汶川地震的发震构造与破裂机理

张培震 朱守彪 张竹琪 王庆良

1)中国地震局地质研究所，地震动力学国家重点实验室，北京 100029

2)中国地震局地壳应力研究所，北京 100085

3)中国地震局第二形变监测中心，西安 710054

0 引言

2008年5月12日，四川汶川发生8.0级特大地震。地震释放出的巨大能量引起强烈地面振动，诱发了数以万计的山崩、滑坡、塌方、泥石流等严重地质灾害，毁坏了交通、通讯等生命线系统，造成了巨大的经济损失和人员伤亡。同时，这次地震也是近年来发生在大陆内部的最大地震之一，对这次地震的深入研究有助于认识大陆内部逆冲型强震的破裂特征以及形变场的时空演化过程，丰富对大陆内部逆冲型强震破裂特征和发震机理方面的认识。

汶川地震揭示出诸多新的自然现象和科学问题也是有地震历史记载以来前所未见的。就地震发生机理而言，新现象揭示的新问题至少表现在两个方面:1)世界上绝大多数逆冲型8级以上强震主要发生在海洋板块边界的俯冲带上，或发生在大陆碰撞的低倾角(20°)逆冲推覆断裂带上。汶川地震地表破裂带在近地表的倾角为70°～80°，近震源处(15～19km)倾角为30°～40°，是有地震历史记载以来首次发生在大陆内部的高角度逆冲型8级强震。无论根据什么样的脆性破裂准则，高角度倾角的破裂面在垂直于挤压的方向上都不容易发生破裂。为什么在不容易发生破裂的断裂上发生了如此巨大的地震?2)世界上绝大多数8级以上逆冲型强震一般发生在滑动速率＞约20mm/a的大型断裂带上。控制汶川地震发生的龙门山断裂带的活动速率只有不到约 2mm/a(Zhang et al.，2004;Shen et al.，2005;Densemore et al.，2007;Burchfiel et al.，2008)，而震间变形主要发生在龙门山断裂带以西的川西高原。这种区域构造变形方式与汶川地震的孕育和发生有什么样的关系?基于对2008年汶川地震系统性科学考察和研究结果，利用有限单元数值模拟方法，本文对汶川地震的发震构造模式和破裂机理开展了深入研究，取得了一些研究成果。

1 汶川地震孕育和发生的多单元组合模式

在对2008年汶川地震系统性科学考察的基础上(徐锡伟等，2008;Li et al.，2009;Liu et al.，2009;Xu et al.，2009)，提出汶川地震孕育和发生的组合模式(张培震等，2009)，解释震前、震后的观测现象，深化汶川地震发生机理的认识。与单条断裂的孕震模式不同，汶川地震的孕育和发生涉及多个地质构造变形单元:在青藏高原向NE方向的推挤作用下，川西高原由于地壳介质软弱而发生强烈震前变形，构成孕震的变形单元;龙门山断裂带对川西高原传递过来的应力的响应是发生缓慢的震前变形和积累很高的应力，构成孕震的闭锁单元;四川盆地由于刚度大、不易变形而对川西高原和龙门山的向东扩展起着阻挡作用，构成孕震的支撑单元。这3个单元的共同作用导致了龙门山断裂带应力的高度积累和突发释放，形成了汶川特大地震，汶川地震的孕育和发生可以用多单元组合模型来理解。

在震前变形期间，作为变形单元的川西高原发生连续的右旋走滑、水平挤压和垂直隆升作用，除本身遭受应变和发生变形之外，还持续不断地将变形转换为应力而转移到龙门山断裂带(张培震等，2009)。龙门山断裂带由于本身的高强度和闭锁(Xu et al.，2008)，不发生或只发生缓慢的变形和运动，导致震前观测到的活动水平很低，但应力高度积累;当积累的应力超过断裂的摩擦强度时就突发破裂，形成长达340多km长的破裂带(余震带)，释放出巨大的能量，形成特大地震;地震产生的同震形变既有很大的垂直抬升，又有右旋水平走滑，还有一定的水平缩短;因此龙门山断裂带又是汶川地震的破裂单元。作为支撑单元的四川盆地一直起着阻挡作用，无论是震前还是震时都很稳定，是造成龙门山断裂带闭锁和高应力积累的必要条件。龙门山断裂带震前的构造变形图像和汶川地震同震变形的特征支持上述不同单元在震前和震时的不同变形状态。

