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.     

逆冲型地震地表破裂带宽度与活断层“避让带”的分析研究

综合分析大量汶川地震地表破裂带宽度资料与其它逆冲型断层历史地震地表破裂带宽度数据,采用统计分析方法,计算得出逆冲型活断层“避让带”的有效宽度约为30 m,并给出活断层上盘的避让宽度约20～ 22.5 m,下盘的避让宽度约为7.5～10 m.研究结果可为建筑工程避让逆冲型断层和其他类型断层提供参考依据.     

对汶川地震小鱼洞地表破裂带的调查分析

2008年5月12日的汶川8.0级地震使龙门山断裂带形成了3条同震地表破裂带,这表明有多条活动断层同时参与地震破裂,其过程复杂,现象丰富。本文对小鱼洞地表破裂带及其与另2条地表破裂带的交汇区域进行了野外调查,并对小鱼洞地表破裂带的活动性质和展布特征进行了分析。小鱼洞地表破裂带位于彭州市小鱼洞镇附近,是汶川8.0级地震形成的一条走向NW的逆冲并具有左旋走滑分量的同震地表变形带。调查结果显示,小鱼洞地表破裂带表现出明显的分段性特征：小鱼洞镇一带的中段,逆冲量和走滑量最大;小鱼洞镇向东南方向延伸的南段,逆冲量和走滑量逐渐变小;小鱼洞镇向西北方向进入山区的北段,则表现为以逆冲为主的活动性质。     

汶川地震小鱼洞破裂带与北川地区地表变形构造探讨

2008年5月12日发生汶川MS8.0地震,青藏高原东缘的龙门山推覆构造带上三条断层同时发生运动,分别为后山断裂(汶川-茂县断裂)、中央断裂(北川-映秀断裂)、及前山断裂(灌县-江油断裂)。震后调查数据显示,这三条倾向西北的覆瓦状逆断层中,中央断裂的地表破裂最为剧烈,前山断裂次之,后山断裂的地表破裂极小不易查觉。中央断裂的地表破裂带长约240km,以兼有右移分量的逆断层破裂为主,最大垂直位移6.2m,最大右移量4.9m;前山断裂的地表破裂带长约72km(或称90km),是典型的纯逆冲断层所造成,最大垂直位移达3.5m。此外,在中央与前山断裂之间还发育了一条长约6km,兼具逆冲与左移性质的小鱼洞破裂带。伴随汶川地震发育的地表破裂,是近年发生大地震中总破裂长度最长,破裂形式也较复杂的,各破裂带之间的几何与运动关系有许多值得深入探讨的问题。     

2008年汶川地震断层北川段的几何学与运动学特征及地震地质灾害效应

2008年5月12日M_S8.0 汶川大地震的主要发震断层是龙门山断裂带的映秀—北川断裂.本研究通过地震后的实地调查和地震前后高空间分辨率航空与卫星影像的解译,对映秀—北川断裂带北川段（擂鼓镇—曲山镇）同震地表破裂带的几何学与运动学特征及相关地震地质灾害进行了详细分析.研究结果表明5·12汶川大地震沿映秀—北川断裂带产生的地表破裂带正穿过北川县城—曲山镇中心,并在曲山镇周围诱发了一系列大型滑坡和岩崩等地质灾害,致使北川县城遭到毁灭性破坏.野外考察表明北川段最大逆冲量和右旋走滑量都达8~10 m,这也是映秀—北川地表地震破裂带中位移量最大的地段.同时,值得注意的是曲山镇一带正是地震断层几何学和运动学特征改变的转换地带：曲山镇及其南西部断层倾向北西,呈现以逆冲为主兼右旋走滑的特征;在曲山镇北东断层倾向南东,表现为右旋走滑分量与垂直分量相当,走滑活动特征更明显.研究结果还表明,逆冲-走滑型（或斜向逆冲型）同震地表破裂带的几何学和运动学特征直接影响地震地质灾害及其破坏程度,地震地质灾害的分布表现出明显的不对称性：断层NW盘（上盘）远远强于SE盘（下盘）.地震断层的几何学特征与断层运动的应力及坡向的自由面之间相互作用,加强了滑坡、岩崩等地质灾害的破坏力.因此,汶川大地震为我们研究逆冲-走滑型同震地表破裂的几何学、运动学特征及其地震地质灾害效应提供了契机.     

