九寨沟地震发震区周边构造特征及发震断裂

2018-12-04李忠权芦建文

成都理工大学学报（自然科学版） 2018年6期

李忠权, 韩倩, 芦建文, 龙伟, 丁啸, 黄晶

(1.油气藏地质及开发工程国家重点实验室(成都理工大学)，成都 610059；2.构造成矿成藏国土资源部重点实验室(成都理工大学)，成都610059；3.福建省高校人文社科研究基地互联网创新研究中心(闽江学院)，福州 350108)

地震具有突发性和破坏性，是人类目前尚不能准确预报的最大自然灾害之一。

地震按产生的原因可分为构造地震、火山地震、陷落地震和诱发地震4种。其中构造地震最多，占地震总数的90%以上。构造地震是指在地球内动力作用下，当地应力达到并超过岩石的强度极限时，岩石产生破裂变位，能量突然释放引发的大地震动。九寨沟地震就属构造地震。

继2008年汶川地震和2013年芦山地震之后， 2017年8月8日21时19分四川省阿坝州九寨沟县又发生7.0级地震；震中距成都约285 km。此次地震发生后，余震不断，截至2017年8月11日8时0分，共记录到余震总数为2318次，其中4.0～4.9级3次，3.0～3.9级23次，最大余震4.8级。

1 震中周边断裂构造特征

九寨沟地震震中周边断裂构造发育，这些断裂(带)将本区切割成大小不等、方向各异的相对独立断块，断块与断块之间相互作用导致本区构造活动显著，地震频繁发生[1]。

根据中国地震台网测定，九寨沟地震震中位于北纬33.20°，东经103.82°，震源深度20 km，位于九寨沟核心景区西部5 km处的比芒村。其周边主要分布有塔藏断裂(F1)、虎牙断裂带(F2+F3)、雪山梁子断裂(F4)及岷江断裂带(F5+F6，图1)。

1.1 塔藏断裂

塔藏断裂位于东昆仑断裂东段，总体呈NWW向展布，延伸长度超过850 km，晚新生代以来以左旋走滑运动为主。塔藏断裂也称玛沁-文县断裂，断裂总体倾向北东，倾角45°～80°，走向自西向东在那盖附近由北西西逐渐转向北西，即走向向南发生较大角度的偏转；在麻枝杂附近与岷江断裂(F5)、热摩柯-羊洞河断裂(F6)交接，形成帚状散开的复杂断裂带，导致走滑性质的塔藏断裂由西向东滑动速率逐渐降低，断裂位移量由左旋走滑逐渐转换为分支断裂(如岷江断裂带、虎牙断裂带等)的上冲走滑或挤压上冲[2-3]。

1.2 虎牙断裂带

虎牙断裂带主要由传统意义上的虎牙断裂和与之近平行呈右阶斜列错接的隐伏基底断裂——夏莫断裂(F3)组成。断裂带总体呈北西-北北西走向，在三路口附近与近东西向的雪山梁子断裂错接，将虎牙断裂带错分为南、北两支，南支即为虎牙断裂(F2)，北支经过九寨沟风景区的夏莫，因此命名为夏莫断裂。2条断裂为同生断裂关系，都形成于印支期，只是夏莫断裂为隐伏基底断裂，而虎牙断裂为地表显性断裂。

虎牙断裂：是巴颜喀拉断块与摩天岭断块的一条分界断裂，地表断裂形迹清晰，由三路口向南经虎牙关至银厂，断裂总体呈北北西走向，断裂倾向北东东，倾角较大，可达80°，以上冲兼走滑为主，属走滑逆断层。

图1 九寨沟地震震中周边构造纲要图Fig.1 Structural outline map around the Jiuzhaigou earthquake epicenter1.断层; 2.推测断层; 3.左行走滑断层; 4.背斜; 5.向斜; 6.倒转背斜; 7.倒转向斜; 8.穹状隆起; 9.河流; 10.震中位置; 11.余震位置; 12.山峰

