斷層面高精度形貌學定量研究

魏占玉

(中國地震局地質研究所,北京 100029)

斷層面高精度形貌學定量研究

魏占玉

(中國地震局地質研究所,北京 100029)

地震時大部分形變發生在斷層帶內的主滑動面上,斷層表面形貌是斷層活動的產物并隨斷層滑動距離而演化。斷層面形貌已成為研究破裂成核作用及應力的非均勻分布、斷層面凸體磨損、斷層泥生成、滑潤作用、抗剪強度與臨界滑動距離的相關內容,因此斷層面形貌研究對地震和斷層力學具有重要意義。任何一個野外天然斷層面露頭,它所表現的幾何和形貌特征都是內、外營力共同作用的結果,斷層面形貌特征不僅僅反映了斷層的力學機制和運動特征,還與斷層出露后各種侵蝕、風化作用相關。因此斷層面形貌學研究對于判斷斷層活動時間和古地震研究具有重要意義。

本論文以斷層面形貌作為研究對象,利用3D激光測量技術和分形方法在野外微觀尺度上分析汶川地震地表破裂面、出露基巖斷層面形貌風化特征,定量研究斷層面形貌與斷層運動、破裂方式和風化侵蝕作用的關系。另外,為研究斷層崖形態的演化過程,建立一組不同角度人工坡面,通過高精度、長期的觀測,力圖獲取坡面演化過程中各模型參數,最終推導出可應用于斷層崖演化的精確數學模型。

1 斷層面形貌描述與測量方法

迄今為止,人們對斷層面形態進行了大量的研究,總結起來,研究方法大致可分為統計學方法和分形幾何方法兩大類。統計學參數雖然簡單、直觀、容易計算,但由于斷層面形貌的復雜性和尺度效應,統計學方法的平均化處理的方式很難提供斷層面粗糙度形態的全面信息,而這一點又恰恰在斷層面力學行為研究中至關重要。分形幾何方法提供了一種十分有效的手段,能夠獲得獨立于測量尺度的參數來表征表面形貌的幾何性質。隨著分形幾何方法對斷層面形貌特征研究的深入,人們認識到斷層面無論是局部還是整體都表現出很好的自相似和自相仿結構。因此,分形幾何學中的自相似性和自相仿性兩類分形模型,是目前描述斷層面形貌特征的較為適用的方法。

計算破裂面形貌分形幾何學特征的方法很多,本文選用能譜密度方法和均方值粗糙度方法計算天然斷層面形貌分形特征。能譜密度法是基于時間序列分析的數學方法,它是把空域(或時域)信息轉換到頻率域的強有力工具,更加突出單個頻率或波長的信息,可以揭示不同波長成分對表面粗糙度的影響及表征表面形貌各向異性特征。均方值粗糙度法通過在不同取樣尺度、不同方向下計算剖面均方值,突出表現形貌的各向異性特征。

這兩種方法是基于大量平行的1D剖面線來分析斷層面形貌特征的。對于一斷層面,在斷層面數字高程模型(DEM)上提取一組特定方向的剖面線,然后平均所有1D剖面線計算結果來描述斷層面在這個方向的形貌特征。在0°～180°方向(斷層面走向為0°)上重復上述分析過程,這樣就可以量化斷層面形貌各向異性特征。為了調查分析方法的可靠性和準確性,我們還使用人工合成自相仿表面模擬在野外所觀察的天然斷層面,分析方法的準確性通過評估應用于生成人工表面的“輸入信號”與分析方法計算出的結果之間的差異進行判斷,這些研究結果為分析斷層面形貌特征提供量化可靠性估計。測試結果顯示這兩種計算方法對于描述各向同性破裂面是可靠的,對于描述各向異性破裂面,誤差不超過10%。

巖石破裂面形態的測量方法,主要有機械測量法和光學測量方法。本論文是基于高精度測量數據研究斷層面形貌,因此,選用目前較為先進三維激光測量技術。該技術在精度上完全滿足野外微觀尺度上數十平方米斷層面形貌的測量,相對于傳統表面粗糙測量儀器,大大提高了野外工作效率和測量精度,解決了斷層面在野外微觀尺度上形貌高精度測量問題。應用地面三維激光測量技術采集數據的工作過程大致可以分為計劃制定、外業數據采集和內業數據處理3部分。在野外工作展開之前首先制定工作計劃,根據測量任務確定測量目標和測量范圍;測量過程中,根據測量需要布設測量控制點、確定掃描目標的分辨率;掃描得到的點云數據是一組三維點集,有效數據和無用的噪聲混合在一起,在處理生成DEM之前必須經過數據處理,包括數據的濾波、控制點的擬合、空間坐標轉換等。

