2010, Vol. 53
2. 台湾大学地质科学系, 台北 10617
, CHEN Gui-Hua1, YU Gui-Hua1, SUN Xin-Ze1, TAN Xi-Bin1, CHEN Li-Chun1, SUN Jian-Bao1, CHEN Yuegau2, CHEN Wen-Shan2, ZHANG Shu-Ping1, LI Kang1
2. Department of Geosciences, National Taiwan University, Taipei 10617, China
地震地表破裂带长度、同震位移空间分布、同震位移平均值和最大同震位移值等是描述地震地表破裂样式和滑动习性重要的运动学参数，它们通过与矩震级（Mw）之间的经验关系式用于活动断层的地震危害性评价，并作为分析地震破裂过程的基本约束条件[1~8].2008年5月12日发生在青藏高原东缘龙门山推覆构造带中段的汶川地震，简称5·12汶川地震，是一次罕见的逆冲斜滑型特大地震[5, 9~11]，里氏震级（Ms）8.0级，矩震级（Mw）7.9，起始破裂点（震中）纬度30.9607°，经度103.3525°，震源深度18.8km，发震时刻北京时间2008-05-1214:28:0.39[12].地震波型资料反演表明，5·12汶川地震可分解为2次同震位移量达6~9 m的地震事件，地震破裂时间持续90~120 s，震源破裂长度达300余千米[13~17]，揭示出存在多条断层参与异常复杂的地震破裂过程[5]；整个破裂过程可划分为地震起始破裂后10s内破裂长度约30km的纯逆冲型、10~42s破裂长度约100km兼有少量走滑分量的逆冲型、42~60s破裂长度约50km的逆冲兼走滑型和60~95s破裂长度约110km兼有少量逆冲分量的走滑型等4个破裂阶段[18, 19]；汶川地震地表破裂带在地表破裂类型、破裂宽度、几何结构和同震位移分布等方面具有非常鲜明的特色，是迄今为止地表破裂结构最复杂、破裂长度最长、同时兼有逆冲和右旋走滑分量的一次板块内部逆断层型特大地震事件[5, 11, 20~22].
鉴于地震灾害评估、应急救援和恢复重建的需求，以及作为典型逆冲斜滑型地震破裂实例研究的需要，许多科研单位在5·12汶川地震发生数天后组织科技人员，在第一时间进入龙门山区的映秀、北川和青川等地，对地震地表破裂带展开了抢救性和保护性科学考察和实地测量工作，获得了有关地表破裂带展布、同震地表变形或破裂类型和同震位移等宝贵的第一手测量数据、资料和成果，丰富了对5·12汶川地震破裂过程和破裂机制的认识.由于在野外测量同震位移或同震变形幅度时参考标志面/线与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，加上地表破裂带规模大、结构复杂和野外考察时间短等诸多因素，许多研究者给出了具有一定差异的考察结果.例如，北川-映秀地表破裂带长度有的高达300余千米，也有小于200km的，最大同震垂直位移介于6.2~12m，最大同震右旋位移从4.9~15m；汉旺-白鹿地表破裂带长度较为接近，介于60km至80km之间，最大同震垂直位移约3.5m[5, 9, 11, 20~22, 23~28].也有个别研究者认为龙门山推覆构造带北段青川断裂上有55km长的同震地表破裂存在，同震垂直位移约0.3 m；北川-映秀地震地表破裂带南段还有4.2m的最大同震左旋位移等[29].
可见，迄今为止获得的有关5·12汶川地震地表破裂样式、长度和最大同震位移等几何学和运动学参数存在着很大的不确定性，不仅妨碍了对汶川地震破裂机制，特别是地震时空破裂过程的深刻理解，也妨碍了对青藏高原东缘斜滑型逆断层长期滑动速率、地震破裂分段性、震级上限、同震位移量和发震可能性等地震危险性评估工作的科学性，甚至妨碍了对青藏高原东缘运动学模型和隆升机理的理解等.本文基于野外实地观测事实和全站仪或差分GPS仪实测数据，通过对已有结果的合理性分析，补充相对独立的新资料，重新客观地论证5·12汶川地震地表破裂带展布样式、长度、最大同震位移值等基本参数，不仅能够减少地震破裂基本参数的不确定性，更好地用来评估周边地区相关活动断层的地震危害性，还有助于深化认识青藏高原东缘隆升过程.
2 地震地表破裂带展布与长度综合国家汶川地震现场指挥部应急科学考察、中国地震局系统科学考察、中国科学院、中国地质调查局等有关科研单位的野外考察，以及国家自然基金委资助两岸汶川地震合作项目多次野外测量等获得的基础资料表明，5·12汶川地震使龙门山推覆构造带中段北川-映秀断裂和灌县-江油断裂等两条叠瓦状逆断层和NW向小鱼洞断裂同时发生破裂，形成了北川-映秀和汉旺-白鹿等两条近于平行的NE向地表破裂带和一条NW向小鱼洞地表破裂带[5, 9, 11, 20~27, 30]（图 1）.
