2008年青藏高原東緣龍門山地區(qū)地震地表斷層形態(tài)特征

0斷裂運(yùn)動學(xué)特征2008年5月12日，西藏東部龍門山區(qū)發(fā)生了ms8.0級地震，矩震級為7.9級。中心位于映秀市的西南部，震源深度為14.19km。源機(jī)制的解釋結(jié)果表明，它們是反向的和滑動的右旋轉(zhuǎn)（1）（2）。地表破裂調(diào)查和地震臺網(wǎng)記錄的波形數(shù)據(jù)反演的地震破裂過程表明,本次主震具有逆沖走滑性質(zhì)。李海兵等和徐錫偉等對汶川地震形成的同震破裂帶研究認(rèn)為:映秀—北川破裂帶具有復(fù)雜的破裂過程,汶川地震是沿著映秀—北川斷裂(中央斷裂)和安縣—灌縣斷裂(前山斷裂)同時破裂的發(fā)震機(jī)制,但中央斷裂和前山斷裂的運(yùn)動學(xué)性質(zhì)存在差異。進(jìn)一步的震后地表破裂帶調(diào)查資料表明,后山斷裂的汶川—茂縣段和平武—青川段也有規(guī)模較小的地表破裂發(fā)育。這表明汶川MS8.0級地震致使組成龍門山斷裂帶的3條主要斷裂均有不同程度活動。那么,后山斷裂在汶川MS8.0級地震中斷裂的運(yùn)動學(xué)特征是怎樣的?其運(yùn)動學(xué)性質(zhì)是否也存在差異?如果后山斷裂的運(yùn)動學(xué)性質(zhì)和中央斷裂運(yùn)動學(xué)性質(zhì)相似,那么造成龍門山斷裂帶運(yùn)動學(xué)性質(zhì)存在差異的動力學(xué)背景是怎樣的?目前,對上述問題知之甚少。筆者在震后實地調(diào)查的基礎(chǔ)上,詳細(xì)測量了汶川MS8.0級地震誘發(fā)龍門山斷裂帶斷裂活動的構(gòu)造要素,對后山斷裂、中央斷裂和前山斷裂面上正反階步和新生擦痕產(chǎn)狀進(jìn)行了分析,為揭示龍門山斷裂帶中不同斷裂運(yùn)動學(xué)性質(zhì)和構(gòu)造應(yīng)力方向分布特征提供了依據(jù);并進(jìn)一步探討了后山斷裂平武—青川段和中央斷裂北川—平通段構(gòu)造應(yīng)力場方向發(fā)生轉(zhuǎn)換的動力學(xué)機(jī)制。1龍門山斷裂帶龍門山斷裂帶位于青藏高原東緣、四川盆地西緣,處于巴顏喀拉地塊和揚(yáng)子板塊的交接部位(圖1)。在整個高原周緣地區(qū),龍門山區(qū)域的地形坡度最陡、梯度變化最大,地形高差可達(dá)3000~4500m。龍門山不僅是中國東部和西部地形地貌的界限,而且是我國南北地震帶的中段,是我國最重要的地震活動帶之一。龍門山斷裂帶整體走向NE45°,傾向NW,近地表傾角50°~70°,由4條主要逆沖斷裂組成,自西北向東南分別為:(1)后山斷裂:汶川—茂縣斷裂和平武—青川斷裂;(2)中央斷裂:映秀—北川斷裂;(3)前山斷裂:安縣—灌縣斷裂;(4)龍門山山前隱伏斷裂(圖2)。1.1茂縣—后山斷裂龍門山后山斷裂走向25°~45°,南起瀘定一帶,向NE經(jīng)隴東、魚子溪、耿達(dá)、草坡、汶川、茂縣、平武、青川進(jìn)入陜西境內(nèi)。該斷裂由一系列傾向NW的疊瓦狀逆斷層組成,地表傾角較大,在耿達(dá)鄉(xiāng)至草坡鄉(xiāng)一帶,斷層上盤為志留系茂縣群灰色-灰綠色千枚巖夾灰?guī)r,巖性破碎強(qiáng)烈,斷層下盤為前震旦紀(jì)花崗巖(彭灌雜巖),斷層面新鮮,巖性較破碎。草坡鄉(xiāng)北東段至茂縣北東段汶川與茂縣之間,前震旦紀(jì)花崗巖和震旦—奧陶紀(jì)石英砂巖、泥質(zhì)灰?guī)r等逆沖于志留紀(jì)或泥盆紀(jì)千枚巖、石英巖、石英砂巖之上。