2008年汶川大地震孕震、同震及震后變形和應(yīng)力演化全過程的數(shù)值模擬

孟 秋高 寬陳啟志胡才博

1.中國(guó)科學(xué)院大學(xué)地球與行星科學(xué)學(xué)院,北京 100049;2.中國(guó)科學(xué)院計(jì)算地球動(dòng)力學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 100049;3.山東省嘉祥縣精銳工業(yè)有限公司,山東 濟(jì)寧 272400

0 引言

北京時(shí)間2008年5月12日14時(shí)28分04秒,MW7.9汶川大地震發(fā)生在青藏高原東緣和四川盆地交界處的龍門山斷裂帶之上(Burchfiel et al.,2008; 張勇等,2008)。汶川大地震所在的龍門山斷裂帶兩側(cè)地表起伏較大,四川盆地和青藏高原海拔分別可達(dá)600 m和4000 m,這種強(qiáng)烈的地形差異既是長(zhǎng)期構(gòu)造變形的結(jié)果,同時(shí)也反映出該地區(qū)孕震的初始應(yīng)力場(chǎng)的復(fù)雜性。Burchfiel et al.(2008)綜合研究了2008年汶川大地震的地質(zhì)構(gòu)造背景、地震層析成像和地表變形特征。通過地質(zhì)考察和綜合分析,鄧啟東等(2011)對(duì)汶川大地震的震源破裂機(jī)制得到更進(jìn)一步的認(rèn)識(shí),研究發(fā)現(xiàn)汶川地震震源斷裂的同震破裂由龍門山構(gòu)造帶中央斷裂的斜向滑動(dòng)和前山斷裂的純逆沖滑動(dòng)所組成。顏丹平等(2020)通過野外調(diào)查和構(gòu)造解析,對(duì)青藏高原東緣龍門山逆沖帶在中生代和新生代的兩期生長(zhǎng)過程進(jìn)行了詳細(xì)的地質(zhì)學(xué)研究。

汶川大地震極震區(qū)是一個(gè)長(zhǎng)橢圓,震害呈現(xiàn)明顯的方向性,上盤震害明顯高于下盤(李志強(qiáng)等,2008;吳健等,2008),其地表破裂構(gòu)造和運(yùn)動(dòng)性質(zhì)均有分段特性,其中映秀-北川段以擠壓逆沖為主,而北川-青川段則伴有較大的右旋走滑分量(董樹文等,2008;李海兵等,2008;王濤等,2008;吳珍漢和張作辰,2008)。通過對(duì)科學(xué)鉆探的直接取樣,開展深部應(yīng)力測(cè)量,獲得應(yīng)力隨深度的變化曲線,可用來分析震源附近的應(yīng)力狀態(tài)(許志琴等,2008)。陳群策研究團(tuán)隊(duì)對(duì)龍門山斷裂帶所在的區(qū)域進(jìn)行了大量較淺表的地應(yīng)力實(shí)地測(cè)量工作,反映了該區(qū)域復(fù)雜的應(yīng)力狀態(tài)(陳群策等,2012;杜建軍等,2013;豐成君等,2013;孟文等,2013;秦向輝等,2013)。不同學(xué)者對(duì)余震進(jìn)行了重新定位以確定發(fā)震斷層更加精確的三維產(chǎn)狀,對(duì)余震震源機(jī)制解、余震頻度和時(shí)空遷移特點(diǎn)等進(jìn)行了分析和總結(jié)(黃媛等,2008;華衛(wèi)等,2009;黃玉婷等,2012;易桂喜等,2012)。聞學(xué)澤等(2009)利用歷史地震目錄資料分析了汶川MS8.0級(jí)大地震的歷史地震背景及現(xiàn)今地震活動(dòng)特點(diǎn),發(fā)現(xiàn)在2008年之前的1100～1700年中,龍門山斷裂帶未發(fā)生7級(jí)以上的地震,并形成了一個(gè)地震空區(qū)。

汶川大地震震源區(qū)的地震波波速在深度和橫向上都存在不均勻性,尤其是龍門山斷裂帶兩側(cè)最為顯著,P波(或S波)速度差異可達(dá)±5%以上(朱介壽,2008;郭飚等,2009;雷建設(shè)等,2009;劉啟元等,2009)。一些學(xué)者利用深地震反射剖面數(shù)據(jù)研究了青藏高原東緣的地殼結(jié)構(gòu),對(duì)龍門山地區(qū)的隆升機(jī)制進(jìn)行了研究(Guo et al., 2013)。

