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。     

近场强震记录对汶川地震破裂过程的解释能力研究

选用方位角覆盖较均匀的43个近场强震记录,通过基线校正、积分和滤波后得到速度时程。采用非负最小二乘法和多时间视窗技术,反演了2008年汶川地震破裂过程。研究表明:①所选43个近场台站记录对近乎平行的北川断层南段和彭灌断层的滑动分辨能力不同,所选记录能很好地分辨北川断层南段的滑动,而对彭灌断层的滑动分辨能力要差;②为满足破裂后方区域台站合成记录的第二个波包,北川断层南段或彭灌断层需产生往破裂后方西南侧方向的破裂。综合考虑波形拟合残差及反演结果与地表破裂数据的吻合情况,得到可能的破裂顺序:破裂起始于北川断层南段深部低倾角位置,接着引起彭灌断层破裂,进而引起小鱼洞断层破裂,小鱼洞断层触发北川断层南段高倾角区域发生双侧破裂。     

汶川地震近场加速度基本参数的方向性特征

以2008年5月12日的Ms8.0级汶川地震强震记录为基础,根据场地条件和断层距,选取198组三分量近场加速度记录,按照台站相对于破裂传播方向的位置将其划分为破裂前方和破裂后方两类场点.为了考虑破裂传播的方向性和地震辐射图对地震动不同分量的影响,将每组地震动的两个正交水平分量旋转成为垂直断层走向和平行断层走向的分量,然...     

汶川Ms8.0地震动力学背景的数值模拟实验

2008年5月12日汶川Ms8.0地震发生在龙门山断裂带.地球物理研究者利用多种方法对此次地震的动力学成因及过程进行了研究,本文从研究断层错动行为的角度出发来探索影响汶川地震断层初始破裂及破裂的传播过程的动力学因素.     

汶川M_W7.9地震起始破裂断层几何结构

本文收集使用紫坪铺水库台网记录到的汶川地震主震P波波形资料,利用P波反投影叠加法获取了2008年5月12日汶川M_W7.9地震起始破裂的时空演化过程.通过分析本次大地震起始破裂阶段(0～1s)破裂点在三维空间内的分布特征,确定了本次大地震起始破裂位置及起始破裂断层几何结构模型.得到以下结果:汶川地震起始破裂点位于31.013±0.002°N、103.392±0.002°E,震源深度为8.2±0.4km,发震时刻为2008年5月12日14∶27∶58.80±0.4.汶川地震起始破裂的最佳断层面走向为NE48°,倾向NW35°,起始阶段破裂的深度范围为地下7.5～9km.     

汶川地震近震源区地形变短期前兆现象的解析

2008年汶川8.0级地震是我国自建国以来灾难最为严重的一次强地震, 有关震前该区域地壳变形情况引起许多学者的关注。 本文给出了沿龙门山地震带地倾斜及跨龙门山断裂断层水准剖面临震前变化的特征: 汶川地震前沿龙门山地震带分布的康定、 汶川及茂县台地倾斜无明短期显变化; 6个断层水准观测场地, 除耿达场地观测到较大幅度变化有争议外, 其他断层观测场震前均未观测到突出的短临前兆性异常变化。 本文分析了汶川地震前大区域地震活动性资料及震前沿南北地震带显著形变异常点分布特点, 探讨了汶川地震震中区域应变积累过程, 认为近震源区域无显著短期前兆变化现象很可能与震中区域介质所具有的高应变、 小变形性质有关。 另外, 也不排除地形变观测点所处的位置等有关因素。     

