地球物理学报  2012, Vol. 55 Issue (8): 2561-2574   PDF    
基于汶川地震序列震源机制解对龙门山地区构造变形模式的初步探讨
胡幸平1 , 崔效锋1 , 宁杰远2 , 陈连旺1     
1. 中国地震局地壳应力研究所地壳动力学重点实验室,北京 100085;
2. 北京大学地球与空间科学学院,北京 100871
摘要: 本文采用理论震源机制解的分析方法,以汶川地震序列震源机制解为约束,探讨龙门山地区构造变形模式及其与汶川地震序列的关系.通过有限元模拟,计算了龙门山地区不同构造变形模式下的构造应力场,得到了理论震源机制解,并与汶川地震序列实际震源机制解进行对比分析,初步探讨了该区构造变形模式对汶川地震序列的影响.结果显示,在龙门山地区,青藏高原内深部构造变形快于地表的构造变形模式下,区域构造应力场对应的理论震源机制解与汶川地震序列震源机制解的相符程度较高.这种一致性可能表明:(1)青藏高原内部深部构造变形快于地表,是龙门山地区比较合理的构造模式;(2)构造应力场是影响汶川地震序列震源机制的重要力学因素.
关键词: 汶川地震序列      震源机制解      构造变形模式      理论震源机制解     
Preliminary study on tectonic deformation models in the Longmenshan region based on focal mechanism solutions of the Wenchuan earthquake sequence
HU Xing-Ping1, CUI Xiao-Feng1, NING Jie-Yuan2, CHEN Lian-Wang1     
1. Key Laboratory of Crustal Dynamics, Institute of Crustal Dynamics, China Earthquake Administration, Beijing 100085, China;
2. School of Earth and Space Science, Peking University, Beijing 100871, China
Abstract: Adopting the method of theoretical focal mechanism solution, using the focal mechanism solutions (hereafter referred to as FMSs) of Wenchuan earthquake sequence (hereafter referred to as WES) as the constraint, the effect of different tectonic models in West Sichuan on WES is discussed. Employing the finite element method, considering different models of tectonic deformation, different tectonic stress fields of the Longmenshan region are simulated. According to the tectonic stress fields, theoretical FMSs are calculated and compared with the practical FMSs. The result shows that the tectonic stress field in this region, corresponding to the model that deformation rates increasing with depth in the Tibetan Plateau, is most consistent with the FMSs of WES. The consistency may lead to two conclusions: (1) the model that deformation rates increase with depth in Tibetan Plateau is more reasonable for the Longmenshan region; (2) the regional tectonic stress field is an important dynamic factor to WES..
Key words: Wenchuan earthquake sequence      Focal mechanism solution      Tectonic deformation model      Theoretical focal mechanism solution     
1 引言

龙门山断裂带位于中国大陆南北地震带的中段,是青藏高原和华南地块的构造边界,具有十分复杂的地质结构和演化历史.晚新生代以来,在青藏高原向东的推挤和四川盆地(华南地块)的阻挡作用下,发生强烈的隆升作用[1-3].2008 年5 月12 日汶川8.0级特大地震,以及之后数以万计的余震,就是在这种构造背景下孕育发生的[4-11].汶川地震发生后,国内外众多学者采用多种方法对汶川地震的破裂机制、同震位移分布、发震断层构造以及龙门山地区的地震环境进行了研究[12-28],取得了相当丰富和有价值的研究认识.已有的研究表明:(1)汶川地震是一次发生于大陆内部的逆冲斜滑型特大地震,造成了龙门山推覆构造带中段北川-映秀断裂和灌县-江油断裂等两条叠瓦状逆断层和NW 向小鱼洞断裂发生破裂;灌县-江油断裂主要为逆冲型破裂,北川-映秀断裂南部以逆冲为主,北部走滑分量增加;而小鱼洞断裂为走滑型破裂带.(2)龙门山断裂带位于青藏高原东缘以及华南地块的西北边界,断裂带深部倾角较低,发震区中下地壳存在低波速异常体,龙门山地区的深部构造影响着汶川地震的孕育、发生和发展.