汶川大地震的野外地質(zhì)考察、主震震源區(qū)的應(yīng)力測(cè)量、余震分布和機(jī)制解、主震震源區(qū)的地震波速度結(jié)構(gòu)等研究工作的最新進(jìn)展,為研究2008年汶川大地震的孕震、同震和震后變形的完整動(dòng)力學(xué)過程,提供了第一手的研究資料和工作基礎(chǔ)。陳祖安等(2009)將有限元和三維流變非連續(xù)變形相結(jié)合,考慮塊體之間的相互作用,模擬結(jié)果表明龍門山斷裂帶東西兩側(cè)地勢(shì)、地殼厚度、分層與物性顯著變化對(duì)汶川大地震的孕育起到了關(guān)鍵作用;Zhu and Zhang(2013)利用有限元模型研究了2008年汶川大地震的震間、同震變形;Liu et al.(2015)還研究了地殼縮短對(duì)青藏高原東緣隆升的影響,對(duì)高地形和低匯聚速率之間的矛盾作出了合理的解釋;尹力和羅綱(2018)利用有限元模型考慮了巖石圈流變結(jié)構(gòu)和斷裂帶幾何形態(tài)對(duì)地表變形的影響,研究了龍門山斷裂帶的地震循環(huán)過程不同階段的地表變形特點(diǎn),表明短期變形和長(zhǎng)期變形之間存在一定的差異。

此次研究利用自主研發(fā)的黏彈性有限元程序,模擬了2008年汶川大地震的孕震、同震和震后變形的完整動(dòng)力學(xué)過程,與已有結(jié)果比較吻合,能夠反映孕震、同震及震后變形之間的關(guān)系,有助于進(jìn)一步認(rèn)識(shí)大地震應(yīng)力積累、釋放、調(diào)整的特點(diǎn)。

1 模型與方法

汶川大地震的發(fā)震構(gòu)造背景和龍門山斷裂帶附近的地形起伏如圖1所示。龍門山斷裂帶長(zhǎng)約470 km、寬約50 km,呈北東至南西展布,是青藏東緣松潘甘孜地塊與四川盆地的連接部位(Yin and Nie, 1996)。它由一系列斷裂帶組成,依次為:汶川-茂縣斷裂帶(后山斷裂帶)、映秀-北川斷裂帶(中央斷裂帶)、灌縣-安縣斷裂帶(前山斷裂帶)以及山前隱伏斷裂帶(鄧起東等,1994;李勇等,2006;Jia et al., 2006)。其中,映秀-北川斷裂帶是2008年汶川大地震的主要發(fā)震斷裂帶。

圖1 2008年汶川地震的地質(zhì)構(gòu)造背景和龍門山斷裂帶地表起伏圖Fig.1 Geological background of the 2008 Wenchuan earthquake and surface relief map of the Longmenshan fault zone. (a)Geological background map. The color base map shows the surface elevation of the study area. Red line demotes the selected section across the Longmenshan fault zone. Blue lines represent the main active faults in the study area. Grey circles represent the epicenters of historical earthquakes with magnitude greater than 5.0. LMSFZ-the Longmenshan fault zone,XSHF-the Xianshuihe fault.(b) Three-dimensional surface elevation distribution map of the study area. (c) Surface elevation map of the study section.

為了研究2008年孕震、同震及震后變形動(dòng)力學(xué)的全過程,文中選取了一條垂直于龍門山斷裂帶走向的剖面(圖1a中的紅線;101.509°～105.177°E;29.353°～32.949°N),根據(jù)地震層析成像的最新結(jié)果,建立了一個(gè)二維平面應(yīng)變黏彈性有限元模型(胡才博,2009;孟秋,2020;孟秋等,2020;圖2)。模型采用分層材料,上地殼為各向同性的彈性材料(灰色和藍(lán)色),斷裂帶為橫觀各向同性的彈性材料(彈性層中的曲線段),中下地殼和上地幔采用Maxwell黏彈性材料,從而可以研究重力和構(gòu)造應(yīng)力作用下地震的孕育、震后的黏彈性松弛。文中涉及到的三種不同介質(zhì)材料,其本構(gòu)方程根據(jù)已有研究整理得到(許鶴華,2002;付真,2008;胡才博,2009;尹祥礎(chǔ),2011;孟秋,2020;孟秋等,2020)。

