重庆城县高桥断裂特征及其地震活动性研究

重庆城县高桥断裂特征及其地震活动性研究

1中生代提出及盆地地质特征大桥坍塌位于长江三峡工程水库库的第一个区域回归盆地西北边缘（图1）。秭归盆地为一轴面东倾的平缓开阔向斜,位于黄陵穹隆(背斜)西侧,挟峙于黄陵穹隆与神龙断穹间的三角形区域内,是三叠纪末——侏罗纪初发展定型的中生代坳陷盆地。其核部为上侏罗统蓬莱镇组(J3p)长石砂岩、钙质粘土质粉砂岩,周缘由中、下侏罗统及三叠系地层组成。盆地西缘北起兴山县滩平以东,南止巴东东壤口,总体走向NE,全长约60km,三叠系与侏罗系接触带上,地层出露完整,沙镇溪组(T3s)与香溪组(T1x)呈平行不整合接触,地层产状150°~170°∠20°~40°,倾角局部达50°,岩体整体完整,但三叠系内部嘉陵江组(T1j)与巴东组(T2b)接触带附近为高桥断裂所切割,形成宽窄不等的断裂破碎带、挤压片理带、揉皱带、最大带宽达几百米。高桥断裂地处三峡库首区,其活动性问题一直备受关注。2桥梁坍塌的基本特征2.1高桥断裂带高桥断裂主要发育于嘉陵江组与巴东组接触带上及嘉陵江组或巴东组内部,北起兴山古夫,向西南经南阳河、伍家垭、龚家桥、白湾、曾家岭、炮台山西坡,止于西壤口神龙溪,全长约40km。地表上该断裂带由多条规模不大、方向相近的断层组成,并在龚家桥以南散开,向北收敛。断裂带总体走向NE45°~60°,倾南东,倾角50°~65°。断层破碎带宽度为几米~几十米,最宽处达650m,有的地段破碎带中出现有多条主次断面。就整个断层破碎带来说分带并不明显,但单条断裂的分带则明显而具普遍性和对称性,一般断层中央带为宽几厘米~几十厘米的断层泥,两侧为劈理带(多发育两期劈理),外侧为揉皱带,由一系列小褶皱组成,宽几米~几十米不等。区域重力反演结果反映中间层顶底面及上地壳底面在龚家桥NE一线存在NE向异常,人工地震测深显示古夫一带存在西升东降、断距达1.5km的基底断点。可见高桥断裂带不仅走向上延伸规模大,而且向下可能也有一定延伸深度,切割基底进入上地壳。高桥断裂带内构造岩普遍遭受强烈变形,镜下矿物为带状、波状消光、晶体扭折现象均较常见。某些变形强烈部位,构造岩片理化形成构造片岩、靠近主断面附近形成碎斑岩、碎粉岩、镜下香肠化,“σ”型旋转碎斑系常见,早期变形较强的方解石脉被左行错断。由显微构造特点反映出断裂晚期变形强烈,早期变形痕迹均被改造而难以识别,该期活动兼有左行平移和逆冲运动的特点。2.2高桥断裂带活动特点野外调查表明,大致以兴山龙王庙茶园坡为界,其北东段活动性较弱,南西段特别是高桥一带则活动性较强,主要表现为断裂两侧地形地貌存在较大差异,西北侧陡峻,东南侧低缓,最大高差可达500m左右。断裂带中段的龚家桥附近,其形态十分复杂,最多可见6条同方向的断层,破碎带宽达650m,此处自北而南流经断裂带的纸厂河具明显的右旋牵引现象。右岸有崩滑体分布,沿断裂带向南,沿线多见滑坡、崩塌体分布。从显微构造特点分析,高桥断裂带全新世以来有过活动(较弱),其自身的物质组成、内部组构以及最新活动方式都揭示该断裂带活动方式以粘滑为主,有利于能量积聚。断裂带物质测年揭示出该断裂带上新世至中更新世普遍发生过一次构造活动,其中高桥长冲-巴东凉风垭段最新一次明显活动时期为晚更新世早期(Q1331),热释光测年也反映出在23万年(中更新世中晚期)左右有过一次较明显的构造活动。跨断层水准监测表明,断裂两盘现今仍有不同幅度的变形。综上所述,通过宏、微观调查研究和跨断层水准监测,其结果表明,高桥断裂晚更新世早期(Q1331)有过明显活动,且至今仍有一定的活动性。由上述可见,高桥断裂带由多条次级断层组成,整个断裂带宽几米到几十米,最宽处达数百米,而从单条断层的结构来看,其破碎带一般宽几米到几十米,断层核部位多由宽几厘米到几十厘米的断层泥组成,且分布不连续,根据JonathanSaulCaine等提出的断层渗透结构的概念,按照易立新等对断层带水文地质结构所进行的分类,高桥断裂的断层渗透结构应基本属于散状导水结构。