虎牙断裂两侧地层建造与构造显著不同。断裂东侧属西秦岭地层分区，主要为元古界碧口群变质火山岩，震旦系变砂岩、千枚岩、结晶灰岩和志留、泥盆、石炭系板岩、灰岩和页岩；断裂西侧属马尔康地层分区，主要为泥盆、石炭和三叠系浅变质砂岩、千枚岩及结晶灰岩。断裂东侧构造线呈NEE向展布；断裂西侧构造线由近东西向偏转为平行断裂走向的NNW向，从1∶20万地质图可见，断裂呈单条展布，仅在中段发育有2条分支次级断裂与主干断裂相交。根据区域构造演化及构造变形、变位特征分析，虎牙断裂形成于印支期，是西秦岭洋关闭时西秦岭分区地层向南仰冲楔入时形成的，当时断裂运动为上冲兼右行走滑，属走滑逆断层。

晚第四纪以来，由于印度板块的碰撞挤压，虎牙断裂的新构造活动十分强烈，主要表现为上冲兼左行走滑，在航片、卫片上表现出清晰的线性特征，沿断裂线可以见到边坡脊、断层陡坎、断错冲沟、洪积扇及河流阶地等断错地貌现象。历史上，虎牙断裂南段1630年发生过松潘小河6.5级、1973年发生过松潘黄龙6.5级、1976年发生过松潘平武7.2级强震群[4-5]。

夏莫断裂(F3)：夏莫断裂是一条隐伏基底断裂，是本次九寨沟地震后才逐渐明晰的一条新断裂。对这条断裂以前曾有人提到过，把它归结为传统虎牙断裂北延部分，但对其具体位置、走向及断裂性质认识不够清晰。通过本次研究，我们认为这条断裂是与传统虎牙断裂同期形成的一条同生断裂，同属一个断裂带；但是它们是2条不同的独立断裂，断裂性质及表现特征都有较大差异。根据野外调查、卫片和航片解译及本次地震主震及余震的空间展布特征，发现夏莫断裂在地表没有明显的破裂变位痕迹，但有明显的褶皱拖曳变形、剪切转向痕迹。夏莫断裂向南东与1∶20万文县幅中的阿卓开断裂相接，它与南段形迹清晰的虎牙断裂呈近平行雁列排列，共同构成NW-NNW走向的虎牙断裂带。

夏莫断裂呈NW走向，北与岷江断裂斜接，向西南经夏莫与阿卓开断裂相接，长约70 km。从1∶100万四川省地质图与1∶20万漳腊幅地质图上可见，此断裂控制了其两侧的褶皱样式与褶皱构造线的统一偏转，断裂西侧主要为3排斜列向南东扬起的半向斜构造，核部地层为中三叠统祁让沟组(T2q)，在接近夏莫断裂时三排半向斜构造逐渐收敛并由NW向统一偏转为NNW向，反映了基底隐伏断裂右行走滑作用的影响；断裂东侧主要为一个主背斜分叉派生出的2个向北西倾伏的次级背斜组成，分叉背斜核部为中泥盆统，背斜在接近夏莫断裂时褶皱轴迹由NW向偏转为NNW向，也反映了基底隐伏断裂右行走滑作用的影响。

通过上述分析研究表明：夏莫断裂是一条基底隐伏断裂，并对上覆地层构造的形成与展布起到了控制作用。根据区域构造演化与本区构造变形特征推断，夏莫断裂形成于印支期，是由于西秦岭洋的关闭，摩天岭构造带向南楔入形成右行走滑的基底断裂，并导致断裂两侧上覆先存褶皱构造在接近断裂时发生拖曳、收敛、偏转。根据野外调研及断裂性质推断，夏莫断裂在印支期形成时表现为右旋走滑断裂，断裂倾向北东，倾角较陡，推测可达80°。

