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范晓:汶川大地震:地下的奥秘
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(博讯北京时间2008年6月25日 转载)
    
    
     2008年5月12日,汶川发生了8级大地震。四川省青川县、北川羌族自治县、茂县、汶川县、都江堰市等受灾严重的地区,究竟处于什么样的地质构造带上?龙门山地震带是历史上的地震活跃区域吗?岷江上游的水电开发以及工业开发区的扩展等挖掉了大量山体的坡脚,改变了岷江上游河谷的地形地貌,这对地质稳定的影响到底有多严重?修建水坝到底会不会诱发地震?地质专家范晓从地质角度深刻剖析了这场特大地震灾害。 (博讯 boxun.com)

    
    满目废墟的绵竹市汉旺镇,镇中心孤兀残立的钟楼,指针停止在14时28分,它记录了2008年5月12日这个永远难以抹去的惨痛时刻,这个地覆天翻、山河巨变的惨烈一幕。
    
    和唐山大地震一样,汶川大地震来得似乎没有一点征兆,而当它一出现,便让整个中国乃至世界大惊失色。
    
    地震发生时,我乘坐的越野车正行驶在成都望江楼附近的府河边。“我当时感觉到汽车在发飘”,驾驶员老赵事后这样说。因汽车在行驶,我当时并未感觉到震动,只看到路旁楼群里冲出大批脸色煞白、惊恐万状的人们,向着府河边狂奔。我们以为河里出了事,便停下车观看,这时才感觉到汽车在剧烈地左右摇晃,我们终于明白,地震!汽车不停地在晃,我打开车门下车,地面也在剧烈晃动,感觉像是踩上了软软的东西,有点站立不稳和下坠。
    
    最让人不敢相信的是,成都竟会有这么强烈的震感,这是所有在成都生活过的人都不曾经历过的。我当时想到的是,成都附近一定有地方发生了罕见的强烈地震。 下午3点多钟,在川大校园里,一位学生骑车过来说,“汶川,7.8级”。这是我最初得到的信息。
    
    从沉寂到复活,龙门山地震带一反常态
    
    美国地质调查局测定的汶川地震震级为里氏7.9级,中国地震局公布的数据先后有8.0级、7.6级、7.8级,尔后又修订为8.0级。震级的差别看似不大,但地震释放的能量,8.0级可以是7.8级的2—3倍,也大致相当于6.0级的900倍。震中位置,中国地震局和美国地质调查局公布的数据非常接近,分别为:北纬 31.0°,东经 103.4°;北纬30.989°,东经103.329°。
    
    如果要用具体的居民点位置来描述震中,那么应该是:汶川县映秀镇西偏南38°方向约11公里,汶川县水磨镇北偏西11.5°约7.5公里,离震中最近的居民点是汶川县漩口镇八角庙村的桂子坪,约1.7㎞,从地理位置看,震中地处岷江右岸小支流——古溪沟的沟尾附近。
    
    震中地点虽然行政区划上属汶川县所辖,但离震中直线距离最近的县级城镇却是都江堰,而不是汶川。从这一点看,这场地震被称为汶川地震似乎有一些名不符实。由于这场地震在四川的大范围区域主要是龙门山地区造成极其严重的破坏,将其称为5.12四川龙门山大地震似乎更为贴切。
    
    对于专家们来说,在龙门山地震带、在离成都平原如此之近的地方,竟然出现震级如此之高的大震,的确出乎意料。
    
    中国大陆上有一块强震和大震比较集中的区域,专家们把它称为中国南北地震带,它的范围大致在北纬20°—40°、东经98°—108°之间,涉及云南、四川、西藏、青海、甘肃、陕西、宁夏、内蒙古等省区,主要包括了云南高原、青藏高原东部的横断山、祁连山、黄土高原西部、内蒙古高原西部等地理区域。
    
    龙门山地震带只是中国南北地震带中诸多的次级地震带的一条,它沿着东北—西南方向延伸,北起青川,经北川、茂县、汶川、都江堰、宝兴、天全至泸定附近,它刚好分布在横断山区东缘与四川盆地相邻的地带,长约400公里,宽约70公里。
    
    龙门山地震带是一条规模很大的地震活动带,因为毗邻人口密集、经济发达的成都平原及其城市群,历来受到人们的关注。但是从强震活动的频度和级别来看,在中国南北向地震带中,它还是一个相对“沉寂”的区域。龙门山地震带有史以来从未发生过≥7级的地震,这里有记载的最大地震是1657年(清顺治十四年)发生的汶川6.5级地震,而且从1970年大邑6.2级地震以来近40年,还未发生过6级以上地震。因此,从强震和大震的发生来说,在中国南北地震带中,专家们更多关注的是鲜水河、安宁河、松潘、东川—嵩明、马边—昭通、通海—石屏、西海固、天水、银川、河西走廊等地震带。
    
