汶川MS8.0地震對龍門山斷裂帶附近地應(yīng)力環(huán)境影響初探——以北川、江油地區(qū)為例＊

豐成君 陳群策 譚成軒吳滿路 秦向輝 廖椿庭

1）中國北京100081中國地質(zhì)科學(xué)院地質(zhì)力學(xué)研究所

2）中國北京100081國土資源部新構(gòu)造運動與地質(zhì)災(zāi)害重點實驗室

引言

地應(yīng)力是導(dǎo)致地震發(fā)生的重要因素之一，大地震的孕育和發(fā)生是在特定構(gòu)造部位地應(yīng)力長期積累、集中、加強(qiáng)，最終導(dǎo)致應(yīng)變能突然釋放的過程（李四光，1977）.大震發(fā)生前后，斷裂帶附近及外圍地區(qū)應(yīng)力分布發(fā)生明顯變化的現(xiàn)象已被我國研究人員所證實.Liao等（2003）捕捉到昆侖山MS8.1特大地震前后地表淺部（深度h＜60m）地應(yīng)力變化，測量得到大地震前最大主應(yīng)力為12MPa，地震后下降到3—4MPa，證實了大震前應(yīng)力高度集中和大震后應(yīng)力大幅降低的現(xiàn)象.郭啟良等（2009）在汶川MS8.0地震發(fā)生前1個月在龍門山斷裂帶廣元—青川附近，測量得到350—420m深度范圍內(nèi)的最大主應(yīng)力為21—22MPa；大震后1個星期，重復(fù)測量得到相同深度范圍內(nèi)的最大主應(yīng)力約為15MPa，同樣為該現(xiàn)象提供了佐證.

大震發(fā)生前后，斷裂帶附近及外圍地區(qū)最大（水平）主應(yīng)力方向發(fā)生不同程度變化和調(diào)整的現(xiàn)象也已得到證實.1966年邢臺MS6.8地震和1976年唐山MS7.8地震后，李方全和王連捷（1979）、李方全等（1982）、李方全和劉光勛（1986）在震中區(qū)及外圍地區(qū)測得最大水平主應(yīng)力方向分別為N54°W和N47°W，與區(qū)域構(gòu)造應(yīng)力場方向（近EW向）有較大的差別.Tanaka和Oka（1979）在阪神MS7.2地震后，在震中區(qū)附近的平木和寶殿得到最大水平主應(yīng)力方向與區(qū)域構(gòu)造應(yīng)力場相比分別逆時針偏轉(zhuǎn)了35.8°和25°.

2008年5月12日汶川MS8.0地震發(fā)生在龍門山斷裂帶上.此次地震沿龍門山斷裂帶造成250余千米的地表破裂，主要沿龍門山中央斷裂的中、北段及前山斷裂的中段呈平行展布，沿破裂帶河流阻塞、山體崩塌、大量房屋倒塌、人員傷亡嚴(yán)重（徐錫偉等，2008；中國地震局監(jiān)測預(yù)報司，2009）.如此大的地震及其造成的地表破裂勢必會對龍門山斷裂帶附近的應(yīng)力場造成不同程度的影響.討論大震活動對斷裂附近地應(yīng)力環(huán)境的影響，在一定程度上對于認(rèn)識地震的孕育、發(fā)生及發(fā)展的整個動力學(xué)過程有著重要的意義.