(1)上地殼是各向同性彈性體,其本構(gòu)方程為:

其中,σ={σxxσyyσxy}T,為應(yīng)力(下同);ε={εxxεyyεxy}T, 為應(yīng)變 (下同);D=為彈性矩陣,K、G分別為彈性體的體積模量和剪切模量。

(2)斷裂帶介質(zhì)是橫觀各向同性彈性體,其本構(gòu)方程為:

其中,σ′、ε′分別為材料主軸坐標(biāo)系下的應(yīng)力和應(yīng)變,形 式 與 公 式 (1)相 同;D′=分別為面的環(huán)向和面的法向的楊氏模量,v1、v2分別為面內(nèi)和面的法向的泊松比,G2是與面的法向有關(guān)的剪切模量。

(3)中下地殼和上地幔為Maxwell黏彈性體,平面應(yīng)變Maxwell黏彈性體的本構(gòu)方程為:

1.1 幾何模型和材料模型

模型水平方向?yàn)?30 km,深度方向?yàn)?00 km,主要發(fā)震斷裂帶為映秀-北川斷裂帶(圖2)。斷裂帶幾何形態(tài)來自于相關(guān)學(xué)者的地質(zhì)剖面和地震層析成像結(jié)果(朱介壽,2008;黃曉萍,2012),斷裂帶傾角淺部較大,可達(dá)70°,從淺到深逐漸變小。斷裂帶有一定厚度,厚度500～1000 m。

灰色和深藍(lán)色為各向同性彈性層;F1—龍門山后山斷裂帶,F2—龍門山中央斷裂帶(映秀-北川斷裂帶),F3—龍門山前山斷裂帶,F4—龍門山后山次級(jí)斷裂帶,均為橫觀各向同性彈性材料;其余各層均為Maxwell黏彈性層圖2 有限元模型示意圖Fig.2 Schematic diagram of the finite element model.Gray and dark blue regions are isotropic elastic layers. F1-the Longmenshan range-back fault zone; F2-the Longmenshan range-central fault zone; F3-the Longmenshan range-front fault zone; F4-the Longmenshan secondary range-back fault zone. Other regions are the Maxwell viscoelastic layers.

研究區(qū)龍門山斷裂帶兩側(cè)的P波速度隨深度的分布如表1所示。上地殼、中下地殼和上地幔的密度也是分層分布的,分別為2600 kg/m3、2700 kg/m3、3000 kg/m3。泊松比取0.25,楊氏模量由密度、P波速度和泊松比估算得到(胡才博,2009)。

表1 龍門山斷裂帶兩側(cè)P波速度隨深度的分布表(黃曉萍,2012)Table 1 Distribution of P-wave velocity with depth on both sides of the Longmenshan fault zone (Huang, 2012)

黏度也是分層分布的,其中映秀-北川斷裂帶西側(cè)中地殼、下地殼和上地幔三層的黏度分別為5.0×1018Pa·s、1.0×1021Pa·s、2.0×1022Pa·s;映秀-北川斷裂帶東側(cè)分兩層,中地殼的黏度為1.0×1019Pa·s,下地殼和上地幔的黏度為2.0×1022Pa·s(尹力和羅綱,2018)。

考慮到初始地形對(duì)模擬結(jié)果的影響,文中在幾何模型表面加入了現(xiàn)今地形高程的10%作為計(jì)算的初始地形(圖2),由于松潘甘孜地塊高程要高于四川盆地高程,模擬了40萬年的初始地形演化,作為2008年汶川大地震模擬的一個(gè)約束條件。

