基于向-位錯模型的同震斷層運動反演
——以龍門山斷層為例

張永志, 張本平, 王衛東, 王 帥

長安大學地質工程與測繪學院, 陜西西安 710054

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基于向-位錯模型的同震斷層運動反演
——以龍門山斷層為例

張永志, 張本平, 王衛東, 王 帥

長安大學地質工程與測繪學院, 陜西西安 710054

摘 要:針對2008年發生汶川8.0級地震的龍門山斷裂鏟狀分布和斷層傾滑面傾角隨深度變化特點, 本文提出了描述龍門山斷層同震運動(滑動和轉動)的向-位錯組合模型。結合地質數據采用回歸分析法模擬了斷層在傾滑過程中斷層面傾滑方向隨斷層深度的分布特征; 利用四川地區實測的三維同震GPS數據結合粒子群算法, 采用向-位錯模型對汶川地震斷層面的同震滑動和隨深度的方向轉動(向錯)進行了反演計算, 并將反演的同震滑動區域和大小分布與USGS斷層滑動結果進行了對比分析。理論分析和模型計算表明: (1)在汶川8.0級地震發生過程中, 由于斷層的傾滑面為傾角由上向下逐漸變小的曲面, 斷層面上的傾滑方向也隨斷層面法線的改變而變化, 即斷層面在破裂過程中存在明顯的向錯現象; (2)龍門山發震斷層的傾滑面轉動方向隨深度變化為一開口向上的拋物線, 震中位于轉動角變化的極值點附近; (3)在斷層幾何參數相同的情況下, 采用向-位錯組合模型反演的同震滑動區域和USGS的滑動區域具有較好的一致性, 滑動大小的差異主要由斷層模型之間的差異、測量誤差等多種因素引起。

關鍵詞:向-位錯模型; 同震GPS數據; 粒子群算法; 反演; 斷層運動

本文由國家自然科學基金(編號: 41374028; 41304013)、長安大學中央高校基本科研業務費專項資金(編號: CHD2012TD004)和中國地質調查局國土資源大調查項目(編號: 1212010914015)聯合資助。

采用同震GPS等地面觀測數據研究斷層的同震滑動分布, 對認識地震過程中斷層的動力學行為及未來地震的預報等都具有重要的意義。目前已有國內外多名學者采用矩形位錯理論模型(Okada, 1985, 1992)和不同的觀測數據對龍門山斷裂的同震滑動分布進行了系統、深入地研究, 取得了許多創新性的結論和認識。王衛民等(2008)根據地質資料和地震形成的地表破裂軌跡, 構造了一個“雙鏟狀”有限地震斷層模型, 并通過遠震波形數據和彈性位錯模型反演了該斷層的同震滑動分布; Wang等(2008)通過高分辨GPS數據采用最小二乘法結合彈性位錯理論模型對汶川地震的斷層鏟狀和滑動分布進行了正反演計算, 發現同震滑動數值較大的區域位于斷層傾角較大的淺部區域; 張希等(2011)采用負位錯理論模型模擬了龍門山斷裂在水準點的同震垂直位移; Shen等(2009)聯合GPS和InSAR數據對汶川地震的斷層幾何和滑動分布采用彈性位錯模型進行了反演計算, 發現同震滑動的最大值位于不同斷層段的鏈接點附近, 且斷層運動形式由西南段傾滑占優逐漸變為斷層東北段走滑占優的趨勢; 姚鑫和張永雙(2009)和Hashimoto等(2010)基于差分干涉雷達觀測結果分析了汶川地震的同震形變分布特征, 結果表明了干涉雷達形變圖像與地表破裂范圍、逆沖角度的變化、上下盤升降關系及大型余震的展布存在很強的相關性, 王煥等(2015)通過對龍山斷裂的露地表結構和地質鉆探資料分析, 發現了汶川地震不僅具有同震石墨化作用, 而且測量到目前世界上最低的動態摩擦系數(≤0.02)。然而, 上述采用地面觀測數據對斷層的同震滑動的反演研究,都是基于彈性位錯理論模型, 將斷層分成有限個平面子斷層, 并假設每個子斷層上的滑動是一個常數,通過建立地面觀測值與子斷層滑動之間的函數關系,采用不同的優化算法對子斷層滑動參數進行反演,最后得出由多個子斷層滑動表示的同震滑動分布。由于龍門山斷裂的傾滑面是一個鏟狀曲面, 在同震過程中, 只有每個子斷層在傾向上旋轉一個角度,才能形成無縫連接的曲面。考慮這種斷層面轉動對地面變形的影響, 本文提出了描述斷層面同時具有滑動和轉動的向-位錯組合模型, 采用該區域同震GPS觀測數據, 對龍門山斷裂帶的同震滑動和轉動特征進行了反演計算和分析。

