張冬麗 黃 蓓 張獻兵 徐錫偉 鄭文俊
1)中國地震局地質(zhì)研究所,活動構(gòu)造與火山重點實驗室,北京 100029
2)中國地震局地質(zhì)研究所,地震動力學(xué)國家重點實驗室,北京 100029
3)北京大學(xué)地球與空間科學(xué)學(xué)院,北京 100871
繼2008年5月12日四川汶川8.0級地震后,龍門山南部地區(qū)于2013年4月20日8時02分45秒發(fā)生了四川蘆山7.0級強烈地震(劉杰等,2013;王衛(wèi)民等,2013;曾祥芳等,2013;張勇等,2013),據(jù)最新公布的數(shù)據(jù)顯示,這次地震造成了190余人死亡,萬余人受傷,并造成了巨大的財產(chǎn)和經(jīng)濟損失。
龍門山構(gòu)造帶是青藏塊體與揚子地臺的接觸帶,是青藏塊體向東部揚子塊體擠壓的結(jié)果(許志琴等,1992;鄧起東等,1994;Burchfiel et al.,1995,2008;Zhang et al.,2003;2010;Densmore et al.,2007;Royden et al.,2008;徐錫偉等,2005,2008;張培震等,2008;Hubbard et al.,2008;Xu et al.,2009)。龍門山構(gòu)造帶是一個NE向展布的現(xiàn)今活動較為明顯的褶皺-逆斷層帶(許志琴等,1992),構(gòu)造帶長約500km,東西寬約30km,自西向東由茂縣-汶川斷裂、北川-映秀斷裂、江油-灌縣斷裂及山前隱伏斷裂與前陸盆地所組成,向南逐漸散開并與NW向構(gòu)造相互交錯形成向南突出的弧形(圖1)。在地貌上龍門山構(gòu)造帶是由一系列NE向展布的海拔高于2 000m的山脈組成,最高可達4 000m以上,向東進入海拔僅為數(shù)百m的成都平原區(qū),為明顯的地貌構(gòu)造單元的分界,也是大地構(gòu)造和活動地塊劃分的主邊界構(gòu)造帶(Burchfiel et al.,1995,2008;Zhang et al.,2003;Densmore et al.,2007;許志琴等,2007)。
圖1 龍門山南段主要構(gòu)造展布圖Fig.1 Main faults and geological structures on the southern segment of Longmenshan.
蘆山地震發(fā)生在龍門山斷裂帶南段,根據(jù)現(xiàn)場考察,斷裂并沒有突破地表形成地震地表破裂帶(http:∥www.eq-igl.ac.cn/wwwroot/c_000000090002/d_0976.html),僅表現(xiàn)為一些高陡峭地形引起的滑坡和基巖崩塌(圖2a,b)、斷裂帶附近的砂土液化和張裂縫(圖2c,d)等,這些特征說明在近斷層帶附近,強烈地震引起了斷層帶內(nèi)部的變形;同時震害結(jié)果也與地表特征一致,在斷層帶附近形成明顯的沿斷層條帶狀分布;寶盛-龍門-蘆山縣城以北的條帶狀極震區(qū)分布(http:∥www.cea.gov.cn/UploadFile/dizhenj/2013/04/1366973148533.png),也正說明存在盲斷層,可能為一次典型的盲斷層地震(徐錫偉等,2013a,b)。由于斷層沒有突破地表,其活動性質(zhì)和特征只能依賴于一些推斷和反演的結(jié)果。地震發(fā)生后,有多名學(xué)者對本次地震的震源機制、震源破裂過程等進行反演(劉杰等,2013;王衛(wèi)民等,2013;曾祥芳等,2013;張勇等,2013),用不同方法和從多角度探索了這次地震的發(fā)震機理和基本特征。本文在充分利用這些震源資料的基礎(chǔ)上,通過有限斷層模型,對蘆山地震震區(qū)的地表變形過程進行了數(shù)值模擬,分析和探討盲斷層地震引起的地表變形過程與震害分布的關(guān)系。
圖2 蘆山地震滑坡及砂土液化Fig.2 Photos of landslides and sand and soil liquefaction at Lushan earthquake area.
