汶川地震断裂带特征:科学钻探(WFSD)研究成果

【摘要】：大地震后在活动断裂上进行科学钻探是研究地震机制的理想途径。2008年5月12日,汶川地震(Mw7.9)使青藏高原东缘龙门山断裂带上的映秀-北川断裂带和灌县-安县断裂带同时破裂,并形成～270km和～80km长的地表破裂带。大地震后178天,由科技部、国土资源部和中国地震局共同组织实施了汶川地震断裂带科学钻探项目(WFSD),这是对大地震的快速回应。为了更好的理解地震断裂机制和岩石的物理化学特征,汶川地震断裂带科学钻探项目计划沿两条地表破裂带(映秀-北川断裂带和灌县-安县断裂带)实施550m到3400m不同深度的5口钻孔。钻孔位置选取在同震滑动量较大的地方。一号孔(WFSD-1)和二号孔(WFSD-2)位于映秀-北川断裂带上盘南段八角庙地区,该地区最大垂直位移6-6.7m,它们的终孔深度分别为1201.15m和2283.56m。三号孔先导孔(WFSD-3P)和三号孔(WFSD-3)位于灌县-安县断裂带上盘绵竹市清泉村,该处最大垂直位移约为4m,终孔深度分别位551.65m和1502.18m。四号孔(WFSD-4)位于映秀-北川断裂带北段南坝地区,该区观测的同震垂直位移量约1.5m,右旋位移量约2m。WFSD-4开始于2012年8月6日,目前孔深2313m,计划钻取深度为3400m。在WFSD-1整个岩心剖面中我们识别出12条次级断裂带,其中最少有10条次级断裂带组成了映秀-北川断裂带,其最小宽度约为100m。在虹口地表露头,汶川地震主滑移带(PSZ)靠近映秀-北川断裂带底部位置。然而,在岩心中,通过温度、自然伽马、密度、P波速率、电阻率和磁化率等测井数据以及断层泥的新鲜程度、显微结构、粘土矿物和流体等特征,确定在～590m深度处厚约1cm的新鲜断层泥为汶川地震PSZ,该位置靠近映秀-北川断裂带的上部,因此,确定汶川地震滑动面倾角～65°,具有高角度逆冲性质,并且在映秀北川断裂带内部斜切了不同的结构层。岩心中的破裂分布在断裂上下盘,显示出该断裂带具有对称的破裂结构特征。在～1cm厚的PSZ顶部发现～1mm厚的同震石墨层,并具有滑动擦痕,为汶川地震主滑移面(PSS),因此,同震石墨化作用可能是汶川地震断裂主要的弱化机制。从WFSD-2钻孔的结构剖面来看,三套新元古代彭灌杂岩与三叠系须家河组沉积岩重复出现,岩心样品中擦痕面和擦痕线指示新元古代花岗岩沿一系列NW倾向断层逆冲于须家河组之上,表明龙门山构造带由一系列逆冲岩片叠置而成,具有强烈的水平缩短作用,因此,该结果不支持龙门山是由下地壳隧道流形成的模式。通过综合分析,初步判断汶川地震PSZ可能位于1367.8m深处,于新元古代彭灌杂岩的花岗岩中,该处新鲜的黑色断层泥具有最高的破裂密度,测井数据发生突变。在WFSD-3P和WFSD-3岩心剖面中,通过断裂岩的分布,确定了灌县-安县断裂带厚约50m,同时,确定了汶川地震主滑移带(PSZ)在不同钻孔中分别在～507m和～1300m深处,位于灌县-安县断裂带底部,因此,灌县-安县断裂带中汶川地震主滑动面倾角～38°,具有低角度逆冲性质。岩心中的破裂基本只分布在断裂上盘,显示出该断裂带具有不对称的破裂结构特征。从地表以及WFSD-1和WFSD-2岩心中汶川地震PSZ位置来看,指示汶川地震断裂并不完全沿袭映秀-北川断裂带,但从WFSD-3P和WFSD-3来看,汶川地震断裂完全沿袭灌县-安县断裂带,因此,在地表沿映秀-北川断裂带和灌县-安县断裂带破裂的两条汶川地震断裂带具有完全不同的断裂特征,前者高角度、以逆冲为主伴随右旋走滑、具有对称的破裂结构,后者低角度、以纯逆冲为主、具有不对称的破裂结构。由于汶川地震同震断层泥只有约1cm厚,因此,岩心中数米厚的断层泥的出现,暗示着断裂带的宽度尤其是厚层断层泥的出现和地震事件次数之间存在一定的内在联系。