四川省芦山M S 7.0地震发震构造分析

李传友 徐锡伟 甘卫军 闻学泽 郑文俊 魏占玉许 冲 谭锡斌 陈桂华 梁明剑 李新男

1)中国地震局地质研究所，活动构造与火山重点实验室，北京 100029

2)中国地震局地质研究所，地震动力学国家重点实验室，北京 100029

3)中国地震局地震预测研究所，地震预测重点实验室，北京 100036

4)四川省地震局，成都 610041

0 引言

2013年4月20日上午8时02分46秒四川西部龙门山地区再次发生强烈地震，造成196人死亡，21人失踪，11 470多人受伤，大量建筑物损毁和倒塌，并引发了大量滑坡等次生地质灾害。据中国地震台网测定，此次地震震中位于四川省雅安市芦山县龙门乡(103.0°E，30.3°N)，震级为MS7.0，震源深度13km。地震发生后短时间内，一些研究者即对这次地震的特征进行了分析，并对相关地震数据进行了处理与反演(刘杰等，2013;曾祥方等，2013;张勇等，2013)。这些基于地震应急需要的分析结果为我们认识该地震的特征提供了重要的信息和基础资料。

为了查明地震成因并判定未来地震趋势，地震发生当天就有多个部门派出多个科考队伍针对此次地震的发震断裂进行考察。虽然此次地震沿区内主要断裂发育了大量地表裂缝和滑坡等次生地质效应，但野外调查并没有发现真正意义上的地表破裂。同时，震中附近地区存在多条近于平行的NE向断裂，构造上较为复杂。因此，对于此次地震的发震构造，目前只是根据地震参数和地表地质效应获得了一些推测性认识。由于此次地震没有同震破裂在地表出露，一些研究者将此次地震定为盲断层型地震(徐锡伟等，2013)。但这一没有出露地表的发震构造究竟是哪条断裂，是离震中最近的构成前山断裂南段主体的大川－双石断裂，还是更靠东侧的火井－高何断裂和新开店断裂，或者芦山谷地内的隐伏断裂，仍然难以定论。由于此次地震的特殊构造位置，认识此次地震的发震构造，对于深入认识本次地震的成因和龙门山断裂带现今的活动性，以及龙门山地区未来地震危险性评估具有重要的理论和实际意义，同时也可为灾后重建和未来避震规划等提供科学依据。

为此，我们在地震应急野外考察的基础上，综合震区地质构造、GPS观测数据、地震参数、地震震源机制解以及余震分布等资料，讨论芦山7.0级地震的发震构造。

1 区域活动构造背景

图1 芦山地震震中位置及其周边主要断裂构造Fig.1 Map showing the location of the epicenter of the M S 7.0 Lushan earthquake and major faults around the epicenter.

芦山7.0级强烈地震发生在龙门山断裂带的西南段(图1)。龙门山断裂带是青藏高原东缘的一条著名的逆冲断裂带，在其中北段曾发生过2008年汶川8.0级地震。该断裂带是活动强烈的青藏块体与较稳定的华南块体之间的界线，总体走向30°～50°，倾向NW，倾角40°～70°，延伸长度约500km(邓起东等，1994;Burchfiel et al.，1995)。龙门山断裂带是一个巨大的复合型推覆构造带，由多条挤压逆冲断裂和多个推覆构造体组成，其中3条主要断裂从西往东依次为汶川－茂县断裂(后山断裂)、北川－映秀断裂(中央断裂)和灌县－江油断裂(前山断裂)(图1)。这3条断裂结构上呈叠瓦状，倾向NW，并可能在地下深处合并成1条缓倾角的逆断层(张培震等，2008)。龙门山断裂带生成于中生代，燕山期有重新复活的现象。新生代以来，受印度板块与欧亚板块碰撞作用影响的龙门山断裂带又发生大规模的逆掩推覆构造变形(陈社发等，1994;邓起东等，1994)。新生代变形中晚期，在以褶皱逆冲为特点的龙门山地区，走滑作用开始变得越来越重要，右旋挤压成为龙门山褶皱冲断带中北段变形的一部分(Burchfiel et a1.，1995)。龙门山断裂带晚第四纪以来主要表现为逆冲兼具右旋走滑运动特征，单条断裂的平均滑动速率在1mm/a左右(周荣军等，2006;Densmore et al.，2007;张培震等，2008)。2008年汶川8.0级大地震沿北川－映秀断裂和灌县－江油断裂分别产生了240km和70km的同震地表破裂(徐锡伟等，2008;张培震等，2008)。最新的研究结果显示，北川－映秀断裂和江油－灌县断裂距今约6ka以来发生过包括汶川地震在内的3次大地震事件，平均重复间隔时间约 3ka(Ran et al.，2013)。

