李 媛 牛安福 劉?？?趙 靜 曹景鵬

1) 中國天津300180中國地震局第一監(jiān)測中心 2) 中國北京100045中國地震臺網(wǎng)中心 >3) 中國北京100036中國地震局地震預(yù)測研究所

?

汶川MS8.0地震震前近震源區(qū)地殼形變機制探究*

1) 中國天津300180中國地震局第一監(jiān)測中心 2) 中國北京100045中國地震臺網(wǎng)中心 >3) 中國北京100036中國地震局地震預(yù)測研究所

多種形變資料表明， 汶川地震震前越靠近震源區(qū)， 其形變特征越不明顯， 且在近震源區(qū)震前呈現(xiàn)短期平靜狀態(tài)． 為研究這種小變形現(xiàn)象的深部動力學(xué)因素及形變機制， 本文基于成都地區(qū)1996—2007年13期重復(fù)重力觀測數(shù)據(jù)， 經(jīng)平差處理后進行密度的三維反演， 得到了汶川地震近震源區(qū)震前10年的地殼深部密度變化水平向和垂直向的時空分布特征． 結(jié)果表明： 密度變化在空間上呈有序分布， 主要集中在龍門山斷裂帶及其附近區(qū)域， 且深部變化幅度顯著大于淺部， 表明近震源區(qū)斷裂帶深部活動較為顯著； 從時間上來看， 密度變化速率并不均衡， 在震前3—8年介質(zhì)密度變化劇烈， 而在震前短期變化卻不明顯． 根據(jù)震前形變特征和不同深度密度變化的動態(tài)演化過程， 本文認為龍門山斷裂帶的地殼分層運動， 導(dǎo)致了淺層地殼的小形變和深部顯著的密度變化． 此外， 根據(jù)該斷裂帶及其附近地區(qū)的密度變化特征， 本文選取和改進了適合汶川地震的孕震模型， 即改進的組合-硬化模型， 將動力學(xué)過程與孕育機制結(jié)合起來， 以期對汶川地震震前近震源區(qū)的形變機制作出合理解釋．

地殼形變機制 汶川MS8.0地震 近震源區(qū) 密度動態(tài)變化 三維反演

引言

2008年5月12日汶川MS8.0地震是我國近年來發(fā)生的災(zāi)難最為嚴重的地震之一， 其強烈程度和破壞程度均為世界罕見． 大地震的孕育與發(fā)生， 是地殼運動劇烈的一種表現(xiàn)形式． 但根據(jù)震前GPS計算結(jié)果顯示， 橫跨整個龍門山斷裂帶的滑動速率小于2 mm/a， 單條斷裂的活動速率小于1 mm/a， 其活動性并不明顯(張培震等， 2008； 吳建平等， 2009)， 且汶川地震前在震中及附近地區(qū)豐富的連續(xù)形變觀測、 GPS觀測和跨斷層等資料分析(沈正康等， 2003； 江在森等， 2009； 張立成等， 2009； 牛安福等， 2012)所顯示的現(xiàn)象與經(jīng)驗性理解相悖： 越靠近震中位置的異常變化反而越不明顯， 且在震前短期無明顯的形變異?，F(xiàn)象， 相對來說， 震前中長期形變比震前短期形變要明顯． 同時， 根據(jù)1976年唐山MS7.8、 1989年洛馬普列塔MS7.1和2004年帕克菲爾德MW6.0等地震震前形變前兆研究(Lindeetal， 1992； 薄萬舉， 華彩虹， 2001； Bilham， 2005)表明， 這一現(xiàn)象具有一定普遍性．

震前在近震源區(qū)形變不明顯但如此大的地震卻發(fā)生了， 像這種形變小但處于活動狀態(tài)的現(xiàn)象令人匪夷所思. 但是， 鑒于地震的孕育與發(fā)生是深部物質(zhì)與能量的交換和其深層動力過程的產(chǎn)物， 而地表過程僅是深層過程在某種程度上的間接表征或影響(滕吉文等， 2008)， 未必能真實地反映出深層過程， 因此產(chǎn)生這種震前小形變特征也就不難理解． 由于介質(zhì)密度變化是地殼形變最直觀的反應(yīng)， 因此我們希望探究近震源區(qū)深部地殼介質(zhì)的密度是否發(fā)生顯著改變， 并依此來研究龍門山斷裂帶及其鄰區(qū)地殼密度動態(tài)變化過程， 這對于揭示和認識汶川地震的孕震過程和動力學(xué)過程具有重要意義， 乃至對大地震的預(yù)測研究工作也具有積極意義．

地震從孕育到發(fā)生是一個應(yīng)力逐漸積累到突然釋放的過程． 在地震孕育過程中， 隨著地殼構(gòu)造活動的增強， 震源區(qū)應(yīng)力的不斷增加， 地殼內(nèi)部物質(zhì)發(fā)生遷移， 使得地殼內(nèi)部密度和地表重力值發(fā)生變化(祝意青等， 2009)， 因此震前重力場的變化在一定程度上可以反映并用來研究地震孕育期地殼形變、 介質(zhì)密度變化和質(zhì)量遷移等． 目前， 應(yīng)用重力場資料對地下物質(zhì)密度變化進行反演的研究已逐漸趨于成熟， 由原來采用二維反演(申重陽等， 2000， 2001， 2003)已逐漸發(fā)展到三維反演(Montesinosetal， 2005； 柯小平等， 2009； 玄松柏等， 2008， 2013)． 早在20世紀60年代， 龍門山斷裂帶附近已經(jīng)開始了流動重力觀測， 汶川地震發(fā)生前已進行了多期重復(fù)重力觀測(李媛等， 2015)．

本文利用1996—2007年13期地表重力觀測數(shù)據(jù)反演地下三維密度， 探究汶川地震近震源區(qū)震前地下物質(zhì)密度的演化特征和地下構(gòu)造活動． 根據(jù)不同深度的密度變化特征選取合適的動力學(xué)模型和孕震機制， 進而嘗試對震前的形變特征及其機制作出合理解釋．

