龍門(mén)山斷裂帶南北活動(dòng)差異及復(fù)雜構(gòu)造建模
——基于地表破裂帶和中小震精定位

姚 琪

（中國(guó)地震局地質(zhì)研究所，北京 100029）

龍門(mén)山斷裂帶南北活動(dòng)差異及復(fù)雜構(gòu)造建模
——基于地表破裂帶和中小震精定位

North－－south segmentation and structural modeling of Longmenshan faults——Based on surface rupture zone and small earthquake relocation of Wenchuan M8.0earthquake

姚 琪

（中國(guó)地震局地質(zhì)研究所，北京 100029）

位于青藏高原東緣的龍門(mén)山斷裂帶一直以來(lái)是研究青藏高原隆升、四川盆地含油氣構(gòu)造演化、南北地震帶地震危險(xiǎn)性分析的重點(diǎn)地區(qū)，對(duì)新構(gòu)造運(yùn)動(dòng)、油氣勘探、地震研究均有重要意義。自從汶川地震在龍門(mén)山斷裂帶上發(fā)生以來(lái)，各研究領(lǐng)域的專(zhuān)家利用已有的資料，基于各自對(duì)龍門(mén)山斷裂帶構(gòu)造的認(rèn)識(shí)，對(duì)該地震的發(fā)震構(gòu)造問(wèn)題開(kāi)展了廣泛的討論，提出了多種發(fā)震構(gòu)造模式，但大部分僅提出了一個(gè)或是幾個(gè)二維的發(fā)震構(gòu)造剖面，部分三維發(fā)震構(gòu)造模型也僅是不考慮斷層相互切割關(guān)系的簡(jiǎn)單化的有限元模型，且部分模型僅僅是提出了起始破裂處的發(fā)震模型。鑒于汶川地震長(zhǎng)達(dá)240km的地表破裂帶，僅建立局部地區(qū)的構(gòu)造模型是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，而汶川地震地表破裂帶和中小震精定位結(jié)果、震源機(jī)制解均表明龍門(mén)山斷裂帶的構(gòu)造存在較大的南北活動(dòng)的差異。因此，研究地震發(fā)生和傳播機(jī)制需要建立整個(gè)龍門(mén)山斷裂帶的復(fù)雜三維構(gòu)造模型。

目前，大部分的二維發(fā)震構(gòu)造模型的基礎(chǔ)是石油系統(tǒng)的人工地震勘探剖面，但是由于龍門(mén)山斷裂帶位于山區(qū)，布設(shè)測(cè)線(xiàn)不易，目前只有垂直龍門(mén)山斷裂帶走向的測(cè)線(xiàn)（主測(cè)線(xiàn)），缺乏平行于龍門(mén)山斷裂帶的測(cè)線(xiàn)（連絡(luò)線(xiàn)），且各測(cè)線(xiàn)相距較遠(yuǎn)，因此對(duì)人工地震勘探剖面的解釋過(guò)程中，無(wú)法對(duì)比聯(lián)系各剖面的相位，造成了各剖面之間的孤立，也造成了對(duì)同一剖面不同的人有不同的解釋。此外，人工地震勘探深度僅10km，遠(yuǎn)小于汶川地震主震的深度，也就是說(shuō)，在10～20km及以下，僅有一些深地震反射、P波/S波層析成像、大地電磁測(cè)深等粗略的資料，精度遠(yuǎn)沒(méi)有達(dá)到構(gòu)建復(fù)雜構(gòu)造建模的要求。因此，目前已有的發(fā)震構(gòu)造很大程度上是建立在推測(cè)的基礎(chǔ)上的。這導(dǎo)致了目前對(duì)發(fā)震構(gòu)造模型大量的爭(zhēng)議。

波形反演模擬（陳運(yùn)泰等，2008）顯示，汶川地震破裂過(guò)程涉及到了多個(gè)斷層的活動(dòng)，因此發(fā)震斷層并非單一的平面，而是由多個(gè)斷層面組合而成（張勇等，2009）。汶川地震地表破裂帶的分布也顯示發(fā)震斷層由多個(gè)斷面組成，各個(gè)斷面在地表顯示相互連接，斷面之間存在著捩斷層、斷層階區(qū)等斷裂間的作用。因此，在利用二維的發(fā)震構(gòu)造剖面來(lái)構(gòu)建龍門(mén)山斷裂帶三維構(gòu)造模型時(shí)，必須要考慮斷片之間的關(guān)系。目前人們建立的三維模型多為有限元模型，并未考慮斷裂帶不同段落、不同斷層面之間的相互關(guān)系及活動(dòng)差異，僅將北川－映秀斷裂帶作為一個(gè)完整體斷面來(lái)處理，并僅建立灌縣－江油斷裂具有地表破裂帶段落的模型，且不考慮北川－映秀斷裂帶與灌縣－江油斷裂帶之間的相互關(guān)系（王衛(wèi)民等，2008；Shen et al.，2009；萬(wàn)永革等，2009）。