汶川M_S8.0地震地表破裂带及其发震构造

震后应急野外考察表明,2008年5月12日汶川MS8.0地震在青藏高原东缘龙门山推覆构造带上同时使北川-映秀断裂和灌县-江油断裂两条倾向NW的叠瓦状逆断层发生地表破裂。其中,沿北川-映秀断裂展布的地表破裂带长约240km,以兼有右旋走滑分量的逆断层型破裂为主,最大垂直位移6.2m,最大右旋走滑位移4.9m;沿灌县-江油断裂连续展布的地表破裂带长约72km,最长可达90km,为典型的纯逆断层型地表破裂,最大垂直位移3.5m;另外,在上述两条地表破裂带西部还发育着1条NW向带有逆冲垂直分量、左旋走滑性质的小鱼洞地表破裂带,长约6km。这一地表破裂样式是近期发生的特大地震中结构最复杂的一次逆断层型地表破裂,地表破裂的长度也最长。利用已有的石油地震剖面,结合余震分布和地表破裂带特征等资料构建的三维发震构造模型表明,龙门山推覆构造带现今和第四纪时期以地壳缩短为主,斜滑逆冲型地震表明青藏高原中东部的水平运动在华南地块与巴颜喀拉地块之间的龙门山推覆构造带上转化为地壳的缩短和隆升     

汶川8.0级特大地震的断裂特性与强地面运动的关系

2008年汶川8级地震的发震构造是高角度铲形逆冲断层,伴随这种类型地震的远近场强地面运动在中国是第1次被记录到。综合汶川地震发震构造、破裂过程和强地面运动峰值加速度的资料,探讨高角度铲形逆冲断裂作用与强地面运动的关系。结果显示,龙门山断裂带内强地面运动峰值加速度明显大于断裂带外的台站,前者可达后者的2倍多。同时,该地震强地面运动具有很大的垂直分量,近断层垂直分量大于水平分量。结合远场资料,发现龙门山断裂带上盘峰值加速度垂直分量总体上大于下盘,上盘垂直分量的衰减比下盘慢。不考虑远场的高值异常,水平分量似乎也存在上盘效应,但目前无证据表明这些异常应该被剔除。另外,远场地面运动特征显示,相对于反方向,沿同震断层扩展方向(NNE)的峰值加速度水平分量衰减较慢,垂直分量的这种方向效应不明显。考虑到汶川地震破裂浅、断面陡和以垂直形变为主这3个显著的同震构造特性,近场和远场地面运动记录反映出位错类型和台站的实际断层距的控制作用。正因为汶川地震高角度铲形逆冲断裂结构的特殊性,导致其地面运动与普通逆断型地震强地面运动的同震效应在某些分量上相同,其他分量存在差异。     

龙门山山前疑似汶川M_S 8.0地震地表破裂的浅层地震反射调查

2008年5月12日发生在龙门山构造带的汶川MS8.0大地震是映秀-北川断裂突发错动的结果。此次地震不但使NE向的映秀-北川断裂和灌县-江油断裂发生了地表破裂,而且,在成都平原区的什邡、绵竹等地也出现了不同程度的地表裂缝、公路拱曲以及带状的喷砂冒水现象。此项探测研究以出现在什邡市师古镇附近的疑似地震地表破裂带为切入点,通过采用可控震源以及高精度的浅层地震反射勘探方法,获得了深度15～800m范围内高分辨率的地下结构和构造图像。结果表明,在地表破裂之下存在向平原区逆冲的隐伏断层和反向的逆冲断层,地震过程中隐伏逆断层的活动可能是近地表地层出现褶皱变形和地表破裂的主要原因     

逆冲型地震强地面运动特性的研究——以1999年台湾集集地震和2008年汶川地震为例

<正>相对于走滑型和正断型地震,逆冲型地震具有更强的地表作用,相应的潜在地震灾害也严重得多。具有极大破坏性的逆冲型大地震一般发生于大洋板块的俯冲边界或大陆碰撞边界,而罕见于陆内构造环境。作为特例,1999年台湾集集7.6级地震和2008年四川汶川8.0级地震均发生于陆内逆断层上。其中,汶川地震发生在高倾角的铲形逆断层上,是更加特殊的震例。由于地震规模巨大,震区人口密集,这两次地震都造成了严重的地震灾害和大量人     

