汶川地震地表破裂活動(dòng)特征

汶川地震地表破裂活動(dòng)特征

斷層破碎帶范圍2008年5月28日，地震發(fā)生在四川省綿川市（31.0n，103.4e）。地震資料反演表明,主震具有逆走滑性質(zhì)。沿線崩塌、滑坡、泥石流、堰塞湖等次生地質(zhì)災(zāi)害不計(jì)其數(shù)。本文基于地震破裂帶構(gòu)造現(xiàn)象的詳細(xì)調(diào)查,根據(jù)活斷層分段的原理和方法劃分?jǐn)鄬悠屏褞?。?duì)于增加地表破裂過程的認(rèn)識(shí),了解地震發(fā)生的機(jī)理,促進(jìn)地震中長(zhǎng)期趨勢(shì)判定等研究具有一定的意義。1巴顏喀拉—區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造格架龍門山斷裂帶是汶川8.0級(jí)地震的發(fā)震構(gòu)造(圖1),位于青藏高原的東邊界,劃分四川盆地與川西高原,構(gòu)成華南地塊和巴顏喀拉地塊的分界線[8,9,10,11,12,13,14,15]。該斷裂帶是一條大型逆沖推覆性質(zhì)的構(gòu)造帶,南起四川瀘定,向北東延伸至陜西勉縣一帶,全長(zhǎng)約500km,寬30～60km,主要由4條逆斷裂及夾持其間的推覆體組成,自北西向南東分別為龍門山后山斷裂帶、龍門山中央斷裂帶、龍門山前山斷裂帶和龍門山山前隱伏斷裂(見圖1中虛線框)。斷裂帶的東側(cè)發(fā)育有前陸盆地,每條斷裂又各由多個(gè)不同的段落組成(圖2)。它們具有由韌性變形向脆性變形的漸變或韌性遞減,由深層次構(gòu)造向淺層次構(gòu)造過渡特征。推覆體類型也由褶皺推覆體向褶皺沖斷推覆體,沖斷推覆體過渡或漸變,具有前展式擴(kuò)展構(gòu)造特征。主要斷裂均傾向北西,傾角近地表陡,深處變緩。斷裂帶組合成一個(gè)大型疊瓦狀構(gòu)造帶,反映受力方式和變形方式的一致性和階段性。新生代以來造貌作用的持續(xù)過程形成了現(xiàn)代龍門山陡傾地貌,活動(dòng)構(gòu)造繼承并限制于這一過程,表現(xiàn)為不同段落活動(dòng)性存在差別[10,12,14,15,16,17]。龍門山后山斷裂帶北段第四紀(jì)早中期有過活動(dòng),但晚更新世以來不活動(dòng)。南段晚更新世以來右旋滑動(dòng)速率為0.8～1.4mm/a,全新世逆沖垂直速率分量為0.5mm/a。龍門山中央斷裂帶北段晚更新世以來不活動(dòng),中段(北川-映秀逆斷裂)晚更新世以來逆沖垂直滑動(dòng)速率和右旋滑動(dòng)速率約0.6～1mm/a,兩者基本相等[10,11,12,16,19,20]。南段發(fā)現(xiàn)9.2萬年至7.8萬年間的斷裂活動(dòng)。龍門山前山斷裂帶北段晚更新世以來不活動(dòng),中段晚更新世中晚期以來有過較強(qiáng)烈的活動(dòng),逆沖垂直滑動(dòng)速率約0.2mm/a,南段晚第四紀(jì)以來有過活動(dòng)。史料記載巴顏喀拉地塊周緣地震主要沿西南側(cè)的鮮水河斷裂帶和東北側(cè)的岷江斷裂、虎牙斷裂分布。龍門山構(gòu)造帶僅有5次6.0級(jí)以上強(qiáng)震,主要分布在中南段,最大地震為1657年汶川6級(jí)地震(圖2)。