汶川地震震前龙门山以西地壳垂直隆升机理分析*

蒋锋云 王庆良 朱良玉 张晓亮 王双绪

(中国地震局第二监测中心，西安 710054)

汶川地震震前龙门山以西地壳垂直隆升机理分析*

蒋锋云 王庆良 朱良玉 张晓亮 王双绪

(中国地震局第二监测中心，西安 710054)

结合流动GPS观测速度场及层析成像结果，构建跨龙门山断裂剖面的二维有限元分层模型，分两种情况讨论汶川地震前龙门山前缘地壳垂直隆升的物理机制，以及中、下地壳软物质垂向和横向的不均匀性对地壳隆升作用的影响。分析认为：川西高原相对四川盆地的差异抬升和龙门山以西地壳缩短的共同作用是汶川地震震前龙门山前缘地壳垂直隆升的可能原因。

地壳隆升;低速体;黏弹性有限元;GPS速度;川西高原

1 引言

汶川8.0级地震发生以来，许多专家和学者结合地形变资料和其他地球物理资料对其孕震机制展开了大量的研究，获得了丰硕的研究成果［1-6］。王庆良等［1，2］的研究表明：从阿坝到映秀有一个明显的地表隆起，在理县附近隆起量最大，达3.5 mm/a。张竹琪等［3］利用汶川地震近场同震水准变形资料反演了发震断层随深度分布的二元结构特征，而有限元模拟研究表明，松潘地块的地表垂直变形在很大程度上并不是地壳缩短的结果，而是青藏高原东缘相对四川盆地的差异抬升。上述研究提出了松潘地块隆起的可能原因，但在有限元模型的建立上缺乏和地球物理资料的结合，没有考虑中下地壳物质的流变特性及横向不均匀性，模型相对简单。本文将结合GPS资料、层析成像结果［?］，考虑中下地壳介质垂向和横向分布不均匀性及流变特征，细化有限元模型，定量分析汶川地震震前跨龙门山水准剖面垂直形变机理。

2 资料分析

从流动GPS观测得到的地壳水平形变速度场(图1)可以看出，从震源区开始沿龙门山断层向北东方向，龙门山断层呈现明显的由以逆冲为主转变为兼具走滑的运动特征，同时可以看出平行于断层和垂直断层的GPS速度分量越靠近龙门山量值越小。从垂直跨龙门山断裂的GPS剖面(图2)可以看出，垂直于断裂方向，离断裂以西200 km范围内，每年地壳有3～4 mm的缩短，200～400 km地壳缩短不明显。

滕吉文［4］认为在下地壳的上部和上地壳底部存在约10 km厚的低速层，这些低速体从远处流向龙门山，并在龙门山前缘堆积。吴建平等人［5］的地震层析成像结果显示，龙门山断层前缘附近，下地壳存在低速体的堆积，但在稍远的地方看不到低速层。

图1 龙门山地区GPS水平运动速率场(相对欧亚板块)Fig.1 GPS velocity field of the Longmenshan zone(relative to Eurasia plate)

图2 垂直龙门山断裂GPS水平运动分量Fig.2 Horizontal GPS velocity component perpendicular to Longmenshan fault

3 有限元模拟

针对上述情况，结合前人研究结果，参照GPS速度场和长水准剖面测线，选取跨龙门山断裂的垂直剖面建立二维有限元模型，模型西边界远离断层400 km，东边界距断层100 km。模型0 km处为汶川地震发震断层所在位置。假设研究区岩石圈接近重力均衡，即模型不考虑重力作用。有限元剖面模型参数参照张竹琪［3］和朱守彪［6］等研究成果取值。模型各层参数如下：

模型深120 km，上地壳厚为15 km，低速层厚8 km，下地壳龙门山以西的厚度为35 km，以东厚20 km(图3);龙门山以西上地壳视为弹性体，弹性模量为72 000 Mpa。龙门山附近及四川盆地上地壳视为弹性体，弹性模量为80 000 Mpa。低速层为黏弹体弹性体，模量为70 000 Mpa，黏滞系数为5.0× 1018pa/s;龙门山以西下地壳视为弹性体，弹性摸量为74 000 Mpa。龙门山以东下地壳视为弹性体，弹性摸量为84 000 Mpa;上地幔为黏弹体，弹性模量为88 000 Mpa，黏滞系数为1.0×1021pa/s;低速体为黏弹体，弹性模量为65 000 Mpa，黏滞系数为5.0× 1017pa/s;低速体的泊松比为0.28外，其余的泊松比为0.25。下地壳和上地幔均匀垂直向上的体力为0.08 N/m3。

