汶川MS8.0地震震前近震源区地壳形变机制探究*

李 媛 牛安福 刘希康 赵 静 曹景鹏

1) 中国天津300180中国地震局第一监测中心 2) 中国北京100045中国地震台网中心 >3) 中国北京100036中国地震局地震预测研究所



汶川MS8.0地震震前近震源区地壳形变机制探究*

1) 中国天津300180中国地震局第一监测中心 2) 中国北京100045中国地震台网中心 >3) 中国北京100036中国地震局地震预测研究所

多种形变资料表明， 汶川地震震前越靠近震源区， 其形变特征越不明显， 且在近震源区震前呈现短期平静状态． 为研究这种小变形现象的深部动力学因素及形变机制， 本文基于成都地区1996—2007年13期重复重力观测数据， 经平差处理后进行密度的三维反演， 得到了汶川地震近震源区震前10年的地壳深部密度变化水平向和垂直向的时空分布特征． 结果表明： 密度变化在空间上呈有序分布， 主要集中在龙门山断裂带及其附近区域， 且深部变化幅度显著大于浅部， 表明近震源区断裂带深部活动较为显著； 从时间上来看， 密度变化速率并不均衡， 在震前3—8年介质密度变化剧烈， 而在震前短期变化却不明显． 根据震前形变特征和不同深度密度变化的动态演化过程， 本文认为龙门山断裂带的地壳分层运动， 导致了浅层地壳的小形变和深部显著的密度变化． 此外， 根据该断裂带及其附近地区的密度变化特征， 本文选取和改进了适合汶川地震的孕震模型， 即改进的组合-硬化模型， 将动力学过程与孕育机制结合起来， 以期对汶川地震震前近震源区的形变机制作出合理解释．

地壳形变机制 汶川MS8.0地震 近震源区 密度动态变化 三维反演

引言

2008年5月12日汶川MS8.0地震是我国近年来发生的灾难最为严重的地震之一， 其强烈程度和破坏程度均为世界罕见． 大地震的孕育与发生， 是地壳运动剧烈的一种表现形式． 但根据震前GPS计算结果显示， 横跨整个龙门山断裂带的滑动速率小于2 mm/a， 单条断裂的活动速率小于1 mm/a， 其活动性并不明显(张培震等， 2008； 吴建平等， 2009)， 且汶川地震前在震中及附近地区丰富的连续形变观测、 GPS观测和跨断层等资料分析(沈正康等， 2003； 江在森等， 2009； 张立成等， 2009； 牛安福等， 2012)所显示的现象与经验性理解相悖： 越靠近震中位置的异常变化反而越不明显， 且在震前短期无明显的形变异常现象， 相对来说， 震前中长期形变比震前短期形变要明显． 同时， 根据1976年唐山MS7.8、 1989年洛马普列塔MS7.1和2004年帕克菲尔德MW6.0等地震震前形变前兆研究(Lindeetal， 1992； 薄万举， 华彩虹， 2001； Bilham， 2005)表明， 这一现象具有一定普遍性．

震前在近震源区形变不明显但如此大的地震却发生了， 像这种形变小但处于活动状态的现象令人匪夷所思. 但是， 鉴于地震的孕育与发生是深部物质与能量的交换和其深层动力过程的产物， 而地表过程仅是深层过程在某种程度上的间接表征或影响(滕吉文等， 2008)， 未必能真实地反映出深层过程， 因此产生这种震前小形变特征也就不难理解． 由于介质密度变化是地壳形变最直观的反应， 因此我们希望探究近震源区深部地壳介质的密度是否发生显著改变， 并依此来研究龙门山断裂带及其邻区地壳密度动态变化过程， 这对于揭示和认识汶川地震的孕震过程和动力学过程具有重要意义， 乃至对大地震的预测研究工作也具有积极意义．

地震从孕育到发生是一个应力逐渐积累到突然释放的过程． 在地震孕育过程中， 随着地壳构造活动的增强， 震源区应力的不断增加， 地壳内部物质发生迁移， 使得地壳内部密度和地表重力值发生变化(祝意青等， 2009)， 因此震前重力场的变化在一定程度上可以反映并用来研究地震孕育期地壳形变、 介质密度变化和质量迁移等． 目前， 应用重力场资料对地下物质密度变化进行反演的研究已逐渐趋于成熟， 由原来采用二维反演(申重阳等， 2000， 2001， 2003)已逐渐发展到三维反演(Montesinosetal， 2005； 柯小平等， 2009； 玄松柏等， 2008， 2013)． 早在20世纪60年代， 龙门山断裂带附近已经开始了流动重力观测， 汶川地震发生前已进行了多期重复重力观测(李媛等， 2015)．

