汶川地震孕震背景與同震變化的鏟形斷層位錯模擬

張 希, 王慶良, 唐紅濤, 賈 鵬

中國地震局第二監測中心, 陜西西安710054

汶川地震孕震背景與同震變化的鏟形斷層位錯模擬

張 希, 王慶良, 唐紅濤, 賈 鵬

中國地震局第二監測中心, 陜西西安710054

利用 1983—1997、1997(或 2007)—2008年跨龍門山斷裂帶長水準剖面觀測資料, 借助純逆斷、鏟形斷層正負位錯模型與網格搜索試錯法, 模擬2008年5月12日四川省汶川縣8.0級特大地震前閉鎖背景與同震變化, 在一定程度上反映出龍門山中央斷裂震前應變能積累、震時反彈的特性。

汶川大震; 長水準剖面; 鏟形位錯; 孕震背景

地質資料顯示龍門山斷裂帶以逆沖為主(鄧起東等, 2002; 強祖基等, 2009), 由后山、中央、山前主邊界3條近似平行的鏟形斷裂構成(圖1標示地表位置), 《汶川8.0級地震科學研究報告》(中國地震局監測預報司, 2008)橫跨龍門山斷裂人工地震剖面地質圖顯示地表以下 15～20 km處傾角變緩, 20～25 km為低速層, 其上方為脆性層。2008年5月12日發生了1900年以來首次8級以上地震, 地震錯動基本體現在屬于龍門山中央斷裂的北川—映秀斷裂和屬于龍門山前主邊界斷裂的灌縣—江油斷裂上,尤其北川—映秀斷裂錯動顯著, 地表破裂長(240多公里), 逆沖錯動較占優勢、兼一定程度右旋走滑(Dong et al., 2008; 董樹文等, 2008; 魏樂軍等, 2008;王衛民等, 2008; 張希等, 2010), 其中王衛民等(2008)借助雙鏟形斷層模型、利用地震波資料反演了地震錯動。中國地震局第二監測中心跨龍門山斷裂帶自綿竹至茂縣, 布設有長水準剖面測線, 累計有30多個測點、垂直斷層跨度近 60 km, 張四新等(2008)給出了1983—1987、1987—1997年兩時段斷裂兩側差異變化, 而本文中合并計算所得 1983—1997年即汶川震前達十多年之久的垂直形變結果(遺憾的是由于多種原因, 1997年后至汶川震前大多數站點未能復測), 更清晰地反映出震前長時間尺度上盤相對下盤顯著隆升、斷裂附近積聚能量的背景信息; 汶川震后, 第二監測中心會同第一監測中心觀測到截止 2008年 10月的垂直形變資料, 基本反映汶川地震同震變化(中國地震局監測預報司, 2008)。本文利用1983—1997、1997(少量點2007年觀測)—2008年這兩個時段跨龍門山發震構造的垂直形變結果, 構建純逆斷、鏟形斷層位錯模型, 對震前資料進行負位錯模擬, 研究其可能揭示的應變積累閉鎖的背景信息; 對同震變化資料則進行正位錯模擬, 分析該剖面變形觀測反映的地震錯動特征,模擬結果在一定程度上反映出龍門山中央斷裂震前能量積累閉鎖、震時反彈的特性。

圖1 汶川震區及斷裂分布Fig.1 Wenchuan earthquake area and distribution of fractures

1 正、負位錯模型原理與意義

Matsu’ura等(1986)的負位錯模型認為受現今地殼運動驅動下的活動地塊相對運動在地塊邊界處有可能受到阻礙或部分阻礙。假設邊界下部的塑性區可自由滑動, 其上部的脆性區卻因摩擦阻力等因素限制了這種相對運動從而導致應力應變積聚。即視塊體邊界區域的地表位移為塊體(剛性假設)平移減去邊界上部(用圖2所示彈性均勻介質半空間矩形位錯模擬, 見 Okada, 1985; 圖 3是完全鎖定的情況,見Matsu’ura等, 1986, 由圖3來看, 越靠近斷裂, 位移變化量逐減、呈“S”形特征)對塊體相對運動的鎖定或部分鎖定在地表產生的位移, 以尋求由塊體邊界負位錯變形體現的、可能與強震孕育有關的高應變能積累閉鎖段的研究和預報意義(Matsu’ura等, 1986; 伍吉倉等, 2000; 張希等, 2003)。針對跨一條斷裂的長水準剖面垂直形變資料, 其模型可以由一條斷裂段及兩側塊體構成。若測點(xi, yi)位于第j個塊體內(j=1, 2), V0j為塊體質心垂直運動位移或速率,那么由Matsu’ura負位錯模型(Matsu’ura等, 1986; 張希等, 2004), 第i個測點垂直運動位移或速率可表示為:

