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龙门山地壳破裂:汶川大地震的内在动因

中篇
   龙门山地壳破裂:汶川大地震的内在动因
   □刘斌夫
   四、块体衔联形态、盆山耦合关系与震源机制畸变

   为什么距震源90公里处的成都震感如许强烈?
   为什么?自5月12日14时28分龙门山断裂带地壳破裂后,短短数分钟内,地震波迅速扩散到中原、塞北、江南、台闽海峡、宁夏、青海、甘肃、河南、山西、陕西、山东、云南、湖南、湖北、重庆、北京、上海、台湾等,诸省市区震感明显,强大的能量甚至波及泰国、越南。
   (一)块体矛盾
   龙门山系北东向展布的逆冲推覆构造带,处于中国“华北块体”、“扬子块体”与“羌塘块体”之间,在北、东、西三大巨型地质构造块体围合下,由松潘—甘孜褶皱带,于晚三叠纪中晚期,印支运动发生褶皱回返,所造成的北东—南西向挤压而形成。新世末发生的“印度板块”与“欧亚板块”的碰撞,及其后继续向北东方向推挤,使龙门山构造带继续遭受强烈挤压。
   这使龙门山脉地壳,一直以来就具有极不稳定性,即地理学、地质学、地质力学、地球物理学所称的“活动性”。
   块体与块体之间、块体与龙门山推覆构造带之间,是一对对你推我攘的矛盾体。颇具稳定性的扬子块体,与极具活动性的龙门山断裂构造带,无时不刻不在发生着“地下”争让攻守关系。
   尤其这一敏感地带的耿达—汶川—茂县段的“茂汶韧性断裂带”区,作为龙门山系发育最早、规模最大的断裂之一,主要发育于以花岗岩为主的前寒武系彭灌杂岩中,韧性形变特征十分明显,在龙门山主干断裂带中具有重要地位。它是一个多条断层组成的一个构造应变化地带,也是一个具有多期活动性的破裂带。
   (二)盆山关系
   整个龙门山造山带和毗邻的盆地,是大陆岩石圈地质构造的孪生体。盆与山之间,具有“盆转山、山控盆”的耦合关系。盆、山之间,在地下不仅存在长期的重要物质交换关系,而且更存在流体的相互作用与相互交换。
   (三)震源机理
   震源即地震发生的源头。震源是恒定不变的。5•12汶川大地震震源,应在汶川映秀。
   震源深度,从某种角度或侧面决定了发震频率的高低、释放震能的多少、造成破坏性的大小和余震的密集度、持续时间的长短等。
   地震学上可分为:①深度震源,一般最深可从650公里左右地层向上至地表;②中度震源,在深度震源和浅度震源之间;③浅度震源,一般指地表以下30公里左右的发源点。
   浅源地震,其发震频率最高,占地震总发生数的70%以上,所释放的能量占总释放能量85%左右,是地震灾害的主要制造者,对人类的危害影响最大。
   此次汶川地震,即属“浅源地震”。其震源至地表10~20公里。
   图七 浅、中、深震源示意图
   (四)震源与震极的常态与变格
   前述假设推断“双震中现象”震源与震极分离割裂,是地球史上可能很少发生的特殊现象。如果把“震极”理解为地震能量释放最强的极点,一般情况下,震源即震极。但5•12汶川大地震,震极从震源脱离,到第二震中形成新震极,表现为:第二震中新震极,比主震中——震源地的活动性、破坏性要大得多。
   这一殊异现象的发生,为将来防震救灾提供了预期镜鉴,可以更早地设置双防控预案,提前疏散非震源的新震极地居民,以防患于未然,尽力减少伤亡损失。
   (五)成都地震与远距离震感
   四川省的地震主要集中在8个地震多发带(区)上:龙门山地震带,松潘地震带,名山—马边—昭通地震带,金沙江地震带,理塘地震带,安宁河—则木河地震带,木里—盐源地震带,鲜水河地震带。