本文利用1996—2007年13期地表重力观测数据反演地下三维密度， 探究汶川地震近震源区震前地下物质密度的演化特征和地下构造活动． 根据不同深度的密度变化特征选取合适的动力学模型和孕震机制， 进而尝试对震前的形变特征及其机制作出合理解释．

1 震前地壳密度变化反演

1.1 重力数据处理

本文选取龙门山地区重力网1996—2007年13期流动重力数据反演地壳深部物质密度． 该重力网台站分布如图1所示. 该区域主要包括龙门山断裂带中南段． 对重力数据处理主要包括： ① 消除其它因素对重力的影响， 求出不规则各测点1997—2007年相对1996年累积动态变化的重力场； ② 对离散点进行网格化处理， 得到0.1°×0.1°网格数据； ③ 通过滤波处理， 消除测量误差和浅表质量变化所产生的短波干扰(徐云马等， 2008； 祝意青等， 2008)， 得到用于反演计算的重力场数据．

图1 龙门山地区重力台站及断裂带分布(引自李媛等， 2015) Fig.1 Distribution of gravity stations and fault zones in Longmenshan area (after Li et al， 2015)

影响重力变化的因素主要是高程变化、 地下水及降水、 测点地下介质密度变化以及地下质量迁移等(吴雪芳等， 1992)． 利用测量的重力数据反演地下深部密度之前， 需扣除除介质密度变化外的其它影响因素所造成的重力变化， 即高程因素和水文因素．

相对而言， 地面升降所引起的重力效应是可以定量估算的. 李媛等(2015)对四川地区1999—2007年的GPS垂直分量数据插值拟合得到了各个测点的垂向运动速率, 由此计算出数年的高程变化． 为定量消除各点因高程变化和相应的层间质量所引起的重力效应， 需作空间校正和层间校正， 即

δg=-0.3086Δh+2πgρΔh=-0.3086vn+0.1119vn=-0.1967vn,

(1)

式中： Δh为高程变化量；v为垂直向运动速度；ρ为地壳密度， 通常取ρ=2.67 g/cm3；n为年数.

然而， 因气象数据等的缺乏， 降水和地下水变化所造成的重力效应却不宜定量估算， 所以我们只能进行一些简单分析． 为减小季节性差异， 观测时间多选在每年的4—7月． 经多个井水位的观察和分析表明， 水文的年变化并不大． 以安县和小金井为例(图2a, b)， 其年变趋势非常小， 尽管整体变化趋势是上升的， 但10年间的最大上升量也未达到25 cm． 德阳市是四川地区少有的井水位变化比较大的地区， 因缺少前期数据， 故本文对其进行分段分析： 2002—2008年的井水位升幅显示(图2c)， 其每年测量月份的井水位升幅(黑点所标示位置)最大也不超过50 cm； 1996—2002年的测量月份集中在4月和5月， 由于该时段抽水及降水量少(高东东等， 2012)等原因， 导致该时段的水位升幅非常小， 所以即使在水位变化较大的德阳地区， 测量期间的地下水变化也较小． 因此， 可以认为该地区地下水位的年变化不到0.5 m． 何志堂等(2010)研究认为， 埋深25 m的测点地下水变化与其重力变化之间具有较为密切的关系， 且基本上呈线性关系． 在一定变化范围内， 地下水变化1 m对重力的影响估值为(1.4—1.5)×10-6m/s2． 由此可以估算， 龙门山地区由地下水位和降水所引起的重力变化小于0.8×10-6m/s2， 与观测到的变化量相比相差甚远．

图2 龙门山断裂带附近小金07井(a)、 安县09井(b)井水位及德阳08井井水位升幅变化(c)

综上， 对除密度以外的其它重力影响因素的消除， 目前只能定量消除各点因高程变化和层间质量所引起的重力效应. 考虑到水文影响因素较小， 故在数据处理中暂忽略水文变化所产生的重力效应．