1 震前地殼密度變化反演

1.1 重力數(shù)據(jù)處理

本文選取龍門山地區(qū)重力網(wǎng)1996—2007年13期流動重力數(shù)據(jù)反演地殼深部物質(zhì)密度． 該重力網(wǎng)臺站分布如圖1所示. 該區(qū)域主要包括龍門山斷裂帶中南段． 對重力數(shù)據(jù)處理主要包括： ① 消除其它因素對重力的影響， 求出不規(guī)則各測點1997—2007年相對1996年累積動態(tài)變化的重力場； ② 對離散點進行網(wǎng)格化處理， 得到0.1°×0.1°網(wǎng)格數(shù)據(jù)； ③ 通過濾波處理， 消除測量誤差和淺表質(zhì)量變化所產(chǎn)生的短波干擾(徐云馬等， 2008； 祝意青等， 2008)， 得到用于反演計算的重力場數(shù)據(jù)．

圖1 龍門山地區(qū)重力臺站及斷裂帶分布(引自李媛等， 2015) Fig.1 Distribution of gravity stations and fault zones in Longmenshan area (after Li et al， 2015)

影響重力變化的因素主要是高程變化、 地下水及降水、 測點地下介質(zhì)密度變化以及地下質(zhì)量遷移等(吳雪芳等， 1992)． 利用測量的重力數(shù)據(jù)反演地下深部密度之前， 需扣除除介質(zhì)密度變化外的其它影響因素所造成的重力變化， 即高程因素和水文因素．

相對而言， 地面升降所引起的重力效應(yīng)是可以定量估算的. 李媛等(2015)對四川地區(qū)1999—2007年的GPS垂直分量數(shù)據(jù)插值擬合得到了各個測點的垂向運動速率, 由此計算出數(shù)年的高程變化． 為定量消除各點因高程變化和相應(yīng)的層間質(zhì)量所引起的重力效應(yīng)， 需作空間校正和層間校正， 即

δg=-0.3086Δh+2πg(shù)ρΔh=-0.3086vn+0.1119vn=-0.1967vn,

(1)

式中： Δh為高程變化量；v為垂直向運動速度；ρ為地殼密度， 通常取ρ=2.67 g/cm3；n為年數(shù).

然而， 因氣象數(shù)據(jù)等的缺乏， 降水和地下水變化所造成的重力效應(yīng)卻不宜定量估算， 所以我們只能進行一些簡單分析． 為減小季節(jié)性差異， 觀測時間多選在每年的4—7月． 經(jīng)多個井水位的觀察和分析表明， 水文的年變化并不大． 以安縣和小金井為例(圖2a, b)， 其年變趨勢非常小， 盡管整體變化趨勢是上升的， 但10年間的最大上升量也未達到25 cm． 德陽市是四川地區(qū)少有的井水位變化比較大的地區(qū)， 因缺少前期數(shù)據(jù)， 故本文對其進行分段分析： 2002—2008年的井水位升幅顯示(圖2c)， 其每年測量月份的井水位升幅(黑點所標(biāo)示位置)最大也不超過50 cm； 1996—2002年的測量月份集中在4月和5月， 由于該時段抽水及降水量少(高東東等， 2012)等原因， 導(dǎo)致該時段的水位升幅非常小， 所以即使在水位變化較大的德陽地區(qū)， 測量期間的地下水變化也較?。?因此， 可以認為該地區(qū)地下水位的年變化不到0.5 m． 何志堂等(2010)研究認為， 埋深25 m的測點地下水變化與其重力變化之間具有較為密切的關(guān)系， 且基本上呈線性關(guān)系． 在一定變化范圍內(nèi)， 地下水變化1 m對重力的影響估值為(1.4—1.5)×10-6m/s2． 由此可以估算， 龍門山地區(qū)由地下水位和降水所引起的重力變化小于0.8×10-6m/s2， 與觀測到的變化量相比相差甚遠．

圖2 龍門山斷裂帶附近小金07井(a)、 安縣09井(b)井水位及德陽08井井水位升幅變化(c)

綜上， 對除密度以外的其它重力影響因素的消除， 目前只能定量消除各點因高程變化和層間質(zhì)量所引起的重力效應(yīng). 考慮到水文影響因素較小， 故在數(shù)據(jù)處理中暫忽略水文變化所產(chǎn)生的重力效應(yīng)．

1.2 密度變化的重力反演

重力反演是將觀察到的重力場數(shù)據(jù)映射到物理初始模型， 求解得到場源模型參數(shù)(場源密度)的過程． 其基本原理是將地下空間劃分為大小固定， 空間位置已知的多層、 多塊網(wǎng)格狀地塊單元， 建立重力觀測場與地下場源物性參數(shù)的線性函數(shù)， 通過阻尼最小二乘法求得光滑解(李媛等， 2015)．

圖3 2002年相對于1996年地殼物質(zhì)密度變化切片 Fig.3 Slices of density changes of crustal material in the year 2001 relative to that in 1996

為避免由于噪聲干擾產(chǎn)生多余構(gòu)造信息而導(dǎo)致模型過于復(fù)雜， 采用奧卡姆最小構(gòu)造反演法(劉天佑， 2007)； 為克服重力場反演的深度衰減效應(yīng)， 將目標(biāo)函數(shù)進行深度加權(quán)(Li， Oldenburg， 1996， 1998)； 為縮小參數(shù)空間范圍， 減少其多解性以及改善迭代過程中的收斂性， 對目標(biāo)函數(shù)施加密度約束條件(劉天佑， 2007)， 如ma

針對每期重力變化， 利用上述反演方法不斷調(diào)整參數(shù)， 試算地殼深部5—65 km深度的密度變化， 得出2002年相對于1996年的三維密度變化圖像， 如圖3所示． 為更好地反映密度變化趨勢與深度的關(guān)系， 本文分析了所選區(qū)域內(nèi)多個地點密度變化隨深度變化的關(guān)系， 結(jié)果顯示各地點密度變化趨勢基本一致. 以點(31°N， 104°E)為例(圖4)， 可以看出， 在一定深度范圍內(nèi)， 隨著深度增加， 密度變化量增大， 在莫霍面附近(40—50 km)變化量最大. 該結(jié)果與莫霍面處物質(zhì)擾動相對應(yīng)， 之后密度變化幅度不再隨深度變化．

圖4 (31°N， 104°E)處密度變化隨深度變化曲線 Fig.4 The curve of density variation with depth at the point (31°N， 104°E)

1.3 密度變化結(jié)果與分析

考慮到如下兩方面： ① 中國地震局汶川地震科學(xué)考察隊利用川西流動寬頻帶地震臺陣記錄到的近場地震波確定2008年汶川MS8.0地震震源深度為(18.66±0.49) km； ② 下地殼物質(zhì)遷移過程所引起的密度變化是觀測到重力場變化的主要原因， 其等效壓縮質(zhì)源深度為20—40 km(陳石等， 2011)， 因此本文選擇15—25 km深度的密度變化對揭示震源體變化過程更有參考意義， 由此計算出15 km， 20 km和25 km深度處的密度變化范圍約為-60—60 kg/m3.

