龍門山斷裂帶南北活動差異及復雜構造建模
——基于地表破裂帶和中小震精定位

姚 琪

（中國地震局地質研究所，北京 100029）

龍門山斷裂帶南北活動差異及復雜構造建模
——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

（中國地震局地質研究所，北京 100029）

位于青藏高原東緣的龍門山斷裂帶一直以來是研究青藏高原隆升、四川盆地含油氣構造演化、南北地震帶地震危險性分析的重點地區(qū)，對新構造運動、油氣勘探、地震研究均有重要意義。自從汶川地震在龍門山斷裂帶上發(fā)生以來，各研究領域的專家利用已有的資料，基于各自對龍門山斷裂帶構造的認識，對該地震的發(fā)震構造問題開展了廣泛的討論，提出了多種發(fā)震構造模式，但大部分僅提出了一個或是幾個二維的發(fā)震構造剖面，部分三維發(fā)震構造模型也僅是不考慮斷層相互切割關系的簡單化的有限元模型，且部分模型僅僅是提出了起始破裂處的發(fā)震模型。鑒于汶川地震長達240km的地表破裂帶，僅建立局部地區(qū)的構造模型是遠遠不夠的，而汶川地震地表破裂帶和中小震精定位結果、震源機制解均表明龍門山斷裂帶的構造存在較大的南北活動的差異。因此，研究地震發(fā)生和傳播機制需要建立整個龍門山斷裂帶的復雜三維構造模型。

目前，大部分的二維發(fā)震構造模型的基礎是石油系統(tǒng)的人工地震勘探剖面，但是由于龍門山斷裂帶位于山區(qū)，布設測線不易，目前只有垂直龍門山斷裂帶走向的測線（主測線），缺乏平行于龍門山斷裂帶的測線（連絡線），且各測線相距較遠，因此對人工地震勘探剖面的解釋過程中，無法對比聯(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，遠小于汶川地震主震的深度，也就是說，在10～20km及以下，僅有一些深地震反射、P波/S波層析成像、大地電磁測深等粗略的資料，精度遠沒有達到構建復雜構造建模的要求。因此，目前已有的發(fā)震構造很大程度上是建立在推測的基礎上的。這導致了目前對發(fā)震構造模型大量的爭議。

波形反演模擬（陳運泰等，2008）顯示，汶川地震破裂過程涉及到了多個斷層的活動，因此發(fā)震斷層并非單一的平面，而是由多個斷層面組合而成（張勇等，2009）。汶川地震地表破裂帶的分布也顯示發(fā)震斷層由多個斷面組成，各個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)震構造剖面來構建龍門山斷裂帶三維構造模型時，必須要考慮斷片之間的關系。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系及活動差異，僅將北川－映秀斷裂帶作為一個完整體斷面來處理，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系（王衛(wèi)民等，2008；Shen et al.，2009；萬永革等，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制解為研究斷面之間的相互作用和復雜構造三維建模提供了重要的參考資料。將美國地質調查局發(fā)布的地震震中位置（31.01°N，103.38°E）和地震震源深度（～19km）投影在地質圖上，發(fā)現(xiàn)主震震中位置位于映秀斷裂上盤約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，那么對汶川地震發(fā)震構造的認識就取決于龍門山主要斷裂帶的深部幾何形態(tài)（盧華復等，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雜的位移分布，映秀是垂直位移的起始點，在虹口，垂直位移達到一個峰值，并以較平緩的速度向北減少，而至北川，垂直位移達到最高，之后以較快的速度下降，與此同時，自北川開始，水平位移逐漸增大，在平通達到峰值，且向北緩慢減少。與地表破裂帶相對應，中小震的震源機制解表明，發(fā)生在龍門山推覆構造帶中段北川－映秀斷裂帶西南端，以逆沖推覆為主，向NE方向擴展，逆沖推覆作用逐漸減弱，走滑運動逐漸加強，在北川以北地震破裂轉為以右旋走滑運動為主（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，自映秀開始，地表高程開始逐漸升高，在龍門山鎮(zhèn)附近達到地表高程最高值，并向北緩慢下降，其中北川和平通均為地表相對低值，而地形至南壩附近陡然升高。由此，可見地形與地表破裂帶較為一致，顯示龍門山斷裂帶晚第四紀以來的運動方式沒有太大的變化，且指出了幾個運動方式發(fā)生變化的拐點，分別是白鹿、八角、漢旺、映秀、虹口、北川、平通以及南壩。這幾個拐點大部分是斷裂主要段落的起始點。由此，在建模過程中需要考慮這幾個點的位移變化。

目前，人們對龍門山斷裂帶的認識基本上已經達成一致，即龍門山斷裂帶是一前展式的逆沖推覆構造，但尚存的大量爭議的發(fā)震構造則主要有以下幾種：①斷層相關褶皺模型。Xiwei Xu（2009）和Judith Hubbard ＆John H.Shaw（2009）分別利用斷層相關褶皺理論推測了龍門山斷裂帶南中北段的發(fā)震構造。該模型建立了一個膝折斷面模型，將灌縣－江油斷裂帶作為被動斷裂，在深部發(fā)育于北川－映秀斷裂的下盤，且自南而北，灌縣－江油斷裂帶的深度逐漸變淺。該模型另一個備受爭議也是極其重要的一點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，即曲線狀，不存在膝折點，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。多見于有限元模型。③ 北川－映秀斷裂傾角陡直模型。上兩個模型是基于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所測定的震中位置一致，但該模型的運動方式及發(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)的變化都會對深部斷面的形態(tài)造成影響。從這三個模型上來看，斷層相關褶皺模型因為有南段、中段及北段的剖面支持，斷層形態(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處的地表位移突變的成因，即與地表斷裂走向變化相關，灌縣－江油斷裂帶與北川－映秀斷裂帶的接觸關系是復雜的，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行統(tǒng)計分析，通過計算斷層附近的中小震到斷面的距離發(fā)現(xiàn)，在斷層相關褶皺模型中，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系并不如模型中所認為的那么密切。在雙鏟狀模型中，斷層面與中小震的關系非常密切，自南向北，中小震幾乎集中在斷面上，但整個破裂帶的中小震與斷面的關系并沒有南北分段性。在傾角陡直模型中，北川－映秀斷裂僅龍門山鎮(zhèn)－清平段與中小震關系最為密切。在這三個模型中，茶壩－林庵寺斷裂與中小震的關系都不是那么緊密，這表示該斷裂在汶川地震中并沒有發(fā)生錯動，震后也沒有參與應力調整。

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

?圖分類號：P315.2；

A；

10.3969/j.issn.0235－4975.2010.06.019