基于應變能變化的蘆山強震同震效應的數值模擬1

李玉江 陳連旺 楊樹新

1）中國地震局地殼應力研究所（地殼動力學重點實驗室），北京 100085

2）中國地質大學（北京），北京 100083

引言

川滇地區位于青藏高原東南緣，是印度板塊與歐亞板塊碰撞的強烈變形帶，地震活動頻度高、強度大，是中國大陸強震活動重點監視區之一。20世紀70年代以來，Molnar等（1975；1976）提出青藏高原側向擠出滑移的運動圖像及力學機制。闞榮舉（1977）根據強震震源機制解及地震地表破裂帶資料的力學分析，討論了我國西南地區構造應力場分區及構造活動特征，并提出以鮮水河斷裂帶、安寧河斷裂帶、小江斷裂帶、通海曲江斷裂帶和紅河斷裂帶組成的菱形地塊南南東向的運動趨勢。馬杏垣（1989）考慮各塊體構造的整體性和地震活動的成帶性，將川滇及鄰區進一步劃分為雅江地塊、滇中地塊、川青地塊、川中地塊和密支那滇西地塊5個次級地塊。

自1970年通海地震以來，川滇地區發生了多次7.0級以上地震以及更多的6.0級地震。尤其是2008年5月12日汶川地震和2013年4月20日蘆山地震的發生，造成了巨大的經濟損失和人員傷亡。蘆山地震發生后，地震學反演的震源機制解及破裂過程等震源參數表明，蘆山地震是發生在龍門山斷裂帶南段的一次逆沖型地震，且最大同震滑移量為 1.59m（張勇等，2013；王衛民等，2013）。曾祥方等（2013）通過 P波初動反演和波形反演方法，結合短期余震震源機制，進一步確定蘆山地震的發震斷層為高角度逆沖斷層。另外，野外地質科學考察發現，沿著發震斷裂沒有產生明顯的地震地表破裂帶，該地震是一次典型盲逆斷層型地震（徐錫偉等，2013）。目前，關于蘆山地震的發生對周圍斷層的影響，研究成果相對較少。本文基于川滇地區三維非線性有限元模型，參考陳運泰等（2013）利用地震矩張量反演的斷層節面解及地震震級與破裂長度、同震位錯量的經驗公式（鄧起東等，1992），研究了蘆山地震的發生對川滇地區主要活動斷裂的影響，為川滇地區主要活動斷裂的地震活動趨勢判定提供可能的依據。

1 川滇地區三維有限元模型的建立

根據川滇地區全新世活動斷裂、地殼上地幔三維波速結構等資料，充分考慮對地質構造運動和地震活動起決定作用的活動斷裂和活動斷塊，建立川滇地區三維地質構造模型。

1.1 介質分區及物性參數

川滇地區的活動斷裂控制了主要構造運動的發生和發展，同時成為活動地塊的邊界（張培震等，2003）。依據川滇地區的構造特征，將研究區劃分出5個區：華南塊體（1）；馬爾康塊體（2）；川滇菱形塊體（3）；藏東塊體（4）；滇西南塊體（5）。具體結果見圖 1，其中川滇菱形塊體內部較軟，華南塊體相對較硬，其它介于兩者之間。結合王椿鏞等（2002）利用川滇地區地震臺網174個臺站記錄的地震初至P波和S波走時數據確定的地殼上地幔三維波速結構研究成果，根據楊氏模量E、泊松比υ與縱波速率C和密度ρ之間的關系：E=C2ρ(1+υ)(1-2υ)/(1-υ)（王仁等，1980），確定各個分區的物性參數（表1）。

圖1 川滇地區活動構造簡圖Fig. 1 Major active faults in Sichuan-Yunnan regions

表1 川滇地區模型介質分區參數Table 1 Parameters of the model units in Sichuan-Yunnan regions

在地質模型的基礎上，采用接觸摩擦單元處理活動斷裂帶，建立川滇地區三維彈性有限元模型。模型范圍為96°—106°E，20°—34°N，垂直區域為地表至上地幔40km深處。有限元模型包含了川滇地區25條主要活動斷裂帶（圖2），斷裂帶幾何產狀、活動性質見表2。整個有限元數值模型共劃分為單元343235個，節點80681個。

圖2 川滇地區三維有限元模型Fig. 2 The three dimensional finite element model in Sichuan-Yunnan region

