其邻区地壳－上地幔速度结构与地震分布的关系。结果表明,川—滇构造带具有同青藏高原地壳－上地幔结构相似的某些特征;地震活动主要沿安宁河断裂带和小江断裂带分布。震源以永仁、渡口和会理三地所在区域最浅,向四周渐深     

川滇交界地区地壳结构及现代地壳活动模式

根据地球物理异常及大地测深资料探讨川滇交界地区的地壳深部构造背影及地壳结构特征,并综合多方面的研究资料,以两板块碰撞、青藏高原窿升为构造背景,以川滇菱形断块运动为基本模式,全面系统地揭示川滇交界面区的现代地壳活动性。从地壳运动图象中可以清楚地看到断块差异性活动是现代地壳活动主要形式。     

青藏高原东南缘丽江—剑川地区地应力测量与地震危险性

为获得川滇块体腹地现今的地应力场,分析边界断裂发生地震活动的危险性,进而探讨块体运动的动力学特征,2010—2011年,在青藏高原东南缘丽江—小金河断裂带西南段的丽江—剑川地区,开展2个300m钻孔水压致裂地应力测量。地应力测量结果揭示了研究区地壳浅表层现今主应力的分布规律。结合研究区部分中强震震源机制解及20世纪80年代地应力结果,分析了跨度近30a后该区构造应力场的变化特征,进而探讨了其动力学指示意义。依据断层滑动摩擦准则,讨论了丽江—剑川地区现今地震活动危险性。     

汶川地震后沿龙门山裂断带原地应力测量初步结果

2008年5月12日在中国四川省西部汶川发生Ms8.0地震,震中位于青藏东缘龙门山断裂带。地震发生后的4个月,沿龙门山断裂带中南段开展了原地应力测量,获得了3个测点的应力大小和方向。在3个测孔中浅部采用压磁应力解除法,深部采用水压致裂法。浅部测量结果显示,位于震中区映秀测点,水平最大主应力值为4.3MPa,最大主应力方向为N19°E;宝兴测点位于震中区西南的龙门山断裂带南段,汶川地震没有导致该段地表破裂,该点获得的水平最大主应力值为9.8MPa,最大主应力方向为N51°W;位于龙门山断裂带最西南端的康定测点,水平最大主应力值为2.6MPa,最大主应力方向为N39°E。利用水压致裂法对各钻孔100～400m深度进行了应力测量,获得了应力随深度变化趋势和应力状态。与震前其它应力测量结果和中国其它地区表层地应力测量结果比较,龙门山断裂带西南段处于相对高应力水平,震中区仍处于中等应力水平。这项研究成果将为评价龙门山断裂带余震和今后强震发展趋势提供关键构造物理参数。     

川藏铁路雅安—林芝段典型地质灾害与工程地质问题

川藏铁路是中国正在规划建设的重点工程,穿越地形地貌和地质构造都极为复杂的青藏高原东部。铁路沿线活动断裂发育、地震频发,新建铁路雅安—林芝段直接穿越或近距离展布于龙门山断裂带、鲜水河断裂带等10条大型区域性活动断裂带,部分断裂活动速率值达10 mm/a,潜在强震危险性高。在内外动力耦合作用下,铁路沿线地质灾害极为发育,密集分布于大渡河、雅砻江、金沙江、澜沧江、怒江和雅鲁藏布江及其一级支流、活动断裂带和公路沿线,其中高位远程滑坡及链式灾害、深层蠕变-剧滑型滑坡、地震滑坡等灾害危害严重,成为了铁路建设的“拦路虎”。铁路沿线处于以水平构造应力为主导的高地应力环境,穿越华南主体应力区、龙门山—松潘应力区、川滇应力区、墨脱—昌都应力区和喜马拉雅应力区等5个大的一级构造应力区;雅安—康定段最大主应力方向为NWW—NW向,并向林芝方向呈现NNE向偏转,地应力在平面和垂向空间上表现为强烈局部差异性,如折多山某隧道地应力测试结果揭示了在垂向上存在应力释放区。在高地应力条件下,铁路沿线深埋隧道潜在围岩岩爆和大变形危害风险大。铁路建设应加强活动断裂安全避让、重大地质灾害早期识别和监测预警、深埋隧道地应力和岩爆大变形超前预测预报等工作,科学指导铁路选线与防灾减灾。     

