基于深部地震資料與地表變形資料的蘆山地震發(fā)震構(gòu)造研究

王　林　周青云　王　峻　李文巧周連慶　陳翰林　蘇　鵬　梁　朋

1)中國(guó)地震局地震預(yù)測(cè)研究所， 地震預(yù)測(cè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 北京　100036 2)云南省地震局， 昆明　650041

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基于深部地震資料與地表變形資料的蘆山地震發(fā)震構(gòu)造研究

王林1)周青云2)王峻1)李文巧1)周連慶1)陳翰林1)蘇鵬1)梁朋1)

1)中國(guó)地震局地震預(yù)測(cè)研究所， 地震預(yù)測(cè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 北京100036 2)云南省地震局， 昆明650041

蘆山地震的發(fā)震構(gòu)造迄今為止仍不明確。文中基于中國(guó)地震局地震預(yù)測(cè)研究所2008—2009年間布設(shè)于龍門山斷裂帶南段的流動(dòng)地震臺(tái)站觀測(cè)剖面、 蘆山地震余震精定位結(jié)果等地球物理資料對(duì)深部構(gòu)造單元進(jìn)行了分析； 同時(shí)基于階地變形資料、 遙感資料、 區(qū)域地質(zhì)資料等手段對(duì)地表構(gòu)造變形進(jìn)行了分析； 綜合兩者建立蘆山地震的構(gòu)造變形模式并研究蘆山地震的發(fā)震構(gòu)造。初步認(rèn)為由于斷層面傾角的差異， 蘆山地震的構(gòu)造變形模式和中北段與汶川地震有關(guān)的主要破裂段的變形模式有所不同。 南段前山斷裂近直立的斷層面最終以對(duì)下盤的擠壓作用為主， 并在下盤地塊內(nèi)形成逆沖斷層引發(fā)了蘆山地震； 而北段中央斷裂陡傾的斷層面使得仍然以上盤的逆沖作用為主。新生逆沖斷層的上盤形成了1個(gè)活動(dòng)背斜， 第四紀(jì)以來該活動(dòng)背斜之上的階地面已經(jīng)發(fā)生了顯著的變形， 該斷層最新的1次活動(dòng)導(dǎo)致了蘆山地震的發(fā)生。大溪鄉(xiāng)與太平鎮(zhèn)之間向SE方向凸出的弧形斷層段長(zhǎng)期以來已經(jīng)累積了巨大的位移量或構(gòu)造變形量， 是應(yīng)變釋放、 構(gòu)造運(yùn)動(dòng)都集中發(fā)生的段。蘆山地震只是這種構(gòu)造模式的長(zhǎng)期演化過程中的1次地震事件， 未來南段前山斷裂下盤的這些新生活動(dòng)逆沖斷層仍然具有發(fā)生類似地震的危險(xiǎn)性。

蘆山地震接收函數(shù)余震精定位階地變形發(fā)震構(gòu)造

0　引言

蘆山地震發(fā)生之后， 學(xué)者們基于野外調(diào)查與遙感解譯(陳立春等， 2013； 李傳友等， 2013； 李渝生等， 2013； 徐錫偉等， 2013a， b； 張?jiān)罉虻龋?2013)、 破裂過程反演(劉成利等， 2013； 王衛(wèi)民等， 2013； 徐彥， 2013； 徐彥等， 2013； 張勇等， 2013； 趙翠屏等， 2013)、 余震分布(房立華等， 2013； 高原等， 2013； 李勇等， 2013； 呂堅(jiān)等， 2013； 蘇金蓉等， 2013； 張廣偉等， 2013； 張竹琪等， 2013； 趙博等， 2013； 周榮軍等， 2013)、 震源參數(shù)與震源機(jī)制解反演(劉杰等， 2013； 劉瑞豐等， 2013； 謝祖軍等， 2013； 許力生等， 2013； 曾祥芳等， 2013)、 深部地球物理資料(裴順平等， 2013； 沈旭章， 2013； 詹艷等， 2013； 鄭勇等， 2013)、 GPS/應(yīng)力應(yīng)變/重力/紅外變化觀測(cè)(單斌等， 2013； 武艷強(qiáng)等， 2013； 徐秀登， 2013； 趙靜等， 2013； 祝意青等， 2013)等各個(gè)方面對(duì)蘆山地震及其發(fā)震構(gòu)造進(jìn)行了大量的研究， 也探討了蘆山地震與汶川地震之間的關(guān)系(陳運(yùn)泰等， 2013a， b； 杜芳等， 2013)。然而， 由于這些資料難以直接而清晰地揭示出震區(qū)的深部構(gòu)造， 使得目前的研究大多是基于其他各種資料進(jìn)行綜合與對(duì)比， 進(jìn)而對(duì)深部發(fā)震構(gòu)造進(jìn)行反推。由于反推的多解性或者不確定性， 使得蘆山地震的發(fā)震構(gòu)造直到現(xiàn)在仍是各說各理， 尚無定論。截至目前， 包括基底滑脫帶(李傳友等， 2013； 張?jiān)罉虻龋?2013)、 未知盲逆斷層(徐錫偉等， 2013a， b)、 山前隱伏斷裂(大邑?cái)嗔?(李勇等， 2013； 蘇金蓉等， 2013； 周榮軍等， 2013)等在內(nèi)的多種斷裂或構(gòu)造都被認(rèn)為是可能的發(fā)震構(gòu)造。