3高桥断层地震活动在蓄水前的40多年中,高桥断裂带展布区和邻近地区(31.0°~31.4°N,110.2°~110.7°E)共记录到ML≥1.0地震34次,其中2.0级以上地震5次,最大为2000年6月19日高桥ML3.6地震。在34次地震中,分布在高桥断层两侧约5km以内的地震仅有7次(图2(a)),7次地震沿断层两侧成线性分布,西北盘地震多于东南盘,ML3.6地震发生在断层东南盘。从图2(a)可见,ML3.6地震前的地震在西北盘沿断层迁移,东南盘无地震。1959年以来高桥断层两侧约5km以内的7次地震共释放地震能量2.37×109J,相当于一次ML3.7地震。表1是各级地震的频次分布。从表1可见,蓄水前高桥断裂带附近2级以下地震占85.7%,表现出地震频次低、强度弱,属于弱震活动带。从图2可见,断层附近的地震活动在时间分布上是不均匀的。在蓄水后短短的9个月内(2003-06—2004-02),高桥断裂两侧约5km范围内共记录到ML≥0.0地震31次(图2(b)),最大1次为2003年12月26日巴东西壤口龙船河ML1.9地震。从图3可见,蓄水1个月后高桥断裂带的地震活动渐趋活跃,频次不断增加。2003年7月—2004年2月共记录到地震21次,其活动特征如下:1)从图2(b)可见,地震在空间分布上主要集中在高桥断里的西南段,且绝大多数地震震中距长江库岸大于5km;2)蓄水以来高桥断裂带的地震活动在时间上与蓄水进程相比稍有滞后,2003年6月10日水库蓄水至135m,到6月底高桥断裂两侧约5km范围内没有记录到地震活动,7月6日在断层的西北盘才记录到第一次地震,震级仅为l级,滞后时间约一个月。从图4和表2可见,水位上升至139m后,地震活动的频度增高,微震、极微震连续不断;3)高桥断裂带展布区内的地震全是微震与极微震,地震能量总释放量为1.97×107J,相当于一次ML2.1地震。可见,水库蓄水后高桥断裂附近的地震活动是以中等频度和低强度的形式释放能量。4地震原因分析4.1高桥作用下盘高差值异常表现蓄水前高桥断裂带及其附近发生30余次地震,大多为微震,现以高桥ML3.6地震为例论述其成因。经仪器测定,高桥地震发震时间为2000年6月19日7时22分,震中位置为N31°12′,E110°27′,震级ML3.6(Ms3.0),震源深度11.6km。地震震中位于高桥乡茅草坝,据震中区地震宏观现象综合反映,地震烈度为Ⅴ度,个别点达Ⅵ度。Ⅴ度区长轴呈NE向近椭圆形分布(图5),长约2.0km,宽约1.0km,面积约2.0km2。地震有感范围呈NE向扁椭圆形展布,与高桥断裂走向一致,最大有感半径约5km,有感面积约50km2。跨高桥断裂水准线是三峡工程水库诱发地震监测系统跨断层监测短水准之一,测线全长0.39km,共埋设4个水准标志点,其中在断裂东南盘(上盘T32b2b3)埋设了W1、W2点,在北西盘(下盘T1j)埋设了E2、E1点(图6(a))。测线距高桥ML3.6地震震中1.5km,自1998年5月首次观测,每半年复测1次,震前测了5次,震后加密观测1次,共测了6次,全部按一等水准施测,观测中误差M△≤0.25mm/km,资料可靠,精度高,高差变化能代表断层两盘的升降变化。经对高桥水准线及各测段高差变化相关分析,高差变化与气温变化无显著相关,和时序也无显著线性变化关系,故对所测的高差值不需作相关改正。以W1作基准点,从高桥水准测线高差变化剖面图看(图6(b)),同在上盘W1、W2两点间相对较稳定,同在下盘的E2、E1两点间,1999年7月以后E1点明显上升,以后两点间重新趋于相对稳定。从跨测断层的测段看,自1999年7月E2、E1点逐次下降,1999年11月与1999年7相比下降1.1mm,2000年5月E2、E1点急剧回转上升,与1999年11月相比上升幅度达2.69mm,之后于6月19日高桥发生ML3.6地震。地震后于7月1日加密观测1次,E2、E1点回复下降,据此推断,高桥ML3.6地震前受孕震影响是有明显异常反映的,经历了下盘显著下降而后又急剧反向显著上升的过程,地震后趋近于初测时的状态。