2008年5月12日四川省汶川县M_S8.0特大地震,是1900年以来龙门山断裂带首次发生的8级以上地震。断层错动以逆冲为主、兼右旋走滑(陈运泰等,2008; 徐锡伟等,2008; 王卫民等,2008; 中国地震局监测预报司,2008; JiC etal,2008),余震持续时间长、波及范围广(四川、甘肃和陕西三省交界区及其附近发生了数次M_S5.5～6.4余震)。本文利用汶川震区2007年8月至2008年6月间的GPS水平位移资料,借助Okada(1985)弹性均匀介质半空间矩形位错模型反演汶川地震错动参数,并与上述陈运泰等的科考与地质调查结果作比对分析。

Matsu'ura等(1986)认为在现今地壳运动驱动下活动地块间的相对运动在地块边界处有可能受到部分阻碍。假设边界下部的塑性区可自由滑动,其上部的弹脆性区却因摩擦阻力等因素限制了这种相对运动从而导致应力应变积聚。即视块体边界区域的地表位移为弹性块体变形(平移与均匀应变)减去边界上部(由若干断层段构成,每条断层段用Okada弹性均匀介质半空间矩形位错模拟)对块体相对运动的部分锁定在地表产生的位移。它具有联系区域深部块体与其边界断裂,以寻求由块体边界负位错变形体现的、可能与强震孕育有关的高应变能积累段的研究和预报意义(Matsu'ura et al,1986; 张希等,2005a,2005b)。张希等(2008)利用汶川地震前四川及其邻区(川滇及甘东南地区)2004～2007年GPS水平运动观测资料,借助负位错反演获得了该地区主要断裂的应变积累情况。

目前国内库仑静应力触发模型的应用,以余震分析及借助地质资料研究其对周围构造活动的影响为主(陈化然等,2003; 韩竹军等,2003; 万永革等,2002)。从研究地震对周围构造断裂应变积累影响的角度来看,长时间尺度地质资料仅能给出断裂倾角的大概范围及左旋或右旋、逆断或正断的特性,实际错动角难以确定,多数情况下只能对断裂作简化处理,如假设其直立、纯走滑或纯逆断。我们利用反演所得地震错动参数将地震可能造成的库仑破裂静应力变化,作用于2004～2007年四川及其邻区的GPS资料负位错反演所得震前应变积累断层段上,研究汶川地震对其周围地区构造断裂应变积累的影响,并与万永革等(2009)利用沈正康等(2009)地震参数及邓起东等(2002)断层参数计算所得相应库仑应力变化结果做比对分析。

汶川地震断层错动以逆冲为主、兼右旋走滑(陈运泰等,2008; 徐锡伟等,2008; 王卫民等,2008; 中国地震局监测预报司,2008; JiC et al,2008)。除陈运泰等(2008)认为地震断层长度较长(青川至宝兴及其附近,300 km以上)外,其余研究人员基本认为破裂断层从青川至映秀(即震中)附近,长度约200多公里,以北川—映秀断裂(属龙门山中央断裂)和灌县—江油断裂(属龙门山前边界断裂)为主。2008年6月中国地震局汶川地震应急观测项目(由武汉地震研究所、第二监测中心、第一监测中心、四川省地震局与云南省地震局共同完成)在四川及其邻区获得了128个站点的GPS观测资料(张希等,2008)。图1中蓝色箭头为汶川震区300 km范围内相对于2007年8月变化量超过0.1 m的10个站点、扣除整体平移与旋转后相对水平位移结果,最大变化量达到2米多。20世纪90年代GPS起测以来至汶川地震前川滇及其邻区GPS相对水平运动年变速率仅十几毫米(张希等,2005b,2008),与图1位移结果(接近1年的变化)的分米至米级差10～100倍以上,基本上反映的是汶川地震同震变化(误差椭圆半径2.7～6.8 mm,平均4.2 mm)。因此可以利用Okada(1985)弹性均匀介质半空间矩形位错模型模拟地震错动。假设10个站点x与y向位移观测值为v_ix,v_iy; 相应中误差值为e_ix,e_iy,(i=1,…,10); 由地震错动断层起点与终点经纬度a_x,a_y; b_x,b_y(反演中转换为高斯平面坐标)、断层走滑量u₁与倾滑量u₂、宽度W、上界深度d、倾角δ这9个参数反映的Okada 模型在站点x_i,y_i上产生的x与y向位移为F_ix(a_x,a_y,b_x,b_y,u₁,u₂,W,d,δ)与F_iy(a_x,a_y,b_x,b_y,u₁,u₂,W,d,δ),则可以借助拟牛顿最小二乘法求式(1)最小,从而获得这9个待定参数值。

∑¹⁰_i=1[(v_ix-F_ix(a_x,a_y,b_x,b_y,u₁,u₂,W,d,δ))²〖JB<1*/〗e²_ix+(v_iy-F_iy(a_x,a_y,b_x,b_y,u₁,u₂,W,d,δ))²〖JB<1*/〗e²_iy](1)

