汶川地震斷裂作用研究新認(rèn)識

王　煥, 李海兵*, 司家亮, 孫知明, 付小方, 劉棟梁, 裴軍令,李成龍, 張佳佳, 宋圣榮, 郭力偉, MORI James, 薛　蓮, BRODSKY E. Emily, 云　錕, 龔　正

1)中國地質(zhì)科學(xué)院地質(zhì)研究所, 大陸構(gòu)造與動力學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 北京 100037; 2)中國地質(zhì)科學(xué)院地質(zhì)力學(xué)研究所, 北京 100081;　3)四川省地質(zhì)調(diào)查院, 四川成都 610081; 4)中國地質(zhì)大學(xué)(武漢), 湖北武漢 430074;　5)成都理工大學(xué), 四川成都 610059; 6)國立臺灣大學(xué), 臺灣臺北 10617;　7)日本京都大學(xué), 防災(zāi)研究所, 日本京都 6110011; 8)加州大學(xué)圣克魯茲分校, 地球與行星科學(xué)系, 美國加州 95064

汶川地震斷裂作用研究新認(rèn)識

王煥1), 李海兵1)*, 司家亮1), 孫知明2), 付小方3), 劉棟梁1), 裴軍令2),李成龍4,1), 張佳佳5,1), 宋圣榮6), 郭力偉6), MORI James7), 薛蓮8), BRODSKY E. Emily8), 云錕3,1), 龔正1)

1)中國地質(zhì)科學(xué)院地質(zhì)研究所, 大陸構(gòu)造與動力學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 北京 100037; 2)中國地質(zhì)科學(xué)院地質(zhì)力學(xué)研究所, 北京 100081;3)四川省地質(zhì)調(diào)查院, 四川成都 610081; 4)中國地質(zhì)大學(xué)(武漢), 湖北武漢 430074;5)成都理工大學(xué), 四川成都 610059; 6)國立臺灣大學(xué), 臺灣臺北 10617;7)日本京都大學(xué), 防災(zāi)研究所, 日本京都 6110011; 8)加州大學(xué)圣克魯茲分校, 地球與行星科學(xué)系, 美國加州 95064

2008年汶川地震后, 人們不得不思考問題是: 大地震是如何發(fā)生的？下一次大地震什么時候發(fā)生？也就是涉及地質(zhì)學(xué)家和地球物理學(xué)家一直未解決的科學(xué)問題: 斷層是如何破裂的？震后斷裂是如何愈合的？我們試圖通過對汶川地震斷裂帶結(jié)構(gòu)、斷裂摩擦行為和斷裂愈合過程的研究來回答這些問題。本文將介紹通過對地表露頭和汶川地震斷裂科學(xué)鉆探一號孔(WFSD)巖心中汶川地震主滑移帶的詳細(xì)研究, 以及鉆孔中長期溫度監(jiān)測來分析有關(guān)汶川地震斷裂動態(tài)弱化和摩擦行為, 并結(jié)合鉆孔中長期水文監(jiān)測計(jì)算所得斷裂帶滲透率變化, 分析震后斷裂愈合過程, 進(jìn)而探討和認(rèn)識汶川地震斷裂作用所涉及的上述問題。經(jīng)過詳細(xì)研究, 確定了汶川地震斷裂帶(映秀—北川斷裂帶)寬105～240 m、具有五個不同斷裂巖組合的內(nèi)部結(jié)構(gòu),是一條經(jīng)常發(fā)生大地震、具多種弱化機(jī)制的斷裂帶; 發(fā)現(xiàn)了汶川地震不僅具有同震石墨化作用, 而且測量到目前世界上最低的動態(tài)摩擦系數(shù)(≤0.02), 同時首次記錄到大地震后斷裂快速愈合信息。這些研究結(jié)果不僅直接回答了一直困擾在地震地質(zhì)和地震物理學(xué)領(lǐng)域幾十年的關(guān)鍵問題, 而且對完善地震斷裂理論和認(rèn)識汶川地震機(jī)制具有極其重要的意義, 為防震減災(zāi)提供了理論依據(jù)。

汶川地震; 同震弱化; 斷裂愈合; 摩擦系數(shù); 映秀—北川斷裂帶; 龍門山

2008年發(fā)生在青藏高原東緣龍門山地區(qū)的汶川Ms8.0地震, 造成龍門山逆沖斷裂帶中的兩條斷裂, 即映秀—北川斷裂和灌縣—安縣斷裂, 同時發(fā)生破裂(圖1), 在90 s中分別形成約270 km和80 km長的地表破裂帶, 并且這兩條同震地表破裂帶具有不同的滑動性質(zhì)(徐錫偉等, 2008; 付碧宏等, 2008;李海兵等, 2008a, b; 李勇等, 2008; 劉靜等, 2008;王二七和孟慶任, 2008; 許志琴等, 2008; 張培震等, 2008; Lin et al., 2009, 2010; Liu-Zeng et al., 2009; Jia et al, 2010; Fu et al., 2011; 張希等, 2011), 這種類型的地震是全球有歷史記載以來從未發(fā)生過的。地質(zhì)學(xué)家和地球物理學(xué)家們都很難理解這種大地震的發(fā)生機(jī)制和破裂過程, 并由此引發(fā)對以下問題的思考: 汶川大地震是如何發(fā)生的？什么因素控制或觸發(fā)斷層發(fā)生破裂？破裂如何進(jìn)行？如何停止？破裂過程中應(yīng)力是如何傳播的？地震后斷裂如何愈合, 如何為下一次地震再積聚應(yīng)力和能量？什么樣的斷裂容易聚集能量而發(fā)生大地震？解答這一系列問題的最關(guān)鍵科學(xué)問題是: 汶川地震斷裂作用, 即汶川地震斷裂具有怎樣的同震弱化和震后斷裂愈合作用？其中斷裂摩擦系數(shù)是認(rèn)識和理解地震斷裂強(qiáng)度、同震弱化和斷裂愈合作用的關(guān)鍵力學(xué)性質(zhì)參數(shù)。

