浅析汶川地震的发生机理

2013-12-14王晓伟

地下水 2013年2期

王晓伟

(西北大学地质系，陕西西安 710169)

四川盆地地质构造复杂多样，它跨越太平洋构造域，特提斯-喜马拉雅构造域，古亚洲构造域。四川盆地自西向东具有很强的构造分带特点，以北川 -汶川 -小金河为界，以东为扬子准地台，以西是松潘 -甘孜褶皱系。从新生代开始青藏高原地壳内部物质向东侧和阿萨姆构造顶点插入的共同作用，使得四川盆地的地壳变动十分复杂，新构造变动和地震活动十分复杂，该区已经成为中国最显著的强震活动区域之一[1]。龙门山位于成都平原西北方向，青藏高原东部。由三个大的断裂带组成。自有地震记载以来，该地区一共发生3次七级以上地震分别是:1713年(7级)，1933年(7.4级)，2008年(8级)，这次的汶川地震与龙门山断裂有怎样的关系?

1 汶川地震

地震是全球自然灾害中对人类威胁最大，它所造成的直接和间接损失也是无法计算的，而地震的预防和预报目前全球还没有系统的方法。了解地震的发生原因，有助于为日后地震的预报提供一些参考资料。目前全球有三个大的地震带，这三个地震都处于大的板块边缘，也就是说大的地震都与板块的运动密切相关。根据大陆漂移理论，全球板块运动速度和方向都不相同，从而造成板块之间发生碰撞和挤压，应力集中在岩石中，当应力达到一定的程度，岩石就会发生破裂，应力以地震波的形式释放出来，这时地震就发生了。板块运动速度是否稳定，影响着地震发生，根据 Sellaetal公布的数据，表明印度板块和太平洋板块以及澳大利亚板块向北运动的速率在1997年后明显增加了，而2004年共发生了4次大地震比以往其他时间发生的地震无论在次数和能量上都要大，说明目前全球地震正处于高潮期。我国处于太平洋板块与印度板块碰撞缝合带上，受印度板块和太平洋板块的挤压，地震活动强烈，根据查阅资料可以得到，19世纪和20世纪中国发生的7级以上的地震都在20次以上，主要发生在三个地区，分别是川甘区;川滇区;冀辽区，其中以川甘区发生7级以上的地震次数最多，表1中的地震代表了中国最为活跃的几个地震带，这些地震都属于构造地震，除唐山大地震外都属于浅源地震，震级大，烈度高，因此这些地震所造成的伤亡非常大，而且这些地震的发生都与断层有关。我国的地震分布在五个地区23个地震带上，虽然国土面积只占全球的7%，但是承受着全球超过3分之一的地震。2008年5月12日，四川省汶川县发生里氏8.0级地震，强震波及中国大陆大不部分地区，除东北，新疆个别地区无震感报告外，其余地区均有不同程度的震感。这次地震所造成的破坏是近几十年来少有的。汶川地震与以往地震无论在震级，伤亡情况，都是其他地震所无法比拟的。

1.1 汶川地震的特点

汶川地震的震级为里氏8.0级，这次地震释放的能量大约为1976年唐山地震的二倍，最高地震烈度为6度，截止2008年10月10日中午12时，共发生余震33 125次，其中5.0～5.9级32次，6级以上 8次。受灾地区波及四川、甘肃、陕西、重庆和云南等10多个省市的417个县，4 667个乡镇，48 810个村庄，受灾总面积达到50万 km，其中特别严重的地区面积近13.2千米。汶川地震发生后随之形成的地质灾害严重，救灾难度大。交通不便高山峡谷是影响重灾区救灾的主要阻力，震后四川，甘肃。陕西灾区排查出的崩塌，滑坡。泥石流等地质灾害及其隐患点13 000余处，较大的堰塞湖35处，大范围的交通，电力，通讯的中断导致此次救灾非常困难[3]。

