汶川地震地表破裂活动特征

汶川地震地表破裂活动特征

断层破碎带范围2008年5月28日，地震发生在四川省绵川市（31.0n，103.4e）。地震资料反演表明,主震具有逆走滑性质。沿线崩塌、滑坡、泥石流、堰塞湖等次生地质灾害不计其数。本文基于地震破裂带构造现象的详细调查,根据活断层分段的原理和方法划分断层破裂带。对于增加地表破裂过程的认识,了解地震发生的机理,促进地震中长期趋势判定等研究具有一定的意义。1巴颜喀拉—区域地质构造格架龙门山断裂带是汶川8.0级地震的发震构造(图1),位于青藏高原的东边界,划分四川盆地与川西高原,构成华南地块和巴颜喀拉地块的分界线[8,9,10,11,12,13,14,15]。该断裂带是一条大型逆冲推覆性质的构造带,南起四川泸定,向北东延伸至陕西勉县一带,全长约500km,宽30～60km,主要由4条逆断裂及夹持其间的推覆体组成,自北西向南东分别为龙门山后山断裂带、龙门山中央断裂带、龙门山前山断裂带和龙门山山前隐伏断裂(见图1中虚线框)。断裂带的东侧发育有前陆盆地,每条断裂又各由多个不同的段落组成(图2)。它们具有由韧性变形向脆性变形的渐变或韧性递减,由深层次构造向浅层次构造过渡特征。推覆体类型也由褶皱推覆体向褶皱冲断推覆体,冲断推覆体过渡或渐变,具有前展式扩展构造特征。主要断裂均倾向北西,倾角近地表陡,深处变缓。断裂带组合成一个大型叠瓦状构造带,反映受力方式和变形方式的一致性和阶段性。新生代以来造貌作用的持续过程形成了现代龙门山陡倾地貌,活动构造继承并限制于这一过程,表现为不同段落活动性存在差别[10,12,14,15,16,17]。龙门山后山断裂带北段第四纪早中期有过活动,但晚更新世以来不活动。南段晚更新世以来右旋滑动速率为0.8～1.4mm/a,全新世逆冲垂直速率分量为0.5mm/a。龙门山中央断裂带北段晚更新世以来不活动,中段(北川-映秀逆断裂)晚更新世以来逆冲垂直滑动速率和右旋滑动速率约0.6～1mm/a,两者基本相等[10,11,12,16,19,20]。南段发现9.2万年至7.8万年间的断裂活动。龙门山前山断裂带北段晚更新世以来不活动,中段晚更新世中晚期以来有过较强烈的活动,逆冲垂直滑动速率约0.2mm/a,南段晚第四纪以来有过活动。史料记载巴颜喀拉地块周缘地震主要沿西南侧的鲜水河断裂带和东北侧的岷江断裂、虎牙断裂分布。龙门山构造带仅有5次6.0级以上强震,主要分布在中南段,最大地震为1657年汶川6级地震(图2)。中小地震也沿中南段密集成带分布,北段地震活动相对稀疏。该次8.0级地震地表破裂突破了分段边界,向北东方向继续延伸至南坝石坎子附近,由震源机制解分析得到本次地震由南向北活动性质由逆冲为主转变为走滑为主。综上所述龙门山断裂带各段具有不同的活动特征,龙门山推覆构造带不但几何形态存在东、西分带,南、北分段的现象,而且其活动性也体现了这一特征。2逆走滑发震断层产生的构造意义当前对逆断性质的发震断层研究较少,首先在于其形成的构造环境较其他性质发震断层的复杂,而且前缘形成的断弯褶皱常吸收大量的变形量,使得直接出露于地表的破裂很少,经过长时间演化后,保留下来的更少,其次在于目前不清楚哪些构造现象是逆断性质发震断层特有的。如前所述,汶川8.0级地震属于典型的逆走滑发震断层,对其伴生构造现象的调查将有助于同类断层的研究。野外现场调查与测量发现,汶川8.0级地震地表破裂沿龙门山构造带的北川-映秀断裂和彭县-灌县断裂发育,同时在小鱼洞产生一条新的北西向次级破裂(图2)。地表破裂的观测点多见于河流沟谷或晚新生代沉积层内,具有明显的位移量,基岩裸露的山地位移量并不明显,多以崩塌、滑坡等现象出现,掩盖了地表破裂的形迹。