重慶城縣高橋斷裂特征及其地震活動性研究

重慶城縣高橋斷裂特征及其地震活動性研究

1中生代提出及盆地地質(zhì)特征大橋坍塌位于長江三峽工程水庫庫的第一個區(qū)域回歸盆地西北邊緣（圖1）。秭歸盆地為一軸面東傾的平緩開闊向斜,位于黃陵穹隆(背斜)西側(cè),挾峙于黃陵穹隆與神龍斷穹間的三角形區(qū)域內(nèi),是三疊紀(jì)末——侏羅紀(jì)初發(fā)展定型的中生代坳陷盆地。其核部為上侏羅統(tǒng)蓬萊鎮(zhèn)組(J3p)長石砂巖、鈣質(zhì)粘土質(zhì)粉砂巖,周緣由中、下侏羅統(tǒng)及三疊系地層組成。盆地西緣北起興山縣灘平以東,南止巴東東壤口,總體走向NE,全長約60km,三疊系與侏羅系接觸帶上,地層出露完整,沙鎮(zhèn)溪組(T3s)與香溪組(T1x)呈平行不整合接觸,地層產(chǎn)狀150°~170°∠20°~40°,傾角局部達(dá)50°,巖體整體完整,但三疊系內(nèi)部嘉陵江組(T1j)與巴東組(T2b)接觸帶附近為高橋斷裂所切割,形成寬窄不等的斷裂破碎帶、擠壓片理帶、揉皺帶、最大帶寬達(dá)幾百米。高橋斷裂地處三峽庫首區(qū),其活動性問題一直備受關(guān)注。2橋梁坍塌的基本特征2.1高橋斷裂帶高橋斷裂主要發(fā)育于嘉陵江組與巴東組接觸帶上及嘉陵江組或巴東組內(nèi)部,北起興山古夫,向西南經(jīng)南陽河、伍家埡、龔家橋、白灣、曾家?guī)X、炮臺山西坡,止于西壤口神龍溪,全長約40km。地表上該斷裂帶由多條規(guī)模不大、方向相近的斷層組成,并在龔家橋以南散開,向北收斂。斷裂帶總體走向NE45°~60°,傾南東,傾角50°~65°。斷層破碎帶寬度為幾米~幾十米,最寬處達(dá)650m,有的地段破碎帶中出現(xiàn)有多條主次斷面。就整個斷層破碎帶來說分帶并不明顯,但單條斷裂的分帶則明顯而具普遍性和對稱性,一般斷層中央帶為寬幾厘米~幾十厘米的斷層泥,兩側(cè)為劈理帶(多發(fā)育兩期劈理),外側(cè)為揉皺帶,由一系列小褶皺組成,寬幾米~幾十米不等。區(qū)域重力反演結(jié)果反映中間層頂?shù)酌婕吧系貧さ酌嬖邶徏覙騈E一線存在NE向異常,人工地震測深顯示古夫一帶存在西升東降、斷距達(dá)1.5km的基底斷點?？梢姼邩驍嗔褞Р粌H走向上延伸規(guī)模大,而且向下可能也有一定延伸深度,切割基底進(jìn)入上地殼。高橋斷裂帶內(nèi)構(gòu)造巖普遍遭受強(qiáng)烈變形,鏡下礦物為帶狀、波狀消光、晶體扭折現(xiàn)象均較常見。某些變形強(qiáng)烈部位,構(gòu)造巖片理化形成構(gòu)造片巖、靠近主斷面附近形成碎斑巖、碎粉巖、鏡下香腸化,“σ”型旋轉(zhuǎn)碎斑系常見,早期變形較強(qiáng)的方解石脈被左行錯斷。由顯微構(gòu)造特點反映出斷裂晚期變形強(qiáng)烈,早期變形痕跡均被改造而難以識別,該期活動兼有左行平移和逆沖運動的特點。2.2高橋斷裂帶活動特點野外調(diào)查表明,大致以興山龍王廟茶園坡為界,其北東段活動性較弱,南西段特別是高橋一帶則活動性較強(qiáng),主要表現(xiàn)為斷裂兩側(cè)地形地貌存在較大差異,西北側(cè)陡峻,東南側(cè)低緩,最大高差可達(dá)500m左右。斷裂帶中段的龔家橋附近,其形態(tài)十分復(fù)雜,最多可見6條同方向的斷層,破碎帶寬達(dá)650m,此處自北而南流經(jīng)斷裂帶的紙廠河具明顯的右旋牽引現(xiàn)象。右岸有崩滑體分布,沿斷裂帶向南,沿線多見滑坡、崩塌體分布。從顯微構(gòu)造特點分析,高橋斷裂帶全新世以來有過活動(較弱),其自身的物質(zhì)組成、內(nèi)部組構(gòu)以及最新活動方式都揭示該斷裂帶活動方式以粘滑為主,有利于能量積聚。