本文將介紹通過對地表露頭和汶川地震斷裂帶科學(xué)鉆探一號孔(WFSD-1)(圖1)巖心中汶川地震主滑移帶的詳細(xì)研究, 以及跨汶川地震主滑移帶的長期溫度監(jiān)測來分析汶川地震斷裂動態(tài)弱化和摩擦系數(shù), 并結(jié)合鉆孔中長期水文監(jiān)測計(jì)算斷裂帶滲透率變化來分析震后斷裂愈合過程, 進(jìn)而探討和認(rèn)識汶川地震斷裂作用。

1　汶川地震斷裂帶(映秀—北川斷裂帶):經(jīng)常發(fā)生大地震的斷裂帶

1.1汶川地震斷裂帶內(nèi)部結(jié)構(gòu)

2008年汶川地震(Mw7.9)造成映秀—北川斷裂帶和灌縣—安縣斷裂帶同時破裂, 并分別產(chǎn)生240～270 km和～80 km長的地表破裂帶(圖1), 因此,我們稱映秀—北川斷裂帶和灌縣—安縣斷裂帶為汶川地震斷裂帶。

斷裂帶內(nèi)的物質(zhì)組成即斷裂巖, 是斷裂活動的產(chǎn)物, 其組成及結(jié)構(gòu)特征記錄了斷裂演化過程中不同物理?xiàng)l件下的一系列斷裂活動的信息(Chester et al., 1993; Chester, 1995; Chester and Chester, 1998),對于認(rèn)識斷裂活動行為、力學(xué)性質(zhì)及其演化歷史具有重要意義(Faulkner and Rutter, 2003; Biegel and Sammis, 2004; Faulkner et al., 2008)。了解汶川地震斷裂帶內(nèi)部結(jié)構(gòu)是認(rèn)識龍門山斷裂帶地震歷史和汶川地震發(fā)生機(jī)理的基礎(chǔ)。

我們以映秀—北川斷裂帶南段虹口鄉(xiāng)八角廟露頭為研究對象, 發(fā)現(xiàn)映秀—北川斷裂帶發(fā)育有碎裂巖、假玄武玻璃、斷層泥、斷層角礫巖等多種類型的斷裂巖, 總體走向N55°～65°E, 寬～240 m, 由5個具不同特征的斷裂巖帶組成(Wang et al., 2014)(圖2), 北部為～70 m寬的碎裂巖帶(U1), 位于彭灌雜巖體中; 南部為黑色斷層泥和角礫巖帶(U2)、灰色斷層角礫巖帶(U3)、深灰色斷層角礫巖帶(U4)以及黑色斷層泥和角礫巖帶(U5), 寬～170 m,位于上三疊統(tǒng)須家河組沉積巖中。

從整個WFSD-1巖心巖性來看, 在585.75 m孔深以上為新元古代彭灌雜巖, 主要由火山巖和花崗巖組成, 推覆于上三疊統(tǒng)的須家河組沉積巖之上。WFSD-1巖心中斷裂巖同樣包括碎裂巖、假玄武玻璃、斷層泥和斷層角礫巖, 從斷裂巖的分布特征來看, 從575.7～759 m深為映秀—北川斷裂帶, 按斷裂巖的不同特征、組合及其物性特征也可劃分為5個帶(王煥等, 2013; Li et al., 2014; Wang et al., 2014)(圖3), 其中575.7～585.75 m之間主要為碎裂巖帶(U1), 585.75～759 m深度主要由斷層泥和斷層角礫巖組成的四個帶(U2～U5), 與地表露頭中的斷裂巖組合帶基本一致, 僅在厚度上稍有差別。由于WFSD-1為斜孔(頂角～12o), 故映秀—北川斷裂帶在WFSD-1中真實(shí)厚度～105 m(Li et al., 2013; 李海兵等, 2013)。

圖1　龍門山區(qū)域構(gòu)造地質(zhì)圖及汶川地震斷裂帶科學(xué)鉆探一號孔(WFSD-1)鉆井位置(據(jù)Wang et al., 2014)Fig. 1　Geological structures of the Longmen Mountain area and location of WFSD-1 drilling site (after Wang et al., 2014)a-龍門山區(qū)域構(gòu)造簡圖; F1-汶川—茂縣斷裂帶; F2-映秀—北川斷裂帶; F3-灌縣—安縣斷裂帶; b-虹口地區(qū)構(gòu)造地質(zhì)圖及WFSD-1鉆井位置; 地表研究區(qū)為WFSD-1鉆井附近a-tectonic sketch of the Longmen Mountain area; F1-Wenchuan–Maoxian fault; F2-Yingxiu–Beichuan fault; F3-Guanxian–Anxian fault; b-geological structure of the Hongkou area and WFSD-1 drilling site; the outcrop studied in this research is near the WFSD-1 drilling site

通常認(rèn)為斷層泥及碎裂巖為斷裂帶的核心, 從野外露頭及WFSD-1巖心研究來看, 映秀—北川斷裂帶寬約105～240 m, 發(fā)育很多層斷層泥, 其厚度從幾毫米到幾米不等, 這說明映秀—北川斷裂帶具有多核結(jié)構(gòu)特征。并且, 上百米寬的映秀—北川斷裂帶是經(jīng)歷了多期次的斷裂活動而形成, 不同斷裂巖組合及其結(jié)構(gòu)特征顯示,由碎裂巖帶(U1)→黑色斷層泥帶(U2)→斷層泥和斷層角礫巖帶(U3)→斷層角礫巖帶(U4)→黑色斷層泥和斷層角礫巖帶(U5)反映了由老到新的斷裂演化過程, 表明斷裂的活動可能具有向下盤遷移的趨勢(王煥等, 2010, 2013)。

1.2斷裂帶中發(fā)育假玄武玻璃

假玄武玻璃通常被喻為“地震化石”(Lin, 1994;Lin and Shimamoto, 1998), 它是斷層滑動發(fā)生地震的直接證據(jù), 對認(rèn)識斷裂行為及其力學(xué)性質(zhì)具有重要意義。

