汶川8.0级和芦山7.0级地震对区域地壳形变场及应力场的影响

发布时间：2020-05-24 22:17

【摘要】：1.概述大地震同震及其震后效应对周边区域地壳形变场、应力场、断层活动状态及地震危险性等的持久影响越来越受到国际学界的关注,成为近二十多年来的研究热点。作为有地震历史记录以来的首个发生在大陆内部的高角度逆冲型8级强震,2008年5月12日汶川8.0级特大地震的发生不仅造成了严重的人员伤亡和经济损失,对区域构造变形与断层应力积累等也会产生持续而显著的影响。汶川地震之后5年,在龙门山断裂带南段于2013年4月20日又发生了芦山7.0级地震,再次引起了人们对于该断裂带未来地震危险性的讨论。针对汶川地震和芦山地震两次事件开展同震及震后的相关研究,不仅对了解两次地震自身的破裂特征以及相互关系有重要价值,对于分析周边区域地壳形变场、应力场受地震影响产生的状态变化,判定区域主要活动断层的未来地震危险性等也都具有重要意义。因此本文以汶川地震和芦山地震为研究对象,基于经典的位错理论和粘弹本构关系,开展两次地震同震位错及震后粘弹松弛效应引起的区域形变场、应力场变化的研究工作。本文首先通过综合多学科资料分别构建了汶川地震、芦山地震的发震断层3D模型,以此为基础联合利用多种同震观测数据反演获得了汶川地震、芦山地震断层同震位错分布;基于Burgers体粘弹本构关系,以GPS时间序列为约束,汶川地震同震位错分布为初始条件,借助有限元数值模拟确定了龙门山断裂带两侧块体中下地壳各自最优的短期、长期有效粘滞系数;计算了两次地震同震位错及震后粘弹松弛效应引起的区域形变场变化;从库仑应力变化的角度讨论了汶川地震和芦山地震对后续余震及近年来周边区域一系列中强震的发生所起的作用,分析了周边主要活动断层库仑应力演化,结合速率-状态摩擦本构律讨论了未来值得关注的重点断层段。2.本论文取得的主要进展(1)汶川地震发震构造及断层同震位错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为深浅构造强约束,参考区域地质剖面、速度成像、大地电磁测深等研究成果,通过多剖面解译的方式建立了汶川地震发震断层3D模型,主要包含北川-映秀断裂和灌县-江油断裂,另外在余震区穿过青川断裂后的区域断层结构出现显著变化,识别出一条未知的反倾断层,而非北川-映秀断裂的简单延伸,后经反演测试认为该断层可能并未参与同震破裂过程。联合利用包含震后影响相对较小的GPS、InSAR、强震动等同震数据为约束反演,获得了断层同震位错分布,结果显示最大位错值达10m左右的高值区域主要集中在虹口-小鱼洞和北川-平通附近,北川-映秀破裂西南段北支、岳家山-清平、南坝东北、汉旺附近的最大位错值也可达到4~6m左右。断层运动方式在汉旺-白鹿段以逆冲运动为主,北川-映秀破裂则从西南到北东,由逆冲为主逐渐变为以右旋走滑运动为主。另外在深部滑脱带上识别出几个最大值4m左右的高位错量区域,经过分析倾向于认为是同震破裂导致而非主要由震后余滑引起。反演矩震级为M_W7.9,模拟结果与同震观测数据、野外地表破裂数据等都较为吻合。此外,通过基于前人公布的不同断层模型开展反演对比,认为断层模型可能控制了断层同震位错分布的主要特征,并可能是导致不同学者反演得到的最大同震位错量范围从7m到14m的主要原因。(2)芦山地震发震构造及断层同震位错分布基于简化断层模型,在GPS数据的基础上通过补充更多的水准、强震动等近场同震观测数据开展反演,与单独利用GPS数据的前人反演结果进行对比,分析了近场观测数据的丰富程度对同震位错分布特征产生的显著影响。鉴于芦山地震未产生地表同震破裂,且发震构造相对复杂,单独依靠地表大地测量数据反演确定断层产状参数较为困难,以芦山地震余震序列重新定位结果为主,参考区域地质、地球物理信息对断层结构进行了多剖面解译,获得了包含主断层F1、同倾次级断层F2、反倾次级断层F3和F4、浅部滑脱带F5的震区3D断层模型。联合利用GPS、水准、强震动同震数据基于上述断层模型进行反演测试,结果显示同震滑动主要发生在主断层F1的断坡附近,反倾的次级断层F3、F4也出现了一定量的同震错动,整体都以逆冲运动为主,F3断层可能还兼有一定的右旋走滑分量,次级断层F2可能未参与同震破裂。浅部滑脱面F5虽然同震滑动量较小,但它的存在对于限制下方破裂继续向地表扩展非常重要,同震时主要对下方构造的逆冲运动进行调节和转换。反演得到的矩震级为M_W6.5,模拟结果能够很好的拟合地表同震观测数据,并能在一定程度上解释地表GPS“左旋”运动表象和深部断层纯逆冲错动的动力学关联。(3)龙门山断裂带两侧块体粘弹结构考虑到龙门山断裂带两侧巴颜喀拉块体和四川盆地之间存在着显著的粘弹性质差异以及粘滞系数表现出的时间依赖特征,基于Burgers体本构关系建立区域的垂向分层、横向分块有限元模型,以分裂节点的方式引入汶川地震同震位错分布作为模型的初始条件,通过分析模拟结果与四川盆地上6个连续GPS站的时间序列数据的拟合程度,依次确定四川盆地和巴颜喀拉块体中下地壳的短期和长期有效粘滞系数。