斷裂帶物質(zhì)測年揭示出該斷裂帶上新世至中更新世普遍發(fā)生過一次構(gòu)造活動,其中高橋長沖-巴東涼風(fēng)埡段最新一次明顯活動時期為晚更新世早期(Q1331),熱釋光測年也反映出在23萬年(中更新世中晚期)左右有過一次較明顯的構(gòu)造活動。跨斷層水準(zhǔn)監(jiān)測表明,斷裂兩盤現(xiàn)今仍有不同幅度的變形。綜上所述,通過宏、微觀調(diào)查研究和跨斷層水準(zhǔn)監(jiān)測,其結(jié)果表明,高橋斷裂晚更新世早期(Q1331)有過明顯活動,且至今仍有一定的活動性。由上述可見,高橋斷裂帶由多條次級斷層組成,整個斷裂帶寬幾米到幾十米,最寬處達(dá)數(shù)百米,而從單條斷層的結(jié)構(gòu)來看,其破碎帶一般寬幾米到幾十米,斷層核部位多由寬幾厘米到幾十厘米的斷層泥組成,且分布不連續(xù),根據(jù)JonathanSaulCaine等提出的斷層滲透結(jié)構(gòu)的概念,按照易立新等對斷層帶水文地質(zhì)結(jié)構(gòu)所進(jìn)行的分類,高橋斷裂的斷層滲透結(jié)構(gòu)應(yīng)基本屬于散狀導(dǎo)水結(jié)構(gòu)。3高橋斷層地震活動在蓄水前的40多年中,高橋斷裂帶展布區(qū)和鄰近地區(qū)(31.0°~31.4°N,110.2°~110.7°E)共記錄到ML≥1.0地震34次,其中2.0級以上地震5次,最大為2000年6月19日高橋ML3.6地震。在34次地震中,分布在高橋斷層兩側(cè)約5km以內(nèi)的地震僅有7次(圖2(a)),7次地震沿斷層兩側(cè)成線性分布,西北盤地震多于東南盤,ML3.6地震發(fā)生在斷層?xùn)|南盤。從圖2(a)可見,ML3.6地震前的地震在西北盤沿斷層遷移,東南盤無地震。1959年以來高橋斷層兩側(cè)約5km以內(nèi)的7次地震共釋放地震能量2.37×109J,相當(dāng)于一次ML3.7地震。表1是各級地震的頻次分布。從表1可見,蓄水前高橋斷裂帶附近2級以下地震占85.7%,表現(xiàn)出地震頻次低、強(qiáng)度弱,屬于弱震活動帶。從圖2可見,斷層附近的地震活動在時間分布上是不均勻的。在蓄水后短短的9個月內(nèi)(2003-06—2004-02),高橋斷裂兩側(cè)約5km范圍內(nèi)共記錄到ML≥0.0地震31次(圖2(b)),最大1次為2003年12月26日巴東西壤口龍船河ML1.9地震。從圖3可見,蓄水1個月后高橋斷裂帶的地震活動漸趨活躍,頻次不斷增加。2003年7月—2004年2月共記錄到地震21次,其活動特征如下:1)從圖2(b)可見,地震在空間分布上主要集中在高橋斷里的西南段,且絕大多數(shù)地震震中距長江庫岸大于5km;2)蓄水以來高橋斷裂帶的地震活動在時間上與蓄水進(jìn)程相比稍有滯后,2003年6月10日水庫蓄水至135m,到6月底高橋斷裂兩側(cè)約5km范圍內(nèi)沒有記錄到地震活動,7月6日在斷層的西北盤才記錄到第一次地震,震級僅為l級,滯后時間約一個月。從圖4和表2可見,水位上升至139m后,地震活動的頻度增高,微震、極微震連續(xù)不斷;3)高橋斷裂帶展布區(qū)內(nèi)的地震全是微震與極微震,地震能量總釋放量為1.97×107J,相當(dāng)于一次ML2.1地震。可見,水庫蓄水后高橋斷裂附近的地震活動是以中等頻度和低強(qiáng)度的形式釋放能量。4地震原因分析4.1高橋作用下盤高差值異常表現(xiàn)蓄水前高橋斷裂帶及其附近發(fā)生30余次地震,大多為微震,現(xiàn)以高橋ML3.6地震為例論述其成因。