龙门山断裂带南北活动差异及复杂构造建模——基于地表破裂带和中小震精定位

姚 琪

（中国地震局地质研究所，北京 100029）

龙门山断裂带南北活动差异及复杂构造建模
——基于地表破裂带和中小震精定位

North－－south segmentation and structural modeling of Longmenshan faults——Based on surface rupture zone and small earthquake relocation of Wenchuan M8.0earthquake

姚 琪

（中国地震局地质研究所，北京 100029）

位于青藏高原东缘的龙门山断裂带一直以来是研究青藏高原隆升、四川盆地含油气构造演化、南北地震带地震危险性分析的重点地区，对新构造运动、油气勘探、地震研究均有重要意义。自从汶川地震在龙门山断裂带上发生以来，各研究领域的专家利用已有的资料，基于各自对龙门山断裂带构造的认识，对该地震的发震构造问题开展了广泛的讨论，提出了多种发震构造模式，但大部分仅提出了一个或是几个二维的发震构造剖面，部分三维发震构造模型也仅是不考虑断层相互切割关系的简单化的有限元模型，且部分模型仅仅是提出了起始破裂处的发震模型。鉴于汶川地震长达240km的地表破裂带，仅建立局部地区的构造模型是远远不够的，而汶川地震地表破裂带和中小震精定位结果、震源机制解均表明龙门山断裂带的构造存在较大的南北活动的差异。因此，研究地震发生和传播机制需要建立整个龙门山断裂带的复杂三维构造模型。

目前，大部分的二维发震构造模型的基础是石油系统的人工地震勘探剖面，但是由于龙门山断裂带位于山区，布设测线不易，目前只有垂直龙门山断裂带走向的测线（主测线），缺乏平行于龙门山断裂带的测线（连络线），且各测线相距较远，因此对人工地震勘探剖面的解释过程中，无法对比联系各剖面的相位，造成了各剖面之间的孤立，也造成了对同一剖面不同的人有不同的解释。此外，人工地震勘探深度仅10km，远小于汶川地震主震的深度，也就是说，在10～20km及以下，仅有一些深地震反射、P波/S波层析成像、大地电磁测深等粗略的资料，精度远没有达到构建复杂构造建模的要求。因此，目前已有的发震构造很大程度上是建立在推测的基础上的。这导致了目前对发震构造模型大量的争议。

波形反演模拟（陈运泰等，2008）显示，汶川地震破裂过程涉及到了多个断层的活动，因此发震断层并非单一的平面，而是由多个断层面组合而成（张勇等，2009）。汶川地震地表破裂带的分布也显示发震断层由多个断面组成，各个断面在地表显示相互连接，断面之间存在着捩断层、断层阶区等断裂间的作用。因此，在利用二维的发震构造剖面来构建龙门山断裂带三维构造模型时，必须要考虑断片之间的关系。目前人们建立的三维模型多为有限元模型，并未考虑断裂带不同段落、不同断层面之间的相互关系及活动差异，仅将北川－映秀断裂带作为一个完整体断面来处理，并仅建立灌县－江油断裂具有地表破裂带段落的模型，且不考虑北川－映秀断裂带与灌县－江油断裂带之间的相互关系（王卫民等，2008；Shen et al.，2009；万永革等，2009）。

汶川地震的主震、地表破裂带、中小震精定位成果及震源机制解为研究断面之间的相互作用和复杂构造三维建模提供了重要的参考资料。将美国地质调查局发布的地震震中位置（31.01°N，103.38°E）和地震震源深度（～19km）投影在地质图上，发现主震震中位置位于映秀断裂上盘约20km处（震中位置的误差为±5km）。如果按震源深度19km将震中投影在深度剖面上，那么对汶川地震发震构造的认识就取决于龙门山主要断裂带的深部几何形态（卢华复等，2008）。

地表破裂带的位移显示，沿灌县－江油断裂带的位移均为垂直位移，且在白鹿、八角等地具有较高的垂直位移。而沿着北川－映秀断裂带的地表破裂显示出了复杂的位移分布，映秀是垂直位移的起始点，在虹口，垂直位移达到一个峰值，并以较平缓的速度向北减少，而至北川，垂直位移达到最高，之后以较快的速度下降，与此同时，自北川开始，水平位移逐渐增大，在平通达到峰值，且向北缓慢减少。与地表破裂带相对应，中小震的震源机制解表明，发生在龙门山推覆构造带中段北川－映秀断裂带西南端，以逆冲推覆为主，向NE方向扩展，逆冲推覆作用逐渐减弱，走滑运动逐渐加强，在北川以北地震破裂转为以右旋走滑运动为主（张勇等，2009）。

