汶川8.0級(jí)和蘆山7.0級(jí)地震對(duì)區(qū)域地殼形變場(chǎng)及應(yīng)力場(chǎng)的影響

1、汶川 8.0 級(jí)和蘆山 7.0 級(jí)地震對(duì)區(qū)域地殼形變場(chǎng)及應(yīng)力場(chǎng)的影響1. 概述大地震同震及其震后效應(yīng)對(duì)周邊區(qū)域地殼形變場(chǎng)、 應(yīng)力場(chǎng)、斷層活動(dòng)狀態(tài)及地震危險(xiǎn)性等的持久影響越來越受到國際學(xué)界的關(guān)注 , 成為近二十多年來的研究熱點(diǎn)。 作為有地震歷史記錄以來的首個(gè)發(fā)生在大陸內(nèi)部的高角度逆沖型8級(jí)強(qiáng)震 ,2008 年 5 月 12 日汶川 8.0 級(jí)特大地震的發(fā)生不僅造成了嚴(yán)重的人員傷亡和經(jīng)濟(jì)損失 , 對(duì)區(qū)域構(gòu)造變形與斷層應(yīng)力積累等也會(huì)產(chǎn)生持續(xù)而顯著的影響。汶川地震之后 5 年, 在龍門山斷裂帶南段于2013 年 4 月 20 日又發(fā)生了蘆山7.0 級(jí)地震 , 再次引起了人們對(duì)于該斷裂帶未來地震危險(xiǎn)性的

2、討論。針對(duì)汶川地震和蘆山地震兩次事件開展同震及震后的相關(guān)研究, 不僅對(duì)了解兩次地震自身的破裂特征以及相互關(guān)系有重要價(jià)值, 對(duì)于分析周邊區(qū)域地殼形變場(chǎng)、應(yīng)力場(chǎng)受地震影響產(chǎn)生的狀態(tài)變化 , 判定區(qū)域主要活動(dòng)斷層的未來地震危險(xiǎn)性等也都具有重要意義。因此本文以汶川地震和蘆山地震為研究對(duì)象, 基于經(jīng)典的位錯(cuò)理論和粘彈本構(gòu)關(guān)系 , 開展兩次地震同震位錯(cuò)及震后粘彈松弛效應(yīng)引起的區(qū)域形變場(chǎng)、應(yīng)力場(chǎng)變化的研究工作。 本文首先通過綜合多學(xué)科資料分別構(gòu)建了汶川地震、蘆山地震的發(fā)震斷層 3D 模型 , 以此為基礎(chǔ)聯(lián)合利用多種同震觀測(cè)數(shù)據(jù)反演獲得了汶川地震、蘆山地震斷層同震位錯(cuò)分布; 基于 Burgers 體粘彈本構(gòu)關(guān)

3、系 , 以 GPS時(shí)間序列為約束 , 汶川地震同震位錯(cuò)分布為初始條件, 借助有限元數(shù)值模擬確定了龍門山斷裂帶兩側(cè)塊體中下地殼各自最優(yōu)的短期、長(zhǎng)期有效粘滯系數(shù); 計(jì)算了兩次地震同震位錯(cuò)及震后粘彈松弛效應(yīng)引起的區(qū)域形變場(chǎng)變化; 從庫侖應(yīng)力變化的角度討論了汶川地震和蘆山地震對(duì)后續(xù)余震及近年來周邊區(qū)域一系列中強(qiáng)震的發(fā)生所起的作用 , 分析了周邊主要活動(dòng)斷層庫侖應(yīng)力演化, 結(jié)合速率 - 狀態(tài)摩擦本構(gòu)律討論了未來值得關(guān)注的重點(diǎn)斷層段。2. 本論文取得的主要進(jìn)展（ 1）汶川地震發(fā)震構(gòu)造及斷層同震位錯(cuò)分布以汶川地震地表破裂、物探剖面、重新定位的余震序列作為深淺構(gòu)造強(qiáng)約束 , 參考區(qū)域地質(zhì)剖面、速度成像、大地電

