連尉平，盧大偉，唐方頭，李 麗，胡 彬

（1.中國(guó)地震局地球物理研究所，北京 100081；2.地殼運(yùn)動(dòng)監(jiān)測(cè)工程研究中心，北京 100036）

0 引言

2008年汶川8.0級(jí)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(lái)首次發(fā)生在大陸內(nèi)部的陡傾角逆沖型8級(jí)以上強(qiáng)震［1］，其初始破裂為純逆沖型，之后整個(gè)斷層滑動(dòng)以逆沖為主、兼具右旋走滑分量［2－3］。

震后現(xiàn)場(chǎng)科考［4－5］和同震滑動(dòng)反演［6－7］顯示，汶川地震的逆沖滑動(dòng)分布沿?cái)鄬幼呦蛴休^大差異：映秀附近斷層底部有滑動(dòng)峰值區(qū)；虹口附近近地表逆沖滑動(dòng)量大；斷層中部有高滑動(dòng)量；小魚洞至擂鼓段逆沖滑動(dòng)主要分布在10km深度以上；擂鼓至北川附近地表逆沖滑動(dòng)量大；北川至南壩段逆沖滑動(dòng)變?。ㄒ妶D1和圖2）。這些差別有什么規(guī)律？沿?cái)鄬幼呦蚋鞫文鏇_滑動(dòng)是否有共同特征？目前沒(méi)有相關(guān)的研究。

本文通過(guò)整理依據(jù)同震位移反演的汶川地震同震破裂滑動(dòng)數(shù)據(jù)分析沿?cái)鄬幼呦蚋鞫文鏇_滑動(dòng)沿?cái)鄬由疃确植嫉墓餐卣鳎⒃O(shè)計(jì)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(dòng)分解Fig.1 Thrust slip decompositionl for each segments in Wenchuan earthgnake rupture zone

圖2 各段逆沖滑動(dòng)分布對(duì)比Fig.2 Comparison of thrust slip distributions among different segmenfs

1 汶川地震逆沖滑動(dòng)分解

汶川地震地表破裂沿?cái)鄬幼呦驈哪衔鞯奖睎|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(dòng)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(jiǎn)稱北川段）、北川至南壩段（以下簡(jiǎn)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(dòng)分布，由地表到深部。考慮到滑動(dòng)反演的空間分辨率，為了得到更清晰有效的信息，我們對(duì)每一段選取地表逆沖滑動(dòng)值＞5m的相鄰區(qū)塊的平均值作為本段逆沖滑動(dòng)值，得到映秀段、虹口段、北川段的逆沖滑動(dòng)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(dòng)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(dòng)量分布形態(tài)有一定相似，均出現(xiàn)了底部滑動(dòng)峰值和中部滑動(dòng)堆積。依據(jù)對(duì)稱和平滑的原則，我們對(duì)這三段的逆沖破裂滑動(dòng)量進(jìn)行簡(jiǎn)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(dòng)可以分解成三部分破裂滑動(dòng)的疊加：以深度17 km或18km為中心、滑動(dòng)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(dòng)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(dòng)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(tái)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(guò)程中的兩個(gè)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(duì)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(dòng)量后的映秀段、虹口段和北川段的主體滑動(dòng)和小魚洞擂鼓段、鄧家壩段的逆沖滑動(dòng)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(dòng)量要相對(duì)高一些，很可能是這里中部破裂范圍和滑動(dòng)量較大從而導(dǎo)致近地表的逆沖滑動(dòng)量有所增加。這個(gè)結(jié)果表明，剔除部分段落所受局部破裂的影響后，沿?cái)鄬幼呦驈挠承愕侥蠅谓?00km范圍內(nèi)，汶川地震逆沖滑動(dòng)沿?cái)鄬由疃鹊姆植季哂幸恢碌男螒B(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(jì)依據(jù)和說(shuō)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(diǎn)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(lái)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(lái)描述斷層，應(yīng)用帶狀態(tài)的庫(kù)倫摩擦模型［11－12］。摩擦本構(gòu)關(guān)系是：μ＝αμ0（閉鎖）；μ＝μ0（滑動(dòng)）。經(jīng)試驗(yàn)，取a＝1.05，通過(guò)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(duì)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(lái)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(shí)的滑動(dòng)分布形態(tài)。分別設(shè)計(jì)5個(gè)計(jì)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(dòng)分布。

圖4 不同擠壓縮短量下數(shù)值計(jì)算的滑動(dòng)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(dòng)分布的典型代表和數(shù)值計(jì)算得到的結(jié)果對(duì)比如圖4?？梢钥吹?，模型在擠壓加載縮短500m時(shí)的破裂滑動(dòng)分布和汶川地震滑動(dòng)分布完全一致；當(dāng)模型擠壓量減小到400m時(shí)近地表的滑動(dòng)量開始出現(xiàn)偏離；擠壓量增大到600m時(shí)斷層中部的滑動(dòng)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(dòng)量偏離，更高的擠壓導(dǎo)致更大的中部滑動(dòng)量偏離，已經(jīng)無(wú)法通過(guò)破裂釋放程度（μ0））的調(diào)整來(lái)得到和反演結(jié)果相近的滑動(dòng)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(shuō)明，在既定的斷層構(gòu)造和力學(xué)條件下，斷層的破裂滑動(dòng)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?cái)鄬幼呦驊?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(dòng)沿?cái)鄬由疃鹊姆植夹螒B(tài)也是一致的。而根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果，滑動(dòng)分布形態(tài)對(duì)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?cái)鄬幼呦驈挠承愕侥蠅卧诖怪庇跀鄬幼呦蚍较蛏纤惺艿臄D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(yǔ)

汶川地震中，映秀段、虹口段和北川段的逆沖滑動(dòng)量沿?cái)鄬由疃确植夹螒B(tài)雖然比較復(fù)雜，但也有一定的規(guī)律，總滑動(dòng)量可以分解成三個(gè)破裂的滑動(dòng)量疊加：以深度17km或18km為中心、滑動(dòng)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(dòng)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(dòng)高值區(qū)的斷層主體破裂。剔除局部破裂滑動(dòng)的影響后，沿?cái)鄬幼呦驈挠承愕侥蠅谓?00km范圍內(nèi)汶川地震逆沖破裂滑動(dòng)沿?cái)鄬由疃鹊姆植夹螒B(tài)是一致的。

基于滑動(dòng)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(dòng)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(dòng)分布形態(tài)一致的破裂滑動(dòng)。汶川地震各段逆沖破裂滑動(dòng)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?cái)鄬幼呦蚴窍嗨频模財(cái)鄬幼呦虻暮暧^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(dòng)分布的空間分辨率還比較有限，本文所用的分解方法簡(jiǎn)單有效?？紤]到逆沖滑動(dòng)量的分解可以有不同的角度和方法，結(jié)果也會(huì)有差異，未來(lái)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(duì)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(gè)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(zhǎng)度也是有限的，而平面應(yīng)變模型無(wú)法模擬有限長(zhǎng)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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