汶川地震震前龍門山以西地殼垂直隆升機(jī)理分析*

蔣鋒云 王慶良 朱良玉 張曉亮 王雙緒

(中國(guó)地震局第二監(jiān)測(cè)中心，西安 710054)

汶川地震震前龍門山以西地殼垂直隆升機(jī)理分析*

蔣鋒云 王慶良 朱良玉 張曉亮 王雙緒

(中國(guó)地震局第二監(jiān)測(cè)中心，西安 710054)

結(jié)合流動(dòng)GPS觀測(cè)速度場(chǎng)及層析成像結(jié)果，構(gòu)建跨龍門山斷裂剖面的二維有限元分層模型，分兩種情況討論汶川地震前龍門山前緣地殼垂直隆升的物理機(jī)制，以及中、下地殼軟物質(zhì)垂向和橫向的不均勻性對(duì)地殼隆升作用的影響。分析認(rèn)為：川西高原相對(duì)四川盆地的差異抬升和龍門山以西地殼縮短的共同作用是汶川地震震前龍門山前緣地殼垂直隆升的可能原因。

地殼隆升;低速體;黏彈性有限元;GPS速度;川西高原

1 引言

汶川8.0級(jí)地震發(fā)生以來(lái)，許多專家和學(xué)者結(jié)合地形變資料和其他地球物理資料對(duì)其孕震機(jī)制展開了大量的研究，獲得了豐碩的研究成果［1-6］。王慶良等［1，2］的研究表明：從阿壩到映秀有一個(gè)明顯的地表隆起，在理縣附近隆起量最大，達(dá)3.5 mm/a。張竹琪等［3］利用汶川地震近場(chǎng)同震水準(zhǔn)變形資料反演了發(fā)震斷層隨深度分布的二元結(jié)構(gòu)特征，而有限元模擬研究表明，松潘地塊的地表垂直變形在很大程度上并不是地殼縮短的結(jié)果，而是青藏高原東緣相對(duì)四川盆地的差異抬升。上述研究提出了松潘地塊隆起的可能原因，但在有限元模型的建立上缺乏和地球物理資料的結(jié)合，沒有考慮中下地殼物質(zhì)的流變特性及橫向不均勻性，模型相對(duì)簡(jiǎn)單。本文將結(jié)合GPS資料、層析成像結(jié)果［?］，考慮中下地殼介質(zhì)垂向和橫向分布不均勻性及流變特征，細(xì)化有限元模型，定量分析汶川地震震前跨龍門山水準(zhǔn)剖面垂直形變機(jī)理。

2 資料分析

從流動(dòng)GPS觀測(cè)得到的地殼水平形變速度場(chǎng)(圖1)可以看出，從震源區(qū)開始沿龍門山斷層向北東方向，龍門山斷層呈現(xiàn)明顯的由以逆沖為主轉(zhuǎn)變?yōu)榧婢咦呋倪\(yùn)動(dòng)特征，同時(shí)可以看出平行于斷層和垂直斷層的GPS速度分量越靠近龍門山量值越小。從垂直跨龍門山斷裂的GPS剖面(圖2)可以看出，垂直于斷裂方向，離斷裂以西200 km范圍內(nèi)，每年地殼有3～4 mm的縮短，200～400 km地殼縮短不明顯。

滕吉文［4］認(rèn)為在下地殼的上部和上地殼底部存在約10 km厚的低速層，這些低速體從遠(yuǎn)處流向龍門山，并在龍門山前緣堆積。吳建平等人［5］的地震層析成像結(jié)果顯示，龍門山斷層前緣附近，下地殼存在低速體的堆積，但在稍遠(yuǎn)的地方看不到低速層。

圖1 龍門山地區(qū)GPS水平運(yùn)動(dòng)速率場(chǎng)(相對(duì)歐亞板塊)Fig.1 GPS velocity field of the Longmenshan zone(relative to Eurasia plate)

圖2 垂直龍門山斷裂GPS水平運(yùn)動(dòng)分量Fig.2 Horizontal GPS velocity component perpendicular to Longmenshan fault