4、磁測(cè)深等研究成果 , 通過多剖面解譯的方式建立了汶川地震發(fā)震斷層 3D 模型 , 主要包含北川 - 映秀斷裂和灌縣 - 江油斷裂 , 另外在余震區(qū)穿過青川斷裂后的區(qū)域斷層結(jié)構(gòu)出現(xiàn)顯著變化 , 識(shí)別出一條未知的反傾斷層 , 而非北川 - 映秀斷裂的簡(jiǎn)單延伸 , 后經(jīng)反演測(cè)試認(rèn)為該斷層可能并未參與同震破裂過程。聯(lián)合利用包含震后影響相對(duì)較小的 GPS、InSAR、強(qiáng)震動(dòng)等同震數(shù)據(jù)為約束反演 , 獲得了斷層同震位錯(cuò)分布 , 結(jié)果顯示最大位錯(cuò)值達(dá) 10m左右的高值區(qū)域主要集中在虹口 - 小魚洞和北川 - 平通附近 , 北川 - 映秀破裂西南段北支、 岳家山 - 清平、南壩東北、漢旺附近的最大位錯(cuò)值也可達(dá)

5、到 4⁶m左右。斷層運(yùn)動(dòng)方式在漢旺 - 白鹿段以逆沖運(yùn)動(dòng)為主 , 北川 - 映秀破裂則從西南到北東 , 由逆沖為主逐漸變?yōu)橐杂倚呋\(yùn)動(dòng)為主。另外在深部滑脫帶上識(shí)別出幾個(gè)最大值 4m左右的高位錯(cuò)量區(qū)域 , 經(jīng)過分析傾向于認(rèn)為是同震破裂導(dǎo)致而非主要由震后余滑引起。反演矩震級(jí)為 M_W7.9,模擬結(jié)果與同震觀測(cè)數(shù)據(jù)、 野外地表破裂數(shù)據(jù)等都較為吻合。 此外 , 通過基于前人公布的不同斷層模型開展反演對(duì)比 , 認(rèn)為斷層模型可能控制了斷層同震位錯(cuò)分布的主要特征 , 并可能是導(dǎo)致不同學(xué)者反演得到的最大同震位錯(cuò)量范圍從

6、 7m到 14m的主要原因。（2）蘆山地震發(fā)震構(gòu)造及斷層同震位錯(cuò)分布基于簡(jiǎn)化斷層模型 , 在 GPS數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上通過補(bǔ)充更多的水準(zhǔn)、強(qiáng)震動(dòng)等近場(chǎng)同震觀測(cè)數(shù)據(jù)開展反演 , 與單獨(dú)利用 GPS數(shù)據(jù)的前人反演結(jié)果進(jìn)行對(duì)比, 分析了近場(chǎng)觀測(cè)數(shù)據(jù)的豐富程度對(duì)同震位錯(cuò)分布特征產(chǎn)生的顯著影響。鑒于蘆山地震未產(chǎn)生地表同震破裂, 且發(fā)震構(gòu)造相對(duì)復(fù)雜 , 單獨(dú)依靠地表大地測(cè)量數(shù)據(jù)反演確定斷層產(chǎn)狀參數(shù)較為困難, 以蘆山地震余震序列重新定位結(jié)果為主, 參考區(qū)域地質(zhì)、地球物理信息對(duì)斷層結(jié)構(gòu)進(jìn)行了多剖面解譯 , 獲得了包含主斷層F1、同傾次級(jí)斷層F2、反傾次級(jí)斷層F3 和 F4、淺部滑脫帶 F5 的震區(qū) 3D 斷層模型。

