龍門山斷裂帶深部構(gòu)造變形的黏彈性模擬及其與強(qiáng)震活動(dòng)的關(guān)聯(lián)性探討

陳棋福, 華誠(chéng), 李樂, 程晉

1 中國(guó)科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所，中國(guó)科學(xué)院地球與行星物理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 北京 100029 2 復(fù)旦大學(xué)力學(xué)與工程科學(xué)系, 上海 200433 3 中國(guó)地震局地震預(yù)測(cè)研究所(地震預(yù)測(cè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室)， 北京 100036 4 復(fù)旦大學(xué)數(shù)學(xué)科學(xué)學(xué)院， 上海 200433

?

龍門山斷裂帶深部構(gòu)造變形的黏彈性模擬及其與強(qiáng)震活動(dòng)的關(guān)聯(lián)性探討

陳棋福1, 華誠(chéng)2*, 李樂3, 程晉4

1 中國(guó)科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所，中國(guó)科學(xué)院地球與行星物理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 北京 100029 2 復(fù)旦大學(xué)力學(xué)與工程科學(xué)系, 上海 200433 3 中國(guó)地震局地震預(yù)測(cè)研究所(地震預(yù)測(cè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室)， 北京 100036 4 復(fù)旦大學(xué)數(shù)學(xué)科學(xué)學(xué)院， 上海 200433

根據(jù)龍門山斷裂帶地區(qū)的主要構(gòu)造特征，建立該地區(qū)的有限元模型，同時(shí)考慮地下深處的黏彈性蠕動(dòng)和不同部位間的接觸關(guān)系，模擬計(jì)算了研究區(qū)在強(qiáng)震輪回活動(dòng)中的時(shí)間演化歷程.模擬結(jié)果表明：龍門山斷裂帶深處的滑動(dòng)速率比淺表的滑動(dòng)速率大，龍門山斷裂帶周圍是相對(duì)容易發(fā)生應(yīng)變積累的地區(qū)，其5～19 km深度也是高應(yīng)力聚集成核區(qū)，隨時(shí)間推移的應(yīng)力集中程度加劇而引發(fā)強(qiáng)震.本模擬分析證實(shí)了重復(fù)地震觀測(cè)所揭示的龍門山斷裂帶存在深淺活動(dòng)速率差異的現(xiàn)象，這在一定程度上可以解釋出乎預(yù)料的汶川MW7.9地震的孕育機(jī)理.綜合分析研究提出：應(yīng)充分利用重復(fù)地震這一天然的“地下蠕變計(jì)(subsurface creepmeter)”來(lái)探測(cè)深部構(gòu)造變形的活動(dòng)，為強(qiáng)震危險(xiǎn)性分析提供必要的“原位(in situ)觀測(cè)”約束信息.

龍門山斷裂帶； 深部滑動(dòng)速率； 重復(fù)地震； 黏彈性

1 引言

2015年4月25日尼泊爾MW7.9大地震、2010年2月27日智利中部近海MW8.8大地震和2011年3月11日日本東北近海MW9.1大地震等都引發(fā)了重大的社會(huì)影響，并且這些大地震都發(fā)生在震前已被人們認(rèn)識(shí)到的潛在強(qiáng)震危險(xiǎn)區(qū).但2008年5月12日的汶川MW7.9級(jí)大地震，卻出乎意料的(Zhang, 2013；Klinger et al., 2010；Kirby et al., 2008)發(fā)生在位于青藏高原東緣的龍門山斷裂帶，對(duì)龍門山斷裂帶強(qiáng)震危險(xiǎn)性低估的重要原因之一是其低滑動(dòng)速率(張培震等，2009；Zhang, 2013).在我國(guó)，龍門山斷裂帶研究歷史最長(zhǎng)(王二七等，2001)，地震地質(zhì)和GPS等淺表觀測(cè)研究表明該區(qū)域地表滑動(dòng)速率較小(≤3 mm·a-1；參見Densmore等(2007)和Zhang等(2010)).對(duì)突發(fā)的汶川大地震，已有大量的研究結(jié)果結(jié)集出版(如地球物理學(xué)報(bào)編輯部,2009；Zhang and Engdahl, 2013)或?qū)Ｎ恼撌霭l(fā)表(如王衛(wèi)民等，2008；張勇等，2008；Xu et al., 2009；Hubbard and Shaw，2009；Hartzell et al., 2013；Liu et al., 2014), 為充分認(rèn)識(shí)汶川地震的破裂過程、孕震深部構(gòu)造特征和成因機(jī)理等提供了豐富的前期研究成果和約束.但汶川地震所引發(fā)的許多挑戰(zhàn)性問題仍有待回答(Klinger et al., 2010；Yin, 2010)，如對(duì)龍門山斷裂帶的變形機(jī)制仍有不同的認(rèn)識(shí)(Yin, 2010；Fu et al., 2011；Wang et al., 2014).對(duì)低估龍門山斷裂帶地震危險(xiǎn)性重要原因之一的低變形速率(趙祎喆等,2008；張培震等，2009；Zhang, 2013)，趙祎喆等(2008)使用時(shí)間尺度為30年的小震地震目錄，分析表明龍門山斷裂帶的深部形變與其近鄰的鮮水河、安寧河、則木河等3個(gè)斷裂相比并不低.而李樂等(Li et al.,2011)利用汶川地震前數(shù)字地震臺(tái)網(wǎng)記錄的波形資料，基于識(shí)別出的重復(fù)地震估算的龍門山斷裂帶深部滑動(dòng)速率，約為GPS和地質(zhì)等淺表觀測(cè)滑動(dòng)速率值的2倍(圖1).本文針對(duì)汶川地震與深淺構(gòu)造變形關(guān)系的這一關(guān)鍵問題，應(yīng)用有限元方法模擬計(jì)算強(qiáng)震復(fù)發(fā)過程中龍門山斷裂帶周圍地區(qū)的深部變形及其應(yīng)力變化，分析探討深淺變形差異與強(qiáng)震活動(dòng)的關(guān)聯(lián)性.

