龙门山断裂带区域现代构造应力场与汶川MS8.0地震力学成因探讨

张红艳

（中国地震局地质研究所，北京100029）

的方位向形变直接获取玉树地震同震三维形变场。从垂直分量图中可知，南西盘有两个形变沉降中心，其一位于地表主破裂附近，形变量较大，垂直沉降达23cm；另一个形变沉降中心位于断层北东端，位置与2010年4月14日MS6.1余震震中重合，该处余震的形变影响可能较大。从水平分量可以看出左旋走滑特征。结合玉树地震左旋走滑震源机制分析，运动方向前端处于应力集中区，介质发生抬升运动；运动方向尾端为应力拉张区，介质发生沉降运动，整体垂直形变场与此次玉树地震运动性质较为吻合。同时，由于玉树地震运动模式及垂直形变成因的复杂性，左旋走滑震源机制断层南西盘靠近断层区域附近出现较大面积的沉降区，结果的可靠性及具体成因尚需综合其他资料进行更详细分析。

（5）联合PSInSAR与GPS震间微小三维形变场模型，获取海原断裂带现今运动形变特征。

关键词InSAR；联合解算；三维形变场；汶川地震；玉树地震；海原断裂带 龙门山断裂带；水压致裂；油田应力资料；断层滑动；地表破裂同震位移；震源机制解；断层强度；地震危险性；构造应力变化特征；构造模式；刚性块体模式

采用PSInSAR方法获取了海原断裂带视线向地表微小形变量，并依据插值算法，结合GPS水平形变观测，获得了研究区三维形变场信息。结果表明：形变场较好地反映了该地区断裂的运动形变，水平方向形变沿北西西方向，最大东西向形变为6.2mm，并沿断层两侧有梯度差异，断裂南侧形变量大于北侧形变，断裂呈左旋走滑。三维形变场同时还获取了垂直向分量，最大2.6mm，最小－1.6mm，断层两侧形变方向不同，南侧抬升，北侧沉降，说明断裂兼具有倾滑形变。

（作者电子信箱，郭利民：lim＿guo@hotmail.com）

龙门山断裂带区域现代构造应力场与汶川MS8.0地震力学成因探讨

张红艳

（中国地震局地质研究所，北京100029）

2008年5月12日发生在龙门山断裂带上的8.0级特大地震引起了国际地球科学界的广泛关注。地震发生后，综合已有的地震地质、地球物理与形变测量资料，国内外学者提出了“刚性块体挤出”、“下地壳管道流”、“多单元组合”等多种模式解释汶川地震的力学成因。在构造应力场方面，许多学者从构造地质、地震活动、地应力测量等方面对龙门山断裂带的区域构造应力场进行了研究，获得了许多新的认识和资料，并大体上确立了人们对龙门山区构造应力场的初步认识：区域构造应力场以近EW向挤压为主要特征，区域内应力环境较为复杂。但已有的研究成果都是利用单一类的应力数据从某个单一的侧面或者只是对龙门山断裂带的局部段落和某一特定深度的构造应力状态进行了研究，而对龙门山区域构造应力场从南到北、从东到西、从浅到深的空间分布具有怎样的非均匀分布特征尚未做过系统、详细地研究；龙门山断裂带沿线的断层强度与应力量值具有怎样的变化规律？龙门山断裂带不同段落目前的地震危险性如何？汶川地震的力学成因从区域构造应力场的角度去研究，有何新的

观点？这些问题都是前人缺乏研究的。因此，研究龙门山断裂带区域现代构造应力场的非均匀特征及其与汶川地震力学成因之间的关系，有助于认识青藏高原东缘的构造变形特征与动力作用过程；龙门山断裂带断层强度的研究，对该区地震危险性的判定具有重要的参考意义和实用价值。

