龙门山断层脆-塑性转化带流变结构与汶川地震孕震机制.pdf

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1、第36卷第3期地震地质V01．36．No．32014年9月SEISM0L0GYANDGE0L0GYSept．，2014doi：10．3969／j．issn．0253—4967．2014．03．025龙门山断层脆一塑性转化带流变结构与汶川地震孕震机制周永胜韩亮，靖晨何昌荣党嘉祥1)中国地震局地质研究所，地震动力学国家重点实验室，北京1000292)中国地质科学院地质研究所，大陆构造与动力学国家重点实验室，北京100037摘要汶川地震发震断层为高角度逆断层，这种断层滑动和发生强震需要断层深部具备特殊

2、的力学条件。发震断层地区地表出露若干韧性剪切带，其中不同类型石英变形具有不同的变形温度。细粒糜棱岩中的石英表现为高温位错蠕变，变形温度为500～700oC；含残斑初糜棱岩中的石英表现为中温位错蠕变，其变形温度为400～500~C；早期石英脉中的石英表现为低温位错蠕变，变形温度为280～400~C；晚期石英脉以碎裂变形为主，其变形温度为150～250~C。石英的这些变形特征显示出断层带经历了多期脆一塑性转化。根据糜棱岩中的重结晶石英的粒度估计的断层塑性流动应力为15～80MPa。石英和长石内的微量

3、水以晶体缺陷水、颗粒边界水和流体包裹体水的形式存在，水含量随岩石的应变增加而升高，变化范围为0．01～0．15wt％。断层脆一塑性转化带内石英含有大量与裂隙愈合相关的次生流体包裹体，其捕获温度为330～350℃，流体压力为70～405MPa，估计的流体压力系数为0．16～0．9，代表强震发生后，断层带内产生的大量微裂隙逐渐愈合过程中的流体特征。在考虑断层带流体压力和应变速率变化条件下，利用石英流变参数建立了从间震期到地震成核阶段断层脆一塑性转化带流变结构和震后快速蠕滑阶段断层脆一塑性转化带流变结

4、构。结果表明，在间震期、地震成核阶段、震后快速滑动阶段，断层强度和脆一塑性转化深度随应变速率和流体压力变化而变化，且脆一塑性转化特征与石英的变形机制、断层速度弱化和强化转化深度、汶川地震震源深度等吻合，显示映秀-JLJlI断层具备摩擦滑动速度弱化和地震成核的基础，而断层带内存在高压流体可能是触发高角度逆断层滑动和汶川地震发生的主要机制。关键词汶川地震脆一塑性转化带流变结构高压流体中图分类号：P313文献标识码：A文章编号：0253—4967(2014)03—0882—14O引言断层摩擦和岩石流变

5、实验表明，断层的强度和摩擦滑动稳定性控制了强震的发震深度，脆一塑性转化深度控制了余震深度。在脆性变形域，断层摩擦强度随深度增加而线性增加，而断层摩擦滑动稳定性随深度发生变化，在地壳浅层，由于断层强度和断层正压力较小，断层表现为稳滑，随着深度增加，断层出现粘滑。在接近脆一塑性转化域，由于温度升高岩石出现半脆性变形，断层滑动又转化为稳滑。在塑性变形域，岩石流变强度随深度增加而非线性减小，[收稿日期]2014—03—11收稿，2014—07—14改回。[基金项目]国家自然科学基金(40972146)和

6、地震动力学国家重点实验室自主课题(LED2009A01)共同资助。3期周永胜等：龙门山断层脆一塑性转化带流变结构与汶川地震孕震机制883因此，在脆一塑性转化带之上，断层强度最大，而且具有粘滑的条件，最有可能形成强震。在脆一塑性转化带内，岩石表现出半脆性变形，虽然不具备发生强震的条件，但可能发生余震；在塑性变形域，理论上不具备发生余震的条件(周永胜等，2009)。汶川地震发震断层具有高角度逆冲特征，这种断层滑动和发生强震需要断层深部具备特殊的力学条件(周永胜等，2009)。大量研究结果表明，地壳脆

7、一塑性转化带和下地壳塑性流动对高角度逆断层滑动和汶川地震孕震机制具有重要影响(张培震等，2008；周永胜等，2009；Xueta1．，2009；Zhang，2010；Zhaoeta1．，2012；Zhangeta1．，2013)。然而，在龙门山断层带研究方面主要关注断层活动性与汶川地震地表破裂，很少关注断层脆一塑性转化带。汶川地震发生后，我们对断层脆一塑性转化带开展了初步研究，本文是这一研究结果的总结。由于无法直接获得现今断层深部岩石变形的信息，选择龙门山地区出露于地表的韧性剪切带作为研究对象，

8、通过研究碎裂岩一糜棱岩的变形机制，获得脆一塑性转化带岩石的变形温度和流动应力，通过分析糜棱岩中主要矿物成分变化、矿物中的结构水和流体包裹体，确定脆一塑性转化带的流体特征。在此基础上，建立了在不同流体和应变速率条件下断层脆一塑性转化带的流变结构，讨论了流变结构变化对汶川地震孕育和发生的影响。1断层脆一塑性转化带变形条件汶川地震发震断层脆一塑性转化带强度和变形机制对强震孕育具有控制作用。虽然无法直接观察到发震断层深部变形特征，但根据地质学的基本规律，假定现今断层深部发生的变形过程，在地质历史时期同样