铲形逆断层和平行逆断层体系的破裂特征——以龙门山断裂带中段为例的数值模拟

汶川地震是有地震历史记载以来首次发生在大陆内部的高角度8级逆冲强震,给板内逆冲强震研究提供了许多新的课题。论文主要开展了以下两方面的研究:(1)近地表陡倾角铲形逆断层的破裂特征研究。基于龙门山断裂带中段动力学背景建立有限元模型,系统地研究近地表陡倾角铲形逆断层(本文所称近地表陡倾角铲形断层,要求近地表倾角至少≥65°)的破裂特征,并探讨了汶川地震逆冲滑动量随深度分布形态所可能蕴含的地壳信息。对于近地表陡倾角铲形断层,在断层倾向的高强度挤压下,断层近地表部分对逆冲破裂和滑动有一定的阻碍作用;铲形断层的近地表倾角越陡,陡倾角部分的深度范围越大,断层近地表部分对逆冲破裂和滑动的阻碍作用会越明显;近地表陡倾角的铲形断层形态和巴颜喀拉块体的高强度挤压很可能是形成汶川地震逆冲滑动量随深度分布形态的重要原因,无地表破裂的前期地震并不是造成汶川地震滑动量随深度分布特征的必要条件。(2)平行逆断层体系中断层活动之间的相互影响研究。讨论了分布距离对平行逆断层地震活动规律的影响,并定量地评估了汶川地震中前山断裂同震逆冲破裂对中央断裂逆冲破裂释放的影响。同震破裂实验结果显示:在同震逆冲破裂中,前山断裂和中央断裂的破裂释放之间有一定的替代关系;汶川地震中,由于前山断裂发生同震逆冲破裂,中央断裂相应段落逆冲破裂释放很可能降低了约10%,减少的标量地震矩约为9.54×1018 N·m。平行逆断层长期挤压破裂实验结果显示:在龙门山断裂带的动力学环境和浅层构造背景下,当平行逆断层之间的距离在20km以下时,两条平行逆断层会在破裂释放上形成主次关系,距离越短,主次关系越显著;两条平行逆断层之间发生同步逆冲破裂的比例很低,受平行逆断层之间距离的影响也很小;两条平行逆断层之间发生同步地表逆冲破裂的比例更低,在龙门山动力学机制和浅层构造背景下,距离在10~20km左右时,平行逆断层之间最容易发生同步地表逆冲破裂。结合龙门山断裂带中段的实验结果显示:后山断裂的地震活动很可能相对独立;12km的距离使得中央断裂和前山断裂之间发生同步地表逆冲破裂的风险相对较高,这很可能是导致汶川地震中出现同震地表破裂的一个重要原因。     

近地表倾角和无地表破裂前期逆冲地震对汶川MS8.0地震逆冲滑动量随深度分布形态的影响

逆冲滑动是汶川地震的初始和主要震源过程,其破裂滑动量随断层深度的分布形态与多数板内逆冲强震不一致.本文用摩压比值来表征断层沿线的局部破裂危险程度,通过数值实验讨论了底部破裂源、近地表倾角和无地表破裂的前期地震等对铲形逆冲断层的破裂危险分布和破裂滑动分布的影响.有限元数值模拟结果显示,在巴颜喀拉块体对龙门山断裂带的高强度挤压下,上陡下缓近地表陡倾角的铲形断层形态使得汶川发震断层近地表对逆冲破裂和滑动有一定的阻碍作用;破裂滑动量集中于发震断层中部的前期逆冲地震是造成汶川M_S8.0地震逆冲滑动分布异于板内逆冲强震滑动分布现象的一个可行解释.     