晚第四纪以来，由于印度板块向北的陆陆碰撞，虎牙断裂带(F2+F3)总体表现为左旋走滑上冲性质，由北向南逐渐由左旋走滑向上冲推覆方式转变，1976年发生的2次7.2级地震的震源机制解证实了这一推论。

1.3 雪山梁子断裂

雪山梁子断裂主要呈近东西向展布，主断面北倾，断面倾角约70°,沿走向和倾向均呈波状弯曲，西与岷江断裂横接，东在三路口附近先后与虎牙断裂、夏莫断裂斜接。该断裂控制着现今红星岩碳酸盐岩台地南侧边界，表现为西秦岭地层分区的志留、泥盆、石炭系碳酸盐岩由北向南上冲于马尔康地层分区的上三叠统浊积岩之上，构成了巴颜喀拉断块与摩天岭断块的一条分界断裂。

1.6 统计学处理采用SPSS 20.0统计软件分析数据。呈正态分布的计量资料以表示。各个时间点及组别大鼠的体质量情况，采用重复测量设计的方差分析模型检验；体质量数据不满足球形时，进一步采用多变量方差(MANOVA)分析。组间大鼠尿蛋白、糖脂代谢及炎症因子情况的比较采用单因素方差(One-Way ANOVA)分析。两两比较采用LSD法。采用Pearson法进行相关性分析；ACR的相关危险因素分析采用logistic回归分析法。检验水准(α)为0.05。

根据雪山梁子断裂的构造变形特征、三维有限应变测量成果、同位素及ESR 年龄测定等技术手段研究表明，雪山梁子断裂形成于印支末期,定形于新近纪末, 并在第四纪持续活动；结合断裂两侧地层变形特征，揭示雪山梁子断裂大致经历了三叠纪末向南左旋走滑上冲的主变形期、侏罗—白垩纪伸展变形期、新近纪末挤压变形期、第四纪走滑上冲调整期4个构造变形期, 从而形成现今的构造格局[6]。

1.4 岷江断裂带

岷江断裂带主要由东、西2支断裂组成，东支称岷江断裂(F5)，西支称热摩柯-羊洞河断裂(F6)，向南在牟尼沟附近又逐渐归并为一条断裂[7]。

东支岷江断裂走向近南北向，断面西倾，倾角60°～70°，主要为向东上冲为主兼具左旋走滑运动的全新世活动断裂。岷江断裂北抵塔藏断裂，向南经弓嘎岭、川主寺，至茂县以北镇江关附近消失，全长约160 km。岷江断裂在川主寺附近与近东西向雪山梁子断裂横接，川主寺以南和川主寺以北岷江断裂在结构、地质背景、第四纪活动史和地震活动强度都有较大差别，据此可以将岷江断裂分为南、北2段。

岷江断裂南段长约85 km，结构简单，断裂形迹主要发育于马尔康地层分区的三叠系砂岩、板岩这套复理石沉积建造中，沿断裂没有明显的断陷盆地发育，断裂形迹由3条次级断裂呈右阶羽列组成。有史料记载以来，断裂南段发生过数次5级以上中强地震，例如1713年叠溪7级地震、1933年叠溪7.5级地震[8]。

岷江断裂北段全长约75 km，其西侧属马尔康地层分区、东侧属西秦岭地层分区，是划分巴颜喀拉断块和摩天岭断块的一条分界断裂。断裂活动导致断裂两侧褶皱构造线发生严重偏转，如断裂东侧NW向褶皱在接近断裂时偏转为NE向，反映了岷江断裂强烈的左旋走滑上冲运动；断裂东盘控制了弓嘎岭和漳腊2个较大的新近纪—第四纪盆地，将这2个盆地严格地限制在断裂的东侧，断层形迹清晰，具有全新世活动的地质地貌证据，但运动性质以上冲为主兼具左旋走滑[9-10]。历史记载仅发生过1748年6.5级地震和1960年6.5级地震。

