汶川地震的發(fā)震構(gòu)造與破裂機(jī)理

張培震 朱守彪 張竹琪 王慶良

1)中國地震局地質(zhì)研究所，地震動(dòng)力學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100029

2)中國地震局地殼應(yīng)力研究所，北京 100085

3)中國地震局第二形變監(jiān)測中心，西安 710054

0 引言

2008年5月12日，四川汶川發(fā)生8.0級(jí)特大地震。地震釋放出的巨大能量引起強(qiáng)烈地面振動(dòng)，誘發(fā)了數(shù)以萬計(jì)的山崩、滑坡、塌方、泥石流等嚴(yán)重地質(zhì)災(zāi)害，毀壞了交通、通訊等生命線系統(tǒng)，造成了巨大的經(jīng)濟(jì)損失和人員傷亡。同時(shí)，這次地震也是近年來發(fā)生在大陸內(nèi)部的最大地震之一，對(duì)這次地震的深入研究有助于認(rèn)識(shí)大陸內(nèi)部逆沖型強(qiáng)震的破裂特征以及形變場的時(shí)空演化過程，豐富對(duì)大陸內(nèi)部逆沖型強(qiáng)震破裂特征和發(fā)震機(jī)理方面的認(rèn)識(shí)。

汶川地震揭示出諸多新的自然現(xiàn)象和科學(xué)問題也是有地震歷史記載以來前所未見的。就地震發(fā)生機(jī)理而言，新現(xiàn)象揭示的新問題至少表現(xiàn)在兩個(gè)方面:1)世界上絕大多數(shù)逆沖型8級(jí)以上強(qiáng)震主要發(fā)生在海洋板塊邊界的俯沖帶上，或發(fā)生在大陸碰撞的低傾角(20°)逆沖推覆斷裂帶上。汶川地震地表破裂帶在近地表的傾角為70°～80°，近震源處(15～19km)傾角為30°～40°，是有地震歷史記載以來首次發(fā)生在大陸內(nèi)部的高角度逆沖型8級(jí)強(qiáng)震。無論根據(jù)什么樣的脆性破裂準(zhǔn)則，高角度傾角的破裂面在垂直于擠壓的方向上都不容易發(fā)生破裂。為什么在不容易發(fā)生破裂的斷裂上發(fā)生了如此巨大的地震?2)世界上絕大多數(shù)8級(jí)以上逆沖型強(qiáng)震一般發(fā)生在滑動(dòng)速率＞約20mm/a的大型斷裂帶上?？刂沏氪ǖ卣鸢l(fā)生的龍門山斷裂帶的活動(dòng)速率只有不到約 2mm/a(Zhang et al.，2004;Shen et al.，2005;Densemore et al.，2007;Burchfiel et al.，2008)，而震間變形主要發(fā)生在龍門山斷裂帶以西的川西高原。這種區(qū)域構(gòu)造變形方式與汶川地震的孕育和發(fā)生有什么樣的關(guān)系?基于對(duì)2008年汶川地震系統(tǒng)性科學(xué)考察和研究結(jié)果，利用有限單元數(shù)值模擬方法，本文對(duì)汶川地震的發(fā)震構(gòu)造模式和破裂機(jī)理開展了深入研究，取得了一些研究成果。

1 汶川地震孕育和發(fā)生的多單元組合模式

在對(duì)2008年汶川地震系統(tǒng)性科學(xué)考察的基礎(chǔ)上(徐錫偉等，2008;Li et al.，2009;Liu et al.，2009;Xu et al.，2009)，提出汶川地震孕育和發(fā)生的組合模式(張培震等，2009)，解釋震前、震后的觀測現(xiàn)象，深化汶川地震發(fā)生機(jī)理的認(rèn)識(shí)。與單條斷裂的孕震模式不同，汶川地震的孕育和發(fā)生涉及多個(gè)地質(zhì)構(gòu)造變形單元:在青藏高原向NE方向的推擠作用下，川西高原由于地殼介質(zhì)軟弱而發(fā)生強(qiáng)烈震前變形，構(gòu)成孕震的變形單元;龍門山斷裂帶對(duì)川西高原傳遞過來的應(yīng)力的響應(yīng)是發(fā)生緩慢的震前變形和積累很高的應(yīng)力，構(gòu)成孕震的閉鎖單元;四川盆地由于剛度大、不易變形而對(duì)川西高原和龍門山的向東擴(kuò)展起著阻擋作用，構(gòu)成孕震的支撐單元。這3個(gè)單元的共同作用導(dǎo)致了龍門山斷裂帶應(yīng)力的高度積累和突發(fā)釋放，形成了汶川特大地震，汶川地震的孕育和發(fā)生可以用多單元組合模型來理解。

