汶川MS8.0地震对龙门山断裂带附近地应力环境影响初探——以北川、江油地区为例＊

丰成君 陈群策 谭成轩吴满路 秦向辉 廖椿庭

1）中国北京100081中国地质科学院地质力学研究所

2）中国北京100081国土资源部新构造运动与地质灾害重点实验室

引言

地应力是导致地震发生的重要因素之一，大地震的孕育和发生是在特定构造部位地应力长期积累、集中、加强，最终导致应变能突然释放的过程（李四光，1977）.大震发生前后，断裂带附近及外围地区应力分布发生明显变化的现象已被我国研究人员所证实.Liao等（2003）捕捉到昆仑山MS8.1特大地震前后地表浅部（深度h＜60m）地应力变化，测量得到大地震前最大主应力为12MPa，地震后下降到3—4MPa，证实了大震前应力高度集中和大震后应力大幅降低的现象.郭啟良等（2009）在汶川MS8.0地震发生前1个月在龙门山断裂带广元—青川附近，测量得到350—420m深度范围内的最大主应力为21—22MPa；大震后1个星期，重复测量得到相同深度范围内的最大主应力约为15MPa，同样为该现象提供了佐证.

大震发生前后，断裂带附近及外围地区最大（水平）主应力方向发生不同程度变化和调整的现象也已得到证实.1966年邢台MS6.8地震和1976年唐山MS7.8地震后，李方全和王连捷（1979）、李方全等（1982）、李方全和刘光勋（1986）在震中区及外围地区测得最大水平主应力方向分别为N54°W和N47°W，与区域构造应力场方向（近EW向）有较大的差别.Tanaka和Oka（1979）在阪神MS7.2地震后，在震中区附近的平木和宝殿得到最大水平主应力方向与区域构造应力场相比分别逆时针偏转了35.8°和25°.

2008年5月12日汶川MS8.0地震发生在龙门山断裂带上.此次地震沿龙门山断裂带造成250余千米的地表破裂，主要沿龙门山中央断裂的中、北段及前山断裂的中段呈平行展布，沿破裂带河流阻塞、山体崩塌、大量房屋倒塌、人员伤亡严重（徐锡伟等，2008；中国地震局监测预报司，2009）.如此大的地震及其造成的地表破裂势必会对龙门山断裂带附近的应力场造成不同程度的影响.讨论大震活动对断裂附近地应力环境的影响，在一定程度上对于认识地震的孕育、发生及发展的整个动力学过程有着重要的意义.

1 区域地质概况

龙门山断裂带作为青藏高原东部巴颜喀拉块体与华南块体的分界线，是中国南北地震带中段的重要组成部分，是我国最重要的地震活动带之一（邓启东等，1994；张培震等，2003；马保起等，2005；易桂喜等，2006）.断裂带南起泸定、天全，经宝兴、灌县、江油、广元进入陕西宁强、勉县一带，全长约500km，宽约40—50km，是一条大型的活动断裂.断裂带总体走向N40°—50°E，倾向北西，主要由4条主断裂组成（图1），由西北向东南方向依次为：龙门山后山断裂（耿达—陇东断裂、茂县—汶川断裂、青川断裂）、龙门山中央断裂（盐井—五龙断裂、北川—映秀断裂、茶坝—林庵寺断裂）、龙门山前山断裂（大川—双石断裂、灌县—安县断裂、江油—广元断裂）及山前隐伏断裂带（陈国光等，2007）.对龙门山断裂带的地貌、地质构造、GPS观测资料和地震活动等研究表明，整个龙门山断裂带的活动程度在其几何展布上具有明显的非均一性，大致以北川—江油一线为界把龙门山断裂带划分为西南段和东北段.西南段晚更新世以来活动强烈，活动方式以逆冲为主兼具右旋走滑；东北段第四纪活动微弱，显示出右旋走滑－逆冲的运动方式（唐荣昌等，1995；李勇等，2006，2008；陈国光等，2007；杨晓平等，2008；中国地震局监测预报司，2009）.此外，GPS观测结果表明，断裂带西南段运动速率介于2.0—3.0mm／a之间，而东北段运动速率只有1.5mm／a（唐文清等，2004；张培震，2008）.

