川西地區的地質構造變形、應變分配和深部動力過程探究

2015-04-18 02:31:52楊燕

四川水泥 2015年2期

楊燕

(四川省蜀通巖土工程公司 610041)

川西地區位于大陸南北地震帶中段，構造變形發育，有著強烈的斷裂活動，導致了歷史上多次強震發生，汶川地震就發生在南北地質年代龍門山斷裂帶上。本文對川西地區構造變形圖像、運動特性以及深部驅動機制進行了分析，為青藏高原東邊界動力過程的研究提供參考，同時也為南北未來強震預測提供依據。

一、川西地質構造概況

南北向構造帶也被稱為南北地震帶，通過深部地球物理探測，發現南北構造帶自身形成了典型的地殼厚度以及重力梯度。川西地區位于南北帶中南，為川滇、松潘-甘孜和華南三大活動板塊的交接處，地震頻發，南北構造帶規律在這里非常典型，北西西向構造主要為左旋剪切，向東則逐漸轉換為南北向，二者之間形成了北東方向的弧形構造，左旋走滑運動南北向的斷裂以及分解是一系列強震的直接原因[1]。

川西地區獨特的地質構造情況也吸引了國際地球科學界的深入研究，如Burchfiel發現龍門山和四川盆地之間并非前陸盆地與逆沖褶皺的相互關系，Royden關于這種現象的解釋是認為青藏高原東緣下有一個約15km的黏性流動帶，受到四川盆地高剛性地殼的阻擋后逐漸囤積在中下地殼，造成了地表的上升，最終形成了寬闊的青藏高原東南緣。通過對據活動構造特點以及運動圖形的分析，發現川西地區構造變形和鮮水河斷裂運動關系密切。青藏高原隆起構造模式如下：

圖1 青藏高原隆起構造模型

二、鮮水河斷裂帶

鮮水河斷裂帶是亞洲大陸最重要的活動走滑斷裂，速率高達10mm/a，為區域內的主導變形構造，以左旋走滑為主要特征。鮮水河斷帶的左旋造成了青藏高原東源發育的一條變質雜巖條帶，在斷裂東段80-90km位移標志非常明顯，可以代表該斷裂帶新生代的位移總量。

康定一帶沿鮮水河斷裂侵入了平行斷裂貢嘎山-折多山花崗巖體，通過對該地區花崗巖同位素年齡的測定，獲得了實現年齡：9.9-11.8Ma，可以代表鮮水河斷裂開始左旋剪切的時間據此能夠獲得鮮水河斷裂的滑動速率：6.7-10.0mm/a[2]。

也有一些工作人員分析了河流階地演化和斷層位錯之間的關系，認為錯離河道一側高一級階梯的廢棄年齡最具代表性，在此基礎上對鮮水河斷裂西段資料進行重新分析，獲得的滑動平均速率以及長期評價均比較統一。

三、龍門山斷裂

汶川地震就發生在龍門山斷裂帶上，該斷裂帶經過了漫長的地質演化過程，晚新生代之后共有三條地震帶，分別為汶川-茂縣斷裂、映秀-北川斷裂、灌縣-江油斷裂。三條斷裂在地下 20公里處匯合為一條剪切帶[3]。根據汶川地震之后的地質考察，發現該地震是映秀-北川斷裂活動導致的，在一分鐘內地殼內部產生了300公里長的大斷裂，地震地表破壞帶為南西-北東方向。龍門山地震破碎帶同時有垂直抬升和逆沖，破碎帶的平均錯距達到了3m。汶川就處在龍門斷裂中：

圖2 汶川地區地震帶分布

地震之前的GPS觀測顯示龍門山斷裂帶滑動速率最大不超過2mm/a，可預測與汶川地震相當的強震復發周期：2000-6000a。龍門山斷裂帶在破碎變質雜巖中形成了犁形剖面能量積累，汶川地震為低滑動速率、長周期、高強度地震。

四、南北向活動斷裂

鮮水河斷裂帶上有三條明顯的南北走向活動斷裂帶：安寧河、大涼山、馬邊斷裂帶。野外地質考察發現三條斷裂帶并沒有表現為斷裂逆沖、地殼縮短的左旋走滑運動，但是實際上這些斷裂的逆沖縮短分量很小，和鮮水河斷裂帶一樣為左旋剪切方式向東運動。

（一）安寧河斷裂帶

在鮮水河斷裂東段，南北走向，止于西昌。晚第四季安寧河斷裂分段特征比較明顯，形成了次級斷層形成的左旋左階逆走滑斷裂，平面結構單一，東側斷裂發育串珠狀小盆地，南段冕寧以南為強震高發帶。

（二）大涼山斷裂帶

其余石棉北鮮水河斷裂帶南端，匯入云南小江斷裂帶，是 6條次級斷層形成的構造帶，全長15km，是雁裂與平行式的混合，以大渡河一級直流和地質體的左旋位錯為主要表現。

何宏林通過電極該地區基性巖體、震旦紀與寒武紀接線、花崗巖與震旦紀接線的恢復，得到了大涼山斷裂帶的總位移大約在11km左右，大渡河一級直流也受到左旋位錯影響，總位錯量和基巖界限位錯量基本相同。

（三）則木河斷裂

則木河活動斷裂帶總體縱向和鮮水河斷裂基本平行，有三條平直斷層斜裂斷層，左旋走滑為特征錯斷的山脊水系以及地質體形成了明顯的拉分盆地，寧南盆地等就是典型構造，通過對大比例活動斷層圖的綜合分析，集合實際水系測設數據，獲得了該斷裂帶左旋走滑速率在6.7mm/a左右。

五、下地殼流動、應變分配討論

使用三維粘彈塑性本構模型模擬地殼與上地幔介質，研究覆蓋黏性地下地殼-上地幔至上彈塑性上地殼長期運動變形，介質屈服之前應力值超過介質強度，介質會產生較大塑形變形：

式中：、-應力張量第一不變量、偏應力張量第二不變量；

α、K-巖石粘聚力、內摩擦相關材料參數。

使用三維并行粘彈塑性有限元分析軟件進行模擬，該工具在太平洋板塊和北美板塊邊界帶模擬中以及有著較好的應用。該工具可以模擬斷層有效厚度彈塑性層，有斷層華東率以及斷層外等效應變率分布等內容。常在河邊走下彈粘塑形問題變形時間小于松弛時間，等效應變率巖體未屈服之前主要為彈性形變。研究地區在青藏高原東南，為川西及鄰近區域，研究區域內地殼厚度變化很大，通過震源深度分析發現區域內彈性上地殼厚度并不大，所以可以采用15km作為上地殼平均厚度。重點考察鮮水河-小江斷帶，建立約束條件，應力場求解。

通過有限元分析，發現斷裂帶幾何形態和走向變化會對滑速率以及應變分配產生較大影響，鮮水河斷帶斷層滑動速率有著明顯的分段特征，結構比較直觀，并且與安寧河-則木河斷裂帶相互作用，導致整個鮮水河-小江斷帶更容易滑動。

龍門山斷帶活動主要為逆沖，并且速率不大，減弱了鮮水河斷帶附近應變活動，川西以及鄰區集合形態控制著區域內的運動變形模式，鮮水河斷裂帶北段主要以左旋滑動為主要活動趨勢，貢嘎山地區地殼抬升產生了部分應變，其余應變主要分配在大涼山斷裂帶以及安寧河-則木河段歷代之間的相鄰塊體，南端的應變主要分布在小江斷裂帶上。