圖5給出了1997—2007年各年份相對于1996年地下深度分別為25 km(左)、 20 km(中)和15 km(右)的密度累積變化切片． 根據(jù)圖像的變化特征， 為便于分析， 將時間序列大致分為1997—1999， 1999—2002， 2002—2005和2005—2007等4個時段． 根據(jù)密度變化幅值、 時間序列以及空間分布等方面， 可初步得出以下分析結(jié)果：

1) 從時間序列分布來看， 不同時間段內(nèi)地殼介質(zhì)密度的變化速率不均衡． 顯然， 在震前中長期的密度變化較為顯著， 而在震前短期(1—2年)地殼介質(zhì)密度變化反而比較平靜． 整體來看， 在汶川地震前10年孕育期， 介質(zhì)密度動態(tài)變化具有明顯的階段性特征： 平穩(wěn)小幅增加階段(1997—1999年)—劇烈波動增加階段(1999—2002年)—緩慢波動階段(2002—2005年)—平穩(wěn)小幅減小階段(2005—2007年)． 各階段密度變化較具體動態(tài)為： ① 1997—1999年的密度變化非常小且比較平穩(wěn)， 以25 km深度變化較大的北川中部為例， 3年間密度增加幅值不到10 kg/m3, 該時段應(yīng)力水平還不是很高； ② 1999—2002年的密度變化比較劇烈且波動大， 劇烈波動增加的階段體現(xiàn)為區(qū)域密度呈正密度加速增大(1999—2000年)—負密度加速增大(2000—2001年)—正密度小幅增大(2001—2002年)的波動性過程， 密度變化劇烈的區(qū)域多分布在龍門山斷裂帶及其西側(cè)的川西高原； ③ 2002—2005年的密度變化盡管比較緩慢， 但在龍門山斷裂帶上的變化卻很明顯， 由原來的正負密度變化區(qū)沿斷層相間分布轉(zhuǎn)為正密度變化區(qū)沿斷層而負密度變化區(qū)居斷層兩側(cè)的分布態(tài)勢， 即呈現(xiàn)出沿斷層分布的密度梯度帶， 且密度變化劇烈區(qū)域更加趨近于斷裂帶， 由2002—2005年的密度變化可以看出， 汶川—成都一帶既是密度變化劇烈?guī)В?也是正負密度變化區(qū)域的分界線； ④ 2005—2007年的震前平穩(wěn)變化階段， 該階段構(gòu)造活動較弱， 但密度的小幅減小表明地殼巖石開始微破裂膨脹．

對映秀和北川兩個極震區(qū)分析可以得出， 映秀地區(qū)密度變化的時序分布為： 1996—1999年密度呈平穩(wěn)變化， 1999—2001年密度迅速轉(zhuǎn)為正值變化， 2001—2005年密度變化呈波動性增加， 2005—2007年密度變化很?。?北川地區(qū)的密度變化整體呈現(xiàn)出平穩(wěn)變化(1996—2000年)—加速增大(2001—2004年)—平穩(wěn)變化(2004—2005年)的過程． 由此表明汶川地區(qū)密度變化趨勢清晰地反映了汶川地震前期震源區(qū)的深部物理演化過程．

2) 從空間分布來看， 整個地區(qū)的密度變化分布不均勻． 顯著的密度變化多分布于龍門山斷裂帶及其附近地區(qū)， 這可以由祝意青等(2009)和張季生等(2009)的研究結(jié)果來解釋， 即龍門山斷裂帶附近， 布格重力異常圖和地殼等厚度圖上均表現(xiàn)為梯度陡變帶． 此外， 密度場變化在空間整體分布上由比較散亂的正負分布狀態(tài)逐漸趨于有序和相對集中. 密度聚集區(qū)主要集中在北川、 茂縣、 汶川—映秀和綿竹地區(qū)， 分布于龍門山斷裂帶及其附近地區(qū)， 反映了大震前區(qū)域構(gòu)造活動增強和局部應(yīng)力集中現(xiàn)象. 與大震前的其它形變特征一樣， 汶川地震前的密度場也具有場熵值減小(吳翼麟等， 1993)的現(xiàn)象， 表明龍門山斷裂帶及其附近區(qū)域是物質(zhì)遷移和構(gòu)造變形差異運動強烈的地帶．

3) 從縱向分布來看， 密度變化趨勢在深度上基本是一致的， 并且在一定深度范圍內(nèi)， 密度變化幅值隨深度增加而增大， 表明地殼深部活動比淺部強． 重點是， 汶川地震震前短期的地殼密度變化呈現(xiàn)平靜期， 斷層活動較小， 而且在淺部的構(gòu)造活動比較弱， 這就不難解釋“汶川地震震前短期觀測到的形變異常不明顯”這一現(xiàn)象． 因此， 汶川地震的孕育與發(fā)生應(yīng)該從深部去研究．

2 震前形變機制探討

地殼密度場的時空動態(tài)變化能夠較直觀地反映深部物質(zhì)運移和地殼構(gòu)造活動信息， 與地震的形成和發(fā)展有著內(nèi)在聯(lián)系． 研究地殼密度場的時空演化特征可為進一步探討現(xiàn)今地殼構(gòu)造與強震孕育、 發(fā)生的相互關(guān)系提供一定依據(jù)． 從上述反演結(jié)果及分析中我們認識到， 關(guān)于震前形變研究不能僅限于地殼淺部現(xiàn)象， 而更應(yīng)該關(guān)注其深部的形變活動機制． 地殼物質(zhì)密度變化與形變的關(guān)系為形變機制和孕震動力學(xué)研究提供了一種特殊的研究途徑， 即根據(jù)震前地殼物質(zhì)密度動態(tài)演化過程來選取最適合汶川地震孕育的動力學(xué)過程和孕震模型， 進而對該地震震前的形變機制作出一定解釋． 對汶川地震震前形變機制較全面的認識應(yīng)該從多個角度出發(fā)， 本文從大時間尺度的孕震動力學(xué)與小時間尺度的孕震機制兩方面結(jié)合進行研究．

