汶川地震后龍門山斷裂帶活動特征

唐文清，張清志，劉宇平，潘忠習(xí)，李 軍，楊 成

(成都地質(zhì)礦產(chǎn)研究所，四川 成都 610081)

2008年5月發(fā)生的四川汶川8.0級強烈地震波及我國大部分地區(qū)，造成了巨大破壞。隨著地震能量的釋放，區(qū)域地殼的運動學(xué)、動力學(xué)平衡被打破。作為發(fā)震構(gòu)造的龍門山斷裂帶，地震錯動顯著、地表破裂長，斷裂帶運動特征地震后發(fā)生明顯的改變。

GPS監(jiān)測能提供高精度、大范圍和實時的地殼運動定量數(shù)據(jù)，使得在短時間內(nèi)獲取現(xiàn)代地殼運動形變成為可能［1，2］。成都地質(zhì)礦產(chǎn)研究所在龍門山斷裂帶的GPS監(jiān)測起始于1991年，地震前進行了多期觀測，積累了豐富的觀測數(shù)據(jù)。汶川地震后，借助于“青藏高原東緣地殼形變GPS監(jiān)測”項目，在龍門山斷裂帶增設(shè)了GPS監(jiān)測站，龍門山斷裂帶的監(jiān)測由斷裂帶細化到分段及次級斷裂。

通過對2009～2011年三期GPS測站監(jiān)測及數(shù)據(jù)處理，得到了龍門山斷裂帶2009～2010年、2010～2011年、2009～2011年歐亞框架下區(qū)域地殼運動速度場，反映了地震后龍門山斷裂帶活動特征。同時通過橫穿龍門山斷裂帶前山斷裂、中央斷裂、后山斷裂剖面GPS測站運動速度大小和方向變化的分析，具體探討地震后斷裂帶各分段及次級斷裂的運動特征，對震后龍門山斷裂帶的構(gòu)造運動形變特征及區(qū)域地球動力學(xué)、運動學(xué)的研究，具有重要意義。

1 龍門山斷裂帶地質(zhì)背景

龍門山斷裂帶位于青藏高原東緣中部，地處青藏高原和四川盆地之間，是由一系列壓性、壓扭性斷裂及褶皺組成的逆沖斷裂帶［3］，控制著區(qū)域現(xiàn)代地形、地貌和地震活動［4～6］。龍門山斷裂帶是活動強烈的青藏塊體與活動較弱的華南塊體擠壓拼接的交匯部位之一［7，8］，體現(xiàn)了青藏高原對華南地塊擠壓的構(gòu)造特征和四川盆地作為前陸盆地的演化過程［9，10］。龍門山斷裂帶同時也是我國南北地震帶的組成部分［11］，汶川地震發(fā)生在此斷裂。

圖1 龍門山斷裂帶構(gòu)造略圖Fig.1 Tectonic setting of the Longmenshan fault zone

龍門山斷裂帶南起瀘定、天全，與北西向的鮮水河斷裂相聚，沿四川盆地西緣呈北東-南西向延伸，經(jīng)寶興、都江堰、江油、廣元進入陜西，與昆侖-秦嶺東西向構(gòu)造帶成斜角相交(圖1)。在橫向上分為西支、中央和東支3條斷裂。根據(jù)出露位置和形成時間順序，習(xí)慣上以主中央斷裂為界，將龍門山斷裂分為前山和后山斷裂，自西向東依次稱為后山斷裂、中央斷裂、前山斷裂。后山斷裂在地貌上處于龍門山的最高部位，占據(jù)了龍門山的主脊線，印支期以來為擠壓逆沖性質(zhì);中央斷裂位于后山與前山斷裂之間，在斷裂兩側(cè)發(fā)育一系列與之平行的次級斷層，剖面上呈疊瓦狀，顯示明顯的壓性特征;前山斷裂位于四川盆地西側(cè)，組合比較復(fù)雜，常呈斷續(xù)左行雁列，擠壓形變特征比較明顯，沉積盆地被逆掩于斷裂之下。各主干斷裂總體走向為NE向，傾向北西;主干斷裂由多條次級斷裂組成，而次級斷裂又由若干更次級的斷裂構(gòu)成。龍門山斷裂在縱向上由幾個不同的段落組成，劃分為北、中、南三段。每一段包括大斷裂的次一級斷裂。龍門山斷裂北段指白龍江以北四川廣元至陜西勉縣、寧強一段。此段包括后山斷裂的青川-平武斷裂、中央斷裂的北川-廣元朝天驛斷裂、前山斷裂的馬角壩斷裂。龍門山斷裂中-南段，是龍門山極具構(gòu)造特色的部分，在次級斷裂中，以青川-茂汶斷裂、北川-保興斷裂、江油-灌縣斷裂規(guī)模較大。龍門山斷裂中段包括了后山斷裂的汶川-茂汶斷裂、中央斷裂的映秀-北川斷裂、前山斷裂的灌縣-江油斷裂;斷裂南段包括了龍門山后山斷裂的耿達-隴東斷裂、龍門山中央斷裂的鹽井-五龍斷裂、龍門山前山斷裂的南段大川-雙石斷裂。

