龍門山斷裂帶與強震.doc

龍門山斷裂帶與強震嵇少丞今天雅安市蘆山縣發(fā)生的7.0級強震造成的圍墻倒塌（網(wǎng)絡照片）2008年5月12日8.0級大地震發(fā)生在龍門山斷裂帶的中北段、今天雅安市蘆山縣發(fā)生的7.0級強震發(fā)生在龍門山斷裂帶的南段。下面，我就科普一下龍門山斷裂帶。在中國地圖上有一條由著名地理學家胡煥庸（19011998）先生提出的“胡煥庸線”。這條直線，北起黑龍江愛琿縣、西南達云南騰沖，它把中國大陸分成西北和東南兩部分，線的東南側，土地只占整個國土面積的36%，人口卻是全國的96%。線的西北側，情況恰恰相反。在四川省的地圖中，也有這樣一條人口分布疏密的對比線，它就是龍門山脈。龍門山以東是稱之為“天府”的成都平原，“田肥美，民殷富沃野千里，蓄積饒多，此謂天府。”龍門山以西是中、高山、極高山和高原的世界，遍布湍急的河流、深切河谷，自然環(huán)境注定這里不能像川東一樣養(yǎng)活眾多的人口，而只能是游牧民的天下。龍門山是青藏高原東緣邊界山脈，橫亙于青藏高原和四川盆地之間。龍門山脈北東南西向長約500 千米，北西南東向寬約4050 千米，從東到西分別是山前沖積平原（海拔約500 米）、高山地貌（海拔20005000 米）和高原地貌（海拔40005000 米），為當今世界上坡度最陡的高原邊界。龍門山地區(qū)的地形坡度比喜馬拉雅山南坡的還大，這樣的地貌特征本身就說明垂直龍門山方向上水平構造應力分量很大。前人的野外地質考察和古地磁資料都證明龍門山脈晚新生代以來經(jīng)受了強烈的右旋斜沖。但是，橫跨龍門山布設的GPS區(qū)域觀測網(wǎng)在5.12之前的近十年的測量結果卻顯示基本上沒有位移，有些人據(jù)此推斷龍門山斷裂帶不是活動地震構造，把該地區(qū)從全國強震重點防范區(qū)的名單上剔除。在5.12地震發(fā)生在前，當?shù)卣兔癖姸颊J為龍門山地區(qū)不會有大地震發(fā)生，因此也就沒有采取任何應對地震災害的策略與措施，更沒有為應對可能的地震災害而儲備救援物資。事實上，在GPS觀測的時間段內，龍門山斷裂帶處于閉鎖狀態(tài)，并不證明龍門山斷裂帶是不活動的構造。與龍門山隆起有關的主干斷裂主要有三條（圖12、圖3）：西邊一條叫龍門山后山斷裂，沿茂縣汶川臥龍一線，也被稱之為汶川茂縣斷裂，大體上沿汶川到茂縣的高山峽谷延伸；東邊一條叫龍門山前山斷裂或邊界斷裂，沿安縣都江堰天全一線，也被稱之為安縣灌縣斷裂；中間那條叫龍門山中央斷裂，沿映秀北川青川一線，也被稱之為映秀北川青川斷裂。這三條斷裂呈疊瓦狀，都向北西傾，在地下2024千米深處，這三條斷裂收斂合并成一條緩傾角的逆斷層，成為青藏高原推覆到四川盆地之上的主控制構造。在地表，后山斷裂的傾角為6085，中央斷裂傾角為5080，這兩條斷裂都表現(xiàn)為脆性變形疊加在早期的（約1.30 億年）韌性變形（糜棱巖、構造片巖）之上。前山斷裂發(fā)育在中生界（三疊系、侏羅系、白堊系）的地層和巖石中，地表的傾角也較陡，主要呈脆性。在印支期，龍門山中央斷裂作韌性推覆，后山斷裂為韌性正斷，夾在這兩條斷裂之間的彭灌雜巖和寶興雜巖被韌性擠出（隧道流）。這些雜巖是活化了揚子克拉通的結晶基底。晚新生代之后，龍門山三條主干斷裂都作脆性右旋斜沖。前山斷裂是四川盆地與龍門山脈的天然分界線，前山斷裂的東邊地殼相對沉降，河流從龍門山里帶出大量的泥沙物質，在山前形成一系列沖積扇，成都平原的人民世世代代在上面耕種著。