臺灣集集大地震的地表逆斷層活動及其活動模式

臺灣集集大地震的地表逆斷層活動及其活動模式

1月日潭邊地余震1999年9月21日上午1點(diǎn)47分12.6秒，臺灣中部南投縣集點(diǎn)區(qū)發(fā)生了強(qiáng)烈的7.3級地震（以下簡稱9.21集點(diǎn)大地震）。震中位于日月潭西方12.5km,即北緯23.85°,東經(jīng)120.78°,震源深度7.5km1。當(dāng)天除了主震外,還有五百多次余震,其中最大的一次發(fā)生在臺中地區(qū)凌晨2時(shí)16分16秒,震級6.8。9月22日上午8時(shí)14分40秒,日月潭東邊又發(fā)生了6.8級余震。集集大地震發(fā)生后的第六天,9月26日上午7時(shí)52分50秒再次發(fā)生6.8級強(qiáng)烈余震,震中位于日月潭東方10km。這種在7.3級主震以后一周內(nèi)發(fā)生3次6.8級的余震現(xiàn)象,舉世罕見。集集地震是臺灣百年來最大的地震,也是數(shù)十年來對臺灣社會造成最大沖擊的自然災(zāi)害事件。集集大地震主要是臺中盆地東緣的車籠埔斷層再度錯(cuò)動引起的。據(jù)歷史記載,車籠埔斷層在1917年曾有過約15cm的位移量,時(shí)隔80年后,又再次活動。張建興等2(1999)依地震資料得到集集大震初始錯(cuò)動位置為東經(jīng)120.82°,北緯23.85°,深度約為8km。得到的地震斷層面解之一為:走向20°,傾角30°,滑角(rake)85°,它與車籠埔斷層幾何相符,即地震斷層面向東傾約30°進(jìn)入地下,使得此次大震震中位于地表斷層線以東約十幾公里。此外,地震還引發(fā)出現(xiàn)土壤液化、沙化現(xiàn)象。本文根據(jù)集集地震后進(jìn)行的地震地表斷層和相關(guān)構(gòu)造的調(diào)查結(jié)果,對地震產(chǎn)生的地表斷層破裂特征進(jìn)行描述和分析。2地表斷裂試驗(yàn)集集大地震在地表形成的破裂沿車籠埔斷層和臺中盆地的東側(cè)邊緣分布,基本上呈南北走向,由南投縣竹山鎮(zhèn)南側(cè)的桶頭橋開始,向北經(jīng)竹山、名間、南投、草屯、霧峰、太平、臺中、豐原,然后向東彎了70°切過石岡到大甲溪,斜切入苗栗縣卓蘭鎮(zhèn)的內(nèi)彎,延伸長度80多km(圖1)。從竹山到太平這一地震斷層的南段,地震斷層主要是再次沿著舊的車籠埔斷層面錯(cuò)動,沿著麓山帶與平原區(qū)的交界處可見斷層出露,即沿著老斷層崖逆沖而上。該段地震斷層走向以南北向?yàn)橹?斷面傾角30°～60°,斷層?xùn)|側(cè)上盤為上新統(tǒng)錦水頁巖與卓蘭層,西側(cè)下盤為現(xiàn)代沖積層。地震斷層的北段,太平至石岡,斷層主要沿著麓山帶前緣的山區(qū)出露,上下盤均為上新統(tǒng)錦水頁巖與卓蘭層。過豐原轉(zhuǎn)向石岡,斷層為N40°E走向,過大甲溪后則以N70°E走向經(jīng)石岡水壩、東西走向的大甲溪河谷及其附近地區(qū)到達(dá)卓蘭鎮(zhèn)的內(nèi)彎,并繼續(xù)向東北延伸。地震斷層進(jìn)入卓蘭后分為三支(王乾盈2,1999)并發(fā)散,斷層由一系列彼此平行呈東北-西南走向的高角度正斷層所組成,具明顯的拉張分量,林慶偉等2(1999)在該區(qū)觀察到斷層除傾向滑移外,部分具明顯的右旋位移;王乾盈③(1999)則觀察到在該區(qū)斷層變?yōu)榫呙黠@左移成分的斜移斷層。