龍門山斷裂帶歷史悠久且具有多期活動［12］。擠壓運動始于晚三疊世，從侏羅紀到第四紀一直在活動，主要斷裂現(xiàn)在仍在活動。新構(gòu)造運動主要表現(xiàn)為擠壓特征。地質(zhì)研究顯示，新生代和第四紀以來東北段活動減弱，而龍門山斷裂中段和西南段晚第四紀以來仍在活動。

2 水平運動速度場及測站速度剖面

汶川地震后，龍門山斷裂帶高精度GPS監(jiān)測已進行了三期(2009、2010、2011年)。數(shù)據(jù)處理采用GAMIT/GLOBK軟件。首先，用GAMIT進行單日解算，得到測站坐標、位置軌道和地球定向參數(shù)等的松弛解;然后，用GLOBK進行多時段綜合解算，以獲得GPS網(wǎng)平差結(jié)果，并計算重復(fù)度及評估數(shù)據(jù)質(zhì)量;最后，選定參考框架，得出歐亞框架下的測站運動速度。測站運動速度場相對精度為10-8～10-9，絕對精度為mm/yr，能滿足地殼運動形變研究的需要。通過計算，分別得到了地震后2009～2010年、2010～2011年度以及2009～2011年的歐亞框架下測站運動速度場(圖2，圖3，圖4)。

圖2 2009～2010年歐亞框架下測站運動速度場Fig.2 Velocity field of the GPS stations in Eurasian reference frame(2009-2010)

圖3 2010～2011年歐亞框架下GPS測站運動速度場Fig.3 Velocity field of the GPS stations in Eurasian reference frame(2010-2011)

圖4 2009～2011年歐亞框架下GPS測站運動速度場Fig.4 Velocity field of the GPS stations in Eurasian reference frame(2009-2011)

為了更好地研究龍門山斷裂帶的震后構(gòu)造活動特征，截取了橫穿斷裂帶的4條剖面(A-A′、B-B′、C-C′、D-D′)(圖4)。以 2009 ～2011年歐亞框架下測站運動速度場作為研究基礎(chǔ)，分別做出龍門山斷裂南段(XJS-BXB-BXN-SLZ-HYX)(A-A′剖面)、中南段(ZGL-SWP-DJY-DJS)(B-B′剖面)、中北段(MXB-BCX-BCD-TJP)(C-C′剖面)、北段(BKZDTN-CTX-GYD)(D-D′剖面)橫穿前山斷裂、中央斷裂、后山斷裂的測站運動速度剖面圖(圖5，圖6，圖7，圖8)。各剖面反映了經(jīng)過不同構(gòu)造部位的測站運動速度大小、方向變化特征。

圖5 龍門山斷裂帶南段測站速度剖面(A-A′)Fig.5 Velocity section A-A′in the southern part of the Longmenshan fault zone

圖6 龍門山斷裂帶中南段測站速度剖面(B-B′)Fig.6 Velocity section B-B′in the south-central part of the Longmenshan fault zone

圖7 龍門山斷裂帶中北段測站速度剖面(C-C′)Fig.7 Velocity section C-C′in the north-central part of the Longmenshan fault zone

圖8 龍門山斷裂帶北段測站速度剖面(D-D′)Fig.8 Velocity section D-D′in the northern part of the Longmenshan fault zone