考虑地形起伏和障碍体破裂的汶川地震强地面运动数值模拟

2008年5月12日四川汶川地区发生M_W7.9地震,震中位置103.4°E,31.06°N.这次地震造成了以汶川、映秀为中心及其周边地域建筑物的严重破坏和人员的重大伤亡,且因为高山等地形复杂区域抢险救灾的艰巨性,为及时救援造成很大干扰.为更好理解地形因素对于强地面数值模拟结果的影响,建立了包含地形起伏影响及去除地形影响的两类模型.同时,依据震源破裂过程运动学反演结果,建立了包含障碍体破裂过程的震源滑动模型,实现断层分段、空间倾角以及滑移角的动态设定.基于动力学的地震动模拟方法,通过对地震波传播过程的数值计算和后处理分析,模拟由地震激发的区域强地面运动过程.结果显示：（1）强震动台站的断层距对地形效应具有放大或抑制作用,距离断层破裂带越近,地形效应越明显,反之,距离越远,则地形效应越微弱;（2）因为地形高差与障碍体的影响,地震造成的峰值可能出现在震中区域之外;（3）考虑地形影响模型的地表峰值速度（PGV）区域位于汶川与北川附近;而未考虑地形影响模型的PGV区域位于灌县—江油断层的后半段,处清平、安县附近;对汶川地震近实时强地面运动波场的模拟、峰值图谱的圈定及未来大地震强地面运动特征的预测都有重要指示意义.     

2008年汶川大地震单侧破裂过程的动力学机制研究

2008年汶川大地震的破裂过程极其发杂,向东北方向的破裂距离长达300 km,而向西南方向的破裂长度很小,呈现出单侧破裂的主要特征.尽管汶川地震破裂呈单侧传播的现象引起许多地震学家的关注,但其物理机制至今还不是十分清楚.本文利用有限单元计算方法,模拟了汶川地震的破裂过程.模型中根据龙门山断裂带两侧（东南侧为四川盆地,西北侧为川西高原）实际的地震波速度来确定模型的介质物性参数,利用目前观测的应力环境来选定初始应力条件.模拟结果表明：破裂在汶川地震的震中处成核后,先向断层两侧自发传播,但向东北方向的传播距离明显大于向西南方向;断层面上的正应力在东北方向（破裂的正方向）随着传播距离的增大而不断减小,位错速率随着破裂的传播距离而越来越大,其脉冲变得越来越尖锐,即产生了Weertman脉冲.研究结果显示：由于这种脉冲的出现,破裂在正方向上（东北方向）能够自己放大、自己愈合、自行维持,摩擦热极小,所以破裂能够沿着东北方向一直传播,直到应力场方位发生变化,不利于破裂时才最后终止.但在西南方向,破裂过程中断层面上的正应力增大,阻碍破裂继续扩展.最后就出现了汶川地震中破裂朝东北方向单侧优势传播的基本格局.模拟结果还表明：若断层面两侧介质均匀,则破裂向两侧是对称传播,且破裂距离很短,因此这种情况无法产生像汶川大地震那样的特大地震.因此,文中的模拟结果表明龙门山断裂带两侧的物性差异是造成汶川大地震单侧传播的决定性因素.断层两侧物性差异（bimaterial contrast）影响断层破裂过程的研究对于深入认识地震动力学过程、地震灾害预测及评估等有重要的科学意义.     

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．     

汶川地震震害与活动断层“避让带”宽度的分析研究

正2008年5月12日中国汶川发生里氏8.0级特大地震,沿地表可见活动断层无坚不摧的地震地表破裂与强烈的地震动使得地表破裂带沿线及其两侧近断层的建筑物遭受了毁灭性的破坏,同时,地震引发的大量山体滑坡、岩石崩塌、泥石流等次生地质灾害,加重了建筑物破     

汶川地震强震动地面倾斜研究

根据三分量强震动传感器水平摆和竖向摆对倾斜的动力响应差异,利用谱比法计算出汶川MS8.0地震中近断层强震动的断层法线方向和平行方向的同震地面倾斜. 结果表明, 本次地震中强震动观测台处地面倾斜一般小于1deg;,影响频段主要在0.1 Hz以下,发生较大倾斜的台站主要在距地表破裂迹线30 km以内,在100 km之外或水平向加速度幅值均方根在200 cm/s2以下时很少发生0.01deg;以上的同震地面倾斜．总体上看,上盘区域的倾斜值普遍小于下盘区域,法线方向倾斜值一般大于平行线方向倾斜值．位于前山断裂与中央断裂之间区域的绵竹清平台谱比较低但平缓且频带较宽,可能反应了该区域的运动特殊性,而汶川卧龙台则显示了上盘边缘区域地面倾斜较大．逆冲段与走滑段台站倾斜对比显示,地面倾斜可能受局部场地条件影响较大．      