通过总结分析前人的研究结果［7，8］，分两种情况模拟震前的垂直变形：1)只考虑垂直于断层水平方向的地壳缩短。即考虑远场效应情况下，以每年6 mm的量值均匀加载于模型西边界。模型底部垂直方向固定不动，水平方向自由滑动。模型东边界(四川盆地)垂直方向可以自由滑动，水平方向固定不动。地表为自由表面;2)在考虑东西方向地壳水平缩短的同时，在龙门山以西下地壳和上地幔加入均匀向上的体力(0.08 N/m3)，突出青藏高原东边缘与四川盆地的差异抬升。边界条件和第一种情况一致。

图3 跨龙门山断裂垂直剖面有限元模型示意图Fig.3 Sketch of FEM model of the vertical profile across Longmenshan fault

4 模拟结果及分析讨论

模拟结果如图4和5所示，从图4和5可以看出，只考虑地壳缩短所引起的地壳垂直变形量值(最大0.5～0.6 mm/a)远远小于观测得到的震前地壳垂直形变量值(最大3.5 mm/a)。但模拟所得龙门山断裂前缘地壳隆起的形态(图4)和震前水准观测结果基本相似。这说明以目前GPS观测得到的地壳水平运动速率量值，仅仅靠垂直于断层的水平向地壳缩短无法使龙门山以西地壳相对四川盆地的隆起速率达到实际观测的量值。但水平向地壳缩短对龙门山以西地壳垂直隆升形态的刻画起到了重要作用。既考虑地壳缩短又考虑青藏高原东边缘与四川盆地的差异抬升(在龙门山以西下地壳和上地幔垂直方向给定一大小为0.08 N/m3均匀向上的体力)，产生的地壳垂直变形(图5)在量值上和观测得到结果较为一致，地壳隆起形态和观测结果也更为吻合。这说明川西高原相对四川盆地的差异抬升可能是龙门山以西地壳垂直隆升的主要原因。因此我们认为：汶川地震震前龙门山以西的地壳隆起主要是川西高原相对四川盆地抬升的结果。同时在地壳垂直隆起形态上也受到垂直于断裂方向的地壳缩短的影响。汶川8.0级地震发生时，龙门山断层两盘产生的巨大的同震垂直位移，是川西高原相对四川盆地长期垂直抬升运动在龙门山断层上产生的能量积累释放的结果。

图4 只考虑地壳缩短有限元计算垂向运动速率Fig.4 Vertical velocity calculated with the FEM of crustal shortening considered solely

图5 既考虑地壳缩短又考虑川西高原相对四川盆地的差异抬升有限元计算垂向运动速率Fig.5 Vertical velocity calculated with the FEM both crustal shortening and the vertical uplift between Chuanxi plateau and Sichuan basin considered

为了考察龙门山前缘中下地壳软物质对垂直形变的影响，再做以下有限元的模拟，不考虑低速层和低速体的黏弹性流变特性，将龙门山以西的低速层、下地壳和低速体统一都看做弹性体，弹性模量为70 000 Mpa，泊松比为0.25，边界条件和上面第二种情况相同。模拟发现，要使龙门山前缘地壳垂直隆升速率达到3.5 mm/a(图6)，所加载的龙门山以西下地壳和上地幔的垂直向上的体力大小为0.16 N/ m3，这和张竹琪等［3］的结果一致，是我们前面研究结果的两倍。另外，从图7可以看出，模拟的地壳垂直隆升的曲线形态虽然与龙门山地区的地表形态较为接近，但和实际观测结果在局部地区不太相符，特别是龙门山以西较远的区域差异较大。这可能说明从一个较长时尺度和一个较大的空间范围来看，青藏高中下地壳原普遍存在的软物质层对青藏高原西部的垂直隆升形态的塑造作用不明显。更重要的影响来自局部地区软物质的不均匀分布与局部动力环境对地壳细部隆起形态的刻画。

图6 不考虑下龙门山以西地壳介质横向不均匀性有限元计算所得垂向运动速率Fig.6 Vertical velocity calculated by the FEM without considering the latered inhomogereity in the low crust in the west of Longmenshan