四川盆地自晚三叠纪开始接受沉积至今形成了厚厚的沉积地层，盆地内部地层发生过大规模的变形，地层不稳定，因此震动较为严重，地层的不稳定使地震的破坏力增强;而且四川盆地自古被称为天府之国人口密集，增加了伤亡的人数。汶川地震震级8级，震源深度为10～20km，属于浅源地震，不属于深板块边界的效应，地震发生在地壳脆 -韧性转换带上，破坏性巨大[2]。

1.2 汶川地震的形成原因

汶川地处南北地震带上。由于中国东西部在地质构造，地壳厚度以及地壳运动速度方向相差很大，而且此次地震就发生在东西部差别最大的一个带上——南北地震带(图2从宁夏经甘肃东部.四川西部直至云南，都为地震密集带)。印度洋板块由南向北与欧亚板块发生碰撞，碰撞促使青藏高原的隆升。青藏高原隆升的同时也向东北方向运动，对四川盆地进行挤压使之向东北方向走滑，而汶川地震的震中就在青藏高原的东南方向，这次地震发生主要是因为印度板块对欧亚板块的挤压造成的。地震刚开始主要是挤压到快结束的时候可能还伴随着走滑的能量释放。汶川地震发生的中心位置在川西龙门山地区——茂汶大断裂带上。三条大断裂组成了龙门山断裂带，自西向东分别是龙门山后山断裂(逆冲断裂带)、龙门山主中央断裂以及龙门山主边界断裂(逆冲断裂带)。汶川和茂汶位于后山断裂上，同时后山断裂带在此之前发生大的地震，北川位于主中央断裂上。都江堰市位于主边界断裂上[5]。这次汶川地震是属于浅源地震，破坏力极大。发震方式为逆冲右旋，且震源深度浅，强烈的地面破坏，瞬间使汶川，茂汶，北川等地区变成一片废墟。这次地震的破坏程度，破坏范围，伤亡人数都是近几十年来罕见的。

1.3 汶川地震的动力来源

印度板块由南向北对欧亚板块的挤压，形成了世界屋脊青藏高原，其平均海拔高度超过5 000 m，地壳厚度达60～70 km，而四川盆地的地壳厚度只有40 km。在这种状态下，青藏高原升高或者地壳增厚被阻碍，高原内部物质只能向东和向北扩张，导致高原在这两个方向上的增生。由于强硬的四川盆地的阻挡，在青藏高原东部与四川盆地西部形成了南起泸定和天全，北达广元和陕西勉县、长近500 km、宽40～50 km、北东走向的龙门山脉。而龙门山山脉主要的岩石单元是能够抵抗破坏和断裂强度特别大的杂岩体，这种岩石积累了很大的能量在瞬间释放形成了强烈的地震。因此这次地震的最根本动力来源是青藏高原和华南地块之间的相对运动，造成在断裂带上能量积累，最终在这次地震时释放。

图2 中国地震分布图

2 龙门山地区对汶川地震的作用

2.1 龙门山地区主要构造带

文章所提到的龙门山地区主要指汶川 -茂汶逆断裂，映秀-北川逆断裂，灌县-安县逆断裂以及岷山隆起。前面这三条断裂是具有发生强烈地震能力的主干断裂，此次汶川地震就发生在这三条断裂带上(表3)，其中主要破裂带是映秀-北川逆断层。这三条断裂在垂直剖面上呈叠瓦状向四川盆地内逆冲推覆，断裂倾角从地表向下逐渐变缓，最终断裂收敛合并成为一条剪切带，成为青藏高原推覆四川盆地的主要控制构造，强烈的推覆致使四川盆地与龙门山高差巨大，形成巨大的地貌台阶，是大陆内部最为陡峭的地区。岷山隆起曾在18世纪和20世纪初发生几次大的地震，并且地震都发生在岷山隆起西缘的岷江断裂带上。

表1

2.2 龙门山地区深部构造背景

龙门山地区布格重力异常值为负值，东部高西部低。龙门山地区存在一条磁异常陡变带，异常值范围很大，磁异常区东部高值西部负值;该地区地震波速结构差异大，西部高原地区上中下地壳速度差异不大，厚度差异较大，东部地区地壳速度差异较大，厚度差异很大，从几千米到几十千米[6-7]。从莫霍面深度来看，龙门山推覆构造带为 43～45 km，前陆盆地为40 km左右，由于岩石圈底部存在一个深部滑脱层，本区岩石圈底部曾经发生过突变，而且岩石圈厚度也加深，松潘-甘孜褶皱带存在厚约3～5 km的低速高速层[8]，这些特点均说明龙门山地区深部构造背景非常复杂。