2.1地表破裂特征北川-映秀断裂位于中央断裂带的中部,晚更新世以来强烈活动。是汶川8.0级地震的主干发震断裂之一。地震地表破裂南西起于汶川县三江附近,向北东延伸经映秀、虹口、龙门山镇、东林寺、红白镇、清平、茶坪、擂鼓、北川、陈家坝、桂溪凤凰村、平通等地,止于平武县南坝镇石坎子村,总体呈北东45°延伸,全长约220km,震中位于映秀和三江之间(因版面有限,照片略;附表1、表2、表3)。断裂以逆冲活动为主,兼有右行走滑,最大垂直位移为5.0m,最大水平位移为4.9m,均位于虹口深溪沟内,北川所测得的6.5m垂直位移量可能叠加有滑坡体的滑动量。平均垂直位移约3.0m,水平位移约2.0m(图3)。破裂特征由南向北分述如下:三江地区位于破裂带南端,主要表现为断续分布走向N60°～70°E的裂缝和0.2～0.5m高的小鼓包。映秀转为连续破裂,造成河滩、河岸、阶地断错,形成断层陡坎、跌水、道路拱曲,走向N60°～70°E,以逆冲型变形为主,垂直位错量从西南的1m增加到东北的1.5m,水平位错不明显。受地形的影响,地表破裂在平面上呈舒缓波状弯曲,根据破裂的出露位置(表1中点号3、4、5),按“V”字形法则估计断层面的倾角约为30°。都江堰市的虹口乡深溪至彭州市小鱼洞之间,地表破裂自深溪沟沿沙河左(西)岸呈N50°～60°E方向连续延伸至八角庙,经线性山谷,跨鞍状山脊,抵达小鱼洞,可见破裂长度约20km,最大垂直位错和右旋水平位错约5m。地表破裂将公路、屋基、阶地、河漫滩及现代河床等同步垂直位错约3.5m,长几百米的河滩上多点测量获得水平位错量均约2.8m。八角庙沙河肘状弯曲处的三叠系破碎带中可以见到地震破裂面,垂直位移量可达4.5m,水平位移量1.2～1.5m,再向北东方向约2km灯草坪村可见断塞塘,长约15m,高1.7～2m,两点之间沿山坡分布有多个小型滑坡体。在灯草坪至小鱼洞之间的山地侵蚀切割较强烈,地表破裂带沿山垭口至安子坪可见“醉汉林”沿北东走向破裂带分布,接近小鱼洞地表破裂宽度约1km,前缘在杨村东侧煤矿,后缘在杨村西北侧,均以地表破裂为特征,没有发现位移量明显的地点。可能与接近小鱼洞破裂地区构造应力场变得相对复杂有关。自后坝至擂鼓镇一段地表破裂不连续,只有少数地点发现明显的形迹。龙门山镇(白水河)北东约6km的东林寺,地表破裂呈N45°E方向延伸与一条乡村公路小角度相交,致公路垂直位错2.2m,小溪亦同步垂直断错形成跌水。谢家店子形成巨大的挤出岩块,依山形(坡角13°)呈扇形分布,半径约318m,扇面角约30°,砾石成份以变质岩为主,多呈棱角状-次棱角状,无定向排列特征,向前缘砾石直径逐渐扩大到3～5m,扇前缘直至北东向深切河谷,局部形成堰塞湖。高川泉水村的地表变形较清晰,破裂带通过河流肘状弯曲处,将河漫滩抬升出地表,在其东侧形成新的河床,垂直位移量比较明显。擂鼓镇至北川曲山镇一段破裂较发育,依山形展布,呈向南东-南东东凸出的弧形(图4)。该段可能属于北川断裂的两条次级断裂左阶排列的阶区,受压扭性作用,产生2～3条变形带,西侧一条变形最大,在其北东端可见断错一系列山脊和河谷,累积右行水平分量约150～180m,应是晚新生代以来断层持续活动形成的。本次地震沿此段形成地表破裂,东侧几条末出露地表,可能只形成地表隆起或微量的地表破裂。点划线为推测地表变形带擂鼓镇南,地震地表破裂造成河流及河岸田地右行抬升拱曲,垂直和水平位错量分别为1.3m和1.1m。擂鼓镇水泥厂西侧山坡上,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,垂直位错量为2～3m,右行平移1.5～2m。