茂縣—汶川斷裂向北東延入志留系茂縣群內(nèi)部,地表無明顯錯斷。汶川地震發(fā)生過程中,在汶川縣耿達(dá)鄉(xiāng)附近、草坡鄉(xiāng)樟排村和青川縣城附近出現(xiàn)了地表破裂現(xiàn)象。其中,耿達(dá)鄉(xiāng)附近、草坡鄉(xiāng)樟排村附近出現(xiàn)的地裂縫顯示出左旋走滑特征。1.2逆沖帶和斷裂帶的演化龍門山中央斷裂西南始于滬定附近,向北東延伸經(jīng)鹽井、映秀、北川、茶壩插入陜西境內(nèi)與勉縣—陽平關(guān)斷裂相交,斜貫整個龍門山,長度超過500km。斷裂總體走向45°,傾向NE,傾角約60°。從三江口向北東延伸,經(jīng)映秀至清平,前震旦紀(jì)彭灌雜巖直接逆沖于上三疊統(tǒng)須家河組之上。清平至北川,該斷裂連續(xù)性變差,總體表現(xiàn)為震旦系和下古生界逆沖于上古生界—中三疊統(tǒng)之上。由北川向北東延伸,斷裂經(jīng)南壩后連續(xù)性變差,總體表現(xiàn)為變質(zhì)的寒武系和震旦系逆沖于未變質(zhì)的志留系之上。斷裂呈現(xiàn)出明顯的分段活動性,北川以北斷裂晚更新世以來活動性較弱。另外,廣泛分布于龍門山推覆構(gòu)造帶前緣的飛來峰群構(gòu)成規(guī)模巨大的飛來峰體系,其平面展布和構(gòu)造線方向與龍門山推覆構(gòu)造一致,并且與龍門山構(gòu)造演化密切相關(guān)。龍門山主干斷裂截覆飛來峰,直觀反映了龍門山構(gòu)造帶具有很強(qiáng)的新構(gòu)造活動性。1.3地表斷裂帶龍門山前山斷裂經(jīng)灌縣、江油、廣元延入陜西寧強(qiáng)、勉縣一帶,主要發(fā)育于中生代地層中,總體走向呈35°~45°,傾向NW,傾角50°~70°。龍門山前山斷裂是由眾多逆沖斷層組成的斷裂帶,單條斷層往往延伸范圍有限。該斷裂是龍門山?jīng)_斷帶和四川盆地的現(xiàn)今分界斷裂,主要沿上三疊統(tǒng)須家河組發(fā)育,巖性主要為砂巖、頁巖夾煤層等。斷裂經(jīng)過九龍、漢旺、西屏等地向北東延伸,直至江油,總體表現(xiàn)為三疊系逆沖于侏羅系之上(圖2)。侏羅系巖性主要由泥巖、粉砂巖、泥灰?guī)r和礫巖等組成。自江油向北東,由于被侏羅系不整合覆蓋,斷裂斷續(xù)出露,至馬角壩一帶由數(shù)條平行的斷層組成疊瓦斷層帶,主要沿中下三疊統(tǒng)內(nèi)部發(fā)育;再向北東至廣元寶輪地區(qū),斷裂多隱伏于地下,地表錯斷不明顯。位于龍門山斷裂帶北側(cè)的南北向岷山隆起帶是一條現(xiàn)代活動強(qiáng)烈的擠壓構(gòu)造帶和強(qiáng)震活動帶。該隆起帶兩側(cè)受2條南北走向的地震斷裂帶控制:東側(cè)為虎牙斷裂,西側(cè)為岷江斷裂。這2條斷裂的現(xiàn)今活動均為逆左旋走滑,它們之間為EW向雪山斷裂連接。汶川地震致使中央斷裂和前山斷裂南段分別發(fā)育長約275km和80km的地表破裂帶外,在這2條破裂帶之間還發(fā)育若干條次級的同震地表破裂。從整個汶川地震地表破裂帶的幾何學(xué)和運(yùn)動學(xué)特征來看,以綿竹清平鄉(xiāng)為界,可將整個地表破裂帶分為南、北兩段:南段破裂帶由兩條長度相當(dāng)、相互平行的NE向破裂帶:映秀—清平破裂帶和漢旺破裂帶組成,包括連接這2條破裂帶的NW向小魚洞破裂帶,南段以逆沖作用為主兼有右旋走滑作用;北段破裂帶由一條NE向北川—南壩破裂帶構(gòu)成,以右旋走滑逆沖作用為特征。