本文综合利用原地应力测量、石油勘探、地表破裂同震位移、断层滑动和震源机制解等多种应力资料，研究龙门山断裂带及其区域的构造应力变化特征、断裂带的断层强度及其地震危险性分析。在此基础上，探讨龙门山断裂带的构造应力变化特征与汶川8.0级地震力学成因之间的关系，提出汶川地震的构造模式和可能的力学成因模式。通过上述研究，论文获得了如下主要认识：

（1）利用青藏高原东缘的中强震震源机制解，通过反演计算获得了龙门山应力区及其周围应力区的构造应力变化特征。反演计算结果表明：龙门山应力区的构造应力特征表现为近EW向挤压、近NS向拉张的走滑型应力结构；其西侧巴颜喀拉应力区表现为NEE－SWW挤压、NNW－SSE向拉张的走滑型应力结构；其东侧的华南应力区表现为NWW－SEE向挤压的逆断型应力结构；其北侧的柴达木—西秦岭应力区为NEE－SWW向挤压的逆断型应力结构；其南侧的川滇应力区为NW－SE向挤压、NE－SW向拉张的走滑型应力结构。区域构造应力场方向，在横向上，是从巴颜喀拉块体到龙门山块体再到华南块体，最大主压应力方向呈顺时针方向旋转；在纵向上，从柴达木—秦岭块体到龙门山块体再到川滇块体，亦表现为顺时针方向旋转。龙门山及其周围区域构造应力方向在不同块体之间发生转向，与汶川MS8.0地震地表破裂带在龙门山推覆构造带上引起11m地壳缩短量和9～10m龙门山区隆升的现象均表明，位于青藏高原东缘巴颜喀拉块体和四川盆地之间的龙门山断裂均受到了强烈的挤压。

（2）利用多种应力资料，通过反演计算获得了龙门山断裂带的断层强度及其构造应力变化特征。

①论文利用汶川地震震后位于龙门山断裂带上及其两侧的17个水压致裂钻孔数据以及12个油井资料的应力数据，通过计算获得了龙门山断裂带和四川盆地的断层强度。其中，断裂带中段的摩擦系数为0.13～0.47，断层强度最弱，汶川地震后释放了较多的应力积累，地震危险性水平较低；但映秀测点的摩擦系数为0.40，断层强度仍处于较强水平，地震危险性较高，2013年4月20日芦山7.0地震的发生，是汶川地震应力积累再次释放的可能原因；断裂带北段的摩擦系数为0.31～0.50，断层强度略高于中段，地震危险性水平稍高于中段；断裂带南段的摩擦系数为0.33～0.68，表现为持续升高的趋势，断层强度较中段和北段最强，地震危险性系数最高。另外，与龙门山断裂带近乎垂直的3条横剖面的断层强度计算结果显示：近断层或断层上的摩擦系数较低，远离断层处的摩擦系数较高，表明活动断裂带上储存应变能的能力较弱，断裂带的活动使得构造应力得以释放而不能积蓄，从而导致断裂带上的断层强度要低于断裂带远场的区域正常构造应力作用水平。

②论文通过两次野外调查，对龙门山断裂带上的17个断层滑动观测点位的断层擦痕数据进行了反演计算，与汶川地震震后科考获得的构造应力张量结果共同显示：前山断裂上的8个测点（C、G、H、16、18、25、31、33）断层滑动数据反演的构造应力张量结果在应力结构上3个是走滑型，其余5个为逆断型，应力方向除16号测点最大主压应力方向为NW－SE向（139°）外，其余测点均显示出较好的一致性，为NWW－SEE向或近EW向的挤压，表明前山断裂的运动性质以逆冲运动为主，构造应力状态为近EW向的挤压。后山断裂的汶川—茂县

