汶川MS8.0地震动力学背景的数值模拟实验

廖 力 杨建思 张东宁

(中国地震局地球物理研究所，北京 100081)

2008年5月12日汶川MS8.0地震发生在龙门山断裂带。地球物理研究者利用多种方法对此次地震的动力学成因及过程进行了研究，本文从研究断层错动行为的角度出发来探索影响汶川地震断层初始破裂及破裂的传播过程的动力学因素。本文基于龙门山断裂带的地质与地球物(理研究结果，以及高精度的地形数据、大地热流测量数据，建立以龙门山断裂带为主要研究对象的有b限)元模型；该模型在上地壳遵从库伦摩擦的本构关系，在下地壳遵从位错蠕变的本构关系，在地壳底部以全球地幔对流模型施加一个拖曳力。在确定模拟的有限元模型后，本文作者以GPS观测数据、构造应力场和震源破裂过程研究结果为约束，研究了此次强烈地震的动力学背景；研究了四川盆地与青藏高原的地形差异和流变强度差异、龙门山断裂带各段摩擦强度差异和发震断层产状是否对地震起始破裂位置、断层错动形式有影响。由模拟结果可以发现：青藏高原的自身重力在龙门山区域的孕震环境中扮演了重要的角色，影响了龙门山断裂带的发震位置，由于巨大的自身重力，加速了龙门山断裂带的破裂。龙门山断裂带的高角度影响了龙门山断裂带的发震位置，将龙门山断裂带倾角均设为 30°的模拟实验，首先错动的断层并不发生在映秀，倾角的大小也控制了断层进一步破裂的方向。龙门山断裂带的高角度使得断层的错动更不容易发生。在我们的实验中摩擦系数为0.5及以上的时候，断层处于死锁状态，调整模型摩擦系数降低到0.48的时候，断层开始破裂初始破裂点发生在映秀，调整模型摩擦摩擦系数0.40的时候，龙门山断裂带断层单元几乎都发生了错动，断层在西南端呈现逆冲推覆，东北端主要呈右旋走滑方式。本文利用地球动力学的有限元软件模拟了汶川地震地表破裂在龙门山断裂带上传播的过程。通过模拟实验结果我们发现：在考虑青藏高原物质向东挤压流动的同时，青藏高原与四川盆地的地形差异和流变强度差异、断层摩擦强度差异和断层产状形式均对地震起始破裂的发生位置和断层错动形式有着重要影响。

左上图摩擦系数为0.5，断层处于死锁状态；右上图摩擦系数为0.48，断层开始错动，初始破裂点发生在映秀；左下图摩擦系数为0.45，断层继续沿着北东方向破裂；右下图摩擦系数为0.4，龙门山断裂带大部分断层单元都错动了，断层西南端呈逆冲挤压，东北端呈右旋走滑（虚线表示断层死锁，绿色方块代表右旋走滑，橘色方块代表左旋走滑，蓝色方块代表逆冲断层，粉色代表正断层）