汶川MS8.0地震動力學(xué)背景的數(shù)值模擬實驗

廖 力 楊建思 張東寧

(中國地震局地球物理研究所，北京 100081)

2008年5月12日汶川MS8.0地震發(fā)生在龍門山斷裂帶。地球物理研究者利用多種方法對此次地震的動力學(xué)成因及過程進(jìn)行了研究，本文從研究斷層錯動行為的角度出發(fā)來探索影響汶川地震斷層初始破裂及破裂的傳播過程的動力學(xué)因素。本文基于龍門山斷裂帶的地質(zhì)與地球物(理研究結(jié)果，以及高精度的地形數(shù)據(jù)、大地?zé)崃鳒y量數(shù)據(jù)，建立以龍門山斷裂帶為主要研究對象的有b限)元模型；該模型在上地殼遵從庫倫摩擦的本構(gòu)關(guān)系，在下地殼遵從位錯蠕變的本構(gòu)關(guān)系，在地殼底部以全球地幔對流模型施加一個拖曳力。在確定模擬的有限元模型后，本文作者以GPS觀測數(shù)據(jù)、構(gòu)造應(yīng)力場和震源破裂過程研究結(jié)果為約束，研究了此次強(qiáng)烈地震的動力學(xué)背景；研究了四川盆地與青藏高原的地形差異和流變強(qiáng)度差異、龍門山斷裂帶各段摩擦強(qiáng)度差異和發(fā)震斷層產(chǎn)狀是否對地震起始破裂位置、斷層錯動形式有影響。由模擬結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)：青藏高原的自身重力在龍門山區(qū)域的孕震環(huán)境中扮演了重要的角色，影響了龍門山斷裂帶的發(fā)震位置，由于巨大的自身重力，加速了龍門山斷裂帶的破裂。龍門山斷裂帶的高角度影響了龍門山斷裂帶的發(fā)震位置，將龍門山斷裂帶傾角均設(shè)為 30°的模擬實驗，首先錯動的斷層并不發(fā)生在映秀，傾角的大小也控制了斷層進(jìn)一步破裂的方向。龍門山斷裂帶的高角度使得斷層的錯動更不容易發(fā)生。在我們的實驗中摩擦系數(shù)為0.5及以上的時候，斷層處于死鎖狀態(tài)，調(diào)整模型摩擦系數(shù)降低到0.48的時候，斷層開始破裂初始破裂點發(fā)生在映秀，調(diào)整模型摩擦摩擦系數(shù)0.40的時候，龍門山斷裂帶斷層單元幾乎都發(fā)生了錯動，斷層在西南端呈現(xiàn)逆沖推覆，東北端主要呈右旋走滑方式。本文利用地球動力學(xué)的有限元軟件模擬了汶川地震地表破裂在龍門山斷裂帶上傳播的過程。通過模擬實驗結(jié)果我們發(fā)現(xiàn)：在考慮青藏高原物質(zhì)向東擠壓流動的同時，青藏高原與四川盆地的地形差異和流變強(qiáng)度差異、斷層摩擦強(qiáng)度差異和斷層產(chǎn)狀形式均對地震起始破裂的發(fā)生位置和斷層錯動形式有著重要影響。

左上圖摩擦系數(shù)為0.5，斷層處于死鎖狀態(tài)；右上圖摩擦系數(shù)為0.48，斷層開始錯動，初始破裂點發(fā)生在映秀；左下圖摩擦系數(shù)為0.45，斷層繼續(xù)沿著北東方向破裂；右下圖摩擦系數(shù)為0.4，龍門山斷裂帶大部分?jǐn)鄬訂卧煎e動了，斷層西南端呈逆沖擠壓，東北端呈右旋走滑（虛線表示斷層死鎖，綠色方塊代表右旋走滑，橘色方塊代表左旋走滑，藍(lán)色方塊代表逆沖斷層，粉色代表正斷層）