    5.12大地震的发生,可以说颠覆了专家们对龙门山地震带认识的基本框架,台湾的地质专家也用了“复活”一词来形容龙门山地震带的一反常态。这究竟是数千年以上的能量积蓄终于到了极限,还是另有其他原因呢?这仍然是一个待解之谜。
    
    蔚为壮观的龙门山,竟是8级大地震的孕育之地
    
    龙门山绵延逶迤于四川盆地和川西高原之间,当你由成都平原西行,接近绵竹—什邡—彭州—都江堰—邛崃一线,就会看到西边的龙门山如万丈高墙,平地拔起,蔚为壮观。杜甫曾用“窗含西岭千秋雪”的名句,来形容由成都平原眺望龙门山的景象。
    
    龙门山之所以会在四川盆地西侧形成如此雄伟的山脉,是因为它作为青藏高原东部横断山的一部分,受高原东缘断裂活动影响而强烈上升、而四川盆地相对下沉的缘故。 对龙门山的地质结构、地震活动起到控制作用的,是与龙门山脉走向平行的3条大断裂。这3条大断裂把龙门山分成两个条带,当我们由东南向西北、由成都平原向川西高原穿过龙门山时,就会看到龙门山完整的地质地貌结构,它依次出现的是:江油—都江堰大断裂;前龙门山;北川—映秀大断裂;后龙门山;茂县—汶川大断裂。
    
    江油—都江堰大断裂是四川盆地与龙门山区的天然分界线,它又被称为龙门山的主边界断裂或主前缘断裂,这条断裂带的东侧,地壳相对沉降,因此接纳了来自西边山区的大量河流泥沙物质,在山前形成一系列的冲积扇,堆积形成了广阔的山前扇形平原。
    
    江油—都江堰大断裂与北川—映秀大断裂之间的前龙门山,也被称为低龙门山,从四川盆地向西行,在前龙门山可看到依次出现台地、丘陵、低山、中山等不同地貌。前龙门山的山势相对较和缓,最高山岭的海拔一般在2500米以下,山体主要由上古生界(泥盆系、石炭系、二叠系)至中生界(三叠系、侏罗系、白垩系)的地层及岩石构成。
    
    北川—映秀大断裂是前龙门山与后龙门山的天然分界,它又被称为龙门山的主中央断裂。
    
    北川—映秀大断裂与茂县—汶川大断裂之间的后龙门山,也可称为高龙门山。后龙门山主要是中山和高山,山岭海拔多在3500米以上,其中九顶山的狮子王峰海拔4989米,为龙门山的最高峰。后龙门山山势高峻,山体主要由前寒武系的花岗岩类岩石以及下古生界(寒武系、奥陶系、志留系)的地层及岩石构成。
    
    茂县—汶川大断裂是龙门山的西部边界或后缘边界,又称龙门山主后缘断裂,它也是龙门山与邛崃山、岷山的分界。
    
    历史上龙门山地区发生的震级≥6级的地震,其震中都位于上述3条大断裂中,同时表现出在主边界断裂→主中央断裂→主后缘断裂来回迁移的特点。这一次5.12大地震的震中,就落在了龙门山主中央断裂即北川—映秀大断裂上。
    
    龙门山在地质科学上是一座蜚声世界的名山,这得益于上世纪20年代一位年轻中国学者的天才发现。
    
    1929年,我国杰出的地质学家赵亚曾,深入当时几乎是地质空白区的四川进行科学调查,他来到了龙门山,在彭州的白鹿顶、小鱼洞一带,发现较老的二叠纪石灰岩叠覆在较新的三叠系含煤岩层之上,形成一系列飞来峰,这一成果发表于当年的《中国地质学会志》,引起国内外地质学界的极大关注。这是在中国第一次确认存在阿尔卑斯式的推覆构造,并开了中国推覆构造研究的先河。
    
    如果把龙门山的推覆构造作一个比喻,它大致像一组由西北向东南倾倒的多米诺骨牌。每一块“牌”就是一个岩石体或推覆体,每一块“牌”之间都是断层。这些“牌”原本是有规律地一层层叠放的,但是由于压力推挤的作用,而且这种推挤力的主导方向来自一侧,于是“牌”被打乱了位置,一块块“牌”像瓦片一样,层层叠覆上去,并向主导推挤力来的方向倾斜。原来放在下层的“牌”,也可能跑到上面去。对龙门山来说,也就出现了老岩层(推覆体)盖在新岩层之上的现象。这些推覆体遭受后期沟谷的侵蚀切割而残留在山体上部,便形成众多的飞来峰群。这些飞来峰风光秀丽、景观独特,历史上吸引了不同宗教在此营造庙观寺院。而这种奇特的地质现象,正是蕴含了地壳中力的作用与聚集,而地震也在其中孕育。
    