2009年萨摩亚—汤加特大地震触发的两次大震

特大地震(≥8.0级的地震)一般都含有构造板块之间边界岩体的突然滑动。这种板间的破裂通常出现在俯冲带特大逆冲事件的海沟斜坡区,会产生动态及静态应力变化,从而激活周边的板内余震(Christensen and Ruff,1988;Dmowskaetal,1988;Layetal,1989;Ammonetal,2008)。本文研究的地震序列展示一少见的例子———特大海沟斜坡的一次板内地震触发了广泛的板间断层活动,颠倒了典型的活动模式,从而广泛地扩大了地震和海啸灾害。2009年9月29日,在汤加俯冲带北端的外海沟斜坡发生矩震级8.1的正断层地震事件,该震开始破裂后的2分钟内,发生了总地震矩等于矩震级8.0级的第二个特大地震,它由两次(矩震级均为7.8级)板间下插逆冲大地震组成,导致了周边俯冲带巨型逆断层的破裂。联合的断层作用引发了海啸,局部地区抬升约12m,导致萨摩亚、美属萨摩亚和汤加192人死亡。地震信号的重叠掩盖了这样的事实:相隔约50km的性质不同的断层发生了不同几何形状的破裂,这些被触发的逆冲断层滑动只有通过详细的地震波分析才能揭示出来。在汤加北部俯冲带的大部分区域内,激活了广泛的板间和板内余震活动。     

汶川MS8.0地震断层映秀—南坝段的活动方式、形变特征及其形成机制

通过对2008年5月12日发生的汶川8.0级地震的发震构造——中央断裂映秀—南坝段地震地表破裂、地表形变及断裂上余震迁移等特征的详细调查和分析,结果表明：（1）自映秀至南坝,断层活动方式表现为由逆冲逐渐过渡为逆冲-右旋走滑、再到走滑分量与逆冲分量大致相当,同时断层两盘滑动伴有相对弱旋转活动;（2）在断层总体走向NE向、逆冲为主兼右旋走滑活动方式下,局部表现为走向NW向、逆冲为主兼左旋走滑活动方式;（3）地震裂缝与单侧破裂面关系,以及地表重叠缩短形变特征表明,断层活动、应变能释放是在近EW向区域构造应力及NE向局部构造应力综合作用下的结果.依据断层沿线地表裂缝产状的变化,粗略推出映秀至南坝段主应力方向由SEE向NEE方向变化,与前人使用CAP（Cut and Pasate）方法求出的主余震源机制方向基本一致.     

2008年汶川地震中破裂的近平行倾斜断层

研究了2008年汶川地震期间一条复杂断层系的运动学破裂。我们假定为Hao等（2009）使用干涉合成孔径雷达（InSAR）数据计算的滑动分布,尝试拟合两个近断层台站记录的地震图,其中一个台站位于两个近平行倾斜断层之间。正演数值模拟结果显示,2008年汶川地震期间,两个近平行倾斜的断层同震地产生了破裂。这一结果为逆断层地震的动态断层相互作用提供了约束,与自由表面不影响破裂分支的分支走滑断层不同。     

层状断层与地震关系初探

通过讨论层状断层的性质、特点以及与正断层、逆断层和走滑断层的相互关系,探讨了大陆板内地震的发震机制,指出许多地震的震源位于层状断层面上,有些地震在地表找不到相应的地震构造的原因是由层间滑动所引起。     

2008年汶川大地震的时空破裂过程

利用全球地震台网（GSN）记录的长周期数字地震资料反演了2008年5月12日四川汶川Ms8．0地震的震源机制和动态破裂过程,并在反演所得结果的基础上定量分析了汶川大地震同震位移场的特征,探讨了汶川大地震近断层地震灾害的致灾机理．反演中采用了单一机制的有限断层模型,使用了从全球范围内挑选的、方位覆盖较均匀的21个长周期地震台垂直向记录的P波波形资料．通过反演得出：汶川大地震的发震断层走向为225°、倾角为39°、滑动角为120°,是一次以逆冲为主、兼具小量右旋走滑分量的断层;这次地震所释放的标量地震矩为9．4×10^20～2．0×10^21 Nm,相当于矩震级Mw7．9～8．1．汶川大地震是在破裂长度超过300km的发震断层上发生的、破裂持续时间长达90s的一次复杂的震源破裂过程．整个断层面上的平均滑动量约2．4m,但断层面上滑动量（位错）的分布很不均匀．有4个滑动量集中且破裂贯穿到地表的区域,其中最大的两个,一个在汶川-映秀一带下方,最大滑动量（也是本次地震的最大滑动量）所在处在震源（初始破裂点）附近,达7．3m;另一个位于北川一带下方,一直延伸到平武境内下方,其最大滑动量所在处在北川地面上,达5．6m．其余2个滑动量集中的区域规模较小,一个在康定以北下方,最大滑动量达1．8m;另一个位于青川东北下方,最大滑动量达0．7m．汶川地震整个断层面上的平均应力降约18MPa,最大应力降约53MPa．由反演得到的断层面上滑动量分布计算得出的汶川大地震震中区地表同震位移场表明,汶川大地震地表同震位移场的分布特征与该地震烈度分布的特征非常一致,表明了汶川大地震的大面积、大幅度、贯穿到地表的、以逆冲为主的断层错动是致使近断层地带严重地震灾害在震源方面的主要原因．     

