汶川MS8.0地震逆沖滑動沿斷層深度的分布特征及其數(shù)值模擬解釋①

連尉平，盧大偉，唐方頭，李 麗，胡 彬

（1.中國地震局地球物理研究所，北京 100081；2.地殼運(yùn)動監(jiān)測工程研究中心，北京 100036）

0 引言

2008年汶川8.0級地震發(fā)生在龍門山斷裂帶。汶川地震是有地震歷史記錄以來首次發(fā)生在大陸內(nèi)部的陡傾角逆沖型8級以上強(qiáng)震［1］，其初始破裂為純逆沖型，之后整個斷層滑動以逆沖為主、兼具右旋走滑分量［2－3］。

震后現(xiàn)場科考［4－5］和同震滑動反演［6－7］顯示，汶川地震的逆沖滑動分布沿斷層走向有較大差異：映秀附近斷層底部有滑動峰值區(qū)；虹口附近近地表逆沖滑動量大；斷層中部有高滑動量；小魚洞至擂鼓段逆沖滑動主要分布在10km深度以上；擂鼓至北川附近地表逆沖滑動量大；北川至南壩段逆沖滑動變小（見圖1和圖2）。這些差別有什么規(guī)律？沿斷層走向各段逆沖滑動是否有共同特征？目前沒有相關(guān)的研究。

本文通過整理依據(jù)同震位移反演的汶川地震同震破裂滑動數(shù)據(jù)分析沿斷層走向各段逆沖滑動沿斷層深度分布的共同特征，并設(shè)計有限元模型初步探討分布特征形成的原因。

圖1 汶川地震破裂各段的逆沖滑動分解Fig.1 Thrust slip decompositionl for each segments in Wenchuan earthgnake rupture zone

圖2 各段逆沖滑動分布對比Fig.2 Comparison of thrust slip distributions among different segmenfs

1 汶川地震逆沖滑動分解

汶川地震地表破裂沿斷層走向從南西到北東一般分為映秀至虹口段、小魚洞至擂鼓段、擂鼓至南壩段、南壩至青川段［4－5］。依據(jù)地表破裂和同震破裂滑動的差異［5－6］，本文進(jìn)一步把映秀至虹口段細(xì)分為映秀段和虹口段，擂鼓至南壩段細(xì)分為擂鼓至北川段（以下簡稱北川段）、北川至南壩段（以下簡稱鄧家壩段）。南壩至青川段逆沖分量小，不在本文討論范圍內(nèi)。

文獻(xiàn)［6］按照約4km×4km的區(qū)塊給出了汶川地震同震滑動分布，由地表到深部。考慮到滑動反演的空間分辨率，為了得到更清晰有效的信息，我們對每一段選取地表逆沖滑動值＞5m的相鄰區(qū)塊的平均值作為本段逆沖滑動值，得到映秀段、虹口段、北川段的逆沖滑動量隨深度分布如圖1陰影所示；小魚洞擂鼓段和鄧家壩段的逆沖滑動量隨深度分布如圖2。

可以看到，映秀段、虹口段、北川段的逆沖滑動量分布形態(tài)有一定相似，均出現(xiàn)了底部滑動峰值和中部滑動堆積。依據(jù)對稱和平滑的原則，我們對這三段的逆沖破裂滑動量進(jìn)行簡單分解，結(jié)果如圖1。

分解結(jié)果顯示，映秀段、虹口段、北川段的逆沖滑動可以分解成三部分破裂滑動的疊加：以深度17 km或18km為中心、滑動分布在上下1km范圍內(nèi)的斷層底部破裂；以深度11km為中心、滑動分布在上下5km范圍內(nèi)的斷層中部破裂；和以近地表為滑動峰值區(qū)的斷層主體破裂。

映秀段和虹口段位于汶川地震初始震源附近，汶川地震的初始逆沖破裂深度主要有臺網(wǎng)中心給出的14km和USGS給出的19km［8］，正好和分解后的底部和中部逆沖破裂位置相近。虹口段和北川段位于前山斷裂和中央斷裂共震段落的兩端，是汶川地震破裂過程中的兩個主要阻礙［7］。因此可以認(rèn)為，分解出的底部和中部逆沖破裂很可能對應(yīng)著斷層相應(yīng)段落的局部破裂能量蓄積區(qū)域。

