COSEISMIC DISPLACEMENT FIELD OF THE WENCHUAN EARTHQUAKE DERIVED FROM STRONG MOTION RECORDS AND APPLICATION IN SLIP INVERSION

The development of high-rate GNSS seismology and seismic observation methods has provided technical support for acquiring the near-field real-time displacement time series during earthquake. But in practice, the limited number of GNSS continuous stations hardly meets the requirement of near-field quasi-real-time coseismic displacement observation, while the macroseismographs could be an important complement. Compared with high-rate GNSS, macroseismograph has better sensitivity, higher resolution(100~200Hz)and larger dynamic range, and the most importantly, lower cost. However, baseline drift exists in strong-motion data, which limits its widespread use. This paper aims to prove the feasibility and reliability of strong motion data in acquiring seismic displacement sequences, as a supplement to high-rate GNSS. In this study, we have analyzed the strong-motion data of Wenchuan M_S8.0 earthquake in Longmenshan fault zone, based on the automatic scheme for empirical baseline correction proposed by Wang et al., which fits the uncorrected displacement by polynomial to obtain the fitting parameters, and then the baseline correction is completed in the velocity sequence. Through correction processing and quadratic integration, the static coseismic displacement field and displacement time series are obtained. Comparison of the displacement time series from the strong motions with the result of high-rate GPS shows a good coincidence. We have worked out the coseismic displacement field in the large area of Wenchuan earthquake using GPS data and strong motion data. The coseismic displacement fields calculated from GPS and strong motions are consistent with each other in terms of magnitude, direction and distribution patterns. High-precision coseismic deformation can provide better data constraint for fault slip inversion. To verify the influence of strong-motion data on slip distribution in Wenchuan earthquake, we used strong motion, GPS and InSAR data to estimate the stress drop, moment magnitude and coseismic slip model, and our results agreed with those of the previous studies. In addition, the inversion results of different data are different and complementary to some extent. The use of strong-motion data supplements the slip of the fault in the 180km segment and the 270~300km segment, thus making the inversion results of fault slip more comprehensive. From this result, we can draw the following conclusions:1)Based on the robust baseline correction method, the use of strong motion data, as an important complement to high-rate GNSS, can obtain reliable surface displacement after the earthquake. 2)The strong motion data provide an effective method to study the coseismic displacement sequence, the surface rupture process and quick seismogenic parameters acquisition. 3)The combination of multiple data can significantly improve the data coverage and give play to the advantages of different data. Therefore, it is suggested to combine multiple data(GPS, strong motion, InSAR, etc.)for joint inversion to improve the stability of fault slip model.     

利用近场数字强震资料重新定位伽师、乌恰4次中强地震

利用近场数字强震记录资料,采用和达法、台网地震编目程序(BLOC86)分别对新疆乌恰、伽师地区4次中强地震进行了重新定位.通过对定位结果的对比分析,结合新疆台网的部分实际工作,认为充分利用近场数字强震资料参与定位对于提高、总结和研究新疆部分地区地震定位精度是很有必要的.     

汶川地震小鱼洞地区的地表破裂和同震位移及其机制讨论

2008年5月12日在四川西部发生的汶川地震是一次以逆冲运动为主,兼有右旋走滑运动的斜滑型地震,形成了有史以来最长、最复杂的地表破裂之一.其中,很多复杂现象到目前为止还没有得到很好的解释或一致的认识,如小鱼洞地区出现的NW走向的小鱼洞断裂,在小鱼洞以北出现的2条相距llkm的平行断裂同时破裂的现象等.通过在小鱼洞地区的详细野外调查,获得了详细的地表破裂分布及同震位移分布,在此基础上对小鱼洞地区地表破裂的机制进行了分析.结果表明,造成上述复杂地表破裂的根本原因是汶川地震的主断层北川-映秀断裂的产状变化,即北川-映秀断裂在小鱼洞以北向NW偏移约3.5km.其破裂机制是:1)北川-映秀断裂的右旋走滑运动在小鱼洞西侧的左阶挤压阶区引起的挤压隆升形成前冲断层,即小鱼洞断裂;2)由于北川-映秀断裂在小鱼洞以北向NW偏移3.5km,导致其断层面倾角变大,逆冲运动引起的断层上盘对下盘的挤压方向变化,结合右旋走滑引起的上盘对下盘的侧向推挤,两者共同作用突破了彭灌断裂,从而形成了2条相距llkm的平行断裂同时错动的现象.另外,文中建议应该重视北川-映秀断裂右旋走滑运动分量、断层产状变化以及断层上、下盘的岩性差异对汶川地震地表破裂过程及地表破裂分布的影响.     