圖2 彈性均勻介質半空間矩形位錯模型Fig.2 Rectangle dislocation model in half space of elastic symmetrical media

圖3 負位錯模型(完全鎖定): 地表位移(左)為剛性塊體運動(中)減去邊界位錯的鎖定在地表產生的位移(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)

上式中左邊第1、2項分別為觀測與改正值; 右邊為模型理論值, 其中第 2項的 U1, U2分別為鎖定位錯的走滑與傾滑分量;δ, L,W分別為斷層傾角、長度、寬度(圖 2); ?, ax,ay分別為斷層走向(圖2中局部坐標系X軸與全局坐標系正北向夾角)及上部起點(全局坐標系)水平坐標。一般情況下, 剖面垂直形變資料是相對下盤距斷裂最遠處站點的變化值, 可設定下盤地塊垂直運動位移或速率值為零, 上盤地塊垂直運動位移或速率值則取稍遠離斷層、變化相對穩定的站點觀測值的均值(作為反演時初值, 若用試錯法即取該值)。本文構建純傾滑、鏟形斷層模型,由地表至深部每層1 km垂向深度的15～20個Okada矩形位錯拼接而成, 最上層位錯模型直達地表, 其它層位錯模型的上界是其上一層模型的下界; 每層傾角不變, 但不同層傾角隨深度變化, 即每層傾角值定義為該層中心點垂向深度的函數, 關系式為A(1－e-b/h)度, 這里的h為深度, A, b為待定參數。鑒于跨龍門山斷裂剖面測點僅三十幾個、一個方向變化值, 觀測值數量偏少, 而層數較多勢必導致較多待定參數, 故本文采用確定部分參數的網格搜索試錯法模擬(有些參數如最上層起點水平坐標、每層相同的斷層長度與走向、斷層兩側塊體運動量事先給定, A, b層數及傾滑量根據剖面變形情況在指定范圍取等間隔點, 而其它層中點坐標、寬度、傾角則與A, b及層數有關, 對每一組參數計算觀測值與理論值的差異, 盡可能搜索理論與實際觀測曲線較為接近的參數值)。對同震變形資料也是如此, 假設其同震變化由鏟形斷層錯動產生, 同樣采用由地表至深部每層僅1 km的15～20個Okada矩形正位錯拼接和網格搜索試錯法計算。