另一方面， 目前的研究大多關(guān)注的是蘆山地震這一單次地震事件所引發(fā)的現(xiàn)象或造成的影響， 缺乏對(duì)相關(guān)構(gòu)造長(zhǎng)期動(dòng)態(tài)過程、 行為模式的探討。蘆山地震看似1次偶然的地震事件， 但它更是相關(guān)孕震構(gòu)造長(zhǎng)期發(fā)育、 演化過程中的必然事件； 弄清并理解這一較長(zhǎng)時(shí)間尺度的動(dòng)態(tài)過程和變形方式才能更好地解釋蘆山地震的發(fā)震構(gòu)造。

首先， 本文基于中國(guó)地震局地震預(yù)測(cè)研究所2008—2009年間布設(shè)于龍門山斷裂帶南段的流動(dòng)地震臺(tái)站測(cè)線遠(yuǎn)震數(shù)據(jù)、 蘆山地震余震精定位結(jié)果等地球物理資料， 對(duì)蘆山地震震區(qū)的深部構(gòu)造進(jìn)行了解譯。其次， 本文又基于河流階地變形分析、 地質(zhì)地貌單元的遙感解譯與分析， 并結(jié)合已有的1: 20萬區(qū)域地質(zhì)調(diào)查資料， 對(duì)地表構(gòu)造變形進(jìn)行了研究。綜合這2方面的資料， 對(duì)蘆山地震震區(qū)相關(guān)構(gòu)造的構(gòu)造變形模式進(jìn)行了探討， 從而獲得了有關(guān)蘆山地震發(fā)震構(gòu)造的一些新的見解。

1　深部構(gòu)造特征

1.1研究區(qū)主要斷裂概述

本文研究區(qū)位于龍門山斷裂帶南段(圖1a)， 涵蓋了蘆山地震的主震區(qū)。主震區(qū)附近主要發(fā)育F1、 F2、 F3等3條斷裂， 分別是鹽井-五龍斷裂(中央斷裂)、 雙石-大川斷裂(前山斷裂)、 大邑-名山斷裂(山前斷裂)， 其中前兩者分別是龍門山中北段北川-映秀斷裂(中央斷裂)、 彭縣-灌縣斷裂(前山斷裂)的南延部分。F1、 F2、 F3總體走向均為NE， 傾向均為NW， 剖面形態(tài)均呈鏟狀， 一同構(gòu)成了疊瓦扇逆沖體系(賈東等， 2003； 周榮軍等， 2013)。雙石-大川斷裂和鹽井-五龍斷裂自晚更新世以來發(fā)生過活動(dòng)， 它們都斷錯(cuò)了晚更新世地層(楊曉平等， 1999)， 它們都具有逆沖兼右旋走滑斷裂的活動(dòng)特征， 在全新世的構(gòu)造活動(dòng)性較弱(張?jiān)罉虻龋?2010)。大邑-名山斷裂僅局部出露地表， 沿蒙頂山背斜東麓與四川盆地之間展布， 基本上隱伏于第四紀(jì)地層之下(周榮軍等， 2013)， 在大邑段的最新活動(dòng)時(shí)代是全新世， 最新構(gòu)造變形表現(xiàn)為全新世地層的褶皺(董紹鵬等， 2008)。

圖1　地震臺(tái)站、 差分GPS測(cè)站分布圖(a)及所用遠(yuǎn)震事件震中分布圖(b)Fig. 1　The distribution of seismic station and differential GPS station (a) and the epicenter of the teleseismic events used in the CCP imaging (b).a 藍(lán)點(diǎn)分布區(qū)域?yàn)樘J山地震余震序列精定位的結(jié)果； F1 鹽井-五龍斷裂， F2 雙石-大川斷裂， F3 名山斷裂； F4′、 F5′、 F6′ 深部解譯斷層面的地表投影位置， 分別與圖2 中解譯出的F4、 F5、 F6相對(duì)應(yīng)。 b 位于圓心的灰色方塊表示臺(tái)站測(cè)線位置， A、 B、 C表示3個(gè)遠(yuǎn)震分布區(qū)

1.2前人的深部構(gòu)造資料基礎(chǔ)

目前有一些可以借鑒的關(guān)于龍門山斷裂帶南段深部結(jié)構(gòu)的剖面資料， 主要是利用大地電磁觀測(cè)(Zhaoetal.， 2012； 詹艷等， 2013)、 石油勘探(劉樹根等， 2009)、 地震勘探(Jiaetal.， 2006; Hubbardetal.， 2010)等探測(cè)手段或者其他各種方法得到的剖面結(jié)構(gòu)。一方面， 這些剖面之間的一致性相對(duì)較低， 包括山前地區(qū)基底的深度、 薄皮構(gòu)造的樣式等方面或多或少都存在著差異； 另一方面， 有些剖面主要是基于已有地質(zhì)資料等手繪而成的(賈東等， 2003； Jinetal.， 2010; Sunetal.， 2012; Cooketal.， 2013)， 推測(cè)成分居多， 帶有一定的主觀誤差， 大都缺乏明確的引用來源。因此， 有必要用更多不同的方法來獲取剖面資料， 在此基礎(chǔ)之上進(jìn)行多種資料的對(duì)比與綜合分析； 而且需要找出更多的共同點(diǎn)或一致性， 能夠相互驗(yàn)證， 才能得出比較可信的證據(jù)和結(jié)論。