圖2顯示，扣除分別以17～18km和11km深度為中心的局部峰值滑動量后的映秀段、虹口段和北川段的主體滑動和小魚洞擂鼓段、鄧家壩段的逆沖滑動隨深度的分布形態(tài)基本一致。虹口段和北川段近地表2km范圍內(nèi)的滑動量要相對高一些，很可能是這里中部破裂范圍和滑動量較大從而導(dǎo)致近地表的逆沖滑動量有所增加。這個結(jié)果表明，剔除部分段落所受局部破裂的影響后，沿斷層走向從映秀到南壩近200km范圍內(nèi)，汶川地震逆沖滑動沿斷層深度的分布具有一致的形態(tài)特征。

2 有限元模擬和分析

為探討分布特征的形成原因，本文參照文獻(xiàn)［6］的幾何模型建立平面應(yīng)變有限元數(shù)值模型。模型的幾何參數(shù)和邊界約束等如圖3所示，設(shè)計依據(jù)和說明如下。

圖3 龍門山斷裂中段深部構(gòu)造剖面有限元幾何模型Fig.3 Geometry of the profile in the middle segment of the Longmenshan fault zone used for the finite element model

（1）本模型和文獻(xiàn)［6］幾何模型的區(qū)別是，斷層深度16km以上部分本文用兩端點帶切向角度（分別代表斷層的近地表傾角和基底傾角）的樣條曲線來刻畫龍門山斷層近地表陡傾角上陡下緩傾角漸變的特征［9］，根據(jù)資料［5，10］近地表傾角設(shè)為75°。

（2）引入帶非線性摩擦機(jī)制的接觸單元來描述斷層，應(yīng)用帶狀態(tài)的庫倫摩擦模型［11－12］。摩擦本構(gòu)關(guān)系是：μ＝αμ0（閉鎖）；μ＝μ0（滑動）。經(jīng)試驗，取a＝1.05，通過μ0控制斷層行為。

（3）龍門山地區(qū)地殼厚度40km以上，是具有較高強(qiáng)度的變質(zhì)雜巖體，因此把模型的深度設(shè)為40 km，控制在中上地殼范圍內(nèi)，巖體材料保持為彈性。參考龍門山地區(qū)地球物理資料［9，13］，具體介質(zhì)參數(shù)設(shè)為：楊氏模量7×104MPa；密度2.7×103kg／m3；泊松比0.2；重力加速度取9.8m／s2。

（4）巴彥喀拉塊體對斷裂帶的擠壓用模型南東側(cè)水平向固定、北西側(cè)水平擠壓加載使模型縮短來描述。

本文模型不探討破裂如何觸發(fā)，只是研究斷層在不同擠壓環(huán)境下破裂時的滑動分布形態(tài)。分別設(shè)計5個計算模型，先保持?jǐn)鄬渔i閉（設(shè)置μ0＝1），擠壓加載使模型分別縮短300m、400m、500m、600m和700m，保持加載并降低斷層μ0到合適值使其破裂，從而得到不同擠壓強(qiáng)度下的不同破裂釋放程度（不同μ0）的滑動分布。

圖4 不同擠壓縮短量下數(shù)值計算的滑動分布Fig.4 Slip distribution with different pressure shorten values from numerical simulations

以小魚洞擂鼓段為汶川地震滑動分布的典型代表和數(shù)值計算得到的結(jié)果對比如圖4?？梢钥吹?，模型在擠壓加載縮短500m時的破裂滑動分布和汶川地震滑動分布完全一致；當(dāng)模型擠壓量減小到400m時近地表的滑動量開始出現(xiàn)偏離；擠壓量增大到600m時斷層中部的滑動量開始出現(xiàn)偏離。更高和更低擠壓量的結(jié)果見圖5，可以看到，更低的擠壓導(dǎo)致更大的近地表滑動量偏離，更高的擠壓導(dǎo)致更大的中部滑動量偏離，已經(jīng)無法通過破裂釋放程度（μ0））的調(diào)整來得到和反演結(jié)果相近的滑動分布形態(tài)。