前人的研究工作和成果在很大程度上提升了对汶川地震以及龙门山地区构造环境的认识,但仍有一些关键问题需要继续研究.例如龙门山地区乃至整个青藏高原东缘,具有怎样的构造变形模式?这可能是研究青藏高原东缘地震危险性所需回答的最重要的问题[29-30],也是本文初步探讨的问题.

震源机制解是研究地震构造的重要资料,作为龙门山地区复杂构造背景下的产物,汶川地震序列的震源机制解必然在一定程序上反映了该地区的构造变形的特征.汶川地震发生后,国内外多家研究机构和学者对汶川地震序列的震源机制解进行了研究[17, 31-37],取得了丰富的结果,为分析汶川地震序列的构造成因提供了基础资料.利用汶川地震序列震源机制解去研究该地区构造变形特征,是认识汶川地震序列构造机理的重要手段,也是本文研究的核心思路.

本文采用理论震源机制解这一比较独特的方法,尝试性地从汶川地震序列震源机制解的角度,对龙门山地区构造变形模式进行初步探讨.本文通过三维弹性有限元模拟获得不同构造变形模式下龙门山地区构造应力场,分别计算理论震源机制解,并与前期工作得到的汶川地震序列实际震源机制解[35-37]进行对比分析,探讨龙门山地区构造变形模式与汶川地震序列的关系.

2 汶川地震序列震源机制解

崔效锋等[37]利用丰富的P波初动极性资料,采用改进的格点尝试法[38]对汶川地震序列震源机制解进行了求解,给出了121 个4.0 级以上质量可靠的震源机制解(图 1),较为清晰地展现了汶川地震序列震源机制解的分布特征.

图 1 汶川地震序列震源机制解分布图[37] Fig. 1 Distribution of focal mechanism solutions of the Wenchuan earthquake sequence[37]

总体上,汶川地震序列震源机制以逆冲型和走滑型为主.逆冲型余震主要分为两类:占多数的与主震震源机制类似的节面走向为北东向的逆冲型余震,主要分布在青川以南,其发震断层构造比较符合龙门山断裂整体特征;占少数的节面走向为北西向的逆冲型余震,从北川附近开始出现,在青川附近比较集中,依据ChenCai等[36]结合地震精确定位与震源机制的研究,这些地震可能是发生于倾向西南的低倾角逆冲断层上.走滑型余震主要分布在两个区域:首先,在小鱼洞至理县一带,存在北西向延伸的走滑型余震分布带,如果假定断层面为北西走向,此处余震大多为左旋走滑型.地震精定位研究结果[39-41]也普遍显示出小鱼洞至理县方向存在比较明显的余震分布带.汶川地震地质考察发现了北西向的小鱼洞走滑破裂带[12, 14, 17, 19],但在长度上地表破裂带远小于余震分布带.这些余震可能是受小鱼洞至理县方向走滑性质的隐伏断层控制发生的.另外,在汶川余震分布带的北段,相当数量的余震震源机制解具有较大的走滑分量,假定断层面为北东走向,余震主要为右旋走滑性质.这与地质考察结果得出的北段走滑分量增加的认识相一致[12, 14, 17, 19].

从统计上看(图 2),汶川余震序列P轴方位主要分布在北西西-南东东向和北东东-南西西向,P轴方位为北东东-南西西向的余震震源机制解主要是4.7级以下的余震,而4.7 级以上震源机制解P轴方位比较一致地集中在北西西-南东东向上,优势方位为110°~120°,与主震震源机制解的P轴方位比较一致.这一方位与前人关于龙门山地区主压应力方位的认识相一致[42-44],初步说明了区域构造应力场是影响汶川地震序列的重要力学因素.

图 2 震源机制解P轴方位统计图[37] Fig. 2 Statistic graph of azimuths of P axis[37]
3 龙门山地区构造应力场模拟

本文采用三维弹性有限元模拟获取龙门山地区构造应力场,即建立以龙门山断裂为核心区域的三维弹性有限元模型,通过边界上加载基于GPS观测结果确定的位移边界条件,拟合出一定时间内与构造变形相关的区域构造应力场.严格来说,这种方法得到的模拟结果并非研究区的构造应力场,而是一定时间内构造应力场的变化量.然而考虑到我国西南地区构造应力场在第四纪晚期以来是持续稳定的[45],而且对于本文中研究震源机制解与构造应力场之间关系这一问题,其对构造应力场结果的需求是各个应力参量的相对大小.因此,本文采用上述思路模拟龙门山地区构造应力场.

