汶川地震.doc

汶川地震摘要: 2008年5月12日在龙门山发生的汶川8. 0级特大地震属于逆冲走滑型地震。为了尽快和最好地利用汶川地震的资料,推动地震地质科学的研究。在论述了汶川地震科学研究的基本现状和研究进展的基础上,重点讨论了龙门山地震带的地质背景、活动构造、汶川地震的基本特征、地质灾害和灾后重建，及对我国防震减灾的提示等方面的内容。并建议从汶川大地震中汲取教训,整合地质学、地球物理和地球化学等多学科的综合研究,探讨汶川地震的形成过程和机制,以有效地减轻和逐步避免今后可能发生的类似的灾难。关键词:汶川地震;地表破裂;活动构造;地质灾害;地震复发周期;防震减灾一地质背景；据统计,全世界每年发生的地震约为500万次,其中具有破坏性的地震约为1000次。全球地震带的分布及其活动规律与板块构造之间的关系十分密切。全球六大板块之间的边界一般均是地震活动带,并将其分为洋脊型、转换断层型、沟- 弧体系俯冲型和地缝合线碰撞型等四种类型,其中洋脊型、转换断层型地震均为浅源地震,震级较低;沟- 弧体系俯冲型地震是地球上最强烈的地震活动类型,由该类地震活动所释放的能量占全世界浅震释放总能量的90%以上,而且全世界的深源地震几乎都属于这种类型的地震,它们主要分布于环太平洋板块的边缘,如日本、中国的东北地区、东南亚地区、北美板块的西部、南美板块的西部等地区,其中以西太平洋俯冲带最为典型,俯冲带的地震最深可达数百千米;地缝合线碰撞型地震主要是由于两个板块相互碰撞作用而导致的地震,如喜马拉雅山地震带就是印度-澳大利亚(大洋洲)板块与欧亚板块相碰撞而形成的地震带,主俯冲面也深达4080 km,大多数为浅地震,局部为中源地震,其震源机制大多是具挤压性的逆冲断层。中国是世界上地震活动强烈和地震灾害严重的国家之一。统计表明,世界上约35%的7级以上大陆地震发生在中国,但中国大陆强震的分布是不均匀的,其最显著的特征是西强东弱。据历史记载,以东经107为界,在西部共记录到了7级以上强震91次,在东部只记录到27 次(台湾省和东北深震除外) 。但是由于东部人口稠密经济发达,在地区地震形成的灾害要远大于西部。地震活动西强东弱的原因在于中国大陆地处欧亚板块的东南部,为印度板块、太平洋板块和菲律宾海板块所挟持,板块间的相对运动和板内动力作用控制着中国大陆地震的空间展布格局,其最显著的特征之一就是巨大的活动断裂十分发育,将中国大陆切割成为不同级别的活动地块。根据现今构造变形和地震活动性,中国大陆可以被分成5个一级和22个二级活动地块,自有历史记载以来,中国大陆几乎所有8级以上的强震和80%以上的7级强震均发生在这些活动地块的边界带上,因此活动地块边界带也就是中国重要的地震带,这就是中国大陆地震成带分布的原因。中国东部的强震主要分布于受太平洋板块和菲律宾海板块俯冲作用所涉及的地区,如东北地区、华北地区和东南沿海地区等地区,该区大部分地震构造为平移断裂或正断裂型。中国西部的强震主要分布于青藏高原的周边地震带上,主要是由于印度板块每年以5 cm的运动速度向东北方向运动所致。这一板块间的相对运动导致了亚洲大陆内部大规模的构造变形和地震,主要为逆冲型或走滑- 逆冲型地震,大都是发生在1070 km深度内的浅源地震,对地表形成强烈破坏。龙门山是青藏高原东缘的边界山脉,北起广元,南至天全,长约500 km,宽约30 km,呈北东南西向展布,北东与大巴山相交,南西被鲜水河断裂相截。该构造带由一系列大致平行的叠瓦状冲断带构成,具典型的逆冲推覆构造特征,具有前展式发育模式,自西向东发育汶川- 茂汶断裂、映秀北川断裂和彭县灌县断裂。