铲形逆断层和平行逆断层体系的破裂特征——以龙门山断裂带中段为例的数值模拟

汶川地震是有地震历史记载以来首次发生在大陆内部的高角度8级逆冲强震,给板内逆冲强震研究提供了许多新的课题。论文主要开展了以下两方面的研究：（1）近地表陡倾角铲形逆断层的破裂特征研究。基于龙门山断裂带中段动力学背景建立有限元模型,系统地研究近地表陡倾角铲形逆断层（本文所称近地表陡倾角铲形断层,要求近地表倾角至少≥65°）的破裂特征,并探讨了汶川地震逆冲滑动量随深度分布形态所可能蕴含的地壳信息。对于近地表陡倾角铲形断层,在断层倾向的高强度挤压下,断层近地表部分对逆冲破裂和滑动有一定的阻碍作用;铲形断层的近地表倾角越陡,陡倾角部分的深度范围越大,断层近地表部分对逆冲破裂和滑动的阻碍作用会越明显;近地表陡倾角的铲形断层形态和巴颜喀拉块体的高强度挤压很可能是形成汶川地震逆冲滑动量随深度分布形态的重要原因,无地表破裂的前期地震并不是造成汶川地震滑动量随深度分布特征的必要条件。（2）平行逆断层体系中断层活动之间的相互影响研究。讨论了分布距离对平行逆断层地震活动规律的影响,并定量地评估了汶川地震中前山断裂同震逆冲破裂对中央断裂逆冲破裂释放的影响。同震破裂实验结果显示：在同震逆冲破裂中,前山断裂和中央断裂的破裂释放之间有一定的替代关系;汶川地震中,由于前山断裂发生同震逆冲破裂,中央断裂相应段落逆冲破裂释放很可能降低了约10%,减少的标量地震矩约为9.54×1018 N·m。平行逆断层长期挤压破裂实验结果显示：在龙门山断裂带的动力学环境和浅层构造背景下,当平行逆断层之间的距离在20km以下时,两条平行逆断层会在破裂释放上形成主次关系,距离越短,主次关系越显著;两条平行逆断层之间发生同步逆冲破裂的比例很低,受平行逆断层之间距离的影响也很小;两条平行逆断层之间发生同步地表逆冲破裂的比例更低,在龙门山动力学机制和浅层构造背景下,距离在10~20km左右时,平行逆断层之间最容易发生同步地表逆冲破裂。结合龙门山断裂带中段的实验结果显示：后山断裂的地震活动很可能相对独立;12km的距离使得中央断裂和前山断裂之间发生同步地表逆冲破裂的风险相对较高,这很可能是导致汶川地震中出现同震地表破裂的一个重要原因。

铲形逆冲断层地震破裂动力学模型及其在汶川地震研究中的启示

2008年发生了汶川地震的龙门山断层带是典型的铲形逆冲断层带.利用二维线弹性有限元模型,得到关于铲形逆冲断层带一些具普适性的认识:(1)如果断层带强度不随深度变化,则地震从断层带转换层附近开始发动,破裂沿断层向上传播,当地震蓄积能量足够大时,破裂可以冲破到地表,如汶川地震.(2)一旦到达地表,其最大同震位错将位于断层带出露地表处;且在断层带介质弱化或损伤大致相同条件下,铲形断层倾角越缓,地表的同震位错量越大.(3)与最大同震位错位于地表不同,同震应变能释放最大处位于地壳内十几公里深处的断层带转换层附近.(4)在断层带介质软化或损伤度大致相同条件下,铲形断层倾角越缓,地震对震间期积累应变能的释放越多、范围越广,对地表近断层区域造成的破坏可能越大.(5)冲破到地表的逆冲型大地震会进一步增加铲形断层带下盘转换层以下(约在15～22 km)地壳深处和断层上盘距离断层地表出露点约十几公里处地壳浅部的应变能积累密度;汶川地震之后的余震分布,除了沿主破裂面附近的继续破裂外,也体现了以上地区应变能的继续释放.本文得到的这些认识有助于深入理解汶川地震的动力学机制.