银绽村一系列的冲沟、小路、洪积扇、公路、水管、阶地及现代河床等同步变形,最大垂直位错达4.5m,位于银绽村西侧阶地前缘,平均垂直位错1.5～2m,右旋水平位错1.3～2m。坪上村赵家沟发现阶地被垂直位错约6.5m,右旋水平位错约5.85m,由于出露点西南侧20m处即为一大型滑坡体,在此次地震中也有活动,所以阶地的位错量可能受到滑坡的影响。陈家坝(复兴)、桂溪凤凰村、平通、南坝等地均位于沉积阶地上,地貌形态基本相似,大多沿断裂带分布呈北东向宽谷,两侧为山地。河谷西侧均有连续的地震形变带分布,东侧不明显,陈家坝垂直位错量1.7～2.0m,右旋水平位错分别为1.35～1.6m。凤凰村垂直位错2.1～2.5m,右旋水平位错约1.7～2.4m,平通镇垂直位移1.2～3.7m,右旋水平位移1.3～3.8m,南坝镇测得垂直位错0.2～0.5m,右旋水平位错1.3～1.7m,地表形变带垂直位移分量显示平通最大,向南侧逐渐减小,向北陡降,水平分量表明由陈家坝至南坝递增,显示逆(右行)走滑运动转为(右行)走滑运动。青川县姚都镇杨山村西侧山坡发现地表破裂,规模较小,垂直和右行水平位移量基本相等,为10～20cm,考虑到此处属于后山断裂,故不作为北川-映秀断裂带的一部分进行分段。以上数据表明,北川-映秀断裂地表破裂表现为自南而北由逆(右行)走滑转为(右行)走滑性质,最大垂直位错量和右旋水平位错量均位于南段。按地表破裂位移量与震中距的关系,以虹口镇和陈家坝作为分界点,划分为三段,各段又再分为次级的破裂单元。单段位移曲线的基本形态均呈现弧形弯曲,南、中段垂直位移量向北东方向逐渐增大,然后陡倾减小,北段相反(图3a),水平位移量也可以反映出这一特征(图3b)。由每段最大位移量和长度比值得到平均线应变ε分别为7.4×10-5、3.1×10-5、6.25×10-5,破裂分段基本恰当。其中北川段还可以细分为多条次级断裂,擂鼓可能是其中的一个分界点。2.2地表破裂带的垂直分布彭县-灌县断裂亦称彭灌断裂,属于前山断裂带的中段,位于北川-映秀断裂东南约11km,两者平行分布。构造地貌研究发现,断裂控制河流发育,并切割河流谷坡,形成断层崖、断层沟槽及垭口,在断层沟槽中控制着晚第四纪地层的分布,说明晚更新世中晚期以来有过活动,汶川8.0级地震中亦发生同震地表破裂。地表破裂南西起于彭州磁丰附近,向北东延伸经白鹿、三河场、汉旺至安县马口,总体呈北东走向,考虑徐锡伟等在木堰溪发现有地表形变,全长约82km(图5)。地震破裂较连续的出露点有磁丰、白鹿、九龙等地,沿河谷和阶地发育,长约几百至上千米,其他地点多为一些断续出露的破裂或陡坎。分述如下:彭州磁丰地区表现为北西向南东逆冲的逆断层挠曲坎,平面上呈舒缓波状,延伸长200～300m。高度0.24～0.7m,右行位移量为0.24～0.5m。白鹿镇地形呈两山夹谷,破裂长约2.3km,在河谷及阶地上形成高2～3m的陡坎,向北随着陡坎垂直高度的降低,逐渐变为鼓包。绵竹金花三河场附近地表破裂将现代河床和Ⅰ级阶地同步垂直位错了2m,右旋水平位错相对较低,介于0.2～0.4m之间。九龙地表破裂斜切河谷及两侧山地,在河谷内见有一系列2～3m的垂直位错,北端一块麦田被错成两块,高差约3.6m,九龙向北只有零星出露点。道街表现为地裂缝和滑坡,可以测量的点很少,汉旺绵远河东岸公路被垂直位错了2.4m,沿走向追索至马口在一条北西向冲沟内发现有滑坡体,木堰溪的地表形变多表现为鼓包、裂缝和小的陡坎。上述现象表明,彭灌断裂地表破裂带在南段较北段出露长度大,现象也明显。垂直位移量最大可达3.6m,平均垂直位移量约1.5m,水平位移量较小,说明以逆冲活动为主,在磁丰发现0.2～0.5m的右行位移分量,基本等于该处的垂直位移量,可能说明受小鱼洞北西向逆(左行)走滑运动影响,产生一个向南东的分量,形成微量的右行位移。