台湾集集大地震的地表逆断层活动及其活动模式

台湾集集大地震的地表逆断层活动及其活动模式

1月日潭边地余震1999年9月21日上午1点47分12.6秒，台湾中部南投县集点区发生了强烈的7.3级地震（以下简称9.21集点大地震）。震中位于日月潭西方12.5km,即北纬23.85°,东经120.78°,震源深度7.5km1。当天除了主震外,还有五百多次余震,其中最大的一次发生在台中地区凌晨2时16分16秒,震级6.8。9月22日上午8时14分40秒,日月潭东边又发生了6.8级余震。集集大地震发生后的第六天,9月26日上午7时52分50秒再次发生6.8级强烈余震,震中位于日月潭东方10km。这种在7.3级主震以后一周内发生3次6.8级的余震现象,举世罕见。集集地震是台湾百年来最大的地震,也是数十年来对台湾社会造成最大冲击的自然灾害事件。集集大地震主要是台中盆地东缘的车笼埔断层再度错动引起的。据历史记载,车笼埔断层在1917年曾有过约15cm的位移量,时隔80年后,又再次活动。张建兴等2(1999)依地震资料得到集集大震初始错动位置为东经120.82°,北纬23.85°,深度约为8km。得到的地震断层面解之一为:走向20°,倾角30°,滑角(rake)85°,它与车笼埔断层几何相符,即地震断层面向东倾约30°进入地下,使得此次大震震中位于地表断层线以东约十几公里。此外,地震还引发出现土壤液化、沙化现象。本文根据集集地震后进行的地震地表断层和相关构造的调查结果,对地震产生的地表断层破裂特征进行描述和分析。2地表断裂试验集集大地震在地表形成的破裂沿车笼埔断层和台中盆地的东侧边缘分布,基本上呈南北走向,由南投县竹山镇南侧的桶头桥开始,向北经竹山、名间、南投、草屯、雾峰、太平、台中、丰原,然后向东弯了70°切过石冈到大甲溪,斜切入苗栗县卓兰镇的内弯,延伸长度80多km(图1)。从竹山到太平这一地震断层的南段,地震断层主要是再次沿着旧的车笼埔断层面错动,沿着麓山带与平原区的交界处可见断层出露,即沿着老断层崖逆冲而上。该段地震断层走向以南北向为主,断面倾角30°～60°,断层东侧上盘为上新统锦水页岩与卓兰层,西侧下盘为现代冲积层。地震断层的北段,太平至石冈,断层主要沿着麓山带前缘的山区出露,上下盘均为上新统锦水页岩与卓兰层。过丰原转向石冈,断层为N40°E走向,过大甲溪后则以N70°E走向经石冈水坝、东西走向的大甲溪河谷及其附近地区到达卓兰镇的内弯,并继续向东北延伸。地震断层进入卓兰后分为三支(王乾盈2,1999)并发散,断层由一系列彼此平行呈东北-西南走向的高角度正断层所组成,具明显的拉张分量,林庆伟等2(1999)在该区观察到断层除倾向滑移外,部分具明显的右旋位移;王乾盈③(1999)则观察到在该区断层变为具明显左移成分的斜移断层。该断层北段是集集大地震造成的灾区变形的北缘,也是此次大震之余震分布的北部界线。从地表地形观测来看,北端的地震断层是新生成的。地表破裂的露头测量显示,主要逆断层带中的断层以30°～50°的角向西北逆冲而上。位于车笼埔断层线以东约15km内的上盘,整体向西北方向水平位移量达3～4m,最大在东势达8.5m;南段上升0.5～8m。震后对地震断层破裂的垂直位移量的现场调查结果是:南段竹山1～1.5m(局部达3m),草屯1.5～1.9m,雾峰1.5～1.7m,台中3.0～3.6m,丰原3.5m,石冈4.0～6.0m,卓兰局部达5～6m。如在台中市一军营房可见步道断层陡坎,NE盘抬升3.1m(照1);台中聚兴村土地庙上方地表断层陡坎,北盘抬升1.5m,并伴随宽60cm的地表张裂缝(照2);垂直位移南段2～3m,北段3～8m。该地震断层除了垂直位移外,还观测到左旋水平位移,如在丰原市东南测得断层垂直位移量3.6m,左旋水平位移量3.2m;在台中市绿野仙乡的绿野仙别墅区的地表破裂处测得垂直位移量3.7m,左旋水平位移量4.7m;林庆伟等2(1999)在内弯附近的逆冲断层测得垂直位移量6.2m,左旋水平位移量2.5m。总体上,实测断层的左旋水平位移量在南段为0～3m,北段为3～5m;垂直断层走向的水平缩短量在南段为2～3m,北段为3～6m。地表破裂表现为逆断层的几何形态,同时在有些地点伴随有较大的左旋分量。野外考察所观测到的主要的构造剖面(图2)显示地震破裂带结构复杂,例如丰原观测到冒起构造(pop-upstructure),即除了向西的主逆冲断层外,还有向东的背冲断层以及平行或垂直断层走向的张性裂缝。