2 有限元建模

本研究采用接觸分析和黏彈性有限元方法(FEM)來(lái)模擬龍門山斷裂帶的動(dòng)態(tài)變形特征.針對(duì)橫跨龍門山斷裂帶及汶川地震震中的剖面(圖2左上圖AB紅線所示)，參照地質(zhì)和地球物理等研究(如Burchfiel et al.,1995；Jia et al., 2010；Zhu and Zhang，2010)給出的研究區(qū)深部構(gòu)造特征，構(gòu)建了如圖3所示的二維計(jì)算模型.模型中將青藏高原東部、龍門山斷裂帶作為不同的流變結(jié)構(gòu)進(jìn)行考慮.模型設(shè)定的長(zhǎng)度(450 km)和深度(120 km)，與朱守彪和張培震(2009)模擬研究采用的設(shè)置基本一致，僅青藏高原和龍門山山體兩處的細(xì)節(jié)處理上有一些區(qū)別.具體設(shè)置是，青藏高原的平均高度設(shè)為4000 m，而龍門山的山體最高處取2980 m，東西走向?qū)挾热?8 km，兩側(cè)坡度大約在30°左右.模型右側(cè)的四川盆地Moho面深度設(shè)為～40 km，左側(cè)的青藏東部Moho面深度為～70 km(Hubbard and Shaw，2009)，青藏高原東部的上下地殼的界面深度設(shè)為22 km(Wang et al.，2009).龍門山斷裂帶則簡(jiǎn)化為以70°傾角由地表至上下地殼界面相交的斷層(Zhang et al.，2010)，如圖4的紅線所示，該斷層向下與青藏東部下地殼以0°～60°傾角相連.

圖1 由10組重復(fù)地震估算的龍門山斷裂帶深部滑動(dòng)速率分布圖

圖2 龍門山斷裂帶(白色矩形框)及其附近地區(qū)的構(gòu)造示意圖

圖3 沿圖2所示的AB剖面構(gòu)建的模型示意圖Fig.3 Schematic structure of simulating model along the AB line shown in Fig.2

計(jì)算模型中將青藏高原東部上地殼和四川盆地的地殼視為彈性，而青藏高原下地殼和上地幔部分則視為黏彈性.考慮到四川盆地下方較為堅(jiān)硬，其彈性模量設(shè)置較大些，具體物性參數(shù)的設(shè)置參照朱守彪和張培震(2009)和曹建玲等(2009)，如表1所示.模擬計(jì)算應(yīng)用有限元軟件ABAQUS，采用四節(jié)點(diǎn)平面應(yīng)變單元進(jìn)行.單元數(shù)和節(jié)點(diǎn)數(shù)分別為1608和1790，有限元計(jì)算網(wǎng)格如圖4所示，在靠近龍門山斷裂帶區(qū)域采用了逐漸加密的網(wǎng)格劃分.

在圖4中黃色粗線所示的位置上定義地層之間的接觸約束，紅色粗線所示的位置上定義接觸面和接觸對(duì)，進(jìn)行黏彈性接觸計(jì)算.接觸對(duì)之間的摩擦關(guān)系采用廣為使用的速率-狀態(tài)相依賴的摩擦關(guān)系(Dieterich，1979；Ruina，1983)：

μ=μ0+(a-b)ln(V/Vref)，

式中μ為摩擦系數(shù)，V和Vref分別為滑移速率和參考速率，μ0為以參考速率作穩(wěn)態(tài)滑移時(shí)的摩擦系數(shù)，μ0取0.6.式中的a和b參數(shù)，本研究取巖石力學(xué)實(shí)驗(yàn)(Marone,1998; Popov, 2010)給出的約束值(a=0.005和b=0.0075).

