2-20 地震断裂带的破裂结构、构造演化及大地震复发周期

项目名称：地震断裂带的破裂结构、构造演化及大地震复发周期

          汶川科钻岩心中的地震断裂作用研究

          龙门山断裂带汶川科钻长期监测研究

所在单位：中国地质科学院

完成人员：李海兵 司家亮 刘栋梁 孙知明 王焕 付小方 侯立伟 裴军令 刘江 龚正 韩亮 潘家伟 杨光 张伟 李成龙 张佳佳 云锟 张文静

项目来源：国家科技支撑计划项目、国家自然科学基金重点项目、中国地质调查局工作项目

起止时间：2008—2014年

 

主要进展

 

《地震断裂带的破裂结构、构造演化及大地震复发周期》隶属于《汶川地震断裂带科学钻探（WFSD）》项目下设课题，拟开展汶川地震地表破裂带调查，进行断裂带结构、断裂作用、构造演化等综合研究，通过研究获得以下重大创新性成果：

 

1、地表调查厘定了汶川地震产生地表破裂带性质：映秀-北川地表破裂带长~270km，为逆冲兼右行走滑性质；安县-灌县地表破裂带长~80km，为纯逆冲性质；小鱼洞地表破裂带长~6km，为连接前两者的左行走滑兼逆冲性质。通过地表同震断层擦痕、震源破裂过程等对比，提出汶川地震由两次不同运动性质的子破裂事件组成，初期破裂以逆冲运动为主，后期破裂以右旋走滑为主。根据汶川地震沿破裂带的最大水平位移和最大垂直位移量位置相近且位移量相似（Dh/Dv≈1），提出近45°方向的斜向逆冲作用可能是山体快速隆升的重要机制。

 

2、通过研究汶川地震发震断裂映秀－北川断裂带地表露头和汶川科钻岩心，确定了映秀－北川断裂带由五个次级单元组成，分别为：碎裂岩带、黑色断层泥和角砾岩带、灰色断层角砾岩带、深灰色断层角砾岩带以及断层泥和角砾岩带。断裂岩组合显示映秀－北川断裂带具有多核断裂结构特征，宽度约为200-240 m，假玄武玻璃不仅在花岗质碎裂岩部分出现，而且还发育在断层角砾岩的沉积岩中，表明映秀－北川断裂带是一条具有长期演化历史的地震断裂带，结合碎裂岩形成深度和剥蚀速率，推断龙门山新生代最初隆升时间可能为～20Ma之前，并提出映秀-北川断裂带南北两段具有完全不同的形成演化历史。

 

3、断裂弱化机制是认识地震破裂过程的重要内容。在汶川科钻一号孔中，约590米深度发现汶川地震滑动所形成的1~2毫米厚的新鲜断层泥（主滑移带），并在主滑移带内部发现蒙脱石矿物增加以及石墨出现，表明其热增压作用可能是汶川地震断裂弱化机制之一，通过摩擦实验显示地震滑移速率环境下断层非常弱，并沿滑移带形成石墨，这与自然界中汶川地震主滑移带岩心样品中发现石墨相一致，表明石墨化与显著的动力弱化有关，提出石墨沿滑移带的富集不仅可以作为上地壳地震滑移期间瞬时摩擦生热的标志，而且可以作为大地震发生的标志。这一结果对认识汶川地震破裂过程具有关键意义。

 

4、断裂的摩擦系数不仅是确定地震断裂强度的最重要的数据，而且还是理解地震机制和同震弱化的关键力学性质参数。在汶川科钻一号孔（WFSD-1）中近4年的长期连续测温，计算所获得汶川地震主滑移带的摩擦系数为0.02，这是自然界中获得的最低摩擦系数，它远低于在高速摩擦实验中观察到的最低值0.1。这一结果不仅对认识汶川地震机制具有极其重要的意义，而且也直接回答了地震物理学领域中一直困惑的问题。

 

5、大地震过程中大量流体的存在是断层强化的重要因素。通过对汶川科钻一号孔岩心的研究，发现沉积岩中存在快速冷却的熔融体，表明在地震滑动过程中断层摩擦产生高温、岩石熔融，使断层弱化易于滑动，随后沿断层的大量流体使得熔融体瞬间冷却，断层强化，使得断层滑动逐渐停止。大量流体在同震滑动过程中起到强化断层作用的认识对地震破裂机制的认识具有重要意义。

 

6、震后愈合对认识孕震机制和地震周期具有重要意义。在汶川科钻一号钻孔中（WFSD-1），通过分析地下水位连续变化对潮汐力的响应来计算震后断层的地下水渗透率随时间的变化，汶川地震断裂带（映秀-北川断裂带）的渗透率整体随时间而快速减小，这一趋势反映了汶川地震断裂（映秀-北川断裂带）的震后快速愈合过程，对于当地的孕震机制以及地震周期有指示意义。这是世界上第一次用水文方法连续观测到断层破裂带震后愈合的过程。同时发现汶川断层破裂带的渗透率比已知其他断层带的渗透率高，这表明汶川地震发生时，在断层附近有显著的地下水流动，而地下水的流动会影响断层附近的有效正应力及摩擦产生的热，从而影响了地震的破裂过程。灌县-安县断裂带具有震后慢速或不易愈合的特征。

 

7、确定了汶川地震断裂带-映秀-北川断裂带是一条具有多种滑移机制（机械润滑、摩擦熔融和热增压机制）、易产生大地震的高角度逆冲断裂带；安县-灌县断裂带以蠕滑变形为特征，是不易发生大地震的低角度逆冲断裂，而汶川地震沿该断裂发生破裂，是由于汶川地震时映秀-北川断裂破裂迫使其发生被动滑动。

   

以上成果发表论文27篇，国际SCI论文12篇，其中《Science》 1篇， 《Geology》 2篇， 《Tectonophysics》 8篇。