川西地區(qū)的地質(zhì)構(gòu)造變形、應(yīng)變分配和 深部動(dòng)力過(guò)程探究

楊 燕

(四川省蜀通巖土工程公司 610041)

川西地區(qū)位于大陸南北地震帶中段，構(gòu)造變形發(fā)育，有著強(qiáng)烈的斷裂活動(dòng)，導(dǎo)致了歷史上多次強(qiáng)震發(fā)生，汶川地震就發(fā)生在南北地質(zhì)年代龍門山斷裂帶上。本文對(duì)川西地區(qū)構(gòu)造變形圖像、運(yùn)動(dòng)特性以及深部驅(qū)動(dòng)機(jī)制進(jìn)行了分析，為青藏高原東邊界動(dòng)力過(guò)程的研究提供參考，同時(shí)也為南北未來(lái)強(qiáng)震預(yù)測(cè)提供依據(jù)。

一、川西地質(zhì)構(gòu)造概況

南北向構(gòu)造帶也被稱為南北地震帶，通過(guò)深部地球物理探測(cè)，發(fā)現(xiàn)南北構(gòu)造帶自身形成了典型的地殼厚度以及重力梯度。川西地區(qū)位于南北帶中南，為川滇、松潘-甘孜和華南三大活動(dòng)板塊的交接處，地震頻發(fā)，南北構(gòu)造帶規(guī)律在這里非常典型，北西西向構(gòu)造主要為左旋剪切，向東則逐漸轉(zhuǎn)換為南北向，二者之間形成了北東方向的弧形構(gòu)造，左旋走滑運(yùn)動(dòng)南北向的斷裂以及分解是一系列強(qiáng)震的直接原因[1]。

川西地區(qū)獨(dú)特的地質(zhì)構(gòu)造情況也吸引了國(guó)際地球科學(xué)界的深入研究，如Burchfiel發(fā)現(xiàn)龍門山和四川盆地之間并非前陸盆地與逆沖褶皺的相互關(guān)系，Royden關(guān)于這種現(xiàn)象的解釋是認(rèn)為青藏高原東緣下有一個(gè)約15km的黏性流動(dòng)帶，受到四川盆地高剛性地殼的阻擋后逐漸囤積在中下地殼，造成了地表的上升，最終形成了寬闊的青藏高原東南緣。通過(guò)對(duì)據(jù)活動(dòng)構(gòu)造特點(diǎn)以及運(yùn)動(dòng)圖形的分析，發(fā)現(xiàn)川西地區(qū)構(gòu)造變形和鮮水河斷裂運(yùn)動(dòng)關(guān)系密切。青藏高原隆起構(gòu)造模式如下：

圖1 青藏高原隆起構(gòu)造模型

二、鮮水河斷裂帶

鮮水河斷裂帶是亞洲大陸最重要的活動(dòng)走滑斷裂，速率高達(dá)10mm/a，為區(qū)域內(nèi)的主導(dǎo)變形構(gòu)造，以左旋走滑為主要特征。鮮水河斷帶的左旋造成了青藏高原東源發(fā)育的一條變質(zhì)雜巖條帶，在斷裂東段80-90km位移標(biāo)志非常明顯，可以代表該斷裂帶新生代的位移總量。

康定一帶沿鮮水河斷裂侵入了平行斷裂貢嘎山-折多山花崗巖體，通過(guò)對(duì)該地區(qū)花崗巖同位素年齡的測(cè)定，獲得了實(shí)現(xiàn)年齡：9.9-11.8Ma，可以代表鮮水河斷裂開始左旋剪切的時(shí)間據(jù)此能夠獲得鮮水河斷裂的滑動(dòng)速率：6.7-10.0mm/a[2]。

也有一些工作人員分析了河流階地演化和斷層位錯(cuò)之間的關(guān)系，認(rèn)為錯(cuò)離河道一側(cè)高一級(jí)階梯的廢棄年齡最具代表性，在此基礎(chǔ)上對(duì)鮮水河斷裂西段資料進(jìn)行重新分析，獲得的滑動(dòng)平均速率以及長(zhǎng)期評(píng)價(jià)均比較統(tǒng)一。