1.4地表內(nèi)的低層序地層龍門山山前隱伏斷裂是發(fā)育在龍門山山前及成都平原西緣的一條隱伏構(gòu)造,地表僅斷續(xù)出露一些傾向南東的小斷層(圖2)。該斷裂發(fā)育于揚(yáng)子板塊內(nèi)部,是龍門山前山帶逆沖活動向前陸擴(kuò)展的結(jié)果,斷裂上盤發(fā)育開闊背斜。2龍門山地區(qū)地質(zhì)特征對構(gòu)造應(yīng)力場的反演構(gòu)造應(yīng)力場是在一個空間范圍內(nèi)構(gòu)造應(yīng)力的分布,即在靜巖應(yīng)力狀態(tài)下,由于構(gòu)造運(yùn)動所附加的應(yīng)力分布,構(gòu)造應(yīng)力場是決定構(gòu)造變形空間分布規(guī)律的關(guān)鍵。研究表明,地殼在某一特定的演化階段,構(gòu)造應(yīng)力場是相對統(tǒng)一的,其主應(yīng)力方向基本保持不變,這樣可以通過多種地質(zhì)方法反演古構(gòu)造應(yīng)力場方向。龍門山地區(qū)在汶川MS8.0級地震發(fā)生過程中,前山斷裂、中央斷裂和后山斷裂均不同程度發(fā)生活動。通過測量斷裂面上的正反階部和擦痕,可以很好地反演區(qū)域構(gòu)造應(yīng)力場特征。本次工作中分別選擇龍門山地區(qū)后山斷裂、中央斷裂和前山斷裂中發(fā)育的新鮮斷層面和最新一次擦痕進(jìn)行觀測。值得指出的是,盡管所測量的某些擦痕可能不是本次汶川地震造成的,但其可以代表更新世以來的應(yīng)力狀況,分析結(jié)果證明這種處理是合理的。2.1構(gòu)造應(yīng)力場實測與分析通常認(rèn)為:0°≤α<20°,斷層運(yùn)動以水平運(yùn)動分量為主,屬走滑斷層;70°≤α<90°,為逆(正)斷層;45°≤α<70°,為逆(正)-走滑斷層;20°≤α<45°,為走滑-逆(正)斷層。其中,α為擦痕側(cè)伏角。利用斷層擦痕數(shù)據(jù)反演構(gòu)造應(yīng)力場是目前恢復(fù)古構(gòu)造應(yīng)力場最為有效而廣泛使用的方法。其具體步驟是:在野外確定了某一斷層的運(yùn)動方向之后,實測10~20組斷面與擦痕產(chǎn)狀(傾伏向和傾伏角);然后室內(nèi)應(yīng)用基于Angelier方法的計算機(jī)軟件直接算出σx、σy和σz3個主應(yīng)力的空間方位角,并自動成圖。2.2分析的結(jié)果分析結(jié)果見表1和圖3。2.2.1逆-走滑斷層耿達(dá)鄉(xiāng)和草坡鄉(xiāng)2個觀測點(diǎn)(E100和E101),斷層面上實測擦痕側(cè)伏角數(shù)據(jù)大于80°,側(cè)伏向為NNW,通過斷層面上發(fā)育的階步、反階步及伴生構(gòu)造均指示該段斷層性質(zhì)為逆沖斷層。進(jìn)一步通過擦痕測量反演出σx分別為312.3°∠49.8°和322.7°∠40.4°。草坡北東至茂縣段的3個觀測點(diǎn)(E99、E96、E95),實測擦痕側(cè)伏角數(shù)據(jù)為45°~52°,側(cè)伏角方向為SWW,斷層面上發(fā)育的階步、反階步及伴生構(gòu)造均指示該段斷層性質(zhì)為逆-走滑斷層。在該段3個觀測點(diǎn)處反演出σx分別為299.5°∠32.1°,282.4°∠23.5°和280.8°∠18.1°。平武縣至青川縣段的3個觀測點(diǎn)(E147、E151、E153),實測擦痕側(cè)伏角數(shù)據(jù)為20°~30°,側(cè)伏角方向為SW,斷層面上的階步、反階步及伴生構(gòu)造均指示該段斷層性質(zhì)為走滑-逆斷層。