西支断裂为热摩柯-羊洞河断裂(F6)，是岷江上冲构造带的西边界断裂，由北向南沿热摩柯—羊洞河—牟尼沟一线展布，在牟尼沟附近与东支岷江断裂(F5)合并为一条断层。该断裂总体走向N55°W，倾向NE，属逆断层性质，主要断于马尔康地层分区中的三叠纪地层内。晚第四纪以来，西支牟尼沟-羊洞河断裂的活动性已明显减弱，未见明显的断裂活动表现。

2 周边断块构造特征

九寨沟地震周边断裂构造发育，这些断裂将九寨沟地震区切割成多个复杂小断块(图2)，每个小断块内构造线展布方向都不同，主要分布有构造线呈近南北走向的岷江断块、北西走向的岷山断块(北)、北东东走向的岷山断块(南)及摩天岭断块等[11-12](图2)。

2.1 岷江断块

岷江断块由塔藏断裂、岷江断裂带东支岷江断裂和西支热摩柯-羊洞河断裂围限所成，呈近南北走向，南北长约75 km，东西宽约6～15 km，断块内主要由马尔康地层分区中的泥盆、石炭、二叠及三叠系浅变质砂岩、板岩、千枚岩及灰岩组成；断块内发育有受岷江断裂带活动形成的拖曳褶皱和次级断裂构造，主要有近南北走向并向北倾伏的热尖拖曳背斜和呈南南西倾伏香腊台-花山拖曳背斜，这2个背斜与岷江断裂约成20°～30°夹角，反映岷江断裂经历了右行和左行多期走滑运动。

2.2 岷山断块

地处青藏高原东部边缘,是新近纪以来由于巴颜喀拉断块的向东挤出逃逸，在巴颜喀拉断块东部与摩天岭断块接触带附近形成的一个新生断块。此新生断块横跨2个构造单元，由摩天岭地层分区和马尔康地层分区的地层共同组成；其地貌特征与其东西两侧的地貌明显不同，表现为高耸的岷山山脉，主要由虎牙断裂、夏莫断裂与岷江断裂围限所成，呈近南北走向[13]。在断块中部发育的近东西走向的雪山梁子断裂将断块进一步分成南北2个次级断块——岷山断块(北)和岷山断块(南)。岷山断块(北)属摩天岭地层分区，可看成摩天岭断块内的一个次级断块；岷山断块(南)属马尔康地层分区，是巴颜喀拉断块内的一个次级断块。

图2 九寨沟地震周边断块构造特征分布图Fig.2 Map showing characteristics of fault block structure around the Jiuzhaigou earthquake1.断层; 2.隐伏断层; 3.背斜; 4.向斜; 5,野外勘查路线; 6.震中位置; 7.余震位置; 8.山峰。T3zh.侏倭组; T3xd.新都桥组; T2zg.扎尕山组; T2z.杂谷脑组; Sm.茂县群; C- 1y.油房组; Pt2bk.碧口群; γ.花岗岩

岷山断块内部夷平面的海拔高度为4.2～4.5 km,形成绵延起伏的山顶面,孤立山峰在5 km以上,最高峰雪宝顶达5 588 m ,构成岷江和涪江的分水岭；沟谷深切,谷坡陡峻,河流湍急,跌水现象常见[14]。岷山断块以西为巴颜喀拉断块,地表微受切割,夷平面保存完好,海拔高度3.8～4 km；岷山断块以东为中低山区,地表中等切割,保存有海拔高度3.2～3.5 km的夷平面,最高峰可达4 km以上。从岷山断块东西两侧夷平面的海拔高度来看,岷山断块已垂直隆升1 km左右。根据野外调查发现，被夷平的最新地层为上新世红土坡组(N2h)，夷平面解体后的老地层为早更新世观音山组(Q1g),本区的夷平面发生时间应在上新世末—早更新世初[14]，据此估算岷山断块第四纪以来的平均抬升速率为1.5 mm/a左右。从深部构造背景来看,岷山断块处于中国东西部之间的地壳厚度陡变带上，动力来源于高原物质由西向东的蠕散作用[15]。震源机制解结果表明,岷山断块区的现今主压应力优势方向为NWW,P轴近于水平,T轴近于直立[16]。在这样的主压应力作用下,岷江断裂和虎牙断裂均表现为由西向东的左旋走滑上冲运动。因此,岷山断块的隆起应该主要是喜马拉雅运动以来挤压抬升所致[14]。