图1 研究区地质背景与地应力测量位置示意图（据杨晓平等（2008）补充绘制）F1－1：耿达—陇东断裂；F1－2：茂县—汶川断裂；F1－3：平武—青川断裂；F2－1：盐井—五龙断裂；F2－2：北川—映秀断裂；F2－3：茶坝—林庵寺断裂；F3－1：大川—双石断裂；F3－2：灌县—安县断裂；F3－3：江油—广元断裂；F4：山前隐伏断裂带；F5：龙泉山断裂带；F6：鲜水河断裂带；F7：丽江—小金河断裂；F8：峨边断裂；F9：岷江断裂；F10：虎牙断裂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年有历史地震资料记载以来，青藏高原东缘地区共发生MS≥4.7地震66次.这些破坏性地震主要集中在岷山断块和龙门山断裂带西南段，而龙门山断裂带东北段尚未有破坏性地震记载（中国地震局监测预报司，2009）.在过去的约350年中，龙门山断裂带附近发生的地震活动大致以平武—江油一线为界.断裂带西南段在过去发生MS≥6.0的地震至少有3次，分别为1657年4月21日汶川6.5级、1958年2月8日北川6.3级和1970年2月24日大邑西6.3级地震；而东北段则无6级以上强震发生的记录（图1）（唐荣昌，韩渭宾，1993；国家地震局震害防御司，1995）.

2 汶川MS8.0地震后龙门山断裂带附近地应力场研究

2.1 原地应力测量结果

水压致裂地应力测量方法是国际岩石力学学会试验方法委员会建议的确定岩体应力的有效方法之一（国际岩石力学学会试验方法委员会，1988；Haimson，Cornet，2003）.2008年5月12日汶川8.0级地震发生后，于2009年10—12月在龙门山断裂带附近北川、江油地区3个钻孔中开展了水压致裂地应力测量，测量钻孔编号分别为ZK01、ZK02和ZK03，钻孔深度均为200m，钻孔位置见图1，各钻孔基本情况见表1，水压致裂地应力测量结果见表2.

表1 3个测量钻孔基本情况介绍Table 1 Information on the 3boreholes

2.2 震后龙门山断裂带附近地应力状态

1）3个主应力值之间的关系.在测试深度内，3个主应力的关系表现为SH＞Sh＞Sv，表明水平构造应力占主导作用.

2）最大水平主应力值分布特征.ZK01在85.50—178.50m深度内，最大水平主应力SH为3.86—10.66MPa；ZK02在58.00—195.00m 深度内，SH为2.78—7.07MPa；ZK03在77.00—193.00m深度内，SH为4.14—16.19MPa.在距断裂最近的ZK02位置，最大水平主应力值要明显低于距断裂稍远的ZK01和ZK03，呈现出随着距断层距离的增大而增加的趋势.

3）最大剪应力值分布规律.ZK01最大剪应力值为0.67—2.97MPa，平均为1.81 MPa；ZK02为0.04—1.76MPa，平均为0.88MPa；ZK03为0.89—5.54MPa，平均为2.52MPa.在距离龙门山中央断裂最近的ZK02，最大剪应力平均值最小，随着距断裂带距离的增大，最大剪应力也有增加的趋势（图2c）.这种变化趋势一定程度上与Zoback和Roller（1979）及Zoback等（1980）在圣安德烈斯断层附近得到的最大剪应力的变化趋势（图2a），以及李方全等（1982）、李方全和刘光勋（1986）在郯庐断裂带附近得到的结果较为类似（图2b）.

图2c显示的龙门山断裂带附近最大剪应力分布形态与图2a，b显示的略有不同.作者

认为是由于ZK01位于龙门山山前断裂的下盘，距离山前断裂较近，其剪应力值有所降低.这种现象在郯庐断裂带附近的青岛和宿县两个测点中也有所体现.