中小地震也沿中南段密集成帶分布,北段地震活動(dòng)相對(duì)稀疏。該次8.0級(jí)地震地表破裂突破了分段邊界,向北東方向繼續(xù)延伸至南壩石坎子附近,由震源機(jī)制解分析得到本次地震由南向北活動(dòng)性質(zhì)由逆沖為主轉(zhuǎn)變?yōu)樽呋瑸橹?。綜上所述龍門山斷裂帶各段具有不同的活動(dòng)特征,龍門山推覆構(gòu)造帶不但幾何形態(tài)存在東、西分帶,南、北分段的現(xiàn)象,而且其活動(dòng)性也體現(xiàn)了這一特征。2逆走滑發(fā)震斷層產(chǎn)生的構(gòu)造意義當(dāng)前對(duì)逆斷性質(zhì)的發(fā)震斷層研究較少,首先在于其形成的構(gòu)造環(huán)境較其他性質(zhì)發(fā)震斷層的復(fù)雜,而且前緣形成的斷彎褶皺常吸收大量的變形量,使得直接出露于地表的破裂很少,經(jīng)過長(zhǎng)時(shí)間演化后,保留下來的更少,其次在于目前不清楚哪些構(gòu)造現(xiàn)象是逆斷性質(zhì)發(fā)震斷層特有的。如前所述,汶川8.0級(jí)地震屬于典型的逆走滑發(fā)震斷層,對(duì)其伴生構(gòu)造現(xiàn)象的調(diào)查將有助于同類斷層的研究。野外現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查與測(cè)量發(fā)現(xiàn),汶川8.0級(jí)地震地表破裂沿龍門山構(gòu)造帶的北川-映秀斷裂和彭縣-灌縣斷裂發(fā)育,同時(shí)在小魚洞產(chǎn)生一條新的北西向次級(jí)破裂(圖2)。地表破裂的觀測(cè)點(diǎn)多見于河流溝谷或晚新生代沉積層內(nèi),具有明顯的位移量,基巖裸露的山地位移量并不明顯,多以崩塌、滑坡等現(xiàn)象出現(xiàn),掩蓋了地表破裂的形跡。2.1地表破裂特征北川-映秀斷裂位于中央斷裂帶的中部,晚更新世以來強(qiáng)烈活動(dòng)。是汶川8.0級(jí)地震的主干發(fā)震斷裂之一。地震地表破裂南西起于汶川縣三江附近,向北東延伸經(jīng)映秀、虹口、龍門山鎮(zhèn)、東林寺、紅白鎮(zhèn)、清平、茶坪、擂鼓、北川、陳家壩、桂溪鳳凰村、平通等地,止于平武縣南壩鎮(zhèn)石坎子村,總體呈北東45°延伸,全長(zhǎng)約220km,震中位于映秀和三江之間(因版面有限,照片略;附表1、表2、表3)。斷裂以逆沖活動(dòng)為主,兼有右行走滑,最大垂直位移為5.0m,最大水平位移為4.9m,均位于虹口深溪溝內(nèi),北川所測(cè)得的6.5m垂直位移量可能疊加有滑坡體的滑動(dòng)量。平均垂直位移約3.0m,水平位移約2.0m(圖3)。破裂特征由南向北分述如下:三江地區(qū)位于破裂帶南端,主要表現(xiàn)為斷續(xù)分布走向N60°～70°E的裂縫和0.2～0.5m高的小鼓包。映秀轉(zhuǎn)為連續(xù)破裂,造成河灘、河岸、階地?cái)噱e(cuò),形成斷層陡坎、跌水、道路拱曲,走向N60°～70°E,以逆沖型變形為主,垂直位錯(cuò)量從西南的1m增加到東北的1.5m,水平位錯(cuò)不明顯。