3 分析及討論

GPS監(jiān)測獲得的地殼運動速度場清晰地揭示了地震后上部地殼構(gòu)造運動變形特征。從汶川地震后龍門山斷裂帶2009～2010年、2010～2011年度的歐亞框架下測站運動速度場以及地震后2009～2011年運動速度場(圖2，圖3，圖4)可以看出:總體上看，龍門山斷裂帶GPS測站運動方向為SE向，由西到東，測站運動方向逐漸變大，測站運動方向逐漸由SEE向變?yōu)镾E向，作順時旋轉(zhuǎn);龍門山斷裂帶GPS測站運動速度西側(cè)大，東側(cè)小，西側(cè)的運動速度明顯高于東側(cè)，說明西側(cè)的川青地塊活動大于東側(cè)的華南地塊。地震后龍門山斷裂帶兩側(cè)GPS測站速度及方向的變化反映出龍門山斷裂帶的總體性質(zhì)為右旋擠壓走滑，與地震前斷裂帶運動特征相似。

具體到逐個GPS測站，龍門山斷裂帶及周圍區(qū)域內(nèi)測站運動速度大小、方向變化較大，顯得較為零亂。GPS測站運動大小、方向變化各年度表現(xiàn)不同。2009～2010年度變化較大，斷裂帶東側(cè)GPS測站甚至出現(xiàn)了反向運動。2010～2011年度則稍好;2009～2011年測站運動場表現(xiàn)得較有規(guī)律。這些特征表明:龍門山斷裂帶受汶川地震及其余震的影響大。早期的東側(cè)GPS出現(xiàn)的測站反向運動，為地震發(fā)生、應(yīng)力釋放后的彈性回返。隨著應(yīng)力釋放以及被地震打破的運動學(xué)、動力學(xué)平衡的逐漸恢復(fù)，逐漸表現(xiàn)出原來的特征。

龍門山斷裂帶作為重要的分界斷裂，其活動大小一直受到人們的關(guān)注。地震地質(zhì)研究表明，龍門山斷裂的晚更新世以來(萬年尺度)的活動強度相對較低，整個龍門山斷裂帶的滑動速率不超過2～3 mm/yr［13］;用地質(zhì)方法得出的龍門山斷裂中南段滑動速度1 ～2 mm/yr、地貌法得出的 1 ～5mm/yr［12］;地震前GPS研究得出龍門山斷裂帶的總體運動不大，龍門山斷裂的擠壓縮短速率只有(6.7土3.0)mm/yr［14］、0 ～7 mm/yr［15］、斷裂帶為 2.3 mm/yr，北段 為 1.54mm/yr，中 段 為 2.77mm/yr，南 段 為5.23mm/yr，性質(zhì)主要表現(xiàn)為擠壓走滑斷裂帶［16，17］。

龍門山斷裂帶各段橫穿次級斷裂的GPS測站剖面運動速度、方向變化(圖5，圖6，圖7，圖8)可以反映出震后龍門山斷裂帶運動特征。地震后，龍門山斷裂帶整體運動速度明顯變大，達到10～20mm/yr左右，性質(zhì)為右旋擠壓走滑，與地震前相似。由西向東，各剖面測站速度總體上逐漸變小。測站剖面速度突變處卻不同，龍門山斷裂帶的北段、中北段以及南段，都以后山斷裂的運動速度差最大，表明地震后龍門山斷裂帶以后山斷裂的運動為主;在離震中較近的龍門山中南段則以前山斷裂的運動為主，究其原因，可能與龍門山中南段處為地震震中有一定的關(guān)系。剖面測站運動方向變化大，龍門山斷裂帶的南段及中南段由西向東，剖面測站運動方向逐漸變大;斷裂帶的北段，剖面測站運動方向卻逐漸變小;而處于兩者之間的斷裂帶的中北段，變化特征不明顯。一定程度表明斷裂性質(zhì)為南段及中南段為右旋走滑擠壓特征。龍門山斷裂帶呈現(xiàn)出這種剖面測站運動方向差異變化特征，可能與龍門山斷裂帶南段地震后應(yīng)力釋放而北段運動受到阻擋有關(guān)。

4 結(jié)論

(1)龍門山斷裂帶所在地區(qū)地震前后區(qū)域地殼運動總體趨勢沒變，作順時旋轉(zhuǎn);斷裂帶西側(cè)GPS測站運動速度變大，東側(cè)測站運動速度變小，西側(cè)運動速度大于東側(cè)。

