第四纪研究  2016, Vol.36 Issue (2): 484-491   PDF    
汶川地震最大垂直位移处同震滑移带特征及其高磁化率意义
罗明中, 裴军令②, ③ , 唐玲②, ③, 周在征②, ③, 盛美②, ③    
(① 西安浐灞生态区管理委员会国土资源和房屋管理局, 西安 710024;
② 国土资源部古地磁 与古构造重建重点实验室, 北京 100081;
③ 中国地质科学院地质力学研究所, 北京 100081)
摘要    本文根据映秀-北川地表破裂带最大垂直位移观测点(31°50'21.2"N,104°28'09.7"E)测量数据,结合同震滑移面特征、擦痕产状等,重新讨论了汶川地震地表破裂带展布特征、过程、最大同震位移值等基本参数。该观测点对应约7.0m的垂直位移,水平位移约为5.0m。同震断层滑移面上只发育一组侧伏向为SW、侧伏角约55°擦痕,说明汶川地震破裂在映秀-北川断裂北段主要经历了一次破裂过程。使用U形槽连续采集同震滑移带断层泥样品,在2G-760岩石磁学系统自动控制平台上利用Bartington MS2磁化率仪的环形探头,按每1cm间距采集数据。测试结果说明同震滑移带断层泥具有高磁化率特征,增强机制可能是由于地震滑移作用产生的高摩擦温度导致断层岩中高磁化率新矿物的形成所致。本研究对于鉴定断层岩经历摩擦生热作用提供了一种定量分析新尝试。
主题词     汶川地震    映秀-北川断裂    断层岩    磁化率    地震滑移作用    
中图分类号     P318.5                    文献标识码    A

2008年5月12日14时28分,汶川地震在青藏高原东缘龙门山地区发生。根据中国地震局台网中心(CENC)[1] 和美国地质调查局(USGS)[2]公布的数据,汶川地震的震级为MS8.0或MW7.9,震中位于四川省阿坝藏族羌族自治州汶川县映秀镇西南侧(31.0°N,103.4°E),震源深度14-19km,其深部滑动面西倾,倾角 33°-60°,震源机制解显示为逆冲兼有右旋走滑[2, 3, 4]。震后多支科研队伍及时开展的野外调查一致认为汶川地震造成了同震地表破裂带,国内外相关研究已迅速积累数百篇。至今,关于发震断裂机制主要为逆冲作用(由NW向SE逆冲)伴随右旋走滑已得到多种研究证实[5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14],但是关于地表破裂带的长度和同震位移量仍有争论。

部分学者认为沿龙门山断裂带的映秀-北川断裂发育的破裂带长约275km,具有逆冲兼右旋走滑性质,最大垂直与右旋位移量达11m。地表次级破裂带沿龙门山断裂带的前缘断裂安县-灌县断裂南段发育,长约80km,为纯逆冲性质,最大垂直位移量达4m。另一条长约6km呈NW走向、 由SW向NE逆冲并兼有左旋滑动的小鱼洞破裂带,连接于上述两条破裂带,以左旋走滑兼有逆冲运动为特征[5, 7, 8]。但是,不同学者野外考察和测量所获得的同震滑移量存在分歧。比如,最大滑移量位置有学者认为在深溪沟[9, 10, 15]、擂鼓镇[16]和北川县城东侧曲山镇沙坝村[7]。最大滑移量差别也比较大,有学者认为最大垂直位移为6.0-6.7m,最大水平右旋走滑位移为4.8-6.0m[9, 10, 15]; 也有观点认为最大垂直位移为8-12m,最大水平右旋走滑位移为9-12m[7, 11, 17, 18]。导致测量出不同数据的原因主要是不同的测量方法和对同一现象的认识不同[19],例如不同的参考标志、 地表破裂带走向是否垂直以及对地震陡坎变形样式和先存陡坎的认知程度等不同[20]。最新的研究通过对地形测绘资料等的考证,最大位移位置确定为北川县城东侧曲山镇沙坝村邹家院子附近,最大垂直位移为7m左右,直接野外测量值是包含汶川地震同震垂直位移在内的多次地震的累积位移值[20]。至于最大水平位移的争论至今没有好的证据,通过地震断裂面上的擦痕,以及原地地表断裂陡坎的垂直高度可以计算出相应水平位移量[8, 9, 13],但是最大垂直位移附近出露断层擦痕侧伏向虽然均为 SW向,侧伏角却位于15°至40°之间,并且一盘多为松散堆积物,擦痕更可能是多次古地震的遗迹[19, 21]

虹口保留的同震擦痕[5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13]为揭示汶川地震破裂过程、 断裂运动学性质和构造应力方向分布特征提供了重要依据,因此,在最大位移量处寻找同震擦痕并测量分析对探索破裂过程及其性质和确定同震位移量非常关键。详细了解地表破裂带的分布及其性质和特征对于研究同震断裂的形成、 活动机制、 复发周期等科学问题非常重要[19]。最大同震位移的不确定性,妨碍了对汶川地震破裂过程和发震机理的深刻理解,同时也妨碍了对青藏高原东缘龙门山逆冲断裂带长期滑动速率、 地震破裂分段性和发震可能性等地震危险性评估工作的科学性,甚至影响了对青藏高原东缘隆升机制的理解[19, 20]