2 汶川地震孕震背景與同震變化的鏟形斷層位錯模擬

針對 1997—2008年反映同震變化(相對斷裂北西側即上盤最遠處測點最高變化 4.71 m, 1983—1997年震前十多年尺度的變化最大僅二十幾毫米,而我國西部地區不包含同震變形、10余年的垂直位移也不過十數至數十毫米量級（張希等, 2009）; 其中少量站點還觀測于2007年, 故基本反映同震變化, 2008年《汶川8.0級地震科學研究報告》中也是將其作為汶川大震同震位移應用的跨斷裂剖面垂向變形量, 構建純逆斷(走滑量為零)、前述鏟形位錯模擬地震錯動。根據測點垂向變化差異情況, 董樹文等(2008)、王衛民等(2008)、高銳等(2009)的地質調查結果確定斷層軌跡: 因測線穿過斷層, 可取相對上盤最遠處變化量最大的測點、與其東側距其最近的測點之間, 且位于實際斷層即龍門山中央斷裂上的點, 即(經緯度 104.4630°E, 31.8262°N, 位于北川附近)向北東和西南各延伸100 km與140 km; 走向取與正北向夾角219.1791°, 選取規則既要綜合上述文獻盡量與龍門山中央斷裂正切、靠近青川與映秀,也須將距斷裂線很近的幾個測點根據其變化差異情況合理地分布在斷裂線兩側, 最終結果見圖4、圖5與表 1, 反映的基本是龍門山中央斷裂的錯動特性;深度初定為15～20 km即15～20層; 根據4.71 m的最大變化量取位錯量 4～8 m范圍內, 經搜索試錯,獲得了較好的擬合效果, 所得深度為18 km, 傾滑量為5.6 m; 傾角隨深度變化的關系式為88(1-e-9/h)度。進而, 在同震變化已計算的基礎上進行震前資料的負位錯模擬, 初定模型為18層即18 km深度(經試算后即使增加層數影響也很弱, 故最終確定為 18層),斷層軌跡不變, 傾角與深度關系式中待定參數A, b可以調整; 為尋求不同深、淺處傾滑量的大體差異,允許在0～6 km、6～12 km、12～18 km不同深度變動。最終模擬結果見圖6與表2, 其中, 傾角隨深度變化關系式為 88(1－e-10/h)度, 與同震變形模擬結果非常接近(圖 7, 表 3顯示 18層傾角的平均差異僅2.6°、最大3.4°), 基本上反映的是同一條斷裂的活動特征; 所得0～6 km深度傾滑量為23.5 mm、6～12 km深度傾滑量為13.6 mm, 相對顯著; 而12～18 km深度傾滑量為7.0 mm, 明顯減弱。

圖4 水準測點分布及斷層地表軌跡Fig.4 Distribution of leveling stations and fault track

圖5 同震垂直形變(相對斷層北西側最遠測點, 最高點位于斷層以西)與正位錯模型擬合效果對比(擬合中誤差0.1m; 橫坐標為測點相對斷層垂向距離, 圖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 同震變形擬合效果對照表Table 1 A comparison of simulation effects of co-seismic deformations

圖6 綿竹—茂縣1983—1997年跨斷裂水準剖面(相對四川盆地即斷裂下盤最遠處)變化及負位錯擬合效果對比(均方差2.0 mm, 下盤地塊垂向運動量設為0, 上盤地塊垂向運動量為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)

綜合圖5、圖6模擬結果, 雖然本文所用的, 不過是跨龍門山斷裂帶單剖面30多站點、一個方向的變化量, 只能在一種相對簡化的前提下獲得模擬結果, 鑒于龍門山斷裂本身就是逆斷層, 本文模擬結果已在一定程度上反映出龍門山中央斷裂震前能量積累閉鎖、震時反彈的特性。而由王衛民等(2008)文獻中圖4推算, 龍門山中央斷裂在深度15.5 km以下明顯變緩, 7.3 km深處傾角約65度、13.5 km深處傾角約50度; 本文圖7所示傾角(實線與虛線平均值)在這兩處分別為64.0和44.6度, 差異并不大, 模擬結果還是比較合理的。

3 結論

1983—2008年跨龍門山斷裂帶長水準剖面觀測資料及鏟形斷層正、負位錯模擬結果, 在一定程度上反映出龍門山中央斷裂在汶川 8.0級大震前能量

積累、震時反彈的特性。如果按每年23.5 mm/14年(即1983—1997年)的閉鎖位錯量、5.6 m的地震位錯量推算, 應變積累時間相當長(3000年以上)。

表2 震前變形擬合效果對照表Table 2 A comparison of simulation effects of deformations before the earthquake

圖7 斷層傾角與深度關系示意圖Fig.7 Relationship between fault depth and dip angle

表3 正、負位錯模型傾角對照表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

本文由國家自然科學基金項目(編號: 40974062; 40974005)聯合資助。

2010-11-09; 改回日期: 2010-12-14。責任編輯: 魏樂軍。

張希, 女, 1967年生。研究員。主要從事地殼形變研究與地震預報工作。通訊地址: 710054, 陜西省西安市西影路316號。電話: 029-85506601。E-mail: zxivy@yahoo.com.cn。