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图 1 汶川地震地表破裂带展布（a）及同震位移分布（b）图 F1：北川-映秀地表破裂带，黑色点和黑色线段分别代表测量点和同震位移值；F2：汉旺-白鹿地表破裂带，蓝色点和蓝色线段分别代表测量点和同震位移值；F3：NW向小鱼洞地表破裂带，绿色点和绿色线段分别代表测量点和同震位移值；HKSS：虹口次级段；LMSS：龙门山镇段；CPSS：茶坪段；NBSS：南坝段. Fig. 1 Distribution of the co-seismic offsets measured along the Beichuan, Pengguan and Xiaoyudong rupture zones (a) Co-seismic ruptures along the Beichuan rupture zone (F1) with black observation dots, Pengguan rupture zone (F2) with blue observation dots and Xiaoyudong rupture zone (F3) with green observation dots.Colors in (a) correspond to those in (b).DCP:Dengcaoping Village, DHK:Donghekou Village, JA:Jian'an Village, LMS:Longmenshan Town, SHX:Shenxigou Village, XYD:Xiaoyudong Town; (b) Each offset amount was measured at an individual surface rupture:black lines are offsets along the Beichuan surface rupture zone, blue lines along the Pengguan rupture zone and green lines along the Xiaoyudong rupture zone. |
北川-映秀地表破裂带沿龙门山推覆构造带中段中央断裂展布，是汶川地震的主体地表破裂带[5, 9, 11, 20]，西起汶川县映秀镇西马柳村，接近中国地震台网中心和美国地质调查局（USGS）测定的起始破裂点或震中位置，存在着南北2支地表破裂（图 1a）.其中，北支破裂走向近于东西，西起三江口镇北东的麻柳村附近（103.36656°E，30.94472°N），可见走向N70°E、高50cm、宽约2m的鼓包（图 2a），向北东延伸到鱼子溪与岷江交汇部位西侧高阶地后缘山坡地带，出现地形坡度变异现象，横切割鱼子溪西侧映秀至耿达公路、鱼子溪河床（103.48286°E，31.061416°N）、映秀镇北部物流配送中心（103.48558°E，31.06308°N）和都江堰至汶川213国道和岷江河谷（103.48967°E，31.06528°N）等，形成高约1~2.3m的挤压推覆陡坎[5, 9, 11, 22]；南支破裂西起漩口镇红庙山桥头和水磨沟附近（103.46125°E，30.97622°N），可见公路路面走向N65°±5°E的路基裂缝，NW盘抬升约15cm（图 2b）.
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图 2 北川-映秀地表破裂带西端点构造特征 （a）三江镇马柳村；（b）漩口镇红庙山. Fig. 2 Photos showing structural features of the westernmost end of the Beichuan rupture zone (a) Maliu Village, Sanjiang Town; (b) Hongmiaoshan, Xuankou Town. |
北川-映秀地表破裂带东止于北川县红光乡东河口大型基岩崩塌体附近（32.40572°E，105.11081°N）（图 3a），具体表现为滑坡体西南侧发育在寒武纪邱家河组中下段石英细砂岩、千枚岩、板岩和白云岩内部走向N45°E~N50°E、倾向NW、倾角约62°的基岩断层面，断层面上发育阶步和擦痕，其中擦痕向SW侧伏，侧伏角为30°±5°，指示断层曾发生过带有逆冲分量的右旋走滑运动（图 3b）；东河口大型基岩崩塌体以东地表破裂带延伸线所经公路、河道或山坡等地则没有见到明显的地表破裂，但在基岩断层面下盘（东南侧）出现走向320°、地表面向SW倾斜、呈多米诺骨牌状规则排列的张性裂缝，深度~3m（图 3c）.此外，具有构造意义的地表破裂出现在青川县石坝乡董家村（32.34719°N，105.03392°E）黄土梁子顶部，表现为宽约12 m、走向295°±5°E张性地堑，与东河口滑坡体南侧张性裂缝一起可能代表带有右旋走滑分量的北川-映秀地表破裂带东端部尾端张性构造现象，而典型的右旋走滑型地表破裂则出现在青川县马公乡窝前村大型基岩崩塌东北何长贵山坡梯田地带（32.31178°N，105.97372°E），地表破裂带右旋切割梯田田埂和沿田埂种植的排树约3.4±0.05m[11, 31].也有作者认为东端点位于青川县关庄镇变电站排水渠附近（图 3a中32.39018°N，105.14597°E），可见破裂穿过变电站房屋水泥台阶和屋前水泥地面，并从水泥台阶与房屋剥落的印迹量测到0.3 m垂直位移和0.2 m右旋走滑位移[22, 27].问题是该点位于变电站旁排水渠临空面一侧，可见地面破裂基本上平行于排水渠堤岸，走向NW，明显偏离NE走向的地震地表破裂带，且分布范围局限，在其北的水泥路面上和其南的水泥桥基上均没有见到相应的破裂或变形，说明这一现象是水泥台阶和台面顺堤岸下掉而成的次生破裂，并不是具有构造意义的地震地表破裂（图 3d）.还有学者认为北川-映秀地表破裂带东端终止于青川县木鱼乡西侧，地表破裂带长度达275km，主要依据为公路拐弯处路面出现的NE向剪切张裂缝[24]，实际上这一NE向张剪切裂缝为公路滑坡体后缘陡坎，向东弧形拐弯最终转为NW向张剪切裂缝，故不能够作为北川-映秀地表破裂带东端[11].可见，北川-映秀地表破裂带自西南三江口镇北东的麻柳村附近（103.36656°E，30.94472°N），东至青川县红光乡东河口大型基岩崩塌体附近（32.40572°N，105.11081°E），整体长度约240±5km，与已经发表的汶川地震地表破裂带长度一致[5, 11].
