四川地震的动力学分析

龙门山断裂带与强震

龙门山断裂带与强震

作者：嵇少丞

今天雅安市芦山县发生的7.0级强震造成的围墙倒塌（网络照片） 2008年5月12日8.0级大地震发生在龙门山断裂带的中北段、今天雅安市芦山县发生的7.0级强震发生在龙门山断裂带的南段。下面，我就科普一下龙门山断裂带。

在中国地图上有一条由著名地理学家胡焕庸（1901~1998）先生提出的“胡焕庸线”。这条直线，北起黑龙江爱珲县、西南达云南腾冲，它把中国大陆分成西北和东南两部分，线的东南侧，土地只占整个国土

面积的36%，人口却是全国的96%。线的西北侧，情况恰恰相反。在四川省的地图中，也有这样一条人口分布疏密的对比线，它就是龙门山脉。龙门山以东是称之为“天府”的成都平原，“田肥美，民殷富„„沃野千里，蓄积饶多，此谓天府。”龙门山以西是中、高山、极高山和高原的世界，遍布湍急的河流、深切河谷，自然环境注定这里不能像川东一样养活众多的人口，而只能是游牧民的天下。

龙门山是青藏高原东缘边界山脉，横亘于青藏高原和四川盆地之间。龙门山脉北东－南西向长约500 千米，北西－南东向宽约40~50 千米，从东到西分别是山前冲积平原（海拔约500 米）、高山地貌（海拔2000~5000 米）和高原地貌（海拔4000~5000 米），为当今世界上坡度最陡的高原边界。龙门山地区的地形坡度比喜马拉雅山南坡的还大，这样的地貌特征本身就说明垂直龙门山方向上水平构造应力分量很大。前人的野外地质考察和古地磁资料都证明龙门山脉晚新生代以来经受了强烈的右旋斜冲。但是，横跨龙门山布设的GPS区域观测网在5.12之前的近十年的测量结果却显示基本上没有位移，有些人据此推断龙门山断裂带不是活动地震构造，把该地区从全国强震重点防范区的名单上剔除。在5.12地震发生在前，当地政府和民众都认为龙门山地区不会有大地震发生，因此也就没有采取任何应对地震灾害的策略与措施，更没有为应对可能的地震灾害而储备救援物资。事实上，在GPS观测的时间段内，龙门山断裂带处于闭锁状态，并不证明龙门山断裂带是不活动的构造。

与龙门山隆起有关的主干断裂主要有三条（图1~2、图3）：西边一条叫龙门山后山断裂，沿茂县－汶川－卧龙一线，也被称之为汶川－茂县断裂，大体上沿汶川到茂县的高山峡谷延伸；东边一条叫龙门山前

山断裂或边界断裂，沿安县－都江堰－天全一线，也被称之为安县－灌县断裂；中间那条叫龙门山中央断裂，沿映秀－北川－青川一线，也被称之为映秀－北川－青川断裂。这三条断裂呈叠瓦状，都向北西倾，在地下20~24千米深处，这三条断裂收敛合并成一条缓倾角的逆断层，成为青藏高原推覆到四川盆地之上的主控制构造。在地表，后山断裂的倾角为60~85o，中央断裂倾角为50~80o，这两条断裂都表现为脆性变形叠加在早期的（约1.30 亿年）韧性变形（糜棱岩、构造片岩）之上。前山断裂发育在中生界（三叠系、侏罗系、白垩系）的地层和岩石中，地表的倾角也较陡，主要呈脆性。在印支期，龙门山中央断裂作韧性推覆，后山断裂为韧性正断，夹在这两条断裂之间的彭灌杂岩和宝兴杂岩被韧性挤出（隧道流）。这些杂岩是活化了扬子克拉通的结晶基底。晚新生代之后，龙门山三条主干断裂都作脆性右旋斜冲。