7、聯(lián)合利用 GPS、水準(zhǔn)、強(qiáng)震動(dòng)同震數(shù)據(jù)基于上述斷層模型進(jìn)行反演測(cè)試, 結(jié)果顯示同震滑動(dòng)主要發(fā)生在主斷層F1 的斷坡附近 , 反傾的次級(jí)斷層F3、F4 也出現(xiàn)了一定量的同震錯(cuò)動(dòng) , 整體都以逆沖運(yùn)動(dòng)為主 ,F3 斷層可能還兼有一定的右旋走滑分量 , 次級(jí)斷層 F2 可能未參與同震破裂。淺部滑脫面F5 雖然同震滑動(dòng)量較小 , 但它的存在對(duì)于限制下方破裂繼續(xù)向地表擴(kuò)展非常重要 , 同震時(shí)主要對(duì)下方構(gòu)造的逆沖運(yùn)動(dòng)進(jìn)行調(diào)節(jié)和轉(zhuǎn)換。反演得到的矩震級(jí)為 M_W6.5,模擬結(jié)果能夠很好的擬合地表同震觀測(cè)數(shù)據(jù) , 并能在一定程度上解釋地表 GPS“左旋”運(yùn)動(dòng)表象和深部

8、斷層純逆沖錯(cuò)動(dòng)的動(dòng)力學(xué)關(guān)聯(lián)。（ 3）龍門山斷裂帶兩側(cè)塊體粘彈結(jié)構(gòu)考慮到龍門山斷裂帶兩側(cè)巴顏喀拉塊體和四川盆地之間存在著顯著的粘彈性質(zhì)差異以及粘滯系數(shù)表現(xiàn)出的時(shí)間依賴特征 , 基于 Burgers 體本構(gòu)關(guān)系建立區(qū)域的垂向分層、橫向分塊有限元模型 , 以分裂節(jié)點(diǎn)的方式引入汶川地震同震位錯(cuò)分布作為模型的初始條件,通過分析模擬結(jié)果與四川盆地上6 個(gè)連續(xù) GPS站的時(shí)間序列數(shù)據(jù)的擬合程度, 依次確定四川盆地和巴顏喀拉塊體中下地殼的短期和長(zhǎng)期有效粘滯系數(shù)。結(jié)果表明四川盆地中下地殼短期有效粘滯系數(shù)為9.0 ×10¹⁸Pa.s, 長(zhǎng)期有效粘滯系數(shù)為1.

9、0 × 10²¹Pa.s; 巴顏喀拉塊體中下地殼短期有效粘滯系數(shù)為5.0 ×10¹⁷Pa.s, 長(zhǎng)期有效粘滯系數(shù)為 9.0 ×10¹⁸Pa.s 。（4）汶川地震和蘆山地震對(duì)區(qū)域形變場(chǎng)的影響模擬結(jié)果顯示 , 汶川地震同震水平位移在龍門山斷裂帶中段主要表現(xiàn)為斷裂帶兩側(cè)的相向運(yùn)動(dòng) , 在斷裂帶北段兩側(cè)水平位移的運(yùn)動(dòng)方向出現(xiàn)明顯轉(zhuǎn)向,在該段表現(xiàn)出明顯的右旋走滑特征。位移量顯著的區(qū)域主要在破裂區(qū)附近, 并隨著離開斷裂向兩側(cè)快速衰減, 其中

10、西側(cè)巴顏喀拉塊體上衰減相對(duì)較慢。對(duì)比分析震后5 年及 10 年的水平位移場(chǎng)可以看出 , 震后粘彈松弛效應(yīng)引起的水平位移場(chǎng)是同震位移場(chǎng)的進(jìn)一步發(fā)展, 影響的空間范圍更廣 , 形態(tài)特征上則表現(xiàn)出繼承性。對(duì)比分析考慮和不考慮斷裂帶兩側(cè)粘彈結(jié)構(gòu)橫向差異的模擬結(jié)果, 認(rèn)為粘彈結(jié)構(gòu)的橫向差異使得斷裂兩側(cè)震后形變場(chǎng)更加具有不對(duì)稱性。蘆山地震的影響范圍基本局限在龍門山斷裂帶南段附近, 同震水平位移場(chǎng)表現(xiàn)為斷裂帶兩側(cè)的相向運(yùn)動(dòng)以及斷裂帶附近沿走向的雙向逃逸。震后 5 年的的水平位移場(chǎng)在斷裂帶兩側(cè)表現(xiàn)出更為突出的量值不對(duì)稱性, 其中斷裂中心區(qū)域呈扇形向東擴(kuò)散且量值較大, 斷裂西側(cè)表現(xiàn)為扇形收縮指向斷裂,斷裂東側(cè)位

