汶川地震震間與同震變形過程的有限單元法模擬研究

朱守彪

（中國地震局地殼應力研究所，北京 100085）

破壞力巨大的2008汶川大地震發生在現今斷層滑移及變形速率均很小的龍門山斷裂帶上。該斷裂帶是一個具有高傾角、鏟狀的逆沖構造體系，在15 km以上具有高傾角（～70°），但在15km之下的傾角變緩，在30°～40°之間。研究中利用黏彈性有限單元方法對震間、同震變形過程及龍門山斷裂帶上的地震活動性進行了數值模擬。模擬中，首先通過反演震間的水準測量及GPS觀測數據來得到最佳的震間數值模型，然后利用該模型來分析震間研究區域的物性結構、應力應變及能量的空間分布特征。

最佳模型計算結果顯示：龍門山斷裂帶、青藏高原東部及四川盆地地區有其特殊的物性結構，青藏高原東部的下部地殼柔軟，而四川盆地的整個地殼及上地幔都非常堅硬。震間變形主要發生于川西高原的中下地殼，其他區域（如地表）的變形較小。值得特別指出的是，震間彈性應變能密度在龍門山斷裂帶及附近地區積累的速度最快，但在堅硬的四川盆地及柔軟的青藏高原下部地殼中積累的速度都非常低。這就初步解釋了為什么汶川大地震發生在地表變形小的龍門山斷裂帶上的物理機制。模擬實驗中，在最佳模型基礎之上，繼續對模型加載，斷層就可以解鎖而發生大地震。在對同震變形過程的模擬中發現，同震位錯首先出現在下部緩傾角斷層上。在同震過程中，無論是上部陡傾角斷層面上，還是下部的緩傾角斷面上，法向應力與剪切應力都發生著復雜的變化。其中剪切應力的變化量與汶川地震的應力降有可比性。模擬的同震累積位錯清晰地顯示，汶川地震的破裂發生在很小的窄帶內，這與余震分布、GPS觀測及其他地質、地球物理觀測結果有一致性。

此外，模型計算了25萬年來龍門山斷裂帶上的位錯歷程，結果表明，發生于緩傾角上的小地震事件服從位移可預測模型（slip-predictable）；而發生在緩傾角上的較大地震事件服從時間可預測模型（time-predictable）。但是發生在陡傾角上的像汶川地震這樣的大地震事件不服從任何預測模型。