前山断裂是四川盆地与龙门山脉的天然分界线，前山断裂的东边地壳相对沉降，河流从龙门山里带出大量的泥沙物质，在山前形成一系列冲积扇，成都平原的人民世世代代在上面耕种着。前山断裂与中央断裂之间所夹的是低龙门山区，从东到西依次是丘陵、低山、中山，最高山顶的海拔一般不超过2500米，山体的岩石主要是上古生界（泥盆系、石炭系和二叠系）中生界（三叠系、侏罗系和白垩系）的。中央断裂与后山断裂之间所夹的是高龙门山区，山峰高度多在3500米以上，其中九顶山的狮子王峰海拔4984米，为龙门山的最高峰。高龙门山区的山体主要有前寒武系的彭灌杂岩（由花岗岩、花岗闪长岩及铁镁质的基性

岩石脉组成）以及下古生界（寒武系、奥陶系和志留系）的地层和岩石构成。

1929年，年轻的地震学家赵亚曾，来到当时还是地质空白区的四川龙门山地区科学考察，他在彭州的白鹿顶和小鱼洞一带，发现山顶上较老的二叠系石灰岩覆盖在较新的三叠系含煤岩层之上，他把这些山顶命名为“飞来峰”，他的研究成果发表在当年的《中国地质学会志》。后来，地质学家把这种地质现象称之为“推覆构造”，老的岩体顺着一系列逆冲断层被强推到新的岩层上面，就像一组由西北到东南被推倒的多米诺骨牌。被强推上去的岩体叫推覆体，这些推覆体经过后期地质作用的改造，形成景色秀丽的飞来峰群，吸引了历史上不同宗教在上营造庙宇寺院。龙门山里比较著名的飞来峰自北到南分别有唐王寨飞来峰、清平飞来峰、彭灌飞来峰、白石飞来峰、金台山－中林飞来峰等，这些飞来峰大多位于中央断裂和前山断裂之间。地质学家估计，在垂直龙门山脉方向有43%的地壳缩短率，在这个方向上地壳岩石遭到挤压缩短，故形成高山。

5.12地震震中下方地壳厚度约52千米，在震源深度14~20 千米范围内，地壳具有平均S波速超过4.0 千米/秒的异常高速结构。在深度26~38 千米范围内地壳平均S波速约为3.6 千米/秒，为低速区。成都市区地壳厚度约42千米，成都以东约20千米的龙泉驿地壳厚度仅38千米。在耿达和卧龙一带，地壳厚度约60千米。松潘－甘孜地块的地壳厚度约60~62千米。所以，从东到西地壳厚度逐渐增加。

5.12特大地震就发生在映秀镇附近、途经破裂和摩擦强度都大的彭灌杂岩的龙门山中央断裂上。震源机制解表明，震源点上断层的走向为238o、向北西倾59o，三个主应力的方向分别是：（302，06），（036，

31），（202，57），括符里第一、第二个数字分别是应力的走向和倾角，采用国际惯例右手法制。，和分别表示相互垂直的最大、中间和最小主应力。同震破裂从震源出发在不到两分钟的时间内向北东方向传播了近275 千米，根据地表同震破裂的产状以及上面的擦痕侧伏角，可以看出，在映秀－北川段断面很陡（70~80o），断层上下两盘相对运动以推覆为主，右旋走滑为辅，垂直位移最大达10 米，水平位移最大达4 米；但在北川－青川段，断层上下两盘相对运动以右旋走滑为主，推覆为辅。这样的构造变形的样式过去500万年可能一直如此，从而造成从南西到北东，山的高度逐渐减少。起源于中央断裂上的5.12特大地震还激发了都江堰－安县之间的前山断裂（图1），形成总长近百千米断断续续的地表同震破裂，也具明显的逆冲兼右行走滑特征，垂直位移最大达4~5 米，水平位移2~3 米。在都江堰－安县断裂东侧5~10 千米的山前盆地中虽然地表看不到同震破裂，但出现喷水冒沙，并且呈北东向（从都江堰的聚源镇向江油方向）成带断续分布，说明地下隐伏盲断层（大邑－郫县断裂）被地震触发。在彭州市小雨洞镇附近有一条呈北西向逆冲兼具左行走滑的地表同震破裂带，它连接北川－映秀断裂和安县－灌县断裂。

