地震活動(dòng)時(shí)空演化中看到的龍門山斷裂帶地震孕育的幾個(gè)現(xiàn)象

馬 瑾 劉培洵 劉遠(yuǎn)征

1)中國(guó)地震局地質(zhì)研究所，地震動(dòng)力學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100029 2)華北水利水電大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院，鄭州 450045

0 引言

龍門山斷裂帶是位于青藏高原東側(cè)的一條走向NE的大型逆走滑斷裂帶(鄧起東等，2007)。2008年5月12日在該帶的中南部汶川縣映秀發(fā)生MS8強(qiáng)烈地震，5年后，在其南段蘆山又發(fā)生MS7強(qiáng)震。對(duì)汶川地震和蘆山地震的研究關(guān)系到對(duì)地震大形勢(shì)發(fā)展的判斷，十分重要。汶川地震的研究論文很多。有的文章寫在汶川地震前(鄧起東等，1994;呂江寧等，2003;Zhang et al.，2004;Shen et al.，2005;“2006—2020年中國(guó)大陸地震危險(xiǎn)區(qū)與地震災(zāi)害損失預(yù)測(cè)研究”項(xiàng)目組，2007;徐錫偉等，2008a，b)，大多從區(qū)域構(gòu)造背景出發(fā)分析龍門山斷層帶的活動(dòng)情況和動(dòng)力學(xué)條件。其中，“2006—2020年中國(guó)大陸地震危險(xiǎn)區(qū)與地震災(zāi)害損失預(yù)測(cè)研究”項(xiàng)目組從地震地質(zhì)條件出發(fā)，在分析活動(dòng)斷層的分布和地震離逝時(shí)間的基礎(chǔ)上，強(qiáng)調(diào)指出:“龍門山中-南段屬于長(zhǎng)期的強(qiáng)震空段，可能具有發(fā)生強(qiáng)震甚至大地震的活動(dòng)構(gòu)造背景”。在地震發(fā)生后，很多文章描述了地震的過程、同震位移和特點(diǎn)(張勇等，2008;徐錫偉等，2008a，b;張培震等，2008;聞學(xué)澤等，2009;中國(guó)地震局監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)司，2009;Xu et al.，2009;Shen et al.，2009)。一些作者從地震分布、GPS位移場(chǎng)以及地表溫度場(chǎng)出發(fā)，提出了汶川地震及其以前的地震均發(fā)生在一個(gè)包含巴顏喀拉塊體在內(nèi)的地震主體地區(qū)的證據(jù)(Ма，2009;馬瑾等，2010);一些作者提出“在汶川地震時(shí)發(fā)生滑動(dòng)的區(qū)域之間存在著地震矩釋放的虧空區(qū)，迄今已經(jīng)發(fā)生的較大余震無(wú)論是數(shù)量還是強(qiáng)度也都未能基本上填充這些虧空區(qū)”，并且強(qiáng)調(diào)了“破裂虧空區(qū)分別位于汶川東北約100km(北川—平武間)和西南約100km(寶興—小金間)，是很有可能發(fā)生強(qiáng)余震的地區(qū)?！?陳運(yùn)泰，2008a，b);一些作者計(jì)算了汶川地震周邊斷層的同震庫(kù)侖應(yīng)力變化，提出龍門山斷裂北部的斷層應(yīng)力下降，而南部的斷層應(yīng)力上升，強(qiáng)調(diào)了雅安附近斷層應(yīng)力上升最大(Parsons et al.，2008)，這個(gè)結(jié)果被2013年發(fā)生的蘆山地震所印證。Chen等(2008)利用地震噪聲關(guān)聯(lián)函數(shù)法研究了汶川MS8強(qiáng)烈地震的同震波速變化的空間分布。研究得到發(fā)震斷層區(qū)在汶川地震中波速下降0.08%，同震波速變化的空間分布與GPS測(cè)得的同震體積應(yīng)變的分布一致(Shen et al.，2009)，說明波速變化不受控于沉積物的響應(yīng)。值得指出的是，2013年發(fā)生蘆山MS7地震的區(qū)域位于同震波速下降很小的區(qū)域，說明該區(qū)在汶川地震中應(yīng)力沒有得到釋放(Chen et al.，2010)。