1.2 密度变化的重力反演

重力反演是将观察到的重力场数据映射到物理初始模型， 求解得到场源模型参数(场源密度)的过程． 其基本原理是将地下空间划分为大小固定， 空间位置已知的多层、 多块网格状地块单元， 建立重力观测场与地下场源物性参数的线性函数， 通过阻尼最小二乘法求得光滑解(李媛等， 2015)．

图3 2002年相对于1996年地壳物质密度变化切片 Fig.3 Slices of density changes of crustal material in the year 2001 relative to that in 1996

为避免由于噪声干扰产生多余构造信息而导致模型过于复杂， 采用奥卡姆最小构造反演法(刘天佑， 2007)； 为克服重力场反演的深度衰减效应， 将目标函数进行深度加权(Li， Oldenburg， 1996， 1998)； 为缩小参数空间范围， 减少其多解性以及改善迭代过程中的收敛性， 对目标函数施加密度约束条件(刘天佑， 2007)， 如ma

针对每期重力变化， 利用上述反演方法不断调整参数， 试算地壳深部5—65 km深度的密度变化， 得出2002年相对于1996年的三维密度变化图像， 如图3所示． 为更好地反映密度变化趋势与深度的关系， 本文分析了所选区域内多个地点密度变化随深度变化的关系， 结果显示各地点密度变化趋势基本一致. 以点(31°N， 104°E)为例(图4)， 可以看出， 在一定深度范围内， 随着深度增加， 密度变化量增大， 在莫霍面附近(40—50 km)变化量最大. 该结果与莫霍面处物质扰动相对应， 之后密度变化幅度不再随深度变化．

图4 (31°N， 104°E)处密度变化随深度变化曲线 Fig.4 The curve of density variation with depth at the point (31°N， 104°E)

1.3 密度变化结果与分析

考虑到如下两方面： ① 中国地震局汶川地震科学考察队利用川西流动宽频带地震台阵记录到的近场地震波确定2008年汶川MS8.0地震震源深度为(18.66±0.49) km； ② 下地壳物质迁移过程所引起的密度变化是观测到重力场变化的主要原因， 其等效压缩质源深度为20—40 km(陈石等， 2011)， 因此本文选择15—25 km深度的密度变化对揭示震源体变化过程更有参考意义， 由此计算出15 km， 20 km和25 km深度处的密度变化范围约为-60—60 kg/m3.

图5给出了1997—2007年各年份相对于1996年地下深度分别为25 km(左)、 20 km(中)和15 km(右)的密度累积变化切片． 根据图像的变化特征， 为便于分析， 将时间序列大致分为1997—1999， 1999—2002， 2002—2005和2005—2007等4个时段． 根据密度变化幅值、 时间序列以及空间分布等方面， 可初步得出以下分析结果：

1) 从时间序列分布来看， 不同时间段内地壳介质密度的变化速率不均衡． 显然， 在震前中长期的密度变化较为显著， 而在震前短期(1—2年)地壳介质密度变化反而比较平静． 整体来看， 在汶川地震前10年孕育期， 介质密度动态变化具有明显的阶段性特征： 平稳小幅增加阶段(1997—1999年)—剧烈波动增加阶段(1999—2002年)—缓慢波动阶段(2002—2005年)—平稳小幅减小阶段(2005—2007年)． 各阶段密度变化较具体动态为： ① 1997—1999年的密度变化非常小且比较平稳， 以25 km深度变化较大的北川中部为例， 3年间密度增加幅值不到10 kg/m3, 该时段应力水平还不是很高； ② 1999—2002年的密度变化比较剧烈且波动大， 剧烈波动增加的阶段体现为区域密度呈正密度加速增大(1999—2000年)—负密度加速增大(2000—2001年)—正密度小幅增大(2001—2002年)的波动性过程， 密度变化剧烈的区域多分布在龙门山断裂带及其西侧的川西高原； ③ 2002—2005年的密度变化尽管比较缓慢， 但在龙门山断裂带上的变化却很明显， 由原来的正负密度变化区沿断层相间分布转为正密度变化区沿断层而负密度变化区居断层两侧的分布态势， 即呈现出沿断层分布的密度梯度带， 且密度变化剧烈区域更加趋近于断裂带， 由2002—2005年的密度变化可以看出， 汶川—成都一带既是密度变化剧烈带， 也是正负密度变化区域的分界线； ④ 2005—2007年的震前平稳变化阶段， 该阶段构造活动较弱， 但密度的小幅减小表明地壳岩石开始微破裂膨胀．