圖2　映秀—北川斷裂帶(汶川地震斷裂帶)南段虹口八角廟露頭全景特征(據(jù)Wang et al., 2014)Fig. 2　Panoramic photograph of fault rocks distribution at the Bajiaomiao outcrop in southern Yingxiu-Beichuan fault (after Wang et al., 2014)斷裂帶在地表寬度為～240 m, 由5個不同單元組成; 五角星指示多期次假玄武玻璃出露的位置The fault zone is ～240 m-wide viewed from the outcrop and consists of 5 different units; the star shows the location where multiple generations of pseudotachylite were observed

圖3　WFSD-1孔500～800 m深段的映秀—北川斷裂帶特征(據(jù)王煥等, 2013)Fig. 3　Characteristics of the Yingxiu-Beichuan fault zone in WFSD-1 core of 500～800 m-depth (after Wang et al., 2013)A-巖性剖面; B-斷裂巖剖面; C-自然伽馬特征; D-P波速度特征; E-電阻率特征; (F-K)-巖心不同單元中斷裂巖掃描照片A-lithologic profile; B-fault rocks distribution profile; C-natural gamma curve; D-P-wave velocity curve; e-resistivity curve; (F-K)-drilling core photos showing fault rocks from the 5 distinct units

(1)地表碎裂巖中多期假玄武玻璃脈

在映秀—北川斷裂帶虹口八角廟露頭, 彭灌雜巖體中的碎裂巖帶(U1)中發(fā)育有假玄武玻璃(李海兵等, 2013; Wang et al., 2014, 2015)(圖4), 假玄武玻璃呈灰色、棕褐色和黑色, 其厚度變化范圍為幾毫米到十幾厘米。X射線衍射分析(XRD)和掃描電鏡背散射能譜分析(SEM-EDX)顯示假玄武玻璃和碎裂巖來源于其花崗質(zhì)圍巖。偏光顯微鏡及掃描電鏡(SEM)觀察顯示, 流動結(jié)構(gòu)、不規(guī)則形狀的港灣狀熔蝕邊、蜂窩狀氣孔構(gòu)造、球晶及微晶等特征構(gòu)造發(fā)育于假玄武玻璃中, 表明其為熔融成因(Wang et al., 2015)。

野外露頭及顯微結(jié)構(gòu)下的不同顏色條帶及相互疊加關(guān)系表明多次產(chǎn)生假玄武玻璃的地震事件沿映秀—北川斷裂帶重復(fù)發(fā)生。熔融成因的假玄武玻璃表明斷裂過程中存在熔融潤滑作用, 而熱增壓作用在形成注入脈體中具有重要作用, 表明同震斷裂過程中可能存在多種弱化機(jī)制共同作用。

圖4　多期次假玄武玻璃及顯微特征(據(jù)Wang et al., 2015修改) Fig. 4　Multiple generations of pseudotachylite and their microstructures (modified after Wang et al., 2015)A-假玄武玻璃脈; B-多期假玄武玻璃; C-假玄武玻璃顯微特征(單偏光鏡下); D-假玄武玻璃中熔融流動結(jié)構(gòu)(SEM); fv-假玄武玻璃斷層脈; iv-假玄武玻璃注入脈; old-pst-早期假玄武玻璃; y-pst-晚期假玄武玻璃; Qz-石英A-pseudotachylite vein; B-multiple generations of pseudotachylite; C-microstructure of pseudotachylites (plainlight); D-melt flow structure in pseudotachylite (SEM); fv-pseudotachylite fault vein; iv-pseudotachylite injection vein; old-pst-older pseudotachylite; y-pst-younger pseudotachylite; Qz-quartz

圖5　WFSD-1巖心斷層泥中假玄武玻璃特征Fig. 5　Characteristics of pseudotachylite in the WFSD-1 corea- ～732 m深斷裂巖巖心; b-單偏光鏡下樣品特征; c-掃描電鏡-背散射圖像(SEM-BSE)顯示棱角狀石英散布于裂隙發(fā)育的非晶質(zhì)物質(zhì)中; d-非晶質(zhì)物質(zhì)中不規(guī)則裂隙及流動環(huán)帶; Fg-斷層泥; Fb-斷層角礫巖; Pst-假玄武玻璃; Am-非晶質(zhì)物質(zhì); Qz-石英a-fault rocks from the WFSD-1 at ～732 m-depth; b-microstructures (plainlight); c-photomicrograph showing angular quartz grains scattered in the fissures-developed amorphous material (SEM-BSE); d-irregular fissures and flow bands in the amorphous material; Fg-fault gouge; Fb-fault breccias; Pst-pseudotachylite; Am-amorphous material; Qz-quartz

(2)WFSD-1巖心斷層泥中的假玄武玻璃

在WFSD-1鉆孔575.5～759 m深之間為連續(xù)分布的斷裂巖, 組成為映秀—北川斷裂帶, 以585.75 m深為界, 上部為新元古代彭灌雜巖, 下部為上三疊統(tǒng)須家河組沉積巖。在～732 m深處的斷層泥(原巖為沉積巖)中發(fā)育～2 mm厚的假玄武玻璃(圖5a, b)。目前在沉積巖或斷層泥中發(fā)育假玄武玻璃的實(shí)例并不多。該段巖心斷面(即假玄武玻璃層面)表面光滑并可見擦痕(圖5a)。該段巖心不同斷裂巖層之間具有明顯的分段特征: 斷面處為固結(jié)程度較好的黑色薄層物質(zhì)(～2 mm), 往上分別為灰色的斷層泥薄層(～2～3 mm)、灰色細(xì)粒斷層角礫巖層(～2～3 cm)及可見較大角礫的斷層角礫巖(圖5b)。