汶川地震5年后，發(fā)生蘆山地震。一些作者分析了2003年以來(lái)從汶川地震到蘆山地震的破裂過程，進(jìn)而對(duì)蘆山地震的發(fā)生及其可能的影響做了分析(陳運(yùn)泰等，2013);一些作者則及時(shí)地從地震活動(dòng)性參數(shù)出發(fā)，討論了龍門山南段的應(yīng)力狀態(tài)和強(qiáng)震危險(xiǎn)性(易桂喜等，2013);另一些作者則提醒在研究地震危險(xiǎn)性時(shí)，小心滑動(dòng)很慢的斷層(Zhang et al.，2013)等，這里不一一列舉。由于蘆山地震的發(fā)生，本文作者反過來(lái)研究了汶川地震前后的地震活動(dòng)，看到了與汶川地震孕育過程有關(guān)的一些有意義的現(xiàn)象，寫在這里，與讀者共同探討。本文主要從地震沿龍門山斷裂帶的時(shí)空展布出發(fā)，探討龍門山斷層帶上地震的孕育過程。

中國(guó)微震目錄從1970年以來(lái)相對(duì)完整(中國(guó)地震臺(tái)網(wǎng)中心)。但是由于早期臺(tái)網(wǎng)稀疏，能記錄的地震震級(jí)下限較高，4級(jí)以上地震比較全，而小震則有很多遺漏，不可能完整記錄。近年來(lái)由于地震臺(tái)網(wǎng)的不斷建設(shè)改造，1995—2000年間中國(guó)地震局的“十五計(jì)劃”的執(zhí)行，使中國(guó)基準(zhǔn)臺(tái)站從100多個(gè)增加為上千個(gè)，地震目錄也隨之逐步完善。在我們提供的圖件中，1986—1999年地震明顯減少，而2000年后小地震記錄明顯增多。前面的減少是客觀存在還是目錄故障不能完全確定，但是，在那個(gè)階段中國(guó)大陸強(qiáng)震比較少是一個(gè)客觀事實(shí)。2000年后地震記錄增加肯定與地震臺(tái)站的增加有關(guān)。好在我們擬重點(diǎn)討論的幾個(gè)事件發(fā)生在2000年后，資料還是可靠的。

我們選擇了2個(gè)區(qū)域來(lái)分析汶川和蘆山地震發(fā)展的過程(圖1)。AB區(qū)長(zhǎng)軸方向NE，沿龍門山斷裂帶分布，包括3條平行的斷裂以及汶川余震主要分布區(qū)。GH區(qū)是包含汶川主震在內(nèi)的垂直龍門山斷裂帶的區(qū)域。設(shè)定A，G點(diǎn)為2個(gè)研究區(qū)軸線原點(diǎn)，分別計(jì)算每個(gè)投影到軸線上的地震相對(duì)原點(diǎn)的距離。做出1970—2013年2個(gè)研究區(qū)的地震沿軸線方向的分布。圖2表示AB區(qū)和GH區(qū)地震震級(jí)隨時(shí)間(M-t)的變化。在2008年汶川MS8地震前2個(gè)研究區(qū)內(nèi)大多數(shù)地震震級(jí)不高，少數(shù)地震達(dá)到5級(jí)左右，GH區(qū)在1989年9月的6.8級(jí)地震發(fā)生在馬爾康斷裂上。

圖1 AB(黃色)、GH(青色)研究區(qū)和紫坪鋪水庫(kù)(玫瑰色)研究區(qū)的位置及主軸方向Fig.1 Locations of study areas AB(yellow)，GH(cyan)and Zipingpu reservoir(rose)and their main axis azimuths.

圖2 AB和GH研究區(qū)中的地震震級(jí)-時(shí)間圖Fig.2 M-t diagrams for areas AB and GH.

1 沿龍門山斷裂帶的地震活動(dòng)