对映秀和北川两个极震区分析可以得出， 映秀地区密度变化的时序分布为： 1996—1999年密度呈平稳变化， 1999—2001年密度迅速转为正值变化， 2001—2005年密度变化呈波动性增加， 2005—2007年密度变化很小； 北川地区的密度变化整体呈现出平稳变化(1996—2000年)—加速增大(2001—2004年)—平稳变化(2004—2005年)的过程． 由此表明汶川地区密度变化趋势清晰地反映了汶川地震前期震源区的深部物理演化过程．

2) 从空间分布来看， 整个地区的密度变化分布不均匀． 显著的密度变化多分布于龙门山断裂带及其附近地区， 这可以由祝意青等(2009)和张季生等(2009)的研究结果来解释， 即龙门山断裂带附近， 布格重力异常图和地壳等厚度图上均表现为梯度陡变带． 此外， 密度场变化在空间整体分布上由比较散乱的正负分布状态逐渐趋于有序和相对集中. 密度聚集区主要集中在北川、 茂县、 汶川—映秀和绵竹地区， 分布于龙门山断裂带及其附近地区， 反映了大震前区域构造活动增强和局部应力集中现象. 与大震前的其它形变特征一样， 汶川地震前的密度场也具有场熵值减小(吴翼麟等， 1993)的现象， 表明龙门山断裂带及其附近区域是物质迁移和构造变形差异运动强烈的地带．

3) 从纵向分布来看， 密度变化趋势在深度上基本是一致的， 并且在一定深度范围内， 密度变化幅值随深度增加而增大， 表明地壳深部活动比浅部强． 重点是， 汶川地震震前短期的地壳密度变化呈现平静期， 断层活动较小， 而且在浅部的构造活动比较弱， 这就不难解释“汶川地震震前短期观测到的形变异常不明显”这一现象． 因此， 汶川地震的孕育与发生应该从深部去研究．

2 震前形变机制探讨

地壳密度场的时空动态变化能够较直观地反映深部物质运移和地壳构造活动信息， 与地震的形成和发展有着内在联系． 研究地壳密度场的时空演化特征可为进一步探讨现今地壳构造与强震孕育、 发生的相互关系提供一定依据． 从上述反演结果及分析中我们认识到， 关于震前形变研究不能仅限于地壳浅部现象， 而更应该关注其深部的形变活动机制． 地壳物质密度变化与形变的关系为形变机制和孕震动力学研究提供了一种特殊的研究途径， 即根据震前地壳物质密度动态演化过程来选取最适合汶川地震孕育的动力学过程和孕震模型， 进而对该地震震前的形变机制作出一定解释． 对汶川地震震前形变机制较全面的认识应该从多个角度出发， 本文从大时间尺度的孕震动力学与小时间尺度的孕震机制两方面结合进行研究．

2.1 汶川地震孕震动力学过程对震前形变机制的解释

应力和物质在震源体附近逐渐积累， 达到一定程度后， 深部震源体岩石开始破裂并沿断裂带由深入浅破裂． 根据滕吉文等(2008)的汶川强烈地震的形成模型， 并结合地壳物质密度的时空分布特征(图5)， 得到了汶川地震孕震过程中的物质运移情况， 如图6所示． 根据汶川地震近震源区地壳介质密度的垂向变化及空间分布特征显示： 在地壳浅层(0—15 km), 物质迁移活动较弱， 地壳深部的构造活动明显强于浅部； 龙门山断裂带附近物质迁移较强； 川西高原密度变化较大． 以上特点均在图6所示的物质运移模型中得到印证． 据此认为， 能够合理解释汶川地震震前的浅层小形变特征和深部密度变化较显著特征的动力学过程， 可能是由于上地壳和下地壳不处于统一的匹配力源体系上(陈祖安等， 2009). 上、 下地壳运动不一致导致各深度地壳分层运动显著．