1 龍門山斷裂的向-位錯理論描述

位錯理論描述了斷層面平動與地表可觀測變形量之間的關系, 目前已在同震變形研究中得到了廣泛應用, 孫文科(2012)對位錯理論進行了系統、深入的分析和描述。向錯理論模型(利哈喬夫和哈伊羅夫, 1989; 楊順華和丁棣華, 1998)描述的是無限彈性介質中兩平面間發生無變形轉動與周邊可觀測變形之間的關系, 目前向錯理論在宏觀地殼變形的應用研究中還處于起步階段, 張永志等(2013)采用向錯理論對斷層轉動與地面變形的關系進行了初步的研究, 并得出斷層轉動與滑動引起的地面變形大小為同一數量級的結論。

龍門山斷裂帶位于中國大陸南北地震帶中段,是青藏高原東部邊緣與揚子地塊的分界線。由于青藏高原東部長期受印度板塊推擠, 在龍門山斷裂帶發生褶皺和逆沖推覆, 形成了強烈的變形和地形反差(樓海等, 2010)。龍門山逆沖推覆構造帶包括汶川—茂縣斷裂和映秀—北川斷裂兩條主斷裂, 其最晚一次強烈活動發生在早更新世(FT年齡為1.2～ 1.3 Ma), 此外, 川西高原內部北西向的米亞羅斷裂在中更新世(約0.5 Ma)發生過強烈活動; 后龍門山逆沖推覆構造帶在中新世晚期開始快速隆升, 而川西高原內部的強烈隆升發生在上新世末至中更新世(楊農和張岳橋, 2010)。

已有研究(王衛民等, 2008; Shen et al., 2009)表明, 汶川地震的同震滑動可達十幾米, 為完整地描述龍門山斷裂的同震運動, 本文將斷層運動分為平動(滑動)和轉動兩部分, 其中平動部分可采用位錯理論來進行描述, 而轉動部分目前尚沒有完整的描述理論和充分的研究實例。

為討論問題方便, 假設無限大彈性介質空間中存在一個(不連續)斷層面, 斷層上盤相對下盤的轉動可表示為(利哈喬夫和哈伊羅夫, 1989):

此時, 包含轉動分量的斷層上盤相對于下盤的平動為:

式中, 上標中的正負號代表斷層的上下盤, 位移不連續性由平移矢量b和相對旋轉角度ω表示。為研究奇變源(位錯、向錯)在彈性介質中的傳播關系, 考慮一個均勻的、各向同性的、無限大的自由彈性體(體力為零)。先給定一個范性(本征)應變它一般是空間位置的函數。介質中任意點的總應變場可用彈性應變和范性應變之和表示為:

根據彈性力學幾何方程, 將總應變采用位移對坐標的導數表示為:

根據彈性介質的本構關系, 本征應力可用應變表示為:

為方便利用地面大地觀測數據研究龍門山斷裂的同震滑動和轉動分布, 本文按圖1建立局部斷層直角坐標系, 圖中坐標原點位于斷層在地面的一個端點, X軸在地平面內平行于斷層走向, Y軸在地平面內垂直于斷層走向, Z軸垂直于地平面向下。