在垂直剖面上,这三条断层呈铲式叠瓦状向四川盆地推覆,在地表出露处断层倾角大于60,沿北西方向断层倾角随着深度增加而减小 。总体看来,龙门山构造带的新活动性在汶川- 茂汶断裂、映秀- 北川断裂、彭县- 灌县断裂和大邑断裂等断裂均可见及,主要表现为断错山脊、洪积扇、河流阶地及边坡脊等构造地貌现象,表明龙门山构造带的几条主断裂带自晚第四纪以来均显示由北西向南东的逆冲运动,并伴有显著的右行走滑分量。单条断层的平均水平位错量与垂直位错量大致相当,约为1 mm / a左右。就龙门山构造带中各断裂的活动性比较而言,其中的映秀北川断裂活动性最为明显 12 - 26 。图1龙门山中段地质剖面图Fig. 1The geolog ica l prof ile in the m iddle segmen t of Longmen Shan在深部构造上, 龙门山位于我国西部南区(青藏)幔拗区和中部深层构造过渡带,处于贺兰山-龙门山陡变带。该带的西北部为青藏高原厚壳厚幔区,东南部为四川盆地薄壳薄幔区,从龙门山前陆盆地向西部高原地壳厚度急剧增厚,形成一个莫霍面向西倾斜的陡变带,该线的中心线是龙门山冲断带的深部位置,其与地表位置相比较,不同程度地向西移了一段距离,表明龙门山冲断带向西倾斜,并缺乏山根,显示龙门山为陆内山链,是一个独立的构造负载系统。在龙门山构造带西侧20 km深度处的中地壳存在35 km厚的低阻层,可能是地壳深部物质滑脱的拆离带,因此这三条断层最后在深度20 km收敛合并成一条剪切带 27 。该区自北西向南东由松潘- 甘孜造山带(主体) - 龙门山冲断带- 前陆盆地- 前陆隆起带等4个构造单元构成了一个完的构造系统 1 - 19 。龙门山及邻区的均衡重力异常 7 显示龙门山地区的地壳尚未达到均衡,处于均衡调整状态,其中龙门山为正均衡异常,龙泉山及其以东地区为负均衡异常,而龙门山前陆盆地则处于两者之间的过渡地带,显示了从龙门山冲断带- 龙门山前陆盆地- 龙泉山前陆隆起均衡重力异常由正- 零- 负的变化特点。晚新生代中新世以来,龙门山至少有510 km的地层被剥蚀掉 7 - 11 ,上升速度约达0. 6 mm / a 27 。近年的地形变化资料表明,该构造带的九顶山地区正以0. 30. 4 mm / a速度持速上升 1, 27 。二形成机制与驱动力：板内强震孕育发生的弹性应力应变机制：在板块内部，如果在相邻构造块体的边界带两侧存在大的差应力，在区域应力场的长期持续作用下地壳将发生形变，在块体的边界带上将积累巨大的应变能而孕育大地震；当岩层的应变达到其破裂极限时，岩层突然破裂错动发生大地震；地震的强度取决于孕震区积累的弹性应变能的大小；主压与主张应变率的大小和方向决定了地震的类型、断层面的滑动方向和走向；断层面将沿主压和主张应力合力的方向滑动；断层面走向与主压和主张应变轴之间的夹角之比等于主压与主张应变率之比。根据这个机制，如果主压应变率很大而主张应变率可以忽略不计，则两盘将沿主压应变轴方向相对错动，地震为纯逆冲型；反之，地震则为纯走滑型；在一般情况下，若主压应变率大于主张应变率，地震以逆冲为主兼有走滑，反之亦然。在汶川地震前，孕震区的主压与主张应变率之比为2.21/1，这就是汶川地震以逆冲为主兼有走滑的原因。由本文提出的应变机制得到的断层破裂方向和滑动方向与由震源机制解得到的结果也完全一致。从长期看，印度、太平洋和菲律宾海板块与欧洲板块的相互作用是龙门山断裂带积累弹性应变能和孕育汶川大地震的长期构造背景。