1 區(qū)域地質(zhì)概況

龍門山斷裂帶作為青藏高原東部巴顏喀拉塊體與華南塊體的分界線，是中國南北地震帶中段的重要組成部分，是我國最重要的地震活動帶之一（鄧啟東等，1994；張培震等，2003；馬保起等，2005；易桂喜等，2006）.斷裂帶南起瀘定、天全，經(jīng)寶興、灌縣、江油、廣元進(jìn)入陜西寧強(qiáng)、勉縣一帶，全長約500km，寬約40—50km，是一條大型的活動斷裂.斷裂帶總體走向N40°—50°E，傾向北西，主要由4條主斷裂組成（圖1），由西北向東南方向依次為：龍門山后山斷裂（耿達(dá)—隴東斷裂、茂縣—汶川斷裂、青川斷裂）、龍門山中央斷裂（鹽井—五龍斷裂、北川—映秀斷裂、茶壩—林庵寺斷裂）、龍門山前山斷裂（大川—雙石斷裂、灌縣—安縣斷裂、江油—廣元斷裂）及山前隱伏斷裂帶（陳國光等，2007）.對龍門山斷裂帶的地貌、地質(zhì)構(gòu)造、GPS觀測資料和地震活動等研究表明，整個龍門山斷裂帶的活動程度在其幾何展布上具有明顯的非均一性，大致以北川—江油一線為界把龍門山斷裂帶劃分為西南段和東北段.西南段晚更新世以來活動強(qiáng)烈，活動方式以逆沖為主兼具右旋走滑；東北段第四紀(jì)活動微弱，顯示出右旋走滑－逆沖的運動方式（唐榮昌等，1995；李勇等，2006，2008；陳國光等，2007；楊曉平等，2008；中國地震局監(jiān)測預(yù)報司，2009）.此外，GPS觀測結(jié)果表明，斷裂帶西南段運動速率介于2.0—3.0mm／a之間，而東北段運動速率只有1.5mm／a（唐文清等，2004；張培震，2008）.

圖1 研究區(qū)地質(zhì)背景與地應(yīng)力測量位置示意圖（據(jù)楊曉平等（2008）補(bǔ)充繪制）F1－1：耿達(dá)—隴東斷裂；F1－2：茂縣—汶川斷裂；F1－3：平武—青川斷裂；F2－1：鹽井—五龍斷裂；F2－2：北川—映秀斷裂；F2－3：茶壩—林庵寺斷裂；F3－1：大川—雙石斷裂；F3－2：灌縣—安縣斷裂；F3－3：江油—廣元斷裂；F4：山前隱伏斷裂帶；F5：龍泉山斷裂帶；F6：鮮水河斷裂帶；F7：麗江—小金河斷裂；F8：峨邊斷裂；F9：岷江斷裂；F10：虎牙斷裂Fig.1 Neotectonic setting and in-situ stress measurement sites（modified after Yang et al，2008）F1－1：Gengda－－Longdong fault；F1－2：Maoxian－－Wenchuan fault；F1－3：Pingwu－－Qingchuan fault；F2－1：Yanjing－－Wulong fault；F2－2：Beichuan－－Yingxiu fault；F2－3：Chaba－－Lin’ansi fault；F3－1：Dachuan－－Shuangshi fault；F3－2：Guanxian－－Anxian fault；F3－3：Jiangyou－－Guangyuan fault；F4：Potential piedmont fault zone；F5：Longquanshan fault zone；F6：Xianshuihe fault zone；F7：Lijiang－－Xiaojinhe fault；F8：Ebian fault；F9：Minjiang fault；F10：Huya fault

自公元638年有歷史地震資料記載以來，青藏高原東緣地區(qū)共發(fā)生MS≥4.7地震66次.這些破壞性地震主要集中在岷山斷塊和龍門山斷裂帶西南段，而龍門山斷裂帶東北段尚未有破壞性地震記載（中國地震局監(jiān)測預(yù)報司，2009）.在過去的約350年中，龍門山斷裂帶附近發(fā)生的地震活動大致以平武—江油一線為界.斷裂帶西南段在過去發(fā)生MS≥6.0的地震至少有3次，分別為1657年4月21日汶川6.5級、1958年2月8日北川6.3級和1970年2月24日大邑西6.3級地震；而東北段則無6級以上強(qiáng)震發(fā)生的記錄（圖1）（唐榮昌，韓渭賓，1993；國家地震局震害防御司，1995）.