2 汶川地震的发震构造与应变过程

多单元组合模型从大区域构造的角度揭示了汶川地震孕育和发生的宏观机理，但在断裂尺度上破裂是如何起始的，地震是如何最终形成的等问题仍然没有得到回答。

综合地表破裂野外调查(Liu et al.，2009;Xu et al.，2009)、地壳形变(Shen et al.，2010)、断裂围陷波反演(Li et al.，2009)、余震深度分布(Chen et al.，2009)和主震震源机制(Zhang et al.，2009)等观测结果，并结合龙门山山前和四川盆地的石油地球物理勘探资料分析，我们提出(Zhang et al.，2010)汶川地震发震断裂在深部12～13km以上的倾角可能为70°左右，向下逐渐变缓为30°～40°，并可能在20～23km深度以下汇入近水平的脆韧转换带或以塑性流变的方式延伸入中下地壳，是一种高角度铲型逆冲断裂(图1)。在青藏高原向东扩展所产生的近似纯剪切的应力状态下，无论何种脆性破裂准则都指示倾角30°～40°的破裂面最容易发生破裂。发生在深部缓倾角断裂段上的初始破裂能够导致浅部陡倾角断裂面库伦应力的增加，从而触发整个断裂的破裂形成巨大的汶川地震。

图1 汶川地震的发震构造模式图Fig.1 The seismogenic structure model of the Wenchuan earthquake.

汶川地震震前地壳形变的观测揭示，相对于四川盆地，川西高原的缩短速率大约5mm/a，而龙门山的平均缩短速率只有1mm/a左右，这表明整个龙门山断裂带在震前处于强闭锁的状态，地表上只能观测到很小的位移或应变(Zhang et al.，2010)。由于龙门山断裂是高角度铲型逆冲断裂，断裂上盘的闭锁宽度比较小，只有30km左右，但是其强度很大;而闭锁带以西，震前的变形强烈，具有很大的(约4mm/a)地壳缩短速率(图2 a)。水准测量揭示的垂直形变在闭锁带之上为一梯度带，闭锁带以西为高隆起区。低角度逆冲推覆带的震间地壳形变图像与高角度逆冲断裂带是不同的(Avouac，2003;Feldl et al.，2006)，以喜马拉雅地震带为例，大约2/3的地壳水平缩短发生在闭锁带的上盘，垂直隆升的梯度带同样位于闭锁带之上，但其幅度只有高原隆升速率的大约1/3(图2 b)。喜马拉雅地震带的地壳形变图像被称为“喜马拉雅模式”(Avouac，2003)，汶川地震的震前地壳形变图像和演化显然不同于低角度逆冲推覆的“喜马拉雅模式”，我们将其称为“龙门山模式”。

对于“龙门山模式”的地壳形变而言，龙门山断裂带的高摩擦强度和不易滑动的走向造成了震前的强烈闭锁，导致了慢应变但高应力积累，从而形成震前“滑动亏损带”。1987—1997年间跨龙门山的水准测量表明(Wang et al.，2009)，相对于成都基准点，映秀-北川断裂的垂直形变速率只有大约0.3mm/a，整个龙门山断裂带的垂直滑动速率也只有大约1mm/a(图3 a)。不仅证明了龙门山断裂带震前处于闭锁状态，而且形成了一个2～2.5mm/a的震前“滑动亏损带”(图3 a)。震前的微震活动主要发生在四川盆地西缘与龙门山交界地带和川西高原内部，但龙门山本身的微震活动相对稀疏，形成一个沿龙门山断裂带分布的“地震空区”(Zhang et al.，2010)。震后进行的水准复测清晰地揭示了，同震变形主要发生在震前“滑动亏损”的龙门山断裂带内(图3 b)。上盘的最大同震抬升达4.7m，下盘靠近断层处的下降达2.5m，最大同震位移可达7m左右。同震位移很好地“补偿”了震前闭锁形成的“滑动亏损”。

上述两方面的事实证明了龙门山断裂带在震前确实是一个强烈闭锁区，也是一个高能量积累区，具有潜在的强震危险。地震时的同震变形和能量释放主要沿震前的闭锁区——龙门山断裂带发生，补偿了震前的“滑动亏损”，填满了震前的“地震空区”。2008年汶川地震的孕震模式在垂直方向上符合地震孕育的“弹性回跳”理论。

图2 逆冲断裂震前地壳变形模式的示意图Fig.2 Schematic diagram of crustal deformation models on the thrust fault before earthquake.

图3 汶川地震前后的垂直形变Fig.3 Vertical deformation before and after the Wenchuan earthquake.

