汶川地震孕震背景与同震变化的铲形断层位错模拟

张 希, 王庆良, 唐红涛, 贾 鹏

中国地震局第二监测中心, 陕西西安710054

汶川地震孕震背景与同震变化的铲形断层位错模拟

张 希, 王庆良, 唐红涛, 贾 鹏

中国地震局第二监测中心, 陕西西安710054

利用 1983—1997、1997(或 2007)—2008年跨龙门山断裂带长水准剖面观测资料, 借助纯逆断、铲形断层正负位错模型与网格搜索试错法, 模拟2008年5月12日四川省汶川县8.0级特大地震前闭锁背景与同震变化, 在一定程度上反映出龙门山中央断裂震前应变能积累、震时反弹的特性。

汶川大震; 长水准剖面; 铲形位错; 孕震背景

地质资料显示龙门山断裂带以逆冲为主(邓起东等, 2002; 强祖基等, 2009), 由后山、中央、山前主边界3条近似平行的铲形断裂构成(图1标示地表位置), 《汶川8.0级地震科学研究报告》(中国地震局监测预报司, 2008)横跨龙门山断裂人工地震剖面地质图显示地表以下 15～20 km处倾角变缓, 20～25 km为低速层, 其上方为脆性层。2008年5月12日发生了1900年以来首次8级以上地震, 地震错动基本体现在属于龙门山中央断裂的北川—映秀断裂和属于龙门山前主边界断裂的灌县—江油断裂上,尤其北川—映秀断裂错动显著, 地表破裂长(240多公里), 逆冲错动较占优势、兼一定程度右旋走滑(Dong et al., 2008; 董树文等, 2008; 魏乐军等, 2008;王卫民等, 2008; 张希等, 2010), 其中王卫民等(2008)借助双铲形断层模型、利用地震波资料反演了地震错动。中国地震局第二监测中心跨龙门山断裂带自绵竹至茂县, 布设有长水准剖面测线, 累计有30多个测点、垂直断层跨度近 60 km, 张四新等(2008)给出了1983—1987、1987—1997年两时段断裂两侧差异变化, 而本文中合并计算所得 1983—1997年即汶川震前达十多年之久的垂直形变结果(遗憾的是由于多种原因, 1997年后至汶川震前大多数站点未能复测), 更清晰地反映出震前长时间尺度上盘相对下盘显著隆升、断裂附近积聚能量的背景信息; 汶川震后, 第二监测中心会同第一监测中心观测到截止 2008年 10月的垂直形变资料, 基本反映汶川地震同震变化(中国地震局监测预报司, 2008)。本文利用1983—1997、1997(少量点2007年观测)—2008年这两个时段跨龙门山发震构造的垂直形变结果, 构建纯逆断、铲形断层位错模型, 对震前资料进行负位错模拟, 研究其可能揭示的应变积累闭锁的背景信息; 对同震变化资料则进行正位错模拟, 分析该剖面变形观测反映的地震错动特征,模拟结果在一定程度上反映出龙门山中央断裂震前能量积累闭锁、震时反弹的特性。

图1 汶川震区及断裂分布Fig.1 Wenchuan earthquake area and distribution of fractures

1 正、负位错模型原理与意义

Matsu’ura等(1986)的负位错模型认为受现今地壳运动驱动下的活动地块相对运动在地块边界处有可能受到阻碍或部分阻碍。假设边界下部的塑性区可自由滑动, 其上部的脆性区却因摩擦阻力等因素限制了这种相对运动从而导致应力应变积聚。即视块体边界区域的地表位移为块体(刚性假设)平移减去边界上部(用图2所示弹性均匀介质半空间矩形位错模拟, 见 Okada, 1985; 图 3是完全锁定的情况,见Matsu’ura等, 1986, 由图3来看, 越靠近断裂, 位移变化量逐减、呈“S”形特征)对块体相对运动的锁定或部分锁定在地表产生的位移, 以寻求由块体边界负位错变形体现的、可能与强震孕育有关的高应变能积累闭锁段的研究和预报意义(Matsu’ura等, 1986; 伍吉仓等, 2000; 张希等, 2003)。针对跨一条断裂的长水准剖面垂直形变资料, 其模型可以由一条断裂段及两侧块体构成。若测点(xi, yi)位于第j个块体内(j=1, 2), V0j为块体质心垂直运动位移或速率,那么由Matsu’ura负位错模型(Matsu’ura等, 1986; 张希等, 2004), 第i个测点垂直运动位移或速率可表示为:

图2 弹性均匀介质半空间矩形位错模型Fig.2 Rectangle dislocation model in half space of elastic symmetrical media

图3 负位错模型(完全锁定): 地表位移(左)为刚性块体运动(中)减去边界位错的锁定在地表产生的位移(右)Fig.3 Model for negative dislocation model (entirely locked): the ground surface displacement (left) is the difference between rigid block motion (center) and the ground surface displacement due to locking of boundary dislocation (right)

上式中左边第1、2项分别为观测与改正值; 右边为模型理论值, 其中第 2项的 U1, U2分别为锁定位错的走滑与倾滑分量;δ, L,W分别为断层倾角、长度、宽度(图 2); ϕ, ax,ay分别为断层走向(图2中局部坐标系X轴与全局坐标系正北向夹角)及上部起点(全局坐标系)水平坐标。一般情况下, 剖面垂直形变资料是相对下盘距断裂最远处站点的变化值, 可设定下盘地块垂直运动位移或速率值为零, 上盘地块垂直运动位移或速率值则取稍远离断层、变化相对稳定的站点观测值的均值(作为反演时初值, 若用试错法即取该值)。本文构建纯倾滑、铲形断层模型,由地表至深部每层1 km垂向深度的15～20个Okada矩形位错拼接而成, 最上层位错模型直达地表, 其它层位错模型的上界是其上一层模型的下界; 每层倾角不变, 但不同层倾角随深度变化, 即每层倾角值定义为该层中心点垂向深度的函数, 关系式为A(1－e-b/h)度, 这里的h为深度, A, b为待定参数。鉴于跨龙门山断裂剖面测点仅三十几个、一个方向变化值, 观测值数量偏少, 而层数较多势必导致较多待定参数, 故本文采用确定部分参数的网格搜索试错法模拟(有些参数如最上层起点水平坐标、每层相同的断层长度与走向、断层两侧块体运动量事先给定, A, b层数及倾滑量根据剖面变形情况在指定范围取等间隔点, 而其它层中点坐标、宽度、倾角则与A, b及层数有关, 对每一组参数计算观测值与理论值的差异, 尽可能搜索理论与实际观测曲线较为接近的参数值)。对同震变形资料也是如此, 假设其同震变化由铲形断层错动产生, 同样采用由地表至深部每层仅1 km的15～20个Okada矩形正位错拼接和网格搜索试错法计算。

2 汶川地震孕震背景与同震变化的铲形断层位错模拟

针对 1997—2008年反映同震变化(相对断裂北西侧即上盘最远处测点最高变化 4.71 m, 1983—1997年震前十多年尺度的变化最大仅二十几毫米,而我国西部地区不包含同震变形、10余年的垂直位移也不过十数至数十毫米量级（张希等, 2009）; 其中少量站点还观测于2007年, 故基本反映同震变化, 2008年《汶川8.0级地震科学研究报告》中也是将其作为汶川大震同震位移应用的跨断裂剖面垂向变形量, 构建纯逆断(走滑量为零)、前述铲形位错模拟地震错动。根据测点垂向变化差异情况, 董树文等(2008)、王卫民等(2008)、高锐等(2009)的地质调查结果确定断层轨迹: 因测线穿过断层, 可取相对上盘最远处变化量最大的测点、与其东侧距其最近的测点之间, 且位于实际断层即龙门山中央断裂上的点, 即(经纬度 104.4630°E, 31.8262°N, 位于北川附近)向北东和西南各延伸100 km与140 km; 走向取与正北向夹角219.1791°, 选取规则既要综合上述文献尽量与龙门山中央断裂正切、靠近青川与映秀,也须将距断裂线很近的几个测点根据其变化差异情况合理地分布在断裂线两侧, 最终结果见图4、图5与表 1, 反映的基本是龙门山中央断裂的错动特性;深度初定为15～20 km即15～20层; 根据4.71 m的最大变化量取位错量 4～8 m范围内, 经搜索试错,获得了较好的拟合效果, 所得深度为18 km, 倾滑量为5.6 m; 倾角随深度变化的关系式为88(1-e-9/h)度。进而, 在同震变化已计算的基础上进行震前资料的负位错模拟, 初定模型为18层即18 km深度(经试算后即使增加层数影响也很弱, 故最终确定为 18层),断层轨迹不变, 倾角与深度关系式中待定参数A, b可以调整; 为寻求不同深、浅处倾滑量的大体差异,允许在0～6 km、6～12 km、12～18 km不同深度变动。最终模拟结果见图6与表2, 其中, 倾角随深度变化关系式为 88(1－e-10/h)度, 与同震变形模拟结果非常接近(图 7, 表 3显示 18层倾角的平均差异仅2.6°、最大3.4°), 基本上反映的是同一条断裂的活动特征; 所得0～6 km深度倾滑量为23.5 mm、6～12 km深度倾滑量为13.6 mm, 相对显著; 而12～18 km深度倾滑量为7.0 mm, 明显减弱。