在震前變形期間，作為變形單元的川西高原發(fā)生連續(xù)的右旋走滑、水平擠壓和垂直隆升作用，除本身遭受應(yīng)變和發(fā)生變形之外，還持續(xù)不斷地將變形轉(zhuǎn)換為應(yīng)力而轉(zhuǎn)移到龍門山斷裂帶(張培震等，2009)。龍門山斷裂帶由于本身的高強(qiáng)度和閉鎖(Xu et al.，2008)，不發(fā)生或只發(fā)生緩慢的變形和運(yùn)動(dòng)，導(dǎo)致震前觀測到的活動(dòng)水平很低，但應(yīng)力高度積累;當(dāng)積累的應(yīng)力超過斷裂的摩擦強(qiáng)度時(shí)就突發(fā)破裂，形成長達(dá)340多km長的破裂帶(余震帶)，釋放出巨大的能量，形成特大地震;地震產(chǎn)生的同震形變既有很大的垂直抬升，又有右旋水平走滑，還有一定的水平縮短;因此龍門山斷裂帶又是汶川地震的破裂單元。作為支撐單元的四川盆地一直起著阻擋作用，無論是震前還是震時(shí)都很穩(wěn)定，是造成龍門山斷裂帶閉鎖和高應(yīng)力積累的必要條件。龍門山斷裂帶震前的構(gòu)造變形圖像和汶川地震同震變形的特征支持上述不同單元在震前和震時(shí)的不同變形狀態(tài)。

2 汶川地震的發(fā)震構(gòu)造與應(yīng)變過程

多單元組合模型從大區(qū)域構(gòu)造的角度揭示了汶川地震孕育和發(fā)生的宏觀機(jī)理，但在斷裂尺度上破裂是如何起始的，地震是如何最終形成的等問題仍然沒有得到回答。

綜合地表破裂野外調(diào)查(Liu et al.，2009;Xu et al.，2009)、地殼形變(Shen et al.，2010)、斷裂圍陷波反演(Li et al.，2009)、余震深度分布(Chen et al.，2009)和主震震源機(jī)制(Zhang et al.，2009)等觀測結(jié)果，并結(jié)合龍門山山前和四川盆地的石油地球物理勘探資料分析，我們提出(Zhang et al.，2010)汶川地震發(fā)震斷裂在深部12～13km以上的傾角可能為70°左右，向下逐漸變緩為30°～40°，并可能在20～23km深度以下匯入近水平的脆韌轉(zhuǎn)換帶或以塑性流變的方式延伸入中下地殼，是一種高角度鏟型逆沖斷裂(圖1)。在青藏高原向東擴(kuò)展所產(chǎn)生的近似純剪切的應(yīng)力狀態(tài)下，無論何種脆性破裂準(zhǔn)則都指示傾角30°～40°的破裂面最容易發(fā)生破裂。發(fā)生在深部緩傾角斷裂段上的初始破裂能夠?qū)е聹\部陡傾角斷裂面庫倫應(yīng)力的增加，從而觸發(fā)整個(gè)斷裂的破裂形成巨大的汶川地震。

圖1 汶川地震的發(fā)震構(gòu)造模式圖Fig.1 The seismogenic structure model of the Wenchuan earthquake.