圖1　斷層與局部坐標的位置關系Fig. 1 The relationship between the fault and the local coordinate

式(8)是斷層運動的一種通用表達式, 可以表示斷層在三個互相垂直方向的滑動和轉動, 而實際的斷層活動, 通常只有一到兩個方向會發生明顯的滑動和轉動, 為了對龍門山斷裂的同震運動過程進行描述, 我們假設圖1中, 斷層只沿走向、傾向滑動和平行于走向的軸發生轉動。龍門山斷層在傾滑方向的鏟狀分布可用一函數來描述, 本文采用三次多項式對龍門山斷裂傾角隨深度變化關系進行描述,并采用斷層數據進行回歸分析(王衛民等, 2008), 求得表示斷層面傾角隨深度變化多項式系數, 然后將多項式對深度求一階導數, 得出斷層隨深度的變化率。文中的向錯實質上就是斷層傾角隨深度的變化率, 轉動角的正負是一個相對概念, 轉動軸垂直于斷層深度。通過計算, 求得斷層面傾角和理論同震轉動角隨深度變化的分布, 如圖2所示。

從圖2的回歸分析結果可以看出, 龍門山斷層的斷層面傾角變化是淺部較陡, 深部相對平緩, 而理論同震轉動角隨深度變化是開口向上的拋物線,汶川地震的震中深度大約是14 km, 恰好在斷層傾滑方向變化的極值點附近。

圖2　龍門山斷層傾角和方向隨深度的變化Fig. 2 The variation of the dip angle and disclinationwith depth

2 龍門山斷層同震運動參數的反演過程與方法

為了驗證向-位錯組合模型在同震變形研究中的可行性和有效性, 本文利用中國四川龍門山地區的同震GPS觀測數據(Wang et al., 2008), 反演計算汶川地震同震過程中斷層面上盤相對于下盤的滑動,以及斷層面上每個子斷層相對上一個子斷層在轉動方向的變化。圖3和圖4分別給出了四川龍門山地區435個測點的同震GPS水平和垂直位移、2008 年5月MS6.0級以上地震和主要斷層的分布。由于同震的遠場形變和近場形變相差幾個數量級, 本文用圖例中的不同顏色來表示。

從圖3和圖4中可以看出, 地表同震形變主要集中在發震斷層附近, 遠場同震形變數值較小。為方便與現有的研究成果進行比較, 文中將發震斷層面(307 km×40 km)分成m×n(21 km×8 km)個矩形子斷層, 然后將每個子斷層面的總滑動量、滑動方向以及該子斷層相對上一個子斷層在傾向方向的轉動角作為待反演參數, 通過(8)式建立非線性關系進行反演分析。

目前采用地面觀測數據計算斷層參數的反演方法很多, 比較典型的算法有最小二乘法(Wang et al., 2008), 遺傳算法(張秀霞和張永志, 2011), 粒子群算法等(劉杰等, 2010)。由于粒子群算法具有收斂速度快, 計算結果穩定等優點(王帥等, 2014), 本文采用該算法反演斷層滑動和轉動參數。采用C++編制了反演同震滑動和轉動的計算程序, 該程序分為主控程序模塊, 粒子群算法優化程序模塊, 斷層模型模塊和輸入、輸出模塊四部分。計算過程簡單敘述如下: 主控程序控制輸入輸出模塊讀入觀測數據、子斷層幾何參數和先驗性約束參數, 在先驗約束條件下隨機生成多組待反演參數的初值, 然后通過斷層模型和這些斷層參數初值計算地面測點變形,最后, 根據建立同一點模型計算位移量與GPS實測的位移量之間的目標函數, 通過粒子群優化算法找出一組在理論上與觀測值之間差異最小的一組模型參數作為反演結果。

圖3　龍門山地區的同震GPS水平位移與2008-05-12—2008-05-30期間大于M6.0地震活動分布Fig. 3 The distribution of horizontal co-seismic displacements and M>6.0 quakes from May 12th, 2008 to May 30th, 2008