段，两个断层滑动观测点位反演的构造应力张量结果具有较好的一致性，最大主压应力方向均为NW－SE向的挤压，应力结构均为逆断型，表明后山断裂汶川—茂县段处于NW－SE向的挤压构造应力环境中。中央断裂的映秀—北川段，11个观测点位（1、2、3、6、7、8、9、10、12、E、F）的断层滑动数据反演的构造应力张量结果显示，具有3类不同的应力结构，其中逆断型有7个，走滑型有1个，其余3个为正断型；尽管应力结构有所不同，但这11个构造应力张量结果反映的最大主压应力方向表现为较好的一致性，均为近EW向的挤压，表明中央断裂带的映秀—北川段以逆冲运动为主兼有一定的走滑分量。北川—青川段，构造应力张量结果显示，该段为近EW向挤压和近NS向拉张的走滑型应力结构，表明映秀—北川断裂大致从北川往北，构造应力状态表现为以右旋走滑运动为主兼有一定的逆冲分量。

③利用汶川地震在映秀—北川断裂、灌县—江油断裂上产生的大量地表破裂同震位移资料，结合地表破裂带不同构造段断层的几何结构参数，利用改进后的滑动拟合法对映秀—北川、汉旺—白鹿、小鱼洞3条地表破裂带上的同震位移数据进行了反演计算，计算结果显示：北川—映秀地表破裂带南段，映秀、虹口、龙门山镇、清平4个次级地表破裂带反演的构造应力张量结果在应力方向上均表现为近EW向的挤压，应力结构为逆断型；中间过渡段的高川—茶坪阶区，高川、茶坪2个次级地表破裂带的反演结果延续了南段的特征，在应力方向上也呈现近EW向挤压，应力结构仍表现为逆断型；北段的北川、平通、南坝、水观4个次级地表破裂带反演的构造应力张量结果较南段与过渡段均有变化且略显复杂。北川次级地表破裂带又分为擂鼓和北川北。北川北次级地表破裂带的断层倾向与其以南的段落不同，出现了朝SE向的反倾，断层性质也由之前的逆冲变为正右；垂直位移与走滑位移均很大，一半以上测点的走滑位移超过了垂直位移，这是北川—映秀地表破裂带上构造应力状态由逆断转变为走滑的起点。擂鼓与平通次级地表破裂带，断层走向变化复杂，最大主压应力发生了一定的偏转，表现为NNE－SSW向的挤压；垂直位移大于水平位移，是产生逆冲运动的主要原因，应力结构表现为以逆断为主兼有一定的走滑分量。南坝、水观2个次级地表破裂带的反演结果延续了北川北的基本特征，在应力方向上表现为近EW向的挤压和近NS向的拉张，应力结构为走滑型。汉旺—白鹿地表破裂带，通济、白鹿、八角、沙坝、汉旺5个次级地表破裂带反演的构造应力张量结果，除沙坝段的最大主压应力方向为NNW－SSE（152°）外，其余4个次级地表破裂带的最大主压应力方向均表现为近EW向的挤压；5个次级地表破裂带的应力结构具有较好的一致性，均为逆断型应力结构，无明显的右旋走滑分量，表明该地表破裂带表现为由NW向SE的纯逆冲作用。小鱼洞地表破裂带，其南段与北段反演的构造应力张量结果在应力方向上均为近EW向的挤压，在应力结构上前者表现为带有微量左旋位移的走滑型，后者为纯逆冲型；中段的应力结构也为纯逆冲型，但最大主压应力方向为NNW－SSE向（146°），与南、北两段的近EW向挤压存在50°左右的偏转。因小鱼洞地表破裂带整体呈S型展布，其中段断层的走向多为近NS向，不同于南、北两段的NE或NW向。因此，推测断层的不同展布、产状的变化及运动方式的改变是构造应力发生转向的可能原因。同震位移资料反演的构造应力张量结果较好地揭示了汶川地震经历的两次破裂过程。第一次破裂过程以逆冲运动为特征，从震源处沿着中央断裂带往北传播，经小鱼洞NW向断裂的阻挡，往北分映秀—北川、汉旺—白鹿两支地表破裂带分别进行，往北传递过程中因不断产生地表破裂地震波能量不断衰减，使得中央断裂上北川以北段逆冲分量不断减弱；第二次破裂过程以右旋走滑运动为特征，地震波在第一次破裂的基础上经映秀—北川地表破裂带的南段快速传递至北

