基于应变能变化的芦山强震同震效应的数值模拟1

李玉江 陈连旺 杨树新

1）中国地震局地壳应力研究所（地壳动力学重点实验室），北京 100085

2）中国地质大学（北京），北京 100083

引言

川滇地区位于青藏高原东南缘，是印度板块与欧亚板块碰撞的强烈变形带，地震活动频度高、强度大，是中国大陆强震活动重点监视区之一。20世纪70年代以来，Molnar等（1975；1976）提出青藏高原侧向挤出滑移的运动图像及力学机制。阚荣举（1977）根据强震震源机制解及地震地表破裂带资料的力学分析，讨论了我国西南地区构造应力场分区及构造活动特征，并提出以鲜水河断裂带、安宁河断裂带、小江断裂带、通海曲江断裂带和红河断裂带组成的菱形地块南南东向的运动趋势。马杏垣（1989）考虑各块体构造的整体性和地震活动的成带性，将川滇及邻区进一步划分为雅江地块、滇中地块、川青地块、川中地块和密支那滇西地块5个次级地块。

自1970年通海地震以来，川滇地区发生了多次7.0级以上地震以及更多的6.0级地震。尤其是2008年5月12日汶川地震和2013年4月20日芦山地震的发生，造成了巨大的经济损失和人员伤亡。芦山地震发生后，地震学反演的震源机制解及破裂过程等震源参数表明，芦山地震是发生在龙门山断裂带南段的一次逆冲型地震，且最大同震滑移量为 1.59m（张勇等，2013；王卫民等，2013）。曾祥方等（2013）通过 P波初动反演和波形反演方法，结合短期余震震源机制，进一步确定芦山地震的发震断层为高角度逆冲断层。另外，野外地质科学考察发现，沿着发震断裂没有产生明显的地震地表破裂带，该地震是一次典型盲逆断层型地震（徐锡伟等，2013）。目前，关于芦山地震的发生对周围断层的影响，研究成果相对较少。本文基于川滇地区三维非线性有限元模型，参考陈运泰等（2013）利用地震矩张量反演的断层节面解及地震震级与破裂长度、同震位错量的经验公式（邓起东等，1992），研究了芦山地震的发生对川滇地区主要活动断裂的影响，为川滇地区主要活动断裂的地震活动趋势判定提供可能的依据。

1 川滇地区三维有限元模型的建立

根据川滇地区全新世活动断裂、地壳上地幔三维波速结构等资料，充分考虑对地质构造运动和地震活动起决定作用的活动断裂和活动断块，建立川滇地区三维地质构造模型。

1.1 介质分区及物性参数

川滇地区的活动断裂控制了主要构造运动的发生和发展，同时成为活动地块的边界（张培震等，2003）。依据川滇地区的构造特征，将研究区划分出5个区：华南块体（1）；马尔康块体（2）；川滇菱形块体（3）；藏东块体（4）；滇西南块体（5）。具体结果见图 1，其中川滇菱形块体内部较软，华南块体相对较硬，其它介于两者之间。结合王椿镛等（2002）利用川滇地区地震台网174个台站记录的地震初至P波和S波走时数据确定的地壳上地幔三维波速结构研究成果，根据杨氏模量E、泊松比υ与纵波速率C和密度ρ之间的关系：E=C2ρ(1+υ)(1-2υ)/(1-υ)（王仁等，1980），确定各个分区的物性参数（表1）。

图1 川滇地区活动构造简图Fig. 1 Major active faults in Sichuan-Yunnan regions

表1 川滇地区模型介质分区参数Table 1 Parameters of the model units in Sichuan-Yunnan regions

在地质模型的基础上，采用接触摩擦单元处理活动断裂带，建立川滇地区三维弹性有限元模型。模型范围为96°—106°E，20°—34°N，垂直区域为地表至上地幔40km深处。有限元模型包含了川滇地区25条主要活动断裂带（图2），断裂带几何产状、活动性质见表2。整个有限元数值模型共划分为单元343235个，节点80681个。

图2 川滇地区三维有限元模型Fig. 2 The three dimensional finite element model in Sichuan-Yunnan region