龙门山断层地震周期及其动力学过程模拟研究

在断层面上引入速率-状态相依摩擦本构关系、考虑铲形逆冲断层几何结构特征、断层下盘和上盘中下地壳及上地幔为黏弹性介质、上盘上地壳为弹塑性介质,本文用二维有限元动力学模型模拟了龙门山断层上大震准周期复发行为、分析了断层上地震孕育位置、地震周期不同阶段的应力/应变场演化特征.不同于近垂直走滑断层上的地震周期行为,大陆铲形逆冲断层上的构造应力的积累和释放过程更复杂、有其独特性.我们得到如下认识:(1)铲形逆冲断层上的地震复发是准周期行为.(2)龙门山断层最大库仑应力位于断层17~20km深处,应力长期积累和同震释放都在此深度最大,说明地震会在此处孕育、发动.(3)在断层破裂的深部和浅部,同震滑动大小和构造应力释放大小并非同步,而是差异悬殊.(4)地震仅部分释放区域积累的应变能,断层上盘上地壳顶部和底部的褶皱、破裂等永久变形形式也是释放应变能的重要形式.(5)应变能密度增量的演化图像分为:震间、同震、震后期,清晰反应了龙门山断层附近的地震动力学过程.(6)地震发生除释放能量外,同时也对近断层的中地壳和断层底部有很大的应变能加载;这些加载,在震后期可能通过震后滑移、余震或中下地壳乃至上地幔的驰豫形变用几十年时间释放.以上对大陆内铲形逆冲断层上变形特征的了解,有助于我们在其地震周期行为中评估地震危险性.

福建沿海地区地热异常热源成因的地球物理分析

福建沿海地区是我国东南丘陵沿海地带重要的地热异常区,其成因机制、热源构成一直是我国地热学界关注的重要课题。本文利用热、震、磁、重资料分析了该区地热异常的成因及热量来源。结果表明:福建沿海地区剪切波“低速走廊”与政和—大埔断裂带和滨海断裂带在深部形成的铲形逆冲断层相关,其东端向下至环太平洋地热带高温热源区,西端向上至漳州、福州地表地热异常区。居里面至莫霍面之间,地温增温平缓,不具备形成现代侵入岩体异常热源的条件。花岗岩放射性生热是地表热异常的重要组成部分,放射性元素热源深度小于5 km,地下水沿导热构造“汲取”围岩放射性生热量,向热田中心汇集形成高温区。我们认为:福建沿海地热异常区的热能由深、浅两种来源组成,深部热能来源于环太平洋高温岩浆,浅部热能来源于花岗岩放射性元素生热。深部热源的热量顺铲形逆冲断层向上传输到地表,浅部热源的热量由地下水汇集到地热田中心。

汶川8.0级特大地震的断裂特性与强地面运动的关系

2008年汶川8级地震的发震构造是高角度铲形逆冲断层,伴随这种类型地震的远近场强地面运动在中国是第1次被记录到。综合汶川地震发震构造、破裂过程和强地面运动峰值加速度的资料,探讨高角度铲形逆冲断裂作用与强地面运动的关系。结果显示,龙门山断裂带内强地面运动峰值加速度明显大于断裂带外的台站,前者可达后者的2倍多。同时,该地震强地面运动具有很大的垂直分量,近断层垂直分量大于水平分量。结合远场资料,发现龙门山断裂带上盘峰值加速度垂直分量总体上大于下盘,上盘垂直分量的衰减比下盘慢。不考虑远场的高值异常,水平分量似乎也存在上盘效应,但目前无证据表明这些异常应该被剔除。另外,远场地面运动特征显示,相对于反方向,沿同震断层扩展方向(NNE)的峰值加速度水平分量衰减较慢,垂直分量的这种方向效应不明显。考虑到汶川地震破裂浅、断面陡和以垂直形变为主这3个显著的同震构造特性,近场和远场地面运动记录反映出位错类型和台站的实际断层距的控制作用。正因为汶川地震高角度铲形逆冲断裂结构的特殊性,导致其地面运动与普通逆断型地震强地面运动的同震效应在某些分量上相同,其他分量存在差异。