1.3共轉(zhuǎn)換點(diǎn)(CCP)成像

基于射線理論的共轉(zhuǎn)換點(diǎn)(Common Converted Point， CCP)偏移疊加方法是根據(jù)共反射點(diǎn)疊加方法演化而來的(Zhu， 2000)。在CCP疊加中， 首先根據(jù)初始速度模型IASP91追蹤射線路徑， 將時(shí)間域接收函數(shù)的每個(gè)振幅都看作某個(gè)深度的界面產(chǎn)生的Ps轉(zhuǎn)換波， 沿著射線路徑可以反向投影到對(duì)應(yīng)的空間轉(zhuǎn)換點(diǎn)， 使得這些振幅在其發(fā)生的深度上排列； 同時(shí)對(duì)臺(tái)站下方的結(jié)構(gòu)進(jìn)行網(wǎng)格劃分， 分成若干個(gè)共轉(zhuǎn)換點(diǎn)單元， 疊加單元內(nèi)的所有轉(zhuǎn)換點(diǎn)對(duì)應(yīng)的振幅并作為此單元的疊加結(jié)果， 便可對(duì)臺(tái)站下方的介質(zhì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行直觀的成像。 本文中CCP成像所用的數(shù)據(jù)資料來源于中國(guó)地震局地震預(yù)測(cè)研究所于2008—2009年間在龍門山斷裂帶南段布設(shè)的26個(gè)流動(dòng)地震臺(tái)站(圖1a)， 這些臺(tái)站采用了BBVS-120寬頻、 FSS-3M短周期地震計(jì)和EDAS-24 IP數(shù)據(jù)采集器。測(cè)線自雅安以南約30km處開始， 由南向北以方位角大約150°布設(shè)， 長(zhǎng)約110km， 平均臺(tái)間距不到5km。自南向北， 測(cè)線依次經(jīng)過雅安、 蘆山和寶興等地， 北端進(jìn)入了松潘-甘孜地塊， 南段分布于揚(yáng)子地塊， 橫跨了龍門山斷裂帶南段及蘆山地震主震區(qū)。

在數(shù)據(jù)處理過程中， 選取震級(jí)Mb≥5.5、 震中距范圍在30°～90°之間、 三分量齊全、 震相清晰、 信噪比高的88個(gè)地震事件(圖1b)。地震事件按相對(duì)聚集區(qū)劃分為A、 B、 C 3個(gè)區(qū)域， 分別為反方位角(baz)位于0°～110°、 110°～200°、 200°～360°范圍內(nèi)的地震事件。A區(qū)域?yàn)榄h(huán)太平洋地震帶西北部的地震事件， B區(qū)域?yàn)橛∧岬卣饚Ш铜h(huán)太平洋地震帶西南部的地震事件， C區(qū)域內(nèi)的地震分布較為分散和稀少。

從各臺(tái)站原始記錄中截取P波前50s和后100s， 對(duì)截取的數(shù)據(jù)去均值、 去傾斜， 并進(jìn)行地震儀方位校正。其次， 將P波原始ZNE三分量轉(zhuǎn)換為ZRT(垂向， 徑向和切向)坐標(biāo)系， 并用0.05～2Hz的頻率范圍進(jìn)行Butterworth帶通濾波， 從而去除短周期臺(tái)站固有頻率造成的儀器響應(yīng)以及地下傾斜界面等的影響； 之后采用時(shí)間域迭代反褶積方法計(jì)算并得到所需的P波接收函數(shù)。最后， 從分離出的接收函數(shù)中進(jìn)行挑選， 選取出初動(dòng)尖銳、 震相合理清晰、 信噪比高的接收函數(shù)， 共計(jì)749個(gè)， 大部分臺(tái)站都有20個(gè)以上的接收函數(shù)。

得到上述接收函數(shù)后便可采用共轉(zhuǎn)換點(diǎn)(CCP)疊加方法進(jìn)行疊加成像。最終得到了龍門山斷裂帶南段深部物性界面起伏的信息(圖2)。

1.4深部構(gòu)造面的解譯

將CCP成像結(jié)果與雙差余震精定位資料相復(fù)合(圖2a—c)， 在此基礎(chǔ)之上解譯出了斷層F1—F7(圖2d)。F1、 F2、 F3、 F6通過各個(gè)成像結(jié)果中紅色標(biāo)志層的斷錯(cuò)形態(tài)能夠一致地反映出來， 其中F1、 F2、 F3分別與鹽井-五龍斷裂(中央斷裂)、 雙石-大川斷裂(前山斷裂)、 大邑-名山斷裂(山前斷裂)相對(duì)應(yīng)； F4通過余震Y字形左上方的分支并結(jié)合2a中相應(yīng)紅色標(biāo)志層的斷錯(cuò)形態(tài)可以反映出來； F5通過余震Y字形右側(cè)包絡(luò)形態(tài)呈現(xiàn)出的明顯的鏟狀形態(tài)可以反映出來； F7通過余震Y字形下側(cè)的包絡(luò)形態(tài)并結(jié)合相應(yīng)紅色標(biāo)志層的斷錯(cuò)形態(tài)可以反映出來。此外， 疑似斷層F′在成像結(jié)果A、 C中的形態(tài)、 位置差異顯著， 在成像結(jié)果B中也沒有反映， 而且余震形態(tài)上也沒有明確的對(duì)應(yīng)部分， 因此可信度較低， 推測(cè)是由數(shù)據(jù)自身的變化造成的， 無構(gòu)造意義， 將F′排除在解譯結(jié)果之外。

