汶川地震断层滑动及形变演化模拟研究

谭 凯

1）中国地震局地球物理研究所，北京100081

2）中国地震局地震研究所，武汉430071

汶川地震断层滑动及形变演化模拟研究

谭 凯1，2）

1）中国地震局地球物理研究所，北京100081

2）中国地震局地震研究所，武汉430071

2008年5月12日，四川汶川MW7.9地震发生在青藏高原东缘龙门山断裂带的北川和彭灌断层上，地表破裂最大右旋走滑4.9 m。地震发生后，中国地震局立即组织了GPS、In-SAR、地质等监测。中国地震局地震研究所在完成GPS监测任务的同时，复测了四川GPS控制网A级和B级点、三角点，获得464个高精度GPS同震形变。并根据其中13个1 Hz GPS连续站数据获得震时动态形变序列，用震后GPS监测网获得震后8个月47个站的震后形变序列，用日本宇航局的ALOS PALSAR数据获得InSAR同震形变场。

这些破裂和变形在一定的构造环境中产生，蕴含着丰富的地壳运动和深部构造信息，如区域构造断层形状和运动、深部流变结构属性及岩石圈动力学关系。本文以大地测量资料为约束，辅以破裂地质资料，通过数值模拟技术，构建汶川地震断层滑动分布模型、破裂过程模型和形变演化模型，探讨此类大陆强震变形机理和深部构造动力学过程。主要内容为：

1.介绍大地测量数据来源、数据处理方法、形变特征、不同数据的检校和融合。用464个GPS点震前震后数据，以静态数据处理方法得到GPS三维同震形变场；投影到断层走向上，映秀段逆冲大于走滑，都江堰-北川段的逆冲、走滑都较大，而青川段的走滑大于逆冲分量；水平同震形变最大5.4 m。根据其中13个1 Hz GPS连续站数据，以动态数据处理方法得到震时动态形变时序，其中郫县站动态形变与郫县强震仪动态位移基本一致。InSAR LOS相对形变与GPS LOS相对形变基本一致，校正后平均误差在3.5～5 cm之间。

2.介绍相关地震形变模型和反演方法。地震形变模型有各向同性弹性半空间矩形断层位错模型、地壳分层弹性半空间矩形断层位错模型、各向同性弹性半空间三角位错模型、震后粘弹性松弛模型、震后孔隙回弹模型、震后余滑模型。数学计算技术有最小二乘法、模拟退火算法、格网搜索法等。

3.本文的主要工作是利用各种资料、模型、算法对汶川地震进行模拟研究，主要研究汶川地震断层几何形状和滑动分布、汶川地震破裂过程、汶川震后形变机制和形变演化过程。

（1）用非线性优化方法——模拟退火算法确定地震断层几何形状，即各段的长度、宽度、深度、倾角和位置。将断层几何形状参数固定后可离散化成格网状子断层，用有界变量最小二乘法反演断层滑动分布。断层滑动表现为非均匀破裂特征，包含数个离散的区域峰值滑动面（即凹凸体），相互之间被滑动量较小的间隙体明显隔开。最大滑移值大于6 m的凹凸体有5处：草坡到虹口、清平、北川、南坝和青川。

（2）以四川GPS连续站动态形变序列约束地震破裂过程。将子断层滑动角设置为与同震破裂一致的定值，滑动上升时间根据破裂速度计算，经格网搜索反演得到子事件破裂速度为3 km/s，平均破裂速度2.5 km/s。破裂从震源向北东向扩展，破裂持续时间为105 s。在发震的15 s内，映秀附近的区域开始破裂，最大滑动量约3.1 m；15 s至34 s间，虹口和草坡发生破裂，形成一个高滑动区域，最大滑动量高达12.7 m；34 s至65 s间，北川子断层发生了10.5 m左右的错动；65 s至85 s间，破裂由北川发展到南坝，错动约8.9 m；发展到106 s时，破裂延伸到青川，滑动量最大为5 m。

（3）研究震后形变机制和形变演化过程。模拟研究发现，震后孔隙回弹形变量很小，且局限在破裂两侧很小的范围内，与震后形变规律不符合，很难发现其起作用的证据。震后粘弹性松弛模型不能很好地符合观测值，而震后余滑模型模拟效果较好。综合震后粘弹性松弛和震后余滑的模拟结果表明，汶川震后几个月的形变主要由震后余滑引起，而震后粘弹性松弛发挥了一定的较小的作用。

弹性层20 km以下可能存在粘度比较低的流变物质，其粘度最低为6.3×1017Pa·s，震后粘弹性松弛最大水平形变影响为3.6 cm。扣除震后粘弹性松弛的影响后，反演余滑分布得到余滑的最低值，南坝到青川间的余滑最大约0.8 m。余滑的分布与余震存在对应关系。在映秀-北川段，余滑主要分布在同震滑动峰值区的下前方，而青川段余滑分布在断层上部，与同震滑动峰值区接近。

假设震后余滑的空间分布和时间变化独立，则可以模拟震后形变的时空演化过程。震后一年形变大部分是余滑成分，一般分布于断裂附近，可能占60%甚至70%以上；震后粘弹性松弛一般分布于中远场，可能占20%，一两年后占主导地位，可以延续几十年。

GPS；InSAR；汶川地震；同震形变；震后形变；反演

（作者电子信箱，谭凯：whgpstan＠hotmail.com）

P315.72＋5；

A；

10.3969/j.issn.0235-4975.2012.01.021