本文报道了位于映秀-北川断裂带北川县城东侧曲山镇沙坝村邹家院子附近新出露的同震滑移面擦痕及磁化率结果,确定该滑移面断层泥经历过快速滑移引起的摩擦生热,均一的擦痕方向说明此段经历过一次破裂过程,根据侧伏角计算分析了该点的水平位移量。

1 地质背景

亚洲大陆逃逸构造模式[22]可以用来解释青藏高原周缘地震活动[23]。印支地块(中国滇西、 越南、 老挝、 柬埔寨、 泰国)的挤出已得到古地磁学[24, 25, 26, 27, 28, 29]和GPS测量[30]的支持,印支地块的东界红河-哀牢山断裂带和西界澜沧江断裂带为代表的断裂是破坏性地震的主要发生地区[31]。横跨龙门山布设的GPS区域观测网测量结果却显示该区比较稳定[30],曾被认为相对稳定的地区,汶川地震(MW7.9)的发生说明龙门山断裂带并不是不活动的构造[5]

汶川地震(MW7.9)发生于青藏高原东缘龙门山断裂带,是整个青藏高原周缘地区地貌变化最剧烈的地段,区内山势陡峭,江河纵横深切、 最高海拔达6500m,地形高差最大达5000m(图1)。龙门山断裂带由3条主要逆冲断裂组成,由西北向东南分别为: 汶川-茂县断裂(后山断裂)、 映秀-北川断裂(中央断裂)和安县-灌县断裂(前山断裂)[16]。龙门山不仅是中国东部和西部地形地貌的界限,而且是我国最重要的地震活动带之一[31]。汶川地震沿中央断裂与前山断裂形成了迄今为止空间上分布最为复杂、 长度最大的逆冲型同震地表破裂带。三叠纪晚期印支运动期间的显著地壳缩短形成了三叠纪前陆盆地以及龙门山逆冲断裂带,印度板块与欧亚大陆的碰撞使其重新活动[32]。沿汶川-茂县断裂发育一条早白垩世的大型韧性拆离带(青藏高原东缘拆离带),该拆离带主要导致了龙门山彭灌杂岩体和宝兴杂岩体的构造挤出[32]。龙门山逆冲断裂带的运动性质为走滑-逆冲型,中新生代以来表现为脆性逆冲-右旋走滑作用为特征[5, 16]。龙门山快速崛起发生在最近5-10Ma,并经历了多幕式的隆升过程,其中发生在上新世早期(4.0-3.6Ma)和上新世晚期(约2.5Ma)和早、 中更新世(1.2-0.8Ma)是最重要的构造变动幕[5, 16, 33],在龙门山山前的成都平原分别记录了3套冲积砾岩沉积: 上新世的大邑砾岩、 早更新世的名山砾岩和中更新世的雅安砾岩[16]

图1 青藏高原东缘及汶川地震同震地表破裂地质图 Fig.1 Active faults and Wenchuan earthquake(MS8.0)co-seismic surface rupture in the eastern margin of the Tibetan Plateau

龙门山中央断裂西南始于泸定附近,向北东延伸经映秀、 北川至陕西境内与勉县-阳平关断裂相交,总体走向 45°,倾向NE,倾角约 60°。 在北川以北存在一条走向在 20°-55°之间的地震地表破裂带,县城东侧沙坝村出露的断裂面走向NE 45°-50°,倾向SE,倾角50°-75°,NW侧地表高于SE侧地表(图2a),局部SE盘保留现象类似伴随正断裂生成的地堑(图2b),总体显示出正断裂地貌特征,是逆冲断裂在近地表发生倒转所致[8, 9, 34]。该位置保留了汶川地震造成的地表破裂最大位移量[8, 20]; 涉及地层主要为变质的黑灰色寒武系下统炭质细砂岩、 砂页岩和志留系绿色泥页岩。

图2 汶川地震在北川曲山镇沙坝村造成的同震滑移带特征 Fig.2 Field photos show the co-seismic slip zone of Wenchuan earthquake at Shaba Village,Qushan Town,Beichuan County
2 最大位移量断层滑移面特征 2.1 断层擦痕特征

该断层滑动面出露点位于老北川县城东侧曲山镇沙坝村(31°50′21.2″N,104°28′09.7″E),属于映秀-北川断裂地表破裂带北段,累积地震垂直位移量达12m左右[19],汶川地震一次造成的垂直位移量约7m左右[20]图2a)。断层滑移面位于黑灰色寒武系下统炭质细砂岩、 砂页岩和志留系绿色泥页岩接触带,滑移面走向NE47°,倾向SE,倾角66°(图2b2c)。断层岩类型包括断层角砾岩、 碎裂岩、 断层泥。上盘(NW盘)主要由断层角砾岩、 碎裂岩组成,原岩为黑灰色寒武系下统炭质细砂岩、 砂页岩; 下盘(SE盘)主要由碎裂岩和断层泥组成,原岩为志留系绿色泥页岩(图3a)。

