（自然地理学专业论文）汶川“512”地震灾区——龙门山山前砂土液化调查研究.pdf

摘要 通过对龙门山山前平原区液化现象进行详细调查，初步摸清了液化点的分布范围并 分析产生这一现象的原因。主题部分有两个，第一部分从调查破裂带出露的位置出发， 详细地厘定出此次地震发震断层，并调查了此次地震的次生灾害种类，第二部分对龙门 山地区第四系地层进行数字化，结合液化点的分布现象，初步研究此次地震中液化的分 布规律，结合液化点地震动最大峰值加速度，对比震中距和断层距并初步分析控制液化 的主要因素。通过本调查研究初步得出以下的结论： 汶川大地震发生后开展的野外调查测量，揭示了在北东走向的龙门山断裂带上至少 两条逆冲断裂同时参与汶川地震同震破裂过程，其中包括倾向北西、逆冲兼右旋走滑的 高角度北川断裂，以及倾角较缓，近纯逆冲的彭灌断裂。发震断层是龙门山断裂带内部 的高角度逆冲断裂逆冲断裂活动。汶川地震这样的大震级和长破裂的逆冲地震事件对流 行的青藏高原下地壳流动变形假说提出了严峻的挑战。 调查发现液化的土类包括多种土类，粘土、粉砂、细砂、中砂、黑砂、砂砾石等。 液化深度一般较深，从喷出物特征和调查现场取证可初步判断此次液化大多数液化发生 在地表1 0 m 以下。 将液化点与数字化区域地质图进行对比，发现液化点大多位于q 4 地层，少数液化 点则分布于q 3 地层。在q 3 和q 4 地层都有出露的地区，则液化点多分布于地层交界地 带。 分形分析发现液化点喷出的砂体组成成分与分形维数之间存在一定的关系，对比液 化点的位置、地貌表现、液化层砂土的来源及颗粒成分发现，控制地震液化砂体的分形 维数不仅仅与地震作用有关，砂体的特殊位置、水动力条件、砂的成份等等都与其有关， 分形维数愈大，砂体分选结果越好，中细砂所占比例就愈大，反之亦然。 通过对龙门山山前平原区的液化现象的调查和研究进行归纳总结，发现液化点多集 中在山前2 5 k m 范围内，液化点呈条带状分布于山前，并平行于地震主断层的走向。另 外，研究发现山前2 5 k m 区域内也是地震动峰值加速度衰减剧烈的地带。 关键词：砂土液化龙门山主断层喷砂冒水p g a a b t r a c t w e1 e 锄a b o u tt h ed i s t r i b u t i o no ft h el i q u i f i c a t i o na n da n a l y s i st h er e a s o nt 1 1 r o u 幽t h e 撕e s t i g a t i o ni nl i q u i 丘c a t i o ni nc o n o p l a i no fl o n g m e nm o u n t a i n w h i c hi n c l u d ec h e n g d u p l a i na n dr o l l i n gg r o u n di nt h e n o r t ho fs i c h u a nb a s i n t h ep a p e r st o p l c h a v et w o p a r t s f i r s t ，w ei n v e s t i g a t et h er u p t u r es i t ea n d f i n dt h ee x a c tl o c a t i o ns e i s m o g e n l cf a u l tm 也e a r e ao fea n _ h q u a k e ，w ea l s os u r v e yt h er u p t u r ep a r a m e t e r a n dt h ek i n ds e c o n d a r yo ft h e g e o l o g i c a lc a l 锄i 够s e c o n d ，w ed i g h i z e t h eg e o l o g i c a lm a po fq u a t e r n a r ys t r a t aa n dt m d t h e p h e n o m e n o no fl i q u i f i c a t i o n a n dw eg e tt h ed i s c i p l i n eo fl i q u a f i c a t i o n i nt h et e 肌o f p g a ( t h e a c c e l e r a t i o no fm a x i m 啪p e a kg r o u n dm o t i o n ) ，w ec o n t r a s tt h es i t eo fe p i c e n t r a l d i s t a l l c ea n d f a u l td i s t a n c ea n dg e tt h em a i nf a c t o rw h i c hc o n t r o l t h el i q u i f i c a t i o n b a s i n gt h e s er e s e a c r h e s ， w eh a v es o m er e s u l t sb e l o w ： a tl e a s t ，w