汶川Mw7.9级地震起始破裂阶段断层几何学及运动学研究

发布时间：2020-08-21 02:40

【摘要】：龙门山推覆构造带不仅是四川盆地与青藏高原的地形和构造分界带,而且是研究青藏高原地壳厚度变化的关键部位,是研究青藏高原边缘活动断层和潜在的地震灾害的关键地区之一。2008年5月12日在龙门山推覆构造带中-北段发生了汶川8.0级大地震,2013年4月20日又在龙门山推覆构造带上的南段发生了四川芦山Ms7.0级地震,两次地震的震中相距约90 km。其中,汶川地震因其独特的发震构造环境及造成重大的人员和财产损失,在国内外引起极大的关注。汶川Mw7.9级地震在龙门山推覆构造带映秀—北川断层上形成了约240km的地表破裂带,余震密集分布长度可达300 km。其中,在NE向映秀-北川断裂造成长240 km,以逆冲挤压为主兼有右旋走滑分量的地表破裂;在NE向灌县-江油断裂造成长72km的纯逆冲性质地表破裂带;另外还有一条长6 km、以逆冲为主兼有左旋走滑性质的NW向小鱼洞地表破裂带。为充分了解本次大地震的时空破裂过程,大量学者对本次地震的破裂过程进行了研究并取得了一系列系列研究成果。汶川地震破裂过程持续约100秒,破裂沿着断层向东北方向传播近300 km,破裂过程由多个子事件组。破裂过程的研究很好地揭示了汶川大地震的时空演化过程,但是对本次大地震起始破裂阶段的细节研究上还存在一些欠缺之处。例如,1)汶川地震震源参数(发震时间和深度)存在较大的差异;2)起始阶段的破裂过程细节缺乏研究;3)地震发震构造模型存在着争议;4)地震的成核类型有待进一步的研究。因此,汶川地震起始破裂的细节过程研究仍具有重要的科学意义。基于上述问题,本论文利用类似于反投影法P波叠加法来研究2008年5月12日汶川Mw7.9级大地震起始破裂过程的断层几何学及运动学特征。本论文不仅研究了汶川大地震起始阶段破裂的详细过程,还为本次地震起始破裂位置参数、起始破裂发震构造模型及本次大地震的成核类型等科学问题提供相关的依据,补充了汶川地震时空破裂过程的研究工作。本论文主要完成以下工作内容:一、汶川地震起始破裂位置的确定汶川Mw 7.9级地震后,大量学者对其孕震机制和震源参数进行了研究,并取得了一系列的研究成果。尽管这些研究让我们对汶川地震的震源机制有了较全面、系统的认识,但是在震源参数,例如:发震时间、震中位置和震源深度等方面存在较大差异。从研究结果来看,汶川主震位置参数的误差除源于记录资料类型的不同和震相识别的差异外,龙门山推覆构造带地壳速度结构的横向不均匀性也是造成结果差异的一个重要原因。近距离的台网纪录可对震源深度和发震时刻进行有效地约束,且由于震中距较近地壳速度结构差异相对较小也能进一步减小速度模型带来的误差。因此,相对于远距离(远震及区域台网数据)台网资料,使用近距离的台站资料得到的震源位置则更为可靠。本论文使用距离20km范围内的紫坪铺水库台网记录到的汶川地震主震波形资料,分别采用P波初动相对到时差和反投影P波叠加法,利用网格搜索法在震源区三维空间范围内来确定汶川地震起始破裂的位置参数。P波初动相对到时差方法获得的结果表明,汶川地震起始破裂位于31.016°N±0.002°、103.386°E±0.002°,震源深度为8.3 km±0.92 km,发震时刻为2008年5月12日14时27分58.82秒±0.52秒(北京时间,以下本文中时间均为北京时间);反投影波形叠加法获得的结果显示,汶川地震起始破裂位置为31.018°N±0.003°、103.391°E±0.003°,震源深度为8.4 km±0.86 km,发震时刻为2008年5月12日14时27分58.80秒±0.4秒。二、汶川地震起始破裂过程断层几何学研究龙门山推覆构造带长约500 km,宽40-50 km,主要由龙门山后山断裂(汶川—茂县),龙门山中央断裂(映秀—北川),龙门山前山断裂(灌县—江油)及山前隐伏断裂等组成。