龙门山南部断 龙门山断裂带与强震

2019-07-22 - 龙门山

通过对5.12汶川地震的成因分析,我们认为特大强震发生需要满足以下几个条件:

(1)地震的起发点(地震成核处)为强岩,强岩破裂强度和摩擦强度都大,起发地震的能量高,一旦触发,传之围岩,“居高临下,势如破竹”,周围老断层能被瞬时激活,多米诺骨牌效应,连锁反应,犹如“一颗炸弹引爆一个或连续几个炸药库”。

龙门山南部断 龙门山断裂带与强震
龙门山南部断 龙门山断裂带与强震

5.12之前,那些老断层本来就已处于临界壮态,一旦被引发,可想而之。5.12地震的震源位于龙门山脉内彭灌杂岩体之中。彭灌杂岩体在地面上呈透镜形,北东-南西向上长约105千米,南东-北西方向上宽约30千米。

该杂岩体主要由闪长岩、花岗岩、混合岩、片麻岩等组成。这些结晶岩石,形成于新元古代(距今约8.30~7.45亿年),主要组成矿物是石英和长石,岩石的剪切强度和摩擦强度都特别大,绝不轻易破裂和滑动,除非在外力作用下岩石内应力积累得非常高。

龙门山南部断 龙门山断裂带与强震
龙门山南部断 龙门山断裂带与强震

一旦应力达到其破裂强度或摩擦强度,必然要瞬时释放出巨大的能量,从而形成大地震。彭灌杂岩体西北侧出现的是前寒武纪的沉积岩,如粉砂岩、板岩、页岩、砾岩等;在彭灌杂岩体的东北方和东侧分布的是古生代和中生代的沉积岩和浅变质岩,如千枚岩、绿泥石片岩、灰岩、煤系地层等,这些成层的沉积岩和浅变质岩的剪切强度和摩擦强度比彭灌杂岩体中的结晶岩石低得多。

龙门山南部断 龙门山断裂带与强震
龙门山南部断 龙门山断裂带与强震

正由于如此,从彭灌杂岩体中形成和传出的地震断裂立刻所向披靡地向东北方向迅速打穿所有的沉积岩和浅变质岩层,过了北川后又向青川和陕西宁强方向传了近150千米才停下来。

主震后第13天青川县境内还发生一次6.4级余震。

龙门山南部断 龙门山断裂带与强震

所以说,这次5.12汶川大地震是始于强岩,传之弱岩,故强度大,波及范围广。地壳中蛇纹岩、绿泥石片岩、云母片岩、千枚岩等变质岩和页岩、板岩、泥岩等沉积岩属于屈服强度和摩擦系数都低的岩石,在地质构造应力作用下,这些岩石常常是作韧性变形即蠕变,“走而不断”,岩石在“走”(变形)但不形成脆性断裂。

灰岩在地表看似很硬,但在地下十几千米深处温度压力较高和有水环境中,其强度并不太高。在沉积岩和浅变质岩中,力学性质较强的(如砂岩)和较弱的(如页岩)岩层总是互层出现的,根据最小能原理,断层总是选择在弱岩层中通过,尽量避免切割强岩层。

在弱岩体中形成不了强震。所以,我们认为“强岩强震、弱岩小震、软岩不震(蠕滑)”。这条规律可以用到区域地震预测中去。

(2)震源深度适中。在龙门山地区震源深度约为15~20 千米,刚好在脆-韧性转变带之内,即地壳强度剖面的峰值段,能成强震。在脆性应变区,岩石摩擦强度随深度增加而作线性增加;在韧性应变区,岩石流变强度随深度增加而作非线性减少。所以,在脆-韧性转变带上岩石强度最大,最有可能形成强震。震源太浅(如几千米深)肯定形成不了大震,例如,洋中脊的正断层上就无强震。

(3)较高倾角(大于53度)的逆断层。正断层往往形成不了强震。激发一个倾角26.5°的逆断层所需的差应力要比激发一个正断层高约4倍,比激发一个走滑断层高约2.5倍。活动一个高倾角(大于53°)逆断层(一个逆断层从深部到地表往往倾角逐渐加大),不仅需要构造差应力非常之高,而且要求岩石中流体压力在起发地震之时等于或大于静岩压力。

大地震中,震源深度岩石破裂,流体向上排放,原先溶解在高压流体中的矿物质此时在张和剪破裂中析出结晶(甚至可能成矿),断裂的完全愈合(即断裂带的孔隙度和渗透率的完全消失)要靠压溶和体搬运作用完成。

压溶是一个较为缓慢的过程,所以高差应力特别是岩石中流体压力的重建都需要很长时间,这就是为什么特大地震都是几千年一遇的原因。等到有一天逐渐积累的差应力和流体压力又达到一定的阈值之时,就会发生一次新的大地震。断层带中这样的过程会不断地循环往复。

汶川地震正好满足上述条件,故原地复发周期长,积累能量大。青藏高原的北东边界(四川盆地西界、鄂尔多斯地块和阿拉善地块的南缘)都是如此。读到这里,有人可能会问:“是不是可以这么理解,汶川地震已经把几千年积累的应力释放完了,四川要发生大地震的可能性又在几千年之后”?汶川地震把震源点(可以简单地把它看作是一个直径约15~20 千米的球)上应力和流体压力释放差不多了,在这个点上2000~3000年不会有大震了,这并不等于说整个四川三千年就不震了。

相反,龙门山断裂带南段(映秀-宝兴-泸定)、石棉附近的鲜水河断裂带以及四川盆地内部的龙泉山断裂带和华蓥山断裂带南部因汶川大地震发生,应力反而增加。即使在龙门山断裂带的中段和北段,应力释放也主要集中在映秀-北川-青川断层(275 千米长)和灌县-安县断层(100 千米长)上。

附近地区其他断裂如岷江断裂、虎牙断裂、平武-青川断裂、江油-广元断裂基本上都没有参与5.

12地震系列的活动。那些有很强的发震能力但已有很长一段时间没有发生地震(缺震)的断裂带是地震空区,说明那里能量已经积累起来,更有可能发生强震。所以,我们绝对不能说“汶川地震后,四川三千年不震,四川省的防震工作从此就可以不做了”。今天雅安芦山县发生的7.0级地震就是一个无情的说明。汶川地震之后四川灾后重建的房屋是否经受得起强震的二次打击?我甚担心!

四川盆地西侧有龙门山断裂带,东面有华蓥山断裂带,中间还有龙泉山断裂、蒲江-新津-成都-新都-广汉-德阳断裂、大邑断裂、竹瓦铺断裂和绵竹断裂等,盆地内部还有一些隐伏的盲断层,这些断层具逆冲推覆或右旋斜冲推覆性质,隐伏地下5~15千米深处,地表很少有形迹可循,与之相伴生的往往是一些非对称性的地层褶皱(即断层传播褶皱)。

在未来500~1000万年之内,龙门山褶断带将进一步东移,华蓥山和龙泉山都向西推覆,四川盆地将越来越小,盆地内沉积岩层的活动褶皱越来越强(薄皮构造)。

四川盆地内部地震的震源不会太深,一般不大于15千米。另外,四川盆地中较厚的松散的沉积,具有明显的震害放大作用,沙土震动液化以及软土震陷等作用对工程建筑的破坏极为严重。

四川盆地内隐伏盲断层之上人口稠密、工业发达、即使一次6.5级地震都会给成都这样的大城市带来惨重的社会经济损失和人员伤亡。希望四川省领导和有关部门居安思危,具强烈的忧患意识,密切监测四川盆地内部断裂带的构造活动,同时提高建筑物的抗震标准,并严格把好建筑质量关。