受地形的影響,地表破裂在平面上呈舒緩波狀彎曲,根據(jù)破裂的出露位置(表1中點(diǎn)號(hào)3、4、5),按“V”字形法則估計(jì)斷層面的傾角約為30°。都江堰市的虹口鄉(xiāng)深溪至彭州市小魚洞之間,地表破裂自深溪溝沿沙河左(西)岸呈N50°～60°E方向連續(xù)延伸至八角廟,經(jīng)線性山谷,跨鞍狀山脊,抵達(dá)小魚洞,可見破裂長(zhǎng)度約20km,最大垂直位錯(cuò)和右旋水平位錯(cuò)約5m。地表破裂將公路、屋基、階地、河漫灘及現(xiàn)代河床等同步垂直位錯(cuò)約3.5m,長(zhǎng)幾百米的河灘上多點(diǎn)測(cè)量獲得水平位錯(cuò)量均約2.8m。八角廟沙河肘狀彎曲處的三疊系破碎帶中可以見到地震破裂面,垂直位移量可達(dá)4.5m,水平位移量1.2～1.5m,再向北東方向約2km燈草坪村可見斷塞塘,長(zhǎng)約15m,高1.7～2m,兩點(diǎn)之間沿山坡分布有多個(gè)小型滑坡體。在燈草坪至小魚洞之間的山地侵蝕切割較強(qiáng)烈,地表破裂帶沿山埡口至安子坪可見“醉漢林”沿北東走向破裂帶分布,接近小魚洞地表破裂寬度約1km,前緣在楊村東側(cè)煤礦,后緣在楊村西北側(cè),均以地表破裂為特征,沒有發(fā)現(xiàn)位移量明顯的地點(diǎn)?？赡芘c接近小魚洞破裂地區(qū)構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)變得相對(duì)復(fù)雜有關(guān)。自后壩至擂鼓鎮(zhèn)一段地表破裂不連續(xù),只有少數(shù)地點(diǎn)發(fā)現(xiàn)明顯的形跡。龍門山鎮(zhèn)(白水河)北東約6km的東林寺,地表破裂呈N45°E方向延伸與一條鄉(xiāng)村公路小角度相交,致公路垂直位錯(cuò)2.2m,小溪亦同步垂直斷錯(cuò)形成跌水。謝家店子形成巨大的擠出巖塊,依山形(坡角13°)呈扇形分布,半徑約318m,扇面角約30°,礫石成份以變質(zhì)巖為主,多呈棱角狀-次棱角狀,無定向排列特征,向前緣礫石直徑逐漸擴(kuò)大到3～5m,扇前緣直至北東向深切河谷,局部形成堰塞湖。高川泉水村的地表變形較清晰,破裂帶通過河流肘狀彎曲處,將河漫灘抬升出地表,在其東側(cè)形成新的河床,垂直位移量比較明顯。擂鼓鎮(zhèn)至北川曲山鎮(zhèn)一段破裂較發(fā)育,依山形展布,呈向南東-南東東凸出的弧形(圖4)。該段可能屬于北川斷裂的兩條次級(jí)斷裂左階排列的階區(qū),受壓扭性作用,產(chǎn)生2～3條變形帶,西側(cè)一條變形最大,在其北東端可見斷錯(cuò)一系列山脊和河谷,累積右行水平分量約150～180m,應(yīng)是晚新生代以來斷層持續(xù)活動(dòng)形成的。本次地震沿此段形成地表破裂,東側(cè)幾條末出露地表,可能只形成地表隆起或微量的地表破裂。點(diǎn)劃線為推測(cè)地表變形帶擂鼓鎮(zhèn)南,地震地表破裂造成河流及河岸田地右行抬升拱曲,垂直和水平位錯(cuò)量分別為1.3m和1.1m。擂鼓鎮(zhèn)水泥廠西側(cè)山坡上,地震地表破裂形成一系列鼓包,并在山坡和山路上形成陡坎,垂直位錯(cuò)量為2～3m,右行平移1.5～2m。