关于龙门山断裂带晚第四纪以来的活动性，研究者认为东北段明显弱于中南段(唐荣昌等，1991;张培震等，2008)。如构成东北段主体的青川断裂，研究表明中更新世晚期以来的活动性不明显(李传友等，2004;杨晓平等，2008)，而在断裂带西南段的大川－双石断裂(前山断裂)上则发现了晚更新世活动的地质证据(杨晓平等，1999)。同时，与中段和北段鲜明对照的是，龙门山断裂带南段向SE的扩展并没有止于前山断裂，在山前一带也发生了较为强烈的冲断和褶皱变形(Burchfiel et al.，2008)。龙门山断裂带南段并不像其北段和中段那样具有3条较清楚的主干断裂，而是在前山断裂以东出露了若干条规模相对较小的NE向断裂，与前山断裂一起构成了一个相对复杂的构造系统。相比中北段，龙门山断裂南段新生代中晚期的变形历史更为复杂，其最新构造更多受到西南侧鲜水河断裂系统左旋走滑作用的支配(Burchfiel et al.，1995)。对于震中所在的芦山地区，构造以NE向为主，间有极少SN或NW向小型构造。芦山及其邻区褶皱构造极其发育，从西往东发育了宝兴复背斜和东侧的芦山向斜、石仙山背斜、下里向斜、蒙顶山背斜等。极震区位于NE向的芦山向斜内。该向斜主要由白垩纪与新生代地层组成，两翼岩层相向倾斜，翼部两侧分别为大川－双石断裂和新开店断裂(大邑断裂南段);轴部为芦山河谷地带，地形上较为平坦。大川－双石断裂、新开店断裂，以及始阳－思延断裂为芦山地震区出露的主要断裂(图1)，主要发育在三叠、侏罗、白垩及古近纪地层中。

2 野外调查与测量结果

2.1 同震变形现象的野外地震地质调查

为了查明此次地震的发震断层及有可能的地表破裂带，对位于震中附近的大川－双石断裂、火井－高何断裂、新开店断裂以及芦山谷地可能存在的断裂进行了考察，内容主要包括沿这些断裂的同震地表破裂、地表破坏和变形、地质灾害和建筑物破坏情况等。

2.1.1 大川 －双石断裂

大川－双石断裂在震区内从南部的天全开始，往北经大溪、双石、太平，至大川一带，长度近百km(图1)。断裂总体走向N45°E，倾向NW。断裂下盘以侏罗、白垩纪地层为主，上盘为三叠纪和古生代地层。

极震区附近的野外调查常见沿大川－双石断裂发育地表裂缝，位于边坡附近，以张性为主，与震动和重力作用的关系明显。河流低阶地上具喷砂冒水现象。在双石镇南双河村公路附近，公路受挤压局部拱起约5cm，造成水泥路面断裂，裂缝走向为N30°E。公路西南侧排水沟护壁也同时发生了弯曲变形。沿此裂缝走向SN两侧均出现地表裂缝和喷砂冒水现象。其中，在公路南侧河流阶地上发育的几条地表裂缝最为典型。这些小裂缝呈雁列形式展布，主体走向N40°E，总长约10m(图2a)。沿每条裂缝均出现若干呈线性排列的喷砂孔。该处村民反映地震时的喷砂冒水高度可达0.5～1m。这一带的房屋破坏也与沿喷砂冒水带一致，沿NE一线比较严重，离开这一线破坏情况则明显变轻。该点往SW方向几m处另有2条相距1m、走向NE的雁列裂缝，沿裂缝同样发育串珠状排列的喷砂孔(图2b)。横跨其中1条裂缝开挖揭露的剖面显示裂缝清晰，并一直向地下延伸，裂缝面倾角较陡，向东倾(图2b)。双石公路北侧双河I级阶地上也同样发育NE向地表裂缝及沿其存在的喷砂冒水现象。

图2 大川－双石断裂上的地震形变现象Fig.2 Ground deformation during the Lushan earthquake along the Dachuan-Shuangshi Fault.