这四条断层走向N45°E、倾向NW,呈铲式叠瓦状向四川盆地推覆,在地表出露处后山断裂和中央断裂倾角较高(60°-70°),沿北西方向断层倾角随着深度增加而减小;前山断裂和山前隐伏断裂倾角较缓,为典型的逆断层。由于龙门山推覆构造带内断裂带整体呈现为上陡下缓“铲式”的几何结构结构特征,地震的震源位置参数对发震构造模型有着直接的影响。当前,汶川地震震源深度~15 km的认识得到广泛的接受和应用,在此基础上存在两个主流的发震构造模型:一部分研究小组认为汶川地震为高倾角逆冲断层(50°),而另一部分研究小组则认为汶川地震发震断层为“叠瓦状”逆断层,断层倾角在震源附近较缓(~33°),向上逐渐变陡。世界上绝大多数逆冲型8级以上强震主要发生在海洋板块边界的俯冲带上,或发生在大陆碰撞的低倾角(20°)逆冲推覆断裂带上,那么为何会在断层倾角较大的龙门山推覆构造带发生汶川Mw7.9级大地震?这个科学问题的探讨,对今后板内推覆构造区域的地震预测具有一定的参考意义。本论文首先使用距离汶川地震震中20 km范围内的紫坪铺水库台网记录到的汶川地震主震波形事件中未限幅的P波波形资料,利用类似于P波反投影波形叠加法在三维空间内获取了汶川地震起始破裂的时空分布特征。然后根据龙门山推覆构造带内部断层几何特征等,在倾向NW40-60°,倾角20-50°范围内搜索得到了最佳的发震断层模型,最后综合分析龙门推覆构造带内部断层的几何特征构建了起始破裂的发震构造模型。结果显示,汶川地震起始破裂的最佳断层面走向为NE48°,倾向NW35°,分析认为起始破裂位于映秀-北川断裂和灌县-安县断裂在地下约8 km深度的交汇断层面上,地震的发生是由多条断层共同作用的结果。三、汶川地震起始破裂过程运动学研究汶川地震是一次以逆冲断层错动为主的地震事件,破裂过程以朝北东向破裂为主,沿着断层向东北方向传播近270 km,整个破裂过程持续约100秒,包含了多个地震子事件,破裂速度先慢后快,平均速度约为3 km/s。虽然,这些研究得到本次大地震时空破裂过程和能量释放图像,但迄今为止还没有涉及起始破裂阶段(0-1秒)断层几何学和运动学研究工作发表。同时,利用远距离波形记录(全球台网及区域台网)进行反投影震源破裂过程时,都是将起始破裂位置设定在某一个公开发表的震源参数结果上进行的。然而,汶川地震的起始破裂位置研究一直存在较大的争议,尤其是在起始破裂的深度和时间上。因此,使用不精确的震源位置参数,必然会对汶川地震破裂过程的研究和解释带来一定的误差和影响。因此,汶川地震起始阶段的细节破裂过程仍需要进一步地研究。为详尽的分析汶川地震起始破裂阶段的破裂过程,我们将在三维空间内分布的破裂点投影到得到的最佳发震断层上,来分析其运动学特征。结果表明汶川大地震起始阶段的破裂过程具有阶段性,破裂在0-0.3秒时间内集中在起始破裂点附近,在0.4秒时起始破裂点开始向深部的西南方向传播扩展,0.8秒之后破裂开始在断层面上沿着东北方向往浅部传播,破裂的传播速度约为2.7 km/s。总体来看,破裂后的能量沿着断层面向两侧扩散,位于破裂点深部西南方向的破裂要强于浅部的东北方向。四、汶川地震起始破裂成核类型及地震成因探讨一般来说,地震通常以小振幅震动破裂开始,这些小的震动破裂往往能决定地震的最终震级。虽然在地震初始破裂过程的解释上然存在争议,但仍可以用震前蠕滑(Pre-slip)和级联破裂(Cascade)两种模型来解释其成核过程。在地震成核类型的研究中,通过分析近源P波记录中携带的震源信息来详细地描述地震发育过程,可为地震的发震机理研究提供一定的参考依据。目前,紫坪铺水库蓄水对汶川地震的发生是否具有触发作用一直存在争议。一部分学者认为没有影响,一部分认为有一定的影响,还有一部分则认为有明显的触发作用。