汶川县城向南至N31o 经度线之间，这段龙门山后山断裂有可能在

5.12大地震中也被激活，断层运动可能仅集中在深部，同震断裂不一定

都能传到地表。2008年5月14日5.6级和5月16日5.9级两个强余震都发生在龙门山后山断裂之西，震源机制解指示龙门山后山断裂作右旋走滑，推覆的分量很小。INSAR雷达干涉影像表明龙门山后山断裂也有活动。

1800年以来，龙门山中段的前山断裂上先后曾发生过4次中强地震，最大一次是1970年发生在大邑西边的6.2级地震。龙门山后山断裂自1597年以来，共发生过4级以上地震13次，最大一次是1657年4月21日（清顺治十四年三月初八）的汶川6.5级地震，史书上记载那次地震：“地震有声，昼夜不断，山石崩裂，江水皆沸，房屋城垣多倾，压死男妇无数”。龙门山中央断裂自1168年到5.12之间只发生过12次4级地震，仅一次6.2级，发生在北川。在汶川县映秀镇地区可以看到5级阶地，一级阶地是这一次5.12地震形成的，河床抬高了2.2米。二级阶地高3米，三级阶地高7米，四级阶地高25米，五级阶地高7米。五级阶地的形成年龄在52,700年左右，垂直累计抬升高度为44.2米，所以断裂带的平均年垂直滑移速率为0.84 毫米/年。如果每一次8级大地震可以形成2.5米左右的垂直滑移，那么这个地区发生类似5.12汶川地震的复发周期就是3000年。

岷江发源于川西高原岷山的贡嘎岭和郎架岭，主干河道流向先由北向南，在汶川南转向东南横切九顶山，之后流入成都平原，总落差大约3010米，河道平均比降为千分之八。每次地震后，岷江河水将龙门山上滑坡塌方下来的碎石和泥土带到下游的成都平原，形成冲积扇。成都

平原上岷江冲积扇的最大厚度达541米，位于郫县、温江一带。该冲积扇的下部为大邑砾石层，中部为雅安砾石层，上部为上更新世至全新统砾石层。大邑砾石层是成都平原上最古老的冲积砾石层，其形成时间约为360万年前，说明360 万年前就已经有了高起伏、陡地貌的龙门山脉了。换句话说，龙门山地区360万年以来，一直强震不断的，每3~5千年就来一次，每次地震使得龙门山长高2~3米，地震之后风化剥蚀与河流搬运又减少了由地震造成的山脉升高。成都理工大学李勇教授估计，龙门山年平均剥蚀速率为0.5~0.6毫米，近1000万年以来龙门山有5~6千米厚的岩石被剥蚀掉了，亦即，1000万年前埋深5~6千米的岩石现在出露于地表。前文曾说过由地震造成的龙门山抬升的年平均速率是0.84毫米，地震抬升与风化剥蚀两相抵消之后的剩余就是龙门山地区地表隆升速率，平均每年0.24~0.34毫米。所以，龙门山和青藏高原一样，目前仍保持隆升趋势。

震前的GPS观察显示（图4），龙门山脉中各条断裂带的滑移速率每年平均只有1毫米左右，比起北边的东昆仑断裂带和南边的鲜水河－小江断裂带（10~13 毫米/年）要小得多。映秀一带的龙门山中央断

裂一直很平静，说明断层一直处于闭锁状态，直到2008年5月12日下午14点28分突然发生了8.0级大地震，不是“小震闹，大震到”的“前震－主震－余震”系列，而是“要则不鸣，一鸣惊人”的“主震－余震”系列。