此外，沿太平—双石—大溪一线，由地震引起的滑坡、坍塌和边坡张裂缝等较为严重。在大溪乡曹家村断裂通过附近，滑坡形成的NE向裂缝带甚至将水泥公路路面在垂直方向上断错了0.5～1m，造成地震地表破裂的假象(图2c)。在太平镇南春光村石桥组，断裂形成的沟谷内发育一系列地表裂缝，走向45°～60°(图2d)。这些裂缝与重力作用的关系较大，但同时这些裂缝发育于断裂通过位置，可能也受到了断裂活动的影响。

2.1.2 火井 －高何断裂

火井－高何断裂属于大邑断裂南延的部分。该段断裂在区内起自北部的火井、高何，向西南止于分水岭一带，长度约50km，总体走向N40°E左右。遥感影像上沿断裂位置表现为清楚的NE向线性地貌，属山体向盆地过渡的部位。在火井－高何谷地内，我们沿跨越断裂的多条穿越路线进行了调查，没有发现此次地震同震地表破裂的迹象(图3a)。断裂附近的房屋破坏较轻，仅部分老房屋出现裂缝和溜瓦。沿断裂也未见滑坡与崩塌等地质灾害。往西南越靠近与芦山－龙门谷地的分水岭，破坏程度逐渐增加，房屋可见墙壁开裂，屋顶瓦片抖落严重。断裂通过的位置附近水泥路面受挤压裂开，裂缝走向NW。岩体崩塌、滚石增多，并发育多处滑坡。

图3 火井－高何(a)和始阳－思延断裂(b)沿线的断裂地貌Fig.3 Landforms along the Huojing-Gaohe and Shiyang-Siyan Faults.

2.1.3 芦山谷地推测隐伏断裂

在芦山谷地南侧存在1条NE向断裂——始阳－思延断裂，该断裂南端起始于天全县始阳镇北，北端终止于芦山县城南的思延附近，长度为14km，走向N40°E。而在该断裂以北，处于始阳－思延断裂NE向延伸线上的芦山县县城至龙门乡一线，在此次芦山7.0级地震中的破坏较为严重。因此，推测始阳－思延断裂向北可能隐伏于较厚的第四系之下。沿断裂可能展布的位置进行了详细调查，没有观察到有关地表形变的现象，横跨推测断裂位置的路面未见变形和破坏。芦山谷地内的调查没有发现地震地表破裂的迹象。为了进一步确定始阳－思延断裂的活动性，从始阳北到思延南沿此断裂出露位置进行了详细野外调查。在南段的大坪乡—新马塘一带，断裂沿NE走向线性山包前缘展布(图3b)，并可能控制了该处中更新统()的沉积，表明始阳－思延断裂在第四纪早期活动过。但断裂通过位置以棕红色泥岩、泥质粉砂岩等的剥蚀地貌为主，没有断裂陡坎、线性沟槽、地表变形等活动构造的地貌表现。在北段的新华乡—关林头一带，没有明显的断裂地貌显示，断裂通过位置为浑圆的山丘，地形平缓。这些现象表明始阳－思延断裂晚第四纪不活动。灾害调查显示，始阳－思延断裂沿线的建筑物在芦山地震中造成的破坏很轻，大多数建筑物保存完好，即使距芦山县城只有4km、位于该断裂上的落改坝破坏也不严重。断裂沿线也没有地表裂缝、滑坡等现象发育。这些均表明始阳－思延断裂在芦山地震中没有参与活动。

2.1.4 新开店断裂

新开店断裂位于上里－中里盆地西侧，与火井－高何断裂呈斜向错列，从南部的新开店，经李家山、陈家沟西，至上里镇箭杆林村附近，全长约40km，走向N30°E。断层主要发育于白垩纪砂岩内，呈挤压逆冲性质。断裂沿线地貌在遥感影像上显示为清晰的NE向线性特征。断裂NW侧为中生代地层组成的中高山，SE侧则开始进入四川盆地，构成地质和地貌的分界线。