   成都东面的龙泉山,是龙门山脉的南向断裂延伸线丘陵低山,直至仁寿—黑龙滩与井研接壤处的二峨山,以及成都南面双流东山。成都西面都江堰青城山、崇州鸡冠山、大邑西岭雪山、邛崃天台山,成都西南面的新津、蒲江长秋山,雅安名山县蒙顶山、天全—宝兴二郎山,都是龙门山向西南延伸的几条断裂中低山或深丘陵。德阳罗江大霍山(白马关)和成都金堂,是龙门山东向延伸的两条中低山系及深中浅梯次丘陵区。
   大成都地区每年有低级轻度地震,主要在龙泉、金堂神鬼不知地悄然发生,不为人们所觉察。盖因龙泉山作为龙门山断裂带的延伸,所受地壳积压。中央断裂带对龙泉低山已呈长弓未弩,因而龙泉小山脉地壳运动幅度很小,每年震幅在3级以下。
   此次汶川地震,成都市区震感强烈,达到5.8~6.1级以上,是因为震源、震中和核心震区的能量巨烈冲撞,使往常盆山之间温情交流的耦合关系,突然变成激情对碰的敌对关系,山的活动性与盆的稳定性猛烈开战,加之成都城市海拔低,低于泰山压顶之力倾覆之下,几乎失守。
   据美国南加州地震中心研究人员分析,龙门山断裂带作为地震多发区的活动断层,使来自青藏高原深部的物质向东流动到四川盆地时受阻,即翻身向上运动,两者边界即为断层面。如果断裂每年运动数厘米,经过几十年至100年,每隔50~70米,积聚的应力和能量,就可能发生的一次里氏7级以上的大地震。加之震源较浅,而震源机制是向北东逆冲运动,震区土质松软,震波向低势低缓的“第三台阶”——东部扬子块体和北部华北块体两大稳定块体的能量传播距离就很长很远,致使5•12汶川地震的震感,很快传至东部海岸线。
   五、龙门山断裂带地壳运动和汶川地震致震动力来源
   (一)龙门山造山运动与岩石圈演化
   大约一亿年前,中生代白垩纪中晚期,即所谓“喜山期”,喜马拉雅造山运动中,印度洋板块向北运动,挤压欧亚板块,推使青藏高原隆升。青藏高原隆升之同时,向西运动,挤压四川盆地。四川盆地在5000年前都是海水满溢,沼泽密布,为沉积得相对稳定的地块。但青藏高原与四川盆地之间相隔这道龙门山,由于应力蓄积,活动性由弱变强,蓄积到一定程度,特别当有诱因激发,地壳就会破裂,而致地震。
   自海西期以来,龙门山地震断裂构造带,至少发生过8期较为明显的构造事件。其中的印支晚期、燕山期最为剧烈,喜山期运动频次最高。
   据GPS观测表明,观今龙门山构造带,承继喜山期以来的运动特征,以海拔超过5000米的龙门山最高峰九顶山为代表,正在不断抬升。
   这种龙门山冲断带的不停隆升与川西前陆盆地不易察觉的沉降,表明汶川—陇东南这条长的韧性剪切带为过渡,地壳内部流体密切活动,新生代以来龙门山地层不断受到剥蚀,岩石圈不断演化。
   (二)地应力积聚、逆断层活动临界状态与“流体致震”
   龙门山断裂构造带地壳运动和5•12汶川大地震的致震动力来源有至少之有三:
   1、地应力;2、流体;3、外部压力。
   地应力是地壳板块、块体挤压所蓄势形成的内部力量。
   流体致震,其观测事实,实验证据和理论依据,引起地球科学界尤其地震不界的广泛关注。
   地球深部流体,泛指中下地壳和上地幔的流体。
   地幔占整个地壳的82.3%,占整个地壳质量的67.8%,占整个地壳质量的67.8%,是地球构层的主体。
   地幔是重要水储集库,因而也成为地球内部流体发生的主要地带区层。
   超深流体,则指过渡带与下地幔的流体。
   地下流体与地应力息息相关。