龙门山断层地震周期及其动力学过程模拟研究

在断层面上引入速率-状态相依摩擦本构关系、考虑铲形逆冲断层几何结构特征、断层下盘和上盘中下地壳及上地幔为黏弹性介质、上盘上地壳为弹塑性介质,本文用二维有限元动力学模型模拟了龙门山断层上大震准周期复发行为、分析了断层上地震孕育位置、地震周期不同阶段的应力/应变场演化特征.不同于近垂直走滑断层上的地震周期行为,大陆铲形逆冲断层上的构造应力的积累和释放过程更复杂、有其独特性.我们得到如下认识：（1）铲形逆冲断层上的地震复发是准周期行为.（2）龙门山断层最大库仑应力位于断层17~20 km深处,应力长期积累和同震释放都在此深度最大,说明地震会在此处孕育、发动.（3）在断层破裂的深部和浅部,同震滑动大小和构造应力释放大小并非同步,而是差异悬殊.（4）地震仅部分释放区域积累的应变能,断层上盘上地壳顶部和底部的褶皱、破裂等永久变形形式也是释放应变能的重要形式.（5）应变能密度增量的演化图像分为：震间、同震、震后期,清晰反应了龙门山断层附近的地震动力学过程.（6）地震发生除释放能量外,同时也对近断层的中地壳和断层底部有很大的应变能加载;这些加载,在震后期可能通过震后滑移、余震或中下地壳乃至上地幔的驰豫形变用几十年时间释放.以上对大陆内铲形逆冲断层上变形特征的了解,有助于我们在其地震周期行为中评估地震危险性.     

2008年汶川8.0级地震发震断裂的滑动速率、复发周期和构造成因

2008年5.12汶川大地震发生在中国大陆南北地震带中段.由于龙门山断裂带历史上只发生过3次6～6¹/₂级强震,而且其晚第四纪构造活动速率很低,以至于对其潜在地震危险性认识不足.为什么在龙门山地区突发大地震,该地震具有哪些特征？其成因机制是什么？本文在地震地质科学考察的基础上,利用震前的GPS观测结果,试图对上述问题进行一些初步的思考和探讨.结果表明,5.12汶川大地震是龙门山断裂带的映秀—北川断裂突发错动的结果,地表上形成200多公里长的地表破裂带;灌县—江油断裂在地震中也发生了破裂,形成的地表破裂带长达60多公里.震前的GPS观测表明,横跨整个龙门山断裂带的滑动速率不超过～2 mm/yr,单条断裂的活动速率不超过～1 mm/yr,与地震地质研究结果和历史地震记录相一致.利用地震地质考察和地震波反演得到的最大同震位移可以获得相当于5.12汶川大地震的强震复发周期为2000～6000年.龙门山断裂带发育在破裂强度很大的变质杂岩体中,断裂带本身在剖面上呈“犁形”或“铲形”结构,有利于能量积累,形成破坏性巨大的地震.所以,5.12汶川大地震是一次低滑动速率、长复发周期和高破坏强度的巨大地震,是一种值得高度重视和深入研究的新的地震类型.     

Coseismic vertical deformation of the MS8.0 Wenchuan earthquake from repeated levelings and its constraint on listric fault geometry

The devastating M_S8.0 Wenchuan earthquake ruptured two large parallel thrust faults along the middle segment of the Longmenshan thrust belt. Preseismic and postseismic leveling data indicated the hanging wall of the YingxiuBeichuan-Nanba thrust fault mainly presented coseismic uplift with respect to the reference point at Pingwu county town, and the observed maximum uplift of 4.7 m is located at Beichuan county (Qushan town) which is about 100 m west of the fault scarp. The foot wall of the Yingxiu-Beichuan-Nanba thrust fault mainly showed subsidence with maximum subsidence of 0.6 m near the rupture. By employing a listric dislocation model, we found that the fault geometry model of exponential dip angle δ= 88°?×1-exp(-9/h) with depth of 18 km and uniform thrust-slip of 5.6 m could fit the observed coseismic vertical deformation very well, which verifies the listric thrust model of the Longmenshan orogenic zone.