1999年台湾集集地震震源破裂过程

使用GPS同震位移资料和远场P波记录,研究了1999年台湾集集地震震源破裂过程．根据地质构造和余震分布引入了一个由弯曲断层面构造的三段“铲状”断层模型．在使用静态GPS位移资料反演集集地震的断层破裂滑动分布时,由于集集地震断层北部近地表破裂的复杂性,在位错模型中考虑拉张分量对地表同震位移的贡献,可更好地同时拟合GPS观测资料的水平和垂向分量．而纯剪切位错弹性半空间模型和分层地壳模型都无法同时拟合水平和垂向GPS观测资料．在此基础上,同时使用静力学同震位移资料和远场地震波形记录,反演集集地震的震源破裂过程．结果表明,一种垂直于断层面的“挤压性”(负)拉张分量几乎集中分布于地震断层的浅部和北部转折处,而这一带地表破裂远较没有(负)拉张分量出现的南部断层复杂．“冒起构造”的数字模拟表明,这种在集集地震破裂转折处及北部断裂带广为出现的典型破裂造成的地表位移可以用具有负拉张分量(挤压)的逆冲断层更好地模拟．而这种负拉张分量(挤压)的分布正是地震破裂性质和几何复杂性的综合反映,震源破裂过程也显示北部转折处破裂在空间和时间上的复杂性.高滑区域与余震分布表现为负相关.     

设定地震地表破裂阈值下的一种条件概率分析模型

大量的研究表明,地震地表破裂长度（或位移量）L（D）与地震强度之间具有良好的统计关系：LgL（D）=a＋bMs,a、b系数取决于所处地震地质区域及发震断层性质的差异;研究同时表明,地震破裂的错动面积（A′）实际上反映了地震作用沿断层面破裂时的能量转换,它可以描述为：A′=∫L0乙f（L）dL,f（L）的物理意义表示为破裂总位移量（水平位移与垂直位移的矢量和）D′沿破裂长度的分布,D′～N（μ,σ2）。在对发震断层的设定地震进行讨论的基础上,给出了地震地表破裂的分析预测模型,即从建、构筑物的抗震设防水平出发,对于给定的场地容许的破裂尺度L（D）c,不突破此一破裂尺度L（D）c的场地地震地表破裂概率可以表示为：P（L〈Lc）=∫LC0乙g（L）dL,破裂尺度L（D）相对于不同的地震震级服从对数正态分布LN（μ,σ2）。     

日本横手盆地东缘陆羽逆断层系的同震地表破裂特征及其分段性

通过对陆羽逆断层系上１８９６年同震地表破裂特征、长期活动习性和断错地貌等的研究，给出了可识别的逆断层型段落边界的标志，它们是断层崖形态持久性变化的过渡地段、断层抬升盘山地分水岭高程明显变化的转折部位、剖面几何结构转换区和断层下降盘盆地内的隐伏横向基岩脊等；指出逆断层上公里量级的空缺和阶区不能有效地终止或延缓逆断层型同震地表破裂的横向扩展，因此，不能作为逆断层型段落的边界，最后对陆羽逆断层系的千屋段和横手段的地震危险性进行了简要评估     

昆仑山口西8.1级地震地表破裂参数相互关系的新认识

地震地表破裂带调查表明,昆仑山口西 8. 1级地震的破裂长度为 426km,最大水平位移6m左右,地震破裂位移的分布明显地受断层活动段控制。该次地震的破裂长度远大于统计值,文中应用地壳极限线应变的概念,通过比较中国大陆内部几次走滑型强震的地震破裂最大位移与破裂长度的关系,论述了昆仑山口西 8. 1级地震中各次级段破裂的相对独立特征,认为该次强震不是一次整体性破裂事件,而是由连续触发的几次地震组成     