1.2 邊界條件

為了研究2008年汶川地震的孕震、同震及震后變形全過程,文中的有限元數(shù)值模擬分為3個(gè)階段:①初始構(gòu)造和重力加載階段,0～40萬年,共200步,得到初始背景應(yīng)力場(chǎng)和初始的地表起伏差異;②長(zhǎng)期構(gòu)造加載階段,左側(cè)施加向東的5 mm/a速度邊界條件(尹力和羅綱,2018),持續(xù)3000 年,共300步;③同震及震后變形階段,通過橫觀各向同性彈性斷裂帶材料弱化來模擬同震及震后變形(胡才博,2009;孟秋,2020;孟秋等,2020),10 km以淺剪切模量降低為原來的20%,10～20 km深度剪切模量降低為原來的50%,文中采用的黏彈性模型是準(zhǔn)靜態(tài)模型,為了區(qū)分同震變形和震后變形,將同震變形的計(jì)算時(shí)間步長(zhǎng)設(shè)定了120 s(王衛(wèi)民等,2008),震后變形的計(jì)算時(shí)間步長(zhǎng)改為了1年,一共計(jì)算了150年。

2 模擬計(jì)算結(jié)果

根據(jù)上述黏彈性平面應(yīng)變有限元模型,文中模擬得到孕震階段初始位移場(chǎng)(圖3)。2008年汶川地震的主要發(fā)震斷裂帶映秀-北川斷裂帶的東、西出露點(diǎn)(圖2)位于圖3a的橫坐標(biāo)289 km處。530 km長(zhǎng)的剖面經(jīng)過40萬年的演化發(fā)生了2 km的水平縮短,其中斷裂帶出露點(diǎn)兩側(cè)的位移梯度不同(圖3a)。以現(xiàn)今地形高程的10%為模型初始高程(圖3b的藍(lán)色點(diǎn)線),顯示映秀-北川斷裂帶的西側(cè)松潘甘孜地塊的地表垂直位移明顯高于東側(cè)的四川盆地(圖3b)。在此初始高程基礎(chǔ)上(圖3b的藍(lán)色點(diǎn)線),模擬得到的40萬年以來的高程演化(圖3b的紅色點(diǎn)線),發(fā)現(xiàn)映秀-北川斷裂帶兩側(cè)的地形差異越來越大,與現(xiàn)今地形高程更加接近。但由于模擬時(shí)間較短(40萬年),還遠(yuǎn)遠(yuǎn)沒有達(dá)到600～4000 m的現(xiàn)今高程差異。

圖3 模型設(shè)定的初始位移和演化4 0萬年之后的汶川地震初始位移F i g.3 I n i t i a l d i s p l a c e m e n t s p e c i f i e d b y t h e m o d e l a n d i n i t i a l d i s p l a c e m e n t b e f o r e t h e 2 0 0 8 W e n c h u a n e a r t h q u a k e a f t e r 4 0 0,0 0 0 y e a r s e v o l u t i o n b y t h e m o d e l. (a) I n i t i a l s u r f a c e h o r i z o n t a l d i s p l a c e m e n t u b e f o r e t h e 2 0 0 8 W e n c h u a n e a r t h q u a k e a f t e r 4 0 0,0 0 0 y e a r s e v o l u t i o n b y t h e m o d e l. (b) I n i t i a l v e r t i c a l d i s p l a c e m e n t s p e c i f i e d b y t h e m o d e l a n d i n i t i a l v e r t i c a l d i s p l a c e m e n t v b e f o r e t h e 2 0 0 8 W e n c h u a n e a r t h q u a k e a f t e r 4 0 0,0 0 0 y e a r s e v o l u t i o n b y t h e m o d e l.

文中模擬計(jì)算得到的2008年汶川地震的同震位移分布如圖4所示,結(jié)果表明汶川大地震具有典型的逆沖斷層機(jī)制。不論是水平位移,還是垂直位移,都表明上盤位移顯著大于下盤位移,與以往的研究結(jié)果一致(Shen et al., 2009;王敏,2009;張國(guó)宏等,2010)。同震水平位移的最大值不在地表,而是位于斷裂帶的中部,而垂直位移的最大位于斷裂帶出露地表處。

圖4 2008年汶川大地震的同震位移等值線圖Fig.4 Coseismic displacement contour map of the 2008 Wenchuan earthquake. (a) Coseismic horizontal displacement Ux. (b)Coseismic vertical displacement Uy.