前山斷裂與中央斷裂之間所夾的是低龍門山區(qū)，從東到西依次是丘陵、低山、中山，最高山頂?shù)暮０我话悴怀^2500米，山體的巖石主要是上古生界（泥盆系、石炭系和二疊系）中生界（三疊系、侏羅系和白堊系）的。中央斷裂與后山斷裂之間所夾的是高龍門山區(qū)，山峰高度多在3500米以上，其中九頂山的獅子王峰海拔4984米，為龍門山的最高峰。高龍門山區(qū)的山體主要有前寒武系的彭灌雜巖（由花崗巖、花崗閃長巖及鐵鎂質的基性巖石脈組成）以及下古生界（寒武系、奧陶系和志留系）的地層和巖石構成。1929年，年輕的地震學家趙亞曾，來到當時還是地質空白區(qū)的四川龍門山地區(qū)科學考察，他在彭州的白鹿頂和小魚洞一帶，發(fā)現(xiàn)山頂上較老的二疊系石灰?guī)r覆蓋在較新的三疊系含煤巖層之上，他把這些山頂命名為“飛來峰”，他的研究成果發(fā)表在當年的中國地質學會志。后來，地質學家把這種地質現(xiàn)象稱之為“推覆構造”，老的巖體順著一系列逆沖斷層被強推到新的巖層上面，就像一組由西北到東南被推倒的多米諾骨牌。被強推上去的巖體叫推覆體，這些推覆體經(jīng)過后期地質作用的改造，形成景色秀麗的飛來峰群，吸引了歷史上不同宗教在上營造廟宇寺院。龍門山里比較著名的飛來峰自北到南分別有唐王寨飛來峰、清平飛來峰、彭灌飛來峰、白石飛來峰、金臺山中林飛來峰等，這些飛來峰大多位于中央斷裂和前山斷裂之間。地質學家估計，在垂直龍門山脈方向有43%的地殼縮短率，在這個方向上地殼巖石遭到擠壓縮短，故形成高山。5.12地震震中下方地殼厚度約52千米，在震源深度1420 千米范圍內，地殼具有平均S波速超過4.0 千米/秒的異常高速結構。在深度2638 千米范圍內地殼平均S波速約為3.6 千米/秒，為低速區(qū)。成都市區(qū)地殼厚度約42千米，成都以東約20千米的龍泉驛地殼厚度僅38千米。在耿達和臥龍一帶，地殼厚度約60千米。松潘甘孜地塊的地殼厚度約6062千米。所以，從東到西地殼厚度逐漸增加。5.12特大地震就發(fā)生在映秀鎮(zhèn)附近、途經(jīng)破裂和摩擦強度都大的彭灌雜巖的龍門山中央斷裂上。震源機制解表明，震源點上斷層的走向為238、向北西傾59，三個主應力的方向分別是：（302，06），（036，31），（202，57），括符里第一、第二個數(shù)字分別是應力的走向和傾角，采用國際慣例右手法制。，和分別表示相互垂直的最大、中間和最小主應力。同震破裂從震源出發(fā)在不到兩分鐘的時間內向北東方向傳播了近275 千米，根據(jù)地表同震破裂的產(chǎn)狀以及上面的擦痕側伏角，可以看出，在映秀北川段斷面很陡（7080），斷層上下兩盤相對運動以推覆為主，右旋走滑為輔，垂直位移最大達10 米，水平位移最大達4 米；但在北川青川段，斷層上下兩盤相對運動以右旋走滑為主，推覆為輔。這樣的構造變形的樣式過去500萬年可能一直如此，從而造成從南西到北東，山的高度逐漸減少。起源于中央斷裂上的5.12特大地震還激發(fā)了都江堰安縣之間的前山斷裂（圖1），形成總長近百千米斷斷續(xù)續(xù)的地表同震破裂，也具明顯的逆沖兼右行走滑特征，垂直位移最大達45 米，水平位移23 米。