模型的邊界條件設(shè)置是：模型東側(cè)(如圖4右側(cè)所示)水平方向約束、垂直方向自由；模型底部(如圖4底部所示)水平方向自由、垂直方向約束；地表為完全自由邊界.考慮到青藏高原中部至東部的地表運(yùn)動(dòng)速率在15～20 mm·a-1(Burchfiel et al., 2008; 張培震，2008)及其與四川盆地的運(yùn)動(dòng)速度差異，在模型西側(cè)(如圖4左側(cè)所示)邊界的水平方向上施加向東的V=5 mm·a-1的相對(duì)速率載荷.如上所述，模型在上地殼和下地殼之間以及下地殼和地幔之間(即黃色粗線所示位置)通過施加接觸邊界的約束條件，來(lái)模擬地層相互之間的作用.此外，對(duì)全體單元施加體力，且考慮了重力場(chǎng)的影響(重力加速度取9.8 m·s-2).

表1 模擬區(qū)域的物性參數(shù)設(shè)置

3 模擬結(jié)果

鑒于我們對(duì)研究區(qū)的初始應(yīng)力狀態(tài)是不知道的，且考慮到新近的古地震研究(Ran et al.，2013)給出的汶川地震原地復(fù)發(fā)周期最多為3000年，故本研究利用前述模型模擬計(jì)算了汶川地震在單一孕震周期內(nèi)(以2500年為例來(lái)計(jì)算)的應(yīng)力-應(yīng)變演化過程，模擬得到的結(jié)果可視作為汶川地震孕育過程中的相對(duì)應(yīng)變積累及其應(yīng)力變化的演化圖像.

圖5展示了模擬孕震周期內(nèi)歷經(jīng)125年、500年、1000年、1500年、2000年和2500年的等效應(yīng)力演化圖像.圖5清晰地表明：龍門山斷裂帶周邊是研究區(qū)內(nèi)相對(duì)易于積累應(yīng)變，同時(shí)也是高應(yīng)力聚集的地區(qū).這一結(jié)果與朱守彪和張培震(2009)通過施加重力達(dá)到垂直方向重力均衡(約100萬(wàn)年)的初始應(yīng)力場(chǎng)后得到的龍門山斷裂帶周邊等效應(yīng)力結(jié)果是相同的.如圖5f所示，經(jīng)2500年的應(yīng)變積累，在龍門山斷裂帶約5～19 km深度發(fā)生了顯著的等效應(yīng)力成核作用，如此高的應(yīng)力集中值，加上平衡狀態(tài)下背景應(yīng)力場(chǎng)的應(yīng)力值，一旦超過介質(zhì)的強(qiáng)度極限后，必將在高應(yīng)力聚集的龍門山斷裂帶導(dǎo)致如汶川MW7.9這樣的大地震發(fā)生.

圖6相應(yīng)給出了歷經(jīng)不同時(shí)段累積的水平位移變化，結(jié)果展示出：歷經(jīng)相同時(shí)段的下地殼深部滑移量常常較同一位置的上地殼淺部大.經(jīng)1500年演化后，龍門山斷裂帶深部的下地殼滑移量較上地殼顯著增加了2～3倍，汶川地震孕震深處的累積滑移量也較淺部大.

利用與時(shí)間相關(guān)的位移數(shù)據(jù)，可計(jì)算得出不同深度的滑動(dòng)速率(圖7)演化圖像.在圖7a的5 mm·a-1加載速率下，歷經(jīng)2500年之后，龍門山斷裂帶附近上地殼淺部的滑動(dòng)速率(約為1～2 mm·a-1)與地表觀測(cè)結(jié)果較為接近，而在約10～22 km深度的滑動(dòng)速率則增大到約為上地殼淺部的2～3倍.而在10 mm·a-1和20 mm·a-1的加載速率下(圖7b和7c)，同樣表現(xiàn)出龍門山斷裂帶附近上地殼深部的滑動(dòng)速率較淺部大的圖像，且在5～10 km深度的汶川地震高破裂區(qū)(參見圖1a)的滑動(dòng)速率較小，較符合汶川地震孕震部位閉鎖的情況.在10 mm·a-1和20 mm·a-1的加載速率下(圖7b、7c和7d)，龍門山斷裂帶附近下地殼的滑動(dòng)速率，與現(xiàn)今青藏高原東部的10～20 mm·a-1擴(kuò)張速率較為一致(Armijo et al., 1986; Larson et al., 1999; Shen et al., 2001).在不同的加載速率下，穩(wěn)定的四川盆地的滑動(dòng)速率多為0～2 mm·a-1，與實(shí)際觀測(cè)結(jié)果相一致.