ed i s c o v e rt h e r ea r et w ot h r u s t f a u l t sw h i c hl o c a t ei nl o n g m e nm o u i l t a l n ， p a n i c i p a t i n gi n t h er u p a t u r ea tt h es a m et i m et h r o u g hf i e l ds u r v e y i n g a f t e rt h em a l n s h a l ( e o n ei st h eb e i c h 啪f a u l t ，t h eo t h e r i s p e n g z h o u - g u a n x i a nf a u l t t h e f o m e r1 s w e s t 1 e a l l e dh a sl a r g e rs l o p ea n g l ea n dh a ss o m ed e x t r o r o t a t i o np a r t i a l l y t h el a t t e r i st i l r u s t f a u l t ，o i d yh a sl i t t l es l o p ea n g l e t h em a i ns h a k ep l a c ea tt h ef o r m e r t h ee a n l l q u k e r 协k es o m e s e r i o l l sc h a l l e n g e st ot h eh y p o t h e s i su n d e r t h et h et i b e tp l a t e a ue a r t h sc m s tt l o w m a ：t e r i a lw 1 1 i c hl i q u e 矽i nt h ee a r t h q u a k e a r e ac o n l u d ec l a y ，s i l tc l a y , s i l t , f i n e s a n d ， m e d i 啪s a i l d ，b l a c ks a n d ，g r a v e l a n ds oo n l i q u i f a t i o na l s oe x i s tb e y o n dt h ed e p t h o f 10 m l i q u i f a t i o na l s oe x s i ti nq 4 s t r a t aa n dl i t t l ei nq 3 i nt h el a s t ，w ef i n dt h el i q u i f a t i o ni s f o c u so i lt h e2 5 k mb e f o r el o n g m e nm o u n t a i n , a n d t h i sa r e ai st h em a i ne x t e r m i n a t i o no f s e i s m i ce n e r g y i i 鲁东大学学位论文原创性声明和使用授权说明 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的 研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或 集体己经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均 已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。 作者签名： 历眺弘口一月6 归 侈 日期：弘口7 年 6 5 的o l y m p i a 地震、1 9 6 4 年日本新泻 7 5 级地震、1 9 9 5 年日本神户7 2 级地震、1 9 9 9 年土耳其7 4 级地震和2 0 0 1 年美国 n i s q u a l l y 6 8 级地震【8 】【9 】【l o 】。 发生在我国1 9 6 6 年邢台7 2 级地震、1 9 7 5 年海城地震、1 9 7 6 唐山7 8 级地震和1 9 9 9 台湾集集7 6 级等几次地震中都有关于大面积地层液化、地面开裂和下沉、农田被砂石 所埋、农田灌溉设施被破坏等现象的报道【1 0 】【1 1 】1 2 】。 全球范围内多数地震中都有液化现象，工程学家和地质学家于1 9 6 4 年日本新泻地震 和美国阿拉斯加地震后才真正开始对液化进行深入研究。液化成为四十年来一直被高度 关注的研究课题。直到1 9 7 0 年才建立起基本的研究原则并进行大量的实例分析应用。尽 管对地震液化的大量实例研究取得一定成绩，但是液化的机制到目前我们还没有完全弄 清楚。到目前为止许多关于液化研究的假说被提出，尽管假说都有其应用的局限性，但 是假说还是具有其较为广阔应用前景。目前，关于液化研究的假说归纳起来主要有三种： 一、地震中产生的液化是由于在不排水环境下固结而成饱和土中空隙压力增加的结果， 在这种不排水的环境下，颗粒间的应力逐渐转变为颗粒间的空隙水压力。