2.2.1 岷山北断块

岷山北断块为夏莫断裂、雪山梁子断裂和岷江断裂北段围限所成,呈三角形断块, 断块内主要由三排呈NW-SE走向的向斜构造组成，具有向SE收敛、NW散开的特点，反映向斜构造的形成受到了基底右旋走滑的控制。根据褶皱卷入的最新地层为摩天岭地层小区的祁让沟组(T2q)，结合区域构造演化，推断本期构造运动是印支期摩天岭构造形成所致。在靠近NW端岷江断裂附近，先存褶皱构造被截断且构造线统一由NW向偏转为NE向，反映断块内先存构造统一受到过后期岷江断裂左旋走滑上冲的影响，是后期新构造活动的证据。

2.2.2 岷山南断块

岷山南断块主要由雪山梁子断裂、虎牙断裂和岷江断裂南段围限所成，断块内褶皱构造线主要呈近东西走向，在向东、西两端靠近虎牙断裂和岷江断裂时，分别发生了NNW-SSE方向的偏转，形成“∽”形褶皱。

2.3 摩天岭断块

摩天岭断块由塔藏断裂、岷江断裂北段、雪山梁子断裂、虎牙断裂及青川-平武断裂围限所成，呈现为2个连为一体的三角形地块，构成一系列的走滑冲断构造。摩天岭断块西以岷江断裂北段、雪山梁子断裂、虎牙断裂与巴颜喀拉断块相邻，北以塔藏断裂与西秦岭构造带相接，东以青川-平武断裂与龙门山构造带毗邻。整个摩天岭断块由雪山梁子断裂划分为南、北2个三角形断块，南断块内褶皱构造线呈北东东向延展，北断块内褶皱构造线由NEE向转为NW向、呈弧形向南凸出；2个断块总体由西向东长达260 km，由南向北宽约125 km，地处古亚洲系、特提斯系和华夏系复合及联合区段内。

3 震源机制解、余震分布及发震断裂

九寨沟地震发生后，中国地震台网中心(CENC)、中国地震局地球物理研究所(IGP)、美国地质调查局(USGS)、美国地震学研究联合会(IRIS)和美国哈佛大学(HRV)及四川省地震局等相关研究机构对地震震中、节面参数(表1)和余震震源机制解(表2)等地震学参数进行研究并发布。

根据表1、表2中的九寨沟地震及≥3级余震定位坐标投影到1∶20地质图上可以发现(图3)，截至2017年8月14日，九寨沟地震的余震围绕主震沿NW-SE向呈线性展布，优势方位330°，密集带长约30 km，宽约6 km，主震、余震地表投影主要分布在石炭纪海相浅灰色薄-厚层致密灰岩夹页岩地层中，少数分布在二叠纪和三叠纪灰岩、板岩地层中。余震在平面上的展布与本区地表褶皱构造线方向完全一致。地震在垂直NNW向余震密集条带的震源深度剖面揭示，震源深度集中在地下5～20 km深度，呈近直立分布；在平行余震条带NWW向震源深度剖面上余震呈面状分布，反映控震断裂为一条近直立的断裂。这些特征与前已述及的印支期形成的虎牙断裂带北支——夏莫断裂的空间展布、断面特征、断裂性质等高度一致，由此可推断九寨沟地震为夏莫断裂的复活所引发。

表1 2017年8月8日九寨沟Ms 7.0地震震中、断层参数Table 1 Epicenter and fault parameters of Jiuzhaigou Ms 7.0 earthquake on the 8 of August, 2017

(据臧阳等，2017)[17]

