2008年5月12日,龙门山断裂带发生了汶川8.0级地震,造成了巨大的人员死亡及财产损失,地震诱发了大区域大面积的山崩、滑坡、塌方、泥石流等严重的地质灾害,由此引起交通、通讯等方面的次生灾害。

地震发生后,各类别专业人员迅速开展资料收集工作并进行研究,地震记录表明,余震主要分布在映秀镇至青川县的龙门山断裂带中北段,形成长达330 km的余震带(张培震等,2008)。主震震源机制解表明,本次地震是以逆冲为主兼少量的右旋分量的地震,这种结果比较吻合巴颜喀拉地块向东“逸出”的构造机制,得到了广泛的关注(曾融生等,1993; 熊熊等,2001; 张培震等,2002a,b; 徐锡伟等,2003; 朱守彪,张培震,2009)。张培震等(2008)认为龙门山沿这条破裂断裂带既有垂直抬升和逆冲运动,又有东北方向的运动,最大的垂直错距和右旋水平错距分别达到5.0 m和4.8 m,沿整个破裂带的平均错距可达2～3 m。因为该区域历史地震记载中只有3次6～61/2级强震,而且其第四纪构造活动速率很低,造成了速率活动较小的区域地震危险性较小的误判,这次地震的突发性和超预期的强度改变了地学界的一些观点和研究思路(张培震等,2008)。刘峡等(2014)的研究结果显示强震前龙门山断裂带保持低变形,右旋错动不超过1 mm·a^-1,挤压不超过0.5 mm·a^-1,明显低于其他断裂带,但其两侧应力值与其他断裂带相当,主压应力轴与断裂带走向垂直,形成很宽的挤压带。

本文结合青藏高原的块体构造和中小地震震源机制解,计算巴颜喀拉地块东部区域构造应力场方向,并运用相关结果与主震所代表的应力场作对比研究。

构造应力场的研究是认识地壳构造运动的重要方法之一,它不仅涉及到地震发生的力源和所在地区构造运动孕育和转变的规律,而且可以推断地下未知构造的方位、性质和形态等,对解释板块运动、山脉的隆升、断裂构造的运动模式等方面的研究都具有重要意义(张国民,张培震,2000)。

Aki(1966)提出运用格点尝试法对同一区域多样本震源机制解的平均P、B、T轴的方向进行求取和换算可代表区域应力场。许忠淮等(1987)认为区域构造应力场在一定的时空内具有一定的稳定性,虽然每个地震都会在震源区附近引起应力场的一定变化,但只要有一定的样本量,多个地震的平均P、B、T轴方向可代表一个区域或者构造带的平均构造应力场分布情况。这一方法在地震学各领域得到广泛的应用(许忠淮等,1987; 万永革等,2011a,b; 盛书中等,2013; 屠泓为等,2014)。

分析表明,破裂面的优势取向与引起破裂的应力状态有关,故应力场方向在破裂面的研究方面具有重要作用。在岩石层内,岩石处于高位压状态,如果以P₁、P₂、P₃轴分别表示震源区在破裂前一刻的主(张)应力轴,那么破裂面即断层面与最大主压应力轴P₃轴的夹角随内摩擦系数μ的增大而减小,P轴和T轴方向反映了地震前后震源区应力状态的变化,而不是震源区构造应力本身。如图1所示,P、T轴与P₁、P₃的方向都分别成45°-θ的角度(陈运泰,顾浩鼎,2004)。因此,运用P、T轴研究构造应力场时应该考虑这一方面,当μ=0时,破裂面的法向与P₁轴夹角θ为45°,当μ=1时,破裂面的法向与P₁轴夹角θ为

图1 岩石破裂三轴应力试验示意图(据陈运泰,顾洁鼎,2004)
Fig.1 The schematic diagram of fracturerock triaxial stress test(according to Chen,Gu,2004)

为结合巴颜喀拉块体东部区域分析汶川周边区域的地震分布及构造等,根据哈佛大学GCMT目录(表1)http://www.globalcmt.org/.,本文在(95°～105°E,29°～37°N)范围内选取了分布在巴彦喀拉块体周边区域的131次地震的震源机制解(图2),M_S≥6.3地震约15次,其中块体东部边界龙门山断裂附近的地震频次高、强度大,如发生过1976年8月的两次7级地震和1次6.7级地震、2008年5月12日汶川8.0级地震、2013年4月20日芦山7.0级地震等,这些地震震源机制均显示以右旋逆断层为主的破裂性质,历史上还发生了1933年7月25日茂汶叠溪71/2级地震,表明龙门山断裂带的活动构造十分强烈。但早期地震均发生在龙门山断裂带的偏北部区域,而龙门山断裂带的中西南部区域却鲜有地震发生; 巴颜喀拉地块北部也有一系列地震发生,但成带性不明显,而是成丛的发生,最大为1990年4月26日M_S7.0地震; 其块体南部沿甘孜—玉树—风火山断裂至鲜水河断裂发生了一系列地震,其破裂性质均以左旋走滑为主; 而巴塘、理塘等断裂带上的地震则表现为正断层性质。南