多断层破裂行为与大震预测

正多断层破裂(Multifault rupture)指一次地震中多条断层同时破裂,这些破裂的规模、走向甚至破裂性质往往具显著差异。近10年来,我国2008年汶川MS8.0、2010年墨西哥El Mayor-Cucapah MW7.2和2016年新西兰Kaikōura MW7.8地震都是非常典型的多断层破裂型地震。汶川地震产生了3条规模悬殊的破裂带,最长的北川—映秀破裂长约240 km,NE走向,逆冲为主,向北转为     

近场位移数据约束的2013年芦山地震破裂模型及其构造意义

以往的研究显示了2013年芦山MS7.0级地震发震断层的隐伏逆冲断层基本特征,但是破裂深部细节差异较大.本文以近场密集的同震形变数据约束芦山地震破裂面几何形状及滑动分布,结果显示芦山地震破裂面具有铲状结构,上部16km为43°~50°高角度断层,深部16~25km为小于27°的低角度断层,破裂深度与重定位的余震分布深度一致.破裂分布模型清楚显示上下两个断层上各有一个滑动幅度大于0.5m的峰值破裂区,最大滑动量1.5m位于13km深处.重定位的余震分布基本都落在最大滑动量等值线外部库仑应力增加的区域.芦山地震破裂面几何形状和滑动分布特征与2008年汶川MS8.0级地震映秀—北川破裂相似,支持龙门山冲断带发育大规模的近水平滑脱层,是青藏高原东缘地壳缩短增厚、龙门山挤压隆升的重要证据.     

龙门山地区的kappa（κ0）模型及汶川MS8.0地震的强地震动模拟

在地震动模拟中,高频衰减参数（κ₀）是一个重要的参数,它控制了傅里叶谱高频部分的衰减特性.本文利用汶川M_S8.0地震和芦山M_S7.0地震主余震的1671组强震动观测记录,计算了龙门山地区50个断层距小于150 km的强震动台站的κ₀,基于随机有限断层法模拟了汶川地震中这些台站的加速度时程、傅里叶振幅谱和反应谱,并与前人的研究进行比较.结果表明,合理计算的κ₀可以有效地改善加速度时程振幅和高频谱（>1 Hz）的模拟结果.另一方面,本文基于κ₀与地形高程的相关性,建立了龙门山地区的κ₀经验模型.分别采用该经验模型和κ₀= 0.04 s模拟了汶川地震的峰值加速度分布,并与观测记录进行比较.结果表明,采用本文提出的κ₀模型可以更好地重现汶川地震的峰值加速度分布,特别是在断层破裂方向的反方向区域和山区.综上,汶川地震中山区的峰值加速度明显大于盆地地区的现象,不仅与断层破裂产状有关,还与山区和盆地地区的κ₀之间显著的差异有关.     

2008年汶川地震近断层地震动的非平稳特征

利用中国强震动台网获得的汶川地震近断层强震动数据,研究汶川地震近断层地震动的强度和频率的非平稳特征,并对其非平稳特征的原因进行初步分析.研究表明近断层地震动强度和频率表现出很强的非平稳特性,这种非平稳特征主要受震源破裂机制、台站方位和局部场地条件的影响.破裂传播正向和反方向上地震动强度和频率的时间过程有显著的不同.在破...     