2.1 汶川地震孕震動力學(xué)過程對震前形變機制的解釋

應(yīng)力和物質(zhì)在震源體附近逐漸積累， 達到一定程度后， 深部震源體巖石開始破裂并沿斷裂帶由深入淺破裂． 根據(jù)滕吉文等(2008)的汶川強烈地震的形成模型， 并結(jié)合地殼物質(zhì)密度的時空分布特征(圖5)， 得到了汶川地震孕震過程中的物質(zhì)運移情況， 如圖6所示． 根據(jù)汶川地震近震源區(qū)地殼介質(zhì)密度的垂向變化及空間分布特征顯示： 在地殼淺層(0—15 km), 物質(zhì)遷移活動較弱， 地殼深部的構(gòu)造活動明顯強于淺部； 龍門山斷裂帶附近物質(zhì)遷移較強； 川西高原密度變化較大． 以上特點均在圖6所示的物質(zhì)運移模型中得到印證． 據(jù)此認為， 能夠合理解釋汶川地震震前的淺層小形變特征和深部密度變化較顯著特征的動力學(xué)過程， 可能是由于上地殼和下地殼不處于統(tǒng)一的匹配力源體系上(陳祖安等， 2009). 上、 下地殼運動不一致導(dǎo)致各深度地殼分層運動顯著．

圖6 汶川地震形成和深部物質(zhì)運移模型(改編自滕吉文等， 2008) Fig.6 The model for the generation of Wenchuan earthquake and migration of deep material (revised by Teng et al， 2008)

根據(jù)圖6對汶川地震的孕震動力學(xué)過程可解釋為： 在印度板塊向四川地塊擠壓的大環(huán)境下， 深部物質(zhì)向東南向流動， 上地殼地塊與低速層(地下10—15 km處)發(fā)生拆離， 上地殼物質(zhì)緩慢向四川地塊運移， 因在地下0—10 km深度龍門山地塊為高速體(高密度、 高波速的冷物質(zhì))， 不易變形， 在遇到堅硬四川地塊的阻擋以及上部物質(zhì)的重力作用下， 與四川地塊形成僵持對峙格局， 故地表淺層物質(zhì)并未能產(chǎn)生大規(guī)模橫向運動． 而深部中下地殼和上地幔蓋層物質(zhì)在大環(huán)境的“逼迫”下， 以低速層和上地幔軟流層為物質(zhì)運移通道和上下邊界(滕吉文等， 2008)， 向四川地塊前進. 當(dāng)龍門山地塊(30—65 km為低速層)遇到堅硬的四川地塊阻擋后轉(zhuǎn)為向上逆沖， 產(chǎn)生推覆剪切作用， 造成龍門山斷裂帶上部震源附近物質(zhì)逐漸積累， 應(yīng)力也不斷積累， 到一定程度后， 震源附近巖石開始微破裂、 膨脹， 直到最后完全破裂． 1996—2005年密度變化呈波動性增加的特征表明該時段物質(zhì)是不斷積累的， 并且龍門山斷裂帶及其附近地區(qū)因上部物質(zhì)的重力作用， 深部地殼介質(zhì)密度變化較淺部大． 2005—2007年密度的小幅度下降表明巖石已經(jīng)產(chǎn)生微破裂， 發(fā)生膨脹導(dǎo)致密度下降． 由此可以看出， 該模型所揭示的上、 下地殼的運動過程與本文反演所得到的結(jié)果相符合．

由上述分析可以得出， 汶川大地震震前短期的平靜現(xiàn)象和近震源區(qū)淺部的小形變現(xiàn)象是特定的深部構(gòu)造活動和多元的深層過程所造成的． 盡管可以用上述模型大體解釋汶川地震孕震動力學(xué)過程， 但對其局部密度變化的解釋還不盡完善， 需要進一步修正和探索． 另外， 關(guān)于汶川地震臨震前巖石破裂的發(fā)生機制仍需進行探討， 以完善本文對反演結(jié)果時間序列特征的解釋．

2.2 汶川地震孕震模式對震前形變機制的解釋

有關(guān)巖石力學(xué)實驗表明(朱志澄， 1999)， 在力的作用下， 巖石經(jīng)歷彈性形變—塑性形變—塑性硬化—破裂等變形階段． 硬化階段特征為， 隨著應(yīng)變速率增加， 介質(zhì)強度先迅速增強， 達到一定程度后， 介質(zhì)強度不再增加， 直至破裂． 強震前大范圍構(gòu)造活動加劇及震中區(qū)介質(zhì)硬化過程的共同作用， 形成了場兆、 源兆及長、 中、 短、 臨階段各不相同的前兆特征． 根據(jù)近年來幾次M≥6.0地震的形變前兆分析認為， 震前中長期形變較顯著而短期震中區(qū)形變不明顯的現(xiàn)象正是上述作用的結(jié)果． 因此， 車兆宏和范燕(1999)在組合孕震模式(郭增建， 秦保燕， 1991)的基礎(chǔ)上提出了組合-硬化孕震模式． 根據(jù)汶川地震震前的形變場、 重力場(祝意青等， 2008； 申重陽等， 2009)及密度場的動態(tài)變化特點， 認為汶川地震震前10年的孕育過程與組合-硬化模型在一定程度上比較吻合． 根據(jù)地殼物質(zhì)密度變化的動態(tài)演化特點， 本文對組合-硬化模式在時間進程和階段劃分上作了適當(dāng)調(diào)整， 認為汶川地震的孕震過程可分為以下5個階段：

1) 孕震初期階段. 在受力情況下， 地下介質(zhì)在較大范圍內(nèi)(該范圍直徑可以大到震源體直徑的幾倍至十幾倍)出現(xiàn)地殼及斷層運動加劇的動力學(xué)過程， 產(chǎn)生背景性異常, 這一階段大致出現(xiàn)在震前5—8年甚至更長一段時間(車兆宏， 范燕， 1999)， 此階段也為形變和重力等加速變化時段． 同時， 該時段的地殼介質(zhì)密度變化也處于劇烈波動階段．