詳細(xì)的顯微構(gòu)造研究表明巖心斷面處的黑色薄層物質(zhì)(～2 mm)為熔融體, 且在其邊部有～200 μm厚的一個主要由細(xì)粒-納米石英顆粒組成薄層。我們認(rèn)為該段物質(zhì)為主要滑動帶(PSZ)。SEM-EDS及TEM-EDX分析顯示熔融體主要為長石成分(其中含少量層狀硅酸鹽成分), 指示熔體形成溫度＞1230℃;而樣品中石英顆?？梢娎饨菭钸吘?圖5c), 表明其未被熔蝕, 這也就是說該熔體形成的溫度不高于石英的熔融溫度1720℃(Spray, 1992)。即該熔融體形成的溫度(T)范圍為:1230℃

掃描電鏡(SEM)及透射電鏡(TEM)觀察發(fā)現(xiàn),熔體層中發(fā)育大量不規(guī)則形態(tài)的裂隙(圖5c, d), 是極快速冷卻(淬火)形成的, 并且熔體呈均質(zhì)狀, 沒有氣孔, 表明在同震過程中斷裂帶中可能涌入大量流體, 使得熔融體瞬間冷卻而形成這種特殊的結(jié)構(gòu)。若僅有粒間流體或少量流體存在, 則流體因受高溫蒸發(fā)揮發(fā), 熔體中將出現(xiàn)氣孔構(gòu)造。熔融體的存在表明斷裂滑動過程中可能存在摩擦熔融弱化機(jī)制, 使得斷層更易滑動; 而大量流體的出現(xiàn), 使得熔融體瞬間冷卻, 斷層強(qiáng)化, 不易滑動, 促進(jìn)斷層滑動停止。即斷裂滑動初期摩擦熔融形成熔體, 斷裂弱化易于滑動, 后期沿?cái)鄬恿严队咳氪罅苛黧w, 使熔體快速冷卻, 斷層強(qiáng)化, 指示大量流體在同震滑動過程中可能起到強(qiáng)化斷層的作用。這是目前國際上首次發(fā)現(xiàn)地震過程中斷裂從弱化到強(qiáng)化的直接證據(jù), 對地震破裂過程及其機(jī)制的認(rèn)識具有極其重要意義。

從虹口地表露頭及WFSD-1巖心研究來看, 映秀—北川斷裂帶寬為105～240 m, 內(nèi)部具有5個不同斷裂巖組合的帶, 反映斷裂帶具有長期的演化歷史。無論從巨厚的碎裂巖帶還是多期次的假玄武玻璃脈以及多層作為斷裂核部的斷層泥來看, 都顯示出映秀—北川斷裂帶具有長期的地震活動歷史, 是一條經(jīng)常發(fā)生大地震的斷裂帶, 其演化過程代表了龍門山隆升過程。

圖6　在WFSD-1鉆孔500～700 m深的主要斷裂帶的測井和巖心數(shù)據(jù)(據(jù)Li et al., 2013)Fig. 6　Logging and core data of the main fault zone at 500～700 m-depth (after Li et al., 2013)所有異常均出現(xiàn)在～590 m的深度; A-鉆孔測溫曲線, 可見～0.15°C異常峰值, 可能是汶川地震過程中的摩擦殘余熱; B-自然伽馬曲線; C-P波速度曲線; D-自然電位曲線; E-電阻率曲線; F-磁化率特征; G-汶川地震PSZ位于最新鮮的黑色斷層泥中; H-PSZ位置磁化率特征All anomalies appear at 590 m-depth; A-temperature curve, with ～0.15 °C anomaly, probably the residual frictional heat produced by the Wenchuan earthquake; B-natural gamma curve; C-P-wave velocity curve; D-natural potential curve; E-resistivity curve; F-magnetic susceptibility; G-Wenchuan earthquake PSZ in the black gouge; H-magnetic susceptibility for the core shown in G

圖7　WFSD-1巖心中～589 m深處新鮮斷層泥顯微構(gòu)造(據(jù)Li et al., 2013)Fig. 7　Microstructure of the fresh gouge in 589 m-depth of WFSD-1 core (after Li et al., 2013)a-孔深589.04～589.34 m段斷層泥巖心; 中間段斷層泥(黃色虛線之間)呈深黑色, 且已裂開, 可能由于靠近滑移面失水后易裂開所致。巖心右側(cè)淺粉色框區(qū)域?yàn)榍兄票∑糠? b-整個巖心的1/4部分, 巖心中間的張裂口已對接閉合, 斷層泥中白色碎塊和條帶為方解石。紅色虛線之間顏色更黑, 基本沒有方解石條帶和碎塊; c-對應(yīng)左側(cè)b圖的斷層泥的連續(xù)薄片照片; d-斷層泥顯微照片(單偏光鏡下); 面理化斷層泥中具S-C構(gòu)造, 紅色虛線之間為汶川地震主PSZa-the central part of the gouge is fissured due to water loss and close to the slip plane. The pink part is for thin sections; b-calcite veins and fragments can be seen in the fault gouge, the segment between red dotted lines is darker and has no calcite; c-continuous thin sections (plainlight) correspond to (b); d-photomicrograph shows characteristics of the black fault gouge (plainlight); S-C fabrics are visible in the foliated gouge; the PSZ of the Wenchuan earthquake is located in the red dotted lines

2　汶川地震主滑移帶特征及其動態(tài)弱化機(jī)制

2.1WFSD-1巖心中主滑移帶位置的確定

汶川地震主滑移帶的確定是研究汶川地震斷裂機(jī)制、巖石物理變化和化學(xué)變化, 以及完鉆后在鉆井中實(shí)施地震、溫度、流體和應(yīng)力場長期監(jiān)測的前提。因此, 認(rèn)識和確定汶川地震主滑移帶的位置至關(guān)重要。

經(jīng)過詳細(xì)的綜合研究, 我們確定了在WFSD-1巖心～589.2 m深處為汶川地震主滑移帶位置(Li et al., 2013), 其重要證據(jù)表現(xiàn)在以下5個方面:

(1)斷層泥的新鮮程度

經(jīng)過詳細(xì)觀察和對比, 發(fā)現(xiàn)所有巖心中的斷層泥, 只有在589.17～589.25 m孔深段的斷層泥最黑、最新鮮, 發(fā)育新裂隙, 并且位于映秀—北川斷裂帶中。

(2)溫度異常

通過全孔的高精度溫度剖面測量, 在585～600 m孔深段出現(xiàn)約0.15℃的溫度異常峰值(圖6a)。一年后, 在同樣深度位置仍然出現(xiàn)有溫度異常, 只是異常值由原來的0.15℃變小為0.018℃。因此, 我們認(rèn)為該處的溫度(正)異?？赡苁倾氪ǖ卣鸬臍堄酂?Li et al., 2013, 2014)。

(3)測井異常

從常規(guī)測井曲線(圖6)上可看出: 自585 m深開始, 井徑不規(guī)則, 586～590 m深處擴(kuò)徑, 585～600 m孔深段自然伽馬明顯從60 API升高到約90 API(圖6c), 聲波時差從60 μs/ft增加到大于100 μs/ft(圖6d),自然電位有微弱負(fù)異常(圖6e), 視電阻率明顯從約2000 ?m降低到幾十?m(圖6f); 589.2 m孔深處的巖心出現(xiàn)高磁化率峰值(圖6g)(Li et al., 2013, 2014)。此外, 在該斷裂帶深度, 隨鉆流體也出現(xiàn)大量異常(唐力君等, 2013)

(4)顯微構(gòu)造特征

從589.04～589.34 m孔深段斷層泥巖心切制的連續(xù)巖石薄片來看(圖7), 在巖心中能見到很多碎塊, 在黑色斷層泥(圖7中黃色線之間)內(nèi)部可見一些白色方解石小碎塊和小脈體(圖7b), 而中間紅色虛線段部分的斷層泥呈深黑色, 并且不含方解石細(xì)脈和碎塊。顯微照片中可見斷層泥中面理構(gòu)造發(fā)育,而且有S-C構(gòu)造和不對稱的旋轉(zhuǎn)構(gòu)造(圖7d), 指示著明顯的剪切方向。在整個薄片中只有紅色虛線之間(～589.21～589.22 m孔深)顆粒相對較細(xì)且均勻(圖7d)。因此, 推斷圖12d中紅色虛線之間約～1 cm厚的細(xì)顆粒部分可能為汶川地震主滑動帶(Li et al., 2013), 顯微照片中還可見到滑動面。同時, 在該處微小的樣品表面還可見到擦痕。

(5)粘土礦物特征

通過WFSD-1巖心的粘土礦物分析, 特別是針對589.04～589.34 m孔深段斷層泥連續(xù)的粘土礦物分析, 發(fā)現(xiàn)在～589.21～589.22 m孔深位置具有較高的蒙脫石成分, 同一位置伊利石和綠泥石含量降低(Si et al., 2014), 高的蒙脫石成分可作為確定PSZ的主要證據(jù)之一(Kuo et al., 2009)。

綜上所述, 所有的特征和異常均指向～589.2 m深處, 因此, 我們認(rèn)為～589.2 m深處為汶川地震主滑移帶位置。

2.2主滑移帶厚度及特征

我們對～589.21～589.22 m孔深段顆粒相對較細(xì)、均勻的巖石薄片進(jìn)行了SEM和TEM研究, 發(fā)現(xiàn)有粒度較小(≤10 μm)的滑動層, 厚度～100～200 μm(圖8b), 且該層中不僅有蒙脫石礦物, 還存在石墨(圖8c), 其周圍則未發(fā)現(xiàn)石墨。因而推斷該細(xì)層可能是汶川地震主滑動帶位置。為了進(jìn)一步確認(rèn), 我們對樣品進(jìn)行了同步輻射X射線衍射(XRD)測試和分析, 發(fā)現(xiàn)只在這個狹窄的滑動帶中存在石墨, 因此, 我們認(rèn)為汶川地震PSZ的真正厚度可能僅為～100～200 μm, 同震石墨化作用是其主要特征。石墨的存在說明地震過程中斷裂滑移機(jī)制是以熱增壓為主, 同時表明汶川地震斷裂強(qiáng)度極低。石墨沿滑移帶的富集不僅可以作為上地殼地震滑移期間瞬時摩擦生熱的標(biāo)志, 而且可以作為判斷大地震發(fā)生的標(biāo)志。這一結(jié)果對認(rèn)識汶川地震破裂過程及古地震的判定具有重要意義。

2.3主滑移帶斷層泥的摩擦試驗(yàn)

為了進(jìn)一步認(rèn)識汶川地震過程中的力學(xué)性質(zhì),我們對WFSD-1鉆孔～590 m處黑色斷層泥進(jìn)行了摩擦實(shí)驗(yàn)(Kuo et al., 2014)。實(shí)驗(yàn)在意大利地球物理和火山研究所高壓高溫實(shí)驗(yàn)室完成(INGV, 羅馬,意大利)。在正常室溫和濕度條件下, 采用慢速至快速旋轉(zhuǎn)剪切摩擦儀器(SHIVA)進(jìn)行了7次實(shí)驗(yàn)。最大滑動速率為3.0～3.2 m/s, 正應(yīng)力在5～25 MPa范圍內(nèi)保持穩(wěn)定, 加減速率為6 m/s2, 總位移達(dá)3 m。實(shí)驗(yàn)采用的黑色斷層泥由石英(～50 wt％), 碳質(zhì)(～25 wt％), 粘土礦物(～20 wt％, 伊利石, 綠泥石和高嶺石)以及少量的方解石(<5 wt％)構(gòu)成。原位同步輻射XRD研究顯示低正應(yīng)力(5 MPa)條件下, 主滑移帶成分相對于初始材料未發(fā)生改變。但是, 當(dāng)正應(yīng)力達(dá)10 MPa以上時, 主滑移帶明顯富集石墨(圖9c中石墨[101]峰的出現(xiàn)), 而方解石、伊利石和綠泥石含量則出現(xiàn)降低。實(shí)驗(yàn)顯示主滑移帶斷層泥結(jié)構(gòu)與WFSD-1中PSZ位置斷層泥相似(圖9b)。相對于初始實(shí)驗(yàn)材料(粒徑<250 μm), 實(shí)驗(yàn)中30～80 μm厚的主滑移帶粒度明顯降低至10 μm以下。