川，此次并没有分出另外一支传递至汉旺—白鹿地表破裂带，而是沿着中央断裂带从北川往北进行第二次右旋走滑运动为特征的破裂过程，且此次地震波的大部分能量在映秀—北川南段因先存有第一次破裂而快速传播，故损耗不大，至北川往北进行再次右旋走滑破裂过程能量不断衰减，直至接近青川处终止破裂。

④对汶川地震序列经过重新定位后的2 020个余震震源机制解数据，利用格点尝试法进行计算，获得了龙门山断裂带上同震时期的构造应力变化特征：在0＜D≤5km深度，从映秀南端至高川—茶坪—北川的整个南段，除了映秀—虹口段的最大主应力方向为NEE－SWW外，其余各段的最大主应力方向均位于84°～97°，构造应力方向总体表现为近EW向的挤压；从平通至南坝北端的整个北段，构造应力方向总体表现为NE－SW向的挤压；挤压应力方向从南段到北段呈现约40°的逆时针旋转。在5＜D＜15km深度，整个南段的构造应力方向表现为NWW－SEE向或近EW向的挤压，映秀—虹口段的最大主压应力方向仍为NEE－SWW向；整个北段的构造应力方向表现为近EW至NEE－SWW向的挤压；挤压应力方向从南段到北段呈现约35°的逆时针旋转。在D≥15km深度，南段总体的构造应力方向表现为NWWSEE向至近EW向的挤压；北段的构造应力方向总体表现为近EW至NEE－SWW向的挤压；最大主压应力方向从南段到北段亦呈现约40°的逆时针旋转；但在这一深度内，在龙门山镇段和高川—茶坪—北川段，其最大主压应力呈现NNW－SSE向的挤压，与0＜D≤5km和5＜D＜15km所呈现的近EW向的挤压方向存在较大偏差，这可能与龙门山镇段刚好包括了小鱼洞这一NW向断层以及高川—茶坪—北川段刚好包括了断层产状复杂多变的擂鼓段有关。

（3）龙门山断裂带构造应力的非均匀特征显示：龙门山断裂带的中段，最大主压应力方向总体表现为NWW－SEE向至近EW向的挤压；龙门山断裂带的北段，最大主压应力方向总体表现为近EW向至NEE－SWW向的挤压；构造应力方向沿断裂带走向从南至北呈现约35°～40°的逆时针旋转。由龙门山区域活动断裂展布、组合、运动方式与构造应力作用的关系，该区符合剪切断裂带上反“S”型左旋挤压构造模式，其西北侧的鲜水河断裂与东南侧的则木河断裂贯通组成左旋走滑断裂带上的反“S”结构，形成一个构造挤压区，发育一系列与挤压、剪切作用相关的断裂构造组合，在区域总体近EW向的挤压构造环境下，挤压区内北东向的龙门山断裂与龙日坝断裂呈现逆冲兼右旋走滑性质，北北西向的岷江断裂与虎牙断裂呈现逆冲兼左旋走滑性质；挤压区内的构造应力场受断裂结构的影响及其东侧坚硬块体——四川盆地的阻挡，其主压应力方向相对其外围区域发生了一定角度的偏转。

从构造应力特征与地壳耦合性来看，龙门山断裂带上、下地壳构造应力方向变化特征的总体一致性表明，上、下地壳耦合较好，龙门山断裂带似乎以整个“刚性块体”的模式逆冲到四川盆地之上，但擂鼓、平通、沙坝等局部段落最大主压应力方向发生偏转的现象，表明上、下地壳并不是完全一致的耦合。至于这种局部段落发生的应力转向现象，是与区域活动断裂的展布、组合及运动方式有关，还是由于下地壳管道流的存在而成为上、下地壳解耦的原因，单一的力学成因模式难以全面解释汶川地震所有的地学现象。

中图分类号：P315.1；

文献标识码：A；

doi：10.3969/j.issn.0235－4975.2015.08.009

（作者电子信箱，张红艳：zhy0720@126.com）