2) 震前中長期階段. 在應(yīng)力場作用下， 應(yīng)力集中在近震源區(qū). 隨之， 介質(zhì)出現(xiàn)硬化現(xiàn)象， 近震源區(qū)地下介質(zhì)運動相對平靜. 與此相反, 其周邊地區(qū)運動繼續(xù)加劇， 造成外圍地區(qū)形變前兆增多． 該階段大致為震前2—5年. 2002—2005年的反演結(jié)果表明， 該時段的密度變化幅度逐漸減小， 空間分布逐漸趨于集中， 且該地區(qū)水準、 GPS以及重力資料(中國地震局監(jiān)測預(yù)報司， 2009)均顯示該時段特點為遠場形變比近場形變變化顯著得多， 且近場形變較為平靜， 尤其是越靠近斷裂帶變化越不明顯. 上述結(jié)果與該階段地下介質(zhì)運移狀態(tài)相吻合．

3) 震前短期平靜期階段. 在應(yīng)力場繼續(xù)作用下， 震源體進一步硬化， 但硬化速率有所減緩， 此時應(yīng)變積累至較高水平， 內(nèi)部剛度增大． 高應(yīng)變積累區(qū)可能引起介質(zhì)彈性模量的增加， 有利于更高水平的應(yīng)變積累. 當(dāng)積累到一定程度時， 應(yīng)力增量所引起的形變變化量可能很?。?此時的地塊越來越難以發(fā)生變化， 各種“動態(tài)變化”幾乎都處于僵持靜止?fàn)顟B(tài)， 至此震前平靜期產(chǎn)生， 出現(xiàn)進入短期平靜階段的跡象． 這一階段大致在震前1—2年． 該時段無論是重力還是形變， 甚至密度變化都處于平靜狀態(tài)．

4) 應(yīng)力持續(xù)集中階段. 介質(zhì)硬化進入后期階段， 隨著震源區(qū)應(yīng)力的增大， 介質(zhì)強度不再隨應(yīng)變的繼續(xù)增加而顯著增加． 當(dāng)應(yīng)力超出介質(zhì)破裂強度時， 在硬化體周圍將出現(xiàn)微破裂現(xiàn)象(車兆宏， 范燕， 1999)， 此時穿過硬化體的斷層出現(xiàn)預(yù)位移． 本文前面所述“地殼介質(zhì)密度變化在震前短期處于小幅減小階段”以及“空間分布上更加集中于龍門山斷裂帶”正揭示了微破裂膨脹的產(chǎn)生．

5) 微破裂繼續(xù)發(fā)展階段. 斷層預(yù)位移不斷擴張， 最終引發(fā)震源區(qū)介質(zhì)的破裂， 發(fā)生強烈地震． 這一階段出現(xiàn)在震前幾個月， 即為發(fā)震的短期階段．

根據(jù)本文總結(jié)的汶川地震震前形變、 重力和地下密度的變化特征可以看出， 汶川地震基本符合上述的組合-硬化孕震模式， 同時震前各階段密度變化特征與各孕震階段特征的吻合也驗證了該模式的合理性．

3 討論與結(jié)論

汶川地震震前形變場所呈現(xiàn)的場兆、 源兆及長、 中、 短、 臨各階段不同的前兆演化特征， 對強震的預(yù)測等方面具有重要的研究意義， 尤其在震前形變機制研究方面．

地震的孕育與發(fā)生并不僅僅是地殼淺層作用所能決定的， 因此要探究汶川地震震前形變機制需要對深部過程進行揭示， 而介質(zhì)密度變化則是介質(zhì)形變最直觀的反應(yīng)， 因此本文對密度進行三維反演， 得出了不同深度密度變化的時空分布特征． 結(jié)果顯示： 在空間分布上， 該區(qū)域介質(zhì)密度變化呈現(xiàn)有序和相對集中態(tài)勢， 主要集中在龍門山斷裂帶及其附近地區(qū)， 正是深部物質(zhì)向斷裂帶附近積累的體現(xiàn)； 在時間序列上， 密度變化速率并不均衡， 在震前3—8年， 介質(zhì)密度變化波動劇烈， 而在震前短期變化卻很不明顯， 物質(zhì)密度的變化趨勢清晰地反映了汶川地震前期震源區(qū)的深部物理演化過程； 在深度分布上， 深部變化幅度明顯大于淺部， 表明近震源區(qū)斷裂帶深部物質(zhì)活動強于淺部．

根據(jù)震前形變特征及震前密度場的時空變化特征等， 本文選取比較符合汶川地震孕育過程的地殼分層運動動力學(xué)過程， 并選取改進的組合-硬化孕震模型， 最后將兩者結(jié)合， 對汶川地震近震源區(qū)震前10年的形變現(xiàn)象， 即“越靠近震中位置異常變化反而越不明顯， 且在震前短期無明顯形變異常”作出解釋， 具體為：

1) 龍門山地塊上地殼與地殼低速層之間的“解耦”， 以及該地塊淺層0—10 km深度范圍內(nèi)為高速體， 造就了汶川地震震前淺部形變不顯著． 龍門山地塊高速體不易發(fā)生變形， 上地殼與低速層發(fā)生拆離， 上地殼物質(zhì)緩慢向四川地塊運移， 在遇到堅硬四川地塊的阻擋以及上部物質(zhì)的重力作用下， 與四川地塊形成僵持對峙格局， 因此地表淺層物質(zhì)并未能產(chǎn)生大規(guī)模橫向運動．

2) 汶川地震前10年為上述地震孕育的第2， 3， 4階段． 首先， 由于深部物質(zhì)遇到堅硬四川地塊的阻擋后， 不斷沿龍門山地塊與四川地塊交接處向上遷移， 造成龍門山斷裂帶上部震源附近物質(zhì)逐漸積累， 應(yīng)力在震源附近亦不斷積累， 震源區(qū)地塊不斷硬化． 因此與遠震源區(qū)相比， 近震源區(qū)密度變化表現(xiàn)相對平靜． 其次， 隨著應(yīng)力作用的持續(xù)， 遠震源區(qū)運動繼續(xù)加劇， 在應(yīng)力場繼續(xù)作用下， 震源體進一步硬化， 但其膨脹硬化幅度減緩， 內(nèi)部剛度增大， 震源介質(zhì)彈性模量增加， 近震源區(qū)越來越難以發(fā)生形變， 達到震前平靜期． 最后， 應(yīng)力不斷在震源區(qū)附近積累， 達到一定程度后震源區(qū)附近巖石開始微破裂、 膨脹， 深部物質(zhì)密度略微減?。?由于破裂是由深到淺的， 此階段破裂未能達到淺部， 因此震前1—3年淺部的形變依然不明顯．

