李玉江 陳連旺 楊樹新

1）中國地震局地殼應(yīng)力研究所（地殼動力學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室），北京 100085

2）中國地質(zhì)大學(xué)（北京），北京 100083

引言

川滇地區(qū)位于青藏高原東南緣，是印度板塊與歐亞板塊碰撞的強(qiáng)烈變形帶，地震活動頻度高、強(qiáng)度大，是中國大陸強(qiáng)震活動重點(diǎn)監(jiān)視區(qū)之一。20世紀(jì)70年代以來，Molnar等（1975；1976）提出青藏高原側(cè)向擠出滑移的運(yùn)動圖像及力學(xué)機(jī)制。闞榮舉（1977）根據(jù)強(qiáng)震震源機(jī)制解及地震地表破裂帶資料的力學(xué)分析，討論了我國西南地區(qū)構(gòu)造應(yīng)力場分區(qū)及構(gòu)造活動特征，并提出以鮮水河斷裂帶、安寧河斷裂帶、小江斷裂帶、通海曲江斷裂帶和紅河斷裂帶組成的菱形地塊南南東向的運(yùn)動趨勢。馬杏垣（1989）考慮各塊體構(gòu)造的整體性和地震活動的成帶性，將川滇及鄰區(qū)進(jìn)一步劃分為雅江地塊、滇中地塊、川青地塊、川中地塊和密支那滇西地塊5個次級地塊。

自1970年通海地震以來，川滇地區(qū)發(fā)生了多次7.0級以上地震以及更多的6.0級地震。尤其是2008年5月12日汶川地震和2013年4月20日蘆山地震的發(fā)生，造成了巨大的經(jīng)濟(jì)損失和人員傷亡。蘆山地震發(fā)生后，地震學(xué)反演的震源機(jī)制解及破裂過程等震源參數(shù)表明，蘆山地震是發(fā)生在龍門山斷裂帶南段的一次逆沖型地震，且最大同震滑移量為 1.59m（張勇等，2013；王衛(wèi)民等，2013）。曾祥方等（2013）通過 P波初動反演和波形反演方法，結(jié)合短期余震震源機(jī)制，進(jìn)一步確定蘆山地震的發(fā)震斷層為高角度逆沖斷層。另外，野外地質(zhì)科學(xué)考察發(fā)現(xiàn)，沿著發(fā)震斷裂沒有產(chǎn)生明顯的地震地表破裂帶，該地震是一次典型盲逆斷層型地震（徐錫偉等，2013）。目前，關(guān)于蘆山地震的發(fā)生對周圍斷層的影響，研究成果相對較少。本文基于川滇地區(qū)三維非線性有限元模型，參考陳運(yùn)泰等（2013）利用地震矩張量反演的斷層節(jié)面解及地震震級與破裂長度、同震位錯量的經(jīng)驗(yàn)公式（鄧起東等，1992），研究了蘆山地震的發(fā)生對川滇地區(qū)主要活動斷裂的影響，為川滇地區(qū)主要活動斷裂的地震活動趨勢判定提供可能的依據(jù)。

1 川滇地區(qū)三維有限元模型的建立

根據(jù)川滇地區(qū)全新世活動斷裂、地殼上地幔三維波速結(jié)構(gòu)等資料，充分考慮對地質(zhì)構(gòu)造運(yùn)動和地震活動起決定作用的活動斷裂和活動斷塊，建立川滇地區(qū)三維地質(zhì)構(gòu)造模型。

1.1 介質(zhì)分區(qū)及物性參數(shù)

川滇地區(qū)的活動斷裂控制了主要構(gòu)造運(yùn)動的發(fā)生和發(fā)展，同時成為活動地塊的邊界（張培震等，2003）。依據(jù)川滇地區(qū)的構(gòu)造特征，將研究區(qū)劃分出5個區(qū)：華南塊體（1）；馬爾康塊體（2）；川滇菱形塊體（3）；藏東塊體（4）；滇西南塊體（5）。具體結(jié)果見圖 1，其中川滇菱形塊體內(nèi)部較軟，華南塊體相對較硬，其它介于兩者之間。結(jié)合王椿鏞等（2002）利用川滇地區(qū)地震臺網(wǎng)174個臺站記錄的地震初至P波和S波走時數(shù)據(jù)確定的地殼上地幔三維波速結(jié)構(gòu)研究成果，根據(jù)楊氏模量E、泊松比υ與縱波速率C和密度ρ之間的關(guān)系：E=C2ρ(1+υ)(1-2υ)/(1-υ)（王仁等，1980），確定各個分區(qū)的物性參數(shù)（表1）。

圖1 川滇地區(qū)活動構(gòu)造簡圖Fig. 1 Major active faults in Sichuan-Yunnan regions

表1 川滇地區(qū)模型介質(zhì)分區(qū)參數(shù)Table 1 Parameters of the model units in Sichuan-Yunnan regions