   据地质力学专家以“库仑摩擦滑动准则”,对龙门山断裂带专门进行水压致裂地应力实测数据试验:沿龙门山地质构造带西侧,在9个100~500米深的钻孔中,进行力学测试,获得断裂带两侧地表浅部构造应力的大小、方向和分布特征,从而确认和掌握断裂带性质与活动性。
   结果表明:摩擦强度0.6~1.0,适用于浅部断层构造;地壳浅部地应力的大小和方向,与断裂性质及活动性密切相关;应力状态与断裂带逆冲性质密切相关。断裂带东段的广元地区,中段的平武、汶川和茂县地区,西段与鲜水河断裂带,共南北向构造复合部位的实测最大水平主应力值,满足逆断层活动的临界状态。
   (三)龙门山断裂构造带地震孕育特征与超前预测
   超临界流体(SCF)在地震孕育过程是:地球深部流体,来源有原始流体和板块俯冲带入的流体,一般以超临界状态存在。超临界流体与壳幔物质发生着物理、化学、生物复合反应,使岩石和熔浆的物理、化学性质发生一系列改变,使岩石强度降低,使断层和岩浆活动性增强,甚或发生相变、决裂,而致地震。
   只要通过定期和不定期对龙门山断裂带的地应力与流体临界实验包括PMP(莫霍界面反射波)能量与介质衰减参数测定,就可以初步预测其致震周期、震源部位、震波导向。
   早在上世纪九十年代以来,国内地球物理学界、地质力学、流体力学界、地质学界和尤其川内地震研究人员,就在十余年的研究成果中,“集体无意识”地无数在论文里表述过:从1999年~2001年、2001~2004年的GPS资料处理分析,到2000年完成的《川西高原和四川盆地深地震测》,深刻而生动揭示了川西高原(龙门山)地壳结构(下地壳)有增厚趋势、地壳平均速度变低,显示这一带地壳缩短增厚的碰撞变形特征;证实青藏高原东缘动态活动最为突出的川滇地区、尤其川滇块体东北界(龙门山构造带),形度指数最大值为2.5~3.5(其他地区仅为1.5以内);川西高原各爆点试验参数共同呈显pmP弱能量,由此推断川西高原(龙门山构造带为主体)其下壳介质已具有强衰减性质(p=100~300);西部地区宽频带地震台站的面波资料反映,青藏高原及其东缘邻区地壳上,地幔S波三维速度结构,在周期T=29.2s和42.9s的Rayleigh波群速度分布图上,显示青藏高原东部川西高原山地峡谷区域,呈现大范围“低速异常”。多种分析成果断定:这一地区“今后一段时期”(即已成为现实的今天!)可能成为“重点孕震地域”。
   (四)岩浆迸发与山上悬河(回头河、围堰湖、堰塞湖)
   此次汶川大地震,或可称为汶川—北川大地震,在5个组团反应点群之一的绵竹汉旺以深的清平、天池一带山体,出现地下熔岩迸发出地面的可怕场面,很快熔浆冷凝于震荡的暴雨中。
   在汶川、在绵竹、在彭州、在崇州、在北川、在青川,都出现怪异景象:原来的沟壑异军突起,变成了山脊;原来的山坡变成了沟谷,裂陷成山上悬河,河口被乱石拥堵,随时可能暴发山洪。如图所示:
   图八 山谷错位截面图
   (五)山体裂缝
   5月20日,青川县城西北后山狮子梁出现重大山体裂缝,近9000人疏散。裂缝长约1500米,主要裂缝有3条,裂缝带宽约50厘米,高约250米,灾害体规模约1875万立方米,山体严重变形,拉动县城北面山体整体下滑约1米,导致县城街面出现明显下陷。目前有大量危石悬吊在山坡,余震中已有岩石下滚。在靠近山顶处,有2条裂缝长达数百米,宽10多厘米,一条向南、一条向东山脚延伸。

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