在某种程度上 4 鲁东大学硕士学位论文 如果空隙压力增加超过其上覆盖层的压力，砂粒失去其重力就想流体一样，这个过程即 液化。二、地震液化导致部分土壤密度的重新分配，但是土壤保持总体积不变。也就是 说在地震时，一部分土壤固结其他部分土壤松散以至于产生收缩，于是当空隙压力增加 到一定程度使得土壤失去固有的强度而产生流动。三、较少被知的假说，即高空隙的液 体压力传播到其周围的土壤以至于减少它们的抗液化的力量。第一、二中假说的机制需 要进行地方或全球的土壤实验验证。目前关于液化机制的研究大部分基于实验室内大量 的土木工程技术实验，其实验中的饱和土壤可以进行多种应用性加载3 1 4 1 5 】【9 】。 地震液化通常的三种表现形式是砂沸、流滑和循环活动性的表现形式，李勇军等人 对地震液化的三种表现形式的形成机制和地震作用下砂沸发生的应力条件并对其应力 演进过程进行了相应的研究，指出三种液化机理的本质和结果是一致的，即最终导致液 化的发生【7 1 1 9 1 1 2 6 】1 2 8 1 。 国内外大多数地震都有关于大面积地层液化、地面开裂和下沉、农田被砂石所埋、 农田灌溉设施被破坏等现象的报道【8 】- 【1 2 】。因此对液化研究的将随着人类社会进步将日益 引起人们的重视。 c h i y u e nw a n g 根据台湾密集的水文监测井资料对1 9 9 9 年台湾集集地震瞬间水压变 化进行研究，建立了基于非线性机制下地震动对沉积物影响的模型，并指出地震动将引 起冲积扇空隙压力增大导致地层发生液化，更为严重的是引起大面积滑坡和地层倾斜【5 j 。 1 9 9 5 年南兵库县7 2 级地震引起的喷砂冒水沿n o i i m a 地震地表破裂带的很多地点分 布，此次地震中的液化是由于地表破裂前瞬时强地震动造成的。当地液化伴随的喷砂冒 水现象的粒度分布特征显示出所喷出砂在产生液化的粒度变化范围内。地震液化通常是 s 波产生的水平向震动在松散砂层下的空隙压力不断增加并产生有效压力的结果。 a i m i n gl i n 根据小仓家液化点场地证据和地震数据对该区域进行研究，研究结果表明该 点的液化是由于1 9 9 5 年南兵库县地震的主震动后3 至4 秒时间内引起的，另外该液化点的 数据证明液化是由于p 波的垂向震动而不是s 波水平向震动引起的，这种液化被定义为瞬 时震动液化【13 1 。 y o n gl i 等人将密西西比大洪水引起的喷水冒砂特征与在1 8 1 1 1 8 1 2 年间发生在美 国密苏里州新马德里地震所引起的喷砂特征进行对比，并分析洪水引起的液化与地震引 起的液化的区别，其研究结果证明地震引起的液化现象广泛分布于极震区，但是洪水引 起的喷砂冒水现象仅仅分布在沿河堤比较狭窄的地区；地震导致的液化产生的导管呈平 坦的岩脉状，洪水导致的液化大多呈管状；曾经发生过地震的地表容易产生砂流而不是 喷砂冒水；地震引起变形的地层深度较为宽泛，但是其喷砂只来源于浅地表；洪水引起 鲁东大学硕士学位论文 液化的砂子较喷砂容易分类和存储【1 4 1 。 c h i y u e nw a n g 等通过对台湾集集地震伴随的液化现象研究发现较低的含水层与液 化之间没有任何关系。地震中液化地点分布与地貌的关系紧密相连，集集地震中液化点 的分布极不均匀，其中7 5 以上的液化点分布在距离主断裂带不至l j 3 0 公里，但是在地震 中上升盘中更新世地层中没有液发生。液化主要发生在较高的含水层中，这与液化发生 在近地表年轻的、不夯实的沉积物的事实是一致的【5 j 。 在几乎所有的地震实例中，液化一般发生在全新统、晚更新统地层中，最常见的是 发生在全新统地层中。地震动引起液化发生最低阈值是0 1 9 t 5 1 1 2 1 】【2 2 】，引起液化的地层的 地震动一般起始于地下1 0 m 左右的地方。松散或密实液化层的磁化率是可以通过场地标 准贯入方法测定。 液化发生的最低震级可以达到5 级，但是通常最常见的是5 5 至6 0 级地震中伴随 较多的液化现象。影响液化的最重要因素：一是与峰值加速度有关的周期性剪切压力的 最大振幅，二是与强地震动有关的周期性剪切波持续时间【l 】- 【5 】【2 3 1 。 高振寰对唐山震区的分布范围和液化的灾害状况进行详细的调查，并结合震区的地 质地貌条件以及部分钻孔和地下水资料分析了唐山震区液化成因及影响因素【6 】。地震液 化是由同震震动引起的，同时也受地貌活动创造的土壤条件控制。尹荣一等人根据前人 研究成果结合野外调查分析了唐山地震区地貌格局，并结合唐山地震区液化现象与地貌 之间的关系进行初步的讨论。从唐山地震区地貌与液化现象对比分析得出液化与宏观地 貌特征并非毫无关联。河流冲击平原上容易发生地震液化，冲击砂体越新越有可能发生 液化；河道附近极容易发生喷冒现象，河曲附近的喷冒现象尤为复杂【2 4 1 。朱淑莲采用数 理统计方法，对唐山地震时影响砂土液化的十五个因素进行尝试性综合分析得出各个影 响因子的大小【2 引。 1 3 研究方法 大多数关于液化及潜在液化研究采用两种方法，一种方法是广泛区域的评估，另一 种是精细的特定场地调查。尽管两种方法都对液化研究很有效，但是还需要一个与两者 相比较为折中的一种方法来进行调查，这种方法比广泛的区域评估精确，比特殊场地调 查的面积要大。