汶川地震断裂作用研究新认识

2008年汶川地震后,人们不得不思考问题是:大地震是如何发生的?下一次大地震什么时候发生?也就是涉及地质学家和地球物理学家一直未解决的科学问题:断层是如何破裂的?震后断裂是如何愈合的?我们试图通过对汶川地震断裂带结构、断裂摩擦行为和断裂愈合过程的研究来回答这些问题。本文将介绍通过对地表露头和汶川地震断裂科学钻探一号孔(WFSD)岩心中汶川地震主滑移带的详细研究,以及钻孔中长期温度监测来分析有关汶川地震断裂动态弱化和摩擦行为,并结合钻孔中长期水文监测计算所得断裂带渗透率变化,分析震后断裂愈合过程,进而探讨和认识汶川地震断裂作用所涉及的上述问题。经过详细研究,确定了汶川地震断裂带(映秀—北川断裂带)宽105~240 m、具有五个不同断裂岩组合的内部结构,是一条经常发生大地震、具多种弱化机制的断裂带;发现了汶川地震不仅具有同震石墨化作用,而且测量到目前世界上最低的动态摩擦系数(≤0.02),同时首次记录到大地震后断裂快速愈合信息。这些研究结果不仅直接回答了一直困扰在地震地质和地震物理学领域几十年的关键问题,而且对完善地震断裂理论和认识汶川地震机制具有极其重要的意义,为防震减灾提供了理论依据。     

地表探槽断裂岩岩石磁学揭示汶川地震断裂带不同滑移机制

岩石磁学能揭示岩石的磁性矿物组合,通过断裂岩不同的磁性矿物组合可揭示地震过程中磁性矿物变化、地震摩擦温度及地震滑移机制等基础地震地质问题。2008年Mw 7.9级汶川地震使两条断裂带同时发生地表破裂,包括映秀-北川和灌县-安县断裂地表破裂带,破裂带上地震断裂岩为岩石磁学提供了大量的研究对象。本研究主要以汶川地震地表破裂带上两个探槽内断裂岩为对象,包括映秀-北川地表破裂带上的八角庙探槽和灌县-安县地表破裂带上的九龙探槽,结合目前已发表的地表及WFSD-1孔的研究成果,从岩石磁学角度探讨汶川地震断裂带经历的地震滑移机制:1综合映秀-北川地震断裂带上八角庙探槽和其它位置的断裂岩岩石磁学研究,结果显示该地震断裂带附近断层泥的高磁化率源于新生的亚铁磁性矿物,如磁铁矿和磁赤铁矿等,故映秀-北川地震断裂曾经历高温快速热增压地震滑移机制;2灌县-安县地震断裂带上九龙探槽内断层泥略低的平均磁化率源于其铁的硫化物含量比断层角砾及侏罗纪砂岩多,铁的硫化物可能源于地震过程或断裂岩抬升到地表后的地表作用,如果断层泥中铁的硫化物多含量源于地震过程,则灌县-安县地震断裂带曾经历低温慢速机械润滑地震滑移机制;3两条断裂经历的不同地震滑移机制可能受控于断裂深部结构,如断层产状,映秀-北川地震断裂带的陡倾角易产生高温快速地震滑移,而灌县-安县地震断裂带的缓倾角更易产生低温慢速地震滑移。     

再探青藏高原十大关键地学科学问题——《地质学报》百年华诞纪念

本文重新审视了青藏高原的关键科学问题,为解决板块构造理论的"登陆"难题提供新的线索,为理解板块汇聚边界的大陆岩石圈演化及其能源资源、地质灾害和全球环境效应提供新的思路.本文探讨了青藏高原如下十大关键地学问题:①印度大陆北漂模型;②印度-亚洲初始碰撞时限;③青藏高原的古特提斯造山作用;④古近纪喜马拉雅造山带的地壳缩短;⑤...     

走滑断裂、"挤压性盆-山构造"与油气资源关系的探讨

了解含油气盆地的形成及其演化的影响因素对于含油气盆地的勘探和开发是至关重要的．以美国西部的圣安德烈斯断裂带及伴生的南加州油气盆地作为参考,对中国青藏高原北部与阿尔金走滑断裂系相关的盆-山构造进行了剖析．探讨阿尔金走滑断裂系在其演化过程中,怎样控制区域应力场、变形构造及盆地的形成,进而制约油气的迁移和圈闭．分析结果表明与圣安德烈斯断裂带在美国南加州的盆-山构造体系所起的作用相比较,阿尔金走滑断裂系在青藏高原北部的盆-山构造体系的形成和演化中起相似的作用．青藏高原相对于塔里木盆地的斜向运动导致在阿尔金走滑断裂的东南形成走滑-挤压构造域．形成一系列的走滑和推覆构造,在地形上表现为包括柴达木盆地在内的有序的盆-山相间的构造体系,与南加州富含油气的盆地相似,阿尔金走滑断裂及相配套的走滑-逆冲推覆构造促使在这些盆地中形成富集油气的构造。     