表2 川滇地区主要活动断裂产状及活动性质Table 2 Geometry and activity of main faults in Sichuan-Yunnan region

续表

1.2 模型边界约束

考虑到本文主要探讨芦山地震的同震效应，没有考虑背景应力环境，所以采用将模型四周及底面法向约束，其它方向自由的加载方式。

2 芦山地震的发生对主要活动断裂的影响

芦山地震发生后，陈运泰等（2013）给出矩张量反演结果，认为此次地震为逆冲型，且断层节面滑动角近 90°。由于无法及时获得地震发生时公开的同震滑移量研究数据，本文主要依据邓起东等（1992）给出的地震震级与地震位错、破裂长度之间的统计公式确定断层的破裂长度及同震位错量：

式中，D为地表位错（m）；L为地表破裂长度（km）；M为地震震级。

芦山地震的发生，引起川滇地区主要活动断裂带不同程度的同震加卸载效应。利用跨越不同断层或同一断层不同段的33条剖面（剖面方向为从左向右），通过断层面不同方向的错动量变化，分析断层的同震活动方式。从弹性回跳理论可知，断层处于闭锁状态时，与断层历史活动方式相同的同震运动会造成断层及其邻区应变能进一步积累；反之，与断层历史活动方式相反的同震运动会造成断层及其邻区应变能有所释放。以马尔康断裂为例，从图3左图X向位移Ux可以看出，断层同震表现为左旋运动，而从右图Y向位移Uy可以看出，断层同样表现为左旋运动，综合分析认为断层同震为左旋运动。因此结合断层历史活动方式，判定马尔康断裂为同震加载效应。而对于 X、Y方向位移表现出不同的同震活动方式时，要结合断层的走向，通过比较 X、Y向位移在断层走向方向分量的相对大小，确定断层同震活动方式。以甘孜-玉树断裂为例（图4），由于X向位移在断层走向的分量较大，因此可以判定断层同震为右旋运动。结合断层历史活动方式为左旋走滑，因此判定甘孜-玉树断裂为同震卸载效应。依据同样原则，依次对其他31条剖面的同震运动特征进行分析。从表3可以看出，在33条剖面中，有17条表现为同震加载效应，15条表现为卸载效应，1条影响不明显。

为了更加直观显示不同断层面间同震加卸载效应，以加载效应最为明显的马尔康断裂作为基准，比较其他断裂的相对加卸载程度。从图5可以看出，芦山地震的发生造成马尔康断裂、岷江断裂加载效应较强。但需要注意的是，滇西、滇西南地区主要活动断裂表现出群体性的同震加载效应，值得密切关注。

图3 马尔康断裂同震位移变化Fig. 3 Co-seismic displacement variation along Barkam fault

图4 甘孜-玉树断裂同震位移变化Fig. 4 Co-seismic displacement variation along Ganzi-Yushu fault

表3 芦山地震引起川滇地区主要活动断裂的同震加卸载效应Table 3 Co-seismic effect deduced from the Lushan earthquake on active faults in Sichuan-Yunnan region

图5 川滇地区主要活动断裂的同震相对加卸载效应Fig. 5 Relative co-seismic loading/unloading effect among active faults in Sichuan-Yunnan region

3 结论与讨论

基于川滇地区的三维非线性有限元模型，利用地震矩张量反演的断层节面性质及震级与破裂长度、同震位错量的经验公式，从应变能积累/释放角度分析芦山地震的发生对川滇地区主要断裂的同震加卸载效应。结果表明：

（1）从同震加卸载效应来看，在33条断裂段中，有17条表现为同震加载效应，15条表现为卸载效应，1条影响不明显。

（2）芦山地震的发生造成马尔康断裂、岷江断裂加载效应较强。滇西、滇西南地区主要活动断裂表现出群体性的加载效应，需要继续关注。

需要指出的是，本文应用的同震滑移量是据经验公式计算得到的，而非基于远场体波与有限断层方法反演的结果。下一步将基于反演方法获得的同震滑移量结果开展更为详细的分析。

致谢：在本文完成过程中，作者与陆远忠研究员的有益讨论，部分图件使用GMT软件包绘制（Wessel等，1995），在此一并表示感谢。

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