蘆山震區(qū)范圍內(nèi)分布的規(guī)模較大的斷裂有龍門山中央斷裂南段(鹽井-五龍斷裂)、龍門山前山斷裂南段(雙石-大川斷裂)、龍門山前斷裂(大邑斷裂帶)等(圖1),這些斷裂的整體走向均為N20°~40°E,傾向NW,以逆沖性質(zhì)為主,其中中央斷裂和前山斷裂傾角相對較陡,為45°~70°,而大邑斷裂帶傾角相對較緩,為30°~40°。另外在蘆山震區(qū)震害最嚴重的地區(qū)還可能存在近SN向的隱伏斷裂——龍門-蘆山斷裂,這條斷層僅在古近紀—新近紀地層中可偶見斷面,在第四系沉積物中未見斷錯剖面。
本文的有限斷層模型主要依據(jù)前期的震源機制解及破裂過程反演的結(jié)果(王衛(wèi)民等,2013;曾祥芳等,2013;張勇等,2013)。據(jù)王衛(wèi)民等(2013)的反演結(jié)果,本數(shù)值模擬采用的震源深度為12km,總地震矩為1.54×1019N·m,斷層破裂面走向205°,傾角38.5°,破裂面上沿距離地表2km,沿走向66km,向深度方向以傾角38.5°延伸35km,破裂面上的滑動量分布和破裂過程如圖3所示,起始破裂點位于破裂面中心(圖中紅色五角星的位置),錯動傾伏角為88.8°,最大滑動量159cm。該有限斷層面在計算中被劃分為66×35個子源,即子源尺寸為1km×1km,子源地震矩隨斷層破裂面上滑動量的分布而呈不均勻分布狀態(tài)。
圖3 震源破裂面上的滑動分布(據(jù)王衛(wèi)民等,2013)Fig.3 Slip distribution on the fault rupture surface(after WANG Wei-min et al.,2013).
根據(jù)蘆山地震區(qū)的地質(zhì)構(gòu)造特點及斷層分布狀態(tài)(圖1c),可建立蘆山地區(qū)三維地殼結(jié)構(gòu)模型。在本文的強地面運動數(shù)值模擬中,將震源破裂面包含在內(nèi)的計算范圍EW向81km,NS向90km(圖5),計算深度25km。參考蘆山地震震源區(qū)地殼地震波速度模型(曾祥方等,2013)及前人的研究成果(王椿鏞等,2003;雷建設(shè)等,2009;劉啟元等,2009;吳建平等,2009;Li et al.,2012;萬柯松等,2012;謝軍等,2012),綜合給出了蘆山震區(qū)的三維地殼結(jié)構(gòu)模型,自地表向下共劃分了4個不均勻波速層,具體參數(shù)見表1。
在本三維地殼模型中,以鹽井-五龍斷裂為界,西北方向的地勢高,為地層較厚的基巖區(qū),向東向南地形變緩,主要以低矮山陵和山間盆地為主,盆地內(nèi)低波速層的層厚也逐漸加大,如表1中所示,S波速度<3.60km/s的地層厚達十多km。
表1 蘆山地震震區(qū)三維地殼結(jié)構(gòu)模型中的相關(guān)參數(shù)Table 1 Main parameters of 3D crustal structure model of Lushan earthquake area
圖4 強地面運動計算區(qū)及鄰區(qū)數(shù)字高程模型及主要斷層Fig.4 Main faults and computing region of strong ground motion in Lushan and its adjacent region.
在有限斷層模型及三維地殼模型的基礎(chǔ)上,采用有限差分并行計算方法(張偉,2006),模擬得出蘆山強烈地震主要震區(qū)的峰值加速度(PGA)、峰值速度(PGV)和峰值位移(PGD)3個分量在震區(qū)及周邊地區(qū)的分布圖(圖5)。
圖5 蘆山地震震區(qū)強地震動峰值分布Fig.5 Distribution of peak values of strong ground motion in Lushan earthquake region.
