青川断裂是龙门山断裂带北段的分支断裂之一,与北川—映秀断裂呈左阶排列,西起平武东部,经青川、宁强至勉县境内,全长约250 km(樊春等,2008; 杜建军等,2013)。2008年5月12日四川汶川8.0级地震前,沿青川断裂发生的地震活动频度低、震级小,区域研究程度相对较低。地震后,主震在北川—映秀断裂上产生的地表破裂带越过了虎牙断裂带,向北东终止于青川断裂南侧(Xu et al,2009),而余震活动一直延伸到青川县城附近,并切过青川断裂继续向NE延展近40 km。最大余震2008年5月25日青川6.4级地震就发生在余震条带与青川断裂的交汇处。之后,随着2013年芦山、2017年九寨沟两次7.0级地震的相继发生,青藏高原东缘活动断裂的地震危险性更受关注(Toda et al,2008; 单斌等,2009; 程佳等,2018; 盛书中等,2019),青川断裂开始受到广泛重视。

然而,地震学家对青川断裂活动性及地震危险性的认识存在分歧。汶川8.0级地震前的地震地质调查结果认为,岷山隆起对龙门山断裂带北段具有屏障作用,导致龙门山断裂北段晚第四纪不再有新活动(邓起东等,1994; 李传友等,2004),而青川断裂作为龙门山断裂带北段的后缘断裂未来地震活动性不强。汶川地震后的一些研究成果则认为青川断裂是全新世活动断裂,存在多期古地震事件(Sun,2015; Lin et al,2012,2014,2016)。Liang等(2018)通过古地震研究,认为青川断裂受岷山断块隆起的影响,其发震能力减弱,断裂的变形主要是对北川—映秀断裂强震活动的同震响应所产生的近地表变形。

震源机制解结果显示青川断裂附近的地震类型具有复杂性。发生在该区域的余震既有走滑型,也有逆冲型(郑勇等,2009; Long et al,2012; 易桂喜等,2012),汶川8.0级主震及其44个强余震则以逆冲型为主(胡幸平等,2008)。2013年芦山7.0级地震后,该区域也多次发生M≥4.0地震,其地震类型同样具有多样性:2017年7月17日青川M_S4.9地震为带逆冲分量的走滑型,发震空间位置偏离汶川余震密集带; 9月30日的青川M_S5.4地震为带走滑分量的逆冲型,发生在汶川余震密集带; 10月13日青川M_L4.3地震为纯走滑型,空间上也偏离余震密集带。

前人的研究表明,以青川为界其北侧莫霍面深度更接近于四川盆地,而南侧更类似于青藏高原(龙锋等,2011)。龙门山断裂带及邻区的地壳各向异性研究结果表明,青川断裂周边区域应力场方向复杂(石玉涛等,2013)。这也许意味着青川断裂带及邻区的地震活动不仅受区域构造应力场的影响,也与其局部复杂构造有一定关系。

本文以青川断裂作为研究对象,通过详细的现场地震地质调查,采用无人机摄影技术对断裂沿线的构造变形地貌进行测绘,获得断裂活动的构造变形信息; 通过震源机制解算,获得对震源区局部断层性质的认识,进而讨论青川断裂的构造变形特征; 使用双差地震层析成像方法(tomoDD)(Zhang,Thurber,2003,2006)对研究区域中小地震进行重新定位,结合震源应力降绘制汶川余震区十年尺度的应力分布图像,讨论汶川、芦山和九寨沟地震对青川断裂及邻区应力水平的影响; 通过对青川断裂及邻区速度结构的反演,探讨深部孕震背景; 最后通过地质学和地震学方法综合分析青川断裂及邻区的现今活动性,为深入研究龙门山断裂带北段深部介质状态和强震孕育、发生机理提供基础支撑。

龙门山断裂带主要由3条主干断裂构成:后山断裂、主中央断裂、前山断裂(图1)。后山断裂由青川断裂(F₁)、茂汶—汶川断裂和耿达—陇东断裂构成; 中央断裂由北川—映秀断裂(F₂)、茶坝—林庵寺断裂(F₃)与盐井—五龙断裂构成; 前山断裂由灌县—江油断裂(F₄)、江油—广元断裂和双石—大川断裂构成。