3.1 有限元模型

本文建立的三维有限元模型范围为:100°E-108°E,29°N-35°N,深度上由地表到100km, 核心研究区域为龙门山断裂带及周边地区的地壳层.模型是在直角坐标系下建立的,由于研究的区域不是非常大,球面曲率的影响比较小,所以没有考虑球面效应.

本文采用弱化带的方式处理断层,并假定断层仅存在于43km 以上的地壳层中[46].断层的位置和参数是依据该区断层构造的研究结果简化而成(图 3),表 1列出了相应的断层及其倾角[47-50].

表 1 模型中断层几何参数 Table 1 Geometric parameters of faults in the model

龙门山断裂带由龙门山后山断裂、中央断裂、前山断裂和山前隐伏断裂叠瓦状组合而成[4, 7, 10, 12, 19, 47, 50],本文模型中将龙门山断裂处理为一条断层弱化带,但根据龙门山断裂的走向变化,将其分为南段、中段和北段.龙门山断裂的倾角在深度上分层赋值.对于龙门山断裂的倾角特征,不同学者依据不同的方法资料,得出的认识存在一定的差别[12-19, 33, 47, 50],但整体倾角随深度增加而变缓的特征得到了比较普遍的认同.因此本文在模型中构建龙门山断裂中段及南段的断层面时,在10km 深度以上断层倾角较大,取为70°,而在震源主要分布的10~22km 深度范围[36, 39-41]以及22~43km 深度内断层倾角取为30°.龙门山断裂带的北段(青川断裂)具有走滑性质[47],可能具有较高的倾角[13-15, 17, 19, 33],因此本文模型中龙门山断裂北段的断层面倾角在22km 深度以上取为70°,在22~43km 取为30°.除了这些有明显地表出露的断层之外,本文还根据余震分布[36, 39-41]在模型中考虑了一条存在于10~43km 深度上从小鱼洞延伸至理县的隐伏断层(图 3中红色虚线).

图 3 模型中主要断层 红线:模型中建立的简化断层;红色虚线:模型中建立的隐伏断层. Fig. 3 Main faults in the model Red lines: simplified faults created in model; Red dotted line: hidden fault created in model.

单元划分采用四面体单元,单元尺寸为12km.整个模型共有235510个单元,335224个节点.

对于弹性有限元模型的介质,材料属性参数包括杨氏模量E和泊松比ν.通过经验关系式[51]和弹性力学的相关公式[52-53],可以由波速结构计算出这两种参数结构.国内外很多学者对龙门山地区的波速结构进行了研究[20-28].其中,雷建设等[23]通过大量P波到时资料反演给出了102°E -106°E,30°N-33°N这一区域的P、S波精细速度结构,在水平方向上间隔为0.25°×0.25°,在深度上给出了6 个不同深度(1km、8km、18km、30km、45km、70km)剖面结果,得出的龙门山断裂带的波速不均匀性的主要结果与前人的研究结果相吻合.本文依据其提供的龙门山地区P、S波速度精细结构,计算得出该区域的介质参数结构,并根据模型中单元的质心位置插值得到每个单元的材料参数.最后,本文通过减小断层单元的杨氏模量,即将断层单元插值得到的杨氏模量乘以弱化系数,实现断层的弱化.通过多种弱化系数的计算比较,本文认为在三维材料结构基础上,弱化系数取0.5能够体现断层与块体内部的差异.

3.2 边界条件

全球定位系统(GPS)观测结果提供高精度、大范围和准实时的地壳运动定量数据,这些数据所形成的地壳运动速度场是揭示现今构造变形的状态、样式与幅度的重要基础[7].GPS观测结果是否可以表征构造变形状态存在两方面的问题.首先,作为近年来发展和应用于地学领域的GPS观测,能否代表数千年甚至几百万年的构造变形状态尚存在争议.其次,深部的构造变形状态与GPS观测结果有着怎样的关系,二者是否存在某种对应模式.对于第一个问题,目前还没有充足的证据去支持或否定.因此,本文在GPS观测结果反映了青藏高原东缘的构造变形在地表的整体特征的假设下,对GPS观测与深部构造变形状态的对应模式进行初步分析.