在都江堰安縣斷裂東側510 千米的山前盆地中雖然地表看不到同震破裂，但出現(xiàn)噴水冒沙，并且呈北東向（從都江堰的聚源鎮(zhèn)向江油方向）成帶斷續(xù)分布，說明地下隱伏盲斷層（大邑郫縣斷裂）被地震觸發(fā)。在彭州市小雨洞鎮(zhèn)附近有一條呈北西向逆沖兼具左行走滑的地表同震破裂帶，它連接北川映秀斷裂和安縣灌縣斷裂。汶川縣城向南至N31 經(jīng)度線之間，這段龍門山后山斷裂有可能在5.12大地震中也被激活，斷層運動可能僅集中在深部，同震斷裂不一定都能傳到地表。2008年5月14日5.6級和5月16日5.9級兩個強余震都發(fā)生在龍門山后山斷裂之西，震源機制解指示龍門山后山斷裂作右旋走滑，推覆的分量很小。INSAR雷達干涉影像表明龍門山后山斷裂也有活動。1800年以來，龍門山中段的前山斷裂上先后曾發(fā)生過4次中強地震，最大一次是1970年發(fā)生在大邑西邊的6.2級地震。龍門山后山斷裂自1597年以來，共發(fā)生過4級以上地震13次，最大一次是1657年4月21日（清順治十四年三月初八）的汶川6.5級地震，史書上記載那次地震：“地震有聲，晝夜不斷，山石崩裂，江水皆沸，房屋城垣多傾，壓死男婦無數(shù)”。龍門山中央斷裂自1168年到5.12之間只發(fā)生過12次4級地震，僅一次6.2級，發(fā)生在北川。在汶川縣映秀鎮(zhèn)地區(qū)可以看到5級階地，一級階地是這一次5.12地震形成的，河床抬高了2.2米。二級階地高3米，三級階地高7米，四級階地高25米，五級階地高7米。五級階地的形成年齡在52,700年左右，垂直累計抬升高度為44.2米，所以斷裂帶的平均年垂直滑移速率為0.84 毫米/年。如果每一次8級大地震可以形成2.5米左右的垂直滑移，那么這個地區(qū)發(fā)生類似5.12汶川地震的復發(fā)周期就是3000年。岷江發(fā)源于川西高原岷山的貢嘎嶺和郎架嶺，主干河道流向先由北向南，在汶川南轉向東南橫切九頂山，之后流入成都平原，總落差大約3010米，河道平均比降為千分之八。每次地震后，岷江河水將龍門山上滑坡塌方下來的碎石和泥土帶到下游的成都平原，形成沖積扇。成都平原上岷江沖積扇的最大厚度達541米，位于郫縣、溫江一帶。該沖積扇的下部為大邑礫石層，中部為雅安礫石層，上部為上更新世至全新統(tǒng)礫石層。大邑礫石層是成都平原上最古老的沖積礫石層，其形成時間約為360萬年前，說明360 萬年前就已經(jīng)有了高起伏、陡地貌的龍門山脈了。換句話說，龍門山地區(qū)360萬年以來，一直強震不斷的，每35千年就來一次，每次地震使得龍門山長高23米，地震之后風化剝蝕與河流搬運又減少了由地震造成的山脈升高。成都理工大學李勇教授估計，龍門山年平均剝蝕速率為0.50.6毫米，近1000萬年以來龍門山有56千米厚的巖石被剝蝕掉了，亦即，1000萬年前埋深56千米的巖石現(xiàn)在出露于地表。前文曾說過由地震造成的龍門山抬升的年平均速率是0.84毫米，地震抬升與風化剝蝕兩相抵消之后的剩余就是龍門山地區(qū)地表隆升速率，平均每年0.240.34毫米。所以，龍門山和青藏高原一樣，目前仍保持隆升趨勢。震前的GPS觀察顯示（圖4），龍門山脈中各條斷裂帶的滑移速率每年平均只有1毫米左右，比起北邊的東昆侖斷裂帶和南邊的鮮水河小江斷裂帶（1013 毫米/年）要小得多。