5.12大地震的动力来源还是青藏高原和扬子地块之间相对运动在龙门山断裂带上产生的长期能量积累和突然释放。印度大陆板块向北漂移并和欧亚大陆板块碰撞挤压，形成了世界屋脊——喜马拉雅山和巨大的青藏高原。青藏高原平均海拔高度达5000米，地下的地壳厚度达60~70千米，而四川盆地下面的地壳厚度才40千米（图5）。在重力作用下，巨大的青藏高原就像一个大胖子突然躺到一个水床上。青藏高原深部地壳的岩石在高温高压下发生部分熔融，就像水床垫中的水在大胖子重重身体的挤压下向四边周界涌动一样，向高原的周缘挤流。古老的四川盆地下面是强硬的岩石圈，深深地扎根于其下的上地幔之中，强烈地阻挡着青藏高原向东扩张。在青藏高原扩张和四川盆地反扩张的前沿阵地，于是就挤压形成了高耸的龙门山，这次四川5.12特大地震正是人类遭遇龙门山造山运动的悲惨一幕。其实，青藏高原周界及其高原内部数条大断裂历来是地震的频发区。

通过对5.12汶川地震的成因分析，我们认为特大强震发生需要满足以下几个条件：

（1）地震的起发点（地震成核处）为强岩，强岩破裂强度和摩擦强度都大，起发地震的能量高，一旦触发，传之围岩，“居高临下，势如破竹”，周围老断层能被瞬时激活，多米诺骨牌效应，连锁反应，犹如“一颗炸弹引爆一个或连续几个炸药库”。5.12之前，那些老断层本来就已处于临界壮态，一旦被引发，可想而之。5.12地震的震源位于龙门山脉内彭灌杂岩体之中。彭灌杂岩体在地面上呈透镜形，北东－南西向上长约105千米，南东－北西方向上宽约30千米。该杂岩体主要由闪长岩、花岗岩、混合岩、片麻岩等组成。这些结晶岩石，形成于新元古代（距今约8.30~7.45亿年），主要组成矿物是石英和长石，岩石的剪切强度和摩擦强度都特别大，绝不轻易破裂和滑动，除非在外力作用下岩石内应力积累得非常高。一旦应力达到其破裂强度或摩擦强度，必然要瞬时释放出巨大的能量，从而形成大地震。彭灌杂岩体西北侧出现的是前寒武纪的沉积岩，如粉砂岩、板岩、页岩、砾岩等；在彭灌杂岩体的东北方和东侧分布的是古生代和中生代的沉积岩和浅变质岩，如千枚岩、绿泥石片岩、灰岩、煤系地层等，这些成层的沉积岩和浅变质岩的剪切强度和摩擦强度比彭灌杂岩体中的结晶岩石低得多。正由于如此，从彭灌杂岩体中形成和传出的地震断裂立刻所向披靡地向东北方向迅速打穿所有的沉积岩和浅变质岩层，过了北川后又向青川和陕西宁强方向传了近150千米才停下来。主震后第13天青川县境内还发生一次

6.4级余震。所以说，这次5.12汶川大地震是始于强岩，传之弱岩，故强度大，波及范围广。地壳中蛇纹岩、绿泥石片岩、云母片岩、千枚岩等变质岩和页岩、板岩、泥岩等沉积岩属于屈服强度和摩擦系数都低的

岩石，在地质构造应力作用下，这些岩石常常是作韧性变形即蠕变，“走而不断”，岩石在“走”（变形）但不形成脆性断裂。灰岩在地表看似很硬，但在地下十几千米深处温度压力较高和有水环境中，其强度并不太高。在沉积岩和浅变质岩中，力学性质较强的（如砂岩）和较弱的（如页岩）岩层总是互层出现的，根据最小能原理，断层总是选择在弱岩层中通过，尽量避免切割强岩层。在弱岩体中形成不了强震。所以，我们认为“强岩强震、弱岩小震、软岩不震（蠕滑）”。这条规律可以用到区域地震预测中去。

（2）震源深度适中。在龙门山地区震源深度约为15~20 千米，刚好在脆－韧性转变带之内，即地壳强度剖面的峰值段，能成强震。在脆性应变区，岩石摩擦强度随深度增加而作线性增加；在韧性应变区，岩石流变强度随深度增加而作非线性减少。所以，在脆－韧性转变带上岩石强度最大，最有可能形成强震。震源太浅（如几千米深）肯定形成不了大震，例如，洋中脊的正断层上就无强震。