断裂熔融作用中单质铁的形成及其指示的孕震环境

目前缺乏来自于地震断裂带的假玄武玻璃的原始特征研究,制约着我们对地震孕震环境和地震发生机制的认识。本文以龙门山断裂带汶川科钻2号钻孔岩心的碎裂岩及花岗闪长岩为研究对象,通过氩气环境下的高温加热实验(最高温度达1750℃)、显微结构观察、地球化学分析和岩石磁学测试,探讨断裂熔融作用中单质铁的形成及其指示意义。花岗闪长岩和碎裂岩在1100℃时发生部分熔融作用,形成了非晶质和微晶;在≥1300℃时形成了大量单质铁组成的微球粒,可能是含铁矿物发生了以碳物质为还原剂的高温还原反应。高温实验后样品的磁化率值高于碎裂岩的磁化率值,新生成的磁铁矿是≤1100℃的样品高磁化率值的主要原因;熔融作用中形成的单质铁和少量的磁铁矿是≥1300℃样品高磁化率值的重要原因。结合前人对于快速摩擦实验熔体、地幔物质及陨石的研究,我们认为粘土矿物、硅酸盐矿物含量较多的断层泥在同震滑移中因热增压机制很难形成单质铁;而花岗岩、安山岩、辉长岩、闪长岩等岩浆岩和糜棱岩在流体作用弱和硫化物含量低的环境中易在大地震中形成单质铁。龙门山断裂带的假玄武玻璃的熔融温度≥1300℃,硫元素含量较低并发现有过剩铁元素。因此,表明龙门山断裂带的假玄武玻璃中可能形成了单质铁,其和磁铁矿是假玄武玻璃高磁化率值异常的重要原因,并指示了深部流体作用弱、硫化物含量低、还原性的孕震环境。     

保山地体新元古代——早古生代沉积岩碎屑锆石年代学及其构造意义

滇西潞西地区位于青藏高原东南缘,大地构造位置上属于保山地体。由于新生代强烈的陆内变形作用,保山地体与青藏高原腹地体的对应关系难以确定。野外观察及LA-ICP-MS锆石U-Pb测年结果表明,潞西新元古代—早古生代地层(震旦系—寒武系蒲满哨群及下奥陶统大矿山组)大部分碎屑锆石Th/U0.1,说明其大多为岩浆成因。U-Pb年龄跨度较大,太古宙—早古生代都有分布,且具有明显的562Ma、892Ma及2265Ma年龄峰,以及较弱的1680Ma和2550Ma年龄峰。保山地体潞西地区沉积岩碎屑锆石年龄分布特征与特提斯喜马拉雅、南羌塘沉积地层碎屑锆石年龄分布特征相似,说明其具有相同的物源——冈瓦纳大陆北部的印度大陆。在新元古代晚期—早古生代,保山地体位于印度大陆北缘,与南羌塘、喜马拉雅地体相邻。伴随着俯冲相关的增生造山过程,保山地体形成相应的新元古代末期—早古生代沉积地层。     

基于小震定位与震源机制解信息的阿尔金断裂带东段构造转换研究

阿尔金断裂带东段地区的造转换及其动力学机制研究一直是地学工作者关注的焦点.本文利用双差定位法获取研究区域2008—2017年间6013次地震事件的精确定位数据;整理筛选前人震源机制解36个,并采用P/S波振幅比方法计算获得221个以及CAP方法获得25个震源机制解信息.选择野马河—大雪山断裂作为研究区构造转换研究的突破口,综合小震定位数据与震源机制解信息,并开展野外地质调查进行验证,清晰刻画出该断裂的深部构造形态以及现今的运动特征：由阿尔金断裂带向祁连山方向过渡,断层产状由近直立逐渐转变为倾向南,倾角变缓,震源机制解由走滑性质为主转变为逆冲性质为主,是一个连续渐变的过程,为研究区的构造转换研究提供了直接证据.     

