作者:陈晨 来源:科学时报 发布时间:2009-6-22 9:50:54
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《地质学》:徐锡伟小组构建汶川地震三维构造模型
  
2008年汶川地震后,在国家自然科学基金委员会紧急启动的主任基金资助下,中国地震局地质研究所研究员徐锡伟领导的研究团队从地表破裂探寻汶川地震的构造成因,并取得重要进展。相关研究成果刊登在近期出版的《地质学》(Geology)杂志上。
 
下地壳流动增厚模型遭遇挑战
 
一年前发生在青藏高原东缘龙门山推覆构造带中段的“5·12”汶川大地震是一次震惊世界的灾难性地震,也是一次罕见的逆冲斜滑型特殊地震。这次地震发生在GPS监测到低应变速率的龙门山区,并出现了多条断裂参与地震破裂和同震滑移分解现象。
 
更为特殊的是,地震发生在被认为是国际地学界主流模型之一的下地壳流动增厚模型——新生代以来地壳主要以垂直隆升为主、没有强烈水平缩短的龙门山区,但是地震出现了多条以逆冲为主兼有右旋走滑的地表破裂带,并呈现出明显的地壳水平缩短。由此,汶川地震对下地壳流动增厚模型提出了挑战。
 
这也使汶川地震为国内外地震研究者提供了一次难得的机会,可以借此深入剖析逆冲斜滑型地震构造特征、地震破裂过程、深部孕震构造环境、发震活动断层地质滑动速率、现今GPS监测速率与地震危险性关系等科学问题,也为检验青藏高原运动学模型,特别是青藏高原物质南东东向水平运移与横向隆升转换关系提供了具体观测对象。
 
地震地表破裂是地壳弹性应变转化为永久性构造变形的主要表现形式之一,是震源断层错动在地表产生的破裂和变形的总称,包含着大陆地壳变形方式、运动状态、地震破裂过程等重要的基础信息。此外,地表破裂长度、同震位移平均值和最大同震位移值等是描述地震地表破裂样式和评估地震总释放能量不可缺少的或重要的运动学参数,它们通过与矩震级之间的经验关系式,用于类似活动断层不同段落的地震危险性评价,作为分析地震孕育与破裂过程、发震构造模式和成因的基本约束条件。地震地表破裂的观测也是工程抗震设防的基础,有利于总结经验教训,采取有效对策减轻未来可能遭遇的大地震对社会、经济的冲击,对理解斜滑推覆构造系统灾害的分布特征具有十分重要的科学意义和现实意义。
 
汶川地震发生后,中国地震局、中国科学院、中国地质调查局、建设部等部门的科研人员立即奔赴地震现场,冒着余震频发和山体滑坡的危险,在第一时间进入龙门山区的映秀、北川和青川等地,对地震地表破裂带展开了抢救性和保护性的科学考察和实地测量工作,获得了宝贵的第一手有关地表破裂带展布、同震地表变形或破裂类型和同震位移测量数据、资料和成果,深化了对汶川地震破裂过程和破裂机制的认识,并取得了丰硕成果。
 
构建汶川地震三维构造模型
 
徐锡伟领导的研究团队在野外考察中发现,汶川地震使北东向龙门山推覆构造带中央中段北川断裂、前山彭灌断裂等两条叠瓦状逆断层和一条北西向小鱼洞断裂同时发生破裂;而龙门山推覆构造带后山断裂,即汶川—茂汶断裂,在本次地震中没有发生同震地表破裂。北川断裂上地表破裂带长约240 千米,可分为以逆冲推覆为主的虹口—清平段和同时兼有右旋走滑分量和逆冲运动分量的北川—石坝段;其中,虹口—清平段长118 千米,最大垂直位移约6.2米,平均垂直位移介于3~4米之间;北川—石坝段长约122千米,最大垂直位移为6.5米,最大右旋走滑位移为4.9米,平均垂直位移和右旋走滑位移均为3~4米。彭灌断裂上地表破裂带长约72千米,最大同震垂直位移约3.5米,平均垂直位移介于1~2米之间;北西向小鱼洞断裂上地表破裂带长约6 千米,最大同震垂直位移为3.4 米,最大同震左旋位移为3.5 米,为连接北川断裂与彭灌断裂的侧向断坡。综合分析表明,汶川地震地表破裂带在地表破裂类型、破裂宽度、几何结构和同震位移分布等方面具有非常鲜明的特色,是迄今为止地表破裂结构最复杂、破裂长度最长、同时兼有逆冲和右旋走滑分量的一次板块内部逆断层型特大地震事件。
 
综合已有资料,利用平衡剖面技术,徐锡伟等人构建了汶川地震三维构造模型。在震中区,龙门山山麓构造由多条叠瓦状逆断层组成,主要包括汶川—茂汶断裂、北川断裂、彭灌断裂和四川盆地之下的一条盲断层等,它们调节、吸收龙门山区的地壳缩短。汶川地震起始于中地壳近于水平的北川断裂断坪(滑脱面)向上翘起扩展的断坡附近,深约19千米,北川断裂上部陡倾断面使其能够调节较大的走滑分量,同时在地壳中上部与北川断裂合并的缓倾角彭灌断裂也发生纯逆冲推覆,造就了龙门山山麓可见的高耸地形。此外,北川断裂向北倾角变陡,同时调节逆冲滑动和走滑运动分量,因而汶川地震破裂包含了沿叠瓦状推覆构造带内部多个断层段的不同类型滑动,联结不同地震破裂段,这是汶川地震震级如此大的构造原因。
 
徐锡伟等人还依据北川断裂和彭灌断裂上地壳平均倾角、最大同震位移和运动矢量合成原理,初步估算汶川地震引起了龙门山区在北西至南东方向上缩短了约8.5米,通过两条叠瓦状逆断层转换为龙门山区最大量约7.5米的隆升。即青藏高原南东向至南东东向水平滑移,在高原东缘通过横向推覆构造带的逆冲至斜滑逆冲,转换为地壳缩短和高原隆升,造成青藏高原高峻地形的不断增长。即青藏高原块体运动学模型更能解释汶川地震的构造成因。
 
目前,徐锡伟领导的研究团队,仍在震区对汶川地震的破裂活动进行更深入的研究,并在国家自然科学基金的资助下与台湾学者合作,开展汶川地震与台湾“9·21”大地震的对比工作。
 
《科学时报》 (2009-6-22 A4 科学基金)
 
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