北川—映秀断裂(F₂)线性特征明显,沿断裂发育断错地貌、断层槽沟和断塞塘,晚更新世晚期以来有强烈活动(陈国光等,2007; Gao et al,2016)。探槽结果揭露该断裂平均强震复发周期为2 960—2 865 a(Ran et al,2010,2013),以兼有右旋走滑分量的逆断层型破裂为主(徐锡伟等,2008)。

茶坝—林庵寺断裂(F₃)是右旋走滑断裂,在卫星影像上主要表现为陡崖、断层三角面、断层槽地和断层眉脊等构造地貌(谢小平等,2019)。汶川地震前的研究认为该断裂没有晚更新世以来的地表活动证据(李传友等,2004; 陈国光等,2007)。汶川地震中该断裂发生破裂,以走滑为主(Xu et al,2009; Shen et al,2009; Feng et al,2017),具有右旋挤压特征(谢小平等,2019)。汶川地震后,地震学家通过开挖探槽揭露出包括汶川地震在内的3次地震(Ran et al,2014)。

灌县—江油断裂(F₄)主要发育在三叠系和侏罗系地层,汶川地震后沿该断裂连续展布的地表破裂带长约72 km,最长可达90 km,显示出典型的纯逆断层型地表破裂特征(徐锡伟等,2008)。

青川断裂呈NE走向,几何结构连贯,线性地貌显著,没有明显阶区,显示出良好的连续性和高成熟度(李传友等,2004; Lin et al,2012; Sun,2015)。与龙门山断裂带的其它断裂相比,青川断裂的走滑运动作用更为显著,自中新世晚期

图1 汶川8.0级地震余震密集区示意图及青川断裂4次中强地震震源机制解(修改自Liang et al,2018)
Fig.1 Schematic diagram of aftershock-intensive area of the Wenchuan MS8.0 earthquake and focal mechanism solution of four moderate-strong earthquakes in the Qingchuan fault(modified from Liang et al,2018)

以来平均右旋滑动速率约为1.5 mm/a(Wang et al,2008; 孙浩越,2015)。汶川8.0级地震之后,人们通过探槽研究揭露青川断裂呈张性运动性质,并认为这是断裂全新世活动的证据(Lin et al,2014,2016; Sun,2015),而Liang等(2018)认为这种张性变形是青川断裂对北川—映秀断裂强震活动的同震响应所产生的地表变形,并不是青川断裂自身最新活动的表现。

为了进一步确定青川断裂的运动性质,我们在青川断裂上选了9个典型测点开展详细的地震地质调查,并采用无人机摄影技术对断裂沿线的构造变形地貌进行测绘,结合地貌点附近的地质剖面,揭示青川断裂的运动特性。测点位置及信息如图2、表1所示,各测点的典型构造地貌、无人机航拍及出露地质剖面如图3～6所示。

测点①位于青川县城西蒿溪乡大湾里村一带,无人机获取的构造地貌显示青川断裂切过山腰和山前洪积扇,形成反向槽谷和线性良好的坡折坎,呈现出走滑断层的典型地貌(图3a、b)。测点②位于大湾里村东土地庙的断层剖面,剖面显示断裂发育于志留系千枚岩与前泥盆系片岩之间,断裂带由片理化带、构造角砾、断层泥等组成,断裂运动性质为走滑兼挤压(图3c)。

图2 沿青川断裂的地质调查测点分布
Fig.2 Geological survey points along the Qingchuan fault

表1 现场调查测点信息
Tab.1 Information of the geological survey points

图3 大湾里村一带青川断裂的构造地貌和断层剖面
Fig.3 The structural geomorphology and outcrop section of the Qingchuan fault in Dawanli Village