图6 汶川地震形成和深部物质运移模型(改编自滕吉文等， 2008) Fig.6 The model for the generation of Wenchuan earthquake and migration of deep material (revised by Teng et al， 2008)

根据图6对汶川地震的孕震动力学过程可解释为： 在印度板块向四川地块挤压的大环境下， 深部物质向东南向流动， 上地壳地块与低速层(地下10—15 km处)发生拆离， 上地壳物质缓慢向四川地块运移， 因在地下0—10 km深度龙门山地块为高速体(高密度、 高波速的冷物质)， 不易变形， 在遇到坚硬四川地块的阻挡以及上部物质的重力作用下， 与四川地块形成僵持对峙格局， 故地表浅层物质并未能产生大规模横向运动． 而深部中下地壳和上地幔盖层物质在大环境的“逼迫”下， 以低速层和上地幔软流层为物质运移通道和上下边界(滕吉文等， 2008)， 向四川地块前进. 当龙门山地块(30—65 km为低速层)遇到坚硬的四川地块阻挡后转为向上逆冲， 产生推覆剪切作用， 造成龙门山断裂带上部震源附近物质逐渐积累， 应力也不断积累， 到一定程度后， 震源附近岩石开始微破裂、 膨胀， 直到最后完全破裂． 1996—2005年密度变化呈波动性增加的特征表明该时段物质是不断积累的， 并且龙门山断裂带及其附近地区因上部物质的重力作用， 深部地壳介质密度变化较浅部大． 2005—2007年密度的小幅度下降表明岩石已经产生微破裂， 发生膨胀导致密度下降． 由此可以看出， 该模型所揭示的上、 下地壳的运动过程与本文反演所得到的结果相符合．

由上述分析可以得出， 汶川大地震震前短期的平静现象和近震源区浅部的小形变现象是特定的深部构造活动和多元的深层过程所造成的． 尽管可以用上述模型大体解释汶川地震孕震动力学过程， 但对其局部密度变化的解释还不尽完善， 需要进一步修正和探索． 另外， 关于汶川地震临震前岩石破裂的发生机制仍需进行探讨， 以完善本文对反演结果时间序列特征的解释．

2.2 汶川地震孕震模式对震前形变机制的解释

有关岩石力学实验表明(朱志澄， 1999)， 在力的作用下， 岩石经历弹性形变—塑性形变—塑性硬化—破裂等变形阶段． 硬化阶段特征为， 随着应变速率增加， 介质强度先迅速增强， 达到一定程度后， 介质强度不再增加， 直至破裂． 强震前大范围构造活动加剧及震中区介质硬化过程的共同作用， 形成了场兆、 源兆及长、 中、 短、 临阶段各不相同的前兆特征． 根据近年来几次M≥6.0地震的形变前兆分析认为， 震前中长期形变较显著而短期震中区形变不明显的现象正是上述作用的结果． 因此， 车兆宏和范燕(1999)在组合孕震模式(郭增建， 秦保燕， 1991)的基础上提出了组合-硬化孕震模式． 根据汶川地震震前的形变场、 重力场(祝意青等， 2008； 申重阳等， 2009)及密度场的动态变化特点， 认为汶川地震震前10年的孕育过程与组合-硬化模型在一定程度上比较吻合． 根据地壳物质密度变化的动态演化特点， 本文对组合-硬化模式在时间进程和阶段划分上作了适当调整， 认为汶川地震的孕震过程可分为以下5个阶段：

1) 孕震初期阶段. 在受力情况下， 地下介质在较大范围内(该范围直径可以大到震源体直径的几倍至十几倍)出现地壳及断层运动加剧的动力学过程， 产生背景性异常, 这一阶段大致出现在震前5—8年甚至更长一段时间(车兆宏， 范燕， 1999)， 此阶段也为形变和重力等加速变化时段． 同时， 该时段的地壳介质密度变化也处于剧烈波动阶段．

2) 震前中长期阶段. 在应力场作用下， 应力集中在近震源区. 随之， 介质出现硬化现象， 近震源区地下介质运动相对平静. 与此相反, 其周边地区运动继续加剧， 造成外围地区形变前兆增多． 该阶段大致为震前2—5年. 2002—2005年的反演结果表明， 该时段的密度变化幅度逐渐减小， 空间分布逐渐趋于集中， 且该地区水准、 GPS以及重力资料(中国地震局监测预报司， 2009)均显示该时段特点为远场形变比近场形变变化显著得多， 且近场形变较为平静， 尤其是越靠近断裂带变化越不明显. 上述结果与该阶段地下介质运移状态相吻合．