根据地表破裂位移量与各点空间分布的关系以白鹿为界划分为白鹿段和汉旺段,平均线应变ε分别为9.1×10-5、3.8×10-5,破裂分段基本恰当。单段基本形态均呈现弧形弯曲,位移量向北东方向逐渐增大,然后陡倾减小,与北川-映秀断裂的南中段特征相似。磁丰段和木堰溪段是否属于次级段有待进一步研究。2.3小尺度空间裂断带基小鱼洞地表破裂带位于彭县西北约13km,总体呈NW330°展布,东北盘下降,西南盘上升,东南起自通济场,过小鱼洞抵中坝结束,延伸约5.6km,夹于上述两条北东向地表破裂带之间,近直角相交(图2,图6)。地表破裂主要在河谷中连续发育,在山坡部位形成崩塌、滑坡或者地裂缝,并未见有先存的断裂形迹,据此推测小鱼洞地表破裂带可能是一条新生的断裂(图8)。断裂的东南端部甘家河坝,地震使得水塘积水下渗干沽,地表形变表现为鼓包,长15～20m,宽1～3m,高0.1～0.2m,长轴呈北西走向,垂直和左行位移量均为0.2m,向北西延伸约500m至小鱼洞大桥两侧,可见蛇状弯曲的陡坎(图6,图7)。在大桥两侧进行了DGPS测量工作,其方法和原理已基本成熟。测量数据表明大桥南侧只有一条陡坎,高度在1.5～2.2m,后缘伴生凹地、鼓包等地貌,凹地内常有积水,深度数据不易获得,鼓包长轴与破裂小角度相交可能指示对盘的水平运动方向,大桥北侧存在两条陡坎,相距15～30m,两条陡坎的垂直高度相近,累加高度为2～2.5m(图7)。地表破裂带跨过湔江,在小鱼洞村多以陡坎形式切过阶地,陡坎上的树木、玉米等植被一致向河谷倾斜,成为明显的追索标志,阶地面上的小路、树木、围墙、田埂、水渠等均成为对比和测量的标志物,测量成果表明陡高2～3m,左行位移量一般与垂直位移量相近。小鱼洞村北西侧的后坝河谷中,破裂带将南西盘抬升约4.5m,原先面状分布的多条小溪汇集成一条主要的河流,根据两侧的小型坡地变形推测左行量3～4m。中坝村出露的一支地表破裂带与小鱼洞村出露的破裂带呈左阶排列,两者之间的阶区形变不明显。中坝村的变形和小鱼洞村的相似,中坝村村口的一条乡村土路的西侧,人工修建的四个水泥立方体原先成线性排列,地表破裂带从中间通过,将南西盘抬升约50cm,左行量相近,在中坝村里这种现象依然存在,变形量也逐渐增大至4m,在中坝村北西侧也有一条小型河谷,地表破裂带在河谷转为近南北向,向北直抵山脚,地表破裂带被滑坡体掩埋,但是山坡上还存在多条地裂缝,它们的走向由南北逐渐转为北东向,并见有右行走滑分量,在通往后坝的小路上可见到基岩内北西倾向的断层上部形成小型崩塌。所以小鱼洞断裂形成的左行走滑地表破裂带可能止于中坝。小鱼洞断裂性质的判定存在一定的困难,形成的地表破裂大多以陡坎显示,没有出露于地表的断层破裂面,对于断层活动性质没有直接的地质证据。根据陡坎上的植被大多沿陡坎倾向倒伏,形成类似“醉汉林”的现象,地震鼓包和凹地与破裂带的关系,以及破裂通过小鱼洞大桥的地点见有清晰的南西侧路面逆冲于北东侧路面上,夹于其间的钢筋也显示了同样的逆冲形迹,同时多处地物显示左行水平错动,所以可以推测小鱼洞断裂以逆走滑(左行)活动为主。依据同样的分段原则,以小鱼洞村为界可以划分出两段,两段位移量均显示从南东向北西逐渐增大,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(图8)。小鱼洞断裂位于北川-映秀断裂、彭县-灌县断裂之间,北川-映秀断裂以逆走滑活动为主,彭县-灌县断裂以逆冲活动为主,北川-映秀断裂在小鱼洞两侧由地表破裂连续出露、逆冲分量最大的虹口段转为断续出露、走滑量逐渐增大的北川段,彭县-灌县断裂在小鱼洞两侧表现为逆走滑的磁丰地表破裂和逆冲性质的白鹿地表破裂,说