總之， 地殼的分層運動過程以及改進的組合-硬化模式所揭示的形變機制在一定程度上既解釋了大范圍形變場在孕震期間的演化過程， 又解釋了震源區(qū)震前相對平靜的特點； 既反映了遠場和近場的動力學(xué)過程， 又反映了震源區(qū)介質(zhì)密度變化的過程． 總體來說， 該孕震模式對“近震源區(qū)震前短期無明顯異常形變”以及“震前平靜期的存在”作出了合理的解釋， 解決了我們所提出的“為什么震前短期在近震源區(qū)反而看不到顯著形變異?！钡膯栴}．

汶川地震震前的形變特征具有一定的普遍性， 因此對該地震震前形變特征及其機制的探索研究對地震預(yù)報等具有重要意義， 為研究龍門山地區(qū)深部地殼活動及形變機制提供了一種可行方法． 但仍存在一些問題， 例如： 由于反演問題的非唯一性和不穩(wěn)定性等原因， 造成所得出的結(jié)果未必非常貼近實際情況； 由于地下環(huán)境的復(fù)雜性， 對震前形變機制的解釋仍然不盡完善. 這些問題有待進行更深入的探索和研究．

中國地震局地震研究所申重陽研究員提供了豐富的重力資料， 玄松柏助理研究員對反演程序方面給予了指導(dǎo)， 審稿專家對本文提出了寶貴意見， 在此一并表示感謝．

薄萬舉， 華彩虹. 2001. 地形變強震前兆指標(biāo)探討[J]. 地震， 21(1): 25--32.

Bo W J， Hua C H. 2001. Exploration of the index of crustal deformation precursor of strong earthquakes[J].Earthquake， 21(1): 25--32 (in Chinese).

車兆宏， 范燕. 1999. 華北強震地形變及重力前兆特征與孕震機理[J]. 中國地震， 15(1): 46--53.

Che Z H， Fan Y. 1999. Precursory characters and earthquake preparation mechanism of ground deformation and gravity before strong earthquake in North China[J].EarthquakeResearchinChina， 15(1): 46--53 (in Chinese).

陳石， 王謙身， 祝意青， 蔣長勝， 盧紅艷， 王武星. 2011. 汶川MS8.0震前區(qū)域重力場變化與震質(zhì)中研究[J]. 地球物理學(xué)進展， 26(4): 1147--1156.

Chen S， Wang Q S， Zhu Y Q， Jiang C S， Lu H Y， Wang W X. 2011. Regional gravity variation before WenchuanMS8.0 earthquake and epicentroid research[J].ProgressinGeophysics， 26(4): 1147--1156 (in Chinese).

陳祖安， 林邦慧， 白武明， 程旭， 王運生. 2009. 2008年汶川8.0級地震孕震機理研究[J]. 地球物理學(xué)報， 52(2): 408--417.

Chen Z A， Lin B H， Bai W M， Chen X， Wang Y S. 2009. The mechanism of generation of May 12， 2008MS8.0 Wenchuan earthquake[J].ChineseJournalofGeophysics， 52(2): 408--417 (in Chinese).

高東東， 吳勇， 姜麗麗， 古廣華. 2012. 德陽市城區(qū)地下水位動態(tài)特征及成因分析[J]. 四川地質(zhì)學(xué)報， 32(1): 74--79.

Gao D D， Wu Y， Jiang L L， Gu G H. 2012. Groundwater regime in the Deyang urban and its genesis[J].ActaGeologicaSichuan， 32(1): 74--79 (in Chinese).

郭增建， 秦保燕. 1991. 地震成因和地震預(yù)報[M]. 北京: 地震出版社: 46--106.

Guo Z J， Qin B Y. 1991.TheSeismogenesisandPredictionofEarthquake[M]. Beijing: Seismological Press: 46--106 (in Chinese).

何志堂， 閆會杰， 雷鵬， 唐志明， 康勝軍. 2010. 地下水變化對大地原點重力影響的估算[J]. 測繪標(biāo)準化， 26(3): 10--12.

He Z T， Yan H J， Lei P， Tang Z M， Kang S J. 2010. The calculation about the influence of underwater on the geodetic origin gravity[J].StandardizationofSurveyingandMapping， 26(3): 10--12 (in Chinese).

江在森， 方穎， 武艷強， 王敏， 杜方， 平建軍. 2009. 汶川8.0級地震前區(qū)域地殼運動與變形動態(tài)過程[J]. 地球物理學(xué)報， 52(2): 505--518.

Jiang Z S， Fang Y， Wu Y Q， Wang M， Du F， Ping J J. 2009. The dynamic process of regional crustal movement and deformation before WenchuanMS8.0 earthquake[J].ChineseJournalofGeophysics， 52(2): 505--518 (in Chinese).

柯小平， 王勇， 許厚澤. 2009. 三維密度分布的遺傳算法反演[J]. 大地測量與地球動力學(xué)， 29(1): 41--45.

Ke X P， Wang Y， Xu H Z. 2009. 3D density inversion with genetic algorithm[J].JournalofGeodesyandGeodyna-mics， 29(1): 41--45 (in Chinese).

李媛， 牛安福， 趙靜， 劉?？? 2015. 汶川地震前龍門山區(qū)域地殼密度動態(tài)變化分析[J]. 地震， 35(1): 77--90.

Li Y， Niu A F， Zhao J， Liu X K. 2015. Dynamic variations of crustal density in the Longmenshan area before the 2008 Wenchuan 8.0 earthquake[J].Earthquake， 35(1): 77--90 (in Chinese).

劉天佑. 2007. 位場勘探數(shù)據(jù)處理新方法[M]. 北京: 科學(xué)出版社: 100--102.

Liu T Y. 2007.NewDataProcessingMethodsforPotentialFieldExploration[M]. Beijing: Science Press: 100--102 (in Chinese).

牛安福， 張凌空， 閆偉， 吉平. 2012. 汶川地震近震源區(qū)地形變短期前兆現(xiàn)象的解析[J]. 地震， 32(2): 52--63.

Niu A F， Zhang L K， Yan W， Ji P. 2012. On the short-term precursory phenomena of ground deformation associated with the 2008MS8.0 Wenchuan earthquake[J].Earthquake， 32(2): 52--63 (in Chinese).