基于强震动台阵记录的震源破裂长度实时估测方法

本文提出一种通过小孔径台阵波束形成技术快速估测震源破裂长度的方法,同时提出了调整各台站相位的方法,即在每个台站的延时无法确定的情况下,近似地得到每个台站之间相位差的方法。在此基础上,利用自贡强震动观测台阵在汶川地震中得到的主震地震动记录进行了破裂长度的离线快速估测。结果表明,该方法的时效性较好,在地震动加速度峰值到来前约10 s时,便得到了断层破裂长度（约120 km）和相应破裂走向的估测结果,虽然此时的估测结果与最终估测结果（约230 km）有较大的偏差,但从实现快速地震预警的角度来看,还是有较好的实际意义。通过与前人的研究结果进行对比,结果显示该方法低估了东北方向的破裂长度,于是探讨了该现象产生的原因及可能的解决方案。最后对这种算法的计算速度进行了测试分析,结果表明通过并行计算该方法能够满足实时断层破裂长度估测的要求。      

汶川地震区断层围陷波探测

对汶川地震区开展震后科考和断层围陷波探测,本文主要介绍平通镇断层围陷波探测及初步结果。平通镇处在汶川8．0级地震断层带正上方,地表破坏十分严重。该断层围陷波测线横跨断层,以地震探槽为大致中点,沿NW—SE方向两端延伸,测线长约400m。这次观测结果表明,在汶川8．0级地震的新破裂带中可以观测到断层围陷波,反映了断层带内外的介质在物理性质上有较大的差异。该测线记录的断层围陷波优势频率大约为3—4Hz。探槽附近的台站断层围陷波较强,初步推测,该地段地壳内断层的宽度大约有200m。     

由S波分裂随时间变化导出的断层快速愈合的证据

Tadokoro等(1999)曾对野岛断层带1995年兵库县南部地震后9～12个月期间的地震做了s波分裂分析。其快速剪切波偏振方向Ψ始终与断层走向平行，这表明剪切断层是破裂的起因。在该项研究中，我们另外做了主震后33～45个月的S波分裂分析并检测到了Ψ的旋转，其结果是Ψ平行于和断层走向斜交的区域最大水平压应力方向。这一剪切波偏振方向随时间的变化表明，在上述两个时段之间由剪切断层引起的破裂完全愈合，而构造应力引起的裂纹也得以恢复。在主震后33个月内所完成的这一变化过程，是断层快速愈合的强有力的证据。     

利用PGA快速确定汶川地震破裂特征

快速确定断层破裂特征是烈度速报的一项重要技术,断层破裂特征可为烈度速报提供震源模型,提升烈度速报准确性。通过汶川地震加速度记录,提出一种快速计算震源破裂参数的方法。 假定断层为线源模型,以一定间距将断层离散化为若干子源,以震中为不动点,通过旋转获得所有断层可能的走向,通过每次移动一个子源,获得断层所有可能的破裂方式,将二者结合即可给出断层所有可能的空间分布;计算每种断层空间分布与每个台站的断层距,利用加速度记录峰值和断层距统计回归衰减关系,分析每个衰减关系的拟合残差,残差最小拟合效果最好的衰减关系所对应断层参数,能够对该次地震的地震动场有最合理的解释,也最有可能是实际地震中的断层空间分布。     