映秀一帶的龍門山中央斷裂一直很平靜，說明斷層一直處于閉鎖狀態(tài)，直到2008年5月12日下午14點28分突然發(fā)生了8.0級大地震，不是“小震鬧，大震到”的“前震主震余震”系列，而是“要則不鳴，一鳴驚人”的“主震余震”系列。5.12大地震的動力來源還是青藏高原和揚子地塊之間相對運動在龍門山斷裂帶上產(chǎn)生的長期能量積累和突然釋放。印度大陸板塊向北漂移并和歐亞大陸板塊碰撞擠壓，形成了世界屋脊喜馬拉雅山和巨大的青藏高原。青藏高原平均海拔高度達5000米，地下的地殼厚度達6070千米，而四川盆地下面的地殼厚度才40千米（圖5）。在重力作用下，巨大的青藏高原就像一個大胖子突然躺到一個水床上。青藏高原深部地殼的巖石在高溫高壓下發(fā)生部分熔融，就像水床墊中的水在大胖子重重身體的擠壓下向四邊周界涌動一樣，向高原的周緣擠流。古老的四川盆地下面是強硬的巖石圈，深深地扎根于其下的上地幔之中，強烈地阻擋著青藏高原向東擴張。在青藏高原擴張和四川盆地反擴張的前沿陣地，于是就擠壓形成了高聳的龍門山，這次四川5.12特大地震正是人類遭遇龍門山造山運動的悲慘一幕。其實，青藏高原周界及其高原內部數(shù)條大斷裂歷來是地震的頻發(fā)區(qū)。通過對5.12汶川地震的成因分析，我們認為特大強震發(fā)生需要滿足以下幾個條件：（1）地震的起發(fā)點（地震成核處）為強巖，強巖破裂強度和摩擦強度都大，起發(fā)地震的能量高，一旦觸發(fā)，傳之圍巖，“居高臨下，勢如破竹”，周圍老斷層能被瞬時激活，多米諾骨牌效應，連鎖反應，猶如“一顆炸彈引爆一個或連續(xù)幾個炸藥庫”。5.12之前，那些老斷層本來就已處于臨界壯態(tài)，一旦被引發(fā)，可想而之。5.12地震的震源位于龍門山脈內彭灌雜巖體之中。彭灌雜巖體在地面上呈透鏡形，北東南西向上長約105千米，南東北西方向上寬約30千米。該雜巖體主要由閃長巖、花崗巖、混合巖、片麻巖等組成。這些結晶巖石，形成于新元古代（距今約8.307.45億年），主要組成礦物是石英和長石，巖石的剪切強度和摩擦強度都特別大，絕不輕易破裂和滑動，除非在外力作用下巖石內應力積累得非常高。一旦應力達到其破裂強度或摩擦強度，必然要瞬時釋放出巨大的能量，從而形成大地震。彭灌雜巖體西北側出現(xiàn)的是前寒武紀的沉積巖，如粉砂巖、板巖、頁巖、礫巖等；在彭灌雜巖體的東北方和東側分布的是古生代和中生代的沉積巖和淺變質巖，如千枚巖、綠泥石片巖、灰?guī)r、煤系地層等，這些成層的沉積巖和淺變質巖的剪切強度和摩擦強度比彭灌雜巖體中的結晶巖石低得多。正由于如此，從彭灌雜巖體中形成和傳出的地震斷裂立刻所向披靡地向東北方向迅速打穿所有的沉積巖和淺變質巖層，過了北川后又向青川和陜西寧強方向傳了近150千米才停下來。主震后第13天青川縣境內還發(fā)生一次6.4級余震。所以說，這次5.12汶川大地震是始于強巖，傳之弱巖，故強度大，波及范圍廣。地殼中蛇紋巖、綠泥石片巖、云母片巖、千枚巖等變質巖和頁巖、板巖、泥巖等沉積巖屬于屈服強度和摩擦系數(shù)都低的巖石，在地質構造應力作用下，這些巖石常常是作韌性變形即蠕變，“走而不斷”，巖石在“走”（變形）但不形成脆性斷裂?；?guī)r在地表看似很硬，但在地下十幾千米深處溫度壓力較高和有水環(huán)境中，其強度并不太高。在沉積巖和淺變質巖中，力學性質較強的（如砂巖）和較弱的（如頁巖）巖層總是互層出現(xiàn)的，根據(jù)最小能原理，斷層總是選擇在弱巖層中通過，盡量避免切割強巖層。