汶川M_S 8.0地震地表破裂带北端位置的修订

对汶川MS8.0地震地表破裂石坎乡以北段的野外地质调查显示,这一段地表破裂仍然十分明显。地表破裂并未沿地质填图所标定的位置发育,而是在走向上稍有变化,但清楚的地貌显示它在此段并不是一条新生断裂。与前期工作相比,可观察到的地表破裂又往NE方向延长了约12km。该段破裂位于平武县石坎乡至青川县马公乡窝前村之间,走向为15°～45°,运动学性质主要为右旋走滑逆冲。地震地表破裂显示的同震垂直位移与石坎乡一带相近,为1～2m左右;右旋水平位移略有增加,为2.0～3.0m之间。地表调查的情况显示,地表破裂在北端可能消失在红光乡东河口一带。     

汶川地震中的地表破裂与灾害

发生在龙门山断裂带上的汶川Ms8.0级地震引起的地表破裂主要分布在北川—映秀断裂带和江油—灌县断裂带上,尤其是沿前者发育了长达240 km的地表破裂带,造成了重大的人员与财产损失。灾害发生的原因是多方面的:地震的震级大;震中所处地区构造发育,地质环境极为脆弱;人口较为密集,城镇的场地普遍狭窄,空间有限等。但是,断层的作用是决定性的,且在不同地段表现出了明显的差异性,导致了不同类型的地震灾害。对于断层的避让与设防问题考虑不足,放大了本次地震的灾害效应。     

近场强地震动模拟中对破裂的方向性效应和上盘效应的表达.

为了模拟近场强地震动，采用了基于有限断层模型的一种随机合成方法．震源破裂面被剖分成一定数量的子源，总的地震矩分成数量更多的子震的矩．一给定子源中一次子震引起的场地地震动的傅氏谱，通过考虑点源的谱、随着距离的衰减、能量耗散及近地表效应等导出．据此幅值谱和一个随机相位谱，并与一个时程包络函数结合，合成一个子震时程．将各子源中各个子震引起的所有时程叠加，得出场地的地震动时程．叠加中，各子震时程之间的时滞，据子震发震时差和子源至场地的距离差别引起的时差确定．对一个设定地震，选用4个断层面倾角，计算了近场21个地点的地震动．结果表明，本文方法可以很好地表达破裂的方向性效应和上盘效应．为了验证方法的可靠性，对1994年美国北岭地震中3个近断层台站MCN，LV3和PCD模拟的地震动与实际记录的加速度反应谱和时程作了比较．      

5月12日汶川8.0级地震强余震观测的电磁同震效应

2008年5月12日汶川8.0级大地震发生后,在武都汉王地震台及其附近地区进行了为期22d的余震序列电磁异常连续监测,观测到多次余震事件的电磁同震现象。通过与汉王强震台的地震记录数据比较发现,同震信号存在于所有的电场和磁场记录分量中,它们与地震波的到达同步,而不是在地震发生的时刻出现。地震发生时的电磁辐射信号似乎在记录数据中有所显示,但是与地震波到达观测点时的电磁信号相比幅度要小得多     

从两个地表破裂点的几何学与运动学特征分析汶川地震的破裂方式

汶川MS8.0地震的地表破裂出现在中央和前山2条断裂上,分别形成了235km和72km长的地震地表破裂带,而且地表破裂表现出复杂的几何学和运动学特征。文中选取了中央断裂上虹口乡桐麻坎和擂鼓镇石岩村2个地表破裂点,通过几何学与运动学特征分析其地表破裂方式。桐麻坎的白沙河河床上4条右阶斜列的主破裂西南侧发育了一条反冲断层坎,精细地形测量反映出了破裂带内的断块特征与破裂过程中的地表掀斜;擂鼓镇石岩村逆冲破裂前缘的2条次级断层形成叠瓦式结构,地貌上表现为挠曲和其上部的地震鼓包。该两点地表破裂的几何学、运动学特征分析表明,本次地震在龙门山中央断裂上的破裂方式以逆冲为主,兼有右旋走滑。这一结果与美国地质调查局、哈佛大学和中国地震台网中心提供的震源机制解基本一致。此外,桐麻坎和石岩村横切破裂带的地形剖面显示出不同的地表掀斜方向,这种不一致主要由于前者位于断裂挠曲后缘,后者位于断裂挠曲前缘     