(1)在時(shí)間上地震活動(dòng)主要可分為1970—1985年、1986—1999年、2000年至汶川地震前以及汶川地震后4個(gè)階段(圖3):1970—1985年除大邑1970-02-24發(fā)生6.2級(jí)地震外，龍門山西南段4，5級(jí)地震時(shí)有發(fā)生，而東北段則地震稀少;1986—1999年間，小震明顯減少，除安縣和南部大邑附近發(fā)生5級(jí)和4級(jí)地震外，龍門山帶地震較少，東北段大小地震都少;2000年后，前期小震增多，2008年和2013年發(fā)生強(qiáng)烈地震。沿龍門山斷裂帶不同斷層段的地震活動(dòng)水平不同。為便于讀者分析比較，我們同時(shí)給出2000年后幾個(gè)時(shí)段地震的空間展布圖(圖4)，研究區(qū)的位置與圖1相同。自2000—2008年汶川地震前，除大邑南邛崍(2001)和北部平武(2007)有過3次4級(jí)地震外，整個(gè)龍門山帶沒有4級(jí)以上的地震。2008年5月12日發(fā)生汶川MS8地震至2013年4月20日在南部蘆山段發(fā)生MS7地震，其間沿龍門山斷裂帶發(fā)生了大量中強(qiáng)地震(其中6級(jí)，5級(jí)分別有12次和81次)。

圖3 平行龍門山斷裂帶地震隨時(shí)間的變化Fig.3 Temporal-spatial distribution of earthquakes parallel to the Longmenshan Fault zone.

(2)2000年開始龍門山斷裂帶的地震活動(dòng)在空間上可以明顯分為3個(gè)斷層段(圖3，4)，自SW向NE依次為①蘆山段，②汶川段和③北川—廣元段。

在3個(gè)斷層段中2000—2004年中汶川段小震密集，南部蘆山段有小震，但比較稀疏，而北川—廣元段地震稀疏(圖3和圖4a)。

蘆山段在2000年后地震一直稀少，2009年后才出現(xiàn)4級(jí)地震。蘆山段①和汶川段②之間有1個(gè)小震空段，這個(gè)空段除2001年有過1次4級(jí)地震外，地震一直稀疏;2000—2004年汶川段的西南邊界有向SW方向擴(kuò)展的趨勢(shì)，2004年后略有加速;而蘆山段的東北邊界始終沒有變化，這個(gè)空段至今尚無(wú)已經(jīng)連接的跡象(圖3標(biāo)有蘆山和汶川之間的部位和圖4a)。

汶川段②和北川—廣元段③之間斷層走向變化形成小角度的拐折(圖4a，b)。地震集中在汶川段，雖有向NE向擴(kuò)展趨勢(shì)，但沒有擴(kuò)到北川—廣元段;2008年汶川地震發(fā)生后，地震活動(dòng)立即擴(kuò)展到北川—廣元段。

自2005年后以汶川主震為中心形成長(zhǎng)度＜100km的小震稀疏段(空段)，持續(xù)時(shí)間2～3a(圖3汶川箭頭下和圖4b紅色星號(hào)附近)，說明主震附近區(qū)域在此階段形成閉鎖。

圖4 龍門山地區(qū)不同時(shí)期地震展布圖Fig.4 Earthquake distributions around the Longmenshan Fault zone in different periods.

2 垂直龍門山斷層帶的地震剖面

垂直龍門山斷裂帶在汶川主震附近做了一條剖面(GH)(圖5)。通過這個(gè)剖面，看到2個(gè)現(xiàn)象。其一在垂直龍門山斷裂帶走向上2000年開始地震集中在龍門山斷裂的映秀-北川斷裂和后山斷裂之間，2005年后地震一度變得稀疏，汶川地震后地震迅速由映秀向NW的理縣方向擴(kuò)展。其二，剖面西北部的龍日壩斷層是根據(jù)GPS觀測(cè)發(fā)現(xiàn)兩側(cè)位移不同，又經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)考察而發(fā)現(xiàn)的新斷層(Shen et al.，2005;徐錫偉等，2008a，b)。龍日壩斷裂在1970年和2005年發(fā)生過5級(jí)震群，2008年發(fā)生過4級(jí)地震，這些地震活動(dòng)與龍門山帶的地震活動(dòng)的變遷相呼應(yīng)。

3 汶川主震區(qū)震前的小震活動(dòng)

圖5 垂直龍門山斷裂帶地震隨時(shí)間的變化(說明同圖3)Fig.5 Temporal-spatial distribution of earthquakes normal to the Longmenshan Fault zone(Explanations are same as Fig.3).

圖6 平行龍門山斷裂汶川主震區(qū)附近地震隨時(shí)間的變化Fig.6 Temporal variations of earthquakes prior to the Wenchuan main shock in the area along Longmenshan Fault zone.