汶川地震震前地殼形變的觀測揭示，相對(duì)于四川盆地，川西高原的縮短速率大約5mm/a，而龍門山的平均縮短速率只有1mm/a左右，這表明整個(gè)龍門山斷裂帶在震前處于強(qiáng)閉鎖的狀態(tài)，地表上只能觀測到很小的位移或應(yīng)變(Zhang et al.，2010)。由于龍門山斷裂是高角度鏟型逆沖斷裂，斷裂上盤的閉鎖寬度比較小，只有30km左右，但是其強(qiáng)度很大;而閉鎖帶以西，震前的變形強(qiáng)烈，具有很大的(約4mm/a)地殼縮短速率(圖2 a)。水準(zhǔn)測量揭示的垂直形變在閉鎖帶之上為一梯度帶，閉鎖帶以西為高隆起區(qū)。低角度逆沖推覆帶的震間地殼形變圖像與高角度逆沖斷裂帶是不同的(Avouac，2003;Feldl et al.，2006)，以喜馬拉雅地震帶為例，大約2/3的地殼水平縮短發(fā)生在閉鎖帶的上盤，垂直隆升的梯度帶同樣位于閉鎖帶之上，但其幅度只有高原隆升速率的大約1/3(圖2 b)。喜馬拉雅地震帶的地殼形變圖像被稱為“喜馬拉雅模式”(Avouac，2003)，汶川地震的震前地殼形變圖像和演化顯然不同于低角度逆沖推覆的“喜馬拉雅模式”，我們將其稱為“龍門山模式”。

對(duì)于“龍門山模式”的地殼形變而言，龍門山斷裂帶的高摩擦強(qiáng)度和不易滑動(dòng)的走向造成了震前的強(qiáng)烈閉鎖，導(dǎo)致了慢應(yīng)變但高應(yīng)力積累，從而形成震前“滑動(dòng)虧損帶”。1987—1997年間跨龍門山的水準(zhǔn)測量表明(Wang et al.，2009)，相對(duì)于成都基準(zhǔn)點(diǎn)，映秀-北川斷裂的垂直形變速率只有大約0.3mm/a，整個(gè)龍門山斷裂帶的垂直滑動(dòng)速率也只有大約1mm/a(圖3 a)。不僅證明了龍門山斷裂帶震前處于閉鎖狀態(tài)，而且形成了一個(gè)2～2.5mm/a的震前“滑動(dòng)虧損帶”(圖3 a)。震前的微震活動(dòng)主要發(fā)生在四川盆地西緣與龍門山交界地帶和川西高原內(nèi)部，但龍門山本身的微震活動(dòng)相對(duì)稀疏，形成一個(gè)沿龍門山斷裂帶分布的“地震空區(qū)”(Zhang et al.，2010)。震后進(jìn)行的水準(zhǔn)復(fù)測清晰地揭示了，同震變形主要發(fā)生在震前“滑動(dòng)虧損”的龍門山斷裂帶內(nèi)(圖3 b)。上盤的最大同震抬升達(dá)4.7m，下盤靠近斷層處的下降達(dá)2.5m，最大同震位移可達(dá)7m左右。同震位移很好地“補(bǔ)償”了震前閉鎖形成的“滑動(dòng)虧損”。

上述兩方面的事實(shí)證明了龍門山斷裂帶在震前確實(shí)是一個(gè)強(qiáng)烈閉鎖區(qū)，也是一個(gè)高能量積累區(qū)，具有潛在的強(qiáng)震危險(xiǎn)。地震時(shí)的同震變形和能量釋放主要沿震前的閉鎖區(qū)——龍門山斷裂帶發(fā)生，補(bǔ)償了震前的“滑動(dòng)虧損”，填滿了震前的“地震空區(qū)”。2008年汶川地震的孕震模式在垂直方向上符合地震孕育的“彈性回跳”理論。

圖2 逆沖斷裂震前地殼變形模式的示意圖Fig.2 Schematic diagram of crustal deformation models on the thrust fault before earthquake.

圖3 汶川地震前后的垂直形變Fig.3 Vertical deformation before and after the Wenchuan earthquake.

3 斷裂不同傾角段的深部相互作用與汶川地震破裂

前面已專門論證了汶川地震的高角度鏟型逆沖斷裂模型，而垂直于區(qū)域擠壓應(yīng)力方向的高傾角龍門山斷裂并不利于發(fā)生失穩(wěn)破裂形成巨大地震，因?yàn)榇怪迸c高傾角斷裂的擠壓縮短只會(huì)增加斷裂面上的正應(yīng)力而阻止滑動(dòng)破裂(Scholz，1990，1998)。Zhang等(2010)提出發(fā)震斷裂深部緩傾角段容易發(fā)生破裂，并有可能觸發(fā)淺部陡傾角段發(fā)生大規(guī)模破裂而形成汶川地震。我們構(gòu)建粘彈性有限單元模型來研究高角度鏟型逆沖斷裂產(chǎn)生的同震位移、應(yīng)力變化和強(qiáng)震重復(fù)周期(Zhu et al.，2010，2012)。數(shù)值模擬的結(jié)果表明構(gòu)建的模型能夠很好地再現(xiàn)汶川地震同震變形的主要特征和一些活動(dòng)習(xí)性，因而能夠用來研究汶川地震發(fā)震斷裂不同傾角段的相互作用(Zhu et al.，2010)。