4 分析與討論

我們模擬得到的研究區(qū)累積水平位移和水平滑動(dòng)速率變化圖像，與青藏高原至四川盆地由西往東變形逐漸減弱的基本觀測(cè)事實(shí)一致.龍門山斷裂帶附近深淺部的構(gòu)造變形差異圖像，與李樂等(Li et al., 2011)精細(xì)分析汶川地震前的區(qū)域地震波形資料，所得到的龍門山斷裂帶滑動(dòng)速率隨深度增加的變化趨勢(shì)較為相符.圖6f所展示的歷經(jīng)2500年的龍門山斷裂帶深部累計(jì)位移量，與王琪等(Wang et al.，2011)基于汶川地震近場(chǎng)形變觀測(cè)資料反演得到的15～22 km深處同震滑動(dòng)量達(dá)2～6 m的情形較為相符.

圖4 有限元模型(FEM)的幾何剖分及邊界配置圖Fig.4 Geometry and boundary conditions of the finite element model (FEM)

圖5 歷經(jīng)不同時(shí)段的等效應(yīng)力演化圖Fig.5 Evolution of effective stresses with respect to time

圖6 歷經(jīng)不同時(shí)段的累積水平位移演化圖Fig.6 Evolution of the horizontal-component of accumulated displacements with respect to time

圖7 不同速率加載2500年情況下的水平方向滑動(dòng)速率比較

圖8 不同速率加載2500年情況下等效應(yīng)力比較

我們模擬得到的龍門山斷裂帶附近等效應(yīng)力圖像，與朱守彪等(朱守彪和張培震，2009；Zhu and Zhang，2010)基于大體相同模型模擬得到的等效應(yīng)力結(jié)果甚為相符.盡管我們模擬的模型邊界條件和參數(shù)選取是參考朱守彪等(朱守彪和張培震，2009；Zhu and Zhang，2010)比較研究后給出的較優(yōu)選結(jié)果，但不可否認(rèn)，不同的模型邊界條件和不同的物性參數(shù)選取，確實(shí)會(huì)影響模擬結(jié)果.我們得到的是既切合研究區(qū)域構(gòu)造變形的基本觀測(cè)事實(shí)，又與汶川地震區(qū)豐富的近場(chǎng)觀測(cè)資料得到的深淺變形圖像相一致的結(jié)果(Li et al., 2011；Wang et al.，2011)，顯然能揭示龍門山斷裂帶附近深淺構(gòu)造變形差異的基本物理圖像.回顧我們的模擬研究過程，認(rèn)為龍門山斷裂帶附近的深淺構(gòu)造變形差異，首先是明顯地受控于如圖3所示的研究區(qū)的深淺部構(gòu)造環(huán)境，即上下地殼介質(zhì)強(qiáng)度差異明顯的青藏高原長(zhǎng)期擠壓作用于高角度“鏟形”逆沖斷層的結(jié)果，其次是模型西邊界的設(shè)定速率和穩(wěn)態(tài)滑移的摩擦系數(shù)μ0及表1的物性參數(shù)等影響.對(duì)于龍門山斷裂帶的“鏟形”斷層形態(tài)和角度的影響，朱守彪等(Zhu and Zhang，2010)進(jìn)行了較詳細(xì)的探討，結(jié)果表明本研究所采用的“鏟形”斷層形態(tài)能較真實(shí)地反映汶川地震發(fā)生情況.有關(guān)摩擦系數(shù)μ0的取值，朱守彪等(朱守彪和張培震，2009；Zhu and Zhang，2010)的對(duì)比分析表明0.25～0.8的μ0取值都可接受，這也體現(xiàn)在本研究的不同μ0取值(0.6和0.8)得到的龍門山斷裂下方的滑動(dòng)速率和等效應(yīng)力相對(duì)變化圖像(圖7c、7d和圖8c、8d)的相似性；有關(guān)模型西邊界的設(shè)定速率，從朱守彪等先后設(shè)定的15～20 mm·a-1(朱守彪和張培震，2009)和5 mm·a-1(Zhu and Zhang，2010, 2013)與本研究不同加載速率(圖8)的結(jié)果來(lái)看，對(duì)模擬的影響主要體現(xiàn)在等效應(yīng)力的量值上，對(duì)龍門山斷裂帶附近應(yīng)力的相對(duì)差異變化的影響十分有限.基于朱守彪等(朱守彪和張培震，2009；Zhu and Zhang，2010)對(duì)模型參數(shù)的影響分析，以及本研究的模擬對(duì)比結(jié)果(圖7和圖8)，可以確認(rèn)本模擬得到的龍門山斷裂帶附近的深淺構(gòu)造變形差異結(jié)果是確實(shí)可靠的.