照3是丰原见到的地表断层陡坎,其断层北东盘抬升约2m;在太平观察到重力滑动构造(gravitationallandslide),即重力作用引发的正断层;而在草屯呈现为复合逆冲断裂系(图2)。在丰原市东南一水渠处观察到断层错动产生的擦痕。李建成等1(1999)从断层擦痕分析得到地表断层发生时的最大主应力轴为水平挤压应力,方向为NW-SE,同时在区域分布上,由南向北有顺时针旋转的趋势:南段方位为100°～120°,北段方位为130°～160°。3边界及构造背景台湾岛位于菲律宾海板块和欧亚大陆板块相互挤压的板块碰撞活动带(Angelier,etal.,1986;Byrne,etal.,1998;Lu,etal.,1998;Teng,etal.,1998;许力生等,1999)。在台湾的西南部,欧亚大陆板块沿着马尼拉海沟向东朝着菲律宾海板块下方俯冲;而在其东北部,菲律宾海板块又沿着琉球海沟向西北朝着欧亚大陆板块下俯冲;在台湾岛上则是菲律宾海板块之岛弧仰冲至欧亚大陆板块之上(板块边界由菲律宾海板块与欧亚大陆板块之间约50°向东南倾斜的花东纵谷逆冲断层构成)。据近年GPS测量结果(Yu,etal.,1996;Yu,etal.,1997),菲律宾海板块相对于欧亚大陆板块向西移动,在台湾附近一带沿130°方向每年缩短8.2cm。王彦斌、李建成在1999年11月与法国Angelier教授对板块碰撞边界的花东纵谷中的台东池上活断层的地表测量表明,该断层平均每年水平缩短约2.2cm,垂直位移1.8cm,左旋位移量1.3cm,说明池上活断层每年以逆冲方式释放菲律宾海板块向西北挤压能量的1/4(Angelier,etal.,1997)。从横穿台湾岛中部的剖面图(图3)和图1看,车笼埔断层在台湾西部麓山带中与彰化断层和双冬断层一起构成向东南倾斜的叠瓦状断层系统(imbricatefaultsystem)(图3),由西向东分别为彰化断层、车笼埔断层及双冬断层;每条断层伴随有背斜褶皱构造(断层上盘)及向斜褶皱构造(断层下盘)。地层的分布越往西地层年代越年轻,同时这也指示逆断层作用基本上由东向西逐渐迁移,表现为1Ma前双冬断层急剧活动;约0.7Ma,车笼埔断层形成,并在其西部形成台中盆地;约0.5Ma之后,在台中盆地西侧再度形成彰化断层(刘聪桂等,1999)。根据此次大地震地表断层的野外调查,认为地表破裂与其深部构造密切相关。当菲律宾海板块向欧亚大陆板块聚合并作用于台湾岛的西部麓山带时,该区域的深部基底可能起重要作用。由台湾西部麓山带地质构造剖面图(周瑞敦等,1986;,何春荪1,1997)和图4,可知西部麓山带的这些低角度逆断层的岩层都是第三纪的碎屑岩,而基底岩层却未见出露。图3和图4的构造剖面图表明西部麓山带的逆断层和褶皱作用限制在基底之上的沉积岩层中。这一表层滑动作用的构造特征已有许多报告确认,并且逆冲岩块显然无根。由此可以证明在上述叠瓦状构造带的下面可能存在一个表层滑动面(decollement)(何春荪1,1997)。本次地震的地震震源深度恰好与台湾西部麓山带中生代基底与其上的沉积盖层的界面之间的深度大体一致(张建兴等,1999;何春荪1,1997;许树坤2,1999)。在与台湾西部麓山带构造背景相似的新疆天山北麓的1906年玛纳斯7.7级地震区,曾进行了地表活动构造1:5万地质填图和地震反射探测工作,证实了北天山山前的3排逆断裂-褶皱带下面存在深部滑脱面(邓起东,1999;Dengetal.,1996)。由此推测,如果将来在集集地震区开展地震反射探测工作,将能检验关于西部麓山带基底和盖层之间的滑脱面对地震发生起重要作用的认识。4露头地震地质分析(1)台湾9.21集集大地震是由车笼埔断层发生逆冲作用造成的。地震地表破裂带全长约80km,地表断层面基本上呈南北走向,破裂主要表现为逆断层,但破裂带结构复杂,有冒起构造(pop-upstructure)、重力滑动形成的正断层等现象。(2)地震地表破裂的露头测量显示,断层上盘沿倾角30°～50°逆断层面向西北逆冲而上。南段垂直位移量2～3m,北段3～8m;断层的左旋水平位移量在南段为0～3m,北段为3～5m;垂直断层的水平缩短量在南段为2～3m,北段为3～6m。(3)根据台湾西部麓山带的地质构造剖面分析,认为地震震源深度恰好与台湾西部麓山带中生代基底与其上的沉积盖层之间的界面的深度大体一致,而西部麓山带第三纪地层和其