THE COSEISMIC VERTICAL DISPLACEMENTS OF SURFACE RUPTURE ZONE OF THE 1556 HUAXIAN EARTHQUAKE

Coseismic displacement plays a role in earthquake surface rupture, which not only reflects the magnitude scale but also has effect on estimates of fault slip rate and earthquake recurrence intervals. A great historical earthquake occurred in Huaxian County on the 23^rd January 1556, however, there was lack of surface rupture records and precise coseismic vertical displacements. It's known that the 1556 Huaxian earthquake was caused by Huashan front fault and Weinan plateau front fault, which are large normal faults in the east part of the southern boundary faults in Weihe Basin controlling the development of the basin in Quaternary. Here, we made a study on three drilling sites in order to unveil the coseismic vertical displacements. It is for the first time to get the accurate coseismic vertical displacements, which is 6m at Lijiapo site of Huashan front fault, 7m at Caiguocun site, and 6m at Guadicun site of Weinan plateau front fault. These coseismic displacements measured based on same layers of drilling profiles both at footwall and hanging wall are different from the results measured by former geomorphological fault scarps. It's estimated that some scarps are related with the nature reformation and the human beings' activities, for example, fluviation or terracing field, instead of earthquake acticity, which leads to some misjudgment on earthquake displacements. Moreover, the vertical displacements from the measurement of geomorphological scarps alone do not always agree with the virtual ones. Hence, we assume that the inconsistency between the results from drilling profiles and geomorphological scarps in this case demonstrates that the fault scarp surface may have been demolished and rebuilt by erosion or human activities.     

通过InSAR与GPS数据融合获取汶川地震同震三维形变场

针对In SAR与GPS两类独立的观测数据,利用广义测量平差理论中方差分量估计法,合理分配权重,有效地融合了这两类观测数据,从而估算出了地表在三维方向上的形变场。以四川汶川地震为例,利用In SAR干涉测量结果和一定数量的GPS观测值,通过该方法获取了地震断层两侧高相干区域上三维形变场,清晰地显示了汶川地震的逆冲和右旋走滑分量的位置分布整体特征。结果表明,在EW、SN和UD方向上地表形变量与GPS结果能够很好地吻合,融合结果在三维方向上的均方根误差均不超过5cm,证明了该方法能够得到精度较高的地震同震三维形变场,也揭示了利用方差分量估计法对相互独立数据之间有效融合的可行性。     

基于InSAR与GPS观测的汶川同震垂直形变场的获取

发震断层的形变是断层活动的重要参数之一,对认识断层性质、震源机理有重要作用。文中以逆冲性质为主的汶川地震为例,采用符合地表水平形变特征的Biharmonic样条插值对GPS水平形变矢量插值,然后再分解为EW和SN向分量。利用可靠的GPS观测值对InSAR参考点进行校正,统一两者的坐标系。通过对汶川地震视线向形变场剖面与GPS对比分析发现,断层上盘GPS与InSAR观测参考点相差9.93cm,而下盘则为-11.49cm。在此研究基础上,通过GPS水平形变场与InSAR视线向形变场联合解算,获取了汶川地震垂直连续形变场。结果表明,断层两侧垂直形变衰减较快,横跨断裂带形变量30cm的宽度不超过50km;沿发震断层附近垂直形变高值区分布不均匀,主要集中分布在发震断裂的汶川县城至都江堰段、茶坪—北川—南坝段和青川段。这3段各有特色,南段断层两侧垂直形变极不对称,主要以上盘剧烈抬升为主,最大抬升区域在映秀镇至连山坪一带,抬升量达到5.5m。中段表现为较强的反对称性,断层一侧抬升另一侧沉降。该段上盘最大抬升区域在茶坪东侧,抬升量为255cm,下盘最大沉降量在永庆,沉降量为-215cm。北端垂直形变相对较小,主要分布在青川北侧,呈对称分布,在发震断层最北端,最大抬升量为120cm。     