申重陽， 朱思林， 甘家思， 徐菊生， 劉序儼， 林繼華， 王志鵬， 郭逢英. 2000. 福建中部和東南沿海地殼內(nèi)部密度變化分布特征的研究[J]. 地殼形變與地震， 20(2): 50--55.

Shen C Y， Zhu S L， Gan J S， Xu J S， Liu X Y， Lin J H， Wang Z P， Guo F Y. 2000. Study on distribution characteristics of crustal density change in middle and southeastern coast of Fujian[J].CrustalDeformationandEarthquake， 20(2): 50--55 (in Chinese).

申重陽， 吳云， 甘家思. 2001. 從地殼運動角度分析大陸強震機理的一種物理方法[J]. 中國地震， 17(1): 70--81.

Shen C Y， Wu Y， Gan J S. 2001. A physical method of analyzing the continental strong earthquake mechanism from crustal movement[J].EarthquakeResearchinChina， 17(1): 70--81(in Chinese).

申重陽， 吳云， 秦小軍， 孫少安. 2003. 華北地區(qū)地殼密度變化特征的初步研究[J]. 大地測量與地球動力學(xué)， 23(1): 29--34.

Shen C Y， Wu Y， Qin X J， Sun S A. 2003. Characteristics of crustal density change in North China[J].JournalofGeodesyandGeodynamics， 23(1): 29--34 (in Chinese).

申重陽， 李輝， 孫少安， 劉少明， 玄松柏， 談洪波. 2009. 重力場動態(tài)變化與汶川MS8.0地震孕育過程[J]. 地球物理學(xué)報， 52(10): 2547--2557.

Shen C Y， Li H， Sun S A， Liu S M， Xuan S B， Tan H B. 2009. Dynamic variations of gravity and the preparation process of the WenchuanMS8.0 earthquake[J].ChineseJournalofGeophysics， 52(10): 2547--2557 (in Chinese).

沈正康， 王敏， 甘衛(wèi)軍， 張祖勝. 2003. 中國大陸現(xiàn)今構(gòu)造應(yīng)變率場及其動力學(xué)成因研究[J]. 地學(xué)前緣， 10(特刊): 93--100.

Shen Z K， Wang M， Gan W J， Zhang Z S. 2003. Contemporary tectonic strain rate field of Chinese continent and its geodynamic implications[J].EarthScienceFrontiers， 10(Suppl): 93--100 (in Chinese).

滕吉文， 白登海， 楊輝， 閆雅芳， 張洪雙， 張永謙， 阮小敏. 2008. 2008年汶川MS8.0地震發(fā)生的深層過程和動力學(xué)響應(yīng)[J]. 地球物理學(xué)報， 51(5): 1385--1402.

Teng J W， Bai D H， Yang H， Yan Y F， Zhang H S， Zhang Y Q， Ruan X M. 2008. Deep processes and dynamic responses associated with the WenchuanMS8.0 earthquake of 2008[J].ChineseJournalofGeophysics， 51(5): 1385--1402 (in Chinese).

吳建平， 黃嬡， 張?zhí)熘校?明躍紅， 房立華. 2009. 汶川MS8.0級地震余震分布及周邊區(qū)域P波三維速度結(jié)構(gòu)研究[J]. 地球物理學(xué)報， 52(2): 320--328.

Wu J P， Huang Y， Zhang T Z， Ming Y H， Fang L H. 2009. Aftershock distribution of theMS8.0 Wenchuan earthquake and three dimensional P-wave velocity structure in and around source region[J].ChineseJournalofGeophysics， 52(2): 320--328 (in Chinese).

吳雪芳， 田世華， 吳國華. 1992. 重力變化與地殼形變、 地下水關(guān)系的研究[J]. 地震學(xué)報， 14(增刊): 653--660.

Wu X F， Tian S H， Wu G H. 1992. The relationships between gravity variation and crustal deformation and groundwater research[J].ActaSeismologicaSinica， 14(Suppl): 653--660 (in Chinese).

吳翼麟， 牛安福， 李愛萍. 1993. 孕震區(qū)形變異常臨近地震時的有序度研究[J]. 地殼形變與地震， 13(3): 7--13.

Wu Y L， Niu A F， Li A P. 1993. Researches on ordering of crustal deformation anomalies prior earthquake in its preparation region[J].CrustalDeformationandEarthquake， 13(3): 7--13 (in Chinese).

徐云馬， 祝意青， 程宏賓. 2008. 1998—2004年滇西地區(qū)重力場演化與MS≥6.0地震[J]. 大地測量與地球動力學(xué)， 28(2): 51--55.

Xu Y M， Zhu Y Q， Cheng H B. 2008. Relations between changes of gravity field andMS≥6.0 earthquakes in western Yunnan during 1998--2004[J].JournalofGeodesyandGeodynamics， 28(2): 51--55 (in Chinese).

玄松柏， 申重陽， 孫少安， 劉杰， 李輝， 劉少明. 2008. 地下密度變化三維反演的遺傳算法研究[J]. 大地測量與地球動力學(xué)， 28(1): 36--40.

Xuan S B， Shen C Y， Sun S A， Liu J， Li H， Liu S M. 2008. On genetic algorithm for 3D inversion of underground density changes[J].JournalofGeodesyandGeodynamics， 28(1): 36--40 (in Chinese).

玄松柏， 談洪波， 馮建林， 申重陽， 李輝. 2013. 山西斷陷盆地帶及其鄰區(qū)1999—2008年地殼物質(zhì)密度變化[J]. 大地測量與地球動力學(xué)， 33(5): 7--10.

Xuan S B， Tan H B， Feng J L， Shen C Y， Li H. 2013. Crustal material density change beneath Shanxi rift and its adjacent areas from 1999 to 2008[J].JournalofGeodesyandGeodynamics， 33(5): 7--10 (in Chinese).

張季生， 高銳， 曾令森， 李秋生， 管燁， 賀日政， 王海燕， 盧占武. 2009. 龍門山及鄰區(qū)重、 磁異常特征及與地震關(guān)系的研究[J]. 地球物理學(xué)報， 52(2): 572--578.

Zhang J S， Gao R， Zeng L S， Li Q S， Guan Y， He R Z， Wang H Y， Lu Z W. 2009. Relationship between characteristics of gravity and magnetic anomalies and the earthquakes in Longmenshan range and adjacent areas[J].ChineseJournalofGeophysics， 52(2): 572--578 (in Chinese).

