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        基于應變能變化的蘆山強震同震效應的數(shù)值模擬1

        2013-11-26 06:47:32李玉江陳連旺楊樹新
        震災防御技術(shù) 2013年4期
        關(guān)鍵詞:同震蘆山塊體

        李玉江 陳連旺 楊樹新

        1)中國地震局地殼應力研究所(地殼動力學重點實驗室),北京 100085

        2)中國地質(zhì)大學(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烈變形帶,地震活動頻度高、強度大,是中國大陸強震活動重點監(jiān)視區(qū)之一。20世紀70年代以來,Molnar等(1975;1976)提出青藏高原側(cè)向擠出滑移的運動圖像及力學機制。闞榮舉(1977)根據(jù)強震震源機制解及地震地表破裂帶資料的力學分析,討論了我國西南地區(qū)構(gòu)造應力場分區(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)濟損失和人員傷亡。蘆山地震發(fā)生后,地震學反演的震源機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)合短期余震震源機制,進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)域為地表至上地幔40km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,沒有考慮背景應力環(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,陳運泰等(2013)給出矩張量反演結(jié)果,認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。利用跨越不同斷層或同一斷層不同段的33條剖面(剖面方向為從左向右),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動會造成斷層及其鄰區(qū)應變能進一步積累;反之,與斷層歷史活動方式相反的同震運動會造成斷層及其鄰區(qū)應變能有所釋放。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)為左旋運動,綜合分析認為斷層同震為左旋運動。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。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。依據(jù)同樣原則,依次對其他31條剖面的同震運動特征進行分析。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,15條表現(xiàn)為卸載效應,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,以加載效應最為明顯的馬爾康斷裂作為基準,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、岷江斷裂加載效應較強。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,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)驗公式,從應變能積累/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。結(jié)果表明:

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

        (2)蘆山地震的發(fā)生造成馬爾康斷裂、岷江斷裂加載效應較強。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,需要繼續(xù)關(guān)注。

        需要指出的是,本文應用的同震滑移量是據(jù)經(jīng)驗公式計算得到的,而非基于遠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)果開展更為詳細的分析。

        致謝:在本文完成過程中,作者與陸遠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。

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