在上里镇箭杆林村一带，多见水泥路面出现裂缝现象，裂缝NE走向。路边农田内同样发育地表裂缝，裂隙总体走向N45°W，沿裂隙发育呈线性分布的喷砂孔与砂土液化(图4a)。同时，箭杆林村断裂沿线附近房屋破坏较为严重，并发育大量的位于陡坡附近、与边坡失稳关系较大的地表裂缝。在中里镇西陈家沟西侧，新开店断裂经过之处发现1个长几十m、NE走向的小陡坎，高约15cm。据野外分析，此小陡坎为地震以前形成。这次地震中，小陡坎顶部掀起、开裂，陡坎坡面滑塌(图4b)。陡坎顶面出现的地表裂缝走向N35°E，断续延伸近百m。这些裂缝分布局限，为张裂性质。该点地貌上位于山前陡坡向平缓台地转折的部位，靠近新开店断裂通过位置，可能同样受到了深部断裂活动的影响。

新开店断裂的地表变形零星地分布于箭杆林村—陈家沟一段，主要以地表裂缝，沿裂缝的喷砂冒水和砂土液化，房屋的较严重破坏为表现形式，并未发现明显的地表破裂或系统的变形带。

图4 新开店断裂上的地表变形现象Fig.4 Ground deformation during the Lushan earthquake along the Xinkaidian Fault.

2.2 GPS地面运动观测结果

芦山地震之前中国地震局地震预测研究所江在森研究团队曾横跨大川－双石断裂布设了10个连续 GPS 观测站(http:∥www.seis.ac.cn/manage/html/8a9080a125b29b1b0125b2a3093a0002/_content/13_04/27/1367052448595.html)。其中，离震中最近的LS05(芦山)和LS06(灵关)两站分别位于大川－双石断裂东、西两侧，距震中分别约18km和11km。这2个站点的GPS观测数据较其他站点更能反映地震的同震信息。LS05(芦山)站点在大川－双石断裂以东5km处，位于芦山谷地内的芦山县城附近(图5)，基于历史数据和地震当日全天观测数据，计算获得该站具有所有布设站点中的最大同震位移，垂向抬升约7.6cm，水平方向以南向运动为主，量值约6.3cm;LS06(灵关)站在大川－双石断裂以西5km处，位于灵关镇以西(图5)。该点GPS观测数据计算结果显示的同震位移相对较小，垂向下降约1.5cm(图5)，水平方向上有微量的西向运动。位于东侧盆地内的邛崃和雅安站点的结果则显示了明显的NW方向的运动，大川－双石断裂西侧距离该断裂较远的站点则观测到SE方向的较小运动(图5)。

3 发震构造分析

3.1 地震数据资料反映的发震断裂

根据地震数据反演得到的震源机制解参数，芦山7.0级地震的发震断层走向212°～214°，倾角39°～44°，震源深度为12～19km(刘杰等，2013;曾祥方等，2013)。震源机制解显示此次地震为逆冲型地震，破裂面为NE走向，与龙门山断裂带的运动性质和走向一致。因此，芦山地震的发震断裂为震中区附近的一条NE向逆冲断裂。此次芦山7.0级地震震中位于大川－双石断裂附近，偏东。由此次地震震源深度12～19km和震源机制解获得的断裂倾角39°～44°以及断裂面为NW倾向等参数，推断发震断裂出露地表的位置应该在震中位置东南12～23km处(震中位置在滑动方向上相对应的投影点)。由此确定这次地震的主要发震断层应位于大川－双石断裂以东，而非大川－双石断裂。但考虑到震中位置特别是震源深度确定和断裂面倾角反演上的误差，以及断裂面倾角随深度可能会有变化的实际情况，大川－双石断裂以东几km至十几km范围内的断裂均为可能的发震断裂。大川－双石断裂以东距离震中最近的已知断裂为火井－高何和新开店2条断裂(图1)。此外，芦山谷地内的推测隐伏断裂也同样是发震断裂最有可能的出露位置。震中(103.0°E，30.3°N)距上述2条已知断裂的距离分别为8km和11km;而距芦山谷地推测隐伏断裂的距离为5～6km(图1)。