此次的地震以逆沖為主， 是斷層上盤的運(yùn)動(dòng)， 余震大都集中分布上盤。從余震分布特征來看， 絕大多數(shù)余震集中分布于F5左側(cè)， 也就是說F5明顯地是作為1個(gè)分界線， F5左側(cè)應(yīng)該為此次地震發(fā)震斷層的上盤， 右側(cè)則為下盤， 因此推測(cè)F5即為發(fā)震斷層， 而F5的鏟狀特征也與一般逆沖斷層的形態(tài)特征相符合。

圖2　深部CCP成像結(jié)果及其與余震精定位結(jié)果、 地表階地變形結(jié)果的復(fù)合Fig. 2　The result of the CCP at depth and the synthesis of the CCP result， the relocated aftershock and the terrace deformation at surface.a， b， c 分別為區(qū)域A、 B及整個(gè)區(qū)域的接收函數(shù)CCP成像結(jié)果， 各圖左側(cè)圖中的黑色粗虛線表示一些清晰顯著的標(biāo)志層， 右側(cè)圖表示左側(cè)圖中灰色矩形框范圍內(nèi)的局部放大圖， 每個(gè)標(biāo)志層斷塊都賦予了相應(yīng)的編號(hào)； d CCP成像結(jié)果與余震精定位結(jié)果、 階地變形結(jié)果的復(fù)合圖； 各圖中的流動(dòng)臺(tái)站編號(hào)、 差分GPS測(cè)站編號(hào)、 地表已知斷層編號(hào)均與圖1a中的編號(hào)相對(duì)應(yīng)

2　地表變形特征

2.1河流階地變形與地表拱曲

為了得到橫跨主震區(qū)垂直于構(gòu)造帶走向的河流階地變形特征， 我們沿著青衣江對(duì)河流兩側(cè)的各級(jí)河流階地面的地形進(jìn)行了差分GPS地形測(cè)量。GPS測(cè)線位置與前述流動(dòng)地震儀測(cè)線的位置基本重合(圖1a)， 這樣也便于實(shí)現(xiàn)深部構(gòu)造資料與地表變形資料的綜合對(duì)比分析。

階地實(shí)測(cè)情況如圖3 所示。按照宏觀地貌的總體特征， 可以將測(cè)線分為3段： 寬谷段Ⅰ、 峽谷段Ⅱ和寬谷段Ⅲ(圖3a)。在寬谷段Ⅰ、 寬谷段Ⅲ內(nèi)， 各級(jí)階地均較為發(fā)育， 高級(jí)階地以及低級(jí)階地等發(fā)育均較好， 具有一定的規(guī)模， 比如思延鄉(xiāng)測(cè)站s4發(fā)育的各級(jí)階地(圖3b)。在峽谷段Ⅱ內(nèi)， 河流垂直下切數(shù)十米到百余米， 深切河谷之上的高級(jí)階地發(fā)育較好， 而峽谷內(nèi)的低級(jí)階地則發(fā)育較差， 僅在局部保留了少量的低級(jí)階地， 比如禾林村測(cè)站s6深切河谷處發(fā)育的低級(jí)階地(圖3c)， T1僅零星殘留于深切河谷的底部。

圖3　階地實(shí)測(cè)情況Fig. 3　The differential GPS surveying of terraces in the field.a 差分GPS測(cè)站位置總體分布情況， 為了區(qū)分各個(gè)測(cè)站的測(cè)點(diǎn)和測(cè)線， 各個(gè)測(cè)站以淺灰色、 深灰色圓點(diǎn)相間的方式表示； b 寬谷段Ⅰ內(nèi)思延鄉(xiāng)測(cè)站s4附近發(fā)育的典型的多級(jí)寬谷階地(左)及實(shí)測(cè)剖面圖(右)， 左圖中的黑點(diǎn)表示測(cè)點(diǎn)位置， 右側(cè)則是這些測(cè)點(diǎn)生成的剖面圖； c 峽谷段Ⅱ內(nèi)禾林村測(cè)站s6附近深切河谷附近低級(jí)階地發(fā)育情況的照片

表1　鳳凰村至磨刀村段各測(cè)站階地面差分GPS測(cè)量結(jié)果

Table1　The result of the differential GPS measurement of terraces from s1 to s9

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測(cè)量結(jié)果如表1 所示， 根據(jù)獲得的河拔高度值繪制了橫跨主震區(qū)的各級(jí)階地河拔高度變化曲線(圖2d上部)。除了測(cè)站s6之外， 其他測(cè)站位置T1—T3的區(qū)域可對(duì)比性均較好， 它們?cè)诟鱾€(gè)測(cè)站上相互間的相對(duì)高差值的比例較為穩(wěn)定， 表現(xiàn)為它們河拔高度結(jié)果的曲線近于平行， 變化趨勢(shì)也基本一致。測(cè)站s6處于深切峽谷處， 谷底發(fā)育的T1仍可與其他測(cè)站的T1進(jìn)行區(qū)域性對(duì)比， 而深谷兩側(cè)谷肩處發(fā)育的階地面的級(jí)數(shù)卻有待商榷(圖3c)， 起初是定為T2的， 但是考慮到深切峽谷近百米的深度， T2也有可能是缺失的， 因此該級(jí)階地也有可能是T3。