本文模拟中所用边界条件主要基于目前GPS的观测资料确定,该数据为“中国地壳运动观测网络"的三期(1999,2001和2004年)联测数据[7, 54-56].模型中,地表面为自由边界条件.模型底面,在垂直方向上固定.对于模型的四个侧面边界,地表构造变形速度由GPS观测资料插值确定(图 4).

图 4 模型边界地表构造变形速度 黑框为模型边界;红色箭头为GPS实测速度;蓝色箭头为模型边界关键点上插值结果. Fig. 4 Ground deformation velocities on boundaries of the model Dark square: boundaries; Red arrows: GPS observations; Blue arrows: Interpolative results on boundaries

为了探讨龙门山地区不同构造变形模式的影响,本文在设定四个侧面的边界条件时,考虑了四种不同的变化模式:

① 四个侧边界上构造变形速度均不随深度改变;

② 四个侧边界上构造变形速度均随深度衰减,至模型底部(100km)衰减为0;

③ 四个侧边界上构造变形速度均随深度增加,至模型底部(100km)达到5倍地表速度;

④ 考虑龙门山断裂两侧构造差异,在青藏高原内部的边界面上,即主要在模型的西边界和北边界,构造变形速度随深度增加至底部5 倍;而在四川盆地内,即模型的东边界和南边界的大部分,构造变形速度不随深度变化[9, 57].

对于弹性模型,将速度边界条件等效为单位时间的位移边界条件加载在模型上.经过模拟计算,分别得到龙门山地区这四种构造变形模式下区域构造应力场.

3.3 龙门山地区构造应力场模拟结果

四种构造变形模式模拟得到的多震层剖面(22km深度)主压应力方位(图 5)显示出,除了边界附近受到边界条件的直接影响外,在模型中心区域,主压应力轴方位分布形态基本相同,依据主压轴方位很难判断哪种模式更为合理.这表明相比于构造变形速度随深度的变化方式,模型四个边界上构造变形速度的水平方向作用差异是影响区域构造应力场的主压轴方位的主要因素.此外,这四种模式下主压轴方位分布图一致显示出,龙门山断裂带及其周边地区最大主压应力方向为北西西-南东东向到近东西向,并且由北往南有一定角度的顺时针偏转.这种主压轴方位与汶川地震序列,尤其是强震序列震源机制解的P轴方位统计特征相符合,同时也与前人的研究结果一致[42-44],这在一定程度上验证了本文数值模拟思路和结果的合理性.

图 5 22km 深度主压应力方位分布图 (a)-(d)依次为四种构造变形模式的结果.下同. Fig. 5 Distribution of azimuths of principal compressive stress at depth of 22 km (a) -(d) are the results of the four tectonic deformation models in turn.The denotations are the same in the following figures.
4 理论震源机制解

震源机制解能够揭示震源处岩石的破裂运动情况,而构造应力场是地震的驱动力.如果将震源机制解视为反映地震破裂的物理表征,那么构造应力场在一定程度上揭示了地震的力学机理和本质.如何将地震的物理表征与本质联系起来,这是一个相当复杂的科学问题.通过定性分析二者的宏观状态(震源机制解的PBT轴与构造应力场的三个应力主轴),固然也是一种方法.但这种方法存在一些不足:震源机制解的PBT轴与构造应力场的主轴不能简单地等同[58-59].另外,第3节中对构造应力场模拟结果的分析也体现出单纯利用主压轴方位判别构造变形特征及模拟结果好坏具有一定的局限性.