本模擬研究證實(shí)了李樂等(Li et al., 2011)由地震觀測(cè)得到的龍門山斷裂帶周圍的滑動(dòng)速率隨深度加深而增大的變形圖像，為闡釋2008年汶川地震的突然發(fā)生提供了可靠的依據(jù)，可為潛在的強(qiáng)震危險(xiǎn)性分析提供重要的參考.結(jié)合Igarashi等(2003)基于重復(fù)地震分析得出的滑動(dòng)速率虧損區(qū)，在2011年發(fā)生了超出預(yù)估強(qiáng)度的日本東北近海MW9.1巨大地震，以及在早就識(shí)別出的地震滑動(dòng)閉鎖空區(qū)(Bilham et al., 2001)發(fā)生的2015年4月25日尼泊爾MW7.9大地震等實(shí)例，進(jìn)一步說(shuō)明應(yīng)特別關(guān)注構(gòu)造變形閉鎖空區(qū)或滑動(dòng)速率虧損區(qū)的強(qiáng)震危險(xiǎn)性.在龍門山斷裂帶南段發(fā)生的2013年4月20日蘆山7.0級(jí)地震，即為一明顯的實(shí)例.在進(jìn)行強(qiáng)震危險(xiǎn)性分析時(shí)，尤其應(yīng)注意深淺構(gòu)造變形存在顯著差異的地區(qū)，不要因淺部觀測(cè)得到的低構(gòu)造滑動(dòng)速率，而忽視未探測(cè)到的深部大變形所可能導(dǎo)致的強(qiáng)震危險(xiǎn)，避免重蹈2008年汶川地震的覆轍.

5 結(jié)論

通過龍門山斷裂帶地區(qū)的有限元建模和模擬分析，結(jié)合已有的觀測(cè)研究結(jié)果，我們得到了如下結(jié)論：

(1) 龍門山斷裂帶周圍是相對(duì)容易積累應(yīng)變進(jìn)而發(fā)生強(qiáng)震的地區(qū)，其5～19 km深度是高應(yīng)力聚集區(qū).

(2) 龍門山斷裂帶周圍存在顯著不同的深淺構(gòu)造變形，深部變形顯著高于淺部變形的地區(qū)更具強(qiáng)震危險(xiǎn)性.

(3) 國(guó)內(nèi)外的研究實(shí)例表明，將同一構(gòu)造部位重復(fù)發(fā)生并具有高度相似波形的重復(fù)地震作為天然的“地下蠕變計(jì)(subsurface creepmeter)”(Turner et al., 2013)來(lái)探測(cè)深部構(gòu)造變形，具有地表觀測(cè)資料無(wú)法達(dá)到的“原位(in situ)觀測(cè)”優(yōu)勢(shì)，應(yīng)加強(qiáng)開展利用重復(fù)地震探測(cè)深部構(gòu)造變形的分析.

致謝 感謝楊文采院士和2位評(píng)審專家對(duì)完善本研究的建議，及GMT軟件(Wessel and Smith, 1998)在繪制圖1和圖2的幫助.

Armijo R, Tapponnier P, Mercier J L, et al. 1986. Quaternary extension in southern Tibet: Field observations and tectonic implications.J.Geophys.Res., 91(B14): 13803-13872.

Bilham R, Gaur V K, Molnar P. 2001. Himalayan seismic hazard.Science, 293(5534): 1442-1444.

Burchfiel B C, Chen Z L, Liu Y, et al. 1995. Tectonics of the Longmen Shan and adjacent regions, Central China.InternationalGeologyReview, 37(8): 661-735.

Burchfiel B C, Royden L H, van de Hilst R D, et al. 2008. A geological and geophysical context for the Wenchuan earthquake of 12 May 2008, Sichuan, People′s Republic of China.GSAToday, 18(7): 4-11, doi: 10.1130/GSATG18A.1.

Cao J L, Shi Y L, Zhang H, et al. 2009. Numerical simulation of GPS observed clockwise rotation around the eastern Himalayan syntax in the Tibetan Plateau.ChineseScienceBulletin, 54(8): 1398-1410.

Densmore A L, Ellis M A, Li Y, et al. 2007. Active tectonics of the Beichuan and Pengguan faults at the eastern margin of the Tibetan Plateau.Tectonics, 26: TC4005, doi: 10.1029/2006TC001987.