2 汶川MS8.0地震后龍門山斷裂帶附近地應(yīng)力場研究

2.1 原地應(yīng)力測量結(jié)果

水壓致裂地應(yīng)力測量方法是國際巖石力學(xué)學(xué)會試驗方法委員會建議的確定巖體應(yīng)力的有效方法之一（國際巖石力學(xué)學(xué)會試驗方法委員會，1988；Haimson，Cornet，2003）.2008年5月12日汶川8.0級地震發(fā)生后，于2009年10—12月在龍門山斷裂帶附近北川、江油地區(qū)3個鉆孔中開展了水壓致裂地應(yīng)力測量，測量鉆孔編號分別為ZK01、ZK02和ZK03，鉆孔深度均為200m，鉆孔位置見圖1，各鉆孔基本情況見表1，水壓致裂地應(yīng)力測量結(jié)果見表2.

表1 3個測量鉆孔基本情況介紹Table 1 Information on the 3boreholes

2.2 震后龍門山斷裂帶附近地應(yīng)力狀態(tài)

1）3個主應(yīng)力值之間的關(guān)系.在測試深度內(nèi)，3個主應(yīng)力的關(guān)系表現(xiàn)為SH＞Sh＞Sv，表明水平構(gòu)造應(yīng)力占主導(dǎo)作用.

2）最大水平主應(yīng)力值分布特征.ZK01在85.50—178.50m深度內(nèi)，最大水平主應(yīng)力SH為3.86—10.66MPa；ZK02在58.00—195.00m 深度內(nèi)，SH為2.78—7.07MPa；ZK03在77.00—193.00m深度內(nèi)，SH為4.14—16.19MPa.在距斷裂最近的ZK02位置，最大水平主應(yīng)力值要明顯低于距斷裂稍遠(yuǎn)的ZK01和ZK03，呈現(xiàn)出隨著距斷層距離的增大而增加的趨勢.

3）最大剪應(yīng)力值分布規(guī)律.ZK01最大剪應(yīng)力值為0.67—2.97MPa，平均為1.81 MPa；ZK02為0.04—1.76MPa，平均為0.88MPa；ZK03為0.89—5.54MPa，平均為2.52MPa.在距離龍門山中央斷裂最近的ZK02，最大剪應(yīng)力平均值最小，隨著距斷裂帶距離的增大，最大剪應(yīng)力也有增加的趨勢（圖2c）.這種變化趨勢一定程度上與Zoback和Roller（1979）及Zoback等（1980）在圣安德烈斯斷層附近得到的最大剪應(yīng)力的變化趨勢（圖2a），以及李方全等（1982）、李方全和劉光勛（1986）在郯廬斷裂帶附近得到的結(jié)果較為類似（圖2b）.

圖2c顯示的龍門山斷裂帶附近最大剪應(yīng)力分布形態(tài)與圖2a，b顯示的略有不同.作者

認(rèn)為是由于ZK01位于龍門山山前斷裂的下盤，距離山前斷裂較近，其剪應(yīng)力值有所降低.這種現(xiàn)象在郯廬斷裂帶附近的青島和宿縣兩個測點中也有所體現(xiàn).

表2 3個測量鉆孔水壓致裂地應(yīng)力測量結(jié)果Table 2 Results of hydraulic fracturing measurements at the 3sites

圖2 圣安德烈斯斷層附近（a）、郯廬斷裂帶附近（b）和龍門山斷裂帶東北段（c）最大剪應(yīng)力分布橫坐標(biāo)為測點距斷層的垂直距離Fig.2 Distribution of maximum shear stress near San Andreas fault（a），Tanlu fault（b）and the northeastern segment of Longmenshan fault zone（c）Abscissa indicates vertical distance from measuring sites to fault

4）最大水平主應(yīng)力方向.3個鉆孔中得到的最大水平主應(yīng)力方向為N33°—87°E，受鉆孔所在地形、巖性差異等因素的影響，最大水平主應(yīng)力方向較離散；排除淺部結(jié)果（約80 m以上），最大水平主應(yīng)力方向介于N53°—87°E之間.該結(jié)果與龍門山斷裂帶東北段右旋走滑方式為主的運動特征所反映的力學(xué)機(jī)制較相符.