模型的數(shù)值模擬結(jié)果清楚地顯示鏟型斷裂的緩傾角段和陡傾角段具有不同的活動(dòng)習(xí)性或破裂特性(圖4)。在我們模擬的30萬a的破裂歷史中，發(fā)現(xiàn)3類代表地震破裂的突發(fā)位移事件:只發(fā)生在緩傾角段上的＜2m的小位移事件;發(fā)生在緩傾角段上3～6m位移的大位移事件;與大位移事件同時(shí)但只發(fā)生在陡傾角段上6～10m的主位移事件(圖4)。陡傾角段的主位移事件與緩傾角段的大位移事件總是同時(shí)發(fā)生，緩傾角段上的小位移事件發(fā)生在兩次主位移事件之間，陡傾角段上不發(fā)生大位移和小位移事件。我們認(rèn)為同時(shí)發(fā)生的主位移和大位移事件代表2008年汶川地震這樣的巨大地震。

位于12～13km深度以下的緩傾角段在2次大位移之間發(fā)生多次小位移事件。這些小位移事件可能是由斷裂面上強(qiáng)度相對(duì)較弱的區(qū)面或高應(yīng)力積累區(qū)面失穩(wěn)破裂所產(chǎn)生的，在幾何結(jié)構(gòu)上可能相當(dāng)于緩傾角斷層面上的凸凹體。這些≤2m的位錯(cuò)事件相當(dāng)于5～6級(jí)的中強(qiáng)地震，它們服從地震復(fù)發(fā)的“位移可預(yù)測模型”。緩傾角斷裂面上背景(殘余)摩擦應(yīng)力可能是均勻的，當(dāng)失穩(wěn)破裂使得障礙體的殘余應(yīng)力降低到背景摩擦應(yīng)力，破裂就會(huì)停止，導(dǎo)致整個(gè)緩傾角斷裂面上的應(yīng)力均勻化，以至于后續(xù)的應(yīng)力可以在整個(gè)緩傾角段均勻積累。

當(dāng)應(yīng)力積累逐漸接近或達(dá)到整個(gè)緩傾角斷裂面的摩擦強(qiáng)度時(shí)，失穩(wěn)破裂就會(huì)發(fā)生在整個(gè)緩傾角斷裂面上，從而形成大位移、釋放大應(yīng)力降、產(chǎn)生大地震。緩傾角斷裂面的摩擦強(qiáng)度可能是一定的，只要積累的應(yīng)力達(dá)到摩擦強(qiáng)度就發(fā)生失穩(wěn)破裂。因此，緩傾角斷裂面上的大位移事件服從“時(shí)間可預(yù)測”模型。緩傾角斷裂段上的5m同震位移可在其上陡傾角段(70°)產(chǎn)生約9MPa的庫倫應(yīng)力變化。2008年汶川地震的平均應(yīng)力降只要19MPa，5m同震位移產(chǎn)生的庫倫應(yīng)力完全有可能觸發(fā)上部陡傾角段的破裂。

淺部陡傾角段只發(fā)生主位移事件，并且只與深部緩傾角段的大位移事件同步(圖4)。這表明鏟形發(fā)震斷裂的陡傾角段由于其摩擦強(qiáng)度大，在震間加載過程中不發(fā)生中強(qiáng)地震的小破裂事件，但能夠積累很大能量。陡傾角斷裂段只有在應(yīng)力積累達(dá)到其臨界強(qiáng)度并受到下部緩傾角段破裂的觸發(fā)時(shí)才發(fā)生失穩(wěn)破裂，釋放出巨大的能量，形成類似于2008年汶川地震那樣大的破裂事件。由于陡傾角斷裂段的破裂受到觸發(fā)作用，因此既不遵從“位移可預(yù)測”模型，也不遵從“時(shí)間可預(yù)測”模型。