銀綻村一系列的沖溝、小路、洪積扇、公路、水管、階地及現(xiàn)代河床等同步變形,最大垂直位錯(cuò)達(dá)4.5m,位于銀綻村西側(cè)階地前緣,平均垂直位錯(cuò)1.5～2m,右旋水平位錯(cuò)1.3～2m。坪上村趙家溝發(fā)現(xiàn)階地被垂直位錯(cuò)約6.5m,右旋水平位錯(cuò)約5.85m,由于出露點(diǎn)西南側(cè)20m處即為一大型滑坡體,在此次地震中也有活動(dòng),所以階地的位錯(cuò)量可能受到滑坡的影響。陳家壩(復(fù)興)、桂溪鳳凰村、平通、南壩等地均位于沉積階地上,地貌形態(tài)基本相似,大多沿?cái)嗔褞Х植汲时睎|向?qū)捁?兩側(cè)為山地。河谷西側(cè)均有連續(xù)的地震形變帶分布,東側(cè)不明顯,陳家壩垂直位錯(cuò)量1.7～2.0m,右旋水平位錯(cuò)分別為1.35～1.6m。鳳凰村垂直位錯(cuò)2.1～2.5m,右旋水平位錯(cuò)約1.7～2.4m,平通鎮(zhèn)垂直位移1.2～3.7m,右旋水平位移1.3～3.8m,南壩鎮(zhèn)測(cè)得垂直位錯(cuò)0.2～0.5m,右旋水平位錯(cuò)1.3～1.7m,地表形變帶垂直位移分量顯示平通最大,向南側(cè)逐漸減小,向北陡降,水平分量表明由陳家壩至南壩遞增,顯示逆(右行)走滑運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)為(右行)走滑運(yùn)動(dòng)。青川縣姚都鎮(zhèn)楊山村西側(cè)山坡發(fā)現(xiàn)地表破裂,規(guī)模較小,垂直和右行水平位移量基本相等,為10～20cm,考慮到此處屬于后山斷裂,故不作為北川-映秀斷裂帶的一部分進(jìn)行分段。以上數(shù)據(jù)表明,北川-映秀斷裂地表破裂表現(xiàn)為自南而北由逆(右行)走滑轉(zhuǎn)為(右行)走滑性質(zhì),最大垂直位錯(cuò)量和右旋水平位錯(cuò)量均位于南段。按地表破裂位移量與震中距的關(guān)系,以虹口鎮(zhèn)和陳家壩作為分界點(diǎn),劃分為三段,各段又再分為次級(jí)的破裂單元。單段位移曲線的基本形態(tài)均呈現(xiàn)弧形彎曲,南、中段垂直位移量向北東方向逐漸增大,然后陡傾減小,北段相反(圖3a),水平位移量也可以反映出這一特征(圖3b)。由每段最大位移量和長(zhǎng)度比值得到平均線應(yīng)變?chǔ)欧謩e為7.4×10-5、3.1×10-5、6.25×10-5,破裂分段基本恰當(dāng)。其中北川段還可以細(xì)分為多條次級(jí)斷裂,擂鼓可能是其中的一個(gè)分界點(diǎn)。2.2地表破裂帶的垂直分布彭縣-灌縣斷裂亦稱彭灌斷裂,屬于前山斷裂帶的中段,位于北川-映秀斷裂東南約11km,兩者平行分布。構(gòu)造地貌研究發(fā)現(xiàn),斷裂控制河流發(fā)育,并切割河流谷坡,形成斷層崖、斷層溝槽及埡口,在斷層溝槽中控制著晚第四紀(jì)地層的分布,說明晚更新世中晚期以來有過活動(dòng),汶川8.0級(jí)地震中亦發(fā)生同震地表破裂。