     

断裂两盘岩性差异对汶川地震的影响

岩性差异导致层间变形差异是常见的构造变形现象.龙门山断裂带中段北川—映秀断裂虹口至清平段,断裂上盘为坚硬的前震旦系褶皱基底,下盘则为软弱的前陆盆地沉积物,两者之间具有较大的岩性差异.本文利用基于R-minimum的有限元算法对在一个地震复发间隔内的断层活动进行非线性摩擦接触模拟.计算结果显示,上下盘泊松比的差异则对断层破裂时间及快体变形影响不大,但不同的泊松比条件下断层的破裂过程略有不同,而上下盘杨氏模量的差异能够延迟断层的破裂时间,延长破裂过程,扩大地震复发间隔,且扩大了下盘深度10 km以上和10 km以下地层变形的差异.双断坡构造能够通过深部的应力分解来削弱断层下盘深度10 km以上的变形,但是在上下盘岩性一致的情况下,双断坡构造推迟了主断层的滑动时间,延长了破裂过程,而在强硬上盘和软弱下盘共存的条件下,发育于软弱下盘的次级破裂并不能对主断层的破裂时间和破裂过程造成较大影响.北川—映秀断裂上盘强硬的彭灌杂岩和下盘软弱的含碳沉积地层对汶川地震双断坡式破裂的生成具有重要的促进作用.     

TWO-DIMENSIONAL WHOLE CYCLE SIMULATION OF SPONTANE-OUS RUPTURE OF THE 2008 WENCHUAN EARTHQUAKE USING THE CONTINUOUS-DISCRETE ELEMENT METHOD

The May 12, 2008 M_S7.9 Wenchuan earthquake is ranked as one of the most devastating natural disasters ever occurred in modern Chinese history. The Longmenshan Fault(LMSF) zone is the seismogenic source structure, which consists of three sub-parallel faults, i.e., the Guanxian-Jiangyou Fault(GJF) in the frontal, the Yingxiu-Beichuan Fault(YBF) in the central fault and the Wenchuan-Maowen Fault(WMF) in the back of the LMSF. In this study, geological survey and seismic profiles are used to constrain the faults geometry and medium parameters. Three visco-elastic finite element models of the LMSF with different main faults are established. From the phase of interseismic stress accumulation to coseismic stress release and postseismic adjustment, the Wenchuan earthquake is simulated using Continuous-Discrete Element Method(CDEM). Modeling results show that before the 2008 Wenchuan earthquake, the GJF becomes unstable due to the interaction between its unique fault geometry and the tectonic stress loading. In the fault geometry model, the GJF is the most gently dipped fault among the three faults, which in return makes it having the smallest normal stress and the greatest shear stress. The continuous shear stress loading finally meets the fault failure criteria and the Wenchuan earthquake starts to initiate on the GJF at the depth of 15~20km. The earthquake rupture then propagated to the YBF. At the same time, due to the GJF and YBF rupture, the interseismic stress accumulation has been greatly reduced, causing the WMF failed to rupture. Although the stress accumulation in the WMF has been reduced significantly after the earthquake, yet it has not been released completely, which means that the WMF likely has with high seismic risk after the 2008 Wenchuan earthquake. We also find that the stress perturbation caused by gently dipping segment of the fault can promote the passive rupture in the steeply dipping segment, making the upper limit of dip angles larger than traditional assumption.     

1976年唐山MS7.8地震同震及现今形变特征

基于1976年唐山M_S7.8地震的同震位移和现今GPS速度结果, 本文分析了该地震的同震破裂参数、 同震应变释放分布及其现今应变积累特征． 对唐山同震位移二维位错解析公式的拟合结果显示, 唐山地震前的断层闭锁深度约为18—23 km, 断层倾角可能介于74°—90°之间, 同震位错量约为3.1—3.4 m． 在同震过程中沿发震断层表现出显著的右旋错动特征, 在发震断层两侧沿NE向表现出左旋应变释放特征． 在本文现有的GPS测站密度和精度情况下, 尚无法识别出现今阶段沿唐山断裂的明显蠕滑特征． 唐山同震应变释放和现今GPS应变率积累结果均显示, 唐山断裂SE侧的剪切形变(速率)量值大于其NW侧, 同震与现今阶段的形变量值相差约1000倍．      