为定量判定形变异常量,以跨断层的W2-E2测段和W1-E1测线的高差变化的中误差为噪声限识别异常(由于测次少,观测周期长,又处于异常阶段,无法以二倍中误差衡量),从图6(c)、图6(d)可看出跨断层的测段和测线异常都较明显,W2-E2测段异常超限为-0.59mm和+0.29mm,W1-E1测线异常超限为-0.44mm和+0.45mm。震后观测的结果反映高差已回归噪声范围内变化。高桥ML3.6地震正好发生在高桥断裂带上,地震烈度等震线呈NE向沿断裂带呈椭圆形分布,反映出本次地震明显受高桥断裂带控制,特别是通过跨断层水准测量反映出高桥断裂带在1999年7月—2000年5月间有明显异常反映,经历了NW盘显著下降而后又急剧反向显著上升的变化过程,震后基本恢复正常。综上所述,基本可以判断2000年6月19日高桥ML3.6地震应由位于秭归盆地西北缘的高桥断裂带活动引起,高桥断裂是此次地震的发震构造。4.2水库诱发地震根据国内外已有震例分析,可以将水库诱发地震判别标志归纳为以下4个方面:1)时间分布:水库地震发生在出现水库或施工围堰所形成的人工水体之后;地震序列的主要部分发生在蓄水位达到最高设计水位之后。发震初期地震频次与库水位变化有比较明显的相关性;2)空间分布:一般情况下,地震震中区位于距水库3~5km范围内或不超出该河谷的第一分水岭;在有区域性活动断裂通过的地段不超过10km;3)地震年频次:按可比震级计算,超过天然地震本底值(实测的多年平均值)5~10倍;4)年释放能量:构造型水库地震的能量年释放率应比天然地震本底值(实测的多年平均值)高出2~3个数量级。岩溶塌陷型、地表卸荷型及其它外成因水库地震,其年释放能量一般很小,不是有效的判别标志。由于水库诱发地震的多成因性,在不同情况下,上述各项标志的含义会有区别。例如:1)构造破裂型水库地震的年频次和年释放能量都应高于天然本底地震;2)地表卸荷型水库地震的频次极高而总释放能量较小;3)岩溶塌陷型水库地震的年频次较高而释放能量不一定很大,在天然地震活动水平较高的库段,此类型水库地震的年频次也有可能达不到当地多年平均值的5~10倍。蓄水初期在库盆及库水影响范围内发生的地震,有可能是水库诱发地震,也有可能只是天然构造地震的正常表现。对水库诱发地震的判别,主要参照上述标志,通过对比蓄水前后地震活动的特征:包括地震发震时间与库水位的关系、空间分布特征、发生的频次、能量释放等特征。从地震发生的时间看,高桥断裂的初震时间是2003年7月6日,而三峡水库于2003年6月10日蓄水至135m高程,发震时间稍有滞后;高峰期在三峡水库2003年11月4日蓄水至139m高程后,目前尚未见有平息的迹象。地震活动与库水位的变化之间有一定的相关关系,符合第一个判别标志。从地震空间分布看,图7中3个小区域的地震分布各有一定特点。图中1区地震沿长江干流和神龙溪支流交汇部位的干支流库岸分布;2区的地震分布在高桥断裂中段,远离库岸线10km;3区的地震分布于碳酸盐岩分布地区,该区西侧主要发育溶蚀洼地和落水洞,为地下水补给区,东侧神农溪支流一带多为溶洞出口,为地下水排泄区,东西两部分通过地下溶洞和暗河与库水连通。从水库地震与水库淹没及影响范围的空间相关角度考虑,一般来说:1)在断裂不发育或断裂规模较小的库段,水库地震的主震和地震集中区处在距库岸线3~5km范围内或不超出该河谷的第一道分水岭;2)区域性现代活动断裂穿过水库或平行库边通过,蓄水后沿断裂发生的地震,有可能是构造型水库地震;但如果震中距库岸在10km以外,即使沿断裂分布,属于水库诱发地震的可能性也很小;3)在岩溶管道系统发育地区,库岸线应将在大型岩溶管道中形成的充水范围(即地下水库)考虑在内。按照上述原则和第二个判别标志来分析高桥断裂的地震:图7中1区的地震距离长江干流库岸3~5km,即在库盆影响范围内,与水库蓄水有直接的相关关系,属于水库诱发型地震的可能性较大;2区的地震分布靠近高桥断裂中段,离长江干流和神龙溪支流的库岸线大于10km,受水库蓄水的影响很小,且蓄水前的2000年6月在此区域附近发生过ML3.6天然构造地震,1979年龙会观ML5.1地震也可能与高桥断裂的活动有关,因此2区的