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图 3 北川-映秀地表破裂带东端点构造特征 （a）高分辨率卫星影像；（b）断层面及其擦痕；（c）多米诺张性裂缝；（4）顺坡滑动陡坎和台阶滑动[27]，具体位置见图 3a. Fig. 3 Photos showing structural features of the easternmost end of the Beichuan rupture zone at Donghekou Village (a) Satellite image for the Donghekou massive landslide; (b) Fault plane and slickenside striations; (c) Domino-like N40°E-striking tension cracks with visible depth of~3m;(d) Landslide scarp and staire slip[27], see Figure 3a for its location. |
汉旺-白鹿地表破裂带沿龙门山推覆构造带前山灌县-江油断裂分布，是汶川地震产生的第二长地表破裂带，位于北川-映秀地表破裂带东南约12km，整体走向N45°±5°E，西起彭县通济镇东涧安村附近（30.98600°N，103.36400°E），具体表现为玉米地高~35cm、走向N40°E左右的挤压推覆陡坎（图 4a），上盘发育着6条NE向张剪切裂缝带，向东到涧安村朱阳安家院内出现北西抬高、东南下降、高~52cm的挤压推覆陡坎；地表破裂带向东连续延伸，经彭州市白鹿镇、什坊市八角镇、绵竹市汉旺镇、泉新村、雎水镇，在安县桑枣镇北川主寺一带（31.62850°N，104.37200°E）垂直位移减少到十几厘米（图 4b），最后在安县安昌镇以西消失.与北川-映秀地表破裂带不同，汉旺-白鹿破裂带为纯逆断层型地表破裂，整体走向N45°±5°E，地表可见长度达72km（图 1）.
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图 4 汉旺-白鹿地表破裂带端部构造特征 （a）西南端部；（b）北东端部. Fig. 4 Photos showing structural features of the terminations of the Pengguan rupture zone (a) Southwestern end; (b) Northeast end. |
小鱼洞地表破裂带是汶川地震产生的一条走向N50°±5°W的次级地表破裂，位于北川-映秀破裂带虹口与龙门山镇两次级地表破裂段斜列阶区至汉旺-白鹿破裂带西端之间，运动性质为左旋走滑兼有逆冲分量[5, 11].地表破裂带北端断续延伸与NE向龙门山镇次级地表破裂段过渡，南端在磁丰乡草坡村附近走向从NW向逐渐转为近NS向后消失，成为连接北川-映秀地表破裂带与白鹿-汉旺地表破裂带的侧向断坡，沿走向N310°W方向长度约为7km（图 1）.
2.4 地表破裂带长度可靠性分析地震地表破裂带几何结构和分布样式等可靠性问题可以用相对独立的技术方法加以验证.SAR图像的幅值信息分为方位（azimuth）和斜距（range）两个方向，可以提供两种在SAR成像平面中互相独立的观测数据：方位向观测为纯水平形变，斜距向形变与InSAR结果完全一致.将震前和震后两幅ALOS SAR干涉图像配准后，分别计算幅值信息的方位和斜距向形变信息，获得地震地表破裂展布信息：斜距方向的计算结果具有较高的信噪比，跨越断层两侧的位移具有明显变化，清楚地展示了3条地震地表破裂带位置（图 5a）.在震中附近由于信噪比下降，地表破裂不清晰，但可以确定北川-映秀地表破裂带终止在（103.4°E，30.9°N）附近，往NE方向在（105.13°E，32.4°N）附近地表破裂突然终止、消失（图 5b）.此外，从InSAR图像上还可看到，形变往NE方向仍然存在：南北存在不同的条纹模式可以推断，地震变形可以一直延伸到（105.47°E，32.63°N）附近，但没有到达地表（孙建宝等，2008）[17]，与余震观测结果基本一致[12, 32].
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图 5 （a）汶川地震地表破裂带展布样式的ALOSSAR数据的幅值偏移图像；（b）北东端变形特征的ALOSSAR与InSAR联合图像 Fig. 5 (a) ALOS SAR image showing the surface rupture pattern of the Wenchuan earthquake; (b) Jointed image of the ALOS SAR and InSAR for the north-easternmost end of the surface rupture zone |
迄今为止，有学者报道龙门山推覆构造带北段NEE向青川断裂也出现同震地表破裂现象，并给出了9个点的同震破裂走向、倾向和0.05~0.3m垂直错动量[29].我们对上述9个点进行了核查，发现9个点无一例外是公路拐弯或跨越沟谷填土处在地震动条件下压实和向陡坡侧滑动、垮塌的后缘地裂缝，具体表现为滑动、垮塌后缘“簸箕状”弧形拐弯张裂缝，不应作为具有构造意义的地震地表破裂看待，即青川断裂上不存在同震地表破裂.