3 汶川MS8.0地震對斷裂帶附近地應(yīng)力環(huán)境影響初探

3.1 研究思路

基于汶川MS8.0地震在研究區(qū)內(nèi)產(chǎn)生的斷層錯動位移資料，運用線彈性有限元數(shù)值模擬方法，計算得到了由斷層錯動位移所產(chǎn)生的附加應(yīng)力場；依據(jù)附加應(yīng)力模擬結(jié)果，結(jié)合ZK02和ZK03震后地應(yīng)力實測結(jié)果，運用彈性力學(xué)中的基本公式，推算了ZK02和ZK03鉆孔在同等深度上震前主應(yīng)力分布特征；最后通過對比分析，討論了汶川MS8.0地震對龍門山斷裂帶附近地殼淺表層地應(yīng)力場的影響.

1）震前ZK02和ZK03位置初始應(yīng)力狀態(tài)（未知）.建立平面直角坐標(biāo)系x′oy′.其中，x′正方向與正東方向一致，y′正方向與正北方向一致.設(shè)在直角坐標(biāo)系x′oy′下，地震前ZK02和ZK03在200m深度內(nèi)的最大、最小水平主應(yīng)力分別為σbmax，σbmin，最大水平方向與坐標(biāo)軸x′正方向的夾角為θ0，二維平面應(yīng)力狀態(tài)下的初始應(yīng)力張量表示為

2）ZK02和ZK03位置附加應(yīng)力狀態(tài)（由數(shù)值模擬得到）.假設(shè)大震前斷裂附近初始應(yīng)力場連續(xù)，大震活動產(chǎn)生的斷層錯動位移勢必會對初始應(yīng)力場產(chǎn)生影響.由斷層錯動位移產(chǎn)生的對初始應(yīng)力場的影響量或調(diào)整量我們稱之為附加應(yīng)力.設(shè)該附加應(yīng)力在直角坐標(biāo)系x′oy′下，ZK02和ZK03在200m深度內(nèi)最大、最小水平主應(yīng)力分別為Δσmax，Δσmin，最大水平方向與坐標(biāo)軸x′正方向的夾角為θ1，二維附加應(yīng)力張量表示為

3）震后ZK02和ZK03位置應(yīng)力狀態(tài)（由地應(yīng)力實測結(jié)果計算得到）.在直角坐標(biāo)系x′oy′下，設(shè)ZK02和ZK03位置在200m深度內(nèi)震后最大、最小水平主應(yīng)力分別為σamax，σamin，最大水平方向與坐標(biāo)軸x′正方向的夾角為θ2（注：σamax，σamin和θ2為已知量，且σamax＝SH，σamin＝Sh），震后二維應(yīng)力張量為

4）震前ZK02和ZK03位置初始應(yīng)力張量求解.根據(jù)關(guān)系式“初始應(yīng)力張量（震前）＋附加應(yīng)力張量＝新應(yīng)力張量（震后）”，可得

由式（4）可求出ZK02和ZK03位置對應(yīng)深度段上震前應(yīng)力張量σ，再根據(jù)式（5）、式（6）和式（7），則可計算出汶川MS8.0地震前ZK02和ZK03在同等深度上的最大、最小水平主應(yīng)力及最大水平主應(yīng)力方向為

5）對比分析.通過對比兩鉆孔的地應(yīng)力推算結(jié)果（震前）與實測結(jié)果（震后），可初步討論汶川MS8.0地震對斷裂附近地殼淺表層地應(yīng)力環(huán)境的影響.

然而，按照上述思路分析，還需滿足一定的假設(shè)或限定：

1）水壓致裂應(yīng)力測量方法假設(shè)3個主應(yīng)力（σ1，σ2，σ3）中兩個主應(yīng)力為水平，另外一個為垂直，大小近似等于上覆巖石自重，故本文認(rèn)為大震前后垂直主應(yīng)力沒有發(fā)生變化，只計算兩個水平主應(yīng)力及在該平面應(yīng)力狀態(tài)下的應(yīng)力張量.

2）文中有限元數(shù)值模擬得到的附加應(yīng)力張量是三維的，而所有的應(yīng)力張量計算均為二維.因此，只有附加應(yīng)力模擬結(jié)果中兩個主應(yīng)力（最大、中間主應(yīng)力）均為水平或近水平時，才能近似用三維附加應(yīng)力結(jié)果中的二維應(yīng)力張量參與式（4）的計算.