圖4　龍門山地區的同震GPS垂直位移與2008-05-12—2008-05-30間大于M6.0地震活動分布Fig. 4 The distribution of vertical co-seismic displacements and M>6.0 quakes from May 12th, 2008 to May 30th, 2008

3 向-位錯組合模型與位錯模型的對比分析

將本文向位錯模型反演結果中的子斷層滑動分布投影到地表如圖5a所示, 可見本文反演的主要滑動區域位于汶川附近和北川、青川之間的兩個北東向長條狀區域。圖5a中滑動較大區域與徐錫偉等(2008)野外地質調查結果基本一致, 西南點處以垂直運動為主, 可達5 m左右, 東北點處走滑位移和垂直位移均可達4 m左右。由于圖5a的結果只是反演的斷層滑動分布在地表的投影, 與地面考察結果在理論上不是同一個概念, 空間分布上存在一定的差異, 但反演的兩個滑動極值區, 與地質調查結果中破裂嚴重的區域基本對應。

將本文計算結果與USGS公布的同震滑動分布數據(http://earthquake.usgs.gov/earthquakes/ eqinthenews/2008/us2008ryan/finite_fault.php)進行了求差處理, 結果如圖5b所示, 兩個斷層模型的滑動差異為cm級, 原因可能是由于本文在反演過程中考慮了斷層面的轉動因素。

圖5　汶川8.0級地震的同震滑動分布比較Fig. 5 The comparison between coseismic slips of Wenchuan inversed by the disclination-dislocation and those given by USGS

圖6　向位錯模型計算結果與USGS結果的對比Fig. 6 The comparison between slips computed by the model based on disclination and dislocation and those given by USGS

圖7　同震斷層向錯隨深度分布Fig. 7 The comparison of disclination computed by theoretical model and that inversed by the model based on disclination and dislocation

圖6為本文計算結果與USGS結果求差之后的分布圖, 通過圖5b和圖6的對比可以看出, 本文的研究結果由于在斷層大小, 劃分方式與USGS完全一致, 只是在反演模型、反演數據和反演方法上存在差異, 因此反演結果的總體趨勢是相同的, 最大數值在6 cm左右。

圖7為采用理論模型通過回歸分析計算的(紅色實心圓)和通過向位錯模型反演的(黑色正方形)斷層轉動角隨深度變化特征, 結果表明, 通過粒子群算法反演的斷層在傾向上的轉動分布與地質理論模型模擬結果在趨勢上有較好一致性。

從圖7可以看出, 龍門山發震斷層的向錯極值點在13 km深度附近, 而汶川地震的震源深度是14 km。該結果可以從力學理論進行解釋, 當地殼在構造應力作用下發生破裂時, 通常會選擇介質中強度最弱的方向發生破裂。這可能是地震發生在向錯極點附近的原因之一; 另一方面, 向錯極值點通常是介質中斷層兩側兩種相反運動的分界點, 該區域存在的剪應力最大, 容易導致地殼發生破裂。

4 討論與認識

需要討論的問題:

(1)本文采用的理論模型(8)是無限均勻介質空間的非彈性模型, 由于未考慮邊界條件的影響, 只是在一定近似程度下的應用, 更嚴密的理論公式有待進一步深入研究。

(2)本文計算結果與USGS結果的異同性討論:如圖1所示, 本文向-位錯組合模型描述的斷層為一曲面(圖1中綠色曲線和紅色線條構成), 且采用子斷層面滑動和轉動來描述汶川地震的同震斷層運動;而位錯理論模型(如USGS斷層模型, 是圖1中綠色直線和紅色線條構成的平面)實質上只是通過多個子斷層平面的相對滑動對具有傾滑曲面的龍門山斷裂的近似描述。因此, 兩者計算結果總體趨勢在理論上應該是一致的, 兩者之間的差異主要由平面模型和曲面模型之間的差異引起。另一方面, 反演方法和觀測數據誤差等也在一定程度上影響了反演結果。