地表破裂南西起于彭州磁豐附近,向北東延伸經(jīng)白鹿、三河場(chǎng)、漢旺至安縣馬口,總體呈北東走向,考慮徐錫偉等在木堰溪發(fā)現(xiàn)有地表形變,全長(zhǎng)約82km(圖5)。地震破裂較連續(xù)的出露點(diǎn)有磁豐、白鹿、九龍等地,沿河谷和階地發(fā)育,長(zhǎng)約幾百至上千米,其他地點(diǎn)多為一些斷續(xù)出露的破裂或陡坎。分述如下:彭州磁豐地區(qū)表現(xiàn)為北西向南東逆沖的逆斷層撓曲坎,平面上呈舒緩波狀,延伸長(zhǎng)200～300m。高度0.24～0.7m,右行位移量為0.24～0.5m。白鹿鎮(zhèn)地形呈兩山夾谷,破裂長(zhǎng)約2.3km,在河谷及階地上形成高2～3m的陡坎,向北隨著陡坎垂直高度的降低,逐漸變?yōu)楣陌?。綿竹金花三河場(chǎng)附近地表破裂將現(xiàn)代河床和Ⅰ級(jí)階地同步垂直位錯(cuò)了2m,右旋水平位錯(cuò)相對(duì)較低,介于0.2～0.4m之間。九龍地表破裂斜切河谷及兩側(cè)山地,在河谷內(nèi)見有一系列2～3m的垂直位錯(cuò),北端一塊麥田被錯(cuò)成兩塊,高差約3.6m,九龍向北只有零星出露點(diǎn)。道街表現(xiàn)為地裂縫和滑坡,可以測(cè)量的點(diǎn)很少,漢旺綿遠(yuǎn)河?xùn)|岸公路被垂直位錯(cuò)了2.4m,沿走向追索至馬口在一條北西向沖溝內(nèi)發(fā)現(xiàn)有滑坡體,木堰溪的地表形變多表現(xiàn)為鼓包、裂縫和小的陡坎。上述現(xiàn)象表明,彭灌斷裂地表破裂帶在南段較北段出露長(zhǎng)度大,現(xiàn)象也明顯。垂直位移量最大可達(dá)3.6m,平均垂直位移量約1.5m,水平位移量較小,說明以逆沖活動(dòng)為主,在磁豐發(fā)現(xiàn)0.2～0.5m的右行位移分量,基本等于該處的垂直位移量,可能說明受小魚洞北西向逆(左行)走滑運(yùn)動(dòng)影響,產(chǎn)生一個(gè)向南東的分量,形成微量的右行位移。根據(jù)地表破裂位移量與各點(diǎn)空間分布的關(guān)系以白鹿為界劃分為白鹿段和漢旺段,平均線應(yīng)變?chǔ)欧謩e為9.1×10-5、3.8×10-5,破裂分段基本恰當(dāng)。單段基本形態(tài)均呈現(xiàn)弧形彎曲,位移量向北東方向逐漸增大,然后陡傾減小,與北川-映秀斷裂的南中段特征相似。磁豐段和木堰溪段是否屬于次級(jí)段有待進(jìn)一步研究。2.3小尺度空間裂斷帶基小魚洞地表破裂帶位于彭縣西北約13km,總體呈NW330°展布,東北盤下降,西南盤上升,東南起自通濟(jì)場(chǎng),過小魚洞抵中壩結(jié)束,延伸約5.6km,夾于上述兩條北東向地表破裂帶之間,近直角相交(圖2,圖6)。地表破裂主要在河谷中連續(xù)發(fā)育,在山坡部位形成崩塌、滑坡或者地裂縫,并未見有先存的斷裂形跡,據(jù)此推測(cè)小魚洞地表破裂帶可能是一條新生的斷裂(圖8)。斷裂的東南端部甘家河壩,地震使得水塘積水下滲干沽,地表形變表現(xiàn)為鼓包,長(zhǎng)15～20m,寬1～3m,高0.1～0.2m,長(zhǎng)軸呈北西走向,垂直和左行位移量均為0.2m,向北西延伸約500m至小魚洞大橋兩側(cè),可見蛇狀彎曲的陡坎(圖6,圖7)。