图3 断层岩类型(a)、 样品采集(a,b)、 磁化率结果(b)和擦痕特征(c,d) Fig.3 The fault rocks,samples location, magnetic susceptibility and the striation

观测点断层滑移带发育完整,属于综合变形式(composite deformation zone)[35],具有断层核心与断层破碎带,包括断层泥、 碎裂岩及外围断层角砾岩和完整的围岩组成的变形带(图3a3b)。滑移面保留清晰,滑移面上发育厚约10cm断层泥,以灰蓝色为主,夹细线层状黑色断层泥(图3b),揭开层状断层泥,滑移面上保留清晰擦痕(图3c3d)。擦痕产状均一,侧伏向均为SW,侧伏角约55°(53°-57°) 。

2.2 磁化率特征

不同岩性岩石,其磁化率的值亦不同,因此磁化率测量为岩性确定提供了一个科学定量分析的方法。为了能够高分辨率获得磁化率结果,对包括滑移面在内的断层岩采用U形槽采集两槽样品(见图3a)。在国土资源部古地磁与古构造重建重点实验室中利用Bartington MS2磁化率仪的环形探头,在2G-760岩石磁学系统自动控制平台上按每1cm间距采集数据。

U形槽磁化率从10×10-6 SI至34×10-6SI之间变化,在灰蓝色断层泥段磁化率明显呈现波峰状态,碎裂岩部分则为低值部分,受断层剪切作用控制呈现层状发育的变形带磁化率值升高并稳定为坪状态(图3b)。

3 讨论 3.1 汶川地震同震破裂分段特征

前人已经从多个角度进行了有关发震构造、 破裂过程研究[7, 9, 10, 11, 12, 13]。映秀-北川破裂带可分为南段破裂带和北段破裂带,南段破裂带以深溪沟-虹口为中心沿映秀-虹口-龙门山镇-清平一线分布,北段破裂带以北川曲山镇最大位移段为中心沿高川-擂鼓-北川-平通-石坎等一线分布。

映秀-北川断裂带南段虹口八角庙处出露的破裂面产状近直立,擦痕产状清晰,发育两组向SW方向倾伏的擦痕,侧伏角为 30°-50°和 80°-75°,说明汶川地震破裂在该处具有复杂的运动特征,地震破裂过程划分为两个阶段,早期为逆冲作用,晚期为斜向走滑作用[7, 9, 10, 11, 12, 13]。该处地表破裂带没有沿着震旦系与三叠系的岩层界面发育,而是沿三叠系中软弱的含炭质泥岩层产生滑动[36],断层滑动面及其两盘岩层均为上三叠统须家河组的岩层,其岩性主要为砾岩、 砂泥岩夹泥灰岩,含炭质泥岩仅以薄层状夹于上述岩层之中。

在映秀-北川破裂带北段北川县城东侧曲山镇北(31°49′57.68″N,104°27′39.71″E) 观测到断层面上侧伏角约25°的擦痕发育[9],此段及附近还发育有侧伏角 15°-20°的近水平擦痕[19]。一系列观测点上,出露的擦痕只有一组向SW方向倾伏,侧伏角由近水平到约50°渐变[7, 19, 20, 21]。本次研究所揭示的最大垂直位移段的同震擦痕同样只有一组,侧伏向为SW,侧伏角约 55°。 说明汶川地震破裂在北段运动特征与南段不同,地震破裂过程主要只有一个阶段。破裂过程从北川断裂南端开始,沿北川断裂向东北方向单向扩展,在映秀和北川附近时分别出现约4s的停滞,而整个破裂过程用时约90s[37]。破裂顺序为映秀-北川断裂带西南的虹口段为起始破裂段,北段和安县-灌县破裂带都是受到触发作用而发生破裂,最后伴随有小渔洞破裂[38]。采用轨道误差校正方法与邻轨平滑技术GPS形变观测与InSAR同震形变的残差分析,获得汶川地震精细的同震形变场,同样认为断层滑动量在沿断层走向上主要分布于映秀和北川区域,最大滑动量为9.0m,位于北川县城地表附近[39]。而侧伏角由近水平到约55°变化特征暗示地震破裂以走滑运动为主转变为逆冲分量越来越大的过程。根据陈运泰等[3]的研究结果,汶川主震在北川以北段的破裂性质以明显的走滑为主,而汶川余震序列的震源机制解显示以逆冲运动为主,震源深度沿龙门山断裂带走向从汶川映秀至平武南坝有逐渐变浅的趋势主震说明从 SW 向 NE 逆冲的破裂过程,因此,在北川以北段的破裂性质具有较高的逆冲运动分量[40]。擦痕的快速变化可能受到构造应力方向的变化[21]或区域构造的控制,与此段表现出“正断裂”面貌倒转现象可能存在紧密关联,也可能是北川遭受破坏程度巨大的主要原因。