Dieterich J H. 1979. Modelling of rock friction: 1. Experimental results and constitutive equations.J.Geophys.Res., 84(B5): 2161-2168.

Editorial department of CJG. 2009. Account for this issue.ChineseJ.Geophys. (in Chinese), 52(2): 307-308.

Fu B H, Walker R, Sandiford M. 2011. The 2008 Wenchuan earthquake and active tectonics of Asia.JournalofAsianEarthSciences, 40(4): 797-804.

Hartzell S, Mendoza C, Ramirez-Guzman L, et al. 2013. Rupture history of the 2008MW7.9 Wenchuan, China, Earthquake: evaluation of separate and joint inversions of geodetic, teleseismic, and strong-motion data.Bull.Seismol.Soc.Am., 103(1): 353-370.

Hubbard J, Shaw J H. 2009. Uplift of the Longmen Shan and Tibetan plateau, and the 2008 Wenchuan (M=7.9) earthquake.Nature, 458(7235): 194-197, doi: 10.1038/nature07837.

Igarashi T, Matsuzawa T, Hasegawa A. 2003. Repeating earthquakes and interplate aseismic slip in the northeastern Japan subduction zone.J.Geophys.Res., 108: 2249, doi: 10.1029 /2002JB001920.

Jia D, Li Y Q, Lin A M, et al. 2010. Structural model of 2008MW7.9 Wenchuan earthquake in the rejuvenated Longmen Shan thrust belt, China.Tectonophysics, 491(1-4): 174-184, doi: 10.1016/j.tecto.2009.08.040.

Kirby E, Whipple K, Harkins N. 2008. Topography reveals seismic hazard.NatureGeosci., 1(8): 485-487.

Klinger Y, Ji C, Shen Z K, et al. 2010. Introduction to the special issue on the 2008 Wenchuan, China, Earthquake.Bull.Seismol.Soc.Am., 100(5B): 2353-2356.

Larson K M, Burgmann R, Bilham R, et al. 1999. Kinematics of the India-Eurasia collision zone from GPS measurements.J.Geophys.Res., 104(B1): 1077-1093.

Li L, Chen Q F, Niu F L, et al. 2011. Deep slip rates along the Longmen Shan fault zone estimated from repeating microearthquakes.J.Geophys.Res., 116: B09310, doi: 10.1029/ 2011JB008406.

Liu Q Y, van der Hilst R D, Li Y, et al. 2014. Eastward expansion of the Tibetan Plateau by crustal flow and strain partitioning across faults.NatureGeosci., 7(5): 361-365.

Marone C. 1998. Laboratory-derived friction laws and their application to seismic faulting.Ann.Rev.EarthPlanet.Sci., 26: 643-696.

Popov V. 2010. Contact Mechanics and Friction: Physical Principles and Applications. Berlin: Springer-Verlag, 331-334.

Ran Y K, Chen W S, Xu X W, et al. 2013. Paleoseismic events and recurrence interval along the Beichuan-Yingxiu fault of Longmenshan fault zone, Yingxiu, Sichuan, China.Tectonophysics, 584: 81-90.

Ruina A I. 1983. Slip instability and state variable friction laws.J.Geophys.Res., 88(B12): 10359-10370.

Shen F, Royden L H, Burchfiel B C. 2001. Large-scale crustal deformation of the Tibetan plateau.J.Geophys.Res., 106(B4): 6793-6816.

Shen Z K, Sun J B, Zhang P Z, et al. 2009. Slip maxima at fault junctions and rupturing of barriers during the 2008 Wenchuan earthquake.NatureGeosci., 2(10): 718-724, doi: 10.1038/NGEO636.

Turner R C, Nadeau R M, Bürgmann R. 2013. Aseismic slip and fault interaction from repeating earthquakes in the Loma Prieta aftershock zone.Geophys.Res.Lett., 40(6): 1079-1083, doi: 10.1002/grl.50212.

Wang E, Meng Q R, Chen Z L, et al. 2001. Early Mesozoic left-lateral movement along the Longmen Shan fault belt and its tectonic implications.EarthScienceFrontiers(in Chinese), 8(2): 375-384.

Wang E, Meng K, Su Z, et al. 2014. Block rotation: Tectonic response of the Sichuan basin to the southeastward growth of the Tibetan plateau along the Xianshuihe-Xiaojiang fault.Tectonics, 33(5): 686-718, doi: 10.1002/2013TC003337.

Wang Q, Qiao X J, Lan Q G, et al. 2011. Rupture of deep faults in the 2008 Wenchuan earthquake and uplift of the Longmen Shan.NatureGeosci., 4(9): 634-640.