經(jīng)儀器測定,高橋地震發(fā)震時間為2000年6月19日7時22分,震中位置為N31°12′,E110°27′,震級ML3.6(Ms3.0),震源深度11.6km。地震震中位于高橋鄉(xiāng)茅草壩,據(jù)震中區(qū)地震宏觀現(xiàn)象綜合反映,地震烈度為Ⅴ度,個別點達(dá)Ⅵ度。Ⅴ度區(qū)長軸呈NE向近橢圓形分布(圖5),長約2.0km,寬約1.0km,面積約2.0km2。地震有感范圍呈NE向扁橢圓形展布,與高橋斷裂走向一致,最大有感半徑約5km,有感面積約50km2?？绺邩驍嗔阉疁?zhǔn)線是三峽工程水庫誘發(fā)地震監(jiān)測系統(tǒng)跨斷層監(jiān)測短水準(zhǔn)之一,測線全長0.39km,共埋設(shè)4個水準(zhǔn)標(biāo)志點,其中在斷裂東南盤(上盤T32b2b3)埋設(shè)了W1、W2點,在北西盤(下盤T1j)埋設(shè)了E2、E1點(圖6(a))。測線距高橋ML3.6地震震中1.5km,自1998年5月首次觀測,每半年復(fù)測1次,震前測了5次,震后加密觀測1次,共測了6次,全部按一等水準(zhǔn)施測,觀測中誤差M△≤0.25mm/km,資料可靠,精度高,高差變化能代表斷層兩盤的升降變化。經(jīng)對高橋水準(zhǔn)線及各測段高差變化相關(guān)分析,高差變化與氣溫變化無顯著相關(guān),和時序也無顯著線性變化關(guān)系,故對所測的高差值不需作相關(guān)改正。以W1作基準(zhǔn)點,從高橋水準(zhǔn)測線高差變化剖面圖看(圖6(b)),同在上盤W1、W2兩點間相對較穩(wěn)定,同在下盤的E2、E1兩點間,1999年7月以后E1點明顯上升,以后兩點間重新趨于相對穩(wěn)定。從跨測斷層的測段看,自1999年7月E2、E1點逐次下降,1999年11月與1999年7相比下降1.1mm,2000年5月E2、E1點急劇回轉(zhuǎn)上升,與1999年11月相比上升幅度達(dá)2.69mm,之后于6月19日高橋發(fā)生ML3.6地震。地震后于7月1日加密觀測1次,E2、E1點回復(fù)下降,據(jù)此推斷,高橋ML3.6地震前受孕震影響是有明顯異常反映的,經(jīng)歷了下盤顯著下降而后又急劇反向顯著上升的過程,地震后趨近于初測時的狀態(tài)。為定量判定形變異常量,以跨斷層的W2-E2測段和W1-E1測線的高差變化的中誤差為噪聲限識別異常(由于測次少,觀測周期長,又處于異常階段,無法以二倍中誤差衡量),從圖6(c)、圖6(d)可看出跨斷層的測段和測線異常都較明顯,W2-E2測段異常超限為-0.59mm和+0.29mm,W1-E1測線異常超限為-0.44mm和+0.45mm。震后觀測的結(jié)果反映高差已回歸噪聲范圍內(nèi)變化。高橋ML3.6地震正好發(fā)生在高橋斷裂帶上,地震烈度等震線呈NE向沿斷裂帶呈橢圓形分布,反映出本次地震明顯受高橋斷裂帶控制,特別是通過跨斷層水準(zhǔn)測量反映出高橋斷裂帶在1999年7月—2000年5月間有明顯異常反映,經(jīng)歷了NW盤顯著下降而后又急劇反向顯著上升的變化過程,震后基本恢復(fù)正常。綜上所述,基本可以判斷2000年6月19日高橋ML3.6地震應(yīng)由位于秭歸盆地西北緣的高橋斷裂帶活動引起,高橋斷裂是此次地震的發(fā)震構(gòu)造。4.2水庫誘發(fā)地震根據(jù)國內(nèi)外已有震例分析,可以將水庫誘發(fā)地震判別標(biāo)志歸納為以下4個方面:1)時間分布:水庫地震發(fā)生在出現(xiàn)水庫或施工圍堰所形成的人工水體之后;地震序列的主要部分發(fā)生在蓄水位達(dá)到最高設(shè)計水位之后。