因此，5·12汶川地震产生了迄今为主板块内部逆断层型地震地表破裂最为复杂、长度最长的地表破裂样式[2, 5]：两近于平行的叠瓦状地表破裂带和一条起连结作用的NW向次级地表破裂带.其中，北川-映秀破裂带是汶川地震的主体地表破裂带，长约240km，汉旺-白鹿地表破裂带长约72km，NW向小鱼洞地表破裂带长~7km.依据地表破裂类型组合和几何结构特征等，可以将汶川地震地表破裂带划分为映秀和北川两个一级段落（图 1）.映秀段由虹口、龙门山镇和汉旺-白鹿等地表破裂组成，长度约112km；北川段由茶坪和南坝等地表破裂组成，长度约118km.宽约10km、长约7km的高川张性阶区内部仅见个别地点存在极不连续的地表破裂，可以认为是映秀与北川两个段落之间的段落边界[4, 33~42]，地表破裂带的不连续性表明汶川地震由两个相继发生的地震事件联合而成，反映出相邻段落间相互作用和级联破裂的基本属性[19, 43, 44]，这一地表破裂分段模型与利用地震波反演得到的两次地震震源破裂过程相一致[13, 45].
3 同震位移分布特征 3.1 同震位移与峰值位移5·12汶川地震是一次兼有右旋走滑分量的逆断层型地震，同震地表破裂主要表现为逆断层陡坎、逆断层上盘垮塌型陡坎、挤压推覆陡坎、右旋走滑推覆陡坎、逆断层相关褶皱陡坎、后冲推覆陡坎、脆性地表重叠陡坎和近地表局部正断层陡坎等8种类型，伴随着明显的地壳缩短[19, 20, 46].测量此类同震垂直位移应选择陡坎两侧同一地貌面/线或人工标志，并保证地貌面/线或人工标志在震前是连续且规则地跨越地震断层.考虑到汶川地震地表破裂带，特别是北川-映秀地表破裂带北段带有明显的右旋走滑分量，在斜坡地段要特别注意走滑运动本身可造成眉脊面和视垂直位移，垂直测量陡坎高度会夸大同震垂直位移量，复原右旋走滑位移后的陡坎高度才能代表真实垂直位移，更可靠的方法是寻找到跨断层的同一级梯田面、梯田埂或类似的标志面/线，测量断层陡坎两侧高差和水平距离，分别代表真实的同震垂直位移和右旋走滑位移.例如，北川县曲山镇北东沙坝村孤立房屋倒塌北侧坡地（31.325°N，104.46877°E）地表破裂带两侧约3.5 m右旋走滑位移，形成了一个高约3.6 m眉脊面，有人认为是同震垂直位移值[25]，实际垂直位移仅1.9 m；同样，在沙坝村沿断层谷地至茅坝一路上坡，所有测量到的陡坎高度需要扣除由于地形斜坡造成的视位移，否则会过高地估计测量点的同震垂直位移量[22, 23, 25, 27].在野外利用3D激光扫描仪、Trimble差分GPS、全站仪和皮尺等测量地表破裂带两侧同一自然或人工标志面的垂直高差作为观测点的同震垂直位移，测量两侧同一自然或人工标志线水平距离限定观测点的走滑位移，获得了北川-映秀、汉旺-白鹿和小渔洞等3条地震地表破裂带的同震垂直位移和走滑位移数据.综合野外考察和同震位移测量结果表明，沿三条地震地表破裂带走向同震位移大小是不均匀的，北川-映秀地表破裂带虹口、龙门山镇、茶坪和石坝等次级破裂段上各存在一个峰值（图 1b）.其中，虹口次级破裂段以逆断层相关褶皱陡坎、逆断层上盘垮塌型陡坎、逆断层陡坎为主，最大垂直位移6.2±0.5m，附近地带垂直位移介于4~5 m，平均垂直位移为约3 m，个别地段还发现存在右旋走滑分量，例如，在深溪沟7组测到的水泥路面右旋走滑位移值最大可达4.5m左右，垂直位移达2.7m，与该段走向偏北有关[5, 11, 20].龙门山镇次级地表破裂段为典型的挤压推覆陡坎，兼有右旋走滑分量，在龙门山镇银厂沟测量到的最大垂直位移为5m左右，右旋位移约2.2m，平均垂直位移3.5m左右，右旋走滑位移约1m.茶坪次级破裂段数据较少，但在茶坪附近测量到的基岩破裂陡坎高约5.2m，河岸右旋走滑位移4.3m，平均垂直位移约2.5m.石坝次级破裂段同时兼有右旋走滑位移和逆冲垂直运动分量，最大垂直位移6.5±0.5m，位于北川县曲山镇茅坝至沙坝之间，附近地段垂直位移介于4~6 m之间，右旋走滑位移也达3 m左右，个别可达4.35 m；平通镇南木耳地南车道最大右旋走滑位移为4.9±0.2 m，更北地段的右旋位移量达3±0.5m，略大于平均值约为2.5m垂直位移量.可见北川-映秀地表破裂带映秀段以逆冲作用为主，向东右旋走滑分量逐渐增加，北川段右旋走滑分量与逆冲垂直分量近于相等.