3 断裂不同倾角段的深部相互作用与汶川地震破裂

前面已专门论证了汶川地震的高角度铲型逆冲断裂模型，而垂直于区域挤压应力方向的高倾角龙门山断裂并不利于发生失稳破裂形成巨大地震，因为垂直与高倾角断裂的挤压缩短只会增加断裂面上的正应力而阻止滑动破裂(Scholz，1990，1998)。Zhang等(2010)提出发震断裂深部缓倾角段容易发生破裂，并有可能触发浅部陡倾角段发生大规模破裂而形成汶川地震。我们构建粘弹性有限单元模型来研究高角度铲型逆冲断裂产生的同震位移、应力变化和强震重复周期(Zhu et al.，2010，2012)。数值模拟的结果表明构建的模型能够很好地再现汶川地震同震变形的主要特征和一些活动习性，因而能够用来研究汶川地震发震断裂不同倾角段的相互作用(Zhu et al.，2010)。

模型的数值模拟结果清楚地显示铲型断裂的缓倾角段和陡倾角段具有不同的活动习性或破裂特性(图4)。在我们模拟的30万a的破裂历史中，发现3类代表地震破裂的突发位移事件:只发生在缓倾角段上的＜2m的小位移事件;发生在缓倾角段上3～6m位移的大位移事件;与大位移事件同时但只发生在陡倾角段上6～10m的主位移事件(图4)。陡倾角段的主位移事件与缓倾角段的大位移事件总是同时发生，缓倾角段上的小位移事件发生在两次主位移事件之间，陡倾角段上不发生大位移和小位移事件。我们认为同时发生的主位移和大位移事件代表2008年汶川地震这样的巨大地震。

位于12～13km深度以下的缓倾角段在2次大位移之间发生多次小位移事件。这些小位移事件可能是由断裂面上强度相对较弱的区面或高应力积累区面失稳破裂所产生的，在几何结构上可能相当于缓倾角断层面上的凸凹体。这些≤2m的位错事件相当于5～6级的中强地震，它们服从地震复发的“位移可预测模型”。缓倾角断裂面上背景(残余)摩擦应力可能是均匀的，当失稳破裂使得障碍体的残余应力降低到背景摩擦应力，破裂就会停止，导致整个缓倾角断裂面上的应力均匀化，以至于后续的应力可以在整个缓倾角段均匀积累。

当应力积累逐渐接近或达到整个缓倾角断裂面的摩擦强度时，失稳破裂就会发生在整个缓倾角断裂面上，从而形成大位移、释放大应力降、产生大地震。缓倾角断裂面的摩擦强度可能是一定的，只要积累的应力达到摩擦强度就发生失稳破裂。因此，缓倾角断裂面上的大位移事件服从“时间可预测”模型。缓倾角断裂段上的5m同震位移可在其上陡倾角段(70°)产生约9MPa的库伦应力变化。2008年汶川地震的平均应力降只要19MPa，5m同震位移产生的库伦应力完全有可能触发上部陡倾角段的破裂。

浅部陡倾角段只发生主位移事件，并且只与深部缓倾角段的大位移事件同步(图4)。这表明铲形发震断裂的陡倾角段由于其摩擦强度大，在震间加载过程中不发生中强地震的小破裂事件，但能够积累很大能量。陡倾角断裂段只有在应力积累达到其临界强度并受到下部缓倾角段破裂的触发时才发生失稳破裂，释放出巨大的能量，形成类似于2008年汶川地震那样大的破裂事件。由于陡倾角断裂段的破裂受到触发作用，因此既不遵从“位移可预测”模型，也不遵从“时间可预测”模型。

我们认为服从“位移可预测”的小位移事件是在震间加载过程中缓倾角段上应力不均匀释放的结果。深部缓倾角段的小位移事件对于大地震的孕育起着2个重要作用:一是通过产生同震库伦应力为上部的陡倾角段应力加载;二是使得缓倾角段上的应力均匀积累，当达到临界强度时，整个缓倾角段发生破裂，形成“服从时间可预测”的大位移事件。如果龙门山断裂带或汶川地震的孕育过程果真如此的话，震间发生的所有中强地震都应该位于深部缓倾角段上。我们研究了龙门山断裂带上有历史记载以来的所有中强地震，但只有1999年绵竹MS5.0地震能够利用现代地震学方法确定其震源深度和震源机制。Zhao等(2001)已经利用四川数值地震台网资料获得了其震源深度为(14±1)km，震源断层面解表明该事件是一次逆冲地震，地震断层倾角为35°左右。证明了这次中强地震果真发生在汶川地震断裂的缓倾角段上，是缓倾角段上一个区面突发破裂的结果。因此，汶川地震的孕育过程可能真的是发震断裂深部缓倾角段和浅部陡倾角段相互作用的结果。

图4 模拟计算得到的高角度铲形逆冲断裂的年滑动破裂历史Fig.4 The 25000-year slip and rupture history of a high-angle listric thrust fault calculated by simulation.