表2 3个测量钻孔水压致裂地应力测量结果Table 2 Results of hydraulic fracturing measurements at the 3sites

图2 圣安德烈斯断层附近（a）、郯庐断裂带附近（b）和龙门山断裂带东北段（c）最大剪应力分布横坐标为测点距断层的垂直距离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）最大水平主应力方向.3个钻孔中得到的最大水平主应力方向为N33°—87°E，受钻孔所在地形、岩性差异等因素的影响，最大水平主应力方向较离散；排除浅部结果（约80 m以上），最大水平主应力方向介于N53°—87°E之间.该结果与龙门山断裂带东北段右旋走滑方式为主的运动特征所反映的力学机制较相符.

3 汶川MS8.0地震对断裂带附近地应力环境影响初探

3.1 研究思路

基于汶川MS8.0地震在研究区内产生的断层错动位移资料，运用线弹性有限元数值模拟方法，计算得到了由断层错动位移所产生的附加应力场；依据附加应力模拟结果，结合ZK02和ZK03震后地应力实测结果，运用弹性力学中的基本公式，推算了ZK02和ZK03钻孔在同等深度上震前主应力分布特征；最后通过对比分析，讨论了汶川MS8.0地震对龙门山断裂带附近地壳浅表层地应力场的影响.

1）震前ZK02和ZK03位置初始应力状态（未知）.建立平面直角坐标系x′oy′.其中，x′正方向与正东方向一致，y′正方向与正北方向一致.设在直角坐标系x′oy′下，地震前ZK02和ZK03在200m深度内的最大、最小水平主应力分别为σbmax，σbmin，最大水平方向与坐标轴x′正方向的夹角为θ0，二维平面应力状态下的初始应力张量表示为

2）ZK02和ZK03位置附加应力状态（由数值模拟得到）.假设大震前断裂附近初始应力场连续，大震活动产生的断层错动位移势必会对初始应力场产生影响.由断层错动位移产生的对初始应力场的影响量或调整量我们称之为附加应力.设该附加应力在直角坐标系x′oy′下，ZK02和ZK03在200m深度内最大、最小水平主应力分别为Δσmax，Δσmin，最大水平方向与坐标轴x′正方向的夹角为θ1，二维附加应力张量表示为

3）震后ZK02和ZK03位置应力状态（由地应力实测结果计算得到）.在直角坐标系x′oy′下，设ZK02和ZK03位置在200m深度内震后最大、最小水平主应力分别为σamax，σamin，最大水平方向与坐标轴x′正方向的夹角为θ2（注：σamax，σamin和θ2为已知量，且σamax＝SH，σamin＝Sh），震后二维应力张量为

4）震前ZK02和ZK03位置初始应力张量求解.根据关系式“初始应力张量（震前）＋附加应力张量＝新应力张量（震后）”，可得

由式（4）可求出ZK02和ZK03位置对应深度段上震前应力张量σ，再根据式（5）、式（6）和式（7），则可计算出汶川MS8.0地震前ZK02和ZK03在同等深度上的最大、最小水平主应力及最大水平主应力方向为

5）对比分析.通过对比两钻孔的地应力推算结果（震前）与实测结果（震后），可初步讨论汶川MS8.0地震对断裂附近地壳浅表层地应力环境的影响.

然而，按照上述思路分析，还需满足一定的假设或限定：

1）水压致裂应力测量方法假设3个主应力（σ1，σ2，σ3）中两个主应力为水平，另外一个为垂直，大小近似等于上覆岩石自重，故本文认为大震前后垂直主应力没有发生变化，只计算两个水平主应力及在该平面应力状态下的应力张量.

2）文中有限元数值模拟得到的附加应力张量是三维的，而所有的应力张量计算均为二维.因此，只有附加应力模拟结果中两个主应力（最大、中间主应力）均为水平或近水平时，才能近似用三维附加应力结果中的二维应力张量参与式（4）的计算.

3）为便于计算，在直角坐标系x′oy′下，对截面上的正应力和剪应力做如下规定：正应力均以压为正，拉为负；剪切应力以使微元体或单元体产生顺时针方向转动时为正，反之为负.