主要認識有:

(1)在汶川8.0級地震發生過程中, 由于斷層的傾滑面是一傾角由上向下逐漸變小的曲面, 隨著斷層面的傾角隨深度由淺到深的變化, 斷層面上的同震滑動方向也應隨斷層面法線的改變而變化。因此,斷層面在破裂過程中應存在向錯現象。

(2)基于向位錯理論反演的汶川同震滑動是基于曲面斷層模型, 而USGS等結果是基于平面斷層模型, 兩者在滑動區域和總的滑動趨勢上一致, 數值上的差異反映了模型之間的差異和數值誤差的影響。本文反演結果中的滑動極值區與野外地質調查的破裂顯著區相吻合。

(3)龍門山發震斷層的傾滑面轉動方向隨深度變化為一開口向上的拋物線, 震中位于轉動角變化的極值點附近。

Acknowledgements:

This study was supported by National Natural Science Foundation of China (Nos. 41374028 and 41304013), the Fundamental Research Funds for the Central Universities (No. CHD2012TD004) and China Geological Survey (No. 1212010914015).

參考文獻:

利哈喬夫, 哈伊羅夫. 1989. 向錯理論導論[M]. 丁棣華, 周如松, 譯. 武漢: 武漢大學出版社.

劉杰, 張永志, 張秀霞, 王宏宇. 2010. 基于GPS數據的粒子群算法反演斷層的三維滑動速率[J]. 大地測量與地球動力學, 30(2): 40-43.

樓海, 王椿鏞, 姚志祥, 李紅誼, 蘇偉, 呂智勇. 2010. 龍門山斷裂帶深部構造和物性分布的分段特征[J]. 地學前緣, (5): 128-141.

孫文科. 2012. 地震位錯理論[M]. 北京: 科學出版社.

王煥, 李海兵, 司家亮, 孫知明, 付小方, 劉棟梁, 裴軍令, 李成龍, 張佳佳, 宋圣榮, 郭力偉, MORI J, 薛蓮, BRODSKY E E, 云錕, 龔正. 2015. 汶川地震斷裂作用研究新認識[J].地球學報, 36(3): 257-269.

王帥, 張永志, 姜永濤, 劉寧. 2014. 維多樣性的動態權重粒子群算法反演斷層滑動速率[J]. 地球物理學進展, 29(4): 1766-1771.

王衛民, 趙連鋒, 李娟, 姚振興. 2008. 四川汶川8.0級地震震源過程[J]. 地球物理學報, 51(5): 1402-1410.

徐錫偉, 聞學澤, 葉建青, 馬保起, 陳杰, 周榮軍, 何宏林, 田勤儉, 何玉林, 王志才, 孫昭民, 馮希杰, 于貴華, 陳立春,陳桂華, 于慎鄂, 冉勇康, 李細光, 李陳俠, 安艷芬. 2008.汶川Ms8.0地震地表破裂帶及其發震構造[J]. 地震地質, 30(3): 597-629.

楊農, 張岳橋. 2010. 龍門山斷裂活動和川西高原隆升歷史的裂變徑跡測年[J]. 地質力學學報, 16(4): 359-370.

楊順華, 丁棣華. 1998. 晶體位錯理論基礎[M]. 北京: 科學出版社.

姚鑫, 張永雙. 2009. 基于差分干涉雷達的汶川地震同震形變特點[J]. 地質力學學報, 15(2): 151-161.

張希, 王慶良, 唐紅濤, 賈鵬. 2011. 汶川地震孕震背景與同震變化的鏟形斷層位錯模擬[J]. 地球學報, 32(2): 189-194.

張秀霞, 張永志. 2011. 遺傳算法反演龍門山斷裂帶斷層三維滑動參數研究[J]. 地球科學與環境學報, 33(2): 217-220.