    龙门山之北川—映秀大断裂,无形的巨手撕裂大地
    
    如果用地质构造上的空间位置来描述这次大地震的震中,它是在映秀西南方向,龙门山主中央断裂的断面上。根据以往的地质调查,这个断层面呈东北—西南走向,向西北方向倾斜,倾斜角度40°—46°,断层面之上(上盘)的岩石体是古老的前寒武系岩浆结晶岩体,断层面之下(下盘)的岩石体是三叠系的砂岩、泥岩。这个断层的运动特征,是上盘岩体向上运动,下盘岩体向下运动,在专业术语上被称为“逆冲断层”。这个断层同时还伴有水平方向上的顺时针滑动。在5.12地震未发生前,断层的运动主要以一种极其缓慢的蠕动方式在进行。而一旦外力突破了断层“稳定”的临界值,就会呈现断层两盘快速移动的“破裂”状态,并释放出巨大的能量,这就是大地震的发生。
    
    根据中国地震局以陈运泰院士为首的专家组对汶川地震震源特性的分析报告,这次地震是一次以逆冲为主,伴有顺时针走向滑动的地震,这和龙门山主中央断裂惯有的运动方式是一致的。根据地震波形资料解算出来的震源断层向西北倾斜,震源断层的走向为226°,也和实地调查的断层空间形态非常接近。对地震波数据的分析表明,地震由震中的断层发生突然破裂开始,并使破裂沿着龙门山主中央断裂的界面迅速扩展,同时也使两侧的龙门山主边界断裂和主后缘断裂加速运动和变形,断层破裂的长度达到300公里左右,其中约有200公里是由震中向东北方向延伸,而向西南方向扩展的距离较短。破裂延伸扩展的平均速度高达每秒3.1公里,所到之处,就像一只无形的巨手在撕裂和摇撼着大地。
    
    这些地震发生和破裂延伸的断层带,就象死亡与毁灭的走廊。5.12地震中,位于龙门山主中央断裂带上的三江、映秀、银厂沟、红白、清平、茶坪、北川、南坝、关庄,位于龙门山主边界断裂带上的都江堰、蓥华、汉旺、睢水、安县、江油,位于龙门山主后缘断裂带上的汶川、茂县、青川,都受到十分严重的破坏,其中尤以主中央断裂带上的城镇为甚。
    
    天灾背后:人类活动令龙门山满目疮夷
    
    5.12大地震在龙门山区造成了极为广泛和规模巨大的地质灾害,当飞机掠过灾区上空时,可以看见下面满目疮夷,整个山体就像被开肠剖肚一般,到处是滑坡、崩塌、泥石流,地震后的第十一天,已发现山崩堵江形成的地震堰塞湖达34处。据国土资源部对极震区映秀拍摄的航空影像,那里没有受到改变的地表面积,仅占约20%。公路、桥梁、电站,不是被震毁,就是被掩埋。虽然在如此强烈的地震之下,出现这么多地质灾害不算异常,但假如大地震前你在岷江上游的河谷行走过,也许你早有不祥的预感。近年来,和整个中国西部特别是西南山地一样,岷江上游的水电开发达到了近乎疯狂的程度,加上工业开发区的扩展和公路的不断加宽,已使岷江上游河谷的地形地貌和自然景观发生了很大改变。
    
    在龙门山及其更大范围的横断山区,河流切割出一条条深邃的峡谷,沿着这些峡谷的河谷地带,也是城镇村寨聚落的集中地以及交通的走廊。峡谷两侧的山坡在重力作用下,在漫长的地质年代里,也在不断调整着,尽量趋于一种相对稳定和平衡。我们看到的山坡的原始斜坡及其坡度角,实际上是地表地形长期演化形成的一个安息坡角。虽然它也不是完全稳定,也时有地质灾害会发生,但在没有经过人类大规模工程活动扰动的情况下,总体上仍然处在一个相对平稳的状态。沿途的羌寨、藏寨、果园、农田、树林,在苍峻的大山衬映下,更显出一种古朴静谧的独特魅力。
    