亚像素相位相关法在获取汶川地震近场形变中的应用

震后地表实际破裂带的分布及其近场的形变特征,是理解块体运动学特性、断层破裂特征、地震发生机制等科学问题的十分重要的约束条件。基于InSAR获取的汶川地震同震形变场,由于发震断层附近同震形变梯度巨大,沿断层带出现了非相干条带,以致于无法获得断层附近的形变量。而基于亚像素级的光学影像偏移量法为获取断层附近大形变分布提供了可能。文中以SPOT卫星影像为数据源,采用光学影像偏移量法获得了什邡及茂县地区的水平位移形变场。结果显示龙门山断裂带上至少2条断裂同时发生破裂,形成了主要地表破裂带(龙门山镇-高川破裂带)和次级地表破裂带(汉旺破裂带),沿龙门山镇-高川破裂带平均位移量为4～6m,在高川附近伴随的平均右旋水平位移为1～3m; 汉旺破裂带因逆冲导致水平缩短,平均位移量一般为1～2m。汶川-茂县断裂带没有明显的地表破裂带。研究表明,利用光学影像相位相关法能够获得近断层位错量,可以成为InSAR手段的重要补充。     

汶川Ms 8.0地震地表破裂带北川以北段的基本特征

对北川-青川间汶川MS8.0地震地表破裂的野外地质调查表明,在这一段内主要存在一条地震地表破裂带,总体沿北川-青川断裂带分布。沿黄家坝、陈家坝、桂溪、平通、南坝、石坎等地的观察显示,该段地表破裂沿走向连续分布,结构单一,破裂长度为60~90km,地表破裂没有到达青川县关庄镇。可观察到的破裂长度在北川北至石坎之间,长62km,走向总体为20°~55°,运动学性质主要为右旋走滑逆冲。地震形成的地表破裂主要表现为垂向上的地表拱曲,指示了深部断层的逆冲性质;在水平运动方向上则主要表现为右旋走滑,不存在左旋走滑分量。地震地表破裂显示的同震垂直位移从西南段黄家坝的3m左右,向东北逐渐降低至南坝、石坎的1.5m左右;右旋水平位移没有明显变化或者略有增加,一般在1.5~2.0m之间。地表破裂特征表明,引起本次汶川MS8.0地震的发震构造是映秀-北川-青川断裂带,该断裂以逆冲运动为主,兼具右旋走滑分量,逆冲方向由NW向SE     

紫坪铺水库与汶川地震关系的讨论

利用紫坪铺水库专用地震台站和加密地震台站资料,使用双差法完成了震前930次地震、汶川8级主震和5, 789次余震的重新定位,探讨了紫坪铺水库与汶川地震之间的关系,获得了有利于证明它们之间密切关联的事实: 1)紫坪铺水库2005年蓄水之后出现了水磨、深溪沟和都江堰震群,地震应变能释放增加了200%,与库水位变化密切相关,在汶川地震前呈现出加速释放的现象; 2)野外调查表明存在1条贯穿紫坪铺水库库区、走向NE的同震地表破裂带,与中滩铺断层位置一致; 3)余震分布以中滩铺断层为界,西北上盘多,东南下盘少; 4)利用P波初始到时重新确定出的汶川主震发震时刻为27分59.5秒,初始破裂深度在6～9km左右,直接位于水磨震群之下; 5)汶川主震与发生在2008年4月5日水磨震群中的1次小震的各个台站到时差相同。     

汶川Ms 8.0地震地表破裂带白沙河段破裂及其位移特征

2008年5月12日14时28分,四川省汶川县发生MS8.0特大地震。这次地震在地表形成2条地表破裂带,主破裂沿龙门山中央断裂发育,长约240km;次级破裂沿龙门山前山断裂发育,长约72km。白沙河破裂带位于中央主破裂带的南端,沿都江堰市北约11km的白沙河河谷展布,长14km。该破裂带几何结构复杂,多条短小破裂或斜列或平行或斜交组成破裂带,总体走向N50°E,但几乎每条次级小破裂走向都不与平均走向一致,在0°~90°之间变化。同震位移沿该破裂带也同样表现出复杂性和多样性,总体以NW盘逆冲为主,最大垂直位移为6.5m,局部存在反冲断层挠曲坎;走向滑动以右旋为主,最大水平位移为4.8m,局部存在左旋位移,而且同震位移分布特征与白沙河破裂带的几何展布特征密切相关。该破裂带北段出露的地表断层产状为40°/NW∠76°,其上的擦痕有2组,侧伏角分别为75°SW和80°SW,不仅反映了该次地震在此段以逆冲运动为主,兼有少量的右旋走滑分量,还反映了该次特大地震包括了2次破裂事件。分析破裂几何和同震位移分布特征得出如下认识:1)破裂面从震源深度的低角度逐渐向地表转化为高角度,迫使垂直断层走向的水平缩短转化为隆起的垂直位移     