汶川地震(Ms8.0）地表建筑体变形特征及其构造意义

通过汶川地震震区大量的实地考察已证实沿着早先活动断裂主要发育了两条地表破裂带：一条是沿着映秀－北川断裂产生的逆冲伴随右旋走滑破裂带,长275km,最大垂直位移达11m,水平位移达12m; 另一条纯逆冲性质的破裂带,沿着灌县－安县断裂发育,最大垂直位移达4m。活动断裂之上的地表破裂带是野外工作中确定地震断裂性质的重要现象。另外,在活动断裂相邻区域和远离区域的路面以及建筑体还大量存在变形现象。通常沿活动断裂产生的地表破裂是典型的同震破裂,相邻区域的地表路面及建筑体发育的变形属于次生变形,远离区域发育的变形则属于震后变形。对次生变形和震后变形测量数据的应用容易影响活动断裂特征的确定和性质的判断,因为路面等建筑体上的挤压拱起、叠置以及水平错断等现象多是受到地震过程中通过断裂活动突然释放的巨大能量作用在局部地表建筑体产生的变形。但是,分布广泛的挤压现象暗示了区域上挤压应力场环境,有利于地表同震破裂位置的推测及地震断裂性质的判断。     

中国大陆的活动断裂、地震灾害及其动力过程

中国是一个地震灾害严重的国家,强震主要发生在天山、青藏高原和华北地区,其他地区的7级以上破坏性强震相对较弱．天山的强震主要发生在山体两侧的前陆逆冲推覆带上,山体内部也发生构造变形并控制着一系列中强地震的发生．华北西部鄂尔多斯内部构造活动性微弱,周边的地震活动却十分强烈．华北平原的强震主要发生在平原内部的北北东走向隐伏断裂上,特别是这些北北东走向隐伏断裂与燕山南缘张家口-渤海断裂带的交汇部位是巨大地震的发生场所．青藏高原的活动断裂和强震发生均与海拔高度相关：逆冲断裂和逆冲型强震主要发生在高原周边的低海拔区,高海拔的高原内部则以拉张性质的南北向正断裂和共轭走滑断裂为主,走滑断裂发育在高原的不同海拔不同部位,但北部是左旋走滑运动,南部是右旋走滑运动．中国大陆的强震总体上具有分布广泛、西强东弱、动静交替和分块成带的特征,形成这种地震活动图像的原因是中国大陆的强震受控于活动地块的运动和变形．活动地块是被形成于晚新生代、至今强烈活动的构造带所分割和围限的地质单元,其内部相对稳定,具有相对统一的运动方式,主要构造变形和强震都发生在边界带上,有历史记载以来的全部8级强震和80％以上的7级以上强震都发生在活动地块边界带上．在板块挤压、板内地幔对流等动力作用下,大陆活动地块发生相对运动和变形,上地壳的刚性地块运动和非刚性连续变形都是深部黏塑性流动的地表响应,中国大陆的现今构造变形可以用耦合的地块运动和连续变形模式来描述,活动地块的运动和变形是“陆内变形”的重要方式之一．     

四川汶川地震断裂带科学钻探2号孔（WFSD-2）岩性特征和断裂带的结构

以WFSD-2钻孔岩心为研究对象,通过详细的岩心编录和岩石学、构造地质学等研究,识别出该钻孔岩心具有6段岩性,从上向下依次为彭灌杂岩（0-599.31m）、三叠系须家河组二段（599.31-1211.49m）、彭灌杂岩（1211.49-1679.51m）、三叠系须家河组三段（1679.51-1715.48m）、彭灌杂岩（1715.48-2081.47m）、三叠系须家河组四段（2081.47-2283.56m）。彭灌杂岩主要以花岗岩和火山岩为主,三叠系须家河组沉积岩以砂岩、粉砂岩、泥岩、页岩、煤层（线）和砾岩为主。3套彭灌杂岩与三叠系须家河组沉积岩重复出现,时代较老的岩性段逆冲覆盖在新的地层之上,表明龙门山构造带由一系列逆冲岩片叠置而成。岩心中断裂岩较为发育,主要为断层角砾岩、碎裂岩和断层泥,反映出脆性变形作用的特点。通过对断裂岩的统计分析,厘定了20余条产状不同、规模不等的次级断裂带,断裂带宽度和断裂密度峰值显示FZ600、FZ720、FZ782、FZ817、FZ922、FZ951、FZ1449、FZ1681、FZ2082为主要断裂带,其中FZ1681系规模最大的一条断裂。依据断裂岩的组合特征可以将岩心中断裂带的结构以断层泥为核部划分为两大类：对称型断裂带和不对称型断裂带。根据地表破裂带、WFSD-1钻孔岩心中主滑移带位置的几何关系、岩性分层等因素,可推断汶川地震主滑移带应位于FZ1134、FZ1449或FZ1681之中,同时也暗示该地区经常发生类似汶川地震的大地震活动。研究表明,龙门山地区经历了强烈的构造缩短和快速隆升作用,暗示龙门山地区构造活动非常强烈。