通過將測(cè)站s1—s9的位置坐標(biāo)值轉(zhuǎn)換到與CCP成像結(jié)果、 余震精定位分布等相同的投影坐標(biāo)系統(tǒng)之中， 可以進(jìn)一步地將河拔高度曲線與前述多種深部資料進(jìn)行疊加和復(fù)合(圖2d)。上述深谷兩側(cè)谷肩處發(fā)育的階地面無論是定為T2或者T3， 它們的河拔高度曲線都和T1表現(xiàn)出了相似的特征， 那就是都是在峽谷段(測(cè)站s4—s7段)內(nèi)發(fā)生了上拱彎曲變形； 從復(fù)合圖的結(jié)果來看， 上拱彎曲變形段的位置基本上位于之前解譯出的斷層F5的正上方， 這表明F5是1條不斷活動(dòng)的斷層， 多次的活動(dòng)已經(jīng)在其上方累積并形成了變形， 蘆山地震應(yīng)該就是它最新1次的活動(dòng)造成的。

2.2垂直構(gòu)造帶走向的擠壓變形

通過高分辨率遙感影像地質(zhì)解譯、 DEM數(shù)據(jù)三維分析， 并結(jié)合已有的1: 20萬區(qū)域地質(zhì)調(diào)查資料， 發(fā)現(xiàn)在垂直構(gòu)造帶走向上存在著擠壓作用形成的構(gòu)造變形(圖4a)。在大溪鄉(xiāng)至太平鎮(zhèn)之間1段的累積變形量達(dá)到峰值， 造成斷層以及附近相應(yīng)的地層呈現(xiàn)出明顯的凸向SE的弧形的幾何形態(tài)； 而向兩側(cè)天全鎮(zhèn)以及大川縣的方向累積變形則逐漸減小并趨于穩(wěn)定， 斷層與地層的幾何形態(tài)也相對(duì)穩(wěn)定。此外， 在擠壓變形達(dá)到峰值的段， 規(guī)模巨大的金臺(tái)山飛來峰也上覆于斷層上盤之上， 說明在更老的地質(zhì)歷史階段中央斷裂或后山斷裂也在該段發(fā)生過較強(qiáng)的逆沖活動(dòng)， 產(chǎn)生了巨大的累積位移量。種種跡象表明大溪鄉(xiāng)與太平鎮(zhèn)之間累積變形較強(qiáng)的弧形段在相當(dāng)長(zhǎng)的歷史時(shí)期以來一直是前山斷裂、 中央斷裂、 后山斷裂擠壓應(yīng)變集中釋放、 逆沖構(gòu)造頻繁活動(dòng)的區(qū)域。

圖4　垂直構(gòu)造帶走向的擠壓作用形成的變形Fig. 4　The tectonic deformation characteristics of the geologic body and the stratum parallel to the tectonic belt.a 變形區(qū)域地質(zhì)略圖， 藍(lán)點(diǎn)區(qū)域?yàn)橛嗾鹁ㄎ唤Y(jié)果， 黃五角星為主震精定位位置， 3條黑色粗實(shí)線段分別表示剖面線AB、 CD、 EF的展布位置； b、 c、 d 分別是對(duì)應(yīng)于圖a中AB、 CD、 EF 3條剖面線位置的區(qū)域地質(zhì)剖面圖； e 變形區(qū)域變形特征模式圖

相應(yīng)地， 在斷層上盤變形地層的產(chǎn)狀方面， 在累積變形相對(duì)較高的段， 地層T3x1以及地層T3x2之間的整合面都發(fā)生了反轉(zhuǎn)， 即較老地層T3x1上覆于較新地層T3x2之上(圖4c)； 而在累積變形相對(duì)較低的段， 地層T3x1以及地層T3x2之間的整合面則處于未反轉(zhuǎn)或者近于直立的狀態(tài)(圖4b， d)， 這種差異應(yīng)該反映了擠壓應(yīng)力作用強(qiáng)弱程度的差異。

總的來說， 擠壓應(yīng)力作用與擠壓變形是相互耦合的， 擠壓作用較強(qiáng)則累積擠壓變形量也較強(qiáng)， 反之則較弱， 也正是這種強(qiáng)弱差異造成了斷層向SE方向凸出的幾何形態(tài)特征。這種變形特點(diǎn)可以概括為圖4e所示的模式。

3　構(gòu)造變形模式的建立

形態(tài)結(jié)構(gòu)的變化往往會(huì)造成受力狀態(tài)的變化， 而受力狀態(tài)的變化又會(huì)進(jìn)一步導(dǎo)致運(yùn)動(dòng)方式或變形模式的變化， 圖5a展示了這樣的1個(gè)示例。在側(cè)向壓力作用的條件下， a、 b 2個(gè)塊體之間的接觸面形態(tài)由傾斜變?yōu)榇怪保?最終導(dǎo)致運(yùn)動(dòng)方式由塊體a沿接觸面的抬升變?yōu)閴K體a、 b同時(shí)向前滑動(dòng)， 運(yùn)動(dòng)量或者應(yīng)變量也由Ea變?yōu)镋a+Eb， 也就是說總應(yīng)變量中有一部分也分配給了塊體b。