（3）较高倾角（大于53度）的逆断层。正断层往往形成不了强震。激发一个倾角26.5°的逆断层所需的差应力要比激发一个正断层高约4倍，比激发一个走滑断层高约2.5倍。活动一个高倾角（大于53°）逆断层（一个逆断层从深部到地表往往倾角逐渐加大），不仅需要构造差应力非常之高，而且要求岩石中流体压力在起发地震之时等于或大于静岩压力。大地震中，震源深度岩石破裂，流体向上排放，原先溶解在高压流体中的矿物质此时在张和剪破裂中析出结晶（甚至可能成矿），断

裂的完全愈合（即断裂带的孔隙度和渗透率的完全消失）要靠压溶和体搬运作用完成。压溶是一个较为缓慢的过程，所以高差应力特别是岩石中流体压力的重建都需要很长时间，这就是为什么特大地震都是几千年一遇的原因。等到有一天逐渐积累的差应力和流体压力又达到一定的阈值之时，就会发生一次新的大地震。断层带中这样的过程会不断地循环往复。

汶川地震正好满足上述条件，故原地复发周期长，积累能量大。青藏高原的北东边界（四川盆地西界、鄂尔多斯地块和阿拉善地块的南缘）都是如此。读到这里，有人可能会问：“是不是可以这么理解，汶川地震已经把几千年积累的应力释放完了，四川要发生大地震的可能性又在几千年之后”？汶川地震把震源点（可以简单地把它看作是一个直径约15~20 千米的球）上应力和流体压力释放差不多了，在这个点上2000~3000年不会有大震了，这并不等于说整个四川三千年就不震了。相反，龙门山断裂带南段（映秀－宝兴－泸定）、石棉附近的鲜水河断裂带以及四川盆地内部的龙泉山断裂带和华蓥山断裂带南部因汶川大地震发生，应力反而增加。即使在龙门山断裂带的中段和北段，应力释放也主要集中在映秀－北川－青川断层（275 千米长）和灌县－安县断层（100 千米长）上。附近地区其他断裂如岷江断裂、虎牙断裂、平武－青川断裂、江油－广元断裂基本上都没有参与5.12地震系列的活动。那些有很强的发震能力但已有很长一段时间没有发生地震（缺震）的断裂带是地震空区，说明那里能量已经积累起来，更有可能发生强震。所以，我们绝对不能说“汶川地震后，四川三千年不震，四川省的防震工

作从此就可以不做了”。今天雅安芦山县发生的7.0级地震就是一个无情的说明。汶川地震之后四川灾后重建的房屋是否经受得起强震的二次打击？我甚担心！

四川盆地西侧有龙门山断裂带，东面有华蓥山断裂带，中间还有龙泉山断裂、蒲江－新津－成都－新都－广汉－德阳断裂、大邑断裂、竹瓦铺断裂和绵竹断裂等，盆地内部还有一些隐伏的盲断层，这些断层具逆冲推覆或右旋斜冲推覆性质，隐伏地下5~15千米深处，地表很少有形迹可循，与之相伴生的往往是一些非对称性的地层褶皱（即断层传播褶皱）。在未来500~1000万年之内，龙门山褶断带将进一步东移，华蓥山和龙泉山都向西推覆，四川盆地将越来越小，盆地内沉积岩层的活动褶皱越来越强（薄皮构造）。四川盆地内部地震的震源不会太深，一般不大于15千米。另外，四川盆地中较厚的松散的沉积，具有明显的震害放大作用，沙土震动液化以及软土震陷等作用对工程建筑的破坏极为严重。四川盆地内隐伏盲断层之上人口稠密、工业发达、即使一次

6.5级地震都会给成都这样的大城市带来惨重的社会经济损失和人员伤亡。希望四川省领导和有关部门居安思危，具强烈的忧患意识，密切监测四川盆地内部断裂带的构造活动，同时提高建筑物的抗震标准，并严格把好建筑质量关。