表2 川滇地區主要活動斷裂產狀及活動性質Table 2 Geometry and activity of main faults in Sichuan-Yunnan region

續表

1.2 模型邊界約束

考慮到本文主要探討蘆山地震的同震效應，沒有考慮背景應力環境，所以采用將模型四周及底面法向約束，其它方向自由的加載方式。

2 蘆山地震的發生對主要活動斷裂的影響

蘆山地震發生后，陳運泰等（2013）給出矩張量反演結果，認為此次地震為逆沖型，且斷層節面滑動角近 90°。由于無法及時獲得地震發生時公開的同震滑移量研究數據，本文主要依據鄧起東等（1992）給出的地震震級與地震位錯、破裂長度之間的統計公式確定斷層的破裂長度及同震位錯量：

式中，D為地表位錯（m）；L為地表破裂長度（km）；M為地震震級。

蘆山地震的發生，引起川滇地區主要活動斷裂帶不同程度的同震加卸載效應。利用跨越不同斷層或同一斷層不同段的33條剖面（剖面方向為從左向右），通過斷層面不同方向的錯動量變化，分析斷層的同震活動方式。從彈性回跳理論可知，斷層處于閉鎖狀態時，與斷層歷史活動方式相同的同震運動會造成斷層及其鄰區應變能進一步積累；反之，與斷層歷史活動方式相反的同震運動會造成斷層及其鄰區應變能有所釋放。以馬爾康斷裂為例，從圖3左圖X向位移Ux可以看出，斷層同震表現為左旋運動，而從右圖Y向位移Uy可以看出，斷層同樣表現為左旋運動，綜合分析認為斷層同震為左旋運動。因此結合斷層歷史活動方式，判定馬爾康斷裂為同震加載效應。而對于 X、Y方向位移表現出不同的同震活動方式時，要結合斷層的走向，通過比較 X、Y向位移在斷層走向方向分量的相對大小，確定斷層同震活動方式。以甘孜-玉樹斷裂為例（圖4），由于X向位移在斷層走向的分量較大，因此可以判定斷層同震為右旋運動。結合斷層歷史活動方式為左旋走滑，因此判定甘孜-玉樹斷裂為同震卸載效應。依據同樣原則，依次對其他31條剖面的同震運動特征進行分析。從表3可以看出，在33條剖面中，有17條表現為同震加載效應，15條表現為卸載效應，1條影響不明顯。

為了更加直觀顯示不同斷層面間同震加卸載效應，以加載效應最為明顯的馬爾康斷裂作為基準，比較其他斷裂的相對加卸載程度。從圖5可以看出，蘆山地震的發生造成馬爾康斷裂、岷江斷裂加載效應較強。但需要注意的是，滇西、滇西南地區主要活動斷裂表現出群體性的同震加載效應，值得密切關注。

圖3 馬爾康斷裂同震位移變化Fig. 3 Co-seismic displacement variation along Barkam fault

圖4 甘孜-玉樹斷裂同震位移變化Fig. 4 Co-seismic displacement variation along Ganzi-Yushu fault

表3 蘆山地震引起川滇地區主要活動斷裂的同震加卸載效應Table 3 Co-seismic effect deduced from the Lushan earthquake on active faults in Sichuan-Yunnan region

圖5 川滇地區主要活動斷裂的同震相對加卸載效應Fig. 5 Relative co-seismic loading/unloading effect among active faults in Sichuan-Yunnan region

3 結論與討論

基于川滇地區的三維非線性有限元模型，利用地震矩張量反演的斷層節面性質及震級與破裂長度、同震位錯量的經驗公式，從應變能積累/釋放角度分析蘆山地震的發生對川滇地區主要斷裂的同震加卸載效應。結果表明：

（1）從同震加卸載效應來看，在33條斷裂段中，有17條表現為同震加載效應，15條表現為卸載效應，1條影響不明顯。

（2）蘆山地震的發生造成馬爾康斷裂、岷江斷裂加載效應較強。滇西、滇西南地區主要活動斷裂表現出群體性的加載效應，需要繼續關注。

需要指出的是，本文應用的同震滑移量是據經驗公式計算得到的，而非基于遠場體波與有限斷層方法反演的結果。下一步將基于反演方法獲得的同震滑移量結果開展更為詳細的分析。

致謝：在本文完成過程中，作者與陸遠忠研究員的有益討論，部分圖件使用GMT軟件包繪制（Wessel等，1995），在此一并表示感謝。

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