在等同2008年汶川地震中鉆孔條件下(滑動速率3 m/s, 正應(yīng)力<25 MPa, 位移數(shù)米)進(jìn)行的摩擦實(shí)驗(yàn)產(chǎn)生了石墨, 而在5 MPa正應(yīng)力條件下沒有出現(xiàn)石墨, 且該條件下摩擦系數(shù)仍然較高(穩(wěn)態(tài)摩擦系數(shù)0.4)。接近同震滑動條件(正應(yīng)力～15 MPa)時, 表現(xiàn)為明顯動力弱化且斷層泥中出現(xiàn)石墨(圖9c)。汶川地震PSZ中和摩擦實(shí)驗(yàn)中石墨的出現(xiàn), 使我們聯(lián)想到斷層泥石墨化可能在龍門山斷裂帶(Li et al., 2012; Togo et al., 2011)和其他富碳質(zhì)斷層帶(e.g., Oohashi et al., 2011, 2012)中廣泛存在。石墨作為相對穩(wěn)定的礦物(Beyssac et al., 2002), 在滑移帶中局部富集可作為古地震發(fā)生的證據(jù)(Kuo et al., 2014)。

圖8　WFSD-1巖心中汶川地震主滑移帶特征Fig. 8　Characteristics of the Wenchuan earthquake PSZ in WFSD-1 corea-WFSD-1剖面圖, 汶川地震同震破裂面即主滑移帶(紅線, 在巖心589.2 m深處)斜切映秀-北川斷裂帶; b-巖心589.2 m深處發(fā)育汶川地震擦痕的斷層泥表面, 反光度較高; c-主滑移帶局部掃描電鏡背散射圖像, 顯示PSZ厚度～200 μm, 局部富含石墨; d-透射電鏡圖像顯示納米級石墨顆粒a-sketch profile of the WFSD-1, the Wenchuan earthquake PSZ cuts across the Yingxiu-Beichuan fault obliquely; b-drilling core from 589.2 m-depth shows slickensides with high reflection; c-SEM-BSE image shows Wenchuan earthquake PSZ is ～200 μm-thick and locally rich in graphite; d-TEM image shows nanometer graphite particles

圖9　斷層泥樣品實(shí)驗(yàn)后顯微構(gòu)造特征和實(shí)驗(yàn)中的PSZ的礦物特征(Kuo et al., 2014)Fig. 9　Microstructural characteristics of experimentally deformed black gouges and mineralogical changes within the experimental PSZ (Kuo et al., 2014)A-主滑移帶高反光度表面發(fā)育線狀殘痕和凹槽, 方向與旋轉(zhuǎn)運(yùn)動方向相同; B-平行剪切方向, 垂直斷層泥層方向的SEM-BSE圖片; |細(xì)?；骰茙SZ厚度25～125 μm, 右下插入SEM-BSE圖片顯示細(xì)小石墨顆粒; C-原位同步輻射XRD譜圖顯示主滑移帶礦物變化A-photograph of highly reflective surface of the principal slip zone (PSZ) lined by slickenlines and grooves that track the rotary motion of the gouge holder; B-SEM-BSE image of thin section cut approximately parallel to the slip direction and perpendicular to the deformed gouge layer. White dashed lines enclose localized and fine-grained PSZ between 25 μm and 125 μm thick that developed adjacent to the stationary side of the gouge holder. Inset backscattered SEM image shows detail of small graphite particles; C-Mineralogical changes within the experimental PSZ determined by in situ synchrotron X-ray analyses

圖10　WFSD-1鉆孔內(nèi)長期溫度測溫?cái)?shù)據(jù)(據(jù)Li et al., 2015修改)Fig. 10　Temperature profiles in the WFSD-1 hole (modified after Li et al., 2015)a-WFSD-1鉆孔及長期測溫設(shè)備; b-350～800 m深度段長期測溫剖面(已扣除地溫梯度0.02℃/m); c -589 m處放大的溫度剖面顯示0.02℃的熱異常; d-WFSD-1鉆per孔中跨斷層溫度異常的最大振幅估算的斷裂有效同震摩擦系數(shù)(μ=0.02)a-WFSD-1 borehole and long-term temperature measurement device; b-complete data set focused on 350～800 m-depth (a geothermal gradient of 0.02 °C/m removed); c-close-up temperature profiles of the 589 m zone show 0.02℃ temperature anomaly; d-predicted maximum amplitude of the temperature anomaly for the fault in the WFSD-1 borehole with representative effective coseismic coefficients of friction(μ=0.02)

圖11　WFSD-1水文地質(zhì)參數(shù)隨時間變化圖(據(jù)Xue et al., 2013)Fig. 11　Hydrogeological properties of the well-aquifer system over time (after Xue et al., 2013)A-滲透率和導(dǎo)水系數(shù); B-儲水系數(shù); 數(shù)值通過相位差和振幅響應(yīng)計(jì)算而得; 黑色的圓點(diǎn)代表沒有約束的換算值, 紅色的點(diǎn)代表將S值固定在平均值后換算的結(jié)果; 圖A中黑色點(diǎn)完全覆蓋了紅點(diǎn); 垂向虛線代表選區(qū)的地震事件, 造成滲透率的快速上升; 最佳擬合的線性趨勢通過灰色的虛線表現(xiàn), 滲透率的誤差通過相位差的誤差計(jì)算而得到A-permeability and transmissivity; B-storage coefficient; values were inverted from the phase and amplitude of each 29.6-day segment; the black dots denote an unconstrained inversion; the red dots are the results of inversion with the storage coefficient fixed to a single value. Because the two separate inversions have identical results for transmissivity, the red dots cover the black dots in a; the vertical dashed lines show the time of the selected teleseismic events, which correspond to sudden increases in permeability; the best-fit linear trends between each set of permeability increases are shown as light gray dashed lines. Permeability errors are estimated by propagating the range of phase errors