通過地表同震位移的分布可以看出(圖5),同震位移變化主要集中在斷裂帶出露地表的兩側(cè)附近,顯示了映秀-北川斷裂帶的逆沖變形機(jī)制,遠(yuǎn)場(chǎng)的同震變化逐漸趨近于零。其中同震水平位移結(jié)果與GPS觀測(cè)資料(Wang et al., 2011)比較吻合,尤其是上盤模擬結(jié)果符合度較高,下盤模擬結(jié)果在近場(chǎng)處計(jì)算結(jié)果絕對(duì)值偏大,遠(yuǎn)場(chǎng)模擬結(jié)果比較吻合(圖5a)。同震垂直位移結(jié)果與GPS觀測(cè)資料(Wang et al., 2009)稍差一些(圖5b)。

圖5 2008年汶川大地震的地表同震位移分布Fig.5 Surface coseismic displacement of the 2008 Wenchuan earthquake. (a) Coseismic horizontal displacement Ux. (b)Coseismic vertical displacement Uy.

2008年汶川大地震引起的應(yīng)力變化見圖6所示,包括兩個(gè)正應(yīng)力變化和一個(gè)剪應(yīng)力變化。水平正應(yīng)力大于零的區(qū)域(圖6a)代表水平方向的拉應(yīng)力增加,垂直正應(yīng)力大于零的區(qū)域(圖6b)代表垂直方向的拉應(yīng)力增加,剪應(yīng)力分量在映秀-北川斷裂帶兩側(cè)符號(hào)相反(圖6c)。

圖6 2008年汶川大地震引起的同震應(yīng)力變化Fig.6 Coseismic stress changes caused by the 2008 Wenchuan earthquake. (a) Coseismic horizontal normal stress change Sxx. (b)Coseismic vertical normal stress change Syy. (c) Coseismic shear stress change Sxy.

震后7年內(nèi)測(cè)線附近的GPS數(shù)據(jù)較少,尤其缺乏震后GPS垂直位移變化的觀測(cè)資料。將2008年汶川大地震7年后的震后變形模擬結(jié)果與實(shí)測(cè)的相同時(shí)間段的震后GPS資料進(jìn)行對(duì)比可以發(fā)現(xiàn),7年后的震后水平位移結(jié)果與GPS資料(Diao et al., 2018)較為吻合,并且上盤結(jié)果吻合度較高(圖7a)。震后7年近場(chǎng)的垂直位移變化可達(dá)10 cm以上(圖7b),尚缺乏相應(yīng)時(shí)間段的震后GPS垂直位移資料與之對(duì)比分析。

圖7 2008年汶川大地震之后7年的震后位移(去掉同震位移后)Fig.7 Postseismic displacement 7 years after the 2008 Wenchuan earthquake (Coseismic displacement is removed).(a) Horizontal displacement Ux (parallel to the red section in Fig.1a). (b) Vertical displacement Uy.

通過模擬計(jì)算獲得的汶川大地震50年后和100年后的位移變化等值線圖(圖8,圖9)與同震位移變化(圖4)對(duì)比,顯示震后50年和震后100年后的水平位移變化影響的范圍出現(xiàn)了明顯的逐漸擴(kuò)大現(xiàn)象(圖8a,圖9a),垂直位移變化在四川盆地內(nèi)部出現(xiàn)了較為明顯的沉降,中心位置大約位于剖面水平距離的400 km處(圖8b,圖9b)。

圖8 汶川大地震50年后的位移變化Fig.8 Displacement changes 50 years after the Wenchuan earthquake. (a) Horizontal displacement change Ux. (b) Vertical displacement change Uy.

圖9 汶川大地震100年后的位移變化Fig.9 Displacement changes 100 years after the Wenchuan earthquake. (a) Horizontal displacement change Ux. (b) Vertical displacement change Uy.

2008年汶川大地震之后,映秀-北川斷裂帶西側(cè)和東側(cè)出露點(diǎn)(圖2)的水平位移和垂直位移隨時(shí)間的變化曲線如圖10和圖11所示。震后150年內(nèi),兩個(gè)出露點(diǎn)的水平位移和垂直位移隨時(shí)間都是非線性變化,反映了中下地殼和上地幔的黏彈性松弛效應(yīng)。

圖10 映秀-北川斷裂帶西側(cè)出露點(diǎn)的震后位移隨時(shí)間的變化曲線Fig.10 Postseismic displacement curves with time of the western outcrop point in the Yingxiu-Beichuan fault zone. (a)Horizontal displacement change Ux. (b) Vertical displacement change Uy.