在該段3個觀測點(diǎn)處反演出σx分別為269.7°∠13.8°,269.6°∠2.6°和263.0°∠0.5°。該段反演出的σx方位明顯不同于耿達(dá)鄉(xiāng)至茂縣段。2.2.2雙觀測點(diǎn)點(diǎn)沿斷層面伏面的特征水磨鎮(zhèn)至小魚洞鄉(xiāng)的4個觀測點(diǎn)(E107、E109、E110、E115)斷層面上實測擦痕側(cè)伏角數(shù)據(jù)大于70°,而且在映秀附近觀測點(diǎn)E109的擦痕側(cè)伏角達(dá)到了最大值74°,斷層性質(zhì)為逆沖斷層。除了映秀南西觀測點(diǎn)E107的擦痕側(cè)伏向為NW之外,其余各點(diǎn)擦痕側(cè)伏向均為SW—SWW,斷層面上發(fā)育的階步、反階步及伴生構(gòu)造均指示該段斷層性質(zhì)為逆沖斷層,反演出σx分別為323.6°∠20.9°,292.0°∠27.0°,281.4°∠25.0°和312.7°∠40.6°。自小魚洞鎮(zhèn)向北東方向至北川縣北東段,沿斷層實測了5個觀測點(diǎn)(E121、E125、E126、E128、E134),擦痕側(cè)伏角數(shù)據(jù)均大于45°,在北川縣北東E134觀測點(diǎn)達(dá)到最大值65°。上述5個觀測點(diǎn)除了北川縣西南擂鼓鎮(zhèn)附近的E107擦痕側(cè)伏向為NW之外,其余各點(diǎn)擦痕側(cè)伏向均為SW—SWW,斷層面上發(fā)育的階步、反階步及伴生構(gòu)造均指示該段斷層性質(zhì)為逆-走滑斷層,反演出σx分別為277.8°∠21.8°,277.8°∠22.4°,297.3°∠9.8°,304.7°∠4.3°和285.6°∠38.5°。在北川縣北東至南壩鄉(xiāng)段,實測了3個觀測點(diǎn)(E138、E142、E143),擦痕側(cè)伏角數(shù)據(jù)均大于20°,在北川縣北東的E134處達(dá)到最大值40°。上述3個觀測點(diǎn)擦痕側(cè)伏向均為SW,斷層面上發(fā)育的階步、反階步及伴生構(gòu)造均指示該段斷層性質(zhì)為走滑-逆斷層,反演出σx分別為260.9°∠18.3°,268.4°∠2.8°和63.6°∠16.5°。該段反演出σx方向明顯不同于水磨鄉(xiāng)至北川北東段,而與平武縣至青川縣段相似。2.2.3拉伸角度分布特征在都江堰市至鎣華鎮(zhèn)段實測了4處(E112、E116、E118、E120),斷層面擦痕側(cè)伏角數(shù)據(jù)均大于70°,在小魚洞鄉(xiāng)西南側(cè)的E112處達(dá)到最大值80°。除了觀測點(diǎn)E112的擦痕側(cè)伏向為NW之外,其余各點(diǎn)擦痕側(cè)伏向均為SW—W,斷層面上發(fā)育的階步、反階步及伴生構(gòu)造均指示該段斷層性質(zhì)為逆沖斷層,反演出σx分別為321.8°∠19.3°,292.0°∠37.0°,298.9°∠35.0°和296.6°∠30.5°。鎣華鎮(zhèn)段至西坪鄉(xiāng)的3個觀測點(diǎn)(E122、E127和E140)斷層面上實測擦痕側(cè)伏角數(shù)據(jù)≤60°,在西坪鄉(xiāng)附近的E140處達(dá)到最大值60°。各點(diǎn)擦痕側(cè)伏向均為SW—SWW,斷層面上發(fā)育的階步、反階步及伴生構(gòu)造均指示該段斷層性質(zhì)為逆-走滑斷層,反演出σx分別為277.5°∠36.7°,285.4°∠20.5°和285.2°∠15.5°。