發(fā)震初期地震頻次與庫水位變化有比較明顯的相關(guān)性;2)空間分布:一般情況下,地震震中區(qū)位于距水庫3~5km范圍內(nèi)或不超出該河谷的第一分水嶺;在有區(qū)域性活動斷裂通過的地段不超過10km;3)地震年頻次:按可比震級計算,超過天然地震本底值(實測的多年平均值)5~10倍;4)年釋放能量:構(gòu)造型水庫地震的能量年釋放率應(yīng)比天然地震本底值(實測的多年平均值)高出2~3個數(shù)量級。巖溶塌陷型、地表卸荷型及其它外成因水庫地震,其年釋放能量一般很小,不是有效的判別標(biāo)志。由于水庫誘發(fā)地震的多成因性,在不同情況下,上述各項標(biāo)志的含義會有區(qū)別。例如:1)構(gòu)造破裂型水庫地震的年頻次和年釋放能量都應(yīng)高于天然本底地震;2)地表卸荷型水庫地震的頻次極高而總釋放能量較小;3)巖溶塌陷型水庫地震的年頻次較高而釋放能量不一定很大,在天然地震活動水平較高的庫段,此類型水庫地震的年頻次也有可能達(dá)不到當(dāng)?shù)囟嗄昶骄档?~10倍。蓄水初期在庫盆及庫水影響范圍內(nèi)發(fā)生的地震,有可能是水庫誘發(fā)地震,也有可能只是天然構(gòu)造地震的正常表現(xiàn)。對水庫誘發(fā)地震的判別,主要參照上述標(biāo)志,通過對比蓄水前后地震活動的特征:包括地震發(fā)震時間與庫水位的關(guān)系、空間分布特征、發(fā)生的頻次、能量釋放等特征。從地震發(fā)生的時間看,高橋斷裂的初震時間是2003年7月6日,而三峽水庫于2003年6月10日蓄水至135m高程,發(fā)震時間稍有滯后;高峰期在三峽水庫2003年11月4日蓄水至139m高程后,目前尚未見有平息的跡象。地震活動與庫水位的變化之間有一定的相關(guān)關(guān)系,符合第一個判別標(biāo)志。從地震空間分布看,圖7中3個小區(qū)域的地震分布各有一定特點。圖中1區(qū)地震沿長江干流和神龍溪支流交匯部位的干支流庫岸分布;2區(qū)的地震分布在高橋斷裂中段,遠(yuǎn)離庫岸線10km;3區(qū)的地震分布于碳酸鹽巖分布地區(qū),該區(qū)西側(cè)主要發(fā)育溶蝕洼地和落水洞,為地下水補給區(qū),東側(cè)神農(nóng)溪支流一帶多為溶洞出口,為地下水排泄區(qū),東西兩部分通過地下溶洞和暗河與庫水連通。從水庫地震與水庫淹沒及影響范圍的空間相關(guān)角度考慮,一般來說:1)在斷裂不發(fā)育或斷裂規(guī)模較小的庫段,水庫地震的主震和地震集中區(qū)處在距庫岸線3~5km范圍內(nèi)或不超出該河谷的第一道分水嶺;2)區(qū)域性現(xiàn)代活動斷裂穿過水庫或平行庫邊通過,蓄水后沿斷裂發(fā)生的地震,有可能是構(gòu)造型水庫地震;但如果震中距庫岸在10km以外,即使沿斷裂分布,屬于水庫誘發(fā)地震的可能性也很小;3)在巖溶管道系統(tǒng)發(fā)育地區(qū),庫岸線應(yīng)將在大型巖溶管道中形成的充水范圍(即地下水庫)考慮在內(nèi)。按照上述原則和第二個判別標(biāo)志來分析高橋斷裂的地震:圖7中1區(qū)的地震距離長江干流庫岸3~5km,即在庫盆影響范圍內(nèi),與水庫蓄水有直接的相關(guān)關(guān)系,屬于水庫誘發(fā)型地震的可能性較大;2區(qū)的地震分布靠近高橋斷裂中段,離長江干流和神龍溪支流的庫岸線大于10km,受水庫蓄水的影響很小,且蓄水前的2000年6月在此區(qū)域附近發(fā)生過ML3.6天然構(gòu)造地震,1979年龍會觀ML5.1地震也可能與高橋斷裂的活動有關(guān),因此2區(qū)的