3.2 最大滑移量

汶川地震最大同震位移的确定对深刻理解破裂过程和发震机理,以及青藏高原东缘龙门山逆冲断裂带长期滑动速率、 地震破裂分段性和发震可能性等地震危险性评估工作的科学性,甚至对青藏高原东缘隆升机理的理解能够提供直接客观的科学数据支持。老北川县城东侧曲山镇沙坝村(31°50′21.2″N,104°28′09.7″E) 作为汶川地震地表破裂最大垂直位移地点已无异议,虽然关于最大垂直位移量不同学者尚有争论,但累积地震垂直位移量达12m左右[19],汶川地震一次造成的垂直位移量约7m左右[20]是目前比较认可的数据。至于最大水平位移量,从4.9m[20]到大于10m[19]分歧比较大。研究区水平错开的标志物难以确定,这也是不同研究团队存在分歧的主要原因。在获得垂直位移量的基础上,寻找同震断裂面并获得断裂面上同震擦痕的产状,可根据三角函数的关系计算得出水平位移量[19]。因此,在最大位移量处获得断裂面上同震擦痕对探索破裂过程及其性质和确定同震位移量非常关键。

本文新的同震断层滑移面位于黑灰色寒武系下统炭质细砂岩、 砂页岩和志留系绿色泥页岩接触带,滑移面走向NE47°,倾向SE,倾角66°,揭开层状断层泥获得的同震擦痕产状均一,侧伏向为SW,侧伏角约55°(53°-57°) 。根据三角函数的关系,取最大垂直位移量为10.0m和7.0m分别计算得出水平位移量为约7.67m 和5.02m,后者与InSAR及GPS联合反演得到的最大值比较一致[41],而前者可能是多次地震滑移的累积结果。沿该破裂带SW方向约1000m的北川县城北茅坝小学东侧山坡,存在约9m的右旋水平位移量[19],但有学者认为由于陡坎两侧坍塌因素干扰,实际测量标志线不清,较大的测量值也可能是多次地震错动的累计值[20]。该观测点地震断裂面上的擦痕侧伏角为15°-20°,测量获得垂直位移约2.5-2.7m,计算得出的最大水平位移量为9-10m[19]。因此,北川老县城北茅坝小学东侧附近(31°49′55.50′,104°27′36.20″)极可能是汶川地震造成的最大水平位移量地点。北川段破裂带中,出露的擦痕由南至北侧伏角渐增,垂直位移量逐渐变大,这一现象极可能是一耦合过程,反映块体走滑过程中,在地下深部不同位置遇到地质构造的阻力所致。最大垂直、 水平位移位置上的差异可能反映了走滑至斜向逆冲的地表破裂转换过程[19]

3.3 磁化率特征

磁化率结果不仅仅能够反映岩性的变化,还是断裂过程摩擦生热作用的有效指示参数[42, 43, 44]。断层角砾岩是岩石在断层发生运动时由压碎、 破碎或剪切等作用,或由断层壁间的摩擦以及由与主断层相伴生的次级的破裂作用等产生的一类由棱角状碎屑组成的构造角砾岩。因此,本研究剖面发育的断层角砾岩更多保留了原岩的磁化率特征。黑灰色寒武系下统炭质细砂岩、 砂页岩磁化率相对志留系绿色泥页岩较低。在滑移面之上的断层泥段出现一个磁化率峰值现象,而紧邻的碎裂岩带却显示明显的低值现象(图3b)。地震过程中巨大能量的瞬时释放对主断裂带附近岩石的物理性质、 化学性质会产生质的变化,同样其原有的磁学信息也会在一定程度上发生改变。汶川地震带相关研究发现沿映秀-北川断裂带出露的断层泥往往对应高磁化率[45, 46],而沿安县-灌县断裂带出露的断层泥这一现象并不明显[47]

在地震引起的断裂活动过程中,由于摩擦造成的局部高温可能引起矿物变化或新的磁性矿物生成,导致断层泥附近的高磁化率异常。局部高温也可能引起黄铁矿、 菱铁矿的部分分解,或是顺磁性矿物在摩擦生热过程中重新排列,从而导致断层泥附近的高磁化率异常,高磁化率断层泥可作为判断断层是否地震断层的有效直接证据[42, 43, 44, 45, 46]。本文观测点观察到的滑移面之上断层泥高磁化率特征说明映秀-北川断裂带活动经历过地震活动引起的断层沿滑移面快速运动并产生摩擦热的过程(图4)。深部岩芯和地表剖面发现多处记录高磁化率断层泥现象,说明沿映秀-北川断裂曾发生过类似汶川地震的强震[42, 43, 44, 45, 46]

图4 地震滑移作用造成摩擦生热及高磁化率断层岩示意图 (据文献[42] 摩擦温度示意图中红色代表高温,蓝色代表低温 Fig.4 Diagrammatic sketch of frictional heating and high magnetic susceptibility fault rocks caused by seismic slip,after reference[42]