綜合上述分析結(jié)果,前山斷裂擦痕反演出主壓應(yīng)力軸方位來自NWW至近EW向主壓應(yīng)力影響,其與后山斷裂的耿達(dá)鄉(xiāng)至茂縣石鼓鄉(xiāng)段和中央斷裂水磨鎮(zhèn)至北川縣段的主壓應(yīng)力方位基本一致,主壓應(yīng)力方位水平投影多數(shù)集中在280.8°~323.6°,個別集中在277.5°~277.8°;然而,后山斷裂的平武—青川段和中央斷裂北川縣北東至南壩鎮(zhèn)北東段的主壓應(yīng)力軸方位水平投影集中在263.0°~269.7°,表明斷裂受到來自SWW—W向主壓應(yīng)力的影響,前山斷裂和后山斷裂存在顯著的差異。3在反演過程中，同一地震斷裂運(yùn)動的特點(diǎn)被用來預(yù)測高度3.1疊世構(gòu)造變形特點(diǎn)斷層面擦痕側(cè)伏角分析結(jié)果顯示,汶川MS8.0級地震的同震斷裂帶分布具有分段性特征(表1,圖3)。在震中映秀鎮(zhèn)附近,中央斷裂水磨鄉(xiāng)至小魚洞鄉(xiāng)附近(E107—E115)斷層面上擦痕側(cè)伏角大于70°,沿著斷裂向北東方向至茶坪鄉(xiāng)附近擦痕側(cè)伏角有逐漸減小的趨勢。然而,在北川縣擂鼓鎮(zhèn)附近(E128)和北川縣北東(E134)斷層面上擦痕側(cè)伏角明顯增大,特別是在E134處擦痕側(cè)伏角達(dá)到了65°,隨后在南壩鄉(xiāng)附近(E138—E143)擦痕側(cè)伏角再次出現(xiàn)減小的趨勢(表1,圖3和圖4)。這與根據(jù)地表破裂分析斷裂運(yùn)動學(xué)性質(zhì)基本吻合。此外,筆者注意到在映秀西南的E107和擂鼓鎮(zhèn)附近的E128擦痕側(cè)伏向為NW—NWW,明顯不同于中央斷裂其他觀測點(diǎn)的擦痕側(cè)伏向SW—SWW;這種運(yùn)動特征與地震波數(shù)據(jù)反演結(jié)果相吻合,說明地震在能量釋放過程中,以不對稱雙側(cè)破裂的方式分別向NE與SW方向傳播,其中朝NE方向明顯強(qiáng)于SW方向。北川縣緊鄰唐王寨飛來峰的西緣,該飛來峰位于龍門山北段,在晚三疊世構(gòu)造變形已經(jīng)基本定型。其內(nèi)部主體構(gòu)造為向斜,底部與準(zhǔn)原地系統(tǒng)的滑脫面為斷層接觸,斷層的剖面形態(tài)為“勺形”,平面上呈圈閉。在地震波傳遞到北川縣附近,應(yīng)變在唐王寨飛來峰高度積累,應(yīng)變超過地表巖石的抗剪強(qiáng)度后,同震破裂斜切主斷裂發(fā)生了二次破裂事件。擂鼓鎮(zhèn)附近斷層觀測點(diǎn)E128擦痕側(cè)伏向傾向NW—NWW說明了在二次破裂過程中存在向SW方向運(yùn)動的特點(diǎn)。后山斷裂汶川—茂縣段和前山斷裂的運(yùn)動學(xué)特征與中央斷裂有著許多相似之處(圖3),在后山斷裂E100—E101之間斷層面上擦痕側(cè)伏向與中央斷裂E107點(diǎn)的擦痕側(cè)伏向相似,都是傾向NW—NWW,傾角大于70°;這表明后山斷裂觀測點(diǎn)E100—E101附近斷層有明顯向西南方向逆沖的特征,這可能與后山斷裂在草坡鄉(xiāng)至耿達(dá)鄉(xiāng)段距離震中較近,而且斷裂走向向南發(fā)生偏轉(zhuǎn)以及局部應(yīng)力方向與草坡鄉(xiāng)北東的汶川—茂縣段(E99—E95)有一定差異有關(guān)。