本文采用理论震源机制解的方法分析汶川地震序列震源机制解与龙门山地区构造应力场的对应关系.计算在构造应力场作用下的理论震源机制解,就是通过将构造应力场中某点(假定的震源处)的应力张量投影到某个给定的断层面上,计算断层面上剪应力,在此应力状态下,断层沿着剪切应力方向发生滑动,根据给定的断层面的走向、倾角和滑动方向(剪应力方向)确定出的震源机制解.理论震源机制解可以将构造应力场作用下断层面的滑动方向展示出来,这与实际震源机制解反映的断层面上真实的滑动方向,具有简单直观的可比性.理论震源机制解的计算研究,需要合理地假定断层面.

4.1 按模型中断层面计算

汶川地震序列主要分布于龙门山断裂中段和北段,以及小鱼洞至理县的隐伏断裂这三条断层(龙门山断裂中段和北段视为两条断层).本文首先按照这三条断层的断层面取向,研究这三条断层上的理论震源机制解.

汶川地震序列的精定位结果表明,震源深度主要分布在10~22km 左右的深度范围内[36, 39-41].因此,本文选择龙门山断裂中段、北段以及小鱼洞至理县隐伏断裂这三条断层在10~22km 深度内的节点数据计算理论震源机制解.一些学者依据地表破裂考察[17, 19]和汶川地震序列的精定位研究[39-41]认为,青川以北的破裂带以及余震分布,很可能是龙门山断裂带中段的破裂带延伸穿过青川断裂所致,所以本文采用与龙门山断裂带中段相同的断层面走向计算北段的理论震源机制解.而对于龙门山断裂北段的断层倾角,Nakamura等[15]利用远震资料的研究表明,破裂带北段很可能为高倾角的走滑断层.这与其他一些学者的研究认识比较一致[13, 14, 17, 19, 33].因此,本文采用70°的倾角计算龙门山北段的理论震源机制解.

本文沿走向按照30km 左右的长度对这三条断层进行分段,计算每个分段内平均应力张量,并根据这三条断层的走向与倾角(表 2),计算各个分段的剪应力矢量与理论滑动角,得到了这三条断层的分段理论震源机制解(图 6).

表 2 计算理论解所用的断层走向与倾角 Table 2 Geometric parameters of faults used to calculate theoretical FMSs
图 6 断层上理论震源机制解 Fig. 6 Theoretical FMSs on faults

图 6可以看出,小鱼洞至理县隐伏断裂上的理论震源机制解的变化最小,保持为左旋走滑性质,与该地区实际求解的震源机制解相一致.龙门山中段及北段上理论解的变化比较明显.为了更好地分析龙门山断裂中段及北段的理论震源机制解,将四种构造变形模式下模拟计算得到的理论滑动角分别展示在图 7中.

图 7 龙门山断裂中段及北段理论滑动角 横轴为距主震震中的距离,向南为负,向北为正;纵轴为理论解滑动角;红色:龙门山断裂中段理论滑动角;绿色○:龙门山断裂北段理论滑动角(滑动角取值范围选定0°~360°). Fig. 7 Theoretical rake on middle and north sections of the Longmenshan fault The horizontal axis: distance from the epicenter of mainshock, the value is positive to the north; The vertical axis: the rake of theoretical solutions; Red * : theoretical rake on middle section of Longmenshan fault; Green 〇:theoretical rake on north section of Longmenshan fault (rake value changes from 0° to 360°).

图 7显示出,四个侧边界构造变形速度不随深度变化、随深度衰减、随深度增加的这前三种变化方式模拟得到的龙门山断裂中段的理论滑动角均在150°以上,而且往北增加至180°左右,对应着从右旋走滑为主到纯右旋走滑的理论震源机制解.而仅在青藏高原内部边界构造变形速度随深度增加的第四种模式下,龙门山中段的理论滑动角在120°~130°之间,对应着逆冲为主兼右旋走滑型的理论震源机制解;龙门山北段理论滑动角在135°附近,明显高于龙门山中段,表明北段理论解具有相当的走滑分量.可以看出,第四种模式下的理论结果与地表破裂考察以及汶川序列震源机制的研究认识,具有较好的一致性.这可能表明青藏高原内部深部构造变形快于地表GPS观测结果的推测具有一定的合理性;另外,这种一致性也在一定程度上表明龙门山地区构造应力场很大程度上控制着汶川地震序列震源机制解的整体特征.