3) 震前短期平静期阶段. 在应力场继续作用下， 震源体进一步硬化， 但硬化速率有所减缓， 此时应变积累至较高水平， 内部刚度增大． 高应变积累区可能引起介质弹性模量的增加， 有利于更高水平的应变积累. 当积累到一定程度时， 应力增量所引起的形变变化量可能很小． 此时的地块越来越难以发生变化， 各种“动态变化”几乎都处于僵持静止状态， 至此震前平静期产生， 出现进入短期平静阶段的迹象． 这一阶段大致在震前1—2年． 该时段无论是重力还是形变， 甚至密度变化都处于平静状态．

4) 应力持续集中阶段. 介质硬化进入后期阶段， 随着震源区应力的增大， 介质强度不再随应变的继续增加而显著增加． 当应力超出介质破裂强度时， 在硬化体周围将出现微破裂现象(车兆宏， 范燕， 1999)， 此时穿过硬化体的断层出现预位移． 本文前面所述“地壳介质密度变化在震前短期处于小幅减小阶段”以及“空间分布上更加集中于龙门山断裂带”正揭示了微破裂膨胀的产生．

5) 微破裂继续发展阶段. 断层预位移不断扩张， 最终引发震源区介质的破裂， 发生强烈地震． 这一阶段出现在震前几个月， 即为发震的短期阶段．

根据本文总结的汶川地震震前形变、 重力和地下密度的变化特征可以看出， 汶川地震基本符合上述的组合-硬化孕震模式， 同时震前各阶段密度变化特征与各孕震阶段特征的吻合也验证了该模式的合理性．

3 讨论与结论

汶川地震震前形变场所呈现的场兆、 源兆及长、 中、 短、 临各阶段不同的前兆演化特征， 对强震的预测等方面具有重要的研究意义， 尤其在震前形变机制研究方面．

地震的孕育与发生并不仅仅是地壳浅层作用所能决定的， 因此要探究汶川地震震前形变机制需要对深部过程进行揭示， 而介质密度变化则是介质形变最直观的反应， 因此本文对密度进行三维反演， 得出了不同深度密度变化的时空分布特征． 结果显示： 在空间分布上， 该区域介质密度变化呈现有序和相对集中态势， 主要集中在龙门山断裂带及其附近地区， 正是深部物质向断裂带附近积累的体现； 在时间序列上， 密度变化速率并不均衡， 在震前3—8年， 介质密度变化波动剧烈， 而在震前短期变化却很不明显， 物质密度的变化趋势清晰地反映了汶川地震前期震源区的深部物理演化过程； 在深度分布上， 深部变化幅度明显大于浅部， 表明近震源区断裂带深部物质活动强于浅部．

根据震前形变特征及震前密度场的时空变化特征等， 本文选取比较符合汶川地震孕育过程的地壳分层运动动力学过程， 并选取改进的组合-硬化孕震模型， 最后将两者结合， 对汶川地震近震源区震前10年的形变现象， 即“越靠近震中位置异常变化反而越不明显， 且在震前短期无明显形变异常”作出解释， 具体为：

1) 龙门山地块上地壳与地壳低速层之间的“解耦”， 以及该地块浅层0—10 km深度范围内为高速体， 造就了汶川地震震前浅部形变不显著． 龙门山地块高速体不易发生变形， 上地壳与低速层发生拆离， 上地壳物质缓慢向四川地块运移， 在遇到坚硬四川地块的阻挡以及上部物质的重力作用下， 与四川地块形成僵持对峙格局， 因此地表浅层物质并未能产生大规模横向运动．