紫坪鋪水庫(kù)在2002年11月截流，2005年10月開始蓄水。汶川主震就發(fā)生在紫坪鋪水庫(kù)附近。為了進(jìn)一步研究震前主震區(qū)附近的變化，利用馬文濤提供的紫坪鋪水庫(kù)專用臺(tái)網(wǎng)波形記錄定位的結(jié)果進(jìn)行分析(在定位中去除由邊坡、塌陷和爆破引起的非構(gòu)造因素的震動(dòng))。該水庫(kù)臺(tái)網(wǎng)建立于2004年8月，由7個(gè)小臺(tái)距地震臺(tái)站組成，為大震前主震附近區(qū)域的小震提供了高精度數(shù)據(jù)。圖6表示水庫(kù)臺(tái)網(wǎng)記錄的主震區(qū)附近沿龍門山斷裂帶小震隨時(shí)間的變化。資料選取范圍與剖面方向見圖1的玫瑰色區(qū)域。由圖6可見，地震分布范圍隨時(shí)間有所擴(kuò)大，震級(jí)水平有所提高。圖中箭頭a和b分別指出地震分布范圍2次明顯的擴(kuò)大，一次發(fā)生在2005年10月，幾個(gè)2.5級(jí)以上地震(深藍(lán)色圓點(diǎn))在短時(shí)間內(nèi)沿?cái)鄬酉群蟀l(fā)生。第2次更顯著的變化發(fā)生在2006年10月，一些3級(jí)和3.5級(jí)以上地震(玫瑰色圓點(diǎn))雙向擴(kuò)展，以NE向擴(kuò)展為主。斷層活動(dòng)范圍的2次擴(kuò)展恰巧與庫(kù)水位的高值一致。有意思的是2次擴(kuò)展后地震分布范圍都發(fā)生收縮，說明當(dāng)時(shí)尚未達(dá)到臨界狀態(tài)。由此可見，汶川大震發(fā)生前主震區(qū)附近斷層雖有過2次小規(guī)模擴(kuò)展，但是沒有引起大范圍的快速失穩(wěn)。但是，在2008年2月，在汶川主震區(qū)附近在很短的時(shí)間內(nèi)沿?cái)鄬幼呦蛳嗬^發(fā)生3級(jí)和3.5級(jí)以上的地震(圖6箭頭c)。與此同時(shí)，中國(guó)地震局地質(zhì)研究所地震動(dòng)力學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室川西大規(guī)模密集流動(dòng)寬頻帶地震臺(tái)陣中都江堰臺(tái)站記錄到密集發(fā)生的高頻率小破裂事件(劉啟元等，2008，2009;Chen et al.，2008)。

4 討論

(1)平行和垂直龍門山斷裂帶地震活動(dòng)的時(shí)空展布均說明汶川地震的孕育部位主要分布在汶川段映秀-北川斷裂和后山斷裂之間，長(zhǎng)不過130km，寬不過30km。在8級(jí)大震發(fā)生時(shí)，地震迅速向NE方向擴(kuò)展成350km，局部段落橫向上迅速擴(kuò)展成80km。說明開始在有限斷層段上孕育的地震，在快速失穩(wěn)過程中可以連接和擴(kuò)大成規(guī)模很大的斷層。孕震范圍和發(fā)震范圍有區(qū)別。地震的震級(jí)與斷層長(zhǎng)度和斷層的面積有關(guān)，失穩(wěn)開始前可能很難確定最終的震級(jí)。

(2)汶川段自1976年以來(lái)4，5級(jí)地震不斷，平均2～3年至少有1次，2000年開始汶川段小震密集?？紤]到楊智嫻等(2005)對(duì)包括龍門山帶在內(nèi)的中國(guó)中西部在1992—1999期間的小震進(jìn)行過重新定位，其結(jié)果顯示龍門山斷裂中南段的c剖面小震十分活躍，這個(gè)位置與我們提到的汶川段一致。由此說明，這個(gè)小震密集區(qū)可能開始得更早。汶川段持續(xù)8a(或16a)的小震密集發(fā)生，卻沒有4級(jí)以上地震;與此同時(shí)，伴隨的是幅度不大的水平擠壓(0.013mm/km·a-1)和垂直隆起(上隆速率在龍門山前山斷裂與中央斷裂之間僅為0.6mm/a)(杜方等，2009)。其他作者的資料也證明2007年前龍門山斷裂帶北段幾乎沒有動(dòng)，而南段位移很小，南段的縮短速率和右行走滑速率分別為1.8mm/a和1.6mm/a，北段則分別為0.2mm/a和0.18mm/a(Zhang et al.，2011)。這個(gè)事實(shí)表明，汶川段可能經(jīng)歷了以碎裂方式為主的強(qiáng)烈擠壓應(yīng)變，這種以碎裂方式開始的孕震模式與以往的密集—平靜—發(fā)震的模式不同，值得研究。