在青藏高原向SE扩展的水平挤压环境下，龙门山断裂的位置和铲型结构不利于滑动、破裂和产生大地震，因为近垂直于断裂面的水平挤压会增强正应力从而阻止地震的发生。为了理解高角度铲型逆冲的龙门山断裂是怎样发生滑动的，我们利用粘弹性有限单元模型研究深部低倾角断裂和浅部高倾角断裂面上的应力随时间的变化。

我们在浅部高倾角段上任选一点A，在深部低倾角段上任选一点B，将破裂起始之前的计算步长设为0点，分别考察这两点上正应力和剪应力在破裂发生期间随时间的演化过程。图5清楚地显示，深部缓倾角段上的B点在步长1时开始位移(图5 a)，而浅部高倾角段上A点在步长3时才开始启动(图5 b)。这一由深至浅的破裂顺序与汶川地震发震构造模型所预测的演化过程类似，破裂起始于17～18km深处的缓倾角段，向上传播并触发浅部高倾角段的破裂(Zhang et al.，2010;Zhu et al.，2010，2012)。从A和B点的位移历史来看，他们均经历了3个阶段的位移加速，分别在步长3～4、6～7、9～12时，但深部B点的总位移量约为5m，而浅部A点的总位移量约为8m(图5 a和5c)。A、B两点的主位移事件同步发生在步长9～12之间，B点位移了3.5m，而A点位移了7m。

图5 铲型逆冲断裂不同段落在破裂过程中的应力演化Fig.5 Stress field evolution of different segments of listric thrust fault in the rupture process.

仔细研究A和B点的应力演化历史可以发现，位移的加速或减速控制着正应力和剪应力的变化。首先，AB两点的位移加速均导致了其正应力的减小，特别是主位移发生时造成了最剧烈的正应力减小(图5 a和5c)。而位移的减速则使得正应力的降低变缓，甚至引起正应力的增加。其次，位移加速和减速与剪应力之间的关系则要复杂得多，还有待于进一步研究。B点的第1次位移加速对应着剪应力的大幅增加，但第2次加速却导致了剪应力的显著下降，主位移事件发生仅造成了剪应力的轻微下降(图5 b)。A点的前2次位移加速也对应着剪应力的增加，特别是第2次小的加速位移引起了39MPa的剪应力增加，但在主位移事件发生之前剪应力就大幅下降，主位移事件本身也伴随着小幅度的剪应力下降(图5 d)。不同深度和不同倾角断裂段上的应力演化过程表明，位移的加速导致了断裂面上正应力的减小，从而减小断裂的摩擦强度并造成主位移事件的发生;早期位移的加速往往造成断裂面上剪应力的增加，但对主位移事件而言，似乎正应力的下降就足以引起滑动和破裂的产生。因此，断裂面上位移加速导致的正应力下降是高角度铲型逆冲断裂发生破裂的重要原因。

4 结论

上述研究表明，在青藏高原总体向SE方向水平扩展的构造环境下，川西高原、龙门山和四川盆地岩石圈结构及性质的差异造成了它们在变形方式和应力积累上的差异，这3个单元的共同作用导致了龙门山断裂带应力的高度积累和突发释放，形成了汶川特大地震。龙门山断裂带具有高摩擦强度和高角度铲型逆冲结构，使得其不仅不易发生变形(但能积累很高的应力)形成震前的“滑动亏损带”，而且不易发生微破裂，以至于形成震前的“地震空区”。当应力积累超过龙门山断裂带的强度时，就突发破裂形成巨大地震，同震变形和能量释放主要发生在龙门山断裂带，补偿震前的“滑动亏损”、填满震前的“地震空区”。

汶川地震发震断裂——映秀-北川断裂的高角度铲型逆冲结构对于汶川地震的孕育和发生起着重要的控制作用，深部缓倾角段与浅部高倾角段的相互作用，不仅造成了高倾角段上应力的高度积累，还可能触发高倾角段的破裂，形成巨大地震。不同深度和不同倾角断裂段上的应力演化过程表明，缓倾角段的初始位移加速导致了断裂面上正应力的减小，从而减小断裂的摩擦强度并造成整个断裂上位移的发生，形成巨大地震。同时，早期位移的加速往往造成断裂面上剪应力的增加，进一步促进破裂的发生，但似乎正应力的下降就足以引起滑动和破裂的产生。因此，断裂面上位移加速导致的正应力下降是高角度铲型逆冲断裂发生破裂的重要原因。

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