    最近几十年来,特别是近几年经济指标高速增长的时期,密如繁星的大小电站、水坝几乎侵占了岷江上游水系的每一个角落,为了消耗这些电力,沿着岷江河谷也建起了多个以电冶、硅铁、铬铁、磁材、水泥等高耗能高污染产业为主的工业园区,沿河谷的公路也因电站的建设和大规模观光旅游的需求,多次改道扩宽,5.12大震前,都江堰至汶川的高速公路也在修建中。而在坡陡地狭的山区河谷,要想实施这些工程,无一例外地都要开挖山坡,损毁植被,堆弃土石废渣。特别是对山体坡麓和坡面的大规模开挖,已把原来具有安息角度的自然斜坡坡角,普遍截削成具有高陡临空面的直立崖坡,这就使河谷两侧的许多山体都具有失稳崩滑的隐患。这就像我们伤害了大山巨人的“阿喀琉斯之踵”,看似伟岸坚固的山体,实际上已变得十分脆弱。在大地震以前,上述种种工程的影响以及它们引发的各种地质灾害,已经把诸如岷江河谷等地方,变得狼藉不堪。大地震前的一两年,我也多次走过岷江上游河谷,当我看到诸如理县米亚罗红叶景区因修建电站水库而损毁森林、开挖山体时,当我看到推土机让漂亮的藏寨渐成废墟、藏族老大妈在简易窝棚旁悲伤无助时,我脑海里浮现的只有两个字:贪婪。
    
    当巨大地震来临时,这些伤及“阿喀琉斯之踵”的山体,终于“忽喇喇如大厦倾”,让我们看到了触目惊心的灾变景象。
    
    在威力几乎难以想象的大地震过后,很多地方的山川地貌已变得面目全非,大量的地质灾害体将在很长一段时间都处于十分活跃和不稳定的状态,这段时间不是几年、十几年,它可能需要几十年甚至上百年才能慢慢平复。
    
    紫坪铺水库能诱发汶川大地震吗?
    
    在历史地震活动强度相对较弱的龙门山地震带,突然发生8.0级的大地震,这里有两种可能:一是虽无史料可依,但不能排除史前时期龙门山曾经发生过大地震,它原本就有出现大震的背景;二是龙门山具有孕育大震的构造条件,过去数千年的相对沉寂,也许不过是它蓄势待发的一种表象。
    
    在5.12大地震以前对中国南北地震带、龙门山地震带的研究和预测中,地震专家们也曾指出龙门山未来有发生震级≥6级强震的潜势,但都未明确提出对震级≥7级地震的预测,更不用说预测在龙门山出现≥8级的大震了。而这在目前的科学水平上,是不能苛求于专家的。
    
    另一个重要问题是,既然5.12地震已证明了龙门山完全具备发生大震的条件,那么有没有什么因素可能对触发地震产生影响呢?人们把眼光投向了位于震中附近的紫坪铺水库,在5.12地震中,它因大坝受损以及可能对成都平原产生的威胁,一时成为公众十分关注的对象。
    
    紫坪铺水库是目前岷江上游梯级电站中,规模最大的水库,坝高156米,总库容11.26亿立方米,按照海拔877米的正常蓄水位,水库的尾水可直抵映秀镇。库尾岸线西距5.12大地震的震中仅5.5公里。紫坪铺水库坝址附近的水深约120米,由大坝向上游约4.2公里至横跨水库的庙子坪大桥(该桥在5.12地震中已被震断)处,水深仍然有100米左右。
    
    据国内外的研究,目前能认识的水库诱发地震的主要原因,是因为水库蓄水对于库区岩层新增的外在压力以及库水沿断层向下渗透,打破了原有的地应力平衡状态,并降低了断层面的摩擦系数和岩石的抗剪强度。
    
    我国曾总结了可能产生水库诱发地震的7项定性标志:一、坝高大于100米,库容大于10亿立方米;二、库坝区有活动断裂;三、库坝区为中新生代断陷盆地或其边缘,近代升降活动明显;四、深部存在重力梯度异常;五、岩体深部张裂隙发育,透水性强;六、库坝区历史上曾有地震发生;七、库坝区有温泉。上述7条,符合数越多,该水库蓄水后诱发地震的可能性就越大。紫坪铺水库符合了上述7项的前6条。
    