汶川8.0级地震小鱼洞地表破裂带古地震事件的光释光测年

小鱼洞地震地表破裂带罗元村探槽剖面揭示了汶川8.0级大地震之前的1次同等规模的古地震事件.文中对采自小鱼洞破裂带罗元村古地震探槽的7个冲洪积物样品进行了细颗粒石英简单多片再生法和单测片再生法光释光测年研究.LED08-212样品SAR法预热坪实验表明预热温度坪区间为180～240℃,在此温度下热转移量小于等效剂量的1%...     

汶川M_S 8.0地震InSAR同震形变场特征分析

采用7条地震前后日本ALOS/PALSAR整轨数据,利用D-InSAR技术提取了2008年5月12日四川汶川地震500km×450km的地表连续同震形变场。形变场覆盖了金川—石棉、黑水—乐山、松盘—彭山、南坪—简阳、康县—重庆所有区域,包括了理县、汶川、茂县、北川、青川等重灾区域。结果显示,整个形变场影响范围较大,四川盆地出现了不同程度的地表形变。发震断层附近的非相干区域显示此次地震地表主破裂带在北川-映秀断裂带上,可以追踪出地表破裂带从汶川县映秀镇西南震中附近一直到青川县苏河北侧,全长约为230km。在发震断层西南段汶川至茂县一带,非相干条带的宽度明显大于其它段落,这与彭县-灌县断裂(前山断裂)的都江堰—安县段地表破裂段密切相关,地表破裂带长约70km。在远离发震断层的区域,西北盘总体表现为抬升,东南盘表现为沉降。但在发震断层附近,断层两侧均表现为局部抬升,且沿断层形变量分布很不均匀,表现出较强的分段性,显示出发震断层以逆冲为主的断层性质。从美国哈佛大学(Harvard)、美国地质调查局(USGS)与美国国家地震信息中心(NEIC)、中国地震台网中心(CENC)所给出的震中位置和发震时刻的差异来看,也反映出     

中国大陆井水位与水温动态对汶川MS 8.0地震的同震响应特征分析

分析了汶川MS8.0地震在中国大陆引起的水位、水温同震变化特征,对比研究了2007年9月12日印尼苏门答腊MS8.5远震和汶川MS8.0近震在四川及其附近地区引起的水位、水温同震变化差异,结果表明:汶川地震在中国大陆引起的水位同震变化以上升为主,同时水位上升与下降的井点空间分布表现出一定的分区性;水位、水温同方向阶变的井点数比例高于两者反方向阶变井点数比例,当水位同震变化为振荡型时,水温以下降型为主;相对于远震,近震引起的水位、水温同震变化井点数量增加,无变化井点数量减少;所有井水位和大多数井水温同震阶变的方向都不因地震的远近、大小、震源机制或地震方位的变化而改变,个别发生水温同震升降方向变化的井点是由于水的自流状态和水位同震阶变由振荡转为阶变的改变所引起;水位同震升降性质受控于当地的地质构造环境和水文地质条件,而水温同震变化还与地震波引起的井孔中水的运动方式、水温探头放置的位置等因素有关,其机理更为复杂     

2008年汶川Ms 8.0地震地表破裂变形定量分析——北川-映秀断裂地表破裂带

2008年汶川MS8.0地震在北川-映秀断裂产生了长达240km的同震地表破裂。通过详细的测量、基于测量标志与断裂变形的几何关系对数据的分析,给出了观测点的断裂同震地表变形的垂直位移、倾向水平缩短、走向滑动、断层上盘水平运动方向等参数。结果显示,断裂同震变形分布的空间变化很大,目前获得的最大水平位移位于虹口乡深溪沟,为4.98m,同时也是最大右旋走滑位移点,走滑量4.5m,而目前获得的最大垂直位移在其东北的支沟,为5.7~6.7m。NE向断裂水平位移多为1~2m,垂直位移多为3m左右,而小鱼洞-草坝分支断裂水平位移和垂直位移都更小,只有0.5~1.5m。擂鼓镇附近的数据则反映与断裂相关的巨型滑坡可能将重力变形叠加到构造变形中。由断层水平缩短和垂直位移计算的断层倾角表明,北川-映秀断裂是浅部陡倾的具有走滑分量的逆断层     

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.