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铲形逆断层和平行逆断层体系的破裂特征

连尉平  
【摘要】:龙门山断裂带中段近平行地分布着三条主干断裂。2008年汶川Ms8.0级地震同时使龙门山断裂带中的北川-映秀断裂和灌县-江油断裂发生破裂,造成重大灾害。汶川地震是有地震历史记载以来首次发生在大陆内部的高角度8级逆冲强震,给板内逆冲强震研究提供了许多新的课题,如断层滑动速率很低却发生强震的内在原因是什么,为什么汶川地震同震滑动量随深度的分布形态和多数板内强震不一样,前山断裂为什么会发生较大规模的同震地表破裂,前山断裂的同震破裂对中央断裂的破裂会产生多大影响等。 这些课题的研究,对板内地震机理研究和强震预测具有重要现实意义,由于龙门山断裂带是收缩式铲形逆断层体系,对这些课题的研究还可以进一步提高人们对铲形逆断层的孕震机理、破裂特征以及平行逆断层体系地震活动规律的认识。 针对上述问题,本文主要开展了以下两方面的研究: 一、近地表陡倾角铲形逆断层的破裂特征研究 基于龙门山断裂带中段动力学背景建立平面应变有限元模型,探寻北川-映秀断裂和灌县-江油断裂适用于汶川地震的最优二维模拟产状,并对各类直线产状断层和铲形断层的破裂危险分布、弹性蠕滑量分布、逆冲破裂时的滑动量分布等进行比较,得到如下主要认识: (一)本文所设计的730自然样条形态适用于汶川地震中北川-映秀断裂的二维产状模拟,依据WFSD研究结果所构造的产状形态适用于汶川地震中灌县-江油断裂的二维产状模拟。 (二)对于近地表陡倾角铲形断层,在断层倾向的高强度挤压下,断层近地表部分对逆冲破裂和滑动有一定的阻碍作用,具体表现为: (1)孕震期间,断层地表附近的的蠕滑速率远低于断层中部,难以通过蠕滑释放断层内部的破裂能量,断层中深部可以持续的积累剪切破裂能量,最终使得最容易发生逆冲初始破裂的位置位于断层中深部。 (2)逆冲破裂时,滑动量峰值不一定会位于地表附近,需要中深部较大滑动量的推动才能使近地表发生较大滑动量;如果地表附近有较高滑动量并且是滑动量峰值区,那么断层破裂的深度范围会很大,而且中部会有较高的滑动量分布平台。 (3)铲形断层的近地表倾角越陡,陡倾角部分的深度范围越大,断层近地表部分对逆冲破裂和滑动的阻碍作用会越明显。本文所称近地表陡倾角铲形断层,要求近地表倾角至少≥65°。 (三)近地表陡倾角的铲形断层形态和巴颜喀拉块体的高强度挤压很可能是形成汶川地震逆冲滑动量随深度分布形态的重要原因,无地表破裂的前期地震并不是造成汶川地震滑动量随深度分布特征的必要条件。 (四)在断层剖面产状沿走向一致的假定下,对巴颜喀拉块体挤压强度的模拟结果显示,沿着北川-映秀断裂走向,从映秀到邓家坝约200公里范围内,汶川地震之前巴颜喀拉块体对断裂的挤压强度很可能并不一致。总体上,从南西到北东,挤压强度逐渐降低;虹口和北川两个位置的挤压强度显著高于其他段落。一个可能的解释是,在汶川地震孕震周期内,巴颜喀拉块体浅层地壳或地壳中某层物质很可能顺着米亚罗断裂和虎牙断裂,往南东挤出的移动速度更快一些。 二、平行逆断层体系中断层活动之间的相互影响研究 基于龙门山断裂带中段动力学背景、浅层构造以及北川-映秀断裂和灌县-江油断裂的最优二维模拟产状,建立平面应变有限元模型,进行前山断裂和中央断裂同震破裂实验,以及平行逆断层长期挤压破裂实验。 前山断裂和中央断裂同震破裂实验结果显示: (一)在同震逆冲破裂中,前山断裂和中央断裂的破裂释放之间有一定的替代关系:前山断裂的滑动量越大,中央断裂的滑动量会越小,反之亦然。这可能是造成汶川地震中前山断裂同震逆冲滑动量和对应的中央断裂同震逆冲滑动量出现峰谷相对现象的重要原因。 (二)汶川地震中,由于前山断裂发生同震逆冲破裂,中央断裂相应段落逆冲破裂释放很可能降低了约10%,减少的标量地震矩约为9.54*1018N·m。 不同分布距离的三条平行逆断层长期挤压破裂实验结果显示: (一)本文所构建的逆断层特征地震数值模拟方法,能够有效消除应力累积对模型结果的影响,得到粘滑模式断层以特定地震为目标的模拟特征地震的地震矩和复发间隔,可以揭示逆断层之间的相互影响,从断层活动相互影响的角度来判断一条断层是不是可以适用特征地震模型。 (二)平行逆断层之间的距离是决定断层活动之间相互影响的主要因素,距离越短,相互影响越大,单条断层破裂规律性所受干扰越大,发生跨断层同步破裂的风险越高。 (三)在龙门山断裂带的动力学环境和浅层构造背景下,当平行逆断层之间的距离在20km以下时,两条平行逆断层会在破裂释放上形成主次关系,排列在挤压方向前列的断层成为主要释放断层,排列其后的断层成为次要释放断层。距离越短,主次关系越显著。 (四)两条平行逆断层之间发生同步逆冲破裂的比例很低,受平行逆断层之间距离的影响也很小。两条平行逆断层之间发生同步地表逆冲破裂的比例更低,与平行逆断层之间距离的规律也比较特殊,在龙门山动力学机制和浅层构造背景下,距离在10km-20km左右时,平行逆断层之间最容易发生同步地表逆冲破裂。 结合龙门山断裂带中段三条主干断裂地面分布距离的模型结果显示: (一)后山断裂的地震活动很可能相对独立。 (二)12km的距离,使得前山断裂在破裂释放上受到中央断裂的较大影响,又能保持一定的独立性。同时,这个距离使得中央断裂和前山断裂之间发生同步地表逆冲破裂的风险相对较高,这很可能是导致汶川地震中出现同震地表破裂的一个重要原因。 综上所述,本研究系统地给出了近地表陡倾角铲形逆断层的破裂特征,探讨了汶川地震逆冲滑动量随深度分布形态所可能蕴含的地壳信息;另一方面,讨论了分布距离对平行逆断层地震活动规律的影响,并定量地评估了汶川地震中前山断裂同震逆冲破裂对中央断裂逆冲破裂释放的影响。 在讨论不同形态铲形断层时,本文仅对一类有可比性铲形断层进行了比较;在讨论前山断裂产状和破裂时,由于破裂前的初始应力场无法精确评估,初始场的构造增加了更多的人为控制因素;在平行逆断层相互作用研究中,仅讨论了分布距离的影响,还没有考虑断层形态和底部不同模式的影响;这些都有待于将来更加深入的研究工作。


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