汶川MS8.0地震動力學背景的數值模擬實驗

廖 力 楊建思 張東寧

(中國地震局地球物理研究所，北京 100081)

2008年5月12日汶川MS8.0地震發生在龍門山斷裂帶。地球物理研究者利用多種方法對此次地震的動力學成因及過程進行了研究，本文從研究斷層錯動行為的角度出發來探索影響汶川地震斷層初始破裂及破裂的傳播過程的動力學因素。本文基于龍門山斷裂帶的地質與地球物(理研究結果，以及高精度的地形數據、大地熱流測量數據，建立以龍門山斷裂帶為主要研究對象的有b限)元模型；該模型在上地殼遵從庫倫摩擦的本構關系，在下地殼遵從位錯蠕變的本構關系，在地殼底部以全球地幔對流模型施加一個拖曳力。在確定模擬的有限元模型后，本文作者以GPS觀測數據、構造應力場和震源破裂過程研究結果為約束，研究了此次強烈地震的動力學背景；研究了四川盆地與青藏高原的地形差異和流變強度差異、龍門山斷裂帶各段摩擦強度差異和發震斷層產狀是否對地震起始破裂位置、斷層錯動形式有影響。由模擬結果可以發現：青藏高原的自身重力在龍門山區域的孕震環境中扮演了重要的角色，影響了龍門山斷裂帶的發震位置，由于巨大的自身重力，加速了龍門山斷裂帶的破裂。龍門山斷裂帶的高角度影響了龍門山斷裂帶的發震位置，將龍門山斷裂帶傾角均設為 30°的模擬實驗，首先錯動的斷層并不發生在映秀，傾角的大小也控制了斷層進一步破裂的方向。龍門山斷裂帶的高角度使得斷層的錯動更不容易發生。在我們的實驗中摩擦系數為0.5及以上的時候，斷層處于死鎖狀態，調整模型摩擦系數降低到0.48的時候，斷層開始破裂初始破裂點發生在映秀，調整模型摩擦摩擦系數0.40的時候，龍門山斷裂帶斷層單元幾乎都發生了錯動，斷層在西南端呈現逆沖推覆，東北端主要呈右旋走滑方式。本文利用地球動力學的有限元軟件模擬了汶川地震地表破裂在龍門山斷裂帶上傳播的過程。通過模擬實驗結果我們發現：在考慮青藏高原物質向東擠壓流動的同時，青藏高原與四川盆地的地形差異和流變強度差異、斷層摩擦強度差異和斷層產狀形式均對地震起始破裂的發生位置和斷層錯動形式有著重要影響。

左上圖摩擦系數為0.5，斷層處于死鎖狀態；右上圖摩擦系數為0.48，斷層開始錯動，初始破裂點發生在映秀；左下圖摩擦系數為0.45，斷層繼續沿著北東方向破裂；右下圖摩擦系數為0.4，龍門山斷裂帶大部分斷層單元都錯動了，斷層西南端呈逆沖擠壓，東北端呈右旋走滑（虛線表示斷層死鎖，綠色方塊代表右旋走滑，橘色方塊代表左旋走滑，藍色方塊代表逆沖斷層，粉色代表正斷層）