(3)紫坪鋪水庫(kù)長(zhǎng)度不過十幾km，要觸發(fā)長(zhǎng)300多km的龍門山斷裂的快速錯(cuò)動(dòng)是很困難的。但是已有事實(shí)表明，要完全排除它的作用也是不可能的。震前小震精定位的結(jié)果顯示主震區(qū)附近的發(fā)震斷層發(fā)生過2次擴(kuò)展。其中，第2次擴(kuò)展的范圍大，震級(jí)高，對(duì)后來(lái)的失穩(wěn)影響大。2008年2月在庫(kù)水位下降的背景下，很短的時(shí)間內(nèi)沿?cái)鄬酉嗬^發(fā)生3級(jí)以上地震。與此同時(shí)，都江堰寬頻地震臺(tái)站開始記錄到密集的高頻率小震事件群。這些現(xiàn)象可能意味著不可逆轉(zhuǎn)的準(zhǔn)動(dòng)態(tài)失穩(wěn)的開始。關(guān)于紫坪鋪水庫(kù)在汶川地震發(fā)生中的作用，尚需深入探討。

(4)龍門山斷裂帶自SW向NE走向發(fā)生2次變化，汶川段與北川—廣元段之間有一個(gè)近5°的拐折，地震時(shí)斷層擴(kuò)展跨越這個(gè)拐折并延至廣元。但是北川—廣元段與其東北的廣元—寧強(qiáng)之間斷層走向又發(fā)生變化。這個(gè)斷層段雖然也發(fā)生了一些地震，但地震終止于青川，未能跨越第2個(gè)拐折。由此可見斷層幾何對(duì)地震發(fā)展的控制作用。與此同時(shí)，我們注意到汶川段小震密集分布區(qū)恰巧是以元古界的彭灌雜巖作為上盤，其組成包括元古代的花崗巖，石英閃長(zhǎng)巖以及鹽邊群等。有趣的是，地震帶發(fā)生橫向擴(kuò)展的理縣，也是一個(gè)包含元古代石英閃長(zhǎng)巖的元古界會(huì)理群為核心的背斜構(gòu)造(馬麗芳等，2002)。巖性的差異對(duì)地震發(fā)生的影響也不容忽視。

(5)蘆山段地震顯得比較獨(dú)立，看不出與汶川段之間有明顯的聯(lián)系。為什么預(yù)期的強(qiáng)余震滯后5年才發(fā)生?汶川主震的震源機(jī)制是逆沖型，隨后發(fā)生的向北擴(kuò)展的強(qiáng)余震機(jī)制含右行走滑分量，而由主震向西南擴(kuò)展的地震，包括蘆山地震在內(nèi)是逆沖型(陳運(yùn)泰等，2013)。走滑斷層錯(cuò)動(dòng)方向是近水平的，斷層擴(kuò)展方向也是近水平的，因此，走滑斷層的錯(cuò)動(dòng)可以促進(jìn)斷層沿走向的擴(kuò)展;相反，逆斷層的錯(cuò)動(dòng)發(fā)生在與走向垂直的傾向方向，這時(shí)斷層的錯(cuò)動(dòng)方向和擴(kuò)展方向不一致，甚至互相垂直，斷層沿傾向的錯(cuò)動(dòng)很難促進(jìn)斷層沿走向擴(kuò)展。由此可見，走滑型斷層的擴(kuò)展不僅受區(qū)域作用力的影響，而且走滑錯(cuò)動(dòng)本身也能促進(jìn)斷層的進(jìn)一步擴(kuò)展。而逆斷層的錯(cuò)動(dòng)對(duì)相鄰斷層段的促進(jìn)擴(kuò)展作用較弱，因此沿?cái)鄬幼呦驍U(kuò)展慢。由此可見，由汶川向北川、廣元方向的擴(kuò)展可以迅速發(fā)生，而由汶川地震到蘆山地震的擴(kuò)展則需要時(shí)日。

提出以上現(xiàn)象供大家分析討論。

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