汶川地震破裂过程联合反演及高频辐射研究

汶川地震是发生在叠瓦状曲面断层上的一次复杂破裂过程,北川—映秀断层和灌县—江油断层以及与其垂直相交的小鱼洞断层均有地表破裂发生,已有动力学和运动学研究表明断层破裂扩展至3个断层相交处发生了重要的转换。因而,北川断层、彭灌断层和小鱼洞断层的破裂顺序是反演汶川地震破裂过程的关键。本文首先建立合理的三维复杂断层模型,采用3种可能的破裂方式,基于并行非负最小二乘法和多时间视窗技术,联合远场、近场、GPS和地表破裂资料,反演汶川地震精细破裂过程,给出了合理的破裂方式。进一步采用近场加速度记录和差分进化方法,反演断层面上高频辐射分布规律,对比分析高低频地震波辐射的差异。主要成果如下:1.综合考虑三维发震构造模型、余震分布和地表破裂调查,建立更符合实际的曲面断层模型;采用远场36个台站垂直向P波位移记录,利用并行非负最小二乘法结合多时间视窗技术,反演了汶川地震破裂过程。研究表明:(1)目前震源破裂过程反演广泛采用的单侧破裂,在北川断层虹口—映秀近地表区域不产生与地表破裂相符的位错。如果彭灌断层与小鱼洞断层相交处发生双侧破裂,则会在断层南段近地表处产生高达4 m的位错,且在北川断层虹口—映秀近地表区域不产生位错,这与地表破裂矛盾。而北川断层浅部区域从与小鱼洞断层相交处发生双侧破裂,则会在虹口—映秀近地表产生与地表破裂相符的位错,明显优于单侧破裂。综合3种破裂方式的结果,本文认为北川断层在与小鱼洞断层相交处发生双侧破裂更符合汶川地震的实际情况。(2)北川断层南段和彭灌断层空间上接近,两者在远场台站的格林函数波形相似,基于远场记录的反演不能区分两者的位错,且北川断层南段位错分布的可靠性大于彭灌断层的位错分布。2.选用近场方位角覆盖较均匀的43个台站三分向速度记录,采用并行非负最小二乘算法结合多时间视窗技术,得到了汶川地震破裂过程。研究表明:(1)与远场记录反演结果相似,单侧破裂和彭灌断层在与小鱼洞断层相交处发生双侧破裂,北川断层虹口—映秀浅部都不产生位错。要使虹口—映秀区域发生与地表破裂吻合的位错,只有北川断层在与小鱼洞断层相交处发生双侧破裂才能满足,所以北川断层需发生双侧破裂。北川断层西南侧高倾角区域有明显的破裂停顿和二次破裂,部分区域破裂持时可达15 s左右。(2)51MZQ、51SFB、51MXN和51MXT等台站水平向较大的PGV与断层面相邻区域的滑动速率具有很好的一致性。说明断层面上发生较大滑动速率的区域,其临近台站往往伴随有较大的PGV产生。3.为了克服单一数据分辨率不足的缺陷,联合远场和近场资料以及联合远场、近场、GPS和同震位移观测资料反演了汶川地震破裂过程。研究表明:(1)联合远场和近场资料,提高了北川断层南段高倾角部分、PGF南半段区域以及北川断层北川附近滑动分布的识别能力。(2)反演中加入GPS资料能很好地控制断层浅部和北川断层北段的滑动分布。(3)联合反演结果显示,汶川地震破裂持续时间达100 s,释放地震矩为1.058×1021 N·m,断层面上存在5个凹凸体,表明此次地震至少由5个子事件组成。滑动主要分布在北川断层上,说明北川断层是主要的破裂面。在北川断层南段上,龙门山镇下侧以及虹口—映秀近地表区域的位错以逆冲错动为主,最大滑动量达12 m,位于虹口下侧;在岳家山到清平近地表附近错动以逆冲为主兼有走滑错动,最大滑动量约为10 m。北川断层北段上,北川附近滑动以逆冲为主,最大滑动量10 m;南坝到青川区域以走滑错动为主,最大滑动量10 m。在彭灌断层上,白鹿下方区域的位错也以逆冲为主,断层深部位错达8 m。4.利用芦山地震记录建立的加速度包络衰减关系和汶川地震近场30个台站的加速度包络,基于线源模型采用差分进化方法反演了汶川地震断层面上高频(1 Hz)辐射区域分布。结果表明:(1)断层面上高频辐射分布很不均匀,辐射较强的区域主要位于:产生较大地表破裂的映秀、北川和南坝区域;映秀和北川等凹凸体的周边区域,包括震中东北侧60—90 km区域、北川和南坝东北侧30 km处;断层破裂停止的东北端约30 km长的区域。其中,破裂贯穿到地表的映秀、北川和南坝是高频和低频辐射都很强的区域。(2)对于无观测记录场点,选择其临近且场地条件类似的台站加速度提取平稳随机过程,结合高频辐射分布和衰减关系得到的包络,合成了加速度时程,可为汶川地震结构震害分析提供地震动输入。