實(shí)際上圖5a的上、 下2種情況可以分別理解成是對(duì)圖5b、 圖5c 2種情形的近似和簡(jiǎn)化， 是忽略了一些次要矛盾簡(jiǎn)化而成的。圖5b、 圖5c 2種情形雖然比較復(fù)雜一些， 但所反映出的主要問題或規(guī)律與圖5a是一致的。圖5b簡(jiǎn)要表示了汶川地震的主要構(gòu)造變形模式。根據(jù)前人的研究結(jié)果， 中北段汶川地震發(fā)震逆沖段的中央斷裂、 前山鏟狀斷層的整體傾角約為60°～70°左右(滕吉文等， 2008； 王衛(wèi)民等， 2008； 朱艾斕等， 2008； 陳九輝等， 2009； Dongetal.， 2010; Lietal.， 2010)， 類似于圖5a上方的情形。在側(cè)向壓力作用的條件下， 運(yùn)動(dòng)方式表現(xiàn)為塊體a沿?cái)嗝嫦驂K體b上逆沖(圖5b上部)， 變形方式表現(xiàn)為塊體a的水平向位移(應(yīng)變量Ea1)以及地層變形(應(yīng)變量Ea2)， 在宏觀地貌形態(tài)上表現(xiàn)為上盤的隆升拱起， 斷層的平面幾何形態(tài)也保持得相對(duì)平直(如圖5b下部圖、 圖5d左側(cè)圖)。

圖5　蘆山地震的構(gòu)造變形模式及其與北段汶川地震逆沖破裂段構(gòu)造變形模式的差異Fig. 5　The tectonic deformation model of the Lushan earthquake and its differences to that of the thrust fault in Wenchuan earthquake on the northern Longmenshan fault zone.a 接觸面不同傾角條件時(shí)塊體構(gòu)造變形模式簡(jiǎn)化示意圖， 其中灰色粗箭頭表示擠壓應(yīng)力作用方向， 斜線區(qū)域表示發(fā)生應(yīng)變或位移的區(qū)域； b、 c 汶川地震、 蘆山地震構(gòu)造變形模式簡(jiǎn)化示意圖， 其中上部為剖面圖， 下部為平面圖， 灰色粗箭頭表示擠壓應(yīng)力作用方向， 黑色細(xì)箭頭表示運(yùn)動(dòng)方向； d 汶川地震、 蘆山地震構(gòu)造變形模式示意圖， 其中灰色粗箭頭表示地塊運(yùn)動(dòng)方向， 黑色細(xì)箭頭表示相應(yīng)的地表變形及地貌表現(xiàn)， 左圖與圖b相對(duì)應(yīng)， 右圖與圖c相對(duì)應(yīng)， 震中位置、 深部斷層結(jié)構(gòu)以及深度值參考前人的相關(guān)研究結(jié)果(朱艾斕等， 2008； 陳九輝等， 2009；Dong et al.， 2010; Li et al.， 2010)和文中前述成像結(jié)果、 余震精定位分布

圖5c簡(jiǎn)要表示了蘆山地震的主要構(gòu)造變形模式， 蘆山地震區(qū)內(nèi)的前山鏟狀斷裂(雙石-大川斷裂，對(duì)應(yīng)于圖2d中的F2)的整體傾角近于垂直， 類似于圖5a下方的情形。在側(cè)向壓力作用的條件下， 運(yùn)動(dòng)方式表現(xiàn)為塊體a、 塊體b的同步運(yùn)動(dòng)(圖5c上部)。與圖5b的模式相比不同的是， 總應(yīng)變量中有一部分分配給了塊體b。既然塊體b多承受了這部分應(yīng)變， 就會(huì)產(chǎn)生相對(duì)應(yīng)的變形， 變形的具體形式當(dāng)然和塊體b的具體性質(zhì)或者條件相關(guān)， 比如介質(zhì)的強(qiáng)度、 均一性等物理或者力學(xué)方面的屬性， 不同的性質(zhì)或條件就會(huì)形成各種不同的變形形式。結(jié)合前述2.1小節(jié)中橫跨主震區(qū)垂直于構(gòu)造帶走向的河流階地的變形特征， 以及主震區(qū)附近的山前地區(qū)在地表明顯比中北段發(fā)育的褶皺變形或薄皮構(gòu)造， 推測(cè)變形方式表現(xiàn)為如圖5c上部所示的塊體a、 塊體b的水平向位移(應(yīng)變量Ea、 Eb1)以及塊體b內(nèi)部自身的應(yīng)變(應(yīng)變量Eb2、 Eb3)， 其中Eb2對(duì)應(yīng)于前述2.1小節(jié)中的河流階地的上拱彎曲變形， Eb3對(duì)應(yīng)于山前地區(qū)普遍存在的褶皺變形。結(jié)合前述2.2小節(jié)中更長(zhǎng)時(shí)間尺度內(nèi)平行于構(gòu)造帶走向的地質(zhì)體/地層單元的變形特征， 推測(cè)斷層的平面幾何形態(tài)也由平直逐漸變?yōu)榛⌒瓮钩龅男螒B(tài)(圖5c下部)。用這種變形模式來解釋能夠與前文討論的深部構(gòu)造、 地表變形特征以及斷層幾何結(jié)構(gòu)等各種證據(jù)和跡象較好地吻合。