2) 汶川地震前10年为上述地震孕育的第2， 3， 4阶段． 首先， 由于深部物质遇到坚硬四川地块的阻挡后， 不断沿龙门山地块与四川地块交接处向上迁移， 造成龙门山断裂带上部震源附近物质逐渐积累， 应力在震源附近亦不断积累， 震源区地块不断硬化． 因此与远震源区相比， 近震源区密度变化表现相对平静． 其次， 随着应力作用的持续， 远震源区运动继续加剧， 在应力场继续作用下， 震源体进一步硬化， 但其膨胀硬化幅度减缓， 内部刚度增大， 震源介质弹性模量增加， 近震源区越来越难以发生形变， 达到震前平静期． 最后， 应力不断在震源区附近积累， 达到一定程度后震源区附近岩石开始微破裂、 膨胀， 深部物质密度略微减小． 由于破裂是由深到浅的， 此阶段破裂未能达到浅部， 因此震前1—3年浅部的形变依然不明显．

总之， 地壳的分层运动过程以及改进的组合-硬化模式所揭示的形变机制在一定程度上既解释了大范围形变场在孕震期间的演化过程， 又解释了震源区震前相对平静的特点； 既反映了远场和近场的动力学过程， 又反映了震源区介质密度变化的过程． 总体来说， 该孕震模式对“近震源区震前短期无明显异常形变”以及“震前平静期的存在”作出了合理的解释， 解决了我们所提出的“为什么震前短期在近震源区反而看不到显著形变异常”的问题．

汶川地震震前的形变特征具有一定的普遍性， 因此对该地震震前形变特征及其机制的探索研究对地震预报等具有重要意义， 为研究龙门山地区深部地壳活动及形变机制提供了一种可行方法． 但仍存在一些问题， 例如： 由于反演问题的非唯一性和不稳定性等原因， 造成所得出的结果未必非常贴近实际情况； 由于地下环境的复杂性， 对震前形变机制的解释仍然不尽完善. 这些问题有待进行更深入的探索和研究．

中国地震局地震研究所申重阳研究员提供了丰富的重力资料， 玄松柏助理研究员对反演程序方面给予了指导， 审稿专家对本文提出了宝贵意见， 在此一并表示感谢．

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Crustal deformation mechanism exploration in the near-source area before WenchuanMS8.0 earthquake

1)FirstCrustMonitoringandApplicationCenter，ChinaEarthquakeAdministration，Tianjin300180，China2)ChinaEarthquakeNetworksCenter，Beijing100045，China3)InstituteofEarthquakeScience，ChinaEarthquakeAdministration，Beijing100036，China

Various deformation data showed that the deformation characteristics of near-source area were not obvious and a short-time quiet state existed before the WenchuanMS8.0 earthquake. In order to study the deep dynamic factors and deformation mechanism of the phenomenon mentioned above， based on the 13-issue repeated gravity data of Chengdu area from 1996 to 2007， which have been dealt with by adjustment processing， we obtained the spatio-temporal evolution characteristics of crustal density variation in near-source area along horizontal and vertical directions ten years before the Wenchuan earthquake by 3-D inversion of crustal density. The density variation distribution is ordered in space and mainly concentrates on the Longmenshan fault zone and its vicinity. Additionally， the range of density variation in deep is more obvious than sha-llow， which may mean the fault activity in deep is more significant. From the view of temporal distribution， the density variation rate is uneven， that is， it is severe 3--8 years before Wenchuan earthquake and unobvious in short term before the event. Based on the deformation characteristics and the dynamic evolution process of density variation in different depth before the Wenchuan earthquake， we deduced that the layered crust movement of Longmenshan fault zone results in small deformation in shallow and obvious density variation in deep from the dynamics perspective. In addition， we selected and improved the combination-hardening model as the appropriate seismogenic model for the Wenchuan earthquake according to the density variation characteristics of Longmenshan fault zone and its adjacent areas. Finally， we combined the dynamic process with generating mechanism of earthquakes so as to reveal the deformation mechanism in near-source area before Wenchuan earthquake.

crustal deformation mechanism; WenchuanMS8.0 earthquake; near-source area; dynamic change of density; 3-D inversion

10.11939/jass.2015.06.007.

地震科技星火计划项目(XH15049Y)、 国家自然科技基金项目(41330314)、 国家科技支撑计划项目(2012BAK19B02-02)和中国地震局第一监测中心主任基金项目(FMC2015005)共同资助．

2015-01-02收到初稿， 2015-08-21决定采用修改稿.

e-mail: niuanfu01@sina.com

10.11939/jass.2015.06.007

P315.7

A

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