汶川地震的主震、地表破裂帶、中小震精定位成果及震源機(jī)制解為研究斷面之間的相互作用和復(fù)雜構(gòu)造三維建模提供了重要的參考資料。將美國(guó)地質(zhì)調(diào)查局發(fā)布的地震震中位置（31.01°N，103.38°E）和地震震源深度（～19km）投影在地質(zhì)圖上，發(fā)現(xiàn)主震震中位置位于映秀斷裂上盤(pán)約20km處（震中位置的誤差為±5km）。如果按震源深度19km將震中投影在深度剖面上，那么對(duì)汶川地震發(fā)震構(gòu)造的認(rèn)識(shí)就取決于龍門(mén)山主要斷裂帶的深部幾何形態(tài)（盧華復(fù)等，2008）。

地表破裂帶的位移顯示，沿灌縣－江油斷裂帶的位移均為垂直位移，且在白鹿、八角等地具有較高的垂直位移。而沿著北川－映秀斷裂帶的地表破裂顯示出了復(fù)雜的位移分布，映秀是垂直位移的起始點(diǎn)，在虹口，垂直位移達(dá)到一個(gè)峰值，并以較平緩的速度向北減少，而至北川，垂直位移達(dá)到最高，之后以較快的速度下降，與此同時(shí)，自北川開(kāi)始，水平位移逐漸增大，在平通達(dá)到峰值，且向北緩慢減少。與地表破裂帶相對(duì)應(yīng)，中小震的震源機(jī)制解表明，發(fā)生在龍門(mén)山推覆構(gòu)造帶中段北川－映秀斷裂帶西南端，以逆沖推覆為主，向NE方向擴(kuò)展，逆沖推覆作用逐漸減弱，走滑運(yùn)動(dòng)逐漸加強(qiáng)，在北川以北地震破裂轉(zhuǎn)為以右旋走滑運(yùn)動(dòng)為主（張勇等，2009）。

沿著灌縣－江油斷裂帶的地形剖面顯示，白鹿的地表高程是最高的，且高程自白鹿向北迅速減少，在八角漢旺一帶趨于平穩(wěn)，自漢旺以北迅速減少，即地形剖面與地表破裂帶基本一致。沿著北川－映秀斷裂帶的地形剖面則顯示，自映秀開(kāi)始，地表高程開(kāi)始逐漸升高，在龍門(mén)山鎮(zhèn)附近達(dá)到地表高程最高值，并向北緩慢下降，其中北川和平通均為地表相對(duì)低值，而地形至南壩附近陡然升高。由此，可見(jiàn)地形與地表破裂帶較為一致，顯示龍門(mén)山斷裂帶晚第四紀(jì)以來(lái)的運(yùn)動(dòng)方式?jīng)]有太大的變化，且指出了幾個(gè)運(yùn)動(dòng)方式發(fā)生變化的拐點(diǎn)，分別是白鹿、八角、漢旺、映秀、虹口、北川、平通以及南壩。這幾個(gè)拐點(diǎn)大部分是斷裂主要段落的起始點(diǎn)。由此，在建模過(guò)程中需要考慮這幾個(gè)點(diǎn)的位移變化。