本文也采用30°的断层倾角对龙门山北段的理论解进行了计算,发现低倾角(30°)会导致龙门山北段的理论滑动角明显减小,对应着逆冲分量显著增加.例如在第四种模式下,北段30°的倾角使理论滑动角降到110°附近,即理论震源机制解为逆冲型,与该段实际破裂机制不一致.因此,本文认为龙门山断裂北段具有较高的倾角更为合理,有利于产生比较大的走滑分量.

另外,由图 7中四种模式结果相互比较可以看出:四个侧边界构造变形速度随深度衰减会使理论滑动角增加,对应于逆冲分量的减小,反之亦然.其物理原因,简单说来是由于高原内部深部构造变形更快,推挤作用更强,而在四川盆地一侧相对地受到阻挡,在龙门山断层区域对浅层物质产生向上的推挤作用,这就造成了逆冲分量的增加,而构造变形速度随深度衰减则相应地就会使逆冲分量产生一定程度的减小.

4.2 按实际震源机制解的节面计算

汶川地震序列实际震源机制解的结果(图 1)表明,龙门山断裂上很多地震震源机制解的节面与龙门山断裂整体走向有一定的角度差别,尤其是第2节中提到的节面为北西走向的逆冲型余震.为了更全面地分析构造应力场与汶川地震序列的对应关系,本文尝试了另一种理论震源机制解的计算办法:按实际震源机制解的节面进行计算.这种方法得到的理论震源机制解有着与实际解相同的一个节面,理论解和实际解的差别直接体现为滑动角的差别,简称滑动角差.滑动角差的大小能够反映构造应力场与震源机制解之间的对应关系,差别越小,构造应力场与震源机制解符合程度越高.

由于仅从震源机制解,很难从两个节面中分辨出断层面和辅助面,本文分别对两个节面进行投影,计算各自作为断层面时的理论滑动角和震源机制解.因此,采用这种办法计算时,一个实际震源机制解将对应两个理论震源机制解,计算出两个滑动角差,按照这两个滑动角差的大小,分别简称为较大滑动角差和较小滑动角差.

本文根据汶川地震序列的震源位置,选取以震源位置为中心,以16km 为边长的空间立方体的区域内平均应力张量计算理论震源机制解.因为本文模型划分的网格大小是12km, 取略大的16km 首先保证了在震源范围内有一定数量的节点数据,而且这一大小的空间立方体内的应力结果能够较好地反映地震震源处的应力信息.

为了清晰地比较汶川地震序列理论震源机制解与实际结果的差别,本文统计了这四种模式下计算得到的滑动角差.较大滑动角差与较小滑动角差统计特征比较相似,本文在此仅展示较小滑动角差的统计结果(图 8).

图 8 较小滑动角差统计图 Fig. 8 Histogram of smaller rake differences between practical and theoretical FMSs of WES

图 8可以看出,在青藏高原内部边界物质构造变形速度随深度增加的第四种模式下,汶川地震序列121个震源机制解计算出的较小滑动角差中有47个在15°范围内,69 个在30°范围内,超过60°的仅有25个.第四种模式下得到的整体滑动角差最小,即构造应力场模拟计算得到的理论震源机制解与汶川地震序列实际震源机制解符合程度较高.这也印证了4.1节的推论:青藏高原内部深部构造变形快于地表GPS 观测结果是相对合理的构造变形模式;构造应力场是影响汶川地震序列震源机制解整体特征的重要因素.

另外,图 9展示了第四种模式下理论震源机制解空间分布规律.可以看出,第四种模式下汶川地震序列理论震源机制解分布规律与实际结果(图 1)具有较高的相似度.汶川地震序列各种类型的实际震源机制解,包括节面走向为北西向的逆冲型余震,与第四种模式下构造应力场计算的理论解相当接近.这就说明,构造应力场控制着汶川地震序列的整体规律,而发震断层构造影响着余震的具体形态.