Wang W M, Zhao L F, Li J, et al. 2008. Rupture process of theMS8.0 Wenchuan earthquake of Sichuan, China.ChineseJ.Geophys. (in Chinese), 51(5): 1403-1410.

Wang Z, Fukao Y, Pei S P. 2009. Structural control of rupturing of theMW7.9 2008 Wenchuan Earthquake, China.EarthPlanet.Sci.Lett., 279(1-2): 131-138, doi: 10.1016/j.epsl.2008.12.038.

Wessel P, Smith W H F.1998.New,improved version of Generic Mapping Tools released.EOSTrans.Amer.Geophys.U., 79(47): 579.

Xu X W, Wen X Z, Yu G H, et al. 2009. Coseismic reverse- and oblique-slip surface faulting generated by the 2008MW7.9 Wenchuan earthquake, China.Geology, 37(6): 515-518, doi: 10.1130/G25462A.

Yin A.2010.A special issue on the great 12 May 2008 Wenchuan earthquake (MW7.9): Observations and unanswered questions.Tectonophysics, 491(1-4): 1-9.

Zhang P Z. 2008. The tectonic deformation, strain distribution and deep dynamic processes in the eastern margin of the Qinghai-Tibetan plateau.ScientiaSinicaTerrae(in Chinese), 38(9): 1041-1056.

Zhang P Z, Wen X Z, Xu X W, et al. 2009. Tectonic model of the great Wenchuan earthquake of May 12, 2008, Sichuan, China.ChineseSci.Bull. (in Chinese), 54(7): 944-953.

Zhang P Z, Wen X Z, Shen Z K, et al. 2010. Oblique, high-angle, listric-reverse faulting and associated development of strain: The Wenchuan earthquake of May 12, 2008, Sichuan, China.Annu.Rev.EarthPlanet.Sci., 38: 353-382, doi: 10.1146/annurev-earth-040809-152602.

Zhang P Z. 2013. Beware of slowly slipping faults.NatureGeosci., 6(5): 323-324.

Zhang P Z, Engdahl E R. 2013. Great earthquakes in the 21st century and geodynamics of the Tibetan Plateau.Tectonophysics, 584: 1-6, doi: 10.1016/j.tecto.2012.11.001.

Zhang Y, Feng W P, Xu L S, et al. 2009. Spatio-temporal rupture process of the 2008 great Wenchuan earthquake.ScienceChinaEarthSciences, 52(2): 145-154.

Zhao Y Z, Wu Z L, Jiang C S, et al. 2008. Present deep deformation along the Longmenshan fault by seismic data and implications for the tectonic context of the Wenchuan Earthquake.ActaGeologicaSinica(in Chinese), 82(12): 1778-1787.

Zhu S B, Zhang P Z. 2009. A study on the dynamical mechanisms of the WenchuanMS8.0 earthquake, 2008.ChineseJ.Geophys. (in Chinese), 52(2): 418-427.

Zhu S B, Zhang P Z. 2010. Numeric modeling of the strain accumulation and release of the 2008 Wenchuan, Sichuan, China, Earthquake.Bull.Seismol.Soc.Am., 100(5B): 2825-2839, doi: 10.1785/0120090351.

Zhu S B, Zhang P Z. 2013. FEM simulation of interseismic and coseismic deformation associated with the 2008 Wenchuan Earthquake.Tectonophysics, 584: 64-80, doi: 10.1016/j.tecto.2012.06.024.

附中文參考文獻(xiàn)

曹建玲, 石耀霖, 張懷等. 2009. 青藏高原GPS位移繞喜馬拉雅東構(gòu)造結(jié)順時(shí)針旋轉(zhuǎn)成因的數(shù)值模擬. 科學(xué)通報(bào), 54(2): 224-234. 地球物理學(xué)報(bào)編輯部. 2009. 《汶川地震專輯》出版說(shuō)明. 地球物理學(xué)報(bào), 52(2): 307-308.

王二七, 孟慶任, 陳智樑等. 2001. 龍門山斷裂帶印支期左旋走滑運(yùn)動(dòng)及其大地構(gòu)造成因. 地學(xué)前緣, 8(2): 375-384.

王衛(wèi)民, 趙連鋒, 李娟等. 2008. 四川汶川8.0級(jí)地震震源過程. 地球物理學(xué)報(bào), 51(5): 1403-1410.

張培震. 2008. 青藏高原東緣川西地區(qū)的現(xiàn)今構(gòu)造變形、應(yīng)變分配與深部動(dòng)力過程. 中國(guó)科學(xué)D輯: 地球科學(xué), 38(9): 1041-1056.張培震, 聞學(xué)澤, 徐錫偉等. 2009. 2008年汶川8.0級(jí)特大地震孕育和發(fā)生的多單元組合模式. 科學(xué)通報(bào), 54(7): 944-953.