3 有限元模擬

針對(duì)上述情況，結(jié)合前人研究結(jié)果，參照GPS速度場(chǎng)和長(zhǎng)水準(zhǔn)剖面測(cè)線，選取跨龍門山斷裂的垂直剖面建立二維有限元模型，模型西邊界遠(yuǎn)離斷層400 km，東邊界距斷層100 km。模型0 km處為汶川地震發(fā)震斷層所在位置。假設(shè)研究區(qū)巖石圈接近重力均衡，即模型不考慮重力作用。有限元剖面模型參數(shù)參照張竹琪［3］和朱守彪［6］等研究成果取值。模型各層參數(shù)如下：

模型深120 km，上地殼厚為15 km，低速層厚8 km，下地殼龍門山以西的厚度為35 km，以東厚20 km(圖3);龍門山以西上地殼視為彈性體，彈性模量為72 000 Mpa。龍門山附近及四川盆地上地殼視為彈性體，彈性模量為80 000 Mpa。低速層為黏彈體彈性體，模量為70 000 Mpa，黏滯系數(shù)為5.0× 1018pa/s;龍門山以西下地殼視為彈性體，彈性摸量為74 000 Mpa。龍門山以東下地殼視為彈性體，彈性摸量為84 000 Mpa;上地幔為黏彈體，彈性模量為88 000 Mpa，黏滯系數(shù)為1.0×1021pa/s;低速體為黏彈體，彈性模量為65 000 Mpa，黏滯系數(shù)為5.0× 1017pa/s;低速體的泊松比為0.28外，其余的泊松比為0.25。下地殼和上地幔均勻垂直向上的體力為0.08 N/m3。

通過總結(jié)分析前人的研究結(jié)果［7，8］，分兩種情況模擬震前的垂直變形：1)只考慮垂直于斷層水平方向的地殼縮短。即考慮遠(yuǎn)場(chǎng)效應(yīng)情況下，以每年6 mm的量值均勻加載于模型西邊界。模型底部垂直方向固定不動(dòng)，水平方向自由滑動(dòng)。模型東邊界(四川盆地)垂直方向可以自由滑動(dòng)，水平方向固定不動(dòng)。地表為自由表面;2)在考慮東西方向地殼水平縮短的同時(shí)，在龍門山以西下地殼和上地幔加入均勻向上的體力(0.08 N/m3)，突出青藏高原東邊緣與四川盆地的差異抬升。邊界條件和第一種情況一致。

圖3 跨龍門山斷裂垂直剖面有限元模型示意圖Fig.3 Sketch of FEM model of the vertical profile across Longmenshan fault

4 模擬結(jié)果及分析討論

模擬結(jié)果如圖4和5所示，從圖4和5可以看出，只考慮地殼縮短所引起的地殼垂直變形量值(最大0.5～0.6 mm/a)遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于觀測(cè)得到的震前地殼垂直形變量值(最大3.5 mm/a)。但模擬所得龍門山斷裂前緣地殼隆起的形態(tài)(圖4)和震前水準(zhǔn)觀測(cè)結(jié)果基本相似。這說(shuō)明以目前GPS觀測(cè)得到的地殼水平運(yùn)動(dòng)速率量值，僅僅靠垂直于斷層的水平向地殼縮短無(wú)法使龍門山以西地殼相對(duì)四川盆地的隆起速率達(dá)到實(shí)際觀測(cè)的量值。但水平向地殼縮短對(duì)龍門山以西地殼垂直隆升形態(tài)的刻畫起到了重要作用。既考慮地殼縮短又考慮青藏高原東邊緣與四川盆地的差異抬升(在龍門山以西下地殼和上地幔垂直方向給定一大小為0.08 N/m3均勻向上的體力)，產(chǎn)生的地殼垂直變形(圖5)在量值上和觀測(cè)得到結(jié)果較為一致，地殼隆起形態(tài)和觀測(cè)結(jié)果也更為吻合。這說(shuō)明川西高原相對(duì)四川盆地的差異抬升可能是龍門山以西地殼垂直隆升的主要原因。因此我們認(rèn)為：汶川地震震前龍門山以西的地殼隆起主要是川西高原相對(duì)四川盆地抬升的結(jié)果。同時(shí)在地殼垂直隆起形態(tài)上也受到垂直于斷裂方向的地殼縮短的影響。汶川8.0級(jí)地震發(fā)生時(shí)，龍門山斷層兩盤產(chǎn)生的巨大的同震垂直位移，是川西高原相對(duì)四川盆地長(zhǎng)期垂直抬升運(yùn)動(dòng)在龍門山斷層上產(chǎn)生的能量積累釋放的結(jié)果。