2 汶川地震地表破裂面形貌特征

準確描述破裂面形貌對于我們理解地震斷層作用是非常重要的,破裂面的形貌特征包含了許多關于地震和斷層機制的有用信息。2008年汶川MS8.0地震產生了兩個新鮮的破裂面:八角廟破裂面和沙壩破裂面。我們使用3D激光掃描儀(Trim ble GX)對兩個破裂表面進行測量,在野外微觀尺度上研究了汶川地震破裂面的形貌特征。

通過能譜密度和均方值粗糙度兩個方法分析破裂面形貌,分析結果表明新鮮的破裂面表現為自相仿性,能譜密度和均方值均與剖面長度存在冪律關系,破裂面在垂直滑動方向比平行滑動方向粗糙。在能譜密度與空間頻率的對數圖中,能譜密度曲線存在明顯的拐點,表明單一分形不能準確描述破裂面形貌。該拐點所對應的波長稱為“特征波長”,八角廟破裂面在平行滑動方向上的特征波長為7 mm,在垂直方向上特征波長略大一些(區域Ⅰ為10 mm,區域Ⅱ為9 mm);沙壩破裂面在平行滑動方向上的特征波長為8 mm,但垂直方向上特征波長略小(6 mm)。在均方值與剖面長度的對數圖中,均方值曲線的最小二乘擬合直線的斜率為Hurst指數,該指數依賴于剖面方向與斷層面擦痕方向的關系,H指數的最小值和最大值分別與平行擦痕和垂直擦痕方向對應。各破裂面的H指數極坐標圖所標識出的斷層擦痕方向與在野外破裂面擦痕側伏角測量結果一致。沙壩破裂面的H指數極坐標圖中存在次級H指數極值(對應剖面線方向為85°和160°),這揭示破裂面上存在一組隱匿擦痕。該組隱匿擦痕為汶川地震之前斷層活動中形成的,但目前我們獲得的該破裂的分型特征還不足以推測上一次斷層活動的時間和規模。

另外,以往的研究表明未受錯動改造的天然張裂面的H指數等于0.8,天然正斷層面在垂直擦痕方向H指數小于0.8。沙壩破裂面雖然在深部逆沖造成西北盤上升,但西北盤近地表在上升的過程中存在向西的旋轉,造成在近地表的拉張正斷特征,在垂直擦痕方向上H指數小于0.8(0.72±0.029);八角廟破裂面在垂直擦痕方向上H指數為,域Ⅰ:0.84±0.024和域Ⅱ:0.83±0.041,均大于0.8,與該破裂面為擠壓逆沖性質相關。這個觀測結果表明,與前人結論基本一致,垂直擦痕方向的H指數與斷層類型相關。

能譜密度曲線斜率(-α)與能譜曲線斜率(H)在理論上存在一個簡單的線性關系,然而,我們用上述兩種方法得到的結果不能嚴格滿足公式α=1+2×H。通過線性擬合,在全頻率域上α和H滿足線性關系:α=1.22+1.72×H。這個差異是由于測量信號噪音、破裂面的多分形性和分析方法的差異造成的。

3 基巖斷層面形貌風化特征

任何一個野外天然基巖斷層面露頭,其所表現的幾何和形貌特征都是內、外營力共同作用的結果。斷層面形貌特征不僅僅反映了斷層的力學機制和運動特征,還與斷層出露后各種侵蝕、風化作用有關。在許多活動構造區域,基巖斷層崖是斷層多次活動的長期結果,理論上這些基巖斷層面的形貌特征記錄了很多關于斷層活動的信息,隱含著有價值的“古地震”記錄,但很難被識別出來,因此,基巖斷層崖不被認為是判斷過去地震事件的“靈敏指示器”。實際上,在不同時期地震活動出露的斷層面之間,還是存在表面風化程度和生物(蘚類)集群規模的區別,如果能夠建立一種斷層面的出露時間與風化程度的經驗關系,就可以推測出地震發生時代。本文通過對施莊斷裂不同出露歷史的斷層面形貌特征的研究,定量分析了風化作用對斷層面形貌的影響。