利用航磁、重力资料研究川滇地区大陆变形特征

利用航磁、重力资料对川滇地区大陆变形特征进行了研究。航磁异常揭示了研究区内的基底性质及其横向差异,研究区内的强烈地震主要集中在航磁异常突变带上,基底性质横向差异有利于应力的相对集中,成为地震孕育和发生的有利部位。康定—绵阳一带刚性基底的阻挡造成了青藏高原下地壳物质向东的塑性流动被迫转向南东—南南东方向,进而造成了川滇菱形块体内广泛的地壳增厚,布格重力异常等值线呈向南东伸出的舌状是其地壳增厚作用的直观反映。川滇地区的大陆变形特征既存在广泛的地壳增厚现象,同时在下地壳塑性流动的驱动下,中、上地壳破碎成大小不一的块体,变形特征表现出整体刚性,因而不能简单地套用“地壳增厚”或“大陆逃逸”模式。     

汶川地震断裂带科学钻探1号井(WFSD-1)非弹性应变恢复法(ASR法)三维地应力测试与"5.12"汶川地震的形成机制

汶川地震断裂带科学钻探1号井(WFSD-1)的ASR三维地应力测试结果表明,龙门山前陆逆冲带与其下伏的龙门山前陆盆地和上覆的松潘-甘孜地块的构造及地应力状态存在有重大差异。从整体上看,在汶川地震中,龙门山前陆逆冲带表现为在强烈的区域性挤压背景下,深部物质沿壳内拆离层自SW向NE方向的"层状"流动,在地壳上部转化为沿映秀-北川断裂(YBF)的快速垂向挤出,而其西侧的松潘-甘孜地块作自SE往NW方向的重力滑覆,东侧的龙门山前陆盆地则表现为自NE往SW方向的走滑或右行旋转。晚新生代以来,扬子地块相对于青藏高原东缘的龙门山造山带并无明显的或大尺度的陆内俯冲作用发生。龙门山前陆逆冲带深部高温低粘度物质垂直向上的、快速的流动和挤出,直接导致了"5.12"汶川地震的发生,而松潘-甘孜地块E向扩展导致龙门山前陆带的强烈挤压和陆壳增厚及深部应力和地震能量的积聚则是诱导深部位移场发生突变和物质快速垂向挤出的主因,E向扩展是深部地震能量积聚和快速垂向挤出作用的必要条件,而非地震发生的直接原因。ASR地应力测试得出的主压应力方向完全平行于GPS同震速度场的位移方向,似乎表明ASR测试获得的原地应力场或许真实地反映了或最接近于地震过程中的构造应力状态。     

汶川Ms 8.0级地震震源区地壳深部结构研究

2005年10月至2007年4月,我们在松潘-甘孜、龙门山地块布设的流动地震台阵观测剖面正好经过地震震源区映秀,这为研究地震震源区深部结构提供很好的机会.观测剖面自成都龙泉山,途经都江堰、卧龙,终止于新都桥,全长约400km,台站间距5～10km,34个流动宽频带地震仪共记录到该时间段内5.5级以上远震事件542个,大于等于6.0级为195个.利用该观测剖面记录到的远震P波波形资料,采用接收函数方法来研究汶川Ms8.0级地震震源区地壳深部结构,结合地震构造背景的分析,探讨引起这次地震的动力学模式,并由此认识汶川地震的孕育与成因机制.根据震源区地表破裂和余震分布及深部结构的综合分析,可以划出震源区下方的地震断裂带.主要研究结果表明:1)根据界面分布特征,发现松潘-甘孜地块及龙门山推覆体中在20～60km深度存在一个厚度约15～20km的低速中地壳,而四川盆地地壳内不存在低速层.该中地壳内的低速层,是引起中上地壳的推覆运动的滑脱层.2)Moho面自扬子盆地(36～42km)跨龙门山(50km)到松潘-甘孜腹地(62～65km)逐渐加深,跨鲜水河断裂又变浅(60km),说明横跨扬子盆地-龙门山-松潘-甘孜地块的该断裂带是地壳厚度的陡变带.该结果揭示了松潘-甘孜地块与扬子地块是碰撞接触模式,龙门山的推覆构造就是上地壳逆冲的结果.     