3）為便于計算，在直角坐標(biāo)系x′oy′下，對截面上的正應(yīng)力和剪應(yīng)力做如下規(guī)定：正應(yīng)力均以壓為正，拉為負(fù)；剪切應(yīng)力以使微元體或單元體產(chǎn)生順時針方向轉(zhuǎn)動時為正，反之為負(fù).

3.2 斷層錯動位移引起附加應(yīng)力場模擬研究

1）三維有限元地質(zhì)體模型.以1∶50 000DEM圖為基礎(chǔ)，取ZK02和ZK03所在位置周圍約42km2的區(qū)域作為三維地質(zhì)模型的范圍 （模型東西長7km，南北寬約6.1km）（圖3a）.ZK02和ZK03的連線近似垂直于龍門山中央斷裂的走向.由于地質(zhì)條件比較復(fù)雜，在三維地質(zhì)體建模過程中進(jìn)行了簡化.主要包括：①由于兩個地應(yīng)力測量鉆孔位于龍門山中央斷裂的下盤，故模型中只考慮了龍門山中央斷裂的下盤（圖3a）；②將龍門山中央斷裂作為一個面處理，斷裂面總體走向N40°E，傾向NW，傾角約60°（中國地震局監(jiān)測預(yù)報司，2009）；③ 在模型中不考慮地層和巖石物性隨深度的變化；④ 模型的下表面僅取－1 500m高程面；⑤ 參考室內(nèi)巖石物理及力學(xué)性質(zhì)實驗結(jié)果，我們對模型中兩種不同的介質(zhì)參數(shù)取值如下：

圖3 三維有限元模型（a）和有限元網(wǎng)格劃分（b）Fig.3 Three-dimensional finite element model（a）and division of the finite element mesh（b）

ZK02所在巖體：彈性模型E＝18 200MPa，泊松比ν＝0.22，ρ＝2 650kg／m3.

ZK03所在巖體：彈性模型E＝20 000MPa，泊松比ν＝0.21，ρ＝2 700kg／m3.

本次三維有限元模型采用4面體4節(jié)點單元，共劃分單元229 842個，節(jié)點個數(shù)48 719（圖3b）.

2）約束條件.對模型北側(cè)和南側(cè)邊界y方向的位移進(jìn)行約束，對模型東側(cè)和西側(cè)邊界x方向的位移進(jìn)行約束，對模型下界面即－1 500m高程面的z方向的位移施加約束.

3）載荷條件.汶川MS8.0地震造成的地表主破裂帶顯示，在ZK02和ZK03所在的北川縣桂溪鄉(xiāng)鳳凰村一帶，地表主破裂帶錯斷鄉(xiāng)村公路，水平位移至少為3.0m，垂直位移約為2.5m，斷層運動性質(zhì)為右旋－逆沖（徐錫偉等，2008）.在計算過程中，沿斷層走向和傾向分別給斷層面施加3.0m的走滑分量和2.5m的逆沖分量（圖3a）.

圖4 附加應(yīng)力場中最大主應(yīng)力分布（ZK02—ZK03剖面）Fig.4 Distribution of the maximum principal stress among the additional stress near the fault（ZK02—ZK03profile）

4）附加應(yīng)力分布特征（ZK02和ZK03位置）.① 最大主應(yīng)力分布：在200m深度范圍內(nèi)，ZK02處為11.37—15.66MPa（圖4），方向為N70°W（圖5a）；ZK03處為6.80—7.80MPa（圖4），方向為N65°W（圖5b）.兩鉆孔位置最大主應(yīng)力均為拉應(yīng)力，且為水平，因此，該最大主應(yīng)力可近似代表二維附加應(yīng)力場中的最大水平主應(yīng)力Δσmax.② 中間主應(yīng)力分布：在200m深度范圍內(nèi)，ZK02處為1.70—2.64MPa；ZK03處為3.83—4.12MPa（圖6），均為拉應(yīng)力（圖5），且傾角均小于15°，近似水平，故可用該中間主應(yīng)力值近似代表二維附加應(yīng)力場中的最小水平主應(yīng)力Δσmin.