張勇, 馮萬(wàn)鵬, 許力生等. 2008. 2008年汶川大地震的時(shí)空破裂過程. 中國(guó)科學(xué)D輯: 地球科學(xué), 38(10): 1186-1194.

趙祎喆, 吳忠良, 蔣長(zhǎng)勝等. 2008. 用地震資料估計(jì)的龍門山斷裂深部形變及其對(duì)于汶川地震成因的意義. 地質(zhì)學(xué)報(bào), 82(12): 1778-1787.

朱守彪, 張培震. 2009. 2008年汶川MS8.0地震發(fā)生過程的動(dòng)力學(xué)機(jī)制研究. 地球物理學(xué)報(bào), 52(2): 418-427.

(本文編輯 何燕)

Viscoelastic simulation of deep tectonic deformation of the Longmenshan fault zone and its implication for strong earthquakes

CHEN Qi-Fu1, HUA Cheng2*, LI Le3, CHENG Jin4

1KeyLaboratoryofEarthandPlanetaryPhysics,InstituteofGeologyandGeophysics,ChineseAcademyofSciences,Beijing100029,China2DepartmentofMechanicsandEngineeringScience,FudanUniversity,Shanghai200433,China3KeyLaboratoryofEarthquakePrediction,InstituteofEarthquakeScience,ChinaEarthquakeAdministration,Beijing100036,China4SchoolofMathematicalSciences,FudanUniversity,Shanghai200433，China

The 2008MW7.9 Wenchuan earthquake ruptured the middle and northern segments of the Longmenshan faults zone (LMSFZ) at the eastern margin of the Tibetan Plateau. Prior to this earthquake, the LMSFZ had been seismically quiet for several centuries, where no hints suggest such aM～8.0 earthquake might strike the area. The long-term geological investigations and short-term geodetic measurements before the Wenchuan earthquake generally agree that the horizontal slip rate along the LMSFZ is very limited. The low deformation rate observed at the surface around the LMSFZ may not reflect the true deep deformation where the devastating Wenchuan earthquake nucleated. The slip rates at depth derived from seismological investigation of repeating microearthquakes were found to be systematically larger than those observed on the surface. In order to validate the depth-related slip rate pattern, based on regional tectonic characteristics of the LMSFZ, a two-dimensional viscoelastic finite-element model with contact algorithm is established to simulate the evolution process of the crust and upper mantle during an earthquake cycle. The viscoelastic creep and discontinuity contact relationships in the crust and upper mantle are taking into account. Our primary results confirm the depth-related lateral slip rate pattern around the LMSFZ revealed by the seismological observations of repeating earthquakes. Furthermore, the LMSFZ and its surrounding regions are prone to accumulation of strain and strain rate potential with the highest stress concentration area of 5～19 km depth, suggesting that this area may essentially nucleate strong earthquakes over time, depending on the bilateral rheology structure of the lower crust and upper mantle. At the same time, the large strain rate accommodated at depth can explain the occurrence of the unanticipated WenchuanMW7.9 earthquake in 2008.

It is found that the slip deficit area in the northeastern Japan subduction zone estimated from repeating earthquakes is very consistent with the rupture zone of the 2011MW9.0 Tohoku-oki earthquake. We suggest that slip rates at seismogenic depths are of critical importance in seismic hazard analysis. The reoccurrence frequency of repeating earthquakes can be regarded as the “subsurface creepmeters” to measure the in-situ deep slip rate of tectonic deformation.

Longmenshan fault zone; Deep slip rate; Repeating earthquake; Viscoelasticity

10.6038/cjg20151120.

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(11331004和41130316)和國(guó)家對(duì)俄科技合作專項(xiàng)(2012DFR20440)資助．

陳棋福，研究員，主要從事數(shù)字地震學(xué)研究.E-mail:chenqf@mail.iggcas.ac.cn

*通訊作者 華誠(chéng)，副教授，主要從事計(jì)算力學(xué)研究.E-mail：huacheng@fudan.edu.cn

10.6038/cjg20151120

P315

2015-05-09，2015-10-30收修定稿

陳棋福, 華誠(chéng), 李樂等. 2015. 龍門山斷裂帶深部構(gòu)造變形的黏彈性模擬及其與強(qiáng)震活動(dòng)的關(guān)聯(lián)性探討.地球物理學(xué)報(bào)，58(11):4129-4137,

Chen Q F, Hua C, Li L, et al. 2015. Viscoelastic simulation of deep tectonic deformation of the Longmenshan fault zone and its implication for strong earthquakes.ChineseJ.Geophys. (in Chinese),58(11):4129-4137,doi:10.6038/cjg20151120.