1927年古浪8级大震地表破裂特征及形成机制

野外考察结果表明,１９２７年古浪８级大地震造成了６段不同规模、不同方向、不同力学成因、不同等级的地表破裂,构成了呈面状分布的复杂地震破裂带,与我国西部地区由走滑断层运动形成的破裂带相比具有较大差异。其中的４段破裂与极震区及余震分布的位置相重合,主体散布在冬青顶北麓一带,沿皇城－双塔活动断裂的东段和武威－天祝活动断裂北段分布,是１９２７年古浪地震的主破裂带。其余两段分别分布在Ⅸ度区内的皇城－双塔断裂中段和西山堡－滴水崖断裂带上,是高烈度区内的次级破裂。４段主破裂是在统一构造应力场作用下形成的产物,具有统一变形机制。其中冬青顶张性破裂带是发育在山前下方寨－严家新庄逆断层上盘的次级张性破裂,而主破裂是由逆断层运动在寺儿沟滩等处的山前洪积台地上产生的     

新疆尼勒克1812年地震断层构造特征

研究了1812年尼勒克地震断层的展布、构造类型和组合型式等地表特征，认为属倾滑型地盐碱地。破裂展布与逆冲性质的喀什河断裂一致，可分为三段。地震破裂的类型有正断层、走滑正断层、逆断层和地震裂缝四种，连续性较差，垂直错距约为水平位移的4倍，断裂带东西两端具有不同的特点。最后对发震构造与地表地震破裂的性质不一致问题进行了简单讨论。     

用形变资料反演1976年唐山地震序列的破裂分布

1976年唐山发生了7.8级地震,相继又发生了两次大余震——滦县7.1级地震和宁河6.9级地震.地震发生在观测条件比较好的地区,水准测量和三角测量测得了地震的同震位移场.本研究采用原始水准测量数据,而不是采用根据水准数据处理的地面沉降图像,和三角测量数据反演了该地震序列的破裂分布.模型构建中考虑了滦县地震和宁河地震的断层形态和大小.结果表明,唐山地震主震断层有明显的右旋走滑性质,最大走向滑动错距>6 m,位于断层南段,北段的走滑分量明显小于南段.主震总地震矩达2.58×10²⁰N·m,与地震波反演得到的地震矩的量级相当;滦县地震断层总体表现为左旋正断层,释放地震矩达4.95×10¹⁹N·m;宁河地震断层总体表现为右旋正断层,释放地震矩达3.94×10¹⁹N·m,比地震波反演的地震矩大一个量级.据此可以推测唐山地震的无震滑移主要发生在宁河地震断层的西部上,滑动性质以正断层为主.该结果对于唐山地震序列后的动力学演变过程及余震发生机理有一定参考.     

1679年三河—平谷8级地震地表破裂端部特征及其地质意义

地震地表破裂端部的几何结构与运动学特征研究有助于科学认识断裂的破裂传播与终止过程。夏垫断裂是华北平原区最为重要的隐伏强震构造之一,于1679年发生了三河—平谷M8历史大地震,但其同震地表破裂长度及端部变形特征仍存争议。基于前人研究结果,在野外地质调查的基础上,跨1679年三河—平谷8级地震地表破裂端部布设了2条浅层地震勘探剖面,研究断裂端部的新活动特征。结果显示,断裂端部的最新活动时代为全新世,运动方式以走滑为主兼正断,且呈现出明显的滑动亏损特征。结合同震垂直位移分布等数据,分析认为该次地震的地表破裂仅长10余公里,与8级地震不匹配,其发震构造和机制仍需深入研究。     

1999年山西大同Ms 5.6地震的震源断层

大同震区先后在 1989、1991和 1999年发生MS >5地震 ,利用大同遥测地震台网的记录资料进行比较精确的地震序列震源定位 ,结合宏观烈度分布和震源机制解资料 ,详细地分析对比了 3次子序列的异同。结果显示 ,1999年MS5 .6地震的震源断层是走向NWW、长 16km、宽12km、埋深 5km以下、倾角近直立的左旋走滑断层。而前 2个子序列是NNE为主的右旋走滑断层活动所致 ,表明地震破裂方向发生了变化。这种 2个以上方向先后出现、并且强弱有别的地震破裂是普遍存在的 ,表明震源环境的复杂程度与地震序列的类型有关。虽然震区存在NE向的大王村断裂和NW向的团堡断裂 ,但目前没有证据说明震源断层和 2条构造断层连通。 3次子序列的震源断层都是走滑断层 ,也和 2条构造正断层有别。 1999年的子序列可能属于新破裂。     