圖5 ZK02附近（a）和ZK03附近（b）最大水平主應(yīng)力方向Fig.5 Orientation of the maximum principal stress near the holes ZK02（a）and ZK03（b）

5）ZK02和ZK03位置二維附加應(yīng)力張量模擬結(jié)果.由模擬結(jié)果可得到ZK02和ZK03中不同深度段上二維附加應(yīng)力張量（表3）.為合理對比試驗數(shù)據(jù)，我們只選取兩個鉆孔中已做定向印模試驗深度段上的應(yīng)力張量（ZK02中共5段，ZK03中共3段）.

圖6 附加應(yīng)力場中間主應(yīng)力分布（ZK02—ZK03剖面）Fig.6 Distribution of the intermediate principal stress among the additional stress near the fault（ZK02—ZK03profile）

表3 ZK02和ZK03位置附加應(yīng)力分量模擬結(jié)果Table3 Simulated additional stress components at various depths of the holes ZK02and ZK03

3.3 ZK02和ZK03位置震后二維應(yīng)力張量求解

已知受力物體內(nèi)某點A處于平面應(yīng)力狀態(tài)，已知應(yīng)力分量為σx≠0，σy≠0，τxy≠0，σz＝0，τxz＝0，τyz＝0，根據(jù)二維平面應(yīng)力張量坐標(biāo)轉(zhuǎn)換方程（8）、（9）、（10），可求得任意方向x′（與坐標(biāo)軸x正方向夾角為θ，θ角以x軸正方向為起始線，逆時針取正，順時針取負(fù)）（圖7a）上的正應(yīng)力σx′和切應(yīng)力τx′y′（石耀霖，2004）.

建立平面直角坐標(biāo)系xoy.其中，x正方向與兩鉆孔得到的最大水平主應(yīng)力方向一致，y正方向與最小水平主應(yīng)力方向一致（圖7b）.已知應(yīng)力分量為，，和＝SH，＝＝Sh，＝＝0），由二維平面應(yīng)力張量坐標(biāo)轉(zhuǎn)換方程（8）、（9）、（10）可計算ZK02和ZK03在平面x′oy′上的各深度段的應(yīng)力張量值和τ（表4）.由關(guān)系式＋＝＋可驗證表4中的計算結(jié)果是正確的.

圖7 平面直角坐標(biāo)系（a）及應(yīng)力分量（b）Fig.7 Plane Cartesien coordinates（a）and stress components（b）

表4 ZK02和ZK03位置震后應(yīng)力分量計算結(jié)果Table 4 Calculated stress components at ZK02and ZK03（after Wenchuan MS8.0earthquake）

3.4 ZK02和ZK03位置初始（或震前）應(yīng)力張量及主應(yīng)力計算

根據(jù)式（4）—（7）可計算出ZK02和ZK03在對應(yīng)深度段上的二維初始應(yīng)力張量值，最大、最小水平主應(yīng)力值，以及最大水平主應(yīng)力方向（表5）.由關(guān)系式σbx′＋σby′＝σbmax＋σbmin可驗證表5中初始最大、最小水平主應(yīng)力的計算結(jié)果是正確的.

表5 ZK02和ZK03位置初始應(yīng)力分量及水平主應(yīng)力計算結(jié)果Table 5 Calculated initial horizontal stress components and horizontal principal stress at ZK02and ZK03

由表5可得到汶川MS8.0地震前龍門山斷裂帶附近淺表層地應(yīng)力分布特征：

1）3個主應(yīng)力值之間的關(guān)系.3個主應(yīng)力的關(guān)系表現(xiàn)為σbmax（最大水平主應(yīng)力）＞σbmin（最小水平主應(yīng)力）＞σbv（垂直應(yīng)力），與震后相比無變化.

2）最大水平主應(yīng)力值分布規(guī)律.ZK02最大水平主應(yīng)力σbmax為16.77—19.08MPa；ZK03為11.18—15.50MPa.距斷裂最近的ZK02最大水平主應(yīng)力值明顯高于距斷裂距離稍遠(yuǎn)的ZK03，呈現(xiàn)出隨著距斷層距離的減小而增加的趨勢.