从短长期看，苏门达腊大地震使青藏高原和华南块体的相互作用加强，特别是龙门山断裂带近SN 方向张应变的加强促进了汶川地震的发生。三 汶川地震的征基本特征：a. 强度大:现在确定为里氏8 级,几乎是发生于近几十年内中国最高震级的地震。烈度高,范围广:其强度超过了唐山地震,涉及龙门山中北段的所有地区,包括几乎所有的市县以及乡镇,还波及南段一些县镇,北段以北还危及甘肃及陕西一些县区。b. 震源与震中实际上不同位,震中区与烈度区也不同位。从目前报道的资料看,震源深度在1020 km ,也有的称2830 km。震源深度未定,理论上的震中自然无法准确定位。目前知道的破坏强烈地区包括都江堰市、北川县、汶川县的映秀镇和漩口镇、青川县城、彭州市的小鱼洞和龙门山镇及银厂沟地区、绵竹的汉旺镇、什邡的红白场等地,将来画出来的地震烈度分布图一定会是多中心的不同片区,与目前报道震中特别是理的震中区一定会不一致,不同位。这与传统观念上烈度围绕震中成圈状或环状分布不一致。c. 地震虽然发生在龙门山区,但明显地表现为北段强烈而南段较弱。为什么此次大地震会有如此一些特点,要认识这一现象必须涉及到前已述及的龙门山推覆构造带的基本特征及其周围地质环境。众所周知,由于印度洋板块向北俯冲,引起属于欧亚板块的青藏高原急速抬升,在北部次级板块的华北板块和东部的次级板块扬子板块的阻挡下,青藏高原上部物质无法向东向北运动,最终其强烈的挤压应力全部或大部施加于龙门山构造带上,而其指向主要表现为从西北挤向东南。换句话说,分布于青藏高原上的包括与之相邻的川西北高原上的一套浅变质岩系,即常称为特提斯构造带上的那套厚度大、浅变质的韧性岩系,在整个过程中十分活跃,很可能是板块运动能量的主要传播者。正是它在长期地向龙门山构造带施加力量,而龙门山构造带与它的接触处就很可能是挤压最强烈而容易破裂产生地震的地方。从前面提到的两个横穿龙门山的大剖面上可以看出,由映秀断裂与汶川断裂和北川断裂与青川断裂各自向地下自然延伸而可能相交的地点,其各自交会点的位置和深度一定偏向西边,位于龙门山带之外,其深度粗略估算应当在20 km 左右。从目前公布的震源深度看,这种推论应当是合理的。以上剖面的地表是人工测定的,地下是按地震资料解译的,可信度应当比较高。剖面已表明了龙门山推覆构造带的茂汶断裂和映秀断裂向下延伸可以交会,其交会点又正好位于西部现已属于特提斯构造带岩石之下,因此它就可能是理论和实际上的震源和地表理论上的震中所在。而此次破裂成震就必然会引起其地下相交的两组性质相似的茂汶断裂带和映秀- 北川断裂带几乎同时在地表发生震动;再通过映秀断裂与彭灌断裂的关系使后者也振动,由此几乎在同一瞬间导致整个龙门山地区发生震动,这就是此次地震能量大、分布范围广的主要原因。这几乎是一个“集束式的定时炸弹”,自然也就引起巨大伤亡和破坏。而烈度区的范围可能会分散不均,除取决于地震强度外,还取决于建筑物的抗震程度、地形,乃至距主断裂带的远近。如此次地震中破坏最严重的北川县城几乎就位于北川断裂带上,而北川中学的一面围墙距主断裂面的距离不过2030m。映秀镇正好也位于映秀断裂带上,龙门山镇和银厂沟都位于这条断裂带上,其中的小龙潭的瀑布滴水面本身就是断层面。以上认识与传统的只是由单一断层破裂而涉及面小的状况不同。加上本区推覆构造深部特征引起震源位置与地表破坏位置间的偏移可能导致至今未能说清楚震中位置的原因。四 汶川地震带来的次生灾害：汶川地震诱发的次生地质灾害以崩塌、滑坡和碎屑流（简称崩滑流）为主，其次还有砂土液化和地裂缝。