在大橋兩側(cè)進(jìn)行了DGPS測(cè)量工作,其方法和原理已基本成熟。測(cè)量數(shù)據(jù)表明大橋南側(cè)只有一條陡坎,高度在1.5～2.2m,后緣伴生凹地、鼓包等地貌,凹地內(nèi)常有積水,深度數(shù)據(jù)不易獲得,鼓包長(zhǎng)軸與破裂小角度相交可能指示對(duì)盤的水平運(yùn)動(dòng)方向,大橋北側(cè)存在兩條陡坎,相距15～30m,兩條陡坎的垂直高度相近,累加高度為2～2.5m(圖7)。地表破裂帶跨過湔江,在小魚洞村多以陡坎形式切過階地,陡坎上的樹木、玉米等植被一致向河谷傾斜,成為明顯的追索標(biāo)志,階地面上的小路、樹木、圍墻、田埂、水渠等均成為對(duì)比和測(cè)量的標(biāo)志物,測(cè)量成果表明陡高2～3m,左行位移量一般與垂直位移量相近。小魚洞村北西側(cè)的后壩河谷中,破裂帶將南西盤抬升約4.5m,原先面狀分布的多條小溪匯集成一條主要的河流,根據(jù)兩側(cè)的小型坡地變形推測(cè)左行量3～4m。中壩村出露的一支地表破裂帶與小魚洞村出露的破裂帶呈左階排列,兩者之間的階區(qū)形變不明顯。中壩村的變形和小魚洞村的相似,中壩村村口的一條鄉(xiāng)村土路的西側(cè),人工修建的四個(gè)水泥立方體原先成線性排列,地表破裂帶從中間通過,將南西盤抬升約50cm,左行量相近,在中壩村里這種現(xiàn)象依然存在,變形量也逐漸增大至4m,在中壩村北西側(cè)也有一條小型河谷,地表破裂帶在河谷轉(zhuǎn)為近南北向,向北直抵山腳,地表破裂帶被滑坡體掩埋,但是山坡上還存在多條地裂縫,它們的走向由南北逐漸轉(zhuǎn)為北東向,并見有右行走滑分量,在通往后壩的小路上可見到基巖內(nèi)北西傾向的斷層上部形成小型崩塌。所以小魚洞斷裂形成的左行走滑地表破裂帶可能止于中壩。小魚洞斷裂性質(zhì)的判定存在一定的困難,形成的地表破裂大多以陡坎顯示,沒有出露于地表的斷層破裂面,對(duì)于斷層活動(dòng)性質(zhì)沒有直接的地質(zhì)證據(jù)。根據(jù)陡坎上的植被大多沿陡坎傾向倒伏,形成類似“醉漢林”的現(xiàn)象,地震鼓包和凹地與破裂帶的關(guān)系,以及破裂通過小魚洞大橋的地點(diǎn)見有清晰的南西側(cè)路面逆沖于北東側(cè)路面上,夾于其間的鋼筋也顯示了同樣的逆沖形跡,同時(shí)多處地物顯示左行水平錯(cuò)動(dòng),所以可以推測(cè)小魚洞斷裂以逆走滑(左行)活動(dòng)為主。依據(jù)同樣的分段原則,以小魚洞村為界可以劃分出兩段,兩段位移量均顯示從南東向北西逐漸增大,最大垂直位移量位于北西端的河谷,左行位移量基本和垂直位移量相等(圖8)。小魚洞斷裂位于北川-映秀斷裂、彭縣-灌縣斷裂之間,北川-映秀斷裂以逆走滑活動(dòng)為主,彭縣-灌縣斷裂以逆沖活動(dòng)為主,北川-映秀斷裂在小魚洞兩側(cè)由地表破裂連續(xù)出露、逆沖分量最大的虹口段轉(zhuǎn)為斷續(xù)出露、走滑量逐漸增大的北川段,彭縣-灌縣斷裂在小魚洞兩側(cè)表現(xiàn)為逆走滑的磁豐地表破裂和逆沖性質(zhì)的白鹿地表破裂,說