这一方法是被c a lp o l y 大学的b y g u n 、n o e l 和c o d u t o 于1 9 9 1 年在对美 国加州的s a nb e m a r d i n o 城南半部分进行液化危险性评价时首次采用。加州理工大学的 d e c o d u t o t 教授1 9 9 3 年将这一方法推广应用到城市及郊区，这种方法不失为地震后进 6 鲁东大学硕士学位论文 行快速调查的有效方法。这种方法通过对公众调查地震时砂土液化现象以及结合区域地 下水资料来进行地震液化危险性的评价。花费少、并合理地分配有限的经费用到最需要 调查的液化点、获取地震时最丰富的资料是这种方法的显著优点【9 j 。由于全球震级较大 的地震发生的频率较低、各个地震的成因类型和影响不同，因此这种方法的推广应用受 到一定的限制。地震后及时地对地震灾区群众进行液化现象调查获得全面的记录对液化 危险性评价有非常重要的意义。 汶川地震后灾区救援和救灾物资的运输，使得交通变得较为紧张，在地貌较复杂的 汶川地震灾区采用d r c o d u t o t 教授提出的方法是非常有效的，既可以避免交通拥挤， 又可以调查较为详细全面。对液化区域进行详细调查，可以得出地震液化危害区域的分 布，这为以后的区划、建设以及灾害防治提供有参考价值的信息。由于调查区域位于龙 门山山前，属于四川盆地与龙门山断裂带的过度地带，调查区内隐伏断裂分布的区域在 此次地震中是否有液化现象，以及液化现象特征的描述是本次地震调查的一个重点。希 望通过调查区域内液化现象的调查获得第一手资料并对灾区液化现象进行评价分析是 本文的另一个侧重点【2 9 】。【3 4 】。 结合地震后的各种可能出现的情况对山前平原灾区进行规划，调查时对液化点进行 g p s 精确定位并结合1 ：5 万地形图和1 ：2 0 万区域地质图确定液化点小区域环境。对 比前期调查的地震破裂发生的位置，利用a r c g i s 软件求出液化点与震中的距离、液化 点与主断层的距离，并利用s p s s 、e x c e l 等软件进行统计分析，结合区域地质资料和前人 有关该区域的研究结果合理地分析平原区液化发生地主要范围和规律。 1 4 研究路线 震后迅速搜集灾区资料，结合前人对龙门山构造带、龙门山山前平原区的研究，对 地震伴随的龙门山山前液化点进行详细的调查，是完成本论文的基础。结合区域地质地 貌资料和前人对龙门山地区、成都平原地区的研究结果，对调查区域液化现象的成因进 行详细分析，总结此次地震调查区液化点特征和分布规律。将灾区液化时伴随的喷砂以 及喷砂裂口形态特征结合区域地质资料、地震动资料，分析液化的原因以及液化危害范 围。液化点伴随的现象及其与震中的距离对比，液化点伴随现象及其与地震主破裂进行 对比分析，探讨控制液化的主要因素。对本次地震的成因分析提供有价值的参考，对灾 区重建提出有意义的建议。具体的技术路线图见图1 1 。 7 鲁东大学硕士学位论文 1 5 研究内容与创新点 图1 - l 技术路线 f i g 1 - 1t e c h n o l o g yp a t h 论文的主要内容是：汶川地震后短期内在野外进行地震引起的砂土液化的现象的调 查和分析。本文重点是对液化瞬间伴随的地表破坏现象调查，分析液化现象产生的原因。 论文详细地描述了地震引起的龙门山山前重灾区液化点现象以及地表结构特征。结合区 域地质资料、地貌特征和地下水文资料等分析容易产生液化地带并解释其地质、地貌成 因。论文还根据主震地震动最大峰值加速度( p g a ) 分布，插值生成各个液化点的p g a 8 鲁东大学硕士学位论文 值，结合液化点与震中的距离以及液化点与主断层间距离分析液化点地震动的衰减规律 及影响。最后对龙门山山前平原区液化产生的原因及影响进行系统的分析，并针对灾后 重建提出一些有效的、符合实际的建议。 论文的创新点：详细地描述各个灾区因地震产生的液化现象，这不但是对地震产生 的次生灾害的一种有效补充，而且尽最大可能恢复地震瞬时的液化现象及伴随的破坏。 通过液化点喷出物进行尝试性分形实验，分析液化点液化物质来源。另外从p g a 与地 震主断层之间关系着手分析是本文的有意义尝试。本文的研究方法也是一种创新，原因 是本文的调查是在灾区应急的状况下从实际情况出发依据不同条件进行的，尽管国外已 有人采用过这一方法，在国内采用这一方法的人仍是为数较少。 9 鲁东大学硕士学位论文 2 1 研究区地理概况 第二章研究区概况 四川省位于我国的西南部，简称川或蜀( 省会成都) ，位于东经9 7 0 2 1 1 0 8 0 3 17 ， 北纬2 6 0 0 3 - 3 4 0 1 9 ，东西长约1 0 7 5 k m ，南北宽约9 0 0 k m ，面积4 8 5 万l ( n 1 2 。四川省东 与重庆市、湖北省接壤，西与西藏相邻，南与云南、贵州相邻，北接陕西、甘肃、青海。 地处长江上游，山地和高原占7 8 8 2 。四川地貌东西差异大，地形复杂多样。四川位 于我国大陆地势三大阶梯中的第一阶梯和第二阶梯，即处于笫一级青藏高原和第二级长 江中下游平源的过渡带，高差悬殊，西高东低的特点特别明显。全省大致可分为四川盆 地和川西高原两大部分，见图2 1 。 