另一方面,碎裂岩中没有出现高磁化率特征,甚至有磁化率降低的现象,可能是由于距离滑移面较远没有达到足够高的温度形成新的磁性矿物[42],也可能是后期风化作用等造成强磁性矿物转变为其他弱磁性矿物所致[47]

4 结论

汶川地震已近7年,由于几年水流冲蚀揭开的位于最大垂直位移处同震滑移带完好保留的擦痕提供了新的客观数据和信息。本文在已有多篇相关研究的基础上,取得了以下的进展和补充:

(1)汶川地震映秀-北川地表破裂带最大垂直位移段的同震断层滑移面位于上盘(NW盘)黑灰色寒武系下统炭质细砂岩、 砂页岩和下盘(SE盘)志留系绿色泥页岩接触带。断层岩类型包括断层角砾岩、 碎裂岩、 断层泥;

(2)同震断层滑移面发育一组侧伏向为SW,侧伏角约55°擦痕,说明汶川地震破裂在北段主要经历了一次破裂阶段;

(3)侧伏角由近水平到约55°变化特征暗示地震破裂以走滑运动为主转变为逆冲分量越来越大的过程。擦痕的快速变化可能受到构造应力方向的变化或区域构造的控制,与此段表现出“正断裂”面貌倒转现象可能存在紧密关联,也可能是北川遭受破坏程度巨大的主要原因;