测点③、④、⑤分别是青川断裂在青川县城西光辉村、小西坝和乔庄河河床一带的出露剖面(图4)。其中,西光辉村附近断裂发育于志留系千枚岩与前泥盆系片岩之间,断层破碎带宽约6.0～8.0 m,由片理化带、构造角砾、断层泥带等组成,显示断裂运动性质为走滑兼挤压(图4a)。小西坝附近的断裂呈高角度,产状N55°E/NW∠75°,断层带由片理化带、断层泥组成,显示断裂运动性质为剪切滑动(图4b)。乔庄河河床附近的断裂破碎带宽3.0～4.0 m,主要由剪切片理化带和构造角砾组成,同样显示断裂运动性质为走滑兼挤压(图4c)。

图4 青川断裂在青川县城西光辉村、小西坝和乔庄河河床的出露剖面
Fig.4 Outcrop Sections of the Qingchuan fault in Xiguanghui Village,at Xiaoxiba and beside the Qiaozhuang river

测点⑥位于青川县城黄土包村一带,无人机获取的地形地貌为线性的坡折坎和断层槽谷(图5a)。测点⑦是黄土包村西侧发现的断层剖面(图5a中白色正方形位置),主断裂面宽约0.5～1.0 m,主要由片理化带和构造角砾组成(图5b),显示断裂运动性质为走滑兼挤压。

测点⑧位于广元市路家沟村附近,无人机获取的地形地貌为线性良好的断层槽谷(图6a、b),是走滑断层的典型地貌。测点⑨是青川断裂在路家沟东约2.5 km的出露剖面(图6c),断裂带宽约7.0～8.0 m,发育于志留系千枚岩和远古界青白口系变质砂岩之间,断层破碎带由片理化带、构造角砾岩、碎裂岩等组成,显示断裂运动性质为走滑兼挤压。

图5 黄土包村附近青川断裂的构造地貌和断层剖面
Fig.5 Structural geomorphology and outcrop section of the Qingchuan fault near Huangtubao Village

图6 路家沟村一带青川断裂的构造地貌和断层剖面
Fig.6 Structural geomorphology and outcrop section of the Qingchuan fault near Lujiagou Village

综上所述,青川断裂在地貌上表现为线性良好的断层槽谷、坡折带、断层垭口等典型的走滑断层特征,这些线性地貌主要发育于高台地或山坡、山腰处,而断裂沿线的低阶地未见发育。出露的断裂剖面显示,断裂带主要由片理化带、断层泥为主,局部见构造角砾,同样显示断裂以走滑运动为主,兼有一定逆冲分量的运动特征。

青川断裂在地表迹线可循,具备明显的多期活动特征,说明该构造具有潜在地震发生的构造背景与能力,这揭示了汶川地震序列早期余震区北段5、6级地震频发本身所具有的构造因素,另一方面也昭示潜在震级上限可能不止6级。同时,青川断裂的线性构造地貌十分发育,显示出典型的走滑运动特性,出露的断裂剖面也显示青川断裂以走滑运动为主,兼有一定的挤压运动分量,与前人探槽开挖揭露的断层张性运动特征(Sun,2015; Lin et al,2014,2016; Liang et al,2018)并不一致。震源机制解结果支持青川断裂具有走滑兼挤压的运动特征,12次M_W≥4.0地震中有11次走滑型或逆断型地震。沿北川—映秀断裂(F₂)、灌县—江油断裂(F₄)和茶坝—林庵寺断裂(F₃)向东北延伸至青川断裂(F₁)北东段,逐渐出现较多的走滑型地震,显示出区域应力场由逆冲过渡到走滑的变化过程。地应力研究同样显示,8～10 km和10～15 km深度范围内,上地壳应力状态在青川附近从带逆冲分量的走滑型过渡为纯走滑型,15～20 km深度范围内从逆冲型过渡到带逆冲分量的走滑型(丰成君等,2018)。这与龙门山断裂带的运动学模式(张培震等,2008)是一致的,即巴颜喀拉块体SE向运移受刚性四川盆地阻挡,在龙门山断裂带南段形成叠瓦状大型逆冲断裂带,造成地壳缩短(杜方等,2009),部分物质运动余量沿NE-SW向龙门山断裂带NE向侧移,逐渐形成由逆冲到走滑的动力学过程。