在四川、甘肃和陕西省境内，地震诱发的崩滑流灾害达18000 余处，波及范围达48104km2，伤亡和失踪人员约占震后受灾人员总量的1/3， 仅四川省31 个灾难性滑坡就致死约5000 人， 同时也造成了巨大的财产损失。调查发现，崩滑流次生地质灾害的发育特征主要受地震断裂的控制， 其次也受地形地貌、岩土体物理力学特性等因素的影响，是多因素综合作用的结果。4.1 次生地质灾害的发育特征（1）汶川地震诱发的崩滑流地质灾害与龙门山断裂带具有“如影随形”的关系，即崩滑流的分布特征很大程度上受发震断裂和同震断裂的控制， 且随着断裂活动强度的差异而显示出不同的发育特征（图1）。地震诱发的崩滑流次生地质灾害通常呈群或呈带发育，在分布密集处，平面上难以将灾害划分为单独的个体， 因此利用点密度不能客观地表征区域内灾害的发育程度， 应以面密度的形式对地震影响区内的灾害发育强度进行量化的比较分析。初步统计分析发现， 映秀-北川断裂地区崩滑流灾害的面密度在区域内最大， 其次为南坝-关庄断裂、灌县-安县断裂、晓坝场断裂南段的上盘地区和汶川-茂县断裂的两侧地区，断裂活动整体上也具有“横向”的差异性和“纵向”的分段性。（2）龙门山断裂带上盘和下盘的崩滑流地质灾害发育程度有明显的差异。汶川地震断裂活动表现为逆冲挤压变形，因此上盘变形破裂比下盘强烈，地质灾害也是上盘比下盘强烈。如图1 所示，各主要断裂上盘的崩滑流密集分布区的面积均大于下盘；另外，震区内大规模、高危害的灾难性滑坡多发育在断裂的上盘，如北川县唐家山高速远程滑坡、王家岩滑坡（图版-b）均位于映秀-北川断裂上盘，青川县东河口高速远程滑坡（图版-f）位于南坝-关庄断裂的上盘。断裂带不同部位的边坡破坏程度的差异表明边坡的失稳破坏与断裂上盘和下盘的_运动方式关系密切。（3）在受断裂控制的崩滑流灾害密集分布区域，灾害分布并不均衡， 在主要河流及其支流的沿岸地区地质灾害分布更密集，由南向北岷江、白沙河、湔江、通溪河、石亭江、绵远河（图2，相对龙门山断裂带的位置见图1）、安昌河等流域地表变形显著。这种分布特征表明区内的地形地貌条件也是控制崩滑流发育的主要因素之一， 推测沟谷地区的地形切割强烈，两岸边坡的坡度较大，为边坡失稳破坏提供了天然的势能条件。（4）尽管区内主要流域沿岸边坡的整体崩滑流发育程度较高， 但是通过对汉旺镇至天池乡之间绵远河及其支流沿岸崩滑流的调查发现， 在相似的地质环境条件下， 不同坡向的边坡失稳破坏差异显著（图2）。坡向朝东南东的山坡破坏严重；朝向西北西的山坡整体稳定性较好，仅发育少量碎屑流，且规模和程度均弱于东南东向山坡的崩滑流灾害。通常只有一条山脊之隔， 山梁两侧的边坡对地震荷载的响应截然相反， 此类现象在绵远河右岸反映显著，如自西向东的小钢剑梁、笼竹窝梁和赵家山梁东侧的边坡崩滑流十分发育， 沿边坡呈群或呈带状连续分布，而山梁西侧的边坡破坏轻微；绵远河左岸的楠木沟至磨子坪、乱石窑至黄草坪沿线朝向南南东的边坡崩滑流也较发育，呈串珠状断续分布，而对应山梁相反侧的边坡却基本完好， 指示了不同坡向边坡的地震响应差异。（5）区域内地震砂土液化主要分布在都江堰市岷江水系的冲击平原中，如胥家镇土什村6 组，位于蒲阳河右侧凸岸，距离河道约1.7 km，沿稻田和住宅区零星分布砂土液化现象。聚源镇金鸡村位于蒲阳河右侧凸岸，距离河道约500 m，在玉米地和建筑物中也出现砂土液化现象， 玉米地中砂土喷出地面1.52 m 高，喷冒持续数分钟，液化处地下水位为45 m；农田中冒出的砂质主要为中细砂，建筑物内冒出的砂质主要为中粗砂。地裂缝的形成和分布主要受龙门山断裂带的_控制，尤其在活动强烈的断裂沿线，分布更加集中，例如映秀-北川断裂、南坝-关庄断裂、灌县-安县断裂、晓坝场断裂等。