3）最大剪應(yīng)力值分布.在ZK02中，初始最大剪應(yīng)力τbmax在80—150m范圍內(nèi)為6.43—7.90MPa，平均為7.27MPa；在ZK03中，約77—106m 范圍內(nèi)為4.33—6.35 MPa，平均為5.23MPa.此結(jié)果顯示出越靠近斷裂，最大剪應(yīng)力值越高的趨勢.最大剪應(yīng)力的這一分布態(tài)勢與郭啟良等（2009）的研究結(jié)果和認(rèn)識一致.

4）最大水平主應(yīng)力方向.計算得到北川、江油地區(qū)震前的最大水平主應(yīng)力方向約為N67°—88°W，即WNW－－EW向（表5）.該結(jié)果與龍門山地區(qū)構(gòu)造應(yīng)力場的主壓應(yīng)力方向基本吻合（劉光勛等，1986；崔效鋒，謝富仁，1999；謝富仁等，2003；安其美等，2004），與汶川MS8.0地震的震源機(jī)制解的P軸方向（WNW），以及4.7級以上多數(shù)余震震源機(jī)制解P軸方位（N60°—70°W）比較一致（胡幸平等，2008；鄭勇等，2009；崔效鋒等，2011）.該方向同樣有利于研究區(qū)域內(nèi)該段斷裂帶產(chǎn)生的右旋走滑活動.

3.5 汶川MS8.0地震對龍門山斷裂帶附近淺表層地應(yīng)力環(huán)境的影響

1）對初始最大水平主應(yīng)力值的影響.受斷層錯動位移引起的附加應(yīng)力的影響，龍門山斷裂帶附近北川、江油地區(qū)的初始最大水平主應(yīng)力值有所降低，越靠近斷裂帶，初始最大水平主應(yīng)力的降低值也越多（圖4、圖8）.

圖8 ZK02和ZK03位置初始最大水平主應(yīng)力（SH）降低值比較（h＜200m）Fig.8 Contrast of decreased initial maximum principal stress between ZK02and ZK03（h＜200m）

比較ZK02與ZK03地震前后最大水平主應(yīng)力值（表2、表5），還可以明顯看出，在相同位置上，震前斷裂帶附近最大水平主應(yīng)力高度集中，震后該值又大幅降低.此外，距斷層不同位置處最大水平主應(yīng)力值在地震前后的分布規(guī)律也有明顯差異.表現(xiàn)為：震前，最大水平主應(yīng)力值與斷裂垂直距離呈反比的趨勢；震后，最大水平主應(yīng)力值與斷裂垂直距離呈正比的趨勢.

2）對最大剪應(yīng)力的影響.發(fā)震斷裂附近最大剪應(yīng)力值在地震前后的分布規(guī)律有明顯差異.表現(xiàn)為：震前，最大剪應(yīng)力與斷裂垂直距離呈反比的趨勢；震后，最大剪應(yīng)力與斷裂垂直距離呈正比的趨勢.

3）對初始最大水平主應(yīng)力方向的影響.在ZK02和ZK03位置，計算得到的震前最大水平主應(yīng)力方向平均約為N73°W；震后地應(yīng)力實測得到的最大水平主應(yīng)力方向介于NNE－－ENE之間，優(yōu)勢方向為N53°—65°E，平均約為N58°E，與震前相比逆時針偏轉(zhuǎn)了約49°.