我們認(rèn)為服從“位移可預(yù)測”的小位移事件是在震間加載過程中緩傾角段上應(yīng)力不均勻釋放的結(jié)果。深部緩傾角段的小位移事件對(duì)于大地震的孕育起著2個(gè)重要作用:一是通過產(chǎn)生同震庫倫應(yīng)力為上部的陡傾角段應(yīng)力加載;二是使得緩傾角段上的應(yīng)力均勻積累，當(dāng)達(dá)到臨界強(qiáng)度時(shí)，整個(gè)緩傾角段發(fā)生破裂，形成“服從時(shí)間可預(yù)測”的大位移事件。如果龍門山斷裂帶或汶川地震的孕育過程果真如此的話，震間發(fā)生的所有中強(qiáng)地震都應(yīng)該位于深部緩傾角段上。我們研究了龍門山斷裂帶上有歷史記載以來的所有中強(qiáng)地震，但只有1999年綿竹MS5.0地震能夠利用現(xiàn)代地震學(xué)方法確定其震源深度和震源機(jī)制。Zhao等(2001)已經(jīng)利用四川數(shù)值地震臺(tái)網(wǎng)資料獲得了其震源深度為(14±1)km，震源斷層面解表明該事件是一次逆沖地震，地震斷層傾角為35°左右。證明了這次中強(qiáng)地震果真發(fā)生在汶川地震斷裂的緩傾角段上，是緩傾角段上一個(gè)區(qū)面突發(fā)破裂的結(jié)果。因此，汶川地震的孕育過程可能真的是發(fā)震斷裂深部緩傾角段和淺部陡傾角段相互作用的結(jié)果。

圖4 模擬計(jì)算得到的高角度鏟形逆沖斷裂的年滑動(dòng)破裂歷史Fig.4 The 25000-year slip and rupture history of a high-angle listric thrust fault calculated by simulation.

在青藏高原向SE擴(kuò)展的水平擠壓環(huán)境下，龍門山斷裂的位置和鏟型結(jié)構(gòu)不利于滑動(dòng)、破裂和產(chǎn)生大地震，因?yàn)榻怪庇跀嗔衙娴乃綌D壓會(huì)增強(qiáng)正應(yīng)力從而阻止地震的發(fā)生。為了理解高角度鏟型逆沖的龍門山斷裂是怎樣發(fā)生滑動(dòng)的，我們利用粘彈性有限單元模型研究深部低傾角斷裂和淺部高傾角斷裂面上的應(yīng)力隨時(shí)間的變化。

我們在淺部高傾角段上任選一點(diǎn)A，在深部低傾角段上任選一點(diǎn)B，將破裂起始之前的計(jì)算步長設(shè)為0點(diǎn)，分別考察這兩點(diǎn)上正應(yīng)力和剪應(yīng)力在破裂發(fā)生期間隨時(shí)間的演化過程。圖5清楚地顯示，深部緩傾角段上的B點(diǎn)在步長1時(shí)開始位移(圖5 a)，而淺部高傾角段上A點(diǎn)在步長3時(shí)才開始啟動(dòng)(圖5 b)。這一由深至淺的破裂順序與汶川地震發(fā)震構(gòu)造模型所預(yù)測的演化過程類似，破裂起始于17～18km深處的緩傾角段，向上傳播并觸發(fā)淺部高傾角段的破裂(Zhang et al.，2010;Zhu et al.，2010，2012)。從A和B點(diǎn)的位移歷史來看，他們均經(jīng)歷了3個(gè)階段的位移加速，分別在步長3～4、6～7、9～12時(shí)，但深部B點(diǎn)的總位移量約為5m，而淺部A點(diǎn)的總位移量約為8m(圖5 a和5c)。A、B兩點(diǎn)的主位移事件同步發(fā)生在步長9～12之間，B點(diǎn)位移了3.5m，而A點(diǎn)位移了7m。

圖5 鏟型逆沖斷裂不同段落在破裂過程中的應(yīng)力演化Fig.5 Stress field evolution of different segments of listric thrust fault in the rupture process.