3　汶川地震過程中極低的斷層摩擦系數(shù)

地震時滑動面上阻止滑動進(jìn)行的應(yīng)力大小一直是一個謎。大地震后斷層帶中的溫度的測量能夠記錄到這一應(yīng)力條件下的能量釋放情況。1999年臺灣集集地震(Mw7.7)后, 通過對TCDP鉆孔中溫度研究認(rèn)為, 滑動面附近的溫度異常對應(yīng)的震時動態(tài)摩擦系數(shù)為0.1(Tanaka et al., 2006; Kano et al., 2006),對2011年日本Mw 9.0級大地震的溫度測量同樣顯示一個相似大小的值(Fulton et al., 2013)。然而, 上述溫度數(shù)據(jù)觀測周期均小于1年。WFSD-1鉆孔完鉆之后, 我們對鉆井內(nèi)溫度進(jìn)行了長期的測量, 持續(xù)時間為震后1.3年到5.3年。結(jié)合這些溫度剖面及巖心熱導(dǎo)率數(shù)據(jù), 我們對汶川地震過程中的摩擦系數(shù)進(jìn)行了推算。

長期溫度測量剖面顯示, 汶川地震主滑移面的溫度異常在監(jiān)測期間從震后一年的0.15℃降至0.02℃, 之后該異常隨時間的推移未見明顯變化。此外, 在450 m和690 m深處均存在較大的溫度異常, 分別位于汶川斷裂帶的上部和內(nèi)部, 然而這兩處溫度異常未見隨時間擴(kuò)散減小的現(xiàn)象。汶川地震過程中摩擦導(dǎo)致的熱量遠(yuǎn)小于29 MJ/m2(Li et al., 2015)。通過有關(guān)滑動過程中形成的摩擦熱, 峰值溫度在斷層面上一維可導(dǎo)的衰減公式, 有效正壓力以斷層面上覆巖體減去水壓, 0.02℃的最大值意味著在589 m深處有效的動摩擦系數(shù)小于0.02(圖10)(Li et al., 2015), 考慮到同震位移為7 m的話, 這是至今自然界斷層中獲得的最低摩擦系數(shù), 遠(yuǎn)低于高速摩擦實(shí)驗(yàn)中觀察到的最低值0.1(Di Toro et al., 2011)。斷層帶中有機(jī)碳質(zhì)、粘土礦物以及石墨等均是導(dǎo)致這一現(xiàn)象的可能因素(Zhang and He, 2013; Kuo et al., 2014)。溫度數(shù)據(jù)計(jì)算得出同震過程中斷層具有極低的摩擦系數(shù), 指示汶川地震過程中斷層可能經(jīng)歷強(qiáng)烈的弱化作用。

4　汶川地震后斷裂快速愈合

斷裂帶中滲透率變化可以反映其裂隙的發(fā)育和愈合情況, 也是地震斷層強(qiáng)化重新獲取能量的指示(Gratier, 2011)。斷裂的震后愈合對認(rèn)識孕震機(jī)制和地震周期具有重要意義(中國地質(zhì)科學(xué)院, 2015)。

我們在WFSD-1鉆孔中測量水位對固體潮的響應(yīng), 以此來確定800～1200 m孔深段水文地質(zhì)參數(shù)。通過這些測量值來推斷2010年1月1日到2011年8月6日期間汶川地震破裂帶中的水力擴(kuò)散系數(shù)和滲透率的變化。

通過有效的滲透率與導(dǎo)水系數(shù)之間的關(guān)系,計(jì)算得出有效滲透率為1.4×10-15m2(圖11)。該滲透率值實(shí)際上是測量時間段內(nèi)800～1201 m的平均值, 是這一范圍內(nèi)滲透率值的下限。我們觀測到的滲透率值比實(shí)驗(yàn)室測量的斷裂巖樣品的值高很多(Lockner et al., 2000), 而后者的變化范圍在10-19m2到10-18m2, 比須家河組整體巖石的滲透率值(1.9×10-16m2)大(Zhu et al., 2009), 其差值很可能受控于裂隙的發(fā)育情況, 說明野外觀測到的裂隙發(fā)育情況對滲透率的研究非常重要(Caine et al., 1996)。

在整個觀測時間段內(nèi), 汶川地震斷裂帶(映秀—北川斷裂帶)的滲透率整體隨時間延長而快速減小(圖5), 這種行為可以解釋為震后斷裂閉合或者連通性降低。這一趨勢反映了映秀—北川斷裂帶的震后快速愈合過程, 對于當(dāng)?shù)氐脑姓饳C(jī)制以及地震周期有指示意義。這是世界上第一次用水文方法連續(xù)觀測到斷層破裂帶震后愈合的過程。汶川斷層破裂帶的滲透率比已知其他斷層帶的滲透率高, 表明汶川地震發(fā)生時斷層附近有顯著的地下水流動, 而地下水的流動會影響斷層附近的有效正應(yīng)力及摩擦熱, 從而影響了地震的破裂過程。測量數(shù)據(jù)的計(jì)算結(jié)果表明該區(qū)域具極高的水力擴(kuò)散系數(shù)2.4×10-2m2/s, 表明汶川地震后斷層帶中有非常明顯的水循環(huán)活動。在我們觀測的大部分時間段內(nèi),滲透率都是隨著斷層愈合而降低的, 但有時候會受遠(yuǎn)震造成的地表晃動干擾而出現(xiàn)明顯的升高。這次對斷層帶的水文數(shù)據(jù)測量記錄到了大震造成明顯的破裂與震后愈合的過程。