從地面運動的總體分布形態(tài)可以看出,在斷層上盤,峰值速度、加速度和位移的3個分量表現(xiàn)出了明顯的上盤效應(yīng):EW向分量的地震動在上盤沿斷層走向呈帶狀連續(xù)分布,而NS向分量和豎向分量出現(xiàn)在沿斷層走向的蘆山縣以北的寶盛、龍門一帶,呈現(xiàn)由北向南傳播的特征,而且在寶盛—龍門—蘆山縣城一帶地震動強度遠大于其他地區(qū),這也與實際震害確定的極震區(qū)地震烈度等值線(http:∥www.cea.gov.cn/UploadFile/dizhenj/2013/04/1366973148533.png)的分布特征近似。同時,本次地震引起的盆地效應(yīng)較為明顯,在斷層下盤發(fā)震斷裂附近的龍門盆地是強地震動集中區(qū),而雅安北部上里盆地,EW和NS向的峰值速度、加速度分量均明顯地加強,這是由于盆地內(nèi)薄層軟弱土層及地貌形態(tài)對地震動的放大效應(yīng)所致。由于引起本次地震的斷層破裂面傾角較緩,故豎向地震動較大值集中分布在斷層上盤,而不同于汶川地震陡傾角斷層引起的強地震動集中區(qū)跨斷層分布。也正是由于斷層破裂面的傾角較緩,致使模擬結(jié)果中地震動的豎向分量明顯大于兩個水平分量的地震動峰值,如峰值加速度的豎向分量達到340gal,NS向分量達到290gal,EW向分量的最大值為155gal。相應(yīng)的瞬時位移也和加速度的分布規(guī)律相同,豎向位移在蘆山以北龍門一帶達到最大值110cm,其次在寶盛、太平及大川一帶位移也有集中分布,約達到100cm,這可能是由于雙石-大川斷裂構(gòu)造特征的影響,也可能由于深切割陡峭地形的影響。NS向位移分布除與豎向位移有相似之處外,在上里盆地內(nèi)有較為明顯的增大,最大值達70cm。EW向位移相比前兩者較小,最大值分布在太平鎮(zhèn)附近,為50cm左右。
這些特征大體上反映了蘆山地震強震區(qū)的震害分布特征,震區(qū)地形地貌的特殊性也是引起局部地區(qū)強地面運動增強的一個主要因素,但總體特征還是與其深部結(jié)構(gòu)、斷裂分布、發(fā)震斷層特征等相關(guān)聯(lián)。
地震波速度的傳播過程同時也反映了實際地震發(fā)生過程中,地震波的衰減過程和斷層附近不同地區(qū)與地貌單元所受到震害破壞隨時間的發(fā)展歷程,是這些地區(qū)的深部地震地質(zhì)構(gòu)造、淺部波速結(jié)構(gòu)和物理屬性最直接的反映。
圖6 蘆山地震中地震波在地表的傳播過程(EW向分量)Fig.6 Wave propagation of ground motion in Lushan earthquake(EW component).
圖7 蘆山地震中地震波在地表的傳播過程(SN向分量)Fig.7 Wave propagation of ground motion in Lushan earthquake(NS component).
圖6~8是本次強地面運動數(shù)值模擬獲得的蘆山強烈地震的地震波速度3個方向分量的傳播過程,結(jié)果顯示,蘆山強烈地震的緩傾角逆斷層破裂引起的地震動在極震區(qū)范圍內(nèi)傳播持續(xù)時間大約30s,破裂自龍門以西北的深部開始,傳播到地表后首先到達寶盛—龍門及其周邊地區(qū),然后沿斷層走向向斷層兩端傳播,沒有表現(xiàn)出明顯的破裂方向性效應(yīng)(張勇等,2013)。在斷層上盤的高海拔基巖山區(qū),地震動衰減較快,而在斷層下盤,地震波在5s左右傳播到龍門一帶盆地區(qū)內(nèi),并在盆地內(nèi)出現(xiàn)強烈震蕩,6s左右到達上里盆地一帶,震蕩更加明顯,一直持續(xù)到10s以后,這是由于盆地邊緣陡峭地形的邊界反射作用引起的,也是導(dǎo)致地震波在下盤衰減較慢的主要原因之一。而地震烈度等值線向南的范圍明顯的大于向北范圍,也主要是因為南部山間盆地的局部放大作用所致。
基于蘆山震區(qū)的震害調(diào)查、地震地質(zhì)資料、震源反演和三維地殼結(jié)構(gòu),本文采用有限斷層模型對蘆山強烈地震的強地面運動進行了數(shù)值模擬及分析,得出結(jié)論如下:
(1)本次地震的緩傾角盲斷層引起的強地面運動峰值加速度、速度和位移特征與蘆山地震的實際震害分布較一致。斷層上盤的寶盛—龍門—蘆山以北地區(qū)位于極震區(qū),豎向地震動和NS向水平分量引起的地震動強度較大,強地面運動峰值加速度的豎向分量在龍門一帶達到340gal,與極震區(qū)IX的烈度相當(dāng),其瞬時位移可達110cm。
圖8 蘆山地震中地震波在地表的傳播過程(豎向分量)Fig.8 Wave propagation of ground motion in Lushan earthquake(UD component).
(2)強地面運動峰值分布的NS向分量分布表現(xiàn)出明顯的盆地效應(yīng)。在雅安以北的上里盆地雖然位于發(fā)震斷層下盤,但仍舊有強地震動的集中分布,這是由于深部構(gòu)造高陡峭地形及盆地內(nèi)部薄土層對地震波的放大效應(yīng)所致。
(3)蘆山地震地震波在地表的持續(xù)時間大約30s,其傳播過程也顯示,在斷層上盤的基巖區(qū),地震波衰減較快,而在斷層下盤的盆地內(nèi),地震波在6s至10s出現(xiàn)明顯的震蕩,這是盆地邊緣反射效應(yīng)的特征體現(xiàn)。
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