图 9 第四种模式下较小滑动角差对应的理论震源机制解分布图 Fig. 9 Distribution of theoretical FMSs corresponding to smaller rake differences of the 4th model

除此之外,本文还对不同震级地震的较小滑动角差(图 10)进行了简单的分析.四种模式间比较的结果同样支持上述推论.不同震级的较小滑动角差平均值曲线显示出,整体上滑动角随着震级的增加而减小,这可能对应着汶川地震序列震源机制解分析得出的强震P轴方位与区域主压应力轴方位比较一致的认识.由图 10 可以看出,青藏高原内部深部构造变形加快的第四种模式下滑动角差的改善更多地是体现在中小余震上.

图 10 较小滑动角差随震级变化图 红色圆圈:平均滑动角差别. Fig. 10 Distribution of smaller rake differences against magnitude Red circle: mean rake difference.
5 结论与讨论 5.1 结论

本文采用理论震源机制解的研究方法,利用汶川地震序列震源机制解,对龙门山地区的构造变形模式开展了初步研究.通过三维弹性有限元模拟获取了龙门山地区不同构造变形模式下的构造应力场,采取不同的断层面设定方法,分别计算了理论震源机制解,并与汶川地震序列实际震源机制解进行了一致性分析,探讨了龙门山地区不同构造变形模式对汶川地震序列的影响.结果表明,在青藏高原内部边界构造变形速度随深度增加的模式下,理论震源机制解与汶川地震序列实际震源机制解符合程度较高,汶川地震序列大部分地震实际震源机制解与理论结果的滑动角差别较小.这可能表明:(1)青藏高原内部深部构造变形快于地表GPS观测结果,这和刘平江等人所得到的结论是一致的[44];(2)构造应力场是影响汶川地震序列震源机制解整体特征的重要因素.

本文对于龙门山地区构造变形特征的推论与前人关于这一地区构造背景的认识相符合,即青藏高原深部物质向东运移,受到坚硬的四川块体的阻挡,同时这也是汶川地震序列的根本的构造成因.本文的研究从震源机制解的角度为这种认识提供了证据支持和模拟分析.

此外,本文的工作也在一定程度上体现出,相比于P轴方位与主压应力轴方位的比较,理论震源机制解方法能够更有效地用于分析地震断层错动与构造应力场之间的对应关系.

5.2 问题与讨论

构造应力场模拟结果显示,模型四个边界上的构造变形的差异是影响区域构造应力场的主压应力方向的主要因素.这表明依据GPS观测结果的数值模拟可以展现区域构造应力场的主体特征.不同构造变形模式在更精细的尺度上调整了龙门山地区构造应力场,影响着一些次级断裂上小震的破裂机制,这从图 10所反映出的不同模式下滑动角差的分布差异主要体现在中小余震上可以看出.另外,利用主压应力方位分布难以判定不同构造变形模式下模拟结果的优劣,而通过理论震源机制解分析可以判定出青藏高原深部物质构造变形更快的模式与汶川地震序列更为吻合.由此可以看出,理论震源机制解方法能够更有效地用于分析地震断层错动与构造应力场之间的对应关系.

本文侧重在研究方法上,提出利用理论震源机制解的方法对汶川地震序列对应的构造变形特征进行探讨分析,构造应力场模拟中存在一些尚待改进的地方.例如弹性模型与真实的岩石性质存在差异,而且重力、地形等因素并未加以考虑.更为合理全面地考虑各种影响因素,能够使龙门山地区构造应力场的模拟更加科学合理,这也是本文后续工作的改进方向.

此外,本文依据构造应力场模拟结果所做的理论震源机制解研究结果显示出,虽然构造应力场与汶川地震序列的大部分地震震源机制解有着较好的对应关系,但仍有一小部分地震震源机制解与区域构造应力场计算的理论结果差别较大.除了模拟中的一些缺陷外,这一小部分差别较大的结果还可能是由于汶川MS8.0 级主震引起的应力场调整导致的,而本文所使用的断层弱化带模型不适合研究主震引起的应力场调整.更全面地考虑多种因素进行有限元模拟,并尝试其他方法构建断层模型,以便更好地研究大震前后应力场的调整变化,对于研究大震的动力学机制是很有意义的.

致谢

感谢雷建设研究员提供龙门山地区三维速度结构结果.感谢两位评审专家对本文提出的宝贵意见.

参考文献
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