上述的構(gòu)造變形模式一定有其內(nèi)在的力學(xué)驅(qū)動(dòng)機(jī)制， 而這種力學(xué)驅(qū)動(dòng)機(jī)制又是由構(gòu)造單元的實(shí)際形態(tài)結(jié)構(gòu)決定的。從力學(xué)機(jī)制上來分析， 在圖5a下部圖或圖5c所示的構(gòu)造變形模式中， 在擠壓應(yīng)力作用的時(shí)候， 由于前山斷裂(對(duì)應(yīng)于圖2d中的F2)斷層面傾角近90°， 阻礙了斷層上盤物質(zhì)的運(yùn)動(dòng)， 使得不易沿著近于直立的斷面發(fā)生逆沖運(yùn)動(dòng)， 逆沖作用最終轉(zhuǎn)化為對(duì)斷層面前方位于斷層下盤物質(zhì)的推擠作用。在這種推擠力的作用下， 下盤地塊產(chǎn)生擠壓變形， 發(fā)生水平向的移動(dòng)或縮短， 并在塊體內(nèi)部局部強(qiáng)度較弱的地方釋放應(yīng)變并形成逆沖斷層。 具體來說就是對(duì)應(yīng)于圖2d中的F3、 F5、 F6， 其中F5上盤形成了1個(gè)活動(dòng)背斜， 該背斜第四紀(jì)以來的最新變形即表現(xiàn)為其上河流階地的上拱彎曲變形(對(duì)應(yīng)于Eb2)， 而F5最新的1次活動(dòng)造成了此次蘆山地震的發(fā)生， F3、 F6的長(zhǎng)時(shí)間活動(dòng)則在山前地表形成了顯著的褶皺變形(對(duì)應(yīng)于Eb3)。在推擠作用較強(qiáng)的地方， 下盤地塊的水平位移量和縮短量較大， 反之則較小。水平變形量的差異造成了前述2.2小節(jié)中斷層以及相應(yīng)的地層凸向SE的幾何形態(tài)(圖5c， 5d右圖)?？傊?， 這種模式中斷層下盤的變形程度是相當(dāng)顯著的， 或者說上盤把變形 “傳遞”給了下盤， 造成了蘆山地震在前山-山前斷裂系統(tǒng)的發(fā)生。

這種變形模式與龍門山斷裂帶中北段之中參與汶川地震的主要破裂段的變形模式是有區(qū)別的。汶川地震的模式中(圖5a上部圖， 圖5b)， 在擠壓應(yīng)力作用的時(shí)候， 斷層面沒有完全阻礙斷層上盤物質(zhì)的運(yùn)動(dòng)， 斷層上盤仍然可以發(fā)生逆沖作用， 不斷地累積變形， 發(fā)生變形， 同樣會(huì)造成水平向的縮短和垂直向的增厚， 不同的是， 這種模式中斷層上盤的變形程度是相當(dāng)顯著的， 或者說上盤的變形并沒有明顯 “傳遞”給下盤， 使得汶川地震主要在中央-前山斷裂系統(tǒng)發(fā)生。

總的來說， 從汶川地震到蘆山地震， 由于斷層面形態(tài)結(jié)構(gòu)的變化， 即傾角和產(chǎn)狀的變化， 使得斷層上、 下兩盤的受力狀態(tài)變化， 從而造成構(gòu)造運(yùn)動(dòng)方式或者變形模式的變化， 最終造成發(fā)震構(gòu)造的變化， 即從中央-前山斷裂系轉(zhuǎn)移到前山-山前斷裂系統(tǒng)。

4　結(jié)論

本文基于中國(guó)地震局地震預(yù)測(cè)研究所于2008—2009年間在龍門山斷裂帶南段布設(shè)的流動(dòng)地震儀觀測(cè)剖面、 蘆山地震精定位的結(jié)果以及地表已知斷層位置等資料綜合解譯得到了蘆山地震震區(qū)的深部主要構(gòu)造面， 基于沿著青衣江河流兩側(cè)河流階地面的差分GPS測(cè)量得到了垂直于構(gòu)造帶走向的變形特征， 基于高分辨率遙感影像地質(zhì)解譯、 DEM數(shù)據(jù)三維分析并結(jié)合已有的1︰20萬區(qū)域地質(zhì)調(diào)查資料得到了較長(zhǎng)時(shí)間尺度平行于構(gòu)造帶走向的變形特征， 通過復(fù)合上述各方面的資料， 建立了蘆山地震的構(gòu)造變形模式， 并對(duì)蘆山地震的發(fā)震構(gòu)造進(jìn)行了分析和研究， 主要得到了以下一些結(jié)論：

(1)蘆山地震的構(gòu)造變形模式與汶川地震的主要破裂段的變形模式有所不同。南段的變形模式中， 近直立的斷層面阻礙了上盤的逆沖作用， 最終轉(zhuǎn)化為對(duì)下盤的擠壓作用， 從而以下盤的應(yīng)變?yōu)橹鳎?而北段的變形模式中， 陡傾的斷層面沒有完全阻礙上盤的逆沖作用， 仍然以上盤的應(yīng)變?yōu)橹鳌?種模式區(qū)別的實(shí)質(zhì)在于斷層面傾角和產(chǎn)狀的差異。

