汶川地震震间与同震变形过程的有限单元法模拟研究

朱守彪

（中国地震局地壳应力研究所，北京 100085）

破坏力巨大的2008汶川大地震发生在现今断层滑移及变形速率均很小的龙门山断裂带上。该断裂带是一个具有高倾角、铲状的逆冲构造体系，在15 km以上具有高倾角（～70°），但在15km之下的倾角变缓，在30°～40°之间。研究中利用黏弹性有限单元方法对震间、同震变形过程及龙门山断裂带上的地震活动性进行了数值模拟。模拟中，首先通过反演震间的水准测量及GPS观测数据来得到最佳的震间数值模型，然后利用该模型来分析震间研究区域的物性结构、应力应变及能量的空间分布特征。

最佳模型计算结果显示：龙门山断裂带、青藏高原东部及四川盆地地区有其特殊的物性结构，青藏高原东部的下部地壳柔软，而四川盆地的整个地壳及上地幔都非常坚硬。震间变形主要发生于川西高原的中下地壳，其他区域（如地表）的变形较小。值得特别指出的是，震间弹性应变能密度在龙门山断裂带及附近地区积累的速度最快，但在坚硬的四川盆地及柔软的青藏高原下部地壳中积累的速度都非常低。这就初步解释了为什么汶川大地震发生在地表变形小的龙门山断裂带上的物理机制。模拟实验中，在最佳模型基础之上，继续对模型加载，断层就可以解锁而发生大地震。在对同震变形过程的模拟中发现，同震位错首先出现在下部缓倾角断层上。在同震过程中，无论是上部陡倾角断层面上，还是下部的缓倾角断面上，法向应力与剪切应力都发生着复杂的变化。其中剪切应力的变化量与汶川地震的应力降有可比性。模拟的同震累积位错清晰地显示，汶川地震的破裂发生在很小的窄带内，这与余震分布、GPS观测及其他地质、地球物理观测结果有一致性。

此外，模型计算了25万年来龙门山断裂带上的位错历程，结果表明，发生于缓倾角上的小地震事件服从位移可预测模型（slip-predictable）；而发生在缓倾角上的较大地震事件服从时间可预测模型（time-predictable）。但是发生在陡倾角上的像汶川地震这样的大地震事件不服从任何预测模型。