3.2 断层错动位移引起附加应力场模拟研究

1）三维有限元地质体模型.以1∶50 000DEM图为基础，取ZK02和ZK03所在位置周围约42km2的区域作为三维地质模型的范围 （模型东西长7km，南北宽约6.1km）（图3a）.ZK02和ZK03的连线近似垂直于龙门山中央断裂的走向.由于地质条件比较复杂，在三维地质体建模过程中进行了简化.主要包括：①由于两个地应力测量钻孔位于龙门山中央断裂的下盘，故模型中只考虑了龙门山中央断裂的下盘（图3a）；②将龙门山中央断裂作为一个面处理，断裂面总体走向N40°E，倾向NW，倾角约60°（中国地震局监测预报司，2009）；③ 在模型中不考虑地层和岩石物性随深度的变化；④ 模型的下表面仅取－1 500m高程面；⑤ 参考室内岩石物理及力学性质实验结果，我们对模型中两种不同的介质参数取值如下：

图3 三维有限元模型（a）和有限元网格划分（b）Fig.3 Three-dimensional finite element model（a）and division of the finite element mesh（b）

ZK02所在岩体：弹性模型E＝18 200MPa，泊松比ν＝0.22，ρ＝2 650kg／m3.

ZK03所在岩体：弹性模型E＝20 000MPa，泊松比ν＝0.21，ρ＝2 700kg／m3.

本次三维有限元模型采用4面体4节点单元，共划分单元229 842个，节点个数48 719（图3b）.

2）约束条件.对模型北侧和南侧边界y方向的位移进行约束，对模型东侧和西侧边界x方向的位移进行约束，对模型下界面即－1 500m高程面的z方向的位移施加约束.

3）载荷条件.汶川MS8.0地震造成的地表主破裂带显示，在ZK02和ZK03所在的北川县桂溪乡凤凰村一带，地表主破裂带错断乡村公路，水平位移至少为3.0m，垂直位移约为2.5m，断层运动性质为右旋－逆冲（徐锡伟等，2008）.在计算过程中，沿断层走向和倾向分别给断层面施加3.0m的走滑分量和2.5m的逆冲分量（图3a）.

图4 附加应力场中最大主应力分布（ZK02—ZK03剖面）Fig.4 Distribution of the maximum principal stress among the additional stress near the fault（ZK02—ZK03profile）

4）附加应力分布特征（ZK02和ZK03位置）.① 最大主应力分布：在200m深度范围内，ZK02处为11.37—15.66MPa（图4），方向为N70°W（图5a）；ZK03处为6.80—7.80MPa（图4），方向为N65°W（图5b）.两钻孔位置最大主应力均为拉应力，且为水平，因此，该最大主应力可近似代表二维附加应力场中的最大水平主应力Δσmax.② 中间主应力分布：在200m深度范围内，ZK02处为1.70—2.64MPa；ZK03处为3.83—4.12MPa（图6），均为拉应力（图5），且倾角均小于15°，近似水平，故可用该中间主应力值近似代表二维附加应力场中的最小水平主应力Δσmin.

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

5）ZK02和ZK03位置二维附加应力张量模拟结果.由模拟结果可得到ZK02和ZK03中不同深度段上二维附加应力张量（表3）.为合理对比试验数据，我们只选取两个钻孔中已做定向印模试验深度段上的应力张量（ZK02中共5段，ZK03中共3段）.

图6 附加应力场中间主应力分布（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位置附加应力分量模拟结果Table3 Simulated additional stress components at various depths of the holes ZK02and ZK03

3.3 ZK02和ZK03位置震后二维应力张量求解

已知受力物体内某点A处于平面应力状态，已知应力分量为σx≠0，σy≠0，τxy≠0，σz＝0，τxz＝0，τyz＝0，根据二维平面应力张量坐标转换方程（8）、（9）、（10），可求得任意方向x′（与坐标轴x正方向夹角为θ，θ角以x轴正方向为起始线，逆时针取正，顺时针取负）（图7a）上的正应力σx′和切应力τx′y′（石耀霖，2004）.