2.3 龙门山与汶川地震的关系

虽然龙门山地区与南北地震带南北段相比活动性较弱，但是该地区的活动性已经发生转移，从龙门山中段向岷山隆起带转移，这一现象是第四纪构造活动造成的结果，川西高原地区的最新活动边界就是这样构成的[4]。该区除在1976年发生过一次6.8级地震外，在此之后直到2008年汶川地震前，再无6级以上地震发生，5级以上地震数目也较少，大震缺失严重:在这段时间应该是能量的积累阶段，当能量积累到一定程度，岩石就会发生破裂和能量的释放，最终发生了8.0级地震[9]。此次汶川地震属于逆冲，右旋，挤压型断层地震也属于三大地震类型中的构造地震，而全球发生过大的地震，构造地震占90%。汶川地震之后余震强度大，持续时间长，出现这些情况的原因可能是:主要破裂带映秀 -北川逆断层，在挤压应力作用下，由西南向东北逆冲运动，致使余震向东北方向扩张，应力传播和释放过程比较缓慢。

印度板块以55.1 mm/a的速度以北偏东53.2度的方位作俯冲运动[10-11]，大约 5mm/a的年速度被消耗;印度板块北偏东向的俯冲运动和挤压，引起了青藏高原地区以30～39 mm/a的速度北偏东向运动，这个运动造成两个结果:引起塔里木盆地南北边缘地区约8～15 mm/a的速度向北略偏西的地壳运动和青藏高原东北部至巴颜拉山地区10～15 mm/a向东略偏北的速度矢量;由于在印度板块作用下南北向挤压产生的青藏高原东部区域8～12 mm/a向东偏南的地壳形变运动，在龙门山断裂带附近，这个速度转向东南，并引起沿整个约550 km长的龙门山主断裂带的西北-东南两侧附近区域由挤压产生的东南向的运动速度差，也即断层间的聚敛率3～5 mm/a。龙门山断层带的主中央断层走向可分为西南段和东北段，汶川地震的余震主要分布在龙门山近西南段约380 km长的部分内。根据 GPS测量[12-13]，龙门山近300 km长的破裂带的西南段部分的聚敛率为3～5 mm/a，而破裂带的东北段部分聚敛率为1～2 mm/a，表明龙门山近300 km长破裂带两侧的聚敛率在其西南段和东北段的数值可能是不一样的，由西南向东北大致是变小的，这与沿龙门山断层观测得到的逆冲位移，以及与8级地震后的余震分布大致相符[14]，长期的断层间聚敛应力的累积，是这次汶川特大地震的发生的最主要原因。

表 2[5]

3 结语

汶川地震的猝然来袭，使大地颤抖，山河移位，是新中国成立以来破坏性最强，波及范围最大的一次地震，这次地震造成的直接经济损失8 452亿元，四川损失最为严重，占到总损失的91.3%，这次地震震级为里氏8.0级，矩震级7.9级，震中烈度最高达11度，震源深度为14 km，属于浅源地震，地震类型为构造地震。地震原因为:印度板块向欧亚板块俯冲，造成青藏高原快速隆升，高原物质向东缓慢流动，在青藏高原东缘沿龙门山向东挤压，遇到四川盆地下部的刚性岩体的阻挡，由于断裂带断层间的板块运动引起的聚敛率不同，分别受到断层间聚敛应力的长期积累，应力超过岩石所承受的强度时造成应力的积累，最终在龙门山中央断裂带上释放。破裂构造沿龙门山中央断裂带迅速扩展，产生了地震破裂带，导致本区构造活动频繁，应力集中是地震的多发区，汶川地震的发生表明青藏高原的挤压应力集中区由北部转向东部[14]。

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