(3)断层泥高磁化率特征说明映秀-北川断裂带活动经历过地震活动引起的断层沿滑移面快速运动并产生摩擦热的过程,沿映秀-北川断裂曾发生过类似汶川地震的强震活动。

致谢衷心感谢野外工作中司机高程及当地乡亲的热心帮助。

参考文献(References)
Episodes
1 中国地震信息网. 四川汶川县 MS 8.0地震参数. 2008, http://www. csi.ac.cn/sichuan/index 080512.htm CENC(China Earthquake Net Center).
Wenchuan County MS8.0 Earthquake Parameters, Sichuan, 2008. http://www.csi.ac.cn/sichuan/index080512.htm
2 USGS(United States Geological Survey), http://earthquake.usgs. gov/eqcenter/eqinthenews/2008/us2008ryan.php
3 陈运泰, 许力生, 张勇等. 2008年5月12日汶川特大地震震源特性分析报告. 2008. http://www.csi.ac. cn/sichuan/chenyuntai.pdf. Chen Yuntai, Xu Lisheng, Zhang Yong et al. Report on the great Wenchuan earthquake source of May 12,2008. 2008. http://www.csi.ac. cn/sichuan/chenyuntai.pdf
4 Ji C. Preliminary result of the May 12, 2008 MW7.9 eastern Sichuan, China. 2008. http://www.geol.ucsb.edu/faculty/ji/big_earthquakes/2008/05/12/ShiChuan.html
5 Xu Zhiqin, Ji Shaocheng, Li Haibing et al. Uplift of the Longmen Shan range and the Wenchuan earthquake. , 2008, 31(3):291-301
6 董树文, 张岳桥, 龙长兴等. 四川汶川 MS8.0地震地表破裂构造初步调查与发震背景分析. 地球学报, 2008, 29(3):392~396
Dong Shuwen, Zhang Yueqiao, Long Changxing et al. Surface rupture investigation of the Wenchuan MS8.0 earthquake of May 12th, 2008, west Sichuan, and analysis of its occurrence setting. Acta Geoscientica Sinica, 2008, 29(3):392~396
7 李海兵, 付小方, van der Woerd J 等. 汶川地震(MS8.0)地表破裂及其同震右旋斜向逆冲作用. 地质学报, 2008, 82(12):1623~1643
Li Haibing, Fu Xiaofang, Van der Woerd J et al. Co-seisimic surface rupture and dextral-slip oblique trusting of the MS8.0 Wenchuan earthquake. Acta Geologica Sinica, 2008, 82(12):1623~1643
8 李海兵, 王宗秀, 付小方等. 2008年5月12日汶川地震(MS8.0)地表破裂带的分布特征. 中国地质, 2008, 35(5):803~813
Li Haibing, Wang Zongxiu, Fu Xiaofang et al. The surface rupture zone distribution of the Wenchuan earthquake(MS8.0)happened on May 12th, 2008. Geology in China, 2008, 35(5):803~813
9 闫亮, 李勇, Densmore A等. 北川地区擂鼓断裂在汶川地震中的地表破裂及其意义. 第四纪研究, 2009, 29(3):535~545
Yan Liang, Li Yong, Densmore A et al. Surface rupture of Leigu fault in Beichuan area after the Wenchuan earthquake, and its significance. Quaternary Sciences, 2009, 29(3):535~545
10 李勇, 黄润秋, Densmore A等. 龙门山彭县-灌县断裂的活动构造与地表破裂. 第四纪研究, 2009, 29(3):403~415
Li Yong, Huang Runqiu, Densmore A et al. Active tectonics and surface rupture of the Pengxian-Guanxian fault, Longmen Mountain, Sichuan, China. Quaternary Sciences, 2009, 29(3):403~415
11 刘静, 张智慧, 文力等. 汶川8级大地震同震破裂的特殊性及构造意义. 地质学报, 2008, 82(12):1707~1722
Liu Jing, Zhang Zhihui, Wen Li et al. The MS8.0 Wenchuan Earthquake co-seismic rupture and its tectonic implications. Acta Geologica Sinica, 2008, 82(12):1707~1722
12 张培震, 徐锡伟, 闻学泽等. 2008年汶川8.0级地震发震断裂的滑动速率、复发周期和构造成因. 地球物理学报, 2008, 51(4):1066~1073
Zhang Peizhen, Xu Xiwei, Wen Xueze et al. Slip rates and recurrence intervals of the Longmenshan active fault zone, and tectonic implications for the mechanism of the May 12 Wenchuan earthquake, 2008, Sichuan, China. Chinese Journal of Geophysics, 2008, 51(4):1066~1073
13 马保起, 张世民, 田勤俭等. 汶川8.0级地震地表破裂带. 第四纪研究, 2008, 28(4):513~517
Ma Baoqi, Zhang Shimin, Tian Qinjian et al. The surface rupture of Wenchuan earthquake(M8.0). Quaternary Sciences, 2008, 28(4):513~517
14 刘静, 孙杰, 张智慧等. 汶川地震映秀-北川地表破裂带虹口乡段精细填图、位移特征和地震构造分析. 第四纪研究, 2010, 30(1):1~29
Liu Jing, Sun Jie, Zhang Zhihui et al. Detailed mapping of surface rupture of the Wenchuan MS8.0 earthquake near Hongkou and seismotectonic implications. Quaternary Sciences, 2010, 30(1):1~29
15 张世民, 谢富仁, 黄忠贤等. 龙门山地区上地壳的拱曲冲断作用及其深部动力学机制探讨. 第四纪研究, 2009, 29(3):449~463
Zhang Shimin, Xie Furen, Huang Zhongxian et al. Bending and thrusting of the upper crust in Longmenshan area and its deep dynamics. Quaternary Sciences, 2009, 29(3):449~463
16 李勇, 周荣军, Densmore A L 等. 青藏高原东缘龙门山晚新生代走滑-逆冲作用的地貌标志. 第四纪研究, 2006, 26(1):40~52
Li Yong, Zhou Rongjun, Densmore A L et al. Geomorphic evidence for the Late Cenozoic strike-slipping and thrusting in Longmen Mountains at the eastern margin of the Tibetan Plateau. Quaternary Sciences, 2006, 26(1):40~52
17 付碧宏, 时丕龙, 王萍等. 2008年汶川地震断层北川段的几何学与运动学特征及地震地质灾害效应. 地球物理学报, 2009, 52(2):485~495
Fu Bihong, Shi Pilong, Wang Ping et al. Geometry and kinematics of the 2008 Wenchuan earthquake surface ruptures around the Qushan Town of Beichuan County, Sichuan:Implications for mitigation of seismic and geologic disasters. Chinese Journal of Geophysics, 2009, 52(2):485~495
18 冉勇康, 史翔, 王虎等. 汶川MS8.0地震最大地表同震垂直位移量及其地表变形样式. 科学通报, 2010, 55(2):154~162
Ran Yongkang, Shi Xiang, Wang Hu et al. The maximum coseismic vertical surface displacement and surface deformation pattern accompanying the MS8.0 Wenchuan earthquake. Chinese Science Bulletin, 2010, 55(2):154~162
19 李海兵, 司家亮, 付小方等. 2008年汶川地震同震滑移特征、最大滑移量及构造意义. 第四纪研究, 2009, 29(3):387~402
Li Haibing, Si Jialiang, Fu Xiaofang et al. Co-seismic rupture and maximum displacement of the 2008 Wenchuan earthquake and its tectonic implications. Quaternary Sciences, 2009, 29(3):387~402
20 徐锡伟, 陈桂华, 于贵华等. 5.12汶川地震地表破裂基本参数的再论证及其构造内涵分析. 地球物理学报, 2010, 53(10):2321~2336
Xu Xiwei, Chen Guihua, Yu Guihua et al. Reevaluation of surface rupture parameters of the 5.12 Wenchuan earthquake and its tectonic implication for Tibetan uplift. Chinese Journal of Geophysics, 2010, 53(10):2321~2336
21 刘健, 熊探宇, 赵越等. 龙门山活动断裂带运动学特征及其构造意义. 吉林大学学报(地球科学版), 2012, 42(增2):320~330
Liu Jian, Xiong Tanyu, Zhao Yue et al. Kinematic characteristics of Longmenshan active fault zone and its tectonic implication. Journal of Jilin University(Earth Science Edition), 2012, 42(Suppl.2):320-330
22 Tapponnier P, Molnar P. Slip-line field theory and large-scale continental tectonics. Nature, 1976, 264(5584):319-324
23 嵇少丞, 王茜, 孙圣思等. 亚洲大陆逃逸构造与现今中国地震活动. 地质学报, 2008, 82(12):1644~1667
Ji Shaocheng, Wang Qian, Sun Shengsi et al. Continental extrusion and seismicity in China. Acta Geologica Sinica, 2008, 82(12):1644~1667
24 Enkin R J. The stationary Cretaceous paleomagnetic pole of Sichuan(South China block). Tectonic, 1991, 10(3):547-559