在地質(zhì)模型的基礎(chǔ)上，采用接觸摩擦單元處理活動斷裂帶，建立川滇地區(qū)三維彈性有限元模型。模型范圍為96°—106°E，20°—34°N，垂直區(qū)域?yàn)榈乇碇辽系蒯?0km深處。有限元模型包含了川滇地區(qū)25條主要活動斷裂帶（圖2），斷裂帶幾何產(chǎn)狀、活動性質(zhì)見表2。整個有限元數(shù)值模型共劃分為單元343235個，節(jié)點(diǎn)80681個。

圖2 川滇地區(qū)三維有限元模型Fig. 2 The three dimensional finite element model in Sichuan-Yunnan region

表2 川滇地區(qū)主要活動斷裂產(chǎn)狀及活動性質(zhì)Table 2 Geometry and activity of main faults in Sichuan-Yunnan region

續(xù)表

1.2 模型邊界約束

考慮到本文主要探討蘆山地震的同震效應(yīng)，沒有考慮背景應(yīng)力環(huán)境，所以采用將模型四周及底面法向約束，其它方向自由的加載方式。

2 蘆山地震的發(fā)生對主要活動斷裂的影響

蘆山地震發(fā)生后，陳運(yùn)泰等（2013）給出矩張量反演結(jié)果，認(rèn)為此次地震為逆沖型，且斷層節(jié)面滑動角近 90°。由于無法及時獲得地震發(fā)生時公開的同震滑移量研究數(shù)據(jù)，本文主要依據(jù)鄧起東等（1992）給出的地震震級與地震位錯、破裂長度之間的統(tǒng)計(jì)公式確定斷層的破裂長度及同震位錯量：

式中，D為地表位錯（m）；L為地表破裂長度（km）；M為地震震級。

蘆山地震的發(fā)生，引起川滇地區(qū)主要活動斷裂帶不同程度的同震加卸載效應(yīng)。利用跨越不同斷層或同一斷層不同段的33條剖面（剖面方向?yàn)閺淖笙蛴遥?，通過斷層面不同方向的錯動量變化，分析斷層的同震活動方式。從彈性回跳理論可知，斷層處于閉鎖狀態(tài)時，與斷層歷史活動方式相同的同震運(yùn)動會造成斷層及其鄰區(qū)應(yīng)變能進(jìn)一步積累；反之，與斷層歷史活動方式相反的同震運(yùn)動會造成斷層及其鄰區(qū)應(yīng)變能有所釋放。以馬爾康斷裂為例，從圖3左圖X向位移Ux可以看出，斷層同震表現(xiàn)為左旋運(yùn)動，而從右圖Y向位移Uy可以看出，斷層同樣表現(xiàn)為左旋運(yùn)動，綜合分析認(rèn)為斷層同震為左旋運(yùn)動。因此結(jié)合斷層歷史活動方式，判定馬爾康斷裂為同震加載效應(yīng)。而對于 X、Y方向位移表現(xiàn)出不同的同震活動方式時，要結(jié)合斷層的走向，通過比較 X、Y向位移在斷層走向方向分量的相對大小，確定斷層同震活動方式。以甘孜-玉樹斷裂為例（圖4），由于X向位移在斷層走向的分量較大，因此可以判定斷層同震為右旋運(yùn)動。結(jié)合斷層歷史活動方式為左旋走滑，因此判定甘孜-玉樹斷裂為同震卸載效應(yīng)。依據(jù)同樣原則，依次對其他31條剖面的同震運(yùn)動特征進(jìn)行分析。從表3可以看出，在33條剖面中，有17條表現(xiàn)為同震加載效應(yīng)，15條表現(xiàn)為卸載效應(yīng)，1條影響不明顯。

為了更加直觀顯示不同斷層面間同震加卸載效應(yīng)，以加載效應(yīng)最為明顯的馬爾康斷裂作為基準(zhǔn)，比較其他斷裂的相對加卸載程度。從圖5可以看出，蘆山地震的發(fā)生造成馬爾康斷裂、岷江斷裂加載效應(yīng)較強(qiáng)。但需要注意的是，滇西、滇西南地區(qū)主要活動斷裂表現(xiàn)出群體性的同震加載效應(yīng)，值得密切關(guān)注。

圖3 馬爾康斷裂同震位移變化Fig. 3 Co-seismic displacement variation along Barkam fault

圖4 甘孜-玉樹斷裂同震位移變化Fig. 4 Co-seismic displacement variation along Ganzi-Yushu fault

表3 蘆山地震引起川滇地區(qū)主要活動斷裂的同震加卸載效應(yīng)Table 3 Co-seismic effect deduced from the Lushan earthquake on active faults in Sichuan-Yunnan region

