汶川地震震間與同震變形過程的有限單元法模擬研究

朱守彪

（中國地震局地殼應(yīng)力研究所，北京 100085）

破壞力巨大的2008汶川大地震發(fā)生在現(xiàn)今斷層滑移及變形速率均很小的龍門山斷裂帶上。該斷裂帶是一個具有高傾角、鏟狀的逆沖構(gòu)造體系，在15 km以上具有高傾角（～70°），但在15km之下的傾角變緩，在30°～40°之間。研究中利用黏彈性有限單元方法對震間、同震變形過程及龍門山斷裂帶上的地震活動性進(jìn)行了數(shù)值模擬。模擬中，首先通過反演震間的水準(zhǔn)測量及GPS觀測數(shù)據(jù)來得到最佳的震間數(shù)值模型，然后利用該模型來分析震間研究區(qū)域的物性結(jié)構(gòu)、應(yīng)力應(yīng)變及能量的空間分布特征。

最佳模型計算結(jié)果顯示：龍門山斷裂帶、青藏高原東部及四川盆地地區(qū)有其特殊的物性結(jié)構(gòu)，青藏高原東部的下部地殼柔軟，而四川盆地的整個地殼及上地幔都非常堅硬。震間變形主要發(fā)生于川西高原的中下地殼，其他區(qū)域（如地表）的變形較小。值得特別指出的是，震間彈性應(yīng)變能密度在龍門山斷裂帶及附近地區(qū)積累的速度最快，但在堅硬的四川盆地及柔軟的青藏高原下部地殼中積累的速度都非常低。這就初步解釋了為什么汶川大地震發(fā)生在地表變形小的龍門山斷裂帶上的物理機制。模擬實驗中，在最佳模型基礎(chǔ)之上，繼續(xù)對模型加載，斷層就可以解鎖而發(fā)生大地震。在對同震變形過程的模擬中發(fā)現(xiàn)，同震位錯首先出現(xiàn)在下部緩傾角斷層上。在同震過程中，無論是上部陡傾角斷層面上，還是下部的緩傾角斷面上，法向應(yīng)力與剪切應(yīng)力都發(fā)生著復(fù)雜的變化。其中剪切應(yīng)力的變化量與汶川地震的應(yīng)力降有可比性。模擬的同震累積位錯清晰地顯示，汶川地震的破裂發(fā)生在很小的窄帶內(nèi)，這與余震分布、GPS觀測及其他地質(zhì)、地球物理觀測結(jié)果有一致性。

此外，模型計算了25萬年來龍門山斷裂帶上的位錯歷程，結(jié)果表明，發(fā)生于緩傾角上的小地震事件服從位移可預(yù)測模型（slip-predictable）；而發(fā)生在緩傾角上的較大地震事件服從時間可預(yù)測模型（time-predictable）。但是發(fā)生在陡傾角上的像汶川地震這樣的大地震事件不服從任何預(yù)測模型。