圖11 映秀-北川斷裂帶東側(cè)出露點(diǎn)的震后位移隨時(shí)間的變化曲線Fig.11 Postseismic displacement curves with time of the eastern outcrop point of the Yingxiu-Beichuan fault zone. (a)Horizontal displacement change Ux. (b) Vertical displacement change Uy.

進(jìn)一步計(jì)算平行于汶川大地震震源機(jī)制解主平面(傾角33°)的正應(yīng)力、剪應(yīng)力和庫(kù)侖應(yīng)力變化,包括同震結(jié)果(圖12)和震后50年的結(jié)果(圖13),其中計(jì)算庫(kù)侖應(yīng)力變化使用的有效摩擦系數(shù)為0.4(King et al., 1994; Toda et al., 2008)。結(jié)果顯示,汶川大地震之后,10 km以淺的映秀-北川斷裂帶兩側(cè)正應(yīng)力變化大于零,拉應(yīng)力增加,有利于降低巖石的摩擦強(qiáng)度,而剪應(yīng)力減小,反映了大地震的應(yīng)力釋放過程,庫(kù)侖應(yīng)力變化大于零的區(qū)域主要位于斷裂帶底部附近,上盤靠近地表處以及下盤彈性及黏彈性層的交界處(圖12)。2008年汶川大地震50年后,由于中下地殼和上地幔的黏彈性松弛,正應(yīng)力、剪應(yīng)力及庫(kù)侖應(yīng)力變化的等值線圖都與同震的結(jié)果有所不同,可以明顯看出應(yīng)力在黏彈性層和彈性層之間重新調(diào)整(圖13)。

圖12 2008年汶川大地震平行于主震震源機(jī)制解主平面的同震結(jié)果Fig.12 Coseismic results of the 2008 Wenchuan earthquake parallel to the main plane of focal mechanism solution. (a) Normal stress change Δσn. (b) Shear stress change Δτn. (c) Coulomb stress change ΔCFS.

圖13 2008年汶川大地震平行于主震震源機(jī)制解主平面的震后50年結(jié)果Fig.13 Results 50 years after the 2008 Wenchuan earthquake parallel to the main plane of focal mechanism solution. (a) Normal stress change Δσn. (b) Shear stress change Δτn. (c) Coulomb stress change ΔCFS.

3 討論

與傳統(tǒng)的地震位錯(cuò)理論的運(yùn)動(dòng)學(xué)模型相比,文中采用的二維平面應(yīng)變有限元模型是一個(gè)動(dòng)力學(xué)模型,需要構(gòu)建一個(gè)初始應(yīng)力場(chǎng)。目前,關(guān)于龍門山斷裂帶的隆升變形存在兩大不同的機(jī)制:①龍門山地區(qū)及其周邊存在若干地殼內(nèi)部的拆離斷層,并且脆性地殼發(fā)生縮短增厚(Avouac and Tapponnier, 1993; Tapponnier et al., 2001; Guo et al., 2013);②青藏高原軟弱的中下地殼物質(zhì)向東流動(dòng)在龍門山斷裂帶附近受到堅(jiān)硬的四川盆地的阻擋,堆積增厚(Bird, 1991; Kirby et al., 2002;Burchfiel et al.,2008; Royden et al., 2008)。文中初始應(yīng)力場(chǎng)考慮了重力加載和初始構(gòu)造,能夠反映出研究區(qū)域地表的初始地表起伏,彈性層的應(yīng)力狀態(tài)滿足逆斷層地震的發(fā)生條件,也符合地應(yīng)力測(cè)量所揭示的應(yīng)力狀態(tài)。初始地形經(jīng)過40萬年的演化,松潘甘孜地塊和四川盆地的地表高程差異越來越大,與龍門山斷裂帶兩側(cè)的現(xiàn)今地形起伏更加接近(圖3b)。