西部为川西高原，海拔3 0 0 0 5 0 0 0 m ，山高谷深，高山峡谷间大江如带。山河多呈 南北走向，有沙鲁里山、大雪山、峨眉山等和金沙江、雅砻江、大渡河等。气候各地有 明显差异，川西高原的气候垂直分布现象明显，1 月平均气温9 3 0 c ，7 月为1 l 1 7 0 c ， 年均降水量5 0 0 7 0 0 m m ，植物呈垂直分布，以针叶林和草地为主。东部为盆地、丘陵， 海拔多在1 0 0 0 3 0 0 0 m 之间。东部的四川盆地是我国四大盆地之一，面积1 6 5 万k m 2 。 盆地四周为邛崃山、岷山、大巴山等山地和贵州山地环绕，重峦叠嶂。盆地中部海拔 4 0 0 8 0 0 m ，地势微向南倾斜，岷江、沱江、嘉陵江从北部山地向南流入长江。气候温 暖湿润，冬暖夏热，大部分地区年降水量9 0 0 1 2 0 0 m m ，多生长有亚热带植物。 四川盆地被北东走向的龙泉山和华蓥山分为西部成都平原、中部丘陵和东部平行岭 谷。华蓥山以东为平行岭谷区，是由一系列北东一南西走向的背斜山地和向斜谷底组成。 龙泉山与华蓥山之间为中部丘陵区海拔2 0 0 6 0 0 m ，自北向南倾斜，北部以深丘为主， 中部多台阶状丘陵，南部以中、低山为主。西部平原区位于龙门山逆冲推覆构造带构造 带和龙泉山褶皱带之间，即成都平原。成都平原北起安县，南至乐山五通桥。本文的研 究区位于四川盆地西部的成都平原和川北方山丘陵区，属于龙门山山前平原。气候为亚 热带季风气候，月平均湿度为7 0 8 0 。一月平均气温3 99 c ，七月平均气温 2 5 2 9 。成都平原降水丰沛，多年年平均降水量10 0 0 m m 左右。成都平原长约2 0 0 k m ， 宽约4 0 7 0 k m ，面积6 2 0 0 k m 2 ，平均海拔5 0 0 6 0 0 m ，地势自西北向东南微倾。研究区 的主要地貌类型为平原，台状浅丘。 l o 鲁东大学硕士学位论文 图2 - 1 “51 2 坡川大地震位置及区域地质构造图( 据文献有改动) f 培2 - i 5 1 2 w e n c h o a ne a r t h q u a k es i t e a n d i t ss l 珈c m r a ls e t t i n g s 2 1 1 研究区地貌 从图2 - 1 不难看出，调查范围大致呈长方形，长轴平行于龙门山构造带，短轴垂直 于龙门山构造带。大致包括成都平原的中西部、中北部和四川盆地北部丘陵区的一部分。 成都平原内部地貌主要有河流、河流冲积扇和冲积平原，平原区沿山一带有部分台地、 二级阶地，沿河流两岸有部分河漫滩，其斜坡均为一级阶地冲洪积扇状平原。四川盆地 北部地貌主要包括中低山、丘陵、二级阶地、一级阶地和河漫滩等地貌类型。调查点在 地貌上主要分布在岷江冲积扇、湔江冲积扇、石亭江冲积扇、绵远河冲积扇、涪江冲积 扇等扇体上。各冲积扇间和边缘分布有扇问河和扇缘河，水系呈网状分布，形态复杂。 各个冲积扇由于成因和发育历史不同，自西南至东北扇体的坡度稍有差异，表现为地表 稍有起伏，但是平均坡度为3 1 1 ，表层为2 l o m 不等厚的表层土，下部即为砾石 层在成都平原北部扇缘处有部分泉眼分布。砾石层岩性为全新世或晚更新世最晚期的 河流相沉积。总的来说调查区内成都平原地表和近地表主要由一套砂卵砾石及黏质砂 鲁东大学硕士学位论文 土、砂质黏土组成，粒度成分在垂直方向上有明显的二元结构5 7 , 6 1 】。在四川盆地北部， 地貌主要表现为丘陵区，河流两侧发育有河漫滩。 2 1 2 研究区河流 研究区河流自山区进入平原则呈扇状分流。自南向北分别为岷江、沱江、涪江三大 水系。各个水系由于地质结构和形成历史不同，在地表的表现形式也有区别。 岷江水系：岷江于都江堰市山口进入平原，并由都江堰水利工程分为内江、外江。 其中内江包括蒲阳河、走马河、柏条河、江安河。外江分为金马河、羊马河、沙黑总河。 另外，还有发源于龙门山山前的文锦江、斜江、南河、蒲江河、蒙阳河等纳入金马河， 并于新津县流出成都平原。岷江水系在从都江堰出山口后大致呈放射状分布。因此形成 的冲积扇面积较大，并以扇顶为顶点向下游散射分布。 沱江水系：主要有湔江、石亭江、绵远河组成，在三条河流进入平原后呈扇状散开， 并在中途接纳了发源于山前的马尾河、鸭子河、射水河等，并于金堂县的三水镇流出区 外。沱江水系总体上则呈汇聚状分布。 涪江水系：主要有安昌河、湔江、东坪河、涪江组成，并在绵阳市汇合，向南流入 四川盆地的平原区。 成都平原区河道两侧发育着河漫滩和一级阶地。河漫滩主要分布在河道两侧，并呈 条形、新月形、半圆形，高出水面o 5 2 m ，滩面向河心倾斜。系全新世晚期的砂卵砾 石组成；一级阶地则沿较大河道两侧呈顺河道形分布。平原区则在岷江、西河、毗河、 青白江、鸭子河、石亭江、绵远河两侧分布。一般阶地面均微向河心与下游倾斜，宽数 十米至数公里，长数百米至数十公里。组成则以全新统早期冲积砂卵石组成，厚度数米 至几十米【5 7 , 6 1 j 。 2 2 成都平原地质背景 成都平原位于龙门山隆起褶皱带以东，四川沉降带西侧，介于雾中山褶皱断裂带与 龙泉山褶皱带间的二个洼陷成都断陷的中部，属于川青块体与扬子地台的交汇地带， 见图2 2 ，2 3 ，2 4 ，2 5 。