圖4 只考慮地殼縮短有限元計(jì)算垂向運(yùn)動(dòng)速率Fig.4 Vertical velocity calculated with the FEM of crustal shortening considered solely

圖5 既考慮地殼縮短又考慮川西高原相對(duì)四川盆地的差異抬升有限元計(jì)算垂向運(yùn)動(dòng)速率Fig.5 Vertical velocity calculated with the FEM both crustal shortening and the vertical uplift between Chuanxi plateau and Sichuan basin considered

為了考察龍門山前緣中下地殼軟物質(zhì)對(duì)垂直形變的影響，再做以下有限元的模擬，不考慮低速層和低速體的黏彈性流變特性，將龍門山以西的低速層、下地殼和低速體統(tǒng)一都看做彈性體，彈性模量為70 000 Mpa，泊松比為0.25，邊界條件和上面第二種情況相同。模擬發(fā)現(xiàn)，要使龍門山前緣地殼垂直隆升速率達(dá)到3.5 mm/a(圖6)，所加載的龍門山以西下地殼和上地幔的垂直向上的體力大小為0.16 N/ m3，這和張竹琪等［3］的結(jié)果一致，是我們前面研究結(jié)果的兩倍。另外，從圖7可以看出，模擬的地殼垂直隆升的曲線形態(tài)雖然與龍門山地區(qū)的地表形態(tài)較為接近，但和實(shí)際觀測(cè)結(jié)果在局部地區(qū)不太相符，特別是龍門山以西較遠(yuǎn)的區(qū)域差異較大。這可能說(shuō)明從一個(gè)較長(zhǎng)時(shí)尺度和一個(gè)較大的空間范圍來(lái)看，青藏高中下地殼原普遍存在的軟物質(zhì)層對(duì)青藏高原西部的垂直隆升形態(tài)的塑造作用不明顯。更重要的影響來(lái)自局部地區(qū)軟物質(zhì)的不均勻分布與局部動(dòng)力環(huán)境對(duì)地殼細(xì)部隆起形態(tài)的刻畫。

圖6 不考慮下龍門山以西地殼介質(zhì)橫向不均勻性有限元計(jì)算所得垂向運(yùn)動(dòng)速率Fig.6 Vertical velocity calculated by the FEM without considering the latered inhomogereity in the low crust in the west of Longmenshan

5 結(jié)語(yǔ)

通過以上的分析，可以看出引起地殼垂直隆升的原因是復(fù)雜的，它與地殼深部的動(dòng)力環(huán)境、地殼物質(zhì)的密度分布，及地殼淺層的構(gòu)造運(yùn)動(dòng)和斷層的幾何形態(tài)等方面都有關(guān)系。只有把這幾個(gè)方面綜合起來(lái)考慮，分析才能得到較為可信的結(jié)果。本文就是將跨龍門山斷裂的地球物理資料和形變資料，同時(shí)考慮斷層的幾何形態(tài)及該區(qū)域動(dòng)力構(gòu)造環(huán)境，在已有研究的結(jié)果上，通過數(shù)值模擬進(jìn)一步探討汶川8.0級(jí)地震震前龍門山前緣地殼垂直隆升的可能原因，認(rèn)為地殼垂直隆升與龍門山前緣中下地殼的軟物質(zhì)、垂直于斷裂方向的地殼縮短及川西高原相對(duì)四川盆地的差異抬升都有關(guān)系。中、下地殼軟物質(zhì)和地殼縮短刻畫了地殼垂直隆升剖面曲線形態(tài)特征。汶川地震震前龍門山以西地殼垂直隆升的主要原因可能是龍門山以西中下地殼相對(duì)四川盆地存在垂直向上的力源。地殼縮短對(duì)垂向運(yùn)動(dòng)也有一定的貢獻(xiàn)，但量值不大。