从地震活动的时空分布上看,已发生的中强地震主要集中在2个区域:一个位于青川断裂南东侧的北川—映秀断裂、灌县—江油断裂和茶坝—林庵寺断裂的交会地带(图7中A区); 另一个沿青川断裂走向展布(图7中B区),地震活动优势分布与构造线的NE向延伸方向基本一致(图1)。上述断裂呈近平行分布,多为走滑断裂或兼有走滑分量,一些研究表明发生在平行分布的走滑型构造中的中强地震往往有较强触发作用(龙锋等,2021),这可能是该区域中强地震频发的原因之一。

强震前后应力降结果表明,汶川8.0级、芦山7.0级2次强震改变了青川断裂附近的应力场,但九寨沟7.0级地震对该区域几乎没有影响。汶川、芦山地震的震后应力释放过程主要沿构造带走向发生,高应力降地震事件集中分布在主震或强余震震中附近,2014年鲁甸6.5级和景谷6.6级地震有、后也有类似现象(周少辉,蒋海昆,2017)。芦山7.0级主震发生前(2013年1月至4月19日),研究区出现高应力降地震事件短暂消失的现象; 在芦山地震早期余震密集阶段,高应力降地震事件多,且集中在余震密集区; 在地震序列衰减阶段,地震活动明显减少,几乎没有高应力降地震事件发生。尽管研究样本有限,但仍然可以看出应力降的时空变化对后续地震活动趋势有一定指示意义,同等震级条件下余震密集期的中小地震应力降值往往高于余震衰减期,而余震区中高应力降事件的明显减少表明区域的应力水平逐渐降低,这也许意味着地震序列开始进入衰减期,近期发生强震的可能性较小。

体波层析成像的结果显示,青川断裂及邻区的地壳浅层高低速异常表现出以青川断裂带为分界线的空间分布特征,高速异常体与局部隆升和坚硬介质比较相关。随着深度增加,局部地区出现低速异常体,形成尺度不一的分块结构。其中,青川断裂表现为高速异常体,体现了该断裂具有较高强度。15 km深度处的青川断裂NE端表现为强度较弱的低波速区,这个深度是汶川地震序列在北段的深度下限,较弱的结构阻止了破裂的持续扩展。

本文以青川断裂为研究对象,通过详细的地震地质调查,采用无人机摄影技术对断裂沿线的构造变形地貌进行测绘,获得断裂活动的构造变形信息; 通过震源机制解反映的地震错动特征,讨论青川断裂的构造变形特征; 采用应力降绘制汶川余震区十年尺度的应力降动态分布图像,分析汶川、芦山和九寨沟地震对青川断裂及邻区应力水平的影响; 通过对青川断裂及邻区速度结构进行反演,探讨深部孕震背景; 最后综合地质学和地震学研究结果分析青川断裂及邻区的现今活动性。研究表明:

(1)青川断裂在地貌上呈现出走滑特征,断层沿线出露的剖面主要以片理化带、断层泥为主,局部见挤压作用形成的构造角砾。

(2)青川断裂NE段为2008年汶川8.0级地震余震北延段的密集区,余震错动性质既有走滑型,也有走滑兼逆断型。

(3)震源机制解和地质地貌调查的结果均反映青川断裂的运动性质是走滑兼挤压,而并非前人探槽所揭露的断层张性活动特征。

(4)汶川、芦山两次强震发生前后,青川断裂及邻区的应力水平在一段时间内呈现出升高—回落的调整过程。

(5)体波层析成像的结果显示青川断裂及邻区的地壳浅层高低速异常表现以龙门山断裂带为分界线的空间分布特征。

(6)虽然青川断裂具有潜在地震发生的构造背景与能力,但目前该断裂及邻区的地震活动正处于强震序列衰减阶段,M4.0以上地震活动呈逐渐减弱的趋势,高应力降地震事件明显减少,区域整体应力水平较低。