成都平原主要受其西北部的北东向龙门山构造带和西南部的 龙泉山褶皱带控制，成都平原在总体上呈北东向的菱形。地质历史上是一个在断陷基础 上发育的，具继承性的新生代沉降盆地【3 8 , 3 9 4 6 , 4 7 , 4 8 】。龙门山隆起褶皱带，呈北东4 0 。6 0 0 ， 1 2 鲁东大学硕士学位论文 局部偏东或偏南，成生于晋宁期。以后经历了多次构造变动其褶皱、断裂强烈，沉降 层巨厚，并伴随有多期岩浆活动及变质作用，至今仍处在活动中，时有地震发生，是一 个强烈上升的隆起区。龙泉山褶皱带生成于上古生代，长期以来接受沉积，燕山运动褶 皱隆起，呈北北东走向，北端收敛，南端撒开。向南东弯突的帚状，由背抖、断裂组成。 现今仍有活动，是一个正在上升的隆起区。 图2 - 2 研究区构造图( 兢振兴，2 0 0 8 ) 1 、茂汶一汶川断裂，2 、北川一映秀断裂，3 、龙门山山前断裂。 红色线段为泣川地震后龙门山断层地表破裂轨迹( 张培震2 0 0 8 ) 。红色小豳表示一个月内的35 缳以上 余震分布。蓝色矢量为g p s 观测同震位移( 国家地震局中国地壳运动观测网络数据中心) 。 f 嘻2 2 a b b r e “a t e ds t m c t u r e d r a w i n g o f s e a r c ha r e a 龙门山构造带为一北东向褶皱逆冲断层系，自西向东有茂一汶、映秀一北川和彭一灌 断裂和推覆构造带组成，地貌上为北东向山脉，这从地貌上构成了成都平原的西北边界。 茂- 汶断裂以西为龙门山的主体部分，海拔多在4 0 0 0 5 0 0 0 m ，以高、中山为主。茂一汶断 裂习惯上也称为后山断裂，该断裂西南端起始于泸定冷碛附近，向北东经陇东、耿达、 草坡、汶j i 、茂汶、平武，直插入到陕西境内，分别有茂一汶断裂和耿达断裂组成，延 伸约5 0 0 k m 。茂汶断裂的总体走向为北东5 0 。左右，倾向北西，倾角高达5 0 - 7 0 0 ，断层 的破碎带宽1 0 l s m 不等。映秀北川断裂也被称为中央断裂，该断裂起始与泸定附近， 向北东经绵竹市的盐井乡、汶川的映秀镇、北川、和茶坝在陕西境内与勉县阳平关 断裂相交。该断裂带几乎贯穿了整个龙门山构造带，总长度达4 0 0 k m 。其主体有北川- 鲁东大学硕士学位论文 茶坝林庵寺断裂、映秀北川断裂、盐井五龙断裂组成。断裂的总体走向为北东4 5 0 左 右，倾向北西，倾角6 0 0 左右。已有研究结果表明龙门山中央断裂为一条晚更新世活动 断裂【4 8 - 5 2 】。彭灌断裂也称为山前断裂，在部分文献中也被称为江油灌县断裂。本文分 成两部分，即南端的彭灌断裂和北端的江油安县断裂。总体上该条断裂自南端的天全 向北东经灌县、彭州、安县、江油、广元止于陕西宁强、勉县一带，全长5 0 0 k m 左右。 断裂的总体走向约北东4 5 0 ，倾向北西，倾角5 0 0 左右。本文在图2 1 中只标示出茂汶 断裂的南半部分【4 8 , 4 9 】。龙门山按走向可以大致分成三段：都江堰以南为南段，都江堰至 绵竹为中段，绵竹以北为北段【5 引。成都平原东界龙泉山相对高差较小，大多小于5 0 0 m 。 龙泉山为一宽缓的背斜山地，在其西北和东南山地有部分逆断层出露【5 引。龙泉山为北东 走向的狭长低山，北起德阳罗江南至青神平羌峡，总长1 9 0 k m ，宽度仅1 0 1 8 k m ，最高 海拔1 0 5 l m ，是成都平原与盆中丘陵区的界山。 , s 4 0 。基s 5 1 。e 图2 - 3 成都平原都江堰龙泉山第四系地质剖面图( 据何银武、四川省水文地质队、王枫林等) f i g 2 - 3t h eg e o l o g i c a ls e c t i o nm a po fq u a t e m a r yf r o md u j i n g y a n gt ol o n g q u a nm o u n t a i ni n c h e n g d up l a i n 汶川8 0 级地震地表破裂带出现在中央和山前隐伏断裂两条断裂带上。其中中央断 裂在此次地震中从映秀开始，经虹口、小鱼洞、龙门山镇、红白镇、擂鼓镇、：l k ) i l 县城、 平通、南坝，可能终止于平武县的石坎附近，总长2 5 0 k m 左右。山前断裂起始于都江堰 向峨，经彭州的磁峰、通济、白鹿，什邡的八角、九龙、汉旺、茶坪，并可能终止于安 县境内，沿山前断裂延伸约6 0 k m ”】。 成都平原沉降幅度较大，第四系沉积物厚度达5 4 1 9 m ，地层沉积连续。沉积的沉积 物有早更新统( q 1 ) 3 2 2 m 厚砾石层，中更新统( q 2 ) 1 8 9 m ，晚更新统( q 3 ) 3 0 m 左右 4 8 , 5 5 , 5 6 】。成都平原受构造活动的控制，不同区域的沉积物厚度有所不同。该区域沉积相 的共同点是颗粒性砾石堆积占绝对优势。成都平原第四系在郫县、彭卅i n n 崇庆一带最厚， 沉积最大厚度可达5 0 0 m 左右，自西南向北东方向递减，在安县和江油地区缺少相应的 第四纪冲积层( 图2 4 ) 。 