    紫坪铺水库所处的地质构造位置相当令人担忧。水库大坝下距龙门山主边界断裂在地表的出露迹线仅2公里左右,库尾淹没线上距龙门山主中央断裂的地表出露迹线仅约500米,库区还有与上述主干断裂平行的密集的断层群通过,原本由西北山区向东南流入平原的岷江,在此也顺应断层破碎带形成的软弱部位,形成90°的突然转折,变为西南—东北走向,在水库的漩口至大坝这段主要的蓄水区,形成与断层带走向重合的“构造次成河段”,从而使库水和断层带有了最大的接触面积。库区分布的岩石,主要为石炭系至二叠系的石灰岩,二叠系至三叠系的砂岩、泥岩、煤层,这些岩层本身多具有不良的工程地质特性,在断裂的作用下,又发生了较多的破碎。同时,库区岩层的层面、断层的断面,普遍具有较大的倾斜角度,一般为40°—70°,这些因素都有利于库水向深部渗透,从而对断层的活动产生更大的影响。在库区还多有采煤的老硐,紫坪铺大坝施工时,就曾在坝址左岸发现有连通岷江与白沙河河谷的遗弃煤硐,为防止库水渗漏,对其进行了工程处理。但因历史上库区周围采煤者众,此类隐患很难说已完全消除。
    
    对于紫坪铺水库可能诱发地震的这些“硬伤”,专家们并未等闲视之。1990年,在工程论证前期,专门作了紫坪铺水利枢纽工程水库诱发地震危险性评价。2004年,在水库蓄水之前,建成了包括7个子台、1个中继站在内的紫坪铺库区地震监测台网。截至5.12震前,不同的地震研究部门对紫坪铺水库不同库段诱发地震的震级预测是3—5.5级。由于已发生的5.12大地震的震级已远远超过库区原来的地震背景和预测值,要比较准确地判断紫坪铺水库蓄水与5.12大地震的相关性就显得更为复杂,而对蓄水以后至震前这段时间库区地震监测台网所获数据的分析是十分关键的。
    
    紫坪铺水库于2004年12月1日开始蓄水,水位从海拔757米左右开始上涨;2004年12月10日,水位涨到761米;2004年12月底,水位涨到800米左右;2005年2月,水位到达820米左右;2005年12月,水位蓄至841米;2006年10月,水位蓄至875.5米;2006年12月,水位首次达到正常蓄水位877米。此后,按照夏降冬升、蓄清排浑的基本模式,水位在817米—877米之间反复升降,变幅可达60米。2007年5月,水库水位曾下降到819米。水位的反复升降,相当于水体对库底反复地加压和卸载,这对水库诱发地震可能产生重要影响。
    
    5.12地震前,已有四川省地震局专家公开发表的紫坪铺库区台网监测结果,数据时段为2004年8月16日至2005年9月30日,水位低于840米,共记录到-0.9—3.6级地震735次。值得注意的是:地震沿水库南北两侧的龙门山主边界断裂、主中央断裂相对集中,同时在映秀方向的主中央断裂,地震震中沿断裂走向有一个与垂直方向约10°—20°夹角的密集地震发生区,而且在以库区中心点为圆心,半径15公里的圆内,该现象更加明显。这实际上反映震源处的断层除了沿垂直方向运动外,还兼有水平方向的滑动,总体形成斜向逆冲的效果。而这一特征,与两年多后的2008年5月,中国地震局的专家组对5.12地震震源分析的结果十分相似。现在的主要问题是,2005年至2008年震前的数据特征如何?对蓄水前和蓄水后的数据应加以区分和对比,并做更深入的分析。在得出最终结论之前,紫坪铺水库诱发5.12地震的可能性还不能排除。而且,这次大震也给人们提出了许多新课题:水库蓄水是否有可能诱发≥8级的大地震?在有强震、大震背景的地震带上,水库蓄水对强震、大震发生的频次、时间、震中、级别会产生多大程度的干扰和影响?等等。
    
    大地震的发生不是第一次,也不会是最后一次。由于目前在中国西部,还有许多建成或在建的、规模远大于紫坪铺的高坝大库,而且很多也是在有强烈地震活动的断裂带上。例如位于鲜水河地震带、安宁河地震带上的大渡河、雅砻江的梯级电站、位于东川—嵩明地震带、马边—昭通地震带上的金沙江中下游梯级电站等等。因此,对大地震可能产生的破坏,以及水库诱发地震的风险应该给予前所未有的关注,在这些大型、特大型工程的决策上,应当更加科学、谨慎。
    
    人类一直在用自己的行为和大自然进行对话,5.12大地震是这种对话进程中,一次十分强烈的碰撞。在心底留下了深深的伤痛之后,但愿我们能以更加慈爱、宽大的心怀,去看待人与自然、人与人之间的关系。
    
    ── 原载 中国国家地理
    Tuesday, June 24, 2008 _(博讯记者:龚珉) (博讯 boxun.com)
(本文只代表作者或者发稿团体的观点、立场)

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