(2)龍門山斷裂帶的斷裂性質(zhì)地震前后都為右旋走滑擠壓;斷裂帶運動速率受汶川地震影響較大，地震后運動速率較地震前有顯著的增加。

(3)地震后龍門山斷裂帶各段次級斷裂活動，中南段以前山斷裂的運動為主，其它各段以后山斷裂的運動為主。

(4)龍門山斷裂帶地震后表現(xiàn)出的運動特征，主要是受汶川地震的影響。由于動力學(xué)、運動學(xué)平衡被打破，早期龍門山斷裂帶東側(cè)彈性回返，表現(xiàn)為低速反向運動;龍門山斷裂帶西側(cè)震后松弛為拉張區(qū)，運動速度加大，由于地震的影響的不同，使得的斷裂帶運動特征發(fā)生改變。隨著應(yīng)力應(yīng)變的釋放，在區(qū)域構(gòu)造作用下，又進行與地震前相似的地殼運動形變。

［1］馬宗晉，張進，任金衛(wèi)，等.全球GPS矢量場的分區(qū)描述及規(guī)律性分析［J］.地質(zhì)學(xué)報，2006，80(8):1089-1100.

［2］張培震，王琪，馬宗晉.中國大陸現(xiàn)今構(gòu)造變形的GPS速度場與活動地塊［J］.地學(xué)前緣，2002，9(2):430-441.

［3］林茂炳，茍宗海.四川龍門山造山帶造動帶造山模式研究［M］.成都:成都科技大學(xué)出版社，1996.

［4］鄧起東，陳社發(fā)，趙小麟.龍門山及其鄰區(qū)的構(gòu)造和地震活動及動力學(xué)［J］.地震地質(zhì)，1994，16(4):389-403.

［5］唐文清，孫志明.四川松潘弓嘎嶺-漳臘盆地新構(gòu)造運動［J］.特提斯地質(zhì)，1999，23:103-107.

［6］趙小麟，鄧起東，陳社發(fā)，等.龍門山逆斷裂帶中段的構(gòu)造地貌學(xué)研究［J］.地震地質(zhì)，1994，16(4):422-428.

［7］陳社發(fā)，鄧起東，趙小麟.龍門山中段推覆構(gòu)造帶及相關(guān)構(gòu)造的演化歷史和變形機制(一)［J］.地震地質(zhì)，1994，16(4):404-412.

［8］許志琴，侯立瑋，王宗秀.中國松潘一甘孜造山帶的造山過程［M］.北京:地質(zhì)出版社，1992.

［9］BURCHFIEL B C，CHEN Z L，LIU Y P et al.Tectonics of the Longmenshan and adjacent regions［J］.International Geological Review，1995，8:661-735.

［10］CHEN SHEFA，WILSON C J L et al.Active faulting and movement associated with large earthquakes in the Min Shan and Longmen Mountains，northeastern Tibetan Plateau［J］.Journal of Geophysical Research.1994，9(12):24，025-24，038.

［11］張培震.青藏高原東緣川西地區(qū)的現(xiàn)今構(gòu)造變形、應(yīng)變分配與深部動力過程.中國科學(xué)(D 輯)［J］，2008，38(9):1-15.

［12］唐榮昌，韓渭賓主編.四川活動斷裂與地震［M］.北京:地震出版社，1993:67-138.

［13］張培震，聞學(xué)澤，徐錫偉，等.2008年汶川8.0級特大地震孕育和發(fā)生的多單元組合模式［J］.2009，54(7):944-953.

［14］王琪，張培震，牛之俊，等.中國大陸現(xiàn)今地殼運動和構(gòu)造變形［J］.中國科學(xué)(D 輯)，2001，31(7):529-536.

［15］陳智梁，張選陽，沈鳳，等.中國西南地區(qū)地殼運動的GPS監(jiān)測［J］.科學(xué)通報，1999，44(8):851-854.

［16］唐文清，劉宇平，陳智梁，等.龍門山斷裂構(gòu)造帶 GPS研究［J］.大地測量與地球動力學(xué)，2004，24(3):57-60.

［17］唐文清，陳智梁，劉宇平，等.鮮水河、龍門山斷裂交匯區(qū)現(xiàn)今構(gòu)造 GPS 研究［J］.地質(zhì)通報，2005，24(12):1169-1172.