在后山斷裂汶川—茂縣段的觀測點(diǎn)E99—E95和前山斷裂觀測點(diǎn)E122—E127處的擦痕側(cè)伏角出現(xiàn)減小的趨勢(表1,圖3和圖4)。前山斷裂在都江堰至鎣華鄉(xiāng)段(E112—E122)表現(xiàn)為逆沖性質(zhì),這與中央斷裂映秀—小魚洞鄉(xiāng)段(E109—E115)運(yùn)動學(xué)特征相似,前山斷裂主要沿上三疊統(tǒng)須家河組發(fā)育,總體表現(xiàn)為三疊系逆沖于侏羅系之上。上三疊統(tǒng)須家河組主要由砂巖、頁巖夾煤層等組成,而侏羅系主要由泥巖、粉砂巖、泥灰?guī)r和礫巖等組成。這2套巖層的抗剪強(qiáng)度均較弱,前山斷裂的運(yùn)動學(xué)特征與中央斷裂映秀—北川段有著很好的相似性(圖3);這可能說明前山斷裂運(yùn)動學(xué)特征受到中央斷裂影響,在中央斷裂E109—E115處表現(xiàn)出的逆沖性質(zhì)與前山斷裂E112—E118處表現(xiàn)出的逆沖性質(zhì)對應(yīng),而中央斷裂E121—E134處與前山斷裂E122—E140處表現(xiàn)出逆-走滑性質(zhì)相對應(yīng)。由此可見,在汶川MS8.0級地震發(fā)生過程中,能量主要是向北東方向傳播,后山斷裂和中央斷裂之間所夾的彭灌雜巖塊體在距離震中較近的部位發(fā)生強(qiáng)烈的逆沖作用,致使其下盤三疊統(tǒng)須家河組軟弱巖層被擠壓牽引作用,以相似的運(yùn)動方式發(fā)生向上逆沖。地震波在地殼介質(zhì)中向北東方向傳播時,振幅隨著震中距離的增大而衰減。陳運(yùn)泰(1)研究表明,隨著斷裂不同部位應(yīng)力場方向的變化,同震斷裂在在不同地段的運(yùn)動學(xué)特征也發(fā)生了相應(yīng)的調(diào)整和轉(zhuǎn)換,這在中央斷裂、后山斷裂和前山斷裂不同地段有很好的反映。另外,吳滿路等根據(jù)汶川地震后在龍門山斷裂帶南段的寶興地區(qū)的地應(yīng)力測量結(jié)果,并與震前其他應(yīng)力測量結(jié)果和中國其他地區(qū)表層地應(yīng)力測量結(jié)果比較,顯示龍門山斷裂帶西南段處于相對高應(yīng)力水平。根據(jù)筆者的調(diào)查分析結(jié)果(表1和圖3),后山斷裂草坡鄉(xiāng)至耿達(dá)鄉(xiāng)觀測點(diǎn)E100至E101、中央斷裂映秀西南觀測點(diǎn)E107,斷層面擦痕傾伏為NW—NNW向,不同于其他各點(diǎn)擦痕側(cè)伏向SW—SWW。這表明地震波傳播過程主要是沿著斷裂向NE方向傳播,但同時存在向SW方向傳播過程,可能是由于受到彭灌雜巖西南側(cè)寶興雜巖和康定雜巖等阻擋,這些雜巖抗剪強(qiáng)度較高,吸收了向西南方向的能量致使它們應(yīng)力值相比汶川地震前有所增高。3.2關(guān)于均間構(gòu)造背景的差異及區(qū)域差異前人通過不同方法獲得龍門山地區(qū)現(xiàn)代應(yīng)力場的主壓應(yīng)力軸方位為NWW至近EW向,這個結(jié)果與龍門山地區(qū)后山斷裂汶川—茂縣段、中央斷裂映秀—北川段以及山前斷裂安縣—都江堰段通過斷層面上擦痕反演出的應(yīng)力場方向323.6°~277.5°一致。然而,這與后山斷裂的平武—青川段和中央斷裂的北川—南壩鎮(zhèn)段斷層面上擦痕所反演出應(yīng)力場方向263.0°~269.7°存在一定的差異。造成這種區(qū)域應(yīng)力場的轉(zhuǎn)換可能與南北