在弱巖體中形成不了強震。所以，我們認為“強巖強震、弱巖小震、軟巖不震（蠕滑）”。這條規(guī)律可以用到區(qū)域地震預測中去。（2）震源深度適中。在龍門山地區(qū)震源深度約為1520 千米，剛好在脆韌性轉變帶之內，即地殼強度剖面的峰值段，能成強震。在脆性應變區(qū)，巖石摩擦強度隨深度增加而作線性增加；在韌性應變區(qū)，巖石流變強度隨深度增加而作非線性減少。所以，在脆韌性轉變帶上巖石強度最大，最有可能形成強震。震源太淺（如幾千米深）肯定形成不了大震，例如，洋中脊的正斷層上就無強震。（3）較高傾角（大于53度）的逆斷層。正斷層往往形成不了強震。激發(fā)一個傾角26.5的逆斷層所需的差應力要比激發(fā)一個正斷層高約4倍，比激發(fā)一個走滑斷層高約2.5倍?；顒右粋€高傾角（大于53）逆斷層（一個逆斷層從深部到地表往往傾角逐漸加大），不僅需要構造差應力非常之高，而且要求巖石中流體壓力在起發(fā)地震之時等于或大于靜巖壓力。大地震中，震源深度巖石破裂，流體向上排放，原先溶解在高壓流體中的礦物質此時在張和剪破裂中析出結晶（甚至可能成礦），斷裂的完全愈合（即斷裂帶的孔隙度和滲透率的完全消失）要靠壓溶和體搬運作用完成。壓溶是一個較為緩慢的過程，所以高差應力特別是巖石中流體壓力的重建都需要很長時間，這就是為什么特大地震都是幾千年一遇的原因。等到有一天逐漸積累的差應力和流體壓力又達到一定的閾值之時，就會發(fā)生一次新的大地震。斷層帶中這樣的過程會不斷地循環(huán)往復。汶川地震正好滿足上述條件，故原地復發(fā)周期長，積累能量大。青藏高原的北東邊界（四川盆地西界、鄂爾多斯地塊和阿拉善地塊的南緣）都是如此。讀到這里，有人可能會問：“是不是可以這么理解，汶川地震已經(jīng)把幾千年積累的應力釋放完了，四川要發(fā)生大地震的可能性又在幾千年之后”？汶川地震把震源點（可以簡單地把它看作是一個直徑約1520 千米的球）上應力和流體壓力釋放差不多了，在這個點上20003000年不會有大震了，這并不等于說整個四川三千年就不震了。相反，龍門山斷裂帶南段（映秀寶興瀘定）、石棉附近的鮮水河斷裂帶以及四川盆地內部的龍泉山斷裂帶和華鎣山斷裂帶南部因汶川大地震發(fā)生，應力反而增加。即使在龍門山斷裂帶的中段和北段，應力釋放也主要集中在映秀北川青川斷層（275 千米長）和灌縣安縣斷層（100 千米長）上。附近地區(qū)其他斷裂如岷江斷裂、虎牙斷裂、平武青川斷裂、江油廣元斷裂基本上都沒有參與5.12地震系列的活動。那些有很強的發(fā)震能力但已有很長一段時間沒有發(fā)生地震（缺震）的斷裂帶是地震空區(qū)，說明那里能量已經(jīng)積累起來，更有可能發(fā)生強震。所以，我們絕對不能說“汶川地震后，四川三千年不震，四川省的防震工作從此就可以不做了”。今天雅安蘆山縣發(fā)生的7.0級地震就是一個無情的說明。汶川地震之后四川災后重建的房屋是否經(jīng)受得起強震的二次打擊？我甚擔心！四川盆地西側有龍門山斷裂帶，東面有華鎣山斷裂帶，中間還有龍泉山斷裂、蒲江新津成都新都廣漢德陽斷裂、大邑斷裂、竹瓦鋪斷裂和綿竹斷裂等，盆地內部還有一些隱伏的盲斷層，這些斷層具逆沖推覆或右旋斜沖推覆性質，隱伏地下515千米深處，地表很少有形跡可循，與之相伴生的往往是一些非對稱性的地層褶皺（即斷層傳播褶皺）。