沿着灌县－江油断裂带的地形剖面显示，白鹿的地表高程是最高的，且高程自白鹿向北迅速减少，在八角汉旺一带趋于平稳，自汉旺以北迅速减少，即地形剖面与地表破裂带基本一致。沿着北川－映秀断裂带的地形剖面则显示，自映秀开始，地表高程开始逐渐升高，在龙门山镇附近达到地表高程最高值，并向北缓慢下降，其中北川和平通均为地表相对低值，而地形至南坝附近陡然升高。由此，可见地形与地表破裂带较为一致，显示龙门山断裂带晚第四纪以来的运动方式没有太大的变化，且指出了几个运动方式发生变化的拐点，分别是白鹿、八角、汉旺、映秀、虹口、北川、平通以及南坝。这几个拐点大部分是断裂主要段落的起始点。由此，在建模过程中需要考虑这几个点的位移变化。

目前，人们对龙门山断裂带的认识基本上已经达成一致，即龙门山断裂带是一前展式的逆冲推覆构造，但尚存的大量争议的发震构造则主要有以下几种：①断层相关褶皱模型。Xiwei Xu（2009）和Judith Hubbard ＆John H.Shaw（2009）分别利用断层相关褶皱理论推测了龙门山断裂带南中北段的发震构造。该模型建立了一个膝折断面模型，将灌县－江油断裂带作为被动断裂，在深部发育于北川－映秀断裂的下盘，且自南而北，灌县－江油断裂带的深度逐渐变浅。该模型另一个备受争议也是极其重要的一点是将龙泉山断裂作为底板断裂，与北川－映秀断裂在近于20km深处相连，是消减震后应力的一条重要断裂。② 铲状模型。该模型将北川－映秀断裂带及灌县－江油断裂带的断面统一为铲状，即曲线状，不存在膝折点，且灌县－江油断裂带在20km深处与北川－映秀断裂带相连，成为底板断层。多见于有限元模型。③ 北川－映秀断裂倾角陡直模型。上两个模型是基于USGS的汶川地震主震位置，即震中距北川－映秀断裂约20±5km，而该模型则是基于CDSN的震中位置，即震中距北川－映秀断裂约8.2km，而在龙门山断裂带自南而北，北川－映秀断裂的倾角均为自地表向深处不发生变化，即一直为70°左右，且在20km深处与呈铲状的灌县－江油断裂带相连。该模式虽然在位置上与CDSN所测定的震中位置一致，但该模型的运动方式及发震方式一直令人疑惑。

利用GOCAD软件和ArcGIS软件，基于地表破裂带及主要断裂的地表位置，分别建立了以上三种模型的三维构造模型。地表破裂带的走向变化、断裂不同段落形态的变化都会对深部断面的形态造成影响。从这三个模型上来看，断层相关褶皱模型因为有南段、中段及北段的剖面支持，断层形态变化最大。值得指出的是，该模型指出了同一破裂带上在非端点处的地表位移突变的成因，即与地表断裂走向变化相关，灌县－江油断裂带与北川－映秀断裂带的接触关系是复杂的，譬如在八角南端，灌县－江油断裂与北川－映秀断裂的距离，要大于八角北端，以此形成了八角处垂直位移的高值。

对汶川地震中小震精定位成果和以上三种模型中断面的空间位置进行统计分析，通过计算断层附近的中小震到断面的距离发现，在断层相关褶皱模型中，中小震往往与断层面有一定的距离，且并未集中在膝折带附近，而是集中在断面之间的断块中，而在北川－南坝段，即地表水平位移开始增大的段落，膝折型的北川－映秀断裂与中小震的位置表现出了最为紧密的状态，但龙泉山断裂与中小震的关系并不如模型中所认为的那么密切。在双铲状模型中，断层面与中小震的关系非常密切，自南向北，中小震几乎集中在断面上，但整个破裂带的中小震与断面的关系并没有南北分段性。在倾角陡直模型中，北川－映秀断裂仅龙门山镇－清平段与中小震关系最为密切。在这三个模型中，茶坝－林庵寺断裂与中小震的关系都不是那么紧密，这表示该断裂在汶川地震中并没有发生错动，震后也没有参与应力调整。

通过对龙门山断裂带地表破裂带的分布及中小震精定位分布的分析，可建立龙门山断裂带的复杂构造模型。龙门山断裂带具有鲜明的南北分段性，且断裂由多个断面组成，断面之间的相互作用与形态变化对该断裂带的构造具有重要作用。在龙门山断裂带南段，以逆冲为主，断面形态适应于逆冲，表现为铲状，而在龙门山断裂带中段，逆冲逐渐转变为走滑，断面形态由纯铲状逐渐变得平直，可能通过膝折的方式调节走滑，南坝以北，即龙门山断裂带北段，则表现为纯走滑，断面自高角度倾斜逐渐转换为近于直立。

�图分类号：P315.2；

A；

10.3969/j.issn.0235－4975.2010.06.019