表2 2017年8月8日九寨沟Ms 7.0地震余震震源机制解Table 2 Focal mechanism solutions for aftershocks of Jiuzhaigou Ms 7.0 earthquake on the 8 of August, 2017

(据易桂喜等，2017)[18]

图3 九寨沟地震及≥3级余震分布地质图Fig.3 Geological map showing the positions of the aftershocks (≥3) of Jiuzhaigou earthquake1.震中位置; 2.Ms 4.0～4.9; 3.Ms 3.0～3.9; 4.野外勘查路线; 5.断层; 6.隐伏断层; 7.河流。Q2d.对河寺组; Q1g.观音山组; N2h.红土坡组; T3zh.侏倭组; T2zg.扎尕山组; T2z.杂谷脑组; T2q.祁让沟组; T1h.红星岩组; T1l.罗让沟组; T1b.菠茨沟组; P2c.长兴组; P2l.龙潭组; C3gh.尕海组; C2mh.岷河群; C1l.略阳组; C1y.益哇组

4 发震构造特征及成因机制

根据地质、地震及区域构造演化，九寨沟地震发震构造可确定为虎牙断裂带北支——夏莫断裂。夏莫断裂是一条隐伏断裂，形成于印支期，断面倾角可达70°～80°，属高角度逆走滑断裂。印支期的右行走滑导致了上覆泥盆、石炭、二叠系及中下三叠统发生显著拖曳、收敛及构造线统一偏转。晚第四纪以来，由于印度板块向北俯冲，夏莫断裂运动方向发生改变，由右行走滑转换为左行走滑，因此在泥盆、石炭、二叠系及中下三叠统中又叠加了左行走滑形成的构造形迹，如比芒村附近的等轴花边状向斜构造就是基底断裂右行、左行多期走滑构造活动留下的产物，九寨沟景区长海子的反“S”造型也反映了基底断裂走滑剪切作用的控制。

从九寨沟地震周边区域断块构造图(图4)可以看出，其周边区域断裂构造极其复杂，划分断块边界的Ⅰ级断裂构造主要有东昆仑-塔藏断裂带、鲜水河断裂带、岷江断裂、雪山梁子断裂、虎牙断裂、青川-平武断裂及龙门山断裂带等，它们将本区划分为6个Ⅰ级构造单元：西秦岭构造带、巴颜喀拉断块、川滇断块、摩天岭断块、龙门山构造带、四川盆地。

根据九寨沟主震及余震震中坐标投影，九寨沟地震发生在摩天岭断块内，发震断裂为摩天岭断块内的虎牙断裂带北支——夏莫隐伏断裂，其发震动力机制主要与印度次大陆向北持续碰撞挤压，导致青藏高原内部不同级别的断块间挤压、转换、剪切的断裂构造体制有关。具体说来是印度板块持续向北推挤导致向北西收敛的三角形巴颜喀拉断块向南东挤出逃逸，逃逸过程中遇到摩天岭断块、四川盆地阻挡，在近南北向岷江断裂带与虎牙断裂带夹持的岷山断块内出现挤压兼左行走滑构造动力学环境，形成了地貌上高耸的近南北向展布的岷山山脉；在北东向龙门山断块内出现挤压兼右行走滑构造动力学环境，形成了地貌上高耸的龙门山山脉；沿东昆仑-塔藏断裂带、鲜水河断裂带则表现为左行走滑剪切。现今GPS位移测量结果揭示，塔藏断裂的左行走滑位移量在向东传递过程中渐次减小，到达九寨沟麻枝杂附近，由于塔藏断裂尾端的马尾状分叉，大部分走滑应变转换为其南侧近南北向的岷江断裂带和虎牙断裂带上的地壳缩短[19]，形成南北地震带中段的岷山山脉。本次九寨沟地震就是由于巴颜喀拉断块向东逃逸，导致塔藏断裂东段尾端呈马尾状散开的复杂断裂分布区中的夏莫隐伏断裂左行走滑所引发。