擠壓縮短量代表模型中斷層所受擠壓的強(qiáng)度，模擬結(jié)果說明，在既定的斷層構(gòu)造和力學(xué)條件下，斷層的破裂滑動分布形態(tài)由斷層所受的擠壓強(qiáng)度所決定。

北川映秀斷裂從映秀到南壩，汶川地震地表破裂形式基本一致，破裂的近地表傾角相近［4－5］，結(jié)合其他已有資料和研究［9，13］可以認(rèn)為，斷層剖面構(gòu)造沿斷層走向應(yīng)該是相似的。另一方面，經(jīng)分解后，從映秀到南壩汶川地震逆沖滑動沿斷層深度的分布形態(tài)也是一致的。而根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果，滑動分布形態(tài)對應(yīng)著斷層所承受的擠壓強(qiáng)度。因此可以認(rèn)為，北川映秀斷裂沿斷層走向從映秀到南壩在垂直于斷層走向方向上所承受的擠壓強(qiáng)度很可能是基本相同的。

圖5 更高和更低擠壓強(qiáng)度的模擬結(jié)果Fig.5 Simulation results under stronger and weaker push

3 結(jié)語

汶川地震中，映秀段、虹口段和北川段的逆沖滑動量沿斷層深度分布形態(tài)雖然比較復(fù)雜，但也有一定的規(guī)律，總滑動量可以分解成三個破裂的滑動量疊加：以深度17km或18km為中心、滑動量分布在上下1km范圍內(nèi)的斷層底部破裂；以深度11km為中心、滑動量分布在上下5km范圍內(nèi)的斷層中部破裂；以近地表為滑動高值區(qū)的斷層主體破裂。剔除局部破裂滑動的影響后，沿斷層走向從映秀到南壩近200km范圍內(nèi)汶川地震逆沖破裂滑動沿斷層深度的分布形態(tài)是一致的。

基于滑動反演幾何模型的有限元模擬結(jié)果表明，在既定的斷層構(gòu)造和擠壓條件下，斷層的破裂滑動分布形態(tài)和斷層所受的擠壓強(qiáng)度緊密相關(guān)。在合適的擠壓強(qiáng)度和破裂釋放程度下，斷層在巴彥喀拉塊體的南東向擠壓下可以出現(xiàn)和汶川地震滑動分布形態(tài)一致的破裂滑動。汶川地震各段逆沖破裂滑動隨深度分布的形態(tài)特征比較一致，很可能源于斷層淺部構(gòu)造沿斷層走向是相似的，沿斷層走向的宏觀力學(xué)環(huán)境也一致：巴彥喀拉塊體的南東向擠壓，擠壓強(qiáng)度也基本相同。

由于目前汶川地震反演滑動分布的空間分辨率還比較有限，本文所用的分解方法簡單有效?？紤]到逆沖滑動量的分解可以有不同的角度和方法，結(jié)果也會有差異，未來可結(jié)合震源或破裂的新成果或更多的構(gòu)造信息做進(jìn)一步的探討。對于映秀、虹口、北川等段落的底部和中部局部破裂及可能的形成原因，本文模型討論不了，有待進(jìn)一步研究。另外，龍門山斷裂帶是復(fù)雜的三維構(gòu)造，只是基于目前已有的認(rèn)知還難以構(gòu)造可以取得比平面應(yīng)變更有效結(jié)果的三維模型，而平面應(yīng)變可以有效的模擬沿某一個維度有共性的三維力學(xué)行為，因此用于構(gòu)建本文的模型。但是龍門山斷裂帶淺部構(gòu)造沿走向可能有復(fù)雜性，沿走向有共性的長度也是有限的，而平面應(yīng)變模型無法模擬有限長度下的端部效應(yīng)，這些是平面應(yīng)變結(jié)果的局限性，需要在應(yīng)用中注意。

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