全球应力场与构造分析

介绍了近年来全球构造应力研究方面的一些新进展并以“世界应力图”提供的资料为背景 ,结合一些最新的研究成果 ,阐述了全球构造应力场的分布特征及其与板块构造运动之间的联系。研究结果表明 :(1)全球存在大尺度的统一性构造应力场 ;(2 )全球大多数板块内部地区为挤压应力作用 ,其应力结构多为逆断型、走滑型或逆走滑型 ;(3)大陆板块内部的扩张区大多位于高海拔异常地区 ,其应力结构为正断型或正走滑型 ,如青藏高原、东非裂谷和贝加尔裂谷等 ;(4)全球大部分地区的地壳上部构造应力作用方向较为均一 ,存在区域统一应力场 ;(5 )全球大部分地区的最大水平主应力方向与板块绝对运动 (角速度 )迹线保持较好的一致性 ,反映出构造应力与板块运动的关系密切 ;(6 )板块汇聚、洋脊扩张可能是产生岩石圈上部构造应力的主要力源。     

滇东北深埋特长公路隧道工程区地应力场研究

深埋特长隧道工程区地应力场的预测一直是工程技术人员面临的难题,而工程地质综合分析法则可为工程区地应力场的分析提供较为全面准确的结论。因此,本文以滇东北典型深埋特长隧道——乐红隧道为例,采用综合分析法来研究工程区的地应力场特征。首先基于中国大陆应力分区,利用Anderson断层力学理论、震源机制解及实测地应力统计数据来获取研究区主应力方向。其次,基于工程地质勘察成果,利用Hoek-Brown强度准则对工程区的岩体强度进行了初步估算。在此基础上,利用修正Sheorey模型对工程区地应力量值水平进行了预测。分析结果表明,工程区以先进构造应力为主导。其中:水平最大主应力优势方位为N20°~60°W,应力场方向较为稳定。地应力量值水平预测结果表明,工程区在埋深500 m左右时,最大、最小水平主应力量值范围分别为11.2~20.5 MPa、6.6~12.2 MPa;埋深在1000 m左右时的最大、最小水平主应力量值范围分别为25.9~28.2 MPa、15.4~17.1 MPa。工程区在埋深超过500 m时的高地应力情况下,可能存在岩爆风险,而围岩大变形的问题几乎不存在。综合分析法的预测结果与现场实测数据较为吻合,表明该方法在线状公路隧道地应力状态的预测分析中,具有良好的应用效果。     

中尼铁路交通廊道现今构造应力场及其工程影响

拟建中尼铁路位于印欧板块碰撞推挤的前缘地带,区域深大断裂发育,地震频发,新构造活动强烈,应力状态复杂。基于中尼铁路交通廊道震源机制解及原地应力测量资料,分析中尼铁路沿线区域构造应力场分布特征,进一步讨论现今构造应力场对铁路方案和重要工程设置的潜在影响。研究结果表明,研究区震源深度主压应力优势方向在板块碰撞边界为NEE向,高原内部则表现出明显的非均匀性特征。中国境内日喀则至吉隆段主要处于拉张-剪切应力环境,尼泊尔境内区段处于印欧板块推挤控制的挤压应力环境。在缺少中尼铁路沿线原地应力实测资料的现状下,结合邻区实测数据分析认为,该区地壳浅表层应力结构以逆断型为主,水平最大主压应力优势方向为NE向。基于研究区内主应力方向分布特征将中尼铁路沿线划分为日喀则―萨迦、萨迦―定结、定结―吉隆、聂拉木、吉隆―讷瓦果德和加德满都共6段。根据构造应力场分析结果并基于σ_θmax/R_c理论对铁路隧道工程围岩岩爆可能性进行了讨论,结果表明最大水平主应力方向与隧道轴向夹角较大时对隧道围岩稳定性不利,且隧道埋深越大则围岩岩爆的可能性越大。中尼铁路大多区段轴向与最大水平主应力方向呈大角度相交甚至近垂直,当隧道埋深较大时具有发生岩爆的可能,需重点防护。研究结果可为中尼铁路交通廊道工程勘察选线提供参考。     