4 討論與結(jié)論

汶川MS8.0地震發(fā)生約1年后，地應(yīng)力測量結(jié)果顯示斷裂帶附近最大水平主應(yīng)力方向與區(qū)域構(gòu)造應(yīng)力場方向存在明顯的差異，對產(chǎn)生該差異的解釋不同學(xué)者的觀點也不盡相同.有研究表明，汶川MS8.0地震后，在北川、平武以及汶川地震破裂帶的最北端有相當(dāng)一部分4.7級以下余震的P軸方向為ENE，認(rèn)為可能是由于汶川地震主斷裂上除了發(fā)生余震外，同時引發(fā)了某些未知的NNW走向的次級小斷裂活動（崔效鋒等，2011）.本文研究區(qū)ZK02和ZK03位置測量得到的最大水平主應(yīng)力方向（NE－－ENE）與該類余震的震源機(jī)制解P軸方位比較一致，因此，不排除研究區(qū)附近隱伏的NNW向次級小斷裂活動對淺表層應(yīng)力環(huán)境的影響.此外，還有研究認(rèn)為，岷山隆起可能對來自西側(cè)的中下地殼軟流層物質(zhì)起阻擋作用，使其發(fā)生北東方向分流.其上部的上地殼物質(zhì)也發(fā)生了同方向的運動，從而應(yīng)力方向由NW向NE轉(zhuǎn)換.而遠(yuǎn)離岷山隆起帶的區(qū)域，應(yīng)力方向又逐漸趨于NW向，在中央斷裂的北川縣—南壩鎮(zhèn)段主應(yīng)力方向為NE－－ENE（劉健等，2012）.該觀點也值得進(jìn)一步商榷.本文根據(jù)地震活動產(chǎn)生的附加應(yīng)力場對初始應(yīng)力場的影響，認(rèn)為造成該差異的原因主要是大震活動使得主壓應(yīng)力方向在震后發(fā)生偏轉(zhuǎn).

通過對比龍門山斷裂帶附近北川、江油地區(qū)兩鉆孔地震前后的地應(yīng)力分布特征，可以得出如下結(jié)論：

1）在斷裂帶附近地殼淺表層，3個主應(yīng)力的關(guān)系在地震前后均表現(xiàn)為SH＞Sh＞Sv（或σbmax＞σbmin＞σbv），顯示出研究區(qū)域內(nèi)水平構(gòu)造應(yīng)力作用占主導(dǎo).

2）在斷裂帶附近相同位置上，最大水平主應(yīng)力值在大震前后分別呈現(xiàn)出高度集中和大幅降低的現(xiàn)象.

3）在斷裂帶附近不同位置上，最大水平主應(yīng)力和最大剪應(yīng)力值的分布規(guī)律在地震前后均表現(xiàn)出明顯差異：震前，最大水平主應(yīng)力和最大剪應(yīng)力值與斷裂垂直距離呈反比的趨勢；震后，最大水平主應(yīng)力和最大剪應(yīng)力值與斷裂垂直距離呈正比的趨勢.

4）大震發(fā)生約1年后，斷裂帶附近北川、江油地區(qū)地殼淺表層構(gòu)造應(yīng)力場的優(yōu)勢方向為NE－－ENE，與震前相比，逆時針偏轉(zhuǎn)了約49°.

然而，相對于汶川MS8.0地震震源深度，本文研究區(qū)中地應(yīng)力測量鉆孔的深度較淺，用地殼淺表層的地應(yīng)力測量結(jié)果分析構(gòu)造應(yīng)力場、解釋地震等現(xiàn)象難免存在片面性；在斷層錯動位移引起的附加應(yīng)力場模擬計算中所采用的本構(gòu)關(guān)系、地質(zhì)模型及施加載荷條件等與實際情況難免存在差異，且整個過程屬于靜態(tài)模擬，也并沒有考慮大震后大量余震活動對斷裂帶附近應(yīng)力場的影響.此外，已有認(rèn)識表明，大震活動對發(fā)震斷裂及附近地區(qū)淺表層最大水平主應(yīng)力的影響往往具有時間效應(yīng)，隨著時間的逐漸推移，主壓應(yīng)力方向會逐漸趨于區(qū)域構(gòu)造應(yīng)力場的方向.因此，本文中分析得到的一些認(rèn)識和看法也有待于以后更多全面研究資料的檢驗，也需要更深入地分析，在此也衷心地歡迎各位專家、學(xué)者批評指正.

衷心地感謝中國地質(zhì)科學(xué)院地質(zhì)力學(xué)研究所王連捷研究員對本文中數(shù)值模擬工作提供的幫助和指導(dǎo)；感謝中國地震局地殼應(yīng)力研究所安其美高級工程師、崔效鋒研究員、李宏研究員對本文提出的建議.

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