建立平面直角坐标系xoy.其中，x正方向与两钻孔得到的最大水平主应力方向一致，y正方向与最小水平主应力方向一致（图7b）.已知应力分量为，，和＝SH，＝＝Sh，＝＝0），由二维平面应力张量坐标转换方程（8）、（9）、（10）可计算ZK02和ZK03在平面x′oy′上的各深度段的应力张量值和τ（表4）.由关系式＋＝＋可验证表4中的计算结果是正确的.

图7 平面直角坐标系（a）及应力分量（b）Fig.7 Plane Cartesien coordinates（a）and stress components（b）

表4 ZK02和ZK03位置震后应力分量计算结果Table 4 Calculated stress components at ZK02and ZK03（after Wenchuan MS8.0earthquake）

3.4 ZK02和ZK03位置初始（或震前）应力张量及主应力计算

根据式（4）—（7）可计算出ZK02和ZK03在对应深度段上的二维初始应力张量值，最大、最小水平主应力值，以及最大水平主应力方向（表5）.由关系式σbx′＋σby′＝σbmax＋σbmin可验证表5中初始最大、最小水平主应力的计算结果是正确的.

表5 ZK02和ZK03位置初始应力分量及水平主应力计算结果Table 5 Calculated initial horizontal stress components and horizontal principal stress at ZK02and ZK03

由表5可得到汶川MS8.0地震前龙门山断裂带附近浅表层地应力分布特征：

1）3个主应力值之间的关系.3个主应力的关系表现为σbmax（最大水平主应力）＞σbmin（最小水平主应力）＞σbv（垂直应力），与震后相比无变化.

2）最大水平主应力值分布规律.ZK02最大水平主应力σbmax为16.77—19.08MPa；ZK03为11.18—15.50MPa.距断裂最近的ZK02最大水平主应力值明显高于距断裂距离稍远的ZK03，呈现出随着距断层距离的减小而增加的趋势.

3）最大剪应力值分布.在ZK02中，初始最大剪应力τbmax在80—150m范围内为6.43—7.90MPa，平均为7.27MPa；在ZK03中，约77—106m 范围内为4.33—6.35 MPa，平均为5.23MPa.此结果显示出越靠近断裂，最大剪应力值越高的趋势.最大剪应力的这一分布态势与郭啟良等（2009）的研究结果和认识一致.

4）最大水平主应力方向.计算得到北川、江油地区震前的最大水平主应力方向约为N67°—88°W，即WNW－－EW向（表5）.该结果与龙门山地区构造应力场的主压应力方向基本吻合（刘光勋等，1986；崔效锋，谢富仁，1999；谢富仁等，2003；安其美等，2004），与汶川MS8.0地震的震源机制解的P轴方向（WNW），以及4.7级以上多数余震震源机制解P轴方位（N60°—70°W）比较一致（胡幸平等，2008；郑勇等，2009；崔效锋等，2011）.该方向同样有利于研究区域内该段断裂带产生的右旋走滑活动.

3.5 汶川MS8.0地震对龙门山断裂带附近浅表层地应力环境的影响

1）对初始最大水平主应力值的影响.受断层错动位移引起的附加应力的影响，龙门山断裂带附近北川、江油地区的初始最大水平主应力值有所降低，越靠近断裂带，初始最大水平主应力的降低值也越多（图4、图8）.

图8 ZK02和ZK03位置初始最大水平主应力（SH）降低值比较（h＜200m）Fig.8 Contrast of decreased initial maximum principal stress between ZK02and ZK03（h＜200m）

比较ZK02与ZK03地震前后最大水平主应力值（表2、表5），还可以明显看出，在相同位置上，震前断裂带附近最大水平主应力高度集中，震后该值又大幅降低.此外，距断层不同位置处最大水平主应力值在地震前后的分布规律也有明显差异.表现为：震前，最大水平主应力值与断裂垂直距离呈反比的趋势；震后，最大水平主应力值与断裂垂直距离呈正比的趋势.