25 Yang Zhenyu, Yin Jiyun, Sun Zhiming et al. Discrepant Cretaceous paleomagnetic poles between Eastern China and Indochina:A consequence of the extrusion of Indochina. Tectonophysics, 2001, 334:101-113
26 Yang Zhenyu, Besse J, Sutheetorn V et al. Lower-Middle Jurassic paleomagnetic data from the Mae Sot area(Thailand):Paleogeographic evolution and deformation history of Southeastern Asia. Earth and Planetary Science Letters, 1995, 136:325-341
27 Yang Zhenyu, Besse J. Paleomagnetic study of Permian and Mesozoic sedimentary rocks from Northern Thailand supports the extrusion model for Indochina. Earth and Planetary Science Letters, 1993, 117:525-552
28 Takemoto K, Halim N, Otofuji Y et al. New paleomagnetic constraints on the extrusion of Indochina:Late Cretaceous results from the Song Da Terrane, Northern Vietnam. Earth and Planetary Science Letters, 2005, 229:273-285
29 Zhu Rixiang, Potts R, Pan Yongxin et al. Paleomagnetism of the Yuanmou basin near the southeastern margin of the Tibetan Plateau and its constraints on Late Neogene sedimentation and tectonic rotation. Earth and Planetary Science Letters, 2008, 272:97-104
30 Zhang Peizhen, Shen Zhengkang, Wang Min et al. Continuous deformation of the Tibetan Plateau from Global Positioning System data. Geology, 2004, 32:809-812
31 邓起东, 陈社发, 赵小麟. 龙门山及其邻区的构造和地震活动及动力学. 地震地质, 1994, 16(4):389~403
Deng Qidong, Chen Shefa, Zhao Xiaolin. Tectonics, seismicity and dynamics of Longmenshan Mountains and its adjacent regions. Seismology and Geology, 1994, 16(4):389~403
32 许志琴, 李化启, 侯立玮等. 青藏高原东缘龙门山-锦屏造山带的崛起:大型拆离断层和挤出机制. 地质通报, 2007, 26(10):1262~1276
Xu Zhiqin, Li Huaqi, Hou Liwei et al. Uplifting of Longmen Shan and Jinping Shan, eastern margin of the Tibetan Plateau:Large scale detachment faults and their extrusion mechanism. Geological Bulletin of China, 2007, 26(10):1262~1276
33 李海兵, 司家亮, 裴军令等. 汶川地震地表破裂过程探讨. 第四纪研究, 2010, 30(4):677~698
Li Haibing, Si Jialiang, Pei Junling et al. Investigating the surface rupture process of the Wenchuan earthquake. Quaternary Sciences, 2010, 30(4):677~698
34 裴军令, 李海兵, 司家亮等. 汶川地震(MS8.0)地表建筑体变形特征及其构造意义. 第四纪研究, 2009, 29(3):513~523
Pei Junling, Li Haibing, Si Jialiang et al. Surface building deformation caused by Wenchuan earthquake(MS8.0)and its tectonic implications. Quaternary Sciences, 2009, 29(3):513~523
35 Caine J S, Evans J P, Forster C B. Fault zone architecture and permeability structure. Structural Geology, 1996, 24(11):7591-7613
36 王萍, 付碧宏, 张斌等. 汶川8.0级地震地表破裂带与岩性关系. 地球物理学报, 2009, 52(1):131~139
Wang Ping, Fu Bihong, Zhang Bin et al. Relationships between surface ruptures and lithologic characteristics of the Wenchuan MS8.0 earthquake. Chinese Journal of Geophysics, 2009, 52(1):131~139
37 董顺利, 李勇, 陈龙生等. 汶川MS8.0地震的地表破裂过程. 第四纪研究, 2009, 29(3):439~448
Dong Shunli, Li Yong, Chen Longsheng et al. Surface rupture of Wenchuan MS8.0 earthquake based on fault scratch at Bajiaomiao, Dujiangyan. Quaternary Sciences, 2009, 29(3):439~448
38 贺鹏超, 沈正康. 汶川地震发震断层破裂触发过程. 地球物理学报, 2014, 57(10):3308~3317
He Pengchao, Shen Zhengkang. Rupture triggering process of Wenchuan earthquake seismogenic faults. Chinese Journal of Geophysics, 2014, 57(10):3308~3317
39 杨莹辉, 陈强, 刘国祥等. 汶川地震同震形变场的GPS和InSAR邻轨平滑校正与断层滑移精化反演. 地球物理学报, 2014, 57(5):1462~1476
Yang Yinghui, Chen Qiang, Liu Guoxiang et al. Correction of coseismic deformation field associated with Wenchuan earthquake with GPS observables and InSAR adjacent track smoothing and fault slip inversion. Chinese Journal of Geophysics, 2014, 57(5):1462~1476
40 王毛毛, 贾东, 李一泉等. 龙门山褶皱冲断带南北分段性与汶川地震的关系. 第四纪研究, 2010, 30(4):711~720
Wang Maomao, Jia Dong, Li Yiquan et al. Segmentation of the Longmenshan fold-and thrust-belt and its relationship with the Wenchuan MS8.0 earthquake. Quaternary Sciences, 2010, 30(4):711~720
41 Feng G, Hetland E L, Ding X et al. Coseismic fault slip of the 2008 MW7.9 Wenchuan earthquake estimated from InSAR and GPS measurements. Geophysics Research Letter, 2010, 37, L01302, doi:10.1029/2009GL041213
42 裴军令, 李海兵, 孙知明等. 汶川地震断裂带断层滑移作用——来自高磁化率断层岩的信息. 第四纪研究, 2010, 30(4):750~758
Pei Junling, Li Haibing, Sun Zhiming et al. Fault slip in the Wenchuan earthquake fault zone——Information from fault rocks with higher magnetic susceptibility. Quaternary Sciences, 2010, 30(4):759~767
43 Pei Junling, Li Haibing, Wang Huan et al. Magnetic properties of the Wenchuan Earthquake Fault Scientific Drilling Project Hole-1(WFSD-1), Sichuan Province, China. Earth, Planets and Space, 2014, 66:23
44 Pei Junling, Zhou Zaizheng, Dong Shuguo et al. Magnetic evidence revealing frictional heating from fault rocks in granites. Tectonophysics, 2014, 637:207-217
45 Yang T, Chen J Y, Wang H Q et al. Magnetic properties of fault rocks from the Yingxiu-Beichuan fault:Constraints on temperature rise within the shallow slip zone during the 2008 Wenchuan earthquake and their implications. Journal of Asian Earth Sciences, 2012, 50:52-60
46 Yang T, Chen J Y, Wang H Q et al. Rock magnetic properties of fault rocks from the rupture of the 2008 Wenchuan earthquake, China and their implications:Preliminary results from the Zhaojiagou outcrop, Beichuan County(Sichuan). Tectonophysics, 2012, 530-531:331-341
47 Liu Dongliang, Li Haibing, Lee T Q et al. Primary rock magnetism for the Wenchuan earthquake fault zone at Jiulong outcrop, Sichuan Province, China. Tectonophysics, 2014, 619-620:58-69
THE CO-SEISMIC SLIP ZONE AT THE MAXIMUM VERTICAL DISPLACEMENT SITE OF WENCHUAN EARTHQUAKE AND ITS HIGH MAGNETIC SUSCEPTIBILITY IMPLICATIONS
Luo Mingzhong, Pei Junling②, ③ , Tang Ling②, ③, Zhou Zaizheng②, ③, Sheng Mei②, ③    
(① Bureau of Land, Resources and Housing, the Administrative Committee of Xi'an Chanba Ecological District, Xi'an 710024;
② Key Laboratory of Paleomagnetism and Tectonic Reconstruction, Ministry of Land and Resources, Beijing 100081;
③ Institute of Geomechanics, Chinese Academy of Geological Sciences, Beijing 100081
)