張永志, 張永, 武艷軍, 張本平. 2013. 斷層轉動與地表變形關系研究[J]. 大地測量與地球動力學, 33(2): 8-12.

References:

HASHIMOTO M, ENOMOTO M, FUKUSHIMA Y. 2010. Co-seismic deformation from the 2008 Wenchuan, China, earthquake derived from ALOS/PALSAR images[J]. Tectonophysics, 491: 59-71.

LIU Jie, ZHANG Yong-zhi, ZHANG Xiu-xia, WANG Hong-yu. 2010. The three-dimensional sliding rate inversion of fault based on GPS data by the particle swarm algorithm[J]. Journal of Geodesy and Geodynamics, 30(2): 40-43(in Chinese with English abstract).

LOU Hai, WANG Chun-yong, YAO Zhi-xiang, LI Hong-yi, SU Wei, Lü Zhi-yong. 2010. Subsection feature of the deep structure and material properties of Longmenshan fault zone[J]. Earth Science Frontiers, 17(5): 128-141(in Chinese with English abstract).

OKADA Y. 1985. Surface deformation due to shear and tensile faults in a half-space[J]. Bulletin of the Seismological Society of America, 75(4): 1135-1154.

OKADA Y. 1992. Internal deformation due to shear and tensile faults in a half-space[J]. Bulletin of the Seismological Society of America, 82(2): 1018-1040.

SHEN Zheng-kang, SUN Jian-bao, ZHANG Pei-zhen, WAN Yong-ge, WANG Min, BüRGMANN Roland, ZENG Yue-hua, GAN Wei-jun, LIAO Hua, WANG Qing-liang. 2009. Slip maxima at fault junctions and rupturing of barriers during the 2008 Wenchuan earthquake[J]. Nature Geoscience, 2(10): 718-724.

SUN Wen-ke. 2012. Theory of the earthquake dislocation[M]. Beijing: Scientific Press of China(in Chinese).

WANG Huan, LI Hai-bing, SI Jia-Liang, SUN Zhi-ming, FU Xiao-fang, LIU Dong-liang, PEI Jun-ling, LI Cheng-long, ZHANG Jia-jia, SONG Sheng-rong, KUO Li-wei, MORI J, XUE Lian, BRODSKY E E, YUN Kun, GONG Zheng. 2015. Progress in the Study of the Wenchuan Earthquake Faulting[J].Acta Geoscientica Sinica, 36(3): 257-269(in Chinese with English abstract).

WANG Qi, QIAO Xue-jun, LAN Qi-gui, JEFFREY F, YANG Shao-min, XU Cai-jun, YANG Yong-lin, YOU Xin-zhao, TAN Kai, CHEN Gang. 2011. Rupture of deep faults in the 2008 Wenchuan earthquake and uplift of the Longmen Shan[J]. Nature Geoscience, 4(9): 634-640.

WANG Shuai, ZHANG Yong-zhi, JIANG Yong-tao, LIU Ning. 2014. Slip velocity of fault induced by pso algorithm with dynamical inertial weight and dimension mutation[J]. Progress in Geophysics, 29(4): 1766-1771(in Chinese with English abstract).

WANG Wei-min, ZHAO Lian-feng, LI Juan, YAO Zhen-xing. 2008. Rupture process of the Ms8.0 Wenchuan earthquake of Sichuan, China[J]. Chinese Journal of Geophysics, 51(5): 1403-1410(in Chinese with English abstract).

XU Xi-wei, WEN Xue-ze, YE Jian-qing, MA Bao-qi, CHEN Jie, ZHOU Rong-jun, HE Hong-lin, TIAN Qin-jian, HE Yu-lin, WANG Zhi-cai, SUN Zhao-min, FENG Xi-jie, YU Gui-hua, CHEN Li-chun, CHEN Gui-hua, YU Shen-e, RAN Yong-kang, LI Xi-guang, LI Chen-xia, AN Yan-fen. 2008. The Ms8.0 wenchuan earthquake surface ruptures and its seismogenic structure[J]. Seismology and Geology, 30(3): 597-629(in Chinese with English abstract).