1 4 a 傩啪珊伽珊獬啪 鲁东大学硕士学位论文 成都平原( 断陷) ，长2 4 0 k m ，宽9 0 k m ，断陷中心经过大邑、彭县、绵竹、走向北 东3 0 7 0 0 ，西陡东缓，枢纽起伏，它自三叠纪褶皱以来，中生代沉积厚度达8 0 0 0 1 0 5 0 0 m ， 燕山运动末期，再次褶皱、断裂，喜山运动期间龙门山大断裂复活，形成规模宏大的飞 来峰群，而成都断陷本身继续下陷。断陷内部，局部构造密集，发育有北东北北东的 褶皱和断裂，成羽列式分布，见图2 3 ，2 4 。断陷东侧，自东向西有： 第一排：盐井沟背斜、苏码头背斜； 第二徘：熊坡背斜及其定向断裂； 第三排：三江新繁隐伏隆起。 以上这些构造定向性强，成行排列，轴向北东1 0 3 0 0 ，两翼不对称。西翼陡1 5 8 0 0 ， 甚至直立倒转，往往伴随有逆掩断层；东翼缓1 0 4 0 0 ，并有挠曲现象，外形多呈箱状， 构造面大部分倾向南东。断陷西翼自东向西有： 第四排：大邑彭县隐伏断裂； 第五排：悦来金马场背斜； 第六排：雾中山背斜带。 以上这些构造沿走向追踪、连续性不强，且东陡西缓，西翼1 0 2 0 0 ，东翼2 0 9 0 0 ， 多呈梳状，构造面大部倾向北西，断陷西翼与东翼构造，形成明显对称。 图2 4 成都平原地层厚度( 据四川水文地质资料改绘) f i g 2 - - 4t h ed e p t hs t r a t u mo fc h e n g d up l a i n 1 5 鲁东大学硕士学位论文 熊坡背斜及其走向断裂和大邑彭县断裂大致一致，对成都平原来说，起着十分重 要的作用，它们控制着成都平原基底的基本形态。熊坡背斜及断裂构造在新津以南，地 表清晰可见，新津以北，规模逐渐减小，往北是否与成都一磨盘山断层相连，尚不清楚。 第四排构造可分成三段( 侏罗系地层中) 即名山、大邑、彭县，断距达3 0 0 5 0 0 m 。这 两排构造间是平原的主体部分，物探资料显示有大邑、郫县安德铺、温江、绵竹富新几 个沣陷。第四系厚度一般为1 0 0 2 0 0 m ，大邑安仁钻孔2 9 0 m 、郫县安德铺4 3 号钻孔2 5 7 m 、 彭县致和钻孔2 2 9 m 见基岩，以上几个数据说明沉降中心偏向西侧，而郫县安德铺、大 邑安仁则是两个沉降中心，第四系厚度在2 5 0 3 0 0 m 以上，见图2 4 。 熊坡背斜至广汉德阳一线以东地区，第四系厚度迅速减薄，如成都西郊6 1 号孔4 5 m 见基岩，广汉机场3 7 号孔2 9 m 见基岩，德阳一带第四系厚度2 0 4 0 m 左右。大邑彭县 隐伏断裂带以西，第四系厚度也较薄，如彭县隆丰2 l 号钻孔6 1 m 见基岩，敖平1 9 号钻 孔2 5 m 见基岩，关口2 1 号钻孔3 5 m 见基岩。平原两端第四系厚度也较薄，蒲江大兴场 一带厚4 l m ，绵竹一带厚5 0 余m 。 由上可知，平原基底特征总趋势是中间下洼，两侧( 两排构造附近) 较为陡直，南 北两端微微翘起，顶面凹凸不平，基底在东西两侧发育有多条北东北北东向断裂。 2 2 1 成都平原第四系 长期以来关于成都平原第四纪地层的研究偏向于山前冲洪积成因，近年来，不少学 者在平原及其西部山区的进行深入工作，以及冰川活动遗迹及冰碛物的不断发现，证明 成都平原是经历了多次冰期活动，主要由冰碛、冰水沉积物和新近纪以来的河流堆积物 所形成的，主要是由上新统和第四系组成的，其堆积物由老至新的划分如下。 上新统下更新统( n 2 q 1 ) 第三纪以来，晚近期构造运动活跃，平原下降，见有1 0 1 3 0 m 的块状砾岩大邑砾 岩堆积。这部分地层以大邑砾岩为主，其性质表现为灰褐色和黄褐色砾岩。目前，由于 受构造活动的影响该地层处于半胶结状态，小面积分布于龙门山与成都平原交界处的龙 门山山麓地带，该地层常见于丘陵地貌。 更新世时，冰期来临，冰流主要来自西部高山，冰川经岷江、青衣江出山后，形成 浩瀚冰汛，二大冰流于平原内汇集，东达成都东包江桥、双流帽盒山一带，堆积了一套 第四纪早期冰期和冰后期的物质( 第一期冰期及冰后期) ，该期物质地表露头零星见于 名山新店子( 高程7 7 0 m ) ，邱崃三大湾( 高程6 3 0 m ) ，双流牧马玉皇观高程( 高程5 5 0 m ) ， 1 6 鲁东大学硕士学位论文 成都包江桥等地。 按其岩性及结构可分上下两段 圈2 - s 成都平原晚新生代地层分布图( 根据四川省地质图改绘和何银武) f i g 2 - 5 t h e l a t e c e n o z o i cs t r a t u m o f c h 酬l g d u p l a i n 下段：为一套冰川堆积的绎红、紫红、黄棕及杂色粘土和强风化泥砾层。两者同时 存在时，泥砾隐伏于下部。泥砾层中砾石成分复杂，多见喷出岩类，除石英质砾石外， 风化严重，砾石仅具外形，手握成泥或粉状。泥、砾混杂，无分选排列。钻孔揭示平原 深部也有残留，什邡l l 号孔1 2 0 m 以下，有厚6 m 紫红色粘土及强风化泥砾层，大邑子 鲁东大学硕士学位论文 龙庙6 6 号孔1 0 0 m 以下亦见此层。地表可见厚度大于5 m 。 上段：早更新世晚期，气候转暖，第一次冰期的冰川退缩以后，平原内形成大量湖 泊沼泽和河流，堆积了一套流水相的青灰。灰褐色含泥砂砾石层。钻孔揭示，邛崃泉水 场7 8 号孔7 7 m 以下、广汉高骈铺2 4 号孔5 2 m 以下、郫县7 1 1 孔8 9 m 以下、彭县致和 7 2 8 号孔1 4 7 m 以下见该层，平原南缘名山黑竹、新塘口一带，该层埋深2 1 m 。 