圖5 川滇地區(qū)主要活動斷裂的同震相對加卸載效應(yīng)Fig. 5 Relative co-seismic loading/unloading effect among active faults in Sichuan-Yunnan region

3 結(jié)論與討論

基于川滇地區(qū)的三維非線性有限元模型，利用地震矩張量反演的斷層節(jié)面性質(zhì)及震級與破裂長度、同震位錯量的經(jīng)驗(yàn)公式，從應(yīng)變能積累/釋放角度分析蘆山地震的發(fā)生對川滇地區(qū)主要斷裂的同震加卸載效應(yīng)。結(jié)果表明：

（1）從同震加卸載效應(yīng)來看，在33條斷裂段中，有17條表現(xiàn)為同震加載效應(yīng)，15條表現(xiàn)為卸載效應(yīng)，1條影響不明顯。

（2）蘆山地震的發(fā)生造成馬爾康斷裂、岷江斷裂加載效應(yīng)較強(qiáng)。滇西、滇西南地區(qū)主要活動斷裂表現(xiàn)出群體性的加載效應(yīng)，需要繼續(xù)關(guān)注。

需要指出的是，本文應(yīng)用的同震滑移量是據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算得到的，而非基于遠(yuǎn)場體波與有限斷層方法反演的結(jié)果。下一步將基于反演方法獲得的同震滑移量結(jié)果開展更為詳細(xì)的分析。

致謝：在本文完成過程中，作者與陸遠(yuǎn)忠研究員的有益討論，部分圖件使用GMT軟件包繪制（Wessel等，1995），在此一并表示感謝。

陳運(yùn)泰，楊智嫻，張勇等，2013. 從汶川地震到廬山地震．中國科學(xué)：地球科學(xué)，43：1064—1072.

鄧起東，于貴華，葉文華，1992. 地震地表破裂參數(shù)與震級關(guān)系的研究. 見：國家地震局地質(zhì)研究所編，活動斷裂研究（2）．北京：地震出版社，247—264.

鄧起東，張培震，冉勇康等，2003. 中國活動構(gòu)造基本特征. 中國科學(xué)（D輯），32（12）：1020—1031.

闞榮舉，1977. 我國西南地區(qū)現(xiàn)代構(gòu)造應(yīng)力場與現(xiàn)代構(gòu)造活動特征的探討. 地球物理學(xué)報(bào)，20（2）：96—107.

馬杏垣，1989. 中國巖石圈動力學(xué)地圖集. 北京：中國地圖出版社.

唐榮昌，韓渭濱，1993. 四川活動斷裂與地震. 北京：地震出版社.

王衛(wèi)民，郝金來，姚振興，2013. 2013年4月20日四川蘆山地震震源破裂過程反演初步結(jié)果. 地球物理學(xué)報(bào)，56（4）：1412—1417.

王椿鏞，Mooney W.D.，王溪莉等，2002. 川滇地區(qū)地殼上地幔三維速度結(jié)構(gòu)研究. 地震學(xué)報(bào)，24（1）：1—16.

王仁，何囯琦，殷有泉等，1980. 華北地區(qū)地震遷移規(guī)律的數(shù)學(xué)模擬. 地震學(xué)報(bào)，2（1）：32—42.

徐錫偉，聞學(xué)澤，鄭榮章等，2003. 川滇地區(qū)活動塊體最新構(gòu)造變動樣式及其動力來源. 中國科學(xué)（D輯），33（增刊）：151—162.

徐錫偉，聞學(xué)澤，韓竹軍等，2013. 四川蘆山7.0級強(qiáng)震：一次典型的盲逆斷層型地震. 科學(xué)通報(bào)，58（20）：1887—1893.

曾祥方，羅艷，韓立波等，2013. 2013年4月20日四川蘆山MS7.0地震：一個高角度逆沖地震. 地球物理學(xué)報(bào)，56（4）：1418—1424.

張勇，許力生，陳運(yùn)泰，2013. 蘆山4·20地震破裂過程及其致災(zāi)特征初步分析. 地球物理學(xué)報(bào)，56（4）：1408—1411.

張培震，鄧起東，張國民等，2003. 中國大陸的強(qiáng)震活動與活動地塊. 中國科學(xué)（D輯），33（增刊）：12—20.

張培震，徐錫偉，聞學(xué)澤等，2008. 2008年汶川8.0級地震發(fā)震斷裂的滑動速率、復(fù)發(fā)周期和構(gòu)造成因. 地球物理學(xué)報(bào)，51（4）：1066—1073.

Molnar P., Tapponnier P., 1975. Cenozoic tectonics of Asia: effect of a continental collision. Science, 189: 419—426.

Molnar P., Tapponnier P., 1976. Slip-line field theory and large scale continental tectonics. Nature, 264: 319—324.

Wessel P., Smith W., 1995. New version of the Generic Mapping Tools (GMT) Version 3.0 Released. EOS Trans.AGU, 76: 329—329.