4.2 典型崩滑流实例汶川地震诱发的新生崩滑流灾害类型主要包括崩塌滑坡合成碎屑流、大型滑坡、高速远程滑坡等。各种形式的地质灾害典型实例如下文所述。4.2.1 崩滑碎屑流汶川地震诱发大量的崩塌、滑坡、碎屑流，在基岩山坡多形成崩滑碎屑流。如在映秀至汶川县城岷江两岸的块状岩体边坡形成的大量崩滑碎屑流，主要是在强震的作用下，基岩山体边坡被震碎裂，顺坡面形成的岩体崩滑碎屑流。同样在什邡市红白镇通溪河谷上游，岸坡由三叠系厚层砂岩、泥质粉砂岩和粉砂质泥岩组成，由于河流切割强烈，形成V 型河谷，两侧边坡角度为5570，在强震作用下，边坡形成大量崩滑混合碎屑流灾害（图版-a）。此类地质灾害通常形成于软弱或破碎的岩土体组成的陡坡上，加之处在发震断裂带区域内，往往在工程地质条件类似的斜坡上形成大量连续分布的碎屑流带。4.2.2 大型滑坡沿映秀-北川断裂发育的大型岩质滑坡规模大、破坏力强，往往导致大量人员伤亡或河流堵塞，形成堰塞湖，威胁下游群众的生命财产安全。这些现象在王家岩滑坡和肖家桥滑坡得到显著体现。（1）王家岩特大型滑坡位于映秀-北川断裂上盘，北川县曲山镇西侧，距离断裂约700 m，坡体由软弱碎屑岩类组成。滑坡平面形态呈舌状， 滑向约75，滑坡宽约300 m，水平滑距约600 m，垂直滑距约200m，体积达1000104m3（图版-b）。该滑坡无王涛等：四川汶川地震断裂活动和次生地质灾害浅析1919地质通报GEOLOGICAL BULLETIN OF CHINA 2008 年f. 青川县关庄镇东河口滑坡(镜向E)图版 Platea. 红白镇通溪河岸边崩滑流(镜向W) b. 北川县王家岩滑坡(镜向SW)c. 茶坝乡肖家桥滑坡(镜向S)d. 陈家坝乡太洪村2 组滑坡(镜向NW) e. 彭州市九峰村七组滑坡(镜向NW)明显的剪切滑动面，在映秀-北川断裂错动的瞬间坡体发生拉裂破坏， 被弹起抛掷后， 顷刻间将7104m2 的人口密集区摧毁夷平，导致1600 人死亡，损失约合1600 万元，使王家岩滑坡成为地震区内最具危害性的滑坡之一。（2）茶坪乡肖家桥特大型滑坡位于安昌河支流上游，边坡西、北、东三面临空，且均被河流环绕，坡体为三叠系厚层状灰岩组成的顺向坡， 滑面西侧受映秀-北川断裂挤压破碎带的控制， 东侧受岩层节理面的控制，滑向340，滑体长约350m，宽约200m，平均厚约180 m，体积约为1000104m3（图版-c）。滑体堵塞坡前河流，形成蓄水量约2000104m3 的堰塞湖，为地震灾区第二大堰塞湖。4.2.3 高速远程滑坡映秀-北川断裂和南坝-关庄断裂沿线形成多处高速滑坡， 是否能够演化为远程滑坡很大程度上取决于滑坡前方是否具有足够的滑移空间储备，二者的成因机制具有相似性， 因此下文对断裂沿线的高速滑坡和高速远程滑坡统一进行介绍。（1）陈家坝乡太洪村2 组高速滑坡，位于映秀-北川断裂通过处河流的右岸， 坡体由志留系岩层构成， 约500104m3 的松散堆积物冲到河流左岸约250m 处，形成堰塞湖（图版-d），并掩埋百余名村民。与河流左侧的泥盆系岩层岸坡相比，右岸边坡靠近断裂一侧，且岩体变形破碎程度较高。尽管两岸同处在断裂下盘， 右岸的破坏程度比左岸显著得多。（2）彭州市九峰村七组高速远程滑坡，位于映秀-北川断裂南东侧约1km 处，湔江上游右岸，后缘高陡岩质边坡的滑体向坡底滑动的过程中，途经深切狭窄的沟口，冲量受到约束后加剧，滑体因碰撞和抛掷作用而分散解体，大量碎屑物质到达沟口之外松散的冲击锥时，将其剥蚀搬运，形成约400104m3 的松散碎屑岩土体，将修建在半坡的道路损毁，坡前河流堵塞，形成堰塞湖（图版-e），并导致近百人死亡。