据以上可知，该层砾岩主要分布于堆积平原的底部，其砾岩年龄为3 6 0 0 8 2 m a ( e s r 测年结果) 3 8 , 5 6 , 6 5 】。 中更新统( q 2 ) 中更新世时，气温下降，冰期再度来临，此期冰川( 第二期) 规模大，冰流分为多 股，在平原内及周边堆积了一套冰期冰后期的沉积物，以雅安砾石层为代表。这套沉 积物的e s r 年龄为0 6 4 o 2m a 3 8 , 5 6 】，其岩性结构可分上下两段： 下段：为冰期堆积之黄棕色黄褐色含砂风化泥砾层。砾石成分复杂，以岩浆岩为 主，无分选排列，泥砾混杂，结构紧密，含砂。砾径一般5 - 2 0 c m ，个别可达l m 左右， 风化深，表面常包有黄褐色泥皮。该层由于冰源不一，平原南部源于青衣江的冰流，堆 积物中可见有晶屑凝灰岩。此期冰质物大体以青白江新繁双流一线为界，向东由冰馈 的含砂泥砾层，渐变为冰水相并具分选特征的含泥砂砾层。钻孔揭示其最大厚度大于 1 3 0 m 。 上段：当含砂风化泥砾层沉积后，气候转暖，相伴堆积了套间冰期沉积物。在平 原周边高台地上，一般多见富含铁锰质薄膜和结核的棕黄色粉砂质粘土，结构较致密， 无层理，呈块状，其下部具白色高岭土网纹，甚至富集成白色粘土层，粘土层下，见有 透镜状铁盘或泥炭。 此冰期较早更新世第一冰期规模更为广泛，北越安县、秀水至绵阳一带，东抵龙泉 山麓。在安县秀水、彭县丰乐小学附近、祟庆张家沟、邛崃黄山顶等地都发现完整的冰 期至间冰期沉积。此期亦广布于成都新都一线以东台地上，至龙泉山麓已完全过渡为 冰水堆积。在什邡红岩子冲沟中，可见石英砾石嵌入花岗岩的现象，反映了冰流推挤力 量之大。该砾石层主要分布于成都平原南端和成都市东面、龙泉山的西麓，在平原北部 山麓地带以及在平原北部与周边交界的丘陵地带也有零星分布，组成i i i 级、级、v 级 阶地，构成高出当地河面3 0 1 0 0 m 的台地地貌。在龙泉山西麓和金堂、德阳附近，雅 安砾石层的网纹红土被上更新统成都粘土覆盖。 上更新统成都粘土( q 3 1 为鲜黄、棕、黄褐色粘土，密实无层理，富含钙质结核，发育微细裂隙，裂面附胶 1 r 鲁东大学硕士学位论文 膜，底部时见石英质小砾石。据分析：粘粒占3 5 - 4 0 ，粉粒占5 3 ；砂粒占1 2 左右。 矿物组合以伊利石、蒙脱石为主。粉粒部分，石英含量高，此外有少许岩屑及铁锰结核 碎片。 成都粘土分布于平原东侧龙泉山西麓的一、二、三级台地上，高程介于4 8 0 m 和5 9 0 m 之间，可分别与网纹红土、中更新统粘土、下更新统强风化泥砾或基岩接触，层厚可达 2 1 m 3 8 , 5 8 】。 成都粘土大多呈灰黄色，含钙质结核，其1 4 c 年龄为1 2 1 5k a 3 8 , 5 7 , 5 8 】。 上更新统广汉层( q ) 晚更新世时，平原西部山区受冰川气候影响，产生了第三次冰期，但其规模较小， 冰川活动多限于山区内，属山麓型冰川。在平原内只堆积了一套冰水的和间冰期的沉积 物，构成平原上部之主体层。该层组成高出当地河面约l o m 的i i 级阶地。这级阶地分布 广泛，构成平原的主体。其岩性具二元结构。 下部为富含铁锰质微风化的含泥砂砾层，覆盖于q 2 风化泥砾之上。砾石成分据统 计：岩浆岩类占7 7 8 8 ；沉积岩类占2 5 9 1 ；变质岩类占4 8 ，其球度较好，有 一定分选性，砾径3 1 0 c m ，也可见数十c m 之漂砾。砾石有的显弱风化一半风化状态， 但同一岩性中砾石仍有不少新鲜坚硬者。局部含泥质较高，砾石或砾石表面常留含铁锰 质，说明是在比较寒冷气候条件下( 长期处于l o o c 以下) 形成的产物，厚2 0 - 3 9 m 。 上部为浅黄褐黄色粉砂质粘土、粘质砂土、细一中砂层。该层下部常见散布的石英 细砾和风化的白色长石斑点。由上至下颗粒变细，粘粒增多。局部含铁锰质结核和薄膜。 在金堂清江镇砖瓦厂采得牛亚科牙齿化石，经鉴定属上更新世。上下部之间，常见有透 镜状泥炭层。 据四川省地质局航测队资料( 贵阳地化所鉴定) ，广汉层中泥炭绝对年龄为 3 2 0 0 0 - a ：5 0 0 a ，表明为上更新世产物。该层的e s r 年龄为2 3 5 1 3 6k a ( 李勇等，2 0 0 6 ) 全新统砂砾石层( q 4 ) 全新统在龙门山山前构成形态非常完整的冲积扇。全新统主要分布于成都平原的西 部，在冲积扇以外，仅沿河两岸呈狭长条带状分布，构成高出当地河面3 5m 的一级阶 地。全新统地层主要由冰后期近代河流冲、洪积形成，沿现代河流分布并组成河漫滩、 一级阶地及冲洪积扇，其岩性和色调因河流的物质来源不同而有差异，具明显的二元结 构。下部为砾石层，顶部为砂层。砾石层呈黄灰灰黄色，其中砾石未受风化作用影响。 顶部砂层灰棕色灰黑色，厚度一般较薄。其e s r 年龄为数k a 。岷江以东水系，多为灰、 灰褐色粘质砂土和砂砾石层，岷江以西则为浅棕色粉砂土、粘质砂土和砂砾石层【5 7 , 6 1 , 6 5 。 1 9 鲁东大学硕士学位论文 2 2 2 龙门山断裂带地质背景 龙门山断裂也被称为龙门山冲断带，处于松潘甘孜造山带与扬子准地台的结合部 位，是青藏高原与四