無論是遭受風化侵蝕的斷層面,還是新剝露出的斷層面,破裂面的能譜密度和均方值均與取樣長度存在冪率關系,斷層面形貌表現為自相仿性。各掃描斷層面H指數極坐標圖極值的分布特征表明,近水平方向擦痕是控制斷層面形貌特征的最主要因素。將施莊斷層面能譜密度曲線與其他滑動距離不等斷層面進行比較,發現施莊斷層屬于大滑距斷層,在近水平方向上滑動距離不小于10 m。除了內營力,外營力也是決定斷層面形貌特征的重要因素。風化作用不但使斷層面形貌變得粗糙,而且改變斷層面各向異性特征。斷層面出露時間越長,斷層面形貌的各向同性特征越明顯。斷層面形貌各向異性減弱和各向同性的增強是由于外營力(水和空氣)的風化和侵蝕作用具有的隨機性造成的。

在垂直滑動方向和平行滑動方向的斷層面能譜密度圖中,可分別用不同變量表示斷層面形貌的風化程度。在垂直斷層滑動方向,斷層面短波長(高頻)起伏更易受到侵蝕風化。隨著風化程度的加深,垂直滑動方向的能譜曲線偏離天然斷裂能譜范圍,存在一個簡單的規律:斷層面出露時間越長,起始偏離能譜范圍的波長越長。平行于滑動方向能譜密度曲線上存在一個值得注意的現象,波長在5～30 mm范圍上,平行滑動方向的能譜密度曲線存在一個向上凸起的變化,以至于平行于滑動方向能譜接近垂直滑動方向的能譜。拐點波長與斷層面風化程度相關,風化越嚴重,拐點波長越長。將垂直擦痕方向上的偏離能譜范圍的起始波長和平行擦痕方向上的能譜曲線拐點波長之間進行線性分析,分析結果顯示兩者之間存在很好的線性關系。這說明斷層面形貌與風化歷史成線性關系,這與其他研究者在不同地區所獲得的結論相一致。

通過3D激光掃描儀對斷層面進行高精度測量,我們發現斷層面上存在明顯的橢圓凸起,這些橢圓凸起的長軸平行于近水平擦痕,即平行于斷層滑動方向。沿整個施莊斷裂出露的斷層面上,分布多個橢圓凸起結構,凸起結構表現不完整,多數凸起被斜交的階步破壞。這些凸起是基巖研磨物質和角礫混雜固結而成的,類似于透鏡體并依附于斷層面上。這些凸起可以看作是在野外微觀尺度上的凹凸體,微觀尺度上的凹凸體是影響斷層面近場應力分布和滑動分布的重要因素。橢圓形凸起在其他斷層面也曾被報道過,表明這些凸起是斷層成熟過程中的斷層面形貌特征之一。

4 人工坡面形態演化

在松散沉積物中斷層崖形態的演化可以被準確的模擬,在加以適當校正的情況下,可以提供一些斷層崖演化的高精度數字模型,這些模型是確定斷層崖出露年齡的基礎。本文通過建立一組不同角度人工坡面研究斷層崖演化過程,所修建的不同角度坡面代表了斷層崖演化過程中的不同階段,高角度坡面代表了斷層崖演化初期階段,低角度坡面代表斷層崖演化晚期階段。通過長期的高精度觀測,獲取坡面演化過程中各模型參數,最終推導出斷層崖演化的精確數學模型,為判斷斷層面(或斷層崖)出露時代提供一個實用的手段。

松散堆積組成的斷層崖一般經歷2個不同的演化過程:早期的不穩定過程和晚期的擴散過程。處于這兩個階段的斷層崖分別稱為松散限制型斷層崖和搬運限制型斷層崖。不穩定階段自由面后退速率C和擴散階段物質擴散系數K是斷層崖反演斷層活動時間的重要參數。對于同一坡面,每期測量使用相同的控制點,因此可將各期測量結果轉化到相同坐標系統中,通過比較不同期次測量結果,可以獲得坡面在不同時期內的坡面的侵蝕情況。目前人工坡面正處于不穩定階段,自由面后退速率可直接應用于該階段演化模型的校正。根據一年的測量數據分析,不同角度坡面的后退速率存在差異。30°坡面后退速率為8.19±1.16 mm,但由于30°坡面小于休止角,黃土碎屑物很快將自由面覆蓋,之后進入擴散演化階段。大于休止角的坡面中,50°坡面后退速率最大,為7.41±0.84;其次是80°坡面,為6.74±0.26 mm;70°坡面后退速率最小,為5.34±0.15 mm。由于觀測隨時間較短以及坡面未被厚層松散堆積物覆蓋,目前還未能得到精確的坡面擴散方程。

P54;P315;

A;

10.3969/j.issn.0235-4975.2011.08.009

斷層(破裂)面形貌;分形;3D激光測量;汶川地震;施莊斷裂;斷層坎演化;人工坡面

(作者電子信箱,魏占玉:weizhanyu@gmail.com)