（3）青川县关庄镇东河口高速远程滑坡，位于南坝-关庄断裂北西支尖灭处，嘉陵江右岸，坡体岩性为变质岩，滑坡体积约为1000104m3，滑移距离达2km，堵塞河道，形成堰塞湖，掩埋3 个自然村和过往的车辆，造成260 余人丧生（图版-f）。由上述介绍可知，与低速滑坡相比，高速远程滑坡的发育特征显示出更高的能量和更强的破坏能力。不仅如此，调查发现，区内高速远程滑坡一般不存在定向性的宏观连续滑动面， 而是表现为一系列粗糙断裂面组成的破坏面， 表明强震荷载作用下的高速远程滑坡的启动机制有别于低速滑坡。低速滑坡滑动面的形成主要是滑体与滑床岩土体之间的切破坏所致， 而高速远程滑坡则缘于滑床对滑体向上或斜向上施加的瞬时强冲击荷载， 导致岩土体发生断裂破坏， 进而被弹射至空中呈斜抛或平抛式运动， 大量岩土体在瞬间下落的过程中受到气动冲击作用的影响，在气垫效应的作用下被抛掷到远处，从而形成特有的发育形态。此类滑坡的启动模式主要归因于2 个因素， 其一是极震产生的强大冲击荷载为滑坡的形成提供了动力触发条件， 其二是岩土体抗拉强度较低， 甚至很低， 使边坡极易发生张裂破坏。上述3 例滑坡的破坏机制应均属于此类另外，滑坡在剪切作用下启动后，如果具备足够的重力势能、地形地貌、运移空间等条件，滑体在下滑加速过程中也可形成气垫效应， 进而发展成为高速远程滑坡。可见，高速远程滑坡的形成受到启动机制和运移过程的双重影响，在研究中应注意区分。五汶川地震对我国危险性大震判断的提示：对2008年5 月12 日汶川8 级大震我们事先一无所知！对这个地区地震趋势的判断,地震的长、中、短、临预报全错了! 看来我们对大地震发生规律的认识出了差错！对龙门山断裂带和汶川地震活动强度低估进行了初步的分析。（1）大地震重复的铁律起重要作用。龙门山断裂带历史地震活动强度不高和近期该区中小地震活动水平较弱，按大震重复理论便认定不会发生大震，这可能是最重要的原因。认为某地域未来可能仍会发生与历史地震相同强度的地震，只能是部分合适。已发生过大震的地方未来仍会发生大震, 这表明该地具备大震发生的构造条件和深部环境，这是判断地震活动强度的最重要判据和参照系。但绝不能说未发生过大震的地方将来不会发生大震, 只要具备发生大震的构造条件和深部环境, 这些地方未来也会发生大震。（2）将滑动速率作为断层活动和大震发生的判据。GPS 观测显示龙门山断裂带滑动速率低，按地震地质的某些观点认定龙门山断裂带滑动速率低不会发生大震。首先，将地表水平滑动作为断裂滑动的指标，对垂直位移较强的逆冲断层是否合适值得研究；其次，逆冲断层水平滑动速率低是大震危险还是平安值得研究，有人认为龙门山断裂水平位移速率低恰好表明它易于积累能量；第三，只看地面位移不看深部是否运动可能会误判断。（3）没有出现明显的地震学和其他微观前兆。由于地震活动水平较低，现用于分析的各种方法均无效。那我们用以判断大地震的方法是否对各种类型的地震都有效呢？（4）孤立地研究龙门山断裂及地震危险，没有放在大的构造环境中研究。脱离龙门山断裂带所处的大的构造环境，并将其与相邻的断裂构造和大地震分隔研究，孤立地单看它的断裂习性，看到的是历史上该带未发生过大地震，目前该带滑动速率不高，因此就会得出该断裂带大震危险不高的结论。（5）对逆冲断裂的地震危险估计不足。较多地研究走滑断裂发生较大地震的特点，特别是青藏高原周边走滑断裂的地震危险。事实上，逆冲断裂