(2)由于前山的雙石-大川斷裂(F2)的下盤地塊不斷受到上盤地塊傳遞而來的擠壓應(yīng)力， 在地塊內(nèi)部形成了活動(dòng)逆沖斷層F5， F5在第四紀(jì)以來的活動(dòng)使得在其上盤形成了1個(gè)活動(dòng)褶皺， 造成相應(yīng)階地面的變形； F5的最新1次活動(dòng)引發(fā)了蘆山地震， 也就是說F5是這次直接導(dǎo)致蘆山地震發(fā)生的發(fā)震構(gòu)造。

(3)從長(zhǎng)期的構(gòu)造演化過程來看， 雙石-大川斷裂(F2)上位于大溪鄉(xiāng)與太平鎮(zhèn)之間的斷裂幾何形態(tài)向SE凸出彎曲的段在相當(dāng)長(zhǎng)的歷史時(shí)期以來一直是前山斷裂、 中央斷裂、 后山斷裂應(yīng)變集中釋放、 構(gòu)造頻繁活動(dòng)的區(qū)域， 累積了大量的變形或位移量， 蘆山地震也只是文中所述構(gòu)造變形模式長(zhǎng)期演化進(jìn)程中的1次事件， 隨著這種構(gòu)造演化不斷持續(xù)地進(jìn)行， 未來包括雙石-大川斷裂(F2)下盤的F3、 F5、 F6等新生逆沖斷裂仍然具有發(fā)生類似地震事件的危險(xiǎn)性。

致謝感謝評(píng)審專家為論文修改提出的寶貴意見。

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Abstract

The seismogenic structure of the Lushan earthquake has remained in suspensed until now. Several faults or tectonics， including basal slipping zone， unknown blind thrust fault and piedmont buried fault， etc， are all considered as the possible seismogenic structure. This paper tries to make some new insights into this unsolved problem. Firstly， based on the data collected from the dynamic seismic stations located on the southern segment of the Longmenshan fault deployed by the Institute of Earthquake Science from 2008 to 2009 and the result of the aftershock relocation and the location of the known faults on the surface， we analyze and interpret the deep structures. Secondly， based on the terrace deformation across the main earthquake zone obtained from the dirrerential GPS meaturement of topography along the Qingyijiang River， combining with the geological interpretation of the high resolution remote sensing image and the regional geological data， we analyze the surface tectonic deformation. Furthermore， we combined the data of the deep structure and the surface deformation above to construct tectonic deformation model and research the seismogenic structure of the Lushan earthquake. Preliminarily， we think that the deformation model of the Lushan earthquake is different from that of the northern thrust segment ruptured in the Wenchuan earthquake due to the dip angle of the fault plane. On the southern segment， the main deformation is the compression of the footwall due to the nearly vertical fault plane of the frontal fault， and the new active thrust faults formed in the footwall. While on the northern segment， the main deformation is the thrusting of the hanging wall due to the less steep fault plane of the central fault. An active anticline formed on the hanging wall of the new active thrust fault， and the terrace surface on this anticline have deformed evidently since the Quaterary， and the latest activity of this anticline caused the Lushan earthquake， so the newly formed active thrust fault is probably the seismogenic structure of the Lushan earthquake. Huge displacement or tectonic deformation has been accumulated on the fault segment curved towards southeast from the Daxi country to the Taiping town during a long time， and the release of the strain and the tectonic movement all concentrate on this fault segment. The Lushan earthquake is just one event during the whole process of tectonic evolution， and the newly formed active thrust faults in the footwall may still cause similar earthquake in the future.

THE RESEARCH OF THE SEISMOGENIC STRUCTURE OF THE LUSHAN EARTHQUAKE BASED ON THE SYNTHESIS OF THE DEEP SEISMIC DATA AND THE SURFACE TECTONIC DEFORMATION

WANG Lin1)ZHOU Qing-yun2)WANG Jun1)LI Wen-qiao1)ZHOU Lian-qing1)CHEN Han-lin1)SU Peng1)LIANG Peng1)

1)InstituteofEarthquakeScience，ChinaEarthquakeAdministration，Beijing100036，China2)EarthquakeAdministrationofYunnanProvince，Kunming650041，China

Lushan earthquake， receiver function， the aftershock relocation， terrace deformation， seismogenic structure

2014-12-10收稿， 2015-12-10改回。

中國(guó)地震局地震預(yù)測(cè)研究所基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)(2013IES010101， 2014IES010104， 2015IES010202)資助。

P315.2

A

0253-4967(2016)02-458-19

王林， 男， 1982年出生， 2012年畢業(yè)于中國(guó)地震局地質(zhì)研究所構(gòu)造地質(zhì)學(xué)專業(yè)， 獲博士學(xué)位， 助理研究員， 研究方向?yàn)闃?gòu)造地質(zhì)， 地震地質(zhì)和GIS、 RS技術(shù)在構(gòu)造地質(zhì)學(xué)中的應(yīng)用， 電話： 010-88015659， E-mail: wanglin23010509@163.com。

doi:10.3969/j.issn.0253- 4967.2016.02.018