汶川8.0级大地震震源机制与构造运动特征

根据地震震源机制、断层参数结果,结合GPS测定的同震位移场与构造研究的最新结果,综合分析研究了2008年汶川8级大地震汶川地震发生的地震活动背景、震源应力场、断层构造运动特征及其动力学机制。地震活动性分析研究结果表明,2008年汶川8级大地震是在青藏高原与其周边地域构造运动剧烈,2001年起始的地震活动高潮期的背景下发生的。其长达300km的地震震源断层填补了青藏高原东缘1900年以来存在的8级地震活动的空区。震源机制与区域应力场特征及其动力学机制研究表明,汶川8级地震震源处于南北地震带中南段东部,青藏高原东向扩张与四川盆地的抵抗是该区构造运动的主要特征。汶川地震及其强余震是在一个稳定的、主压应力P轴以北西西-东南东方向为主的震源应力场控制下发生的。说明汶川地震震源区域主要受到四川盆地、华南块体区域应力场的控制并发震的。龙门山断裂带西侧的青藏高原相对于四川盆地发生的东向上升;而东侧的四川盆地相对于青藏高原发生的西向下降构造运动是2008年汶川8级地震发生的主要地震成因即地震发生机制。     

梯度应力作用下模型试件的岩爆破坏细观分析

岩爆是深部矿山开采亟待解决的安全问题,而应力梯度是影响岩爆的重要因素。为探究不同应力梯度的岩爆对围岩内部细观结构的影响,利用可实现三向六面加载及顶部梯度加载的气液复合型岩爆试验装置,对类岩体进行不同应力梯度条件下的岩爆物理模型加卸载试验,并借助扫描电镜对试件破坏面进行细观形貌特征分析。研究结果表明：不同应力梯度环境下试件岩爆的破坏现象与特征存在明显差异;试件所受的应力梯度越大,岩爆后的细观图像显示的晶体间孔隙越小,晶体的密实程度越高;不同应力梯度下试件产生剪切和劈裂破坏比例不同,应力梯度越大,剪切破坏比例越大;岩爆碎屑晶体轮廓具有分形特征,且随着试件所受的应力梯度的增加,其分形维数相对越大。     

青藏高原东缘新构造及其对汶川地震的控制作用

基于卫星遥感图像解译、地形起伏度分析和地面调查资料,论述了青藏高原东缘构造地貌格局、新构造演化阶段和活动断裂特征,提出青藏高原东缘不同地块在晚新生代时期有序的向东挤出过程,并划分为4个阶段：中新世早期川滇地块向北东挤出、中新世晚期川滇地块的再次强烈向东挤出、上新世至早中更新世时期川青地块的向东挤出、晚更新世以来最新构造变动阶段,青藏高原东缘地貌边界带也经历了由西向东、由南向北的有规律的迁移过程。基于活动构造的最新研究成果和现今GPS测量成果,阐述了东昆仑岷山龙门山走滑逆冲断裂系统的运动学特征。根据地震破裂构造的实地调查,分析了汶川地震的地表破裂行为,提出了汶川地震的发震构造模型。研究认为,青藏高原东部地区NW向楔状条块向东运动速度的一半被鲜水河断裂及其北西延伸的构造带所吸收,而龙门山构造带向东运动受阻于四川盆地之下扬子刚性地块,使得龙门山断裂带处在低应变、高应力环境下,因长期应力应变累积而导致向西陡倾的断裂带突然向东逆冲运动而释放能量。汶川强震发生的深部机理值得深入研究。