5 结语

通过以上的分析，可以看出引起地壳垂直隆升的原因是复杂的，它与地壳深部的动力环境、地壳物质的密度分布，及地壳浅层的构造运动和断层的几何形态等方面都有关系。只有把这几个方面综合起来考虑，分析才能得到较为可信的结果。本文就是将跨龙门山断裂的地球物理资料和形变资料，同时考虑断层的几何形态及该区域动力构造环境，在已有研究的结果上，通过数值模拟进一步探讨汶川8.0级地震震前龙门山前缘地壳垂直隆升的可能原因，认为地壳垂直隆升与龙门山前缘中下地壳的软物质、垂直于断裂方向的地壳缩短及川西高原相对四川盆地的差异抬升都有关系。中、下地壳软物质和地壳缩短刻画了地壳垂直隆升剖面曲线形态特征。汶川地震震前龙门山以西地壳垂直隆升的主要原因可能是龙门山以西中下地壳相对四川盆地存在垂直向上的力源。地壳缩短对垂向运动也有一定的贡献，但量值不大。

1 王庆良，等.龙门山及汶川Ms8.0级地震垂直形变场研究［J］.国际地震动态，2010，(6)：11.(Wang Qingliang，et al.Studies on surface vertical deformation of the Longmenshan in the Wenchuan Ms8.0 earthquake［J］.Recent Developments In World Seismology，2010，(6)：11)

2 Wang Q L，Cui D X and Zhang X.Coseismic vertical deformation of theMs8.0 Wenchuan earthquake from repeated levelings and its constraint on listric fault geometry［J］.Earth Sciences，2009，22：595-602)

3 张竹琪，张培震，王庆良.龙门山高倾角逆断层结构与孕震机制［J］.地球物理学报，2010，53(9)：2 068-2 082.(Zhang Zhuqi，Zhang Peizhen and Wang Qingliang.The structure and seismogenic mechanism of Longmenshan High dip-angle reverse fault［J］.Chinese J Geophys.，2010，53 (9)：2 068-2 082)

4 滕吉文，等.汶川Ms8.0地震发生的深层动力学过程和动力学响应［J］.地球物理学报，2008，51(5)：1 385-1 402.(Teng Jiwen，et al.Deep processes and dynamic responses associated with the Wenchuan Ms8.0 earthquake of 2008［J］.Chinese J Geophys.，2008，51(5)：1 385-1 402)

5 吴建平，等.汶川Ms8.0级地震余震分布及周边区域P波三维速度结构研究［J］.地球物理学报，2009，52(2)：321-328(Wu Jianping，et al.Aftershock distribution of the Ms8.0 Wenchuan earthquake and three dimensional P-wave velocity structure and around source region［J］.Chinese J Geophys.，2009，52(2)：321-328)

6 朱守彪，张培震.2008年汶川8.0地震发生过程的动力学机制研究［J］.地球物理学报，2009，52(2)：418-427.(Zhu Shoubiao and Zhang Peizhen.A study on the dynamical mechanisms of the Wenchuan Ms8.0 earthquake，2008［J］.Chinese J Geophys.，2009，52(2)：418-427)

7 Hubbard J and Shaw J.Uplift of the Longmenshan and Tibetan plateau，and the 2008 Wenchuan(M=7.9)earthquake［J］.Nature，2009，458：194-197.

8 Burchfiel B C，et al.A geological and geophysical context for the Wenchuan earthquake of 12 May 2008，Sichuan，People Republic of China［J］.GSA Today，18(7)：4-11.

MECHANISM ANALYSIS OF VERTICAL UPLIFT OF CRUST IN THE WEST OF LONGMENSHAN BEFORE WENCHUAN Ms8.0 EARTHQUAKE

Jiang Fengyun，Wang Qingliang，Zhu Liangyu，Zhang Xiaoliang and Wang Shuangxu (Second Crust Monitoring and Application center，CEA，Xi’an 710054)

The mechanism of the vertical uplift of crust in the west of Longmenshan before Wenchuan Ms8.0 earthquake has been debated through constructing the 2-D FEM model for the profile across Longmenshan fault，which is based on the velocity field that had calculated from the GPS observations and the result of seismic tomography obtained by Wu Jiangping et al.In addition，the effect of crustal inhomogeneity on the vertical uplift has been discussed as well.We concluded that the existence of the low velocity anomaly in the low cust below the front of Longmenshan fault play a key role，and vertical uplift is likely caused by both the curst shorten of the westen Longmenshan and the differential uplift between Chuanxi pletau and Sichuan basin.

crust uplift：low velocity body：viscoelastic Finite Element Method(FEM)：GPS velocity;Chuanxi plateau

1671-5942(2011)05-0026-04

2011-05-21

中国地震局监测预报司“南北地震带北段大震危险性强化跟踪研究”

蒋锋云，男，1978年生，工程师，主要研究方向：地震预报与GPS数据处理.E-mail：jfy267862@163.com

P315.71+6

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