汉旺-白鹿地表破裂带运动性质为纯逆断层，最大垂直位移3.5±0.2m，一般介于1.5~2.5m之间；NW向小鱼洞破裂带最大垂直位移约3.5m.
因此，5·12汶川地震地表破裂带存在多个同震位移峰值（图 1b）：若以一级分段为准，映秀段以兼有右旋走滑分量的逆冲作用为主，最大垂直位移为6.2±0.5m；北川段以逆冲分量与右旋走滑分量基本相等的斜滑作用为主，最大垂直位移为6.5±0.5m，最大右旋走滑位移4.9m.
3.2 最大同震位移值讨论与地震地表破裂带长度或平均同震位移量一样，最大同震位移量也是描述地震地表破裂带特征一个不可或缺的基本参数[1, 4, 40].由于测量参考标志和对震前先存陡坎高度识别等差异，尽管不同研究组都认为北川县曲山镇茅坝至沙坝之间邹家院子附近（31.83833°N，104.46815°E）地表可见的局部正断层陡坎为汶川地震地表破裂带最大垂直位移所在地（图 6），但给出了相差甚大的最大同震垂直位移量.例如，有研究者假定邹家楼房（楼房1）及其邻近被毁多家楼房（楼房2，3，4）、猪圈和猪食房等共享同一水泥面院子，据此从被毁楼房3地基到邹家院子水泥地基垂直高度，以及被毁楼房附近寒武纪砂岩、泥岩构成的陡坎高度测量值，扣除推测约4m的先存陡坎高度，认为最大垂直位移为9±0.5 m，伴随有2±0.5m右旋走滑位移[46, 47]（图 6a）；也有研究组全然不考虑先存陡坎高度而把测量到的陡坎高度全部算作2008年汶川地震的同震陡坎，给出了~10m最大垂直位移量[22, 27]，甚至~12 m最大垂直位移量[24].实际上，以下测绘、地质和高压电线塔等地震前后测量均表明，上述研究组均夸大了5·12汶川地震地表破裂最大垂直位移量.
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图 6 沙坝至茅坝间最大位移照片图解 （a）最大垂直位移解释（橘红色箭头所指8.6m垂直位移据文献[46, 47]）；（b）先存断层陡坎特征；（c）地震断层上盘包括猪圈、化粪池、房屋地基和水泥路面等在内的参考面；（d）残存水泥路面、被测量高压电线塔（J2）与垂直位移量. Fig. 6 Photos showing the pre-existing scarp and maximum vertical offset (a) Maximum vertical offset (8.6 m vertical offset after Ref.[46, 47]); (b) Pre-existing scarp feature; (c) Reference surface for measuring vertical offset; (d) Remnant cement road, measured basement of a high-tension bus-bar and vertical offset. |
①国家测绘局提供的北川县附近1:5万地形图（H48E001010）上，在量测到最大垂直位移的沙坝村邹家院子西侧山坡上存在一个高程为760 m（WGS84坐标系统）、NE向长约650 m的封闭圈（图 7a黑色箭头位置），刚好与震后局部正断层型陡坎范围一致，说明现今高9~13 m陡坎包含了5·12汶川地震陡坎及其之前至少一次古地震陡坎高度.尽管2001年四川省北川县土地规划局测绘资料（1:1万）缺邹家院子附近地形等高线，但给出了现今陡坎最高点及其东侧最低点两个高程数据（图 7b），分别为688.1m和681.1 m（地方坐标系统），高程差为7m.此外，据绵阳市电网管理局2005年6月建设报告（检索号：松木口S05156IS-A0101）可知，北川电子公司变电站至通口电站北西西向原110千伏线路近于垂直地震断层陡坎，且高压线塔J2刚好位于陡坎顶部（图 6（c，d）；图 7），从震前施工实测的地形剖面可知，高压线塔J2东侧存在一个高约6.8±0.2m先存陡坎（图 8）.
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图 7 先存断层陡坎的测绘资料图 （a）国家测绘局提供的北川县附近1:5万地形图（H48E001010），黑方块代表地震前后测量的3座电塔位置及其编号（J1、J2、J3）；（b）2001年四川省北川县土地规划局测绘资料（1:1万）. Fig. 7 Topographic evidences for pre-existing fault sacrp (a) 1:50000 scale topographic map from National Surveying Bureau and measured high-tension bus-bars (J1, J2 & J3);(b) 1:10000 scale topographic map from Beichuan County, Sichuan Province. |
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图 8 北川沙坝村跨断层高压线塔J1，J2和J3地震前高程剖面图（绵阳市电网管理局提供） Fig. 8 Topographic profile showing the high-tension bus-bars J1, J2 and J3 before the earthquake (Provided by Power Grid Administration of Mianyang City) |
三套不同单位提供的不同比例地形测绘资料相互证实在5·12汶川地震前，邹家院子西侧就存在高~6.8m的先存断层陡坎，把现存的陡坎高度当作5·12汶川地震垂直位移无疑过高地估计了同震位移量[22, 24, 27].