YANG Nong, ZANG Yue-qiao. 2010. Longmenshan fault activities and he ethnoniedicinal uplift history of fission track dating in western region of Sichuan[J]. Journal of Geodynamics, 16(4): 359-370(in Chinese with English abstract).

YANG Shun-hua, DING Di-hua. 1998. Crystal dislocation theory basis[M]. Beijing: Science Press(in Chinese).

YAO Xin, ZHANG Yong-shuang. 2009. Co-seismic deformation of “5.12” Wenchuan earthquake based on D-InSAR[J]. Journal of Geodynamics, 15(2): 151-161(in Chinese with English abstract).

ZHANG Xi, WANG Qing-liang, TANG Hong-tao, JIA Peng. 2011. The Simulation on Listric-fault Dislocation Background and Co-seismic Deformation of the Wenchuan Earthquake[J]. Acta Geoscientica Sinica, 32(2): 189-194(in Chinese with English abstract).

ZHANG Xiu-xia, ZHANG Yong-zhi. 2011. The inversion of three-dimensional sliding parameters of longmenshan fault by genetic algorithm[J]. Journal of Geosciences and Environment, 33(2): 217-220(in Chinese with English abstract).

ZHANG Yong-zhi, ZHANG Yong, WU Yan-jun, ZHANG Ben-ping. 2013. Study on the relationship between the fault rotation and surface deformation[J]. Journal of Geodesy and Geodynamics, 33(2): 8-12(in Chinese with English abstract).

ЛИХАЧЕВ B A, ХА?РОВ P Ю. 1989. Introduction of disclination theory[M]. Translated by DING Di-hua, ZHOU Ru-song. Wuhan: Wuhan University Press(in Chinese).

The Co-seismic Slip and Rotation of the Longmenshan Fault Based on Disclination-dislocation Model Inversed from GPS Data

ZHANG Yong-zhi, ZHANG Ben-ping, WANG Wei-dong, WANG Shuai School of Geology Engineering and Geomatics, Chang’an University, Xi’an, Shaanxi 710054

Abstract:In order to describe the listric Longmenshan fault (the dip angle of the fault plane changed with depth) where MS8.0 Wenchuan earthquake occurred in 2008, the authors put forward the fault model combining disclination with dislocation. The dip angle and the disclination of the Longmenshan fault that changed with depth were calculated from geological data by regression analysis. At the same time, according to the disclination-dislocation model, the co-seismic slip and rotation at different depths of the Longmenshan fault due to Wenchuan MS8.0 earthquake were inversed by PSO algorithm from GPS data. A comparison was made between slip area and magnitude calculated in this study and the data offered by USGS. Based on theoretical analysis and model computation, some conclusions have been reached: (1) Because the dip angle of the Longmenshan fault plane became smaller with the depth, and the slip direction of fault plane changed during the rapture process of the shock, the disclination of the fault took place obviously during the Wenchuan MS8.0 earthquake; (2) The distribution of disclination along depth approximately obeyed the upward parabola, and the earthquake occurred near the curve’s extreme point; (3) Under the same fault parameters, the total slip on fault plane inversed by PSO from GPS data has a similar spatial distribution to but different magnitudes from the data given by USGS, and the difference of magnitude may be related to such factors as the co-seismic disclination components and measurement errors.

Key words:disclination-dislocation model; co-seismic GPS data; particle swarm optimization; inversion; slip and rotation of fault

中圖分類號:P315.33; P542.3

文獻標志碼:A

doi:10.3975/cagsb.2016.03.05

收稿日期:2016-01-30; 改回日期: 2016-03-31。責任編輯: 閆立娟。

第一作者簡介:張永志, 男, 1961年生。博士, 教授, 博士生導師。主要從事地殼形變、重力測量、INSAR、GPS測量等的教學與研究。E-mail: cadxzyz@263.net。