2）对最大剪应力的影响.发震断裂附近最大剪应力值在地震前后的分布规律有明显差异.表现为：震前，最大剪应力与断裂垂直距离呈反比的趋势；震后，最大剪应力与断裂垂直距离呈正比的趋势.

3）对初始最大水平主应力方向的影响.在ZK02和ZK03位置，计算得到的震前最大水平主应力方向平均约为N73°W；震后地应力实测得到的最大水平主应力方向介于NNE－－ENE之间，优势方向为N53°—65°E，平均约为N58°E，与震前相比逆时针偏转了约49°.

4 讨论与结论

汶川MS8.0地震发生约1年后，地应力测量结果显示断裂带附近最大水平主应力方向与区域构造应力场方向存在明显的差异，对产生该差异的解释不同学者的观点也不尽相同.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带的最北端有相当一部分4.7级以下余震的P轴方向为ENE，认为可能是由于汶川地震主断裂上除了发生余震外，同时引发了某些未知的NNW走向的次级小断裂活动（崔效锋等，2011）.本文研究区ZK02和ZK03位置测量得到的最大水平主应力方向（NE－－ENE）与该类余震的震源机制解P轴方位比较一致，因此，不排除研究区附近隐伏的NNW向次级小断裂活动对浅表层应力环境的影响.此外，还有研究认为，岷山隆起可能对来自西侧的中下地壳软流层物质起阻挡作用，使其发生北东方向分流.其上部的上地壳物质也发生了同方向的运动，从而应力方向由NW向NE转换.而远离岷山隆起带的区域，应力方向又逐渐趋于NW向，在中央断裂的北川县—南坝镇段主应力方向为NE－－ENE（刘健等，2012）.该观点也值得进一步商榷.本文根据地震活动产生的附加应力场对初始应力场的影响，认为造成该差异的原因主要是大震活动使得主压应力方向在震后发生偏转.

通过对比龙门山断裂带附近北川、江油地区两钻孔地震前后的地应力分布特征，可以得出如下结论：

1）在断裂带附近地壳浅表层，3个主应力的关系在地震前后均表现为SH＞Sh＞Sv（或σbmax＞σbmin＞σbv），显示出研究区域内水平构造应力作用占主导.

2）在断裂带附近相同位置上，最大水平主应力值在大震前后分别呈现出高度集中和大幅降低的现象.

3）在断裂带附近不同位置上，最大水平主应力和最大剪应力值的分布规律在地震前后均表现出明显差异：震前，最大水平主应力和最大剪应力值与断裂垂直距离呈反比的趋势；震后，最大水平主应力和最大剪应力值与断裂垂直距离呈正比的趋势.

4）大震发生约1年后，断裂带附近北川、江油地区地壳浅表层构造应力场的优势方向为NE－－ENE，与震前相比，逆时针偏转了约49°.

然而，相对于汶川MS8.0地震震源深度，本文研究区中地应力测量钻孔的深度较浅，用地壳浅表层的地应力测量结果分析构造应力场、解释地震等现象难免存在片面性；在断层错动位移引起的附加应力场模拟计算中所采用的本构关系、地质模型及施加载荷条件等与实际情况难免存在差异，且整个过程属于静态模拟，也并没有考虑大震后大量余震活动对断裂带附近应力场的影响.此外，已有认识表明，大震活动对发震断裂及附近地区浅表层最大水平主应力的影响往往具有时间效应，随着时间的逐渐推移，主压应力方向会逐渐趋于区域构造应力场的方向.因此，本文中分析得到的一些认识和看法也有待于以后更多全面研究资料的检验，也需要更深入地分析，在此也衷心地欢迎各位专家、学者批评指正.

衷心地感谢中国地质科学院地质力学研究所王连捷研究员对本文中数值模拟工作提供的帮助和指导；感谢中国地震局地壳应力研究所安其美高级工程师、崔效锋研究员、李宏研究员对本文提出的建议.

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