②据公开发表的资料可知[46, 47]，邹家院子西侧确实存在一个先存断层陡坎，陡坎顶部和自由面上生长着竹林、棕榈树和其他植被，且在陡坎自由面中部存在一块长4.2m、宽1.95m的石块（图 9a）.汶川地震期间由于陡坎抬升，覆盖在先存陡坎自由面上的石块、浮土及其生长的棕榈树、竹子等崩塌到陡坎下部，形成5·12汶川地震崩积物（楔），原先位于陡坎自由面中部的石块也崩落到陡坎下部（图 9b），经测量石块宽1.95 m，长4.2 m.综合分析石块形态、周边植被特征、陡坎下部向南增高的梯田田埂及其分隔的2级梯田面等，可以计算出石块所在位置先存陡坎高6.8±0.7m（图 9），与测绘资料给出的陡坎高度基本一致，说明邹家院子西侧的先存断层陡坎高约6.8 m，而不是有些研究者假定的4 m高[46, 47].
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图 9 先存断层陡坎高度示意图 （a）先存断层陡坎高度测量示意图（原图据参考文献[46, 47]）；（b）崩塌石块大小测量. Fig. 9 Sketch map showing the pre-existing fault sacrp (a) Measurement of the scarp; (b) Collapse stone size. |
③在邹家院子西侧，利用差分GPS测量仪测量得到基岩断层陡坎高12.6~13.3m（图 10）.在这一断层陡坎自由面上和下部可以见到许多崩塌残存物，说明覆盖在先存陡坎上的原生地表土及其植被在地震期间存在崩落“剥皮”现象，使先存陡坎看似新形成的陡坎一样，这也是为什么许多研究组报道测量得到8.6~12 m最大同震垂直位移的原因所在[22~24, 46, 47].幸运的是，我们在邹家院子南侧倒塌的猪圈附近发现了陡坎上部仍然覆盖着的原生地表土层及其直立生长的竹子、树木和其他植被，以及被周边崩塌物覆盖的猪圈水泥地面，它们与北侧红砖砌成的化粪池顶部和覆盖在先存陡坎上部原生地表土下端点等处于同一高度（图 10a和图 6a），说明猪圈、化粪池等应属于邹家院子的组成部分，地震错动出现在P15测线No.312测点附近，之上为被原生地表土覆盖、高5.9±0.4m的先存断层陡坎，下部为5·12汶川地震新产生的高约6.7±0.4m陡坎（图 10c）；同样，在地形测绘资料（图 7）和已经发表的照片（图 9）给出高约6.8 m先存陡坎处P1测线测得陡坎总高度为13.3±0.3 m，扣除先存陡坎高度可知新形成陡坎高6.5±0.5m（图 10d）.此外，在P15测线312测点之下以及邹家院子陡坎其他地段中部以下出露了新鲜青灰色断层泥物质，陡坎中上部则缺失，也从一个侧面反映出陡坎中下部才是最近一次地震新形成的.
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图 10 北川县曲山镇沙坝村基岩断层陡坎累积高度与同震垂直位移关系示意图[11] （a）先存断层陡坎与最新陡坎关系照片；（b）测线位置；（c）P15陡坎测量剖面与同震垂直位移量；（d）P1陡坎测量剖面与同震垂直位移量. Fig. 10 Map showing relationship between the maximum vertical offset and cumulative height of the bedrock scarp at Shaba Village (31.83739°N, 104.46806°E), north of Qüshan Town[11] (a) Photo of the bedrock scarp that is covered by a surface soil layer and this shows a pre-existed scarp, blue line with bars:tension cracks associated with coseismic collapses, Dashed lines P1 and P15:measured profile locations, Black dashed line:lower margin of the surface soil cover; (b) Distribution of the P1 and P15 profiles and the dots are measured points by Differential GPS; (c) P15 topographic profile showing the possible maximum coseismic vertical off set of~6.7 m derived from young scarp at the lower part and cumulative height of the bedrock scarp; (d) P15 topographic profile showing the cumulative bedrock scarp height of 13.3±0.3 m. |
④在已经发表的给出约8.6 m最大垂直位移的邹家院子测量点[46, 47]（图 6a），我们同样质疑其真实性：从基岩陡坎处（西侧）给出的“参照面”下部由水泥和砾石堆砌而成，没见新鲜断裂面，而是与陡坎具有一致的陡坡（图 6b），不仅说明下部基岩陡坎应为先存断层陡坎，而且测量参照的所谓“房屋地基面”应该是楼3西侧院子的水泥地基面（见参考文献[46]中图 4），但真正可作为参照面的房屋地基面应该为在同一高度的猪圈水泥地面、砖砌化粪池顶面、摧毁的楼3和残存的水泥路面等构成的邹家院子面（图 6c）.同样，从震前水泥路不可能建在地下或悬在断层陡坎上以及可能建在先存陡坎坡脚附近推测，被摧毁楼3、4以北陡坎上现今悬在陡坎中部的残存水泥路面至下部平坦地之间高度应该为汶川地震的同震垂直位移，约为6.6m（图 6d）.有些研究者把陡坎约8.6~13 m总高度看作为观测点的最大垂直位移是错误的[22~24, 46, 47]，设值应该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.
