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龙门山冲断带位于青藏高原东缘与四川盆地的过渡部位,发育以“飞来峰”为代表的多种典型构造样式和断裂变形。自晚三叠纪松潘-甘孜洋盆闭合以来,龙门山地区经历了印支期的洋陆-转换阶段以及燕山期、喜马拉雅期的陆内演化阶段,形成了由主干断裂夹持推覆岩片为主要格架的冲断构造特征,自西向东存在三条断裂带:茂县-汶川断裂(后山断裂)、北川-映秀断裂(中央断裂)和安县-灌县断裂(前山断裂),在四川盆地内部还存在江油-广元隐伏断裂(山前断裂)。
本文主要通过野外地质调查、室内剖面绘制,对采样的岩石、矿物显微结构、构造特征镜下观察,对龙门山地区的构造特征特别是断裂特征进行了系统研究,同时结合汶川地震地表破裂特征、前人区域电磁、地震以及GPS监测等成果,探讨了汶川地震的成因及深部动力学过程。
总体来说,龙门山冲断带三条主干断裂具有如下特征:①断层分布上总体上以NE走向逆冲断层为主,倾向NW;②断层性质具有过渡递变趋势,从北西往南东,断层变形由韧性向脆性变化;③龙门山三条主干断裂带表现出多期的活动性,根据断裂带特征及周边岩石劈理、节理发育状况,至少可分辨出三个构造变形。④龙门山后山断裂带存在走向NE、倾向NW的拆离断层,在卧龙和汶川观察到了宽度数米至数十米的断层带,伸展滑脱标志明显。该拆离断层和北川-映秀逆冲断层构成了彭灌杂岩体的挤出通道,为"channel flow”模式的断层佐证。
汶川Ms8.0级地震的发生,改变了地质学界对龙门山地区地震活动性“安全岛”的认识。野外地质调查表明,汶川地震在北川-映秀断裂和安县-灌县断裂各产生了长度为240Km和90Km的地表破裂变形带,在茂县-汶川断裂上也发育了地表破裂变形。主破裂带方位NE20°~30°延伸,与断裂走向基本一致,表现出逆冲走滑性质。破裂在地表产状陡倾,破裂带的最大垂向和水平位移分别为6.2m、4.9m,产生于北川-映秀断裂上。GPS地表形变以及地形地貌调查表明,龙门山冲断带三条主干断裂的活动性不强,逆冲和走滑分量均在1mm/a左右,相对于青藏高原东缘其他活动断裂带活动性明显偏低,因此,汶川地震的发生受到了深部动力学过程的制约,而不仅仅是地壳浅部的应力积累-释放过程。
地球物理资料揭示了龙门山及其周边地区的壳幔结构:龙门山及川西高原地壳内普遍存在壳内低速低阻层,而四川盆地内地壳结构稳定,壳内低速低阻层不发育。在中上地壳的低速低阻层为构造滑脱层,龙门山地表陡倾状产出的三条主干断裂向深部呈铲式延伸,最终交汇在该层位;下地壳的低速低阻层与加厚下地壳物质塑性流变有关。青藏高原东部下地壳塑性层在向东流动的过程中,受到了四川盆地坚硬地壳的阻挡,下地壳物质汇聚、顶托中上地壳。中上地壳物质在顶托作用下沿龙门山冲断带茂县-汶川断裂和北川映秀断裂所围限的边界挤出地表。彭灌杂岩体即为从中上地壳深部挤出,在北川-映秀断裂和安县-灌县断裂及其围限的推覆岩片中发育了广泛的挤压构造,而后山茂县-汶川断裂则为伸展拆离作用为主。随着下地壳物质的不断汇聚,龙门山地区在均衡作用下不断隆升,在彭灌杂岩体西缘北川-映秀断裂“锁闭”部位积累的应力不断增大,最终超过了岩石的极限强度,破裂,形成了汶川地震及显著的地表破裂特征。