該斷層北段是集集大地震造成的災(zāi)區(qū)變形的北緣,也是此次大震之余震分布的北部界線。從地表地形觀測來看,北端的地震斷層是新生成的。地表破裂的露頭測量顯示,主要逆斷層帶中的斷層以30°～50°的角向西北逆沖而上。位于車籠埔斷層線以東約15km內(nèi)的上盤,整體向西北方向水平位移量達(dá)3～4m,最大在東勢達(dá)8.5m;南段上升0.5～8m。震后對地震斷層破裂的垂直位移量的現(xiàn)場調(diào)查結(jié)果是:南段竹山1～1.5m(局部達(dá)3m),草屯1.5～1.9m,霧峰1.5～1.7m,臺中3.0～3.6m,豐原3.5m,石岡4.0～6.0m,卓蘭局部達(dá)5～6m。如在臺中市一軍營房可見步道斷層陡坎,NE盤抬升3.1m(照1);臺中聚興村土地廟上方地表斷層陡坎,北盤抬升1.5m,并伴隨寬60cm的地表張裂縫(照2);垂直位移南段2～3m,北段3～8m。該地震斷層除了垂直位移外,還觀測到左旋水平位移,如在豐原市東南測得斷層垂直位移量3.6m,左旋水平位移量3.2m;在臺中市綠野仙鄉(xiāng)的綠野仙別墅區(qū)的地表破裂處測得垂直位移量3.7m,左旋水平位移量4.7m;林慶偉等2(1999)在內(nèi)彎附近的逆沖斷層測得垂直位移量6.2m,左旋水平位移量2.5m?？傮w上,實(shí)測斷層的左旋水平位移量在南段為0～3m,北段為3～5m;垂直斷層走向的水平縮短量在南段為2～3m,北段為3～6m。地表破裂表現(xiàn)為逆斷層的幾何形態(tài),同時(shí)在有些地點(diǎn)伴隨有較大的左旋分量。野外考察所觀測到的主要的構(gòu)造剖面(圖2)顯示地震破裂帶結(jié)構(gòu)復(fù)雜,例如豐原觀測到冒起構(gòu)造(pop-upstructure),即除了向西的主逆沖斷層外,還有向東的背沖斷層以及平行或垂直斷層走向的張性裂縫。照3是豐原見到的地表斷層陡坎,其斷層北東盤抬升約2m;在太平觀察到重力滑動構(gòu)造(gravitationallandslide),即重力作用引發(fā)的正斷層;而在草屯呈現(xiàn)為復(fù)合逆沖斷裂系(圖2)。在豐原市東南一水渠處觀察到斷層錯(cuò)動產(chǎn)生的擦痕。李建成等1(1999)從斷層擦痕分析得到地表斷層發(fā)生時(shí)的最大主應(yīng)力軸為水平擠壓應(yīng)力,方向?yàn)镹W-SE,同時(shí)在區(qū)域分布上,由南向北有順時(shí)針旋轉(zhuǎn)的趨勢:南段方位為100°～120°,北段方位為130°～160°。3邊界及構(gòu)造背景臺灣島位于菲律賓海板塊和歐亞大陸板塊相互擠壓的板塊碰撞活動帶(Angelier,etal.,1986;Byrne,etal.,1998;Lu,etal.,1998;Teng,etal.,1998;許力生等,1999)。在臺灣的西南部,歐亞大陸板塊沿著馬尼拉海溝向東朝著菲律賓海板塊下方俯沖;而在其東北部,菲律賓海板塊又沿著琉球海溝向西北朝著歐亞大陸板塊下俯沖;在臺灣島上則是菲律賓海板塊之島弧仰沖至歐亞大陸板塊之上(板塊邊界由菲律賓海板塊與歐亞大陸板塊之間約50°向東南傾斜的花東縱谷逆沖斷層構(gòu)成)。據(jù)近年GPS測量結(jié)果(Yu,etal.,1996;Yu,etal.,1997),菲律賓海板塊相對于歐亞大陸板塊向西移動,在臺灣附近一帶沿130°方向每年縮短8.2cm。