三、龍門山斷裂

汶川地震就發(fā)生在龍門山斷裂帶上，該斷裂帶經(jīng)過(guò)了漫長(zhǎng)的地質(zhì)演化過(guò)程，晚新生代之后共有三條地震帶，分別為汶川-茂縣斷裂、映秀-北川斷裂、灌縣-江油斷裂。三條斷裂在地下 20公里處匯合為一條剪切帶[3]。根據(jù)汶川地震之后的地質(zhì)考察，發(fā)現(xiàn)該地震是映秀-北川斷裂活動(dòng)導(dǎo)致的，在一分鐘內(nèi)地殼內(nèi)部產(chǎn)生了300公里長(zhǎng)的大斷裂，地震地表破壞帶為南西-北東方向。龍門山地震破碎帶同時(shí)有垂直抬升和逆沖，破碎帶的平均錯(cuò)距達(dá)到了3m。汶川就處在龍門斷裂中：

圖2 汶川地區(qū)地震帶分布

地震之前的GPS觀測(cè)顯示龍門山斷裂帶滑動(dòng)速率最大不超過(guò)2mm/a，可預(yù)測(cè)與汶川地震相當(dāng)?shù)膹?qiáng)震復(fù)發(fā)周期：2000-6000a。龍門山斷裂帶在破碎變質(zhì)雜巖中形成了犁形剖面能量積累，汶川地震為低滑動(dòng)速率、長(zhǎng)周期、高強(qiáng)度地震。

四、南北向活動(dòng)斷裂

鮮水河斷裂帶上有三條明顯的南北走向活動(dòng)斷裂帶：安寧河、大涼山、馬邊斷裂帶。野外地質(zhì)考察發(fā)現(xiàn)三條斷裂帶并沒有表現(xiàn)為斷裂逆沖、地殼縮短的左旋走滑運(yùn)動(dòng)，但是實(shí)際上這些斷裂的逆沖縮短分量很小，和鮮水河斷裂帶一樣為左旋剪切方式向東運(yùn)動(dòng)。

（一）安寧河斷裂帶

在鮮水河斷裂東段，南北走向，止于西昌。晚第四季安寧河斷裂分段特征比較明顯，形成了次級(jí)斷層形成的左旋左階逆走滑斷裂，平面結(jié)構(gòu)單一，東側(cè)斷裂發(fā)育串珠狀小盆地，南段冕寧以南為強(qiáng)震高發(fā)帶。

（二）大涼山斷裂帶

其余石棉北鮮水河斷裂帶南端，匯入云南小江斷裂帶，是 6條次級(jí)斷層形成的構(gòu)造帶，全長(zhǎng)15km，是雁裂與平行式的混合，以大渡河一級(jí)直流和地質(zhì)體的左旋位錯(cuò)為主要表現(xiàn)。

何宏林通過(guò)電極該地區(qū)基性巖體、震旦紀(jì)與寒武紀(jì)接線、花崗巖與震旦紀(jì)接線的恢復(fù)，得到了大涼山斷裂帶的總位移大約在11km左右，大渡河一級(jí)直流也受到左旋位錯(cuò)影響，總位錯(cuò)量和基巖界限位錯(cuò)量基本相同。

（三）則木河斷裂

則木河活動(dòng)斷裂帶總體縱向和鮮水河斷裂基本平行，有三條平直斷層斜裂斷層，左旋走滑為特征錯(cuò)斷的山脊水系以及地質(zhì)體形成了明顯的拉分盆地，寧南盆地等就是典型構(gòu)造，通過(guò)對(duì)大比例活動(dòng)斷層圖的綜合分析，集合實(shí)際水系測(cè)設(shè)數(shù)據(jù)，獲得了該斷裂帶左旋走滑速率在6.7mm/a左右。

五、下地殼流動(dòng)、應(yīng)變分配討論

使用三維粘彈塑性本構(gòu)模型模擬地殼與上地幔介質(zhì)，研究覆蓋黏性地下地殼-上地幔至上彈塑性上地殼長(zhǎng)期運(yùn)動(dòng)變形，介質(zhì)屈服之前應(yīng)力值超過(guò)介質(zhì)強(qiáng)度，介質(zhì)會(huì)產(chǎn)生較大塑形變形：

