汶川地震斷層滑動及形變演化模擬研究

譚 凱

1）中國地震局地球物理研究所，北京100081

2）中國地震局地震研究所，武漢430071

汶川地震斷層滑動及形變演化模擬研究

譚 凱1，2）

1）中國地震局地球物理研究所，北京100081

2）中國地震局地震研究所，武漢430071

2008年5月12日，四川汶川MW7.9地震發生在青藏高原東緣龍門山斷裂帶的北川和彭灌斷層上，地表破裂最大右旋走滑4.9 m。地震發生后，中國地震局立即組織了GPS、In-SAR、地質等監測。中國地震局地震研究所在完成GPS監測任務的同時，復測了四川GPS控制網A級和B級點、三角點，獲得464個高精度GPS同震形變。并根據其中13個1 Hz GPS連續站數據獲得震時動態形變序列，用震后GPS監測網獲得震后8個月47個站的震后形變序列，用日本宇航局的ALOS PALSAR數據獲得InSAR同震形變場。

這些破裂和變形在一定的構造環境中產生，蘊含著豐富的地殼運動和深部構造信息，如區域構造斷層形狀和運動、深部流變結構屬性及巖石圈動力學關系。本文以大地測量資料為約束，輔以破裂地質資料，通過數值模擬技術，構建汶川地震斷層滑動分布模型、破裂過程模型和形變演化模型，探討此類大陸強震變形機理和深部構造動力學過程。主要內容為：

1.介紹大地測量數據來源、數據處理方法、形變特征、不同數據的檢校和融合。用464個GPS點震前震后數據，以靜態數據處理方法得到GPS三維同震形變場；投影到斷層走向上，映秀段逆沖大于走滑，都江堰-北川段的逆沖、走滑都較大，而青川段的走滑大于逆沖分量；水平同震形變最大5.4 m。根據其中13個1 Hz GPS連續站數據，以動態數據處理方法得到震時動態形變時序，其中郫縣站動態形變與郫縣強震儀動態位移基本一致。InSAR LOS相對形變與GPS LOS相對形變基本一致，校正后平均誤差在3.5～5 cm之間。

2.介紹相關地震形變模型和反演方法。地震形變模型有各向同性彈性半空間矩形斷層位錯模型、地殼分層彈性半空間矩形斷層位錯模型、各向同性彈性半空間三角位錯模型、震后粘彈性松弛模型、震后孔隙回彈模型、震后余滑模型。數學計算技術有最小二乘法、模擬退火算法、格網搜索法等。

3.本文的主要工作是利用各種資料、模型、算法對汶川地震進行模擬研究，主要研究汶川地震斷層幾何形狀和滑動分布、汶川地震破裂過程、汶川震后形變機制和形變演化過程。

（1）用非線性優化方法——模擬退火算法確定地震斷層幾何形狀，即各段的長度、寬度、深度、傾角和位置。將斷層幾何形狀參數固定后可離散化成格網狀子斷層，用有界變量最小二乘法反演斷層滑動分布。斷層滑動表現為非均勻破裂特征，包含數個離散的區域峰值滑動面（即凹凸體），相互之間被滑動量較小的間隙體明顯隔開。最大滑移值大于6 m的凹凸體有5處：草坡到虹口、清平、北川、南壩和青川。

（2）以四川GPS連續站動態形變序列約束地震破裂過程。將子斷層滑動角設置為與同震破裂一致的定值，滑動上升時間根據破裂速度計算，經格網搜索反演得到子事件破裂速度為3 km/s，平均破裂速度2.5 km/s。破裂從震源向北東向擴展，破裂持續時間為105 s。在發震的15 s內，映秀附近的區域開始破裂，最大滑動量約3.1 m；15 s至34 s間，虹口和草坡發生破裂，形成一個高滑動區域，最大滑動量高達12.7 m；34 s至65 s間，北川子斷層發生了10.5 m左右的錯動；65 s至85 s間，破裂由北川發展到南壩，錯動約8.9 m；發展到106 s時，破裂延伸到青川，滑動量最大為5 m。

（3）研究震后形變機制和形變演化過程。模擬研究發現，震后孔隙回彈形變量很小，且局限在破裂兩側很小的范圍內，與震后形變規律不符合，很難發現其起作用的證據。震后粘彈性松弛模型不能很好地符合觀測值，而震后余滑模型模擬效果較好。綜合震后粘彈性松弛和震后余滑的模擬結果表明，汶川震后幾個月的形變主要由震后余滑引起，而震后粘彈性松弛發揮了一定的較小的作用。

彈性層20 km以下可能存在粘度比較低的流變物質，其粘度最低為6.3×1017Pa·s，震后粘彈性松弛最大水平形變影響為3.6 cm。扣除震后粘彈性松弛的影響后，反演余滑分布得到余滑的最低值，南壩到青川間的余滑最大約0.8 m。余滑的分布與余震存在對應關系。在映秀-北川段，余滑主要分布在同震滑動峰值區的下前方，而青川段余滑分布在斷層上部，與同震滑動峰值區接近。

假設震后余滑的空間分布和時間變化獨立，則可以模擬震后形變的時空演化過程。震后一年形變大部分是余滑成分，一般分布于斷裂附近，可能占60%甚至70%以上；震后粘彈性松弛一般分布于中遠場，可能占20%，一兩年后占主導地位，可以延續幾十年。

GPS；InSAR；汶川地震；同震形變；震后形變；反演

（作者電子信箱，譚凱：whgpstan＠hotmail.com）

P315.72＋5；

A；

10.3969/j.issn.0235-4975.2012.01.021