2008年汶川大地震之后至2019年的M3.0以上的余震在空間的分布如圖14所示(數(shù)據(jù)來源于中國(guó)地震臺(tái)網(wǎng)中心、國(guó)家地震科學(xué)數(shù)據(jù)中心,http://data.earthquake.cn),這些余震的深度大致分布在3～8 km,也就是文中模型的彈性層中,而黏彈性層中并沒有發(fā)生3.0級(jí)以上的余震。模擬的庫(kù)侖應(yīng)力變化結(jié)果(圖12,圖13)并不能完全解釋這些3.0級(jí)余震的分布,原因至少有兩個(gè):一是這些余震的震源機(jī)制并不完全與汶川大地震主震一致,二是先存斷裂和一些微破裂等材料復(fù)雜性未在此次模型中予以考慮。趙根模等(2020)對(duì)地震遷移的模式和特征有很好的總結(jié),顯示了地震時(shí)空分布和動(dòng)力學(xué)成因的復(fù)雜性,因此,還需要更進(jìn)一步地研究汶川大地震余震的時(shí)空分布的動(dòng)力學(xué)成因。

圖14 2008年汶川大地震的余震在剖面上的投影分布Fig.14 Projection distribution of the aftershocks after the 2008 Wenchuan earthquake on the profile (The profile corresponds to the red survey line in Fig.1a and blue points denote the aftershocks after the 2008 Wenchuan earthquake.)

在此基礎(chǔ)上,文章還模擬了3000年以來的構(gòu)造加載對(duì)彈性層及發(fā)震應(yīng)力狀態(tài)的變化,使得映秀-北川斷裂帶在第500步時(shí)處于臨震狀態(tài)。在最終的臨震初始應(yīng)力場(chǎng)作用下,通過降低映秀-北川斷裂帶的剪切模量,可以成功地模擬2008年汶川大地震的同震及震后變形,模擬得到的地表同震及7年后的震后變形結(jié)果與大地測(cè)量結(jié)果基本一致(圖5,圖7),都表明上盤顯著地大于下盤的位移,逆沖斷層機(jī)制顯著。模型考慮了中下地殼及上地幔的黏彈性松弛效應(yīng),結(jié)果表明震后地表變形隨時(shí)間有顯著的變化,彈性層和黏彈性層之間存在明顯的應(yīng)力轉(zhuǎn)移。

同時(shí),文中建立的黏彈性有限元模型在以往地震層析成像的基礎(chǔ)上考慮了介質(zhì)的不均勻性(黃曉萍,2012),這種介質(zhì)不均勻性首先體現(xiàn)在龍門山斷裂帶東西兩側(cè)的四川盆地和松潘甘孜地塊橫向上的不均勻性,同時(shí)還體現(xiàn)在縱向上的分層性,尤其是松潘甘孜地塊在中下地殼存在一個(gè)地震波低速帶和低黏度帶。這是2008年汶川大地震孕震、同震和震后變形的物質(zhì)條件。只有充分地在模型中體現(xiàn)出介質(zhì)的橫向和縱向上的不均勻性,才有可能對(duì)2008年汶川大地震的孕震、同震和震后變形的動(dòng)力學(xué)機(jī)制有一個(gè)相對(duì)客觀的認(rèn)識(shí)和理解。

4 結(jié)論

文章利用自主研發(fā)的黏彈性有限元程序,研究了2008年汶川大地震的孕震、同震及震后變形完整的動(dòng)力學(xué)過程,取得了以下主要認(rèn)識(shí):

(1)初始應(yīng)力場(chǎng)對(duì)于整個(gè)地震循環(huán)過程的影響很大,文中模擬得到的初始位移場(chǎng)顯示出映秀-北川斷裂帶東西兩側(cè)的地形差異。初始應(yīng)力場(chǎng)為整個(gè)地震循環(huán)過程的模擬提供了最基本的力學(xué)環(huán)境。

(2)文中模擬得到的2008年汶川大地震的同震位移結(jié)果表明,汶川大地震主要屬于逆沖斷層機(jī)制,并且上盤變形明顯大于下盤變形,這與地質(zhì)考察和大地測(cè)量結(jié)果基本一致。

(3)模擬結(jié)果表明2008年汶川大地震的震后位移及震后應(yīng)力都明顯地隨時(shí)間變化,其中震后7年的模擬結(jié)果與大地測(cè)量結(jié)果基本一致,反映了中下地殼和上地幔的黏彈性松弛效應(yīng),地表的震后變形、彈性層和黏彈性層之間的應(yīng)力調(diào)整都較為顯著。

致謝:石耀霖院士、蔡永恩教授、皇甫鵬鵬博士對(duì)本研究中給予了幫助和指導(dǎo),在此一并表示感謝!