1 王慶良，等.龍門山及汶川Ms8.0級(jí)地震垂直形變場(chǎng)研究［J］.國(guó)際地震動(dòng)態(tài)，2010，(6)：11.(Wang Qingliang，et al.Studies on surface vertical deformation of the Longmenshan in the Wenchuan Ms8.0 earthquake［J］.Recent Developments In World Seismology，2010，(6)：11)

2 Wang Q L，Cui D X and Zhang X.Coseismic vertical deformation of theMs8.0 Wenchuan earthquake from repeated levelings and its constraint on listric fault geometry［J］.Earth Sciences，2009，22：595-602)

3 張竹琪，張培震，王慶良.龍門山高傾角逆斷層結(jié)構(gòu)與孕震機(jī)制［J］.地球物理學(xué)報(bào)，2010，53(9)：2 068-2 082.(Zhang Zhuqi，Zhang Peizhen and Wang Qingliang.The structure and seismogenic mechanism of Longmenshan High dip-angle reverse fault［J］.Chinese J Geophys.，2010，53 (9)：2 068-2 082)

4 滕吉文，等.汶川Ms8.0地震發(fā)生的深層動(dòng)力學(xué)過程和動(dòng)力學(xué)響應(yīng)［J］.地球物理學(xué)報(bào)，2008，51(5)：1 385-1 402.(Teng Jiwen，et al.Deep processes and dynamic responses associated with the Wenchuan Ms8.0 earthquake of 2008［J］.Chinese J Geophys.，2008，51(5)：1 385-1 402)

5 吳建平，等.汶川Ms8.0級(jí)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(bào)，2009，52(2)：321-328(Wu Jianping，et al.Aftershock distribution of the Ms8.0 Wenchuan earthquake and three dimensional P-wave velocity structure and around source region［J］.Chinese J Geophys.，2009，52(2)：321-328)

6 朱守彪，張培震.2008年汶川8.0地震發(fā)生過程的動(dòng)力學(xué)機(jī)制研究［J］.地球物理學(xué)報(bào)，2009，52(2)：418-427.(Zhu Shoubiao and Zhang Peizhen.A study on the dynamical mechanisms of the Wenchuan Ms8.0 earthquake，2008［J］.Chinese J Geophys.，2009，52(2)：418-427)

7 Hubbard J and Shaw J.Uplift of the Longmenshan and Tibetan plateau，and the 2008 Wenchuan(M=7.9)earthquake［J］.Nature，2009，458：194-197.

8 Burchfiel B C，et al.A geological and geophysical context for the Wenchuan earthquake of 12 May 2008，Sichuan，People Republic of China［J］.GSA Today，18(7)：4-11.

MECHANISM ANALYSIS OF VERTICAL UPLIFT OF CRUST IN THE WEST OF LONGMENSHAN BEFORE WENCHUAN Ms8.0 EARTHQUAKE

Jiang Fengyun，Wang Qingliang，Zhu Liangyu，Zhang Xiaoliang and Wang Shuangxu (Second Crust Monitoring and Application center，CEA，Xi’an 710054)

The mechanism of the vertical uplift of crust in the west of Longmenshan before Wenchuan Ms8.0 earthquake has been debated through constructing the 2-D FEM model for the profile across Longmenshan fault，which is based on the velocity field that had calculated from the GPS observations and the result of seismic tomography obtained by Wu Jiangping et al.In addition，the effect of crustal inhomogeneity on the vertical uplift has been discussed as well.We concluded that the existence of the low velocity anomaly in the low cust below the front of Longmenshan fault play a key role，and vertical uplift is likely caused by both the curst shorten of the westen Longmenshan and the differential uplift between Chuanxi pletau and Sichuan basin.

crust uplift：low velocity body：viscoelastic Finite Element Method(FEM)：GPS velocity;Chuanxi plateau

1671-5942(2011)05-0026-04

2011-05-21

中國(guó)地震局監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)司“南北地震帶北段大震危險(xiǎn)性強(qiáng)化跟蹤研究”

蔣鋒云，男，1978年生，工程師，主要研究方向：地震預(yù)報(bào)與GPS數(shù)據(jù)處理.E-mail：jfy267862@163.com

P315.71+6

A