⑤汶川地震最大同震垂直位移值更为可靠的证据来自于横穿北川县曲山镇沙坝村附近地震地表破裂带或先存断层陡坎的110kV高压线塔J1、J2、J3地震前后相对高程变化（表 1）.据绵阳市电网管理局2005年6月建设报告（检索号：松木口S05156IS-A0101）可知，北川电子公司变电站至通口电站北西西向原110千伏线路近于垂直地震断层陡坎，且高压线塔J2刚好位于陡坎顶部（图 6（c、d、e）；图 7、图 8），震前标注高程为575.0m，北西侧相距约54m、湔江河谷东岸山坡上的高压线塔J1高程为549.7m，东南侧山坡距J2约642 m的高压线塔J3标高688.5m.假定位于断层陡坎东南侧山坡地高压线塔J3为不动点（断层西南盘近断层附近相对平武观测点存在有0.5~0.6 m左右下降量[48]），震后差分GPS测量资料表明（表 1），上述3座高压线塔地震后相对高程差发生了明显的变化：汶川地震期间高压线塔J2相对J3塔抬升了6.9±0.1m（表 1），代表了断层陡坎两侧同震垂直运动总量，量值在我们发表的最大同震垂直位移值（6.5±0.5m）应许的误差范围内，但接近上限值，证实陡坎上残存水泥路面之下才为汶川地震同震陡坎，其上应为前一次古地震形成的先存断层陡坎.另外，J1塔相对J3塔抬升了7.2±0.1m，同时说明断层陡坎北西盘存在着断层相关褶皱隆升现象.因此，高压电线塔地震前后测量表明，断层陡坎两侧包含东南盘下降和西北盘抬升量在内断层陡坎两侧可能的最大同震垂直错动量约为6.9m，在地质测量得到的最大垂直位移的误差范围内或接近上限值，考虑到两种测量方法之间存在系统误差，特别是测量值包含了东南盘约0.6m的下降量，在这里我们仍然把6.5±0.5m作为汶川地震最大同震垂直位移量，便于同震位移量的系统性对比与分析.
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表 1 北川沙坝村跨断层高压线塔地震前后基本高程参数变化与相对抬升量 Table 1 Parameters of elevation changes for the basements J1, J2 and J3 of a high-tension bus-bar before and after the Wenchuan earthquake |
也有学者在曲山镇茅坝小学东侧山坡附近观测点（31.8320833°N，104.4600555°E），给出了5·12汶川地震最大同震右旋走滑位移值为8~10 m，但由于陡坎两侧坍塌因素干扰，实际测量标志线不清（参考文献[23]中图 8a），考虑到以下原因不能代表客观位移值：在离该观测点南不到300m的湔江湾北侧通往北川大酒店公路及其护堤（31.8289400°N，104.4568900°E）标志很明显点测量到的同震垂直位移为3.1 m，右旋走滑位移仅2.4m[21]；同样，在其北不到150m沿断层从沙坝前往曲山镇的小路跨地震地表破裂处（31.8332778°N，104.4622500°E），可见同震右旋走滑位移也只有3.7 m，往北东到邓家（31.8383333°N，104.4681500°E）长约7km地表破裂带沿线，可见正断层型地表破裂带切割了一系列梯田及其梯田埂、冲沟沟谷和跨地表破裂带的人工构建筑等面状和线状标志，系统测量得到的右旋位移均介于2~4.4 m之间，间接反映出8~10 m最大同震右旋走滑位移可能存在很大的不确定性，或者是多次地震错动的累计值.
有多位学者报道北川县擂鼓镇赵家沟坪上村的最大右旋走滑位移达5.8~6.8 m，垂直位移为5m[22~27].实际上，这一陡坎为顺坡滑动的滑坡体后缘陡坎，沿这一陡坎追踪可发现两侧山坡上陡坎迅速发散、高度降低、踪迹消失.另外，由于冲沟存在向南的弯曲，冲沟中的滑坡体与后缘之间出现了视右旋走滑位移.因此，将该观测点作为地震地表破裂带，并测量滑坡体后缘陡坎高度和视右旋位移作为同震地表破裂的最大右旋走滑位移也是错误的.
因此，北川县曲山镇茅坝至沙坝之间邹家院子附近确实是5·12汶川地震产生最大垂直位移的地段，最大垂直位移量为6.5±0.5 m，地震前后高压电线塔测量结果接近7 m，与曲山镇北川大酒店附近跨断层水准测量到的垂直同震位移（约5.4m）以及GPS和InSAR等联合反演得到的最大值6.7m[48~50]较为匹配；最大右旋走滑位移4.9±0.5m[5, 11, 19, 49].