5　結(jié)論

通過以上研究, 我們對汶川地震斷裂帶(映秀—北川斷裂帶)有了如下認(rèn)識:

(1)汶川地震斷裂帶(映秀—北川斷裂帶)寬105～240 m, 主要由5個不同斷裂巖組合帶構(gòu)成, 是一條經(jīng)常發(fā)生大地震并具有多種弱化機(jī)制的斷裂帶。

(2)斷層泥中發(fā)育不規(guī)則裂隙的快速冷熔融體,首次記錄了地震過程中斷裂從弱化到強(qiáng)化的直接證據(jù), 表明在同震滑動過程中大量流體的存在可能起到強(qiáng)化斷層的作用。

(3)汶川地震主滑移帶厚100～200 μm, 同震石墨局部富集。石墨可作為判別是否存在古地震的標(biāo)志。

(4)通過對WFSD-1鉆孔溫度剖面的長期測溫,獲得汶川地震斷裂具有極其低的動態(tài)摩擦系數(shù)(≤0.02), 表明汶川地震過程中可能經(jīng)歷強(qiáng)烈的弱化作用。這一結(jié)果對認(rèn)識汶川地震破裂過程具有極其重要的意義。

(5)WFSD-1鉆孔中的長期水文監(jiān)測, 記錄分析到大地震后斷裂帶滲透率快速降低, 反應(yīng)了斷裂帶快速愈合的過程, 這是世界上第一次紀(jì)錄到大震后斷裂快速愈合的信息。

這些認(rèn)識不僅直接回答了一直困擾在地震地質(zhì)和地震物理學(xué)領(lǐng)域幾十年的關(guān)鍵問題, 而且對完善地震斷裂理論和汶川地震機(jī)制的認(rèn)識具有極其重要的意義, 并為防震減災(zāi)提供了理論依據(jù)。

致謝: 本研究得到中國科學(xué)技術(shù)部、中國地質(zhì)調(diào)查局和國家自然科學(xué)基金委資助, 在此一并表示感謝！

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Progress in the Study of the Wenchuan Earthquake Faulting

WANG Huan1), LI Hai-bing1)*, SI Jia-Liang1), SUN Zhi-ming2), FU Xiao-fang3), LIU Dong-liang1), PEI Jun-ling2), LI Cheng-long4,1), ZHANG Jia-jia5,1), SONG Sheng-rong6), KUO Li-wei6), MORI James7), XUE Lian8), BRODSKY E. Emily8), YUN Kun3,1), GONG Zheng1)
1) State Key Laboratory of Continental Tectonics and Dynamics, Institute of Geology, Chinese Academy of Geological Sciences, Beijing 100037; 2) Institute of Geomechanics, Chinese Academy of Geological Sciences, Beijing 100081; 3) Sichuan Academy of Geological Survey, Chengdu, Sichuan 610081; 4) China University of Geosciences(Wuhan), Wuhan, Hubei 430074; 5) Chengdu University of Technology, chengdu, Sichuan 610059;6) National Taiwan University, Taipei, Taiwan 10617; 7) Disaster Prevention Research Institution, Kyoto University, Gokasho, Uji, Kyoto, Japan 6110011; 8) Dept. of Earth & Planetary Sciences, University of CaliforniaSanta Cruz, CA, USA 95064

After the 2008 Wenchuan earthquake, questions as to how earthquakes occur and when the next large earthquake happens have been asked. These questions are involved in the scientific questions which have beenunsolved by geologists and geophysicists, for examples, how do faults rupture? How do faults heal in preparation for the next earthquake? The authors are trying to answer these questions by investigating the internal structures of the Wenchuan earthquake fault zone, fault friction behavior and healing process. The principal slip zone of the Wenchuan earthquake was determined by detailed research based on the WFSD-1 core and outcrop investigation. The dynamic weakening and friction behavior of the Wenchuan earthquake fault was analyzed by long-term temperature monitoring. Long-term hydrological monitoring reveals permeability variations in the Wenchuan fault zone which indicate fault healing process. Based on the information obtained, this paper discusses the Wenchuan earthquake faulting process and the above questions. It is confirmed that the Wenchuan earthquake fault zone (the Yingxiu-Beichuan fault zone) was 105～240 m wide and consisted of 5 different units with different fault rocks, where seismic events occurred repeatedly with multiple coseismic fault weakening mechanisms. Coseismic graphitization occurred during the Wenchuan earthquake; the lowest dynamic friction coefficient (0.02) was measured, and for the first time, the signals showing quick fault healing were recorded. These results not only directly answer the key questions that have puzzled geologists and seismophysiccal researchers for decades but also have important significance for improving the seismic faulting theory and understanding the Wenchuan earthquake fault mechanisms, thus providing a theoretical basis for seismic prevention and disaster mitigation.

Wenchuan earthquake; coseismic weakening; fault healing; friction coefficient; Yingxiu–Beixhuan fault; Longmen Mountain

表1　林西組灰?guī)r主量、微量元素含量及碳、氧同位素值Table1 Major,trace element concentrations and carbon,oxygen isotope valuer of carbonate rocks in Linxi Formation

P315.3; P315.2

A

10.3975/cagsb.2015.03.01

本文中國科學(xué)技術(shù)部項(xiàng)目(汶川地震斷裂帶科學(xué)鉆探WFSD)、中國地質(zhì)調(diào)查局項(xiàng)目(編號: 12120114075801)和國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(編號: 41330211)聯(lián)合資助。獲中國地質(zhì)調(diào)查局、中國地質(zhì)科學(xué)院2014年度地質(zhì)科技十大進(jìn)展第十名。

2015-03-09; 改回日期: 2015-03-16。責(zé)任編輯: 閆立娟。

王煥, 女, 1984年生。博士研究生。主要從事斷裂作用方向研究。

李海兵, 男, 1966年生。研究員, 博士生導(dǎo)師。長期從事活動構(gòu)造和地震研究。E-mail: lihaibing06@163.com。