图2 巴颜喀拉地块东部区域地震震源机制解分布
Fig.2 The distribution of focal mechanism solution of earthquakes in east area of Balyanlkalla Block

表1 研究区域的GCMT解(UTC)
Tab.1 The GCMT solution in research region(UTC)

部区域地震性质的不同,表明了青藏高原主要力源是受印度洋板块向北推挤而产生的,而在青藏高原的东部区域受到力的方向主要是东北向至东北东向,由此形成的块体受力不均匀而产生的位移速率不同,于是在有些区域形成拉张状态,例如出现的正断层地震就是实例。

通过分析地震性质分类,得出研究区域内的走滑型、逆断层型、正断层型分别占51%、31%及18%,表明研究区域的应力状态是以挤压错动为主,

这样才会产生众多的走滑断层和逆断层的地震,而正断层性质地震一般仅在一些特殊部位出现。

为研究小区域的应力状态,根据地震分布将研究区域以巴颜喀拉地块东部为中心划分为3个目标区(图2),分别为巴颜喀拉地块西南、北部及东南区域。获得的综合应力场结果如图3所示,西南部区域的主压应力轴方向为北东向(237°～239°),仰角变化范围为16°～18°,主张应力轴方向为北西向(147°～149°),仰角为0°～2°(图3a);

图3 巴颜喀拉地块东部分区域综合应力场(a)西南部区域;(b)北部区域;(c)东南部区域
Fig.3 The sub regional comprehensive stress field in east area of Balyanlkalla Block(a)the southwest region;(b)the north region;(c)the southeast region

北部区域的主压应力轴方向为近东西向(265°～275°),仰角为1°～6°,主张应力轴为近南北向(171°～182°),仰角为46°～50°(图3b); 东南部区域(龙门山断裂带)的主压应力轴为东北东向(42°～93°),仰角为0°～17°,主张应力轴变化范围比较大,为115°～251°(图3c)。

根据上述求取的主压(张)应力轴的方向,取μ=1,经换算可分别估算出西南、北部和东南3个区域的构造应力场方向分别为北东北向、近东北向和近东西向。从构造分布上来验证应力场方向的合理性表明,这些区域的构造破裂走向比较符合前述的岩石破裂三轴应力试验示意图,表明本文对应力场的估算是合理的。

由图2可以看出,1976年以来巴颜喀拉地块内部几乎没有中强以上地震发生,地震主要分布在块体外部,揭示了巴颜喀拉地块内部相对稳定。这种应力场的格局表明巴颜喀拉地块在印度洋板块的不均匀推挤作用下,并由受到于青藏块体的强烈阻挡和相互作用,形成巴颜喀拉地块向东“逸出”是合理的,震源机制解的分布特征也证明了相应的构造背景。

一般来说,强震尤其大地震的震源机制解可以代表一个断层或者一个区域的应力状况,通过对2008年5月12日汶川M_S8.0地震震源机制解的分析,表明断层走向为231°,倾角35°,滑动角138°,P轴方位角为107.5°,仰角为18°,T轴方位角为229°,仰角为58°。如果仍取μ=1,那么汶川M_S8.0地震代表的构造应力场约为130°,也就是近东南东向,和运用多个震源机制解解算的综合应力场结果基本一致。

(1)在巴颜喀拉块体的南部边界及北部边界的地震以走滑性质为主,而其东部边界以逆冲为主,西南区域靠近块体边界区域的地震以走滑性质为主,而南部远离边界区域的的许多地震出现了以正断层性质为主的分布状态,这种分布表明了块体不同区域的力学状态有很大的差异。

(2)分区域主应力轴综合计算认为,在块体的不同区域,尤其是不同边界带附近地震的主压应力轴均表现了各自的特征。

(3)巴颜喀拉地块西南北部和东南区域的构造应力场分别为北东北向近东北向、近东西向,而汶川8.0级地震的主压应力方向为东南东向。

(4)汶川8.0级地震的震源机制解所代表的应力场方向与巴颜喀拉地块东南区域的综合应力场一致。该地震的大尺度地表破裂和破裂形态进一步证实巴颜喀拉地块存在向东“逸出”的结论。