在未來5001000萬年之內，龍門山褶斷帶將進一步東移，華鎣山和龍泉山都向西推覆，四川盆地將越來越小，盆地內沉積巖層的活動褶皺越來越強（薄皮構造）。四川盆地內部地震的震源不會太深，一般不大于15千米。另外，四川盆地中較厚的松散的沉積，具有明顯的震害放大作用，沙土震動液化以及軟土震陷等作用對工程建筑的破壞極為嚴重。四川盆地內隱伏盲斷層之上人口稠密、工業(yè)發(fā)達、即使一次6.5級地震都會給成都這樣的大城市帶來慘重的社會經(jīng)濟損失和人員傷亡。希望四川省領導和有關部門居安思危，具強烈的憂患意識，密切監(jiān)測四川盆地內部斷裂帶的構造活動，同時提高建筑物的抗震標準，并嚴格把好建筑質量關。我在雅安這個城樓里喝過茶， 它還安在嗎？我也在這里也喝過茶，當初與我同坐的人還安好嗎？ 蘆山地震的主震及其余震分別信息序號發(fā)震日期發(fā)震時刻緯度（N）經(jīng)度（E）震源深度（Km）震級（M）震中地點主震2013-04-2008:02:46.030.3103.0137.0四川省雅安市蘆山縣12013-04-2008:06:38.030.2102.9104.8蘆山、寶興、天全交界22013-04-2008:07:32.030.3102.9105.1蘆山、寶興交界32013-04-2008:27:25.830.3102.9153.6寶興、蘆山交界42013-04-2008:31:34.530.4102.9124.1蘆山、寶興交界52013-04-2008:37:12.030.2102.9194.1蘆山、天全、寶興交界62013-04-2008:42:35.230.3102.9203.6蘆山、寶興交界72013-04-2008:50:34.530.1102.8163.1天全、蘆山、寶興交界82013-04-2008:52:23.230.1102.8133.7天全、蘆山、寶興交界92013-04-2009:02:57.130.3102.9154.6寶興、蘆山交界102013-04-2009:11:51.830.2102.8164.3寶興、天全、蘆山交界112013-04-2009:20:09.230.2102.9194.6蘆山、寶興、天全交界122013-04-2009:26:00.530.2102.9174.4蘆山、寶興、天全交界132013-04-2009:37:28.030.3102.9154.9蘆山142013-04-2009:39:34.130.1102.9124.5蘆山、天全交界152013-04-2009:54:55.530.3102.9193.2蘆山、寶興交界162013-04-2010:01:41.430.2102.9153.7蘆山、寶興、天全交界172013-04-2010:06:29.030.2103.1103.3雅安雨城區(qū)、名山、成都邛崍交界182013-04-2010:12:34.730.3102.9203.4蘆山、寶興交界192013-04-2010:19:04.930.3102.9154.3蘆山、寶興交界202013-04-2010:29:48.730.2102.8183.7天全、蘆山、寶興交界212013-04-2010:38:34.730.2102.9174.6蘆山222013-04-2010:41:14.130.2102.993.2蘆山、天全、寶興交界232013-04-2010:46:46.63