張立成， 余敏， 孫東穎. 2009. 汶川MS8.0級強震震前龍門山斷裂帶斷層形變異常分析[J]. 華北地震科學(xué)， 27(1): 34--38.

Zhang L C， Yu M， Sun D Y. 2009. Analysis on fault deformation anomaly of Longmenshan fault zone beforeMS8.0 Wenchuan strong earthquake[J].NorthChinaEarthquakeSciences， 27(1): 34--38 (in Chinese).

張培震， 徐錫偉， 聞學(xué)澤， 冉勇康. 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[J]. 地球物理學(xué)報， 51(4): 1066--1073.

Zhang P Z， Xu X W， Wen X Z， Ran Y K. 2008. Slip rates and recurrence intervals of the Longmenshan active fault zone， and tectonic implications for the mechanism of the May 12 Wenchuan earthquake， 2008， Sichuan， China[J].ChineseJournalofGeophysics， 51(4): 1066--1073 (in Chinese).

中國地震局監(jiān)測預(yù)報司. 2009. 汶川8.0級地震科學(xué)研究報告[M]. 北京: 地震出版社: 46--106.

Department of Earthquake Monitoring and Prediction， China Earthquake Administration. 2009.ResearchReportofWenchuanMS8.0Earthquake[M]. Beijing: Seismological Press: 46--106 (in Chinese).

祝意青， 韓海華， 郭樹松. 2008. 沂沭斷裂帶重力場及時空動態(tài)演化特征[J]. 大地測量與地球動力學(xué)， 28(6): 61--67.

Zhu Y Q， Han H H， Guo S S. 2008. On gravity field and its dynamically evolutional characteristics of Yishu fault zone[J].JournalofGeodesyandGeodynamics， 28(6): 61--67 (in Chinese).

祝意青， 徐云馬， 呂弋培， 李鐵明. 2009. 龍門山斷裂帶重力變化與汶川8.0級地震關(guān)系研究[J]. 地球物理學(xué)報， 52(10): 2538--2546.

Zhu Y Q， Xu Y M， Lü Y P， Li T M. 2009. Relations between gravity variation of Longmenshan fault zone and WenchuanMS8.0 earthquake[J].ChineseJournalofGeophysics， 52(10): 2538--2546 (in Chinese).

朱志澄. 1999. 構(gòu)造地質(zhì)學(xué)[M]. 武漢: 中國地質(zhì)大學(xué)出版社： 40--43.

Zhu Z C. 1999.StructuralGeology[M]. Wuhan: China University of Geosciences Press： 40--43 (in Chinese).

Bilham R. 2005. Coseismic strain and the transition to surface afterslip recorded by creepmeters near the 2004 Parkfield epicenter[J].SeismolResLett， 76(1): 49--57.

Li Y G， Oldenburg D W. 1996. 3-D inversion of magnetic data[J].Geophysics， 61(2): 394--408.

Li Y G， Oldenburg D W. 1998. 3-D inversion of gravity data[J].Geophysics， 63(1): 109--119.

Linde A T， Gladwin M T， Johnston M J S. 1992. The Lomaprieta earthquake， 1989 and earth strain tidal amplitudes: An unsuccessful search for associated changes[J].GeophysResLett， 19(3): 317--320.

Montesinos F G， Arnoso J， Vieira R. 2005. Using a genetic algorithm for 3-D inversion of gravitydata in Fuerteventura(Canary Islands)[J].IntJEarthSci， 94(2): 301--316.

Crustal deformation mechanism exploration in the near-source area before WenchuanMS8.0 earthquake

1)FirstCrustMonitoringandApplicationCenter，ChinaEarthquakeAdministration，Tianjin300180，China2)ChinaEarthquakeNetworksCenter，Beijing100045，China3)InstituteofEarthquakeScience，ChinaEarthquakeAdministration，Beijing100036，China

Various deformation data showed that the deformation characteristics of near-source area were not obvious and a short-time quiet state existed before the WenchuanMS8.0 earthquake. In order to study the deep dynamic factors and deformation mechanism of the phenomenon mentioned above， based on the 13-issue repeated gravity data of Chengdu area from 1996 to 2007， which have been dealt with by adjustment processing， we obtained the spatio-temporal evolution characteristics of crustal density variation in near-source area along horizontal and vertical directions ten years before the Wenchuan earthquake by 3-D inversion of crustal density. The density variation distribution is ordered in space and mainly concentrates on the Longmenshan fault zone and its vicinity. Additionally， the range of density variation in deep is more obvious than sha-llow， which may mean the fault activity in deep is more significant. From the view of temporal distribution， the density variation rate is uneven， that is， it is severe 3--8 years before Wenchuan earthquake and unobvious in short term before the event. Based on the deformation characteristics and the dynamic evolution process of density variation in different depth before the Wenchuan earthquake， we deduced that the layered crust movement of Longmenshan fault zone results in small deformation in shallow and obvious density variation in deep from the dynamics perspective. In addition， we selected and improved the combination-hardening model as the appropriate seismogenic model for the Wenchuan earthquake according to the density variation characteristics of Longmenshan fault zone and its adjacent areas. Finally， we combined the dynamic process with generating mechanism of earthquakes so as to reveal the deformation mechanism in near-source area before Wenchuan earthquake.

crustal deformation mechanism; WenchuanMS8.0 earthquake; near-source area; dynamic change of density; 3-D inversion

10.11939/jass.2015.06.007.

地震科技星火計劃項目(XH15049Y)、 國家自然科技基金項目(41330314)、 國家科技支撐計劃項目(2012BAK19B02-02)和中國地震局第一監(jiān)測中心主任基金項目(FMC2015005)共同資助．

2015-01-02收到初稿， 2015-08-21決定采用修改稿.

e-mail: niuanfu01@sina.com

10.11939/jass.2015.06.007

P315.7

A

李媛, 牛安福, 劉希康, 趙靜, 曹景鵬. 2015. 汶川MS8.0地震震前近震源區(qū)地殼形變機制探究. 地震學(xué)報, 37(6): 959--972.

Li Y, Niu A F, Liu X K, Zhao J, Cao J P. 2015. Crustal deformation mechanism exploration in the near-source area before WenchuanMS8.0 earthquake.ActaSeismologicaSinica, 37(6): 959--972. doi:10.11939/jass.2015.06.007.