Abstract

The Wenchuan earthquake(MW7.9, 12 May 2008) produced two surface rupture zones along the Yingxiu-Beichuan and Anxian-Guanxian faults, respectively.The Yingxiu-Beichuan rupture zone is characterized by thrusting with dextral slip.Aiming at understanding the distribution characteristics of surface rupture zone, faulting process, and the maximum offsets, in-situ measurements were performed at the maximum offsets observation site along the Yingxiu-Beichuan surface rupture(31°50'21.2"N, 104°28'09.7"E).The dextral displacement is ca.5.0m according to the ca.7.0m vertical displacement at the Shaba Village, Qushan Town, Beichuan County.Co-seismic fault striations, striking SW with pitch angles of ca.55°, can be seen on the rupture plane at this site.These reveal that the northern segment of the Yingxiu-Beichuan fault is characterized by oblique thrust motion with strike-slip component and experienced one rupture process.After removing the weathered rock, we systematically sampled fault gouge by U channels(2×2cm plastic box).Magnetic susceptibility of the U-channel sample was measured continuously every 1.0cm using Bartington MS2 magnetic susceptibility system mounted on 2G-760 cryogenic magnetometer autotracking rail.The rock types control the greatest proportion of the magnetic susceptibility.Moreover, possible correlations between the magnetic susceptibility anomalies and the occurrence of fault gouge was shown by the high magnetic susceptibility phenomenon of the fault gouge.The principal mechanism responsible for the high magnetic susceptibility of the gouge is most likely caused by the production of new magnetite from iron-containing silicates or clays.This study shows that magnetic analysis can help to quantitatively recognize frictional heating events in specific fault rocks.Fault gouges with high magnetic susceptibility in the same wall rocks can be considered as a proxy for earthquakes or seismic signatures.

Key words     Wenchuan earthquake    Yingxiu-Beichuan Fault    fault rocks    magnetic susceptibility    seismic slip