基于GPS同震位移场约束反演2008年5.12汶川大地震破裂空间分布

2008年5月12日发生在四川汶川的大地震造成映秀—北川断裂和灌县—江油断裂同时破裂,分别形成了240多公里和70多公里的地表破裂带.本文以GPS观测获得的同震位移场为约束,反演地震破裂的空间分布.反演结果显示映秀—北川主破裂带倾向北西,沿破裂带的走向从南到北倾角逐渐变大,破裂断层的平均宽度在10~18 km左右.破裂断层的错动在南段以逆冲为主,在北段走滑分量逐步加大,右旋走滑成为断层破裂的主要特征.断层破裂最大段落错动量分别达到了7.8 m和7.4 m,恰好对应这次地震中地表破坏最为严重的映秀和北川地区.本次地震释放地震矩6.70×10²⁰N·m,相应矩震级M_w=7.9.     

中国甘肃昌马断裂带及其现代活动

昌马断裂带是是青藏高原北部一条活动强烈的左旋走滑断裂带。它表现为重力、航磁、地壳厚度的综合异常梯度带，属于断面陡、切割深的超岩石圈断裂。昌马断裂带由１２条长４公里至１８公里不等的不连续的主断层和４条次级断层组成，可划分为东、中、西三大段落。断裂的水平位移和滑动速率具有分段性，全新世以来，东、中、西三段的左旋水平滑动速率分别为４．１毫米／年，２．６毫米／年和１．５毫米／年。北东东、北北西和北西西三个方向断层的位移具有分级特征，不同级别的位移具有良好的同步性。全新世以来北东东、北北西和北西西三个方向断层的水平滑动速率分别为４．１毫米／年、３．８毫米／年和２．７毫米／年。白垩纪以来，昌马断裂呈天平式运动，显示了枢纽断裂运动特征，枢纽轴位于断裂中段。昌马地震震源破裂性质及其反映的震源应力场与地震破裂带的破裂性质及其反映的构造应力场不一致。昌马地震震源机制解反映了北北西～南南东挤压，作用应力近于水平的震源应力场；昌马地震破裂带的变形组合反映了东北～南西挤压的构造应力场。昌马地震破裂带长１２０公里，分为东部正走滑段、中部逆走滑段和西部尾端破裂段，显示了多个水平位移峰值。全新世以来，沿昌马断裂发生了６次强震事件，强震复发     

1999年台湾集集大地震的地表断层破裂特征

野外考察结果表明 ,1999年 9月 2 1日台湾集集大地震是由车笼埔断层发生逆冲作用造成的。地震产生的地表破裂长约 80km ,具有明显的挤压逆断层特征 ,其活动方式为具左旋性质的逆倾滑动。实测逆冲断层以 30°～ 50°的角向西北逆冲而上。断层的垂直位移量 ,南段约 2～ 3m ,北段约 3～ 8m ;断层的水平位移量 ,南段 0～ 3m ,北段 3～ 5m ;垂直断层的水平缩短量 ,南段 2～ 3m ,北段 3～ 6m。从台湾西部麓山带的地质构造剖面分析 ,地震震源恰好位于台湾西部麓山带中生代基底与其上的沉积盖层的界面的深度 ,而西部麓山带第三纪地层和其下的基底的分离面为一滑动面 (decolle ment)。在菲律宾海板块的挤压作用下 ,沿该区中生代基底之上滑动面的错动导致了地震的发生     

1976年唐山地震发震断裂的活动性研究

震后野外考察及航空摄影发现的地裂缝带,说明唐山断裂与１９７６年唐山７．８级大地震的发震构造有密切关系。用卫星遥感信息和浅层地震勘探结果对唐山断裂的活动性做了新的研究。卫星图像解释结果表明：震前一年多时间内,ＮＥ向的唐山断裂被ＮＮＷ向断裂截切而ＮＷＷ向断裂受到牵引,因而显示出右旋走滑的活动形迹。浅层地震勘探结果则证明,唐山断裂是倾向ＮＷ,高倾角的右旋走滑正断层,它断错了全新统（Ｑ４）、晚更新统（Ｑ３）、中更新统（Ｑ２）和早更新统（Ｑ１）地层