结果表明四川盆地中下地壳短期有效粘滞系数为9.0×10~(18)Pa.s,长期有效粘滞系数为1.0×10~(21)Pa.s;巴颜喀拉块体中下地壳短期有效粘滞系数为5.0×10~(17)Pa.s,长期有效粘滞系数为9.0×10~(18)Pa.s。(4)汶川地震和芦山地震对区域形变场的影响模拟结果显示,汶川地震同震水平位移在龙门山断裂带中段主要表现为断裂带两侧的相向运动,在断裂带北段两侧水平位移的运动方向出现明显转向,在该段表现出明显的右旋走滑特征。位移量显著的区域主要在破裂区附近,并随着离开断裂向两侧快速衰减,其中西侧巴颜喀拉块体上衰减相对较慢。对比分析震后5年及10年的水平位移场可以看出,震后粘弹松弛效应引起的水平位移场是同震位移场的进一步发展,影响的空间范围更广,形态特征上则表现出继承性。对比分析考虑和不考虑断裂带两侧粘弹结构横向差异的模拟结果,认为粘弹结构的横向差异使得断裂两侧震后形变场更加具有不对称性。芦山地震的影响范围基本局限在龙门山断裂带南段附近,同震水平位移场表现为断裂带两侧的相向运动以及断裂带附近沿走向的双向逃逸。震后5年的的水平位移场在断裂带两侧表现出更为突出的量值不对称性,其中断裂中心区域呈扇形向东扩散且量值较大,断裂西侧表现为扇形收缩指向断裂,断裂东侧位移不明显。两次地震的综合效应中汶川地震占主导,主要影响区域除龙门山断裂带及两侧巴颜喀拉块体东部和四川盆地之外,对青藏高原东北缘地区形变场也产生了显著影响。芦山地震震后效应则抵消了汶川地震对龙门山断裂带南段的部分影响,使得该区汶川地震引起的南向、南南东向水平位移幅值减小,方向也更接近南向。从汶川地震同震位错、震后粘弹松弛效应对芦山震区形变场、应力场变化等的影响结果来看,汶川地震的发生有利于后续芦山地震的发生。(5)汶川地震和芦山地震对区域应力场的影响分析了汶川地震、芦山地震同震位错引起的库仑应力变化与后续余震分布较好的对应关系。讨论了两次地震对周边区域近年来发生的一系列典型中强震事件所起的作用,认为芦山地震对几次地震的影响可以忽略,汶川地震同震位错及震后粘弹松弛效应引起的库仑应力变化则有利于2014年11月22日康定6.3级、11月25日康定5.8级、2017年8月8日九寨沟7.0级地震的发生,对2013年7月22日岷县-漳县6.6级地震有一定的抑制作用,对2014年8月3日鲁甸6.5级地震影响不显著。对比基于不同粘弹介质模型、不同汶川同震位错模型的结果,认为这些模型的选择对库仑应力结果影响较大,综合分析后推测汶川地震同震位错产生的库仑应力变化有利于芦山地震的发生,而且至芦山地震发震前,汶川地震同震位错及震后粘弹松弛效应的综合影响仍表现为有利于芦山地震的发生。从对周边断层的影响来看,芦山地震的影响较为有限,仅使得它与汶川地震间的破裂空段、鲜水河断裂带南段、龙泉山西缘断裂中段产生一定的库仑应力增加。汶川地震影响的空间范围则更广,量值也更大,它与芦山地震的综合效应使得二者间的破裂空段、平武-青川断裂北段、文县断裂东段、龙日坝断裂北段、灌县-江油断裂北段等库仑应力显著增加,并超过了通常认为的触发阈值0.01MPa,另外使得临潭-宕昌断裂东段、迭部-白龙江断裂东段、文县断裂西段、虎牙断裂、岷江断裂南段、平武-青川断裂南段、马尔康断裂、北川-映秀断裂中北段、龙泉山西缘断裂北段等库仑应力显著降低。对比分析了考虑和不考虑龙门山断裂带两侧粘弹介质横向差异的模型结果,认为两种模型获得的库仑应力整体特征基本一致,但忽略介质横向差异会使得库仑应力变化量值被高估。以库仑应力变化为应力扰动,考虑区域背景地震发生率差异,基于速率-状态摩擦本构律计算了龙门山断裂带周边区域主要断层未来可能的地震发生率和泊松发震概率。计算结果显示至2023年,6级以上地震发生率和发震概率相对较高的断层段主要为东昆仑断裂带中段、鲜水河断裂带中段,这两个段落受汶川地震和芦山地震综合库仑应力的正影响,未来强震危险性值得进一步关注。
【图文】：

构造背景,龙门山断裂带

第一章绪论1.1 国内外研究进展2008年5月12日，南北地震带中段的龙门山断裂带上发生了汶川8.0级特大，除了造成大量的人员伤亡和经济损失外，由于该地震是有地震历史记录以次发生在大陆内部的低滑动速率、高角度逆冲型8级强震（张培震等，2009）此备受关注。汶川地震发生后5年，在龙门山断裂带南段于2013年4月20日又了芦山7.0级地震（陈运泰等，2013）。两次地震间的关系到底如何，以及地震的发生对周边区域的影响等问题进一步引起了学者们的兴趣，并针对多面开展了相关的研究工作。

思路,粘弹结构,粘弹模型,库仑应力

的精细特征，以连续GPS实测数据为约束确定断裂带两侧各自粘弹结构，建立有限元粘弹模型，，以此为基础获取两次地震同震及震后效应对区域形变场、应力场的影响，开展主要断层库仑应力状态的分析工作。论文的整体技术路线如图1.2所示。
【学位授予单位】：中国地震局地质研究所
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：P315

【参考文献】