仔細(xì)研究A和B點(diǎn)的應(yīng)力演化歷史可以發(fā)現(xiàn)，位移的加速或減速控制著正應(yīng)力和剪應(yīng)力的變化。首先，AB兩點(diǎn)的位移加速均導(dǎo)致了其正應(yīng)力的減小，特別是主位移發(fā)生時(shí)造成了最劇烈的正應(yīng)力減小(圖5 a和5c)。而位移的減速則使得正應(yīng)力的降低變緩，甚至引起正應(yīng)力的增加。其次，位移加速和減速與剪應(yīng)力之間的關(guān)系則要復(fù)雜得多，還有待于進(jìn)一步研究。B點(diǎn)的第1次位移加速對(duì)應(yīng)著剪應(yīng)力的大幅增加，但第2次加速卻導(dǎo)致了剪應(yīng)力的顯著下降，主位移事件發(fā)生僅造成了剪應(yīng)力的輕微下降(圖5 b)。A點(diǎn)的前2次位移加速也對(duì)應(yīng)著剪應(yīng)力的增加，特別是第2次小的加速位移引起了39MPa的剪應(yīng)力增加，但在主位移事件發(fā)生之前剪應(yīng)力就大幅下降，主位移事件本身也伴隨著小幅度的剪應(yīng)力下降(圖5 d)。不同深度和不同傾角斷裂段上的應(yīng)力演化過程表明，位移的加速導(dǎo)致了斷裂面上正應(yīng)力的減小，從而減小斷裂的摩擦強(qiáng)度并造成主位移事件的發(fā)生;早期位移的加速往往造成斷裂面上剪應(yīng)力的增加，但對(duì)主位移事件而言，似乎正應(yīng)力的下降就足以引起滑動(dòng)和破裂的產(chǎn)生。因此，斷裂面上位移加速導(dǎo)致的正應(yīng)力下降是高角度鏟型逆沖斷裂發(fā)生破裂的重要原因。

4 結(jié)論

上述研究表明，在青藏高原總體向SE方向水平擴(kuò)展的構(gòu)造環(huán)境下，川西高原、龍門山和四川盆地巖石圈結(jié)構(gòu)及性質(zhì)的差異造成了它們在變形方式和應(yīng)力積累上的差異，這3個(gè)單元的共同作用導(dǎo)致了龍門山斷裂帶應(yīng)力的高度積累和突發(fā)釋放，形成了汶川特大地震。龍門山斷裂帶具有高摩擦強(qiáng)度和高角度鏟型逆沖結(jié)構(gòu)，使得其不僅不易發(fā)生變形(但能積累很高的應(yīng)力)形成震前的“滑動(dòng)虧損帶”，而且不易發(fā)生微破裂，以至于形成震前的“地震空區(qū)”。當(dāng)應(yīng)力積累超過龍門山斷裂帶的強(qiáng)度時(shí)，就突發(fā)破裂形成巨大地震，同震變形和能量釋放主要發(fā)生在龍門山斷裂帶，補(bǔ)償震前的“滑動(dòng)虧損”、填滿震前的“地震空區(qū)”。

汶川地震發(fā)震斷裂——映秀-北川斷裂的高角度鏟型逆沖結(jié)構(gòu)對(duì)于汶川地震的孕育和發(fā)生起著重要的控制作用，深部緩傾角段與淺部高傾角段的相互作用，不僅造成了高傾角段上應(yīng)力的高度積累，還可能觸發(fā)高傾角段的破裂，形成巨大地震。不同深度和不同傾角斷裂段上的應(yīng)力演化過程表明，緩傾角段的初始位移加速導(dǎo)致了斷裂面上正應(yīng)力的減小，從而減小斷裂的摩擦強(qiáng)度并造成整個(gè)斷裂上位移的發(fā)生，形成巨大地震。同時(shí)，早期位移的加速往往造成斷裂面上剪應(yīng)力的增加，進(jìn)一步促進(jìn)破裂的發(fā)生，但似乎正應(yīng)力的下降就足以引起滑動(dòng)和破裂的產(chǎn)生。因此，斷裂面上位移加速導(dǎo)致的正應(yīng)力下降是高角度鏟型逆沖斷裂發(fā)生破裂的重要原因。

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