4 最大垂直位移的构造内涵假定地震起始破裂点以上地壳是弹性的，地表可见断层面上对上盘隆升有贡献的滑动量（net slip）可以代表深部断层面不同段落上的滑移量；同时假定汶川地震发震断层为倾角向下逐渐变缓的逆断层模型[5, 50, 51]，在深约21km附近收敛到近于水平的滑脱面上（图 11），且地震同震变形主要集中在地震破裂带上，具有局部化的基本变形特征.则可以通过简单的几何关系将在地表量测到的垂直位移投影转换到断坡面上的滑动量，也为倾角向深部变缓断层远处近于水平滑脱面上部地壳块体的水平运动量，或者说地震引起的垂直于发震断层最大可能的地壳缩短量[52, 53].以一级分段为准，汶川地震地表破裂带映秀段在都江堰市虹口乡深溪沟飞水湾水电站邓草坪村观测点测量到的最大垂直位移为6.2±0.5m，在断层地表露头上测得断层面倾向NW，倾角约58°，对应的断层面上的最大纯滑动量或地壳缩短量为7.3±0.6m；北川段曲山镇茅坝至沙坝之间最大可能的垂直位移为6.5±0.5m，野外观测到近地表断层倾向SE，倾角介于60°~90°，对应的断层面上的最大纯滑动量或地壳缩短量为7.5±0.6~6.5±0.5m.上述数据说明，汶川地震在龙门山推覆构造带产生的地壳缩短量约7 m.假定类似的地震2000~3000年发生一次[28]，龙门山地区快速隆升起始于距今12 Ma[54]，则在此期间龙门山地区最大地壳缩短量和相应的最大抬升量可达35±7km.取最大侵蚀速率值为2mm/a[54]，则距今12 Ma以来龙门山地区的侵蚀量估计约为24km，小于通过逆断层缩短量和对应的垂向隆升量，可见现今龙门山地区与成都平原之间约4000m高差完全可以通过逆冲断层将青藏高原中东部的地壳东向逃逸转换为东缘的隆升，并引起在逆冲断层上的右旋斜滑和地壳缩短来实现，证实青藏高原东缘横向逆断层可将向东逃逸的水平运动量转换为隆升及其与成都平原地形高差，这一转换是青藏高原东缘隆升的主要动力源和形成机理[5, 10, 55]，不需要额外的下地壳流动与膨胀支撑（channel flow）[56, 57].
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图 11 汶川地震发震断层几何结构剖面图（据参考文献[19]修改） （a）映秀段；（b）北川段.（左）：地震断层产状；（右）计算地壳缩短量的断层相关褶皱模型；v：地表测量到的垂直位移；d：近地表断层面上滑移量；θ：近地表断层倾角. Fig. 11 Cross sections showing distributions of aftershocks, strike-slip faulting focal mechanisms (blue) and reverse faulting focal mechanisms (red) as well as fault geometry for the Yingxiu segment (a) and Beichuan segment (b). (a) The Yingxiu segment; (b) The Beichuan segment; (left):Fault geometry; (right):Fault-related fold model showing relation among vertical offset (v), crustal shortening (d) and fault dip angle (θ) |
5·12汶川地震产生了迄今为止板块内部逆断层型地震地表破裂样式最为复杂、长度最长的地震地表破裂带：西起汶川县映秀镇西三江口镇北东的麻柳村附近（103.36656°N，30.94472°E），接近中国地震台网中心和美国地质调查局（USGS）测定的起始破裂点或震中位置，东止于北川县红光乡东河口大型基岩崩塌体附近（32.40572°N，105.11081°E），整体走向N42°±5°E，长度约240±5km，最大垂直位移为6.5±0.5m.地震地表破裂带可分为兼有右旋走滑分量但以逆冲推覆为主的映秀段和同时兼有右旋走滑和逆冲运动分量的北川段.其中，映秀段长约112km，最大垂直位移6.2±0.5 m，平均垂直位移介于3~4m之间；北川-石坝段长约118km，最大垂直位移6.5±0.5m，地震前后高压线塔测量得到的可能最大值约7m；最大右旋走滑位移为4.9±0.2m，且右旋走滑分量在曲山镇北沙坝以北逐渐增大，在平通附近超过垂直位移量，段落上平均垂直位移和右旋走滑位移均为2~3m.
假定地表可见断层面上滑动量（nets lip）可以代表深部断层面不同段落上的滑移量，则汶川地震地表破裂带映秀段和北川段上6.2~6.5 m最大同震垂直位移量对应于倾角向下变缓逆断层滑脱面之上龙门山推覆构造带两侧存在约7 m的最大可能的地壳缩短量，这一同震地壳缩短量隐含着龙门山区与成都平原约4000m地形高差可通过青藏高原东缘逆冲断层的地壳缩短并转换为上盘隆升来实现，不需要额外的下地壳流动与膨胀支撑.
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