11、移不明顯。兩次地震的綜合效應(yīng)中汶川地震占主導(dǎo), 主要影響區(qū)域除龍門山斷裂帶及兩側(cè)巴顏喀拉塊體東部和四川盆地之外, 對(duì)青藏高原東北緣地區(qū)形變場(chǎng)也產(chǎn)生了顯著影響。蘆山地震震后效應(yīng)則抵消了汶川地震對(duì)龍門山斷裂帶南段的部分影響, 使得該區(qū)汶川地震引起的南向、南南東向水平位移幅值減小, 方向也更接近南向。從汶川地震同震位錯(cuò)、 震后粘彈松弛效應(yīng)對(duì)蘆山震區(qū)形變場(chǎng)、應(yīng)力場(chǎng)變化等的影響結(jié)果來看 , 汶川地震的發(fā)生有利于后續(xù)蘆山地震的發(fā)生。（5）汶川地震和蘆山地震對(duì)區(qū)域應(yīng)力場(chǎng)的影響分析了汶川地震、蘆山地震同震位錯(cuò)引起的庫侖應(yīng)力變化與后續(xù)余震分布較好的對(duì)應(yīng)關(guān)系。討論了兩次地震對(duì)周邊區(qū)域近年來發(fā)生的一系列典型中強(qiáng)震事

12、件所起的作用, 認(rèn)為蘆山地震對(duì)幾次地震的影響可以忽略 , 汶川地震同震位錯(cuò)及震后粘彈松弛效應(yīng)引起的庫侖應(yīng)力變化則有利于 2014 年 11 月 22 日康定 6.3 級(jí)、 11 月 25 日康定 5.8 級(jí)、 2017 年8 月 8 日九寨溝 7.0 級(jí)地震的發(fā)生 , 對(duì) 2013 年 7 月 22 日岷縣 - 漳縣 6.6 級(jí)地震有一定的抑制作用 , 對(duì) 2014 年 8 月 3 日魯?shù)?6.5 級(jí)地震影響不顯著。對(duì)比基于不同粘彈介質(zhì)模型、不同汶川同震位錯(cuò)模型的結(jié)果, 認(rèn)為這些模型的選擇對(duì)庫侖應(yīng)力結(jié)果影響較大, 綜合分析后推測(cè)汶川地震同震位錯(cuò)產(chǎn)生的庫侖應(yīng)力變化有利于蘆山地震的發(fā)生, 而且至蘆

13、山地震發(fā)震前 , 汶川地震同震位錯(cuò)及震后粘彈松弛效應(yīng)的綜合影響仍表現(xiàn)為有利于蘆山地震的發(fā)生。從對(duì)周邊斷層的影響來看 , 蘆山地震的影響較為有限, 僅使得它與汶川地震間的破裂空段、鮮水河斷裂帶南段、龍泉山西緣斷裂中段產(chǎn)生一定的庫侖應(yīng)力增加。汶川地震影響的空間范圍則更廣, 量值也更大 , 它與蘆山地震的綜合效應(yīng)使得二者間的破裂空段、平武- 青川斷裂北段、文縣斷裂東段、龍日壩斷裂北段、灌縣 - 江油斷裂北段等庫侖應(yīng)力顯著增加, 并超過了通常認(rèn)為的觸發(fā)閾值0.01MPa,另外使得臨潭 - 宕昌斷裂東段、迭部 - 白龍江斷裂東段、文縣斷裂西段、虎牙斷裂、岷江斷裂南段、平武- 青川斷裂南段、馬爾康斷裂、北川- 映秀斷裂中北段、龍泉山西緣斷裂北段等庫侖應(yīng)力顯著降低。對(duì)比分析了考慮和不考慮龍門山斷裂帶兩側(cè)粘彈介質(zhì)橫向差異的模型結(jié)果, 認(rèn)為兩種模型獲得的庫侖應(yīng)力整體特征基本一