因此,研究汶川地震起始破裂成核过程可为解决此争议问题提供一些科学依据。本论文得到的汶川地震起始破裂细节显示,地震在起始破裂形成后,破裂点先集中在其起始破裂点附近且释放的能量逐渐缓慢的增加,之后在起始破裂点外围产生相对较大的新破破裂并最终发育成一次地震事件,整个破裂过程的深度范围分布在7.5-9.5 km。从破裂起始阶段的破裂过程来看,本次地震的成核模式更符合于“震前蠕滑型”。根据本次地震起始破裂的成核模型,并结合紫坪铺水库库区构造应力、地质条件、震前GPS测量结果、地震前水库蓄水与库区地震活动的关系,支持紫坪铺水库的蓄水对汶川地震的发生有明显的促进作用的观点。综上所述,本论文使用近距离台网记录的高频P波资料,利用类似P波反投影波形叠加法详细地分析了2008年汶川Mw7.9级地震在起始破裂阶段破裂传播、扩展的时空演化过程,并利用破裂点的分布特征构建了发震断层的几何结构结构模型及其在起始破裂阶段地震事件的成核类型。结果表明,汶川地震起始破裂位置位为31.018°N±0.003°、103.391°E±0.003°,震源深度为8.4 km±0.86 km,发震时刻(北京时间)为2008年5月12日14时27分58.80秒±0.4秒。起始破裂位于映秀-北川断裂和灌县-安县断裂在地下约8 km交汇处的断层面上,断层的走向为NE48°,倾角为NW35°。汶川地震起始阶段的破裂过程具有阶段性,破裂在0-0.3s时间内集中在起始破裂点(纬度31.018°N±0.003°、经度103.391°E±0.003°,深度为8.4 km±0.86 km)附近并逐渐积累能量,在0.4秒时起始破裂点深部的西南方向出现了一个相对较大的破裂,之后破裂开始在断层面上沿着东北方向往浅部传播,破裂的传播速度约为2.7 km/s。破裂发生后能量沿着断层面向两侧扩散,位于破裂点深部西南方向的破裂要强于浅部的东北方向,破裂过程的深度范围分布在7.5-9.5 km范围内。汶川地震起始破裂过程研究表明,本次地震的成核模式更符合于“震前蠕滑型”,认为紫坪铺水库的蓄水对汶川地震的发生有明显的诱发作用。本论文补充研究了汶川大地震起始阶段(0-1秒)的破裂过程,并利用破裂过程中破裂点在三维空间分布特征来约束发震断层的几何参数并取得了一定的研究成果。虽然结果存在着一些不确定性和不可避免的误差,但是本论文的研究思路和方法可为大地震起始破裂过程、发震构造模型、地震成核类型及地震起因等地震机理方面的研究具有十分重要的学术价值和地震预测实践的探索价值。
【学位授予单位】：中国地震局地质研究所
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：P315
【图文】：

分布图,历史地震,活动构造,青藏高原

图 0.1 青藏高原活动构造框架与历史地震分布图( 源自徐锡伟等，2014) 汶川地震震源参数一直存在着较大差异，尤其是在深度和时间参数上。研究表明（CEA，2008；USGS，2008；杨智娴等，2008，2012；陈九辉等，2009；马文涛等，2011；张

台站分布,紫坪铺水库,展布,断层

图 1.1 研究区及周边地形地貌、紫坪铺水库分布断层展布、及台站分布图红色线段为汶川地震地表破裂分布（Xu 等, 2009），黄色实心圆为汶川余震分布2008 年 5 月 12 日发生的汶川 M8.0 级大地震震中位于龙门山推覆构造带中北段至少已

分布图,滑动速率,青藏高原东部,邻区

裂带向东北方向拓展形成长约 330 km 的余震区（图 1.1）。龙深度分布具有明显的分段特征，绵竹至平武段主要分布在 7-19 以东的余震深度分布范围较大，尤其是青川以东段落，具有深度桂喜等，2012）。

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