3.2 野外观测资料反映的发震断裂

GPS观测的结果显示，芦山站(LS05)所处的块体在此次地震中发生了比较明显的抬升(图5)。由此可以推断芦山GPS站处于断裂的上升盘，主要的发震断裂应该位于该点的东侧。同时，芦山站东侧的雅安和邛崃站则显示为与芦山站相反的运动方向，这2个站点应位于此次发生活动的断裂下盘。据此初步推测，在芦山谷地附近及其以东，可能以新开店断裂为界、以芦山谷地为主的地质体发生了向SE的逆冲运动。这是产生这次地震的主要运动，导致了芦山所在块体的抬升和向南的运动。同时，位于大川－双石断裂西侧的灵关站(LS06)所处的块体没有同芦山块体一起抬升，反而出现了小幅下降。这可能表明:1)此次地震变形的影响范围较小，主要集中在芦山块体附近;2)在芦山块体和灵关站点之间，可能存在一个相对东侧的主要运动较小的运动。这一较小的滑动应该发生在大川－双石断裂上或其附近。这些现象表明，导致此次地震发生的构造应位于大川－双石断裂与新开店断裂之间。

野外地质调查没有发现明显的地表破裂。无论从震害还是地表变形上，均未发现火井－高何断裂与这次地震相关的迹象，可以排除其为发震断裂。也未发现芦山谷地的推测断裂具说服力的地表变形现象，而且对其南部出露地表断裂的野外调查表明，该断裂为一晚第四纪不活动断裂，此次地震中没有参与活动。同样未发现新开店断裂有明显的地表破裂或系统的变形带，但发现断裂附近沿NE向陡坎顶面发育的一系列开裂、雁列分布的小裂隙，以及带状砂土液化和喷砂冒水等现象。对于大川－双石断裂，从震害上看，太平至双石以南断裂沿线与东侧的断裂下盘破坏比较重，而该断裂NW侧地震破坏比较轻，不具有逆断层型地震的上盘效应特征;从地表变形上看，在双石镇东侧500m长度范围内观察到公路水泥路面受挤压抬升、地表裂缝、沿裂缝的喷砂冒水等地表变形，以及房屋沿NE一线的严重受损等现象，虽然这些现象并不是典型意义上的地表破裂，但可以推断为此次地震中断裂活动形成的同震变形带，这表明双石－大川断裂在地震中有所活动。以上野外观察到的地质现象表明，双石－大川断裂和新开店断裂在这次地震中存在近地表的表现。

3.3 芦山7.0级地震发震构造分析

从地质构造上看，龙门山断裂带南段在大川－双石断裂以西的宝兴杂岩之下深部存在一NW倾向的滑脱带(Burchfiel et al.，2008;Hubbard et al.，2010)。该滑脱带往东一直延伸到四川盆地内部、蒲江—新津地区的熊坡背斜之下，并继续往东延伸。此滑脱带在宝兴—芦山之间一段较陡，深度在地下10km以下;往东进入盆地内部变得很缓，深度在地下10km附近。位于此滑脱带之上的盖层以类似断展褶皱的形式向东扩展，而一些断裂则通过这些褶皱传播到地表。滑脱带之上对应着龙门山断裂带南段的一系列NE向的新生代褶皱变形，包括芦山东侧的芦山向斜、蒙顶山背斜、名山向斜、熊坡背斜等。龙门山断裂带东部边缘的几条逆冲断裂，包括大川－双石断裂(前山断裂)、大邑断裂(包括新开店断裂)、名山断裂等，都归并于此滑脱带上(图6)。我们将龙门山断裂带南段东缘的这些断裂及其之下的滑脱带一起称为前缘滑脱系统，该系统中的滑脱面倾角缓，而滑脱面之上的单条断裂的倾角相对较陡(图6)。