图4 水准测点分布及断层地表轨迹Fig.4 Distribution of leveling stations and fault track

图5 同震垂直形变(相对断层北西侧最远测点, 最高点位于断层以西)与正位错模型拟合效果对比(拟合中误差0.1m; 横坐标为测点相对断层垂向距离, 图6同)Fig.5 Co-seismic deformation (relative to the northwestern side of fault)and positive dislocation simulation result(Standard error is 0.1 m; horizontal coordinate is the vertical distance from fault)

表1 同震变形拟合效果对照表Table 1 A comparison of simulation effects of co-seismic deformations

图6 绵竹—茂县1983—1997年跨断裂水准剖面(相对四川盆地即断裂下盘最远处)变化及负位错拟合效果对比(均方差2.0 mm, 下盘地块垂向运动量设为0, 上盘地块垂向运动量为14.4 mm)Fig.6 Leveling section deformation crossing fault during 1983—1997 from Mianzhu to Maoxian (relative to lower side of fault, Sichuan basin)and negative dislocation simulation result(standard error is 2.0 mm)

综合图5、图6模拟结果, 虽然本文所用的, 不过是跨龙门山断裂带单剖面30多站点、一个方向的变化量, 只能在一种相对简化的前提下获得模拟结果, 鉴于龙门山断裂本身就是逆断层, 本文模拟结果已在一定程度上反映出龙门山中央断裂震前能量积累闭锁、震时反弹的特性。而由王卫民等(2008)文献中图4推算, 龙门山中央断裂在深度15.5 km以下明显变缓, 7.3 km深处倾角约65度、13.5 km深处倾角约50度; 本文图7所示倾角(实线与虚线平均值)在这两处分别为64.0和44.6度, 差异并不大, 模拟结果还是比较合理的。

3 结论

1983—2008年跨龙门山断裂带长水准剖面观测资料及铲形断层正、负位错模拟结果, 在一定程度上反映出龙门山中央断裂在汶川 8.0级大震前能量

积累、震时反弹的特性。如果按每年23.5 mm/14年(即1983—1997年)的闭锁位错量、5.6 m的地震位错量推算, 应变积累时间相当长(3000年以上)。

表2 震前变形拟合效果对照表Table 2 A comparison of simulation effects of deformations before the earthquake

图7 断层倾角与深度关系示意图Fig.7 Relationship between fault depth and dip angle

表3 正、负位错模型倾角对照表Table 3 A comparison of dip angles of positive and negative dislocation models

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The Simulation on Listric-fault Dislocation Background and Co-seismic Deformation of the Wenchuan Earthquake

ZHANG Xi, WANG Qing-liang, TANG Hong-tao, JIA Peng
Second Monitoring and Application Center, China Earthquake Administration, Xi’an, Shaanxi 710054

Using long-leveling section observation data crossing Longmenshan fault during the period of 1983-1997 and 1997 (or 2007)-2008, aided by positive and negative dislocation model of pure thrust and spade-fault, in combination with the method for grid-searching and testing, the authors simulated the locked energy background before the Wenchuan Ms8.0 great earthquake of Sichuan Province on 12 May, 2008 and its co-seismic deformation.The energy accumulation before this earthquake and co-seismic rebounding of Central Longmenshan fault are revealed to some extent.

Wenchuan great earthquake; long-leveling section; listric dislocation; occurrence background

P315.73; P315.727; P315.01

A

10.3975/cagsb.2011.02.07

本文由国家自然科学基金项目(编号: 40974062; 40974005)联合资助。

2010-11-09; 改回日期: 2010-12-14。责任编辑: 魏乐军。

张希, 女, 1967年生。研究员。主要从事地壳形变研究与地震预报工作。通讯地址: 710054, 陕西省西安市西影路316号。电话: 029-85506601。E-mail: zxivy@yahoo.com.cn。