基于形变观测分析2011年日本9.0级地震与断层运动间关系

2011年3月11日日本发生9.0级地震,本文以此次地震的震间、同震和震后形变观测为约束,依据不同时段断层运动空间分布特征分析日本海沟地区强震与断层运动间关系.震间日本海沟地区,断层运动闭锁线深度约为60km,闭锁线以上从深到浅依次为断层运动强闭锁段、无震滑移段和弱闭锁段.由同震位错反演结果,2011年日本9.0级地震同震存在深浅两个滑移极值区,同震较浅的滑移极值区(同震位错量10~50m,深度小于30km)震间为断层弱闭锁段;同震较深的滑移极值区(同震位错量10~20m,深度在40km左右)震间为断层强闭锁段;而在两者之间的过渡带同震位错相对较小,震间断层运动表现为无震滑移.震后初期断层运动主要分布在在闭锁线以上的同震较深滑移极值区,而同震较浅的滑移极值区能量释放比较彻底,断层震后余滑量相对较小.依据本文同震和震间断层运动反演结果,震间强闭锁段积累10m同震位错需要100多年时间,与该区域历史上7级地震活动复发周期相当;震间弱闭锁段积累30~50m同震位错约需要300~600年时间,与相关研究给出的日本海沟9级左右地震复发周期比较一致.在实际孕震能力判定的工作中,由于不同性质的断层段在同震过程中会表现更多的组合形式,断层发震能力判定结果存在更多的不确定性,但利用区域形变观测等资料给出震间断层运动特征的研究工作对于断层强震发震能力的判定具有非常重要的实际意义.     

2010年1月12日海地 Mw7.0地震InSAR同震形变观测及同震滑动分布反演

2010年1月12日GMT时间21时53分,在海地境内(72.57°W,18.44°N)发生了Mw7.0地震.文中利用干涉合成孔径雷达(InSAR)方法获得了覆盖整个震区的高精度形变观测资料,用以研究该地震的发震机理.采用ALOs PALSAR数据,分析了轨道、大气等误差源对干涉信号的影响,最终获得了雷达视线向(LOS...     

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．      

2008年汶川8.0级地震前横跨龙门山断裂带的震间形变

利用区域GPS和水准测量资料,结合地震构造背景的分析,本文研究2008年汶川8.0级地震前横跨龙门山断裂带地区的震间地壳形变,探讨引起这种形变的活动构造与动力学模式,并由此认识汶川地震的孕育与成因机制.主要结果表明：1997～2007年期间,自龙门山断裂带中段朝北西约230 km的地带内存在垂直于断裂的水平缩短变形、以及平行于断裂的水平右旋剪切变形,缩短率为1.3×10^-8/a （即：0.013 mm/km/a）,角变形速率为2.6×10^-8/a;同一地带在1975～1997年期间还表现出垂直上隆变形,上隆速率在龙门山前山断裂与中央断裂之间仅0.6 mm/a,而至龙门山后山断裂及其以西达2～3 mm/a.这些反映了在汶川地震之前至少10～30余年,龙门山断裂带中段的前山与中央断裂业已闭锁、并伴有应变积累.造成这种形变的主要原因是：以壳内的低速层为“解耦”带,巴颜喀拉地块上地壳朝南东的水平运动在四川盆地西缘受到华南地块的阻挡、转换成龙门山断裂带中段的逆冲运动;由于该断裂段的震间闭锁,致使西侧的巴颜喀拉地块的上地壳发生横向缩短以及平行断裂的右旋剪切变形.然而,龙门山断裂带北段在1997～2007年期间除了有大约0.9 mm/a的右旋剪切变形外,横向的缩短变形极微弱,这可能与该断裂段西侧的岷江、虎牙、龙日坝等断裂带吸收了巴颜喀拉地块朝东水平运动的大部分有关.另外,汶川地震前,横跨龙门山断裂带中段与北段的地壳形变特征的差异,与汶川地震时能量释放的空间分布吻合.