野外观察结果表明，芦山7.0级地震中，沿着芦山附近的断裂发生了向SE的逆冲运动，导致芦山所在块体的抬升;而沿其西侧大川－双石断裂可能发生了相应的小幅运动，并且可能包含了部分反冲运动(图6)。这种反冲是大川－双石断裂与其东侧断裂所夹逆冲岩体在前进滑动中，为了调节断裂前锋所受的阻力而发生的。双石附近喷砂冒水的小裂隙揭露的裂隙面显示为SE倾向，GPS显示的断裂西侧块体的相对小幅下降，都可能表明了这一点。总体上，此次地震中的运动主要发生在大川－双石断裂与芦山东侧断裂(新开店断裂)之间的芦山地块。而此次地震的震害最严重的地带也是在这一地块上，也就是地震烈度图上最重的Ⅸ度区的范围。这次地震引发的滑坡等次生灾害也主要分布于这一范围内。在此块体边缘，西侧大川－双石断裂沿线的太平－双石，东侧新开店断裂附近的箭杆林村一带，均为地震破坏较严重地区。进一步反映了此次地震中的主要运动发生在受这2条断裂夹持的这一块体上。而该区域的主要构造为位于芦山之下的龙门山前缘滑脱带。因此，芦山“4·20”7.0级地震的发震构造可确定为这一构造滑脱带，具体的发震段落应位于太平－双石和新开店断裂之间。该段滑脱带深度为10～20km，与震源机制解获得的震源深度(刘杰等，2013;曾祥方等，2013)相当。此段滑脱带在大川－双石断裂和新开店断裂之间倾角较陡，利于能量在此聚集，而该段滑脱带在上里以东逐渐变缓(图6)。主震发生时，芦山之下的基底滑脱带逆冲错动，并带动该滑脱带之上的几条断裂(双石、上里等)发生不同程度逆冲错动，但这些断错均未明显到达地表。从野外形变带的分布、GPS同震位移等推断，沿大川－双石、新开店断裂的同震错动上端可能较接近于地表，为此次地震中主要发生近地表破裂的断裂。

图6 芦山7.0级地震发震构造示意图Fig.6 A model map showing the seismogenic structures associated with the M S 7.0 Lushan earthquake.

这次地震余震的空间分布显示(图1)，余震长轴为NE向，主要分布在大川－双石断裂与新开店断裂之间，也进一步表明主要的断裂活动位于二者之间，同时大川－双石断裂参与了活动。地震反演结果也显示，此次地震包括2次主要的子事件，其中第1次子事件发生在0～10.5s，是这次地震最主要的1次子事件;第2次子事件发生在10.5～27s，其规模约为第1次子事件的一半(张勇等，2013)。可以推测，第1次子事件可能对应了此次地震的主要断裂运动;而第2次子事件可能对应了大川－双石断裂上的较小运动。芦山7.0级地震中的主要运动发生在较深部位的构造滑脱带上，也是此次地震没有发育地表破裂的主要原因。

以上分析表明，NE走向的龙门山构造带前缘的运动是一个断裂系统的运动，浅部相邻的断裂在深部归于同一条断裂滑脱面上，该滑脱面上的主要运动会影响或带动浅部的断裂滑动面的活动。

在火井—高何段与上里—中里段之间有一个NW走向的隆起区(图1)，与NE走向为主格调的地貌在走向上近于垂直。这一NW向隆起将芦山向斜及与其平行排列的一组NE向褶皱同其北侧的一组NE向褶皱分隔开来。位于这一NW向的横向构造南北两侧的火井－高何断裂和上里－中里断裂在此发生了左阶斜列，而西侧的大川－双石断裂在此处走向也发生了变化(图1)。初步判定此隆起为一构造挤压阶区。可能正是这一阶区阻止了这次地震的发震断裂向NE方向的扩展。因而在离震中相对较近的高何谷地内包括大兴店一带震害并不严重，而向南随着靠近这一隆起区附近，震害急剧增强。由此可以推断，此次地震的发震断裂段落位于此NW向隆起以南。

4 结论

芦山7.0级地震的地震参数、震源机制解以及野外地质调查等反映此次地震的主要发震构造不是震中附近的大川－双石断裂，也不是其NE侧的火井－高何断裂，而是与芦山附近或其东侧断裂相吻合。GPS测量结果表明芦山附近断裂的向SE逆冲为此次地震的主要断裂活动，而芦山西侧大川－双石断裂附近可能也有小幅运动。野外地质调查同时显示，大川－双石断裂和新开店断裂在芦山7.0级地震中有活动的微弱地表表现。根据以上分析结果综合判定，位于芦山之下的龙门山前缘滑脱带为芦山7.0级地震的发震构造，此滑脱带的运动可能带动了其上面的大川－双石和新开店等断裂的活动。

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