目前，人們對(duì)龍門(mén)山斷裂帶的認(rèn)識(shí)基本上已經(jīng)達(dá)成一致，即龍門(mén)山斷裂帶是一前展式的逆沖推覆構(gòu)造，但尚存的大量爭(zhēng)議的發(fā)震構(gòu)造則主要有以下幾種：①斷層相關(guān)褶皺模型。Xiwei Xu（2009）和Judith Hubbard ＆John H.Shaw（2009）分別利用斷層相關(guān)褶皺理論推測(cè)了龍門(mén)山斷裂帶南中北段的發(fā)震構(gòu)造。該模型建立了一個(gè)膝折斷面模型，將灌縣－江油斷裂帶作為被動(dòng)斷裂，在深部發(fā)育于北川－映秀斷裂的下盤(pán)，且自南而北，灌縣－江油斷裂帶的深度逐漸變淺。該模型另一個(gè)備受爭(zhēng)議也是極其重要的一點(diǎn)是將龍泉山斷裂作為底板斷裂，與北川－映秀斷裂在近于20km深處相連，是消減震后應(yīng)力的一條重要斷裂。② 鏟狀模型。該模型將北川－映秀斷裂帶及灌縣－江油斷裂帶的斷面統(tǒng)一為鏟狀，即曲線(xiàn)狀，不存在膝折點(diǎn)，且灌縣－江油斷裂帶在20km深處與北川－映秀斷裂帶相連，成為底板斷層。多見(jiàn)于有限元模型。③ 北川－映秀斷裂傾角陡直模型。上兩個(gè)模型是基于USGS的汶川地震主震位置，即震中距北川－映秀斷裂約20±5km，而該模型則是基于CDSN的震中位置，即震中距北川－映秀斷裂約8.2km，而在龍門(mén)山斷裂帶自南而北，北川－映秀斷裂的傾角均為自地表向深處不發(fā)生變化，即一直為70°左右，且在20km深處與呈鏟狀的灌縣－江油斷裂帶相連。該模式雖然在位置上與CDSN所測(cè)定的震中位置一致，但該模型的運(yùn)動(dòng)方式及發(fā)震方式一直令人疑惑。

利用GOCAD軟件和ArcGIS軟件，基于地表破裂帶及主要斷裂的地表位置，分別建立了以上三種模型的三維構(gòu)造模型。地表破裂帶的走向變化、斷裂不同段落形態(tài)的變化都會(huì)對(duì)深部斷面的形態(tài)造成影響。從這三個(gè)模型上來(lái)看，斷層相關(guān)褶皺模型因?yàn)橛心隙巍⒅卸渭氨倍蔚钠拭嬷С郑瑪鄬有螒B(tài)變化最大。值得指出的是，該模型指出了同一破裂帶上在非端點(diǎn)處的地表位移突變的成因，即與地表斷裂走向變化相關(guān)，灌縣－江油斷裂帶與北川－映秀斷裂帶的接觸關(guān)系是復(fù)雜的，譬如在八角南端，灌縣－江油斷裂與北川－映秀斷裂的距離，要大于八角北端，以此形成了八角處垂直位移的高值。

對(duì)汶川地震中小震精定位成果和以上三種模型中斷面的空間位置進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，通過(guò)計(jì)算斷層附近的中小震到斷面的距離發(fā)現(xiàn)，在斷層相關(guān)褶皺模型中，中小震往往與斷層面有一定的距離，且并未集中在膝折帶附近，而是集中在斷面之間的斷塊中，而在北川－南壩段，即地表水平位移開(kāi)始增大的段落，膝折型的北川－映秀斷裂與中小震的位置表現(xiàn)出了最為緊密的狀態(tài)，但龍泉山斷裂與中小震的關(guān)系并不如模型中所認(rèn)為的那么密切。在雙鏟狀模型中，斷層面與中小震的關(guān)系非常密切，自南向北，中小震幾乎集中在斷面上，但整個(gè)破裂帶的中小震與斷面的關(guān)系并沒(méi)有南北分段性。在傾角陡直模型中，北川－映秀斷裂僅龍門(mén)山鎮(zhèn)－清平段與中小震關(guān)系最為密切。在這三個(gè)模型中，茶壩－林庵寺斷裂與中小震的關(guān)系都不是那么緊密，這表示該斷裂在汶川地震中并沒(méi)有發(fā)生錯(cuò)動(dòng)，震后也沒(méi)有參與應(yīng)力調(diào)整。

通過(guò)對(duì)龍門(mén)山斷裂帶地表破裂帶的分布及中小震精定位分布的分析，可建立龍門(mén)山斷裂帶的復(fù)雜構(gòu)造模型。龍門(mén)山斷裂帶具有鮮明的南北分段性，且斷裂由多個(gè)斷面組成，斷面之間的相互作用與形態(tài)變化對(duì)該斷裂帶的構(gòu)造具有重要作用。在龍門(mén)山斷裂帶南段，以逆沖為主，斷面形態(tài)適應(yīng)于逆沖，表現(xiàn)為鏟狀，而在龍門(mén)山斷裂帶中段，逆沖逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)樽呋瑪嗝嫘螒B(tài)由純鏟狀逐漸變得平直，可能通過(guò)膝折的方式調(diào)節(jié)走滑，南壩以北，即龍門(mén)山斷裂帶北段，則表現(xiàn)為純走滑，斷面自高角度傾斜逐漸轉(zhuǎn)換為近于直立。

?圖分類(lèi)號(hào)：P315.2；

A；

10.3969/j.issn.0235－4975.2010.06.019