式中：、-應(yīng)力張量第一不變量、偏應(yīng)力張量第二不變量；

α、K-巖石粘聚力、內(nèi)摩擦相關(guān)材料參數(shù)。

使用三維并行粘彈塑性有限元分析軟件進(jìn)行模擬，該工具在太平洋板塊和北美板塊邊界帶模擬中以及有著較好的應(yīng)用。該工具可以模擬斷層有效厚度彈塑性層，有斷層華東率以及斷層外等效應(yīng)變率分布等內(nèi)容。常在河邊走下彈粘塑形問(wèn)題變形時(shí)間小于松弛時(shí)間，等效應(yīng)變率巖體未屈服之前主要為彈性形變。研究地區(qū)在青藏高原東南，為川西及鄰近區(qū)域，研究區(qū)域內(nèi)地殼厚度變化很大，通過(guò)震源深度分析發(fā)現(xiàn)區(qū)域內(nèi)彈性上地殼厚度并不大，所以可以采用15km作為上地殼平均厚度。重點(diǎn)考察鮮水河-小江斷帶，建立約束條件，應(yīng)力場(chǎng)求解。

通過(guò)有限元分析，發(fā)現(xiàn)斷裂帶幾何形態(tài)和走向變化會(huì)對(duì)滑速率以及應(yīng)變分配產(chǎn)生較大影響，鮮水河斷帶斷層滑動(dòng)速率有著明顯的分段特征，結(jié)構(gòu)比較直觀，并且與安寧河-則木河斷裂帶相互作用，導(dǎo)致整個(gè)鮮水河-小江斷帶更容易滑動(dòng)。

龍門山斷帶活動(dòng)主要為逆沖，并且速率不大，減弱了鮮水河斷帶附近應(yīng)變活動(dòng)，川西以及鄰區(qū)集合形態(tài)控制著區(qū)域內(nèi)的運(yùn)動(dòng)變形模式，鮮水河斷裂帶北段主要以左旋滑動(dòng)為主要活動(dòng)趨勢(shì)，貢嘎山地區(qū)地殼抬升產(chǎn)生了部分應(yīng)變，其余應(yīng)變主要分配在大涼山斷裂帶以及安寧河-則木河段歷代之間的相鄰塊體，南端的應(yīng)變主要分布在小江斷裂帶上。

結(jié)束語(yǔ)：

除龍門山斷帶以外，整個(gè)川西都以左旋滑動(dòng)為主要構(gòu)造規(guī)律，應(yīng)變?cè)跇?gòu)造帶上積累釋放，造成了一系列強(qiáng)震，對(duì)川西地區(qū)的地質(zhì)構(gòu)造變形、應(yīng)變分配和深部動(dòng)力過(guò)程進(jìn)行研究，對(duì)地震預(yù)測(cè)和相關(guān)地質(zhì)研究都有著深遠(yuǎn)意義。

[1]徐錫偉,聞學(xué)澤,鄭榮章.川滇地區(qū)活動(dòng)塊體最新構(gòu)造變動(dòng)樣式及其動(dòng)力來(lái)源[D].中國(guó)科學(xué), 2013, 3(11)151—152.

[2]聞學(xué)澤. 四川西部鮮水河-安寧河-則木河斷裂帶的地震破裂分段特征[J].地震地質(zhì),2012, 22(3): 23—24.

[3]張培震,徐錫偉,聞學(xué)澤.2008 年汶川 8.0 級(jí)地震發(fā)震斷裂的滑動(dòng)速率、復(fù)發(fā)周期和構(gòu)造成因[D]. 地球物理學(xué)報(bào), 2012, 51(4):12-13.

[4]徐錫偉,張培震,聞學(xué)澤.川西及其鄰近地區(qū)活動(dòng)構(gòu)造基本特征與強(qiáng)震復(fù)發(fā)模型[D].地震地質(zhì), 2012, 27(3): 446—461.