王彥斌、李建成在1999年11月與法國Angelier教授對板塊碰撞邊界的花東縱谷中的臺東池上活斷層的地表測量表明,該斷層平均每年水平縮短約2.2cm,垂直位移1.8cm,左旋位移量1.3cm,說明池上活斷層每年以逆沖方式釋放菲律賓海板塊向西北擠壓能量的1/4(Angelier,etal.,1997)。從橫穿臺灣島中部的剖面圖(圖3)和圖1看,車籠埔斷層在臺灣西部麓山帶中與彰化斷層和雙冬斷層一起構(gòu)成向東南傾斜的疊瓦狀斷層系統(tǒng)(imbricatefaultsystem)(圖3),由西向東分別為彰化斷層、車籠埔斷層及雙冬斷層;每條斷層伴隨有背斜褶皺構(gòu)造(斷層上盤)及向斜褶皺構(gòu)造(斷層下盤)。地層的分布越往西地層年代越年輕,同時(shí)這也指示逆斷層作用基本上由東向西逐漸遷移,表現(xiàn)為1Ma前雙冬斷層急劇活動;約0.7Ma,車籠埔斷層形成,并在其西部形成臺中盆地;約0.5Ma之后,在臺中盆地西側(cè)再度形成彰化斷層(劉聰桂等,1999)。根據(jù)此次大地震地表斷層的野外調(diào)查,認(rèn)為地表破裂與其深部構(gòu)造密切相關(guān)。當(dāng)菲律賓海板塊向歐亞大陸板塊聚合并作用于臺灣島的西部麓山帶時(shí),該區(qū)域的深部基底可能起重要作用。由臺灣西部麓山帶地質(zhì)構(gòu)造剖面圖(周瑞敦等,1986;,何春蓀1,1997)和圖4,可知西部麓山帶的這些低角度逆斷層的巖層都是第三紀(jì)的碎屑巖,而基底巖層卻未見出露。圖3和圖4的構(gòu)造剖面圖表明西部麓山帶的逆斷層和褶皺作用限制在基底之上的沉積巖層中。這一表層滑動作用的構(gòu)造特征已有許多報(bào)告確認(rèn),并且逆沖巖塊顯然無根。由此可以證明在上述疊瓦狀構(gòu)造帶的下面可能存在一個(gè)表層滑動面(decollement)(何春蓀1,1997)。本次地震的地震震源深度恰好與臺灣西部麓山帶中生代基底與其上的沉積蓋層的界面之間的深度大體一致(張建興等,1999;何春蓀1,1997;許樹坤2,1999)。在與臺灣西部麓山帶構(gòu)造背景相似的新疆天山北麓的1906年瑪納斯7.7級地震區(qū),曾進(jìn)行了地表活動構(gòu)造1:5萬地質(zhì)填圖和地震反射探測工作,證實(shí)了北天山山前的3排逆斷裂-褶皺帶下面存在深部滑脫面(鄧起東,1999;Dengetal.,1996)。由此推測,如果將來在集集地震區(qū)開展地震反射探測工作,將能檢驗(yàn)關(guān)于西部麓山帶基底和蓋層之間的滑脫面對地震發(fā)生起重要作用的認(rèn)識。4露頭地震地質(zhì)分析(1)臺灣9.21集集大地震是由車籠埔斷層發(fā)生逆沖作用造成的。地震地表破裂帶全長約80km,地表斷層面基本上呈南北走向,破裂主要表現(xiàn)為逆斷層,但破裂帶結(jié)構(gòu)復(fù)雜,有冒起構(gòu)造(pop-upstructure)、重力滑動形成的正斷層等現(xiàn)象。(2)地震地表破裂的露頭測量顯示,斷層上盤沿傾角30°～50°逆斷層面向西北逆沖而上。南段垂直位移量2～3m,北段3～8m;斷層的左旋水平位移量在南段為0～3m,北段為3～5m;垂直斷層的水平縮短量在南段為2～3m,北段為3～6m。(3)根據(jù)臺灣西部麓山帶的地質(zhì)構(gòu)造剖面分析,認(rèn)為地震震源深度恰好與臺灣西部麓山帶中生代基底與其上的沉積蓋層之間的界面的深度大體一致,而西部麓山帶第三紀(jì)地層和其