我们参考有关科考与地质调查结果(陈运泰等,2008; 徐锡伟等,2008; 王卫民等,2008; 中国地震局监测预报司,2008; JiC et al,2008)确定反演参数特性(约束为右旋、逆断特性,深度5～20 km范围内,长度400 km范围内,倾角NW0°～85°等)及其初值:起点与终点经纬度取青川与宝兴两地区经纬度; 走滑与倾滑、宽度、倾角初值取陈运泰等(2008)科考结果(走向229°,倾角43°,滑动角123°,深度10 km,最大错动量6.7 m,推算可得最大走滑量约3.6 m,倾滑量约5.6 m,宽度约13.7 km),断层上界深度初值取0 km。

图1中黑色虚线为反演所得地表断层轨迹,起点变动很小,断层长度缩短,终点移至震中以南不远处,与徐锡伟等(2008)、王卫民等(2008)、中国地震局监测预报司(2008)、JiC等(2008)所给出的地表破裂带比较接近。反演所得各项参数见表1(拟合中误差0.3m),模型理论值与位移观测值的拟合程度也较好(图1)。虽然徐锡伟等(2008)、王卫民等(2008)、中国地震局监测预报司(2008)均认为破裂还在灌县—江油断裂上体现,鉴于GPS站点个数有限,其分布范围也会对反演结果产生影响,只能简化为一条断层段,反演所得断层段更接近龙门山中央断裂,故基本反映出了北川—映秀断裂的错动变化。此外,从断层错动量来看,倾滑略占优势,反映逆冲兼右旋走滑的同震变化特性,这与上述文献结果总体一致。但从其它参数来看,断层深度小于徐锡伟等(2008)、王卫民等(2008)的结果(15 km左右),错动量较徐锡伟等(2008)的平均值(2.2 m)大,最大垂直位移均和最大右旋走滑位移均小于徐锡伟等(2008)的结果(分别为6.2M和4.9 m),最大滑动量也小于王卫民等(2008)的结果(约12m)。

图1 2007年8月～2008年6月汶川震区GPS水平运动位移矢量及矩形位错反演效果
Fig.1 Vector of GPS horizontal displacement at the Wenchuan earthquake area from August of 2007 to June of 2008 and its inversion effect of rectangle dislocation model

表1 GPS资料反演所得反映汶川地震同震变化的断层位错模型参数
Tab.1 Fault dislocation parameters of the great Wenchuan earthquake from inversion for GPS data

事实上,仅凭10个GPS站点位移观测值获取反演结果,站点个数、分布范围均可能影响反演结果,所以表1与图1获得的基于GPS观测的汶川地震错动参数不一定与科考及地质调查结果完全一致,但本文中我们进行反演的主要意义在于对中国地震局汶川地震应急地形变观测资料的充分应用,以提取地形变观测所反映的地震错动特征。

针对四川及其邻区,作为相对统一的多应力集中点场即多源孕震体系,其内一条断裂上强震尤其大震的发生很可能会对研究区其它断裂的应变积累有所影响(加速或减缓)。结合震源参数信息,计算地震引起的库仑破裂静应力变化,可以在一定程度上对断层之间的相互作用给以定性和定量描述,对分析地震发生后应力应变状况和判定后续强震地点有参考意义。本文中我们采用国内外惯常的库仑静应力计算方法,根据表1所得地震参数,借助Okada(1992)模型及应变—应力关系计算地震在地壳某一深度产生的应力场(陈化然等,2003)。库仑破裂静应力变化值

ΔCFS=Δτ_rake+μΔσ_n.(2)

其中,Δτ_rake为断层面和滑动方向上的静态剪应力变化; Δσ_n为断层面的正应力; μ为考虑孔隙压力的摩擦系数(取0.4); Δτ_rake=P_strcos(λ_s)+P_dipsin(λ_s),这里,P_str、P_dip分别为断层走向和倾向力,λ_s为后续地震断层的滑动角。式(2)中后续地震断层的走向、倾角、滑动角取负位错反演所得应变积累断层段的走向、倾角及错动角,深度均取10 km,目的是为了分析汶川地震对负位错反演所得震前断层段应变积累状况的影响。

张希等(2008)利用汶川地震前四川及其邻区(川滇及甘东南地区)2004～2007年GPS水平运动观测资料,借助负位错反演获得了其内主要断裂的应变积累情况。反演所得断层段主要的锁定参数见表2,断层倾向与特性主要参考马杏垣等(1989)与邓起东等(2002)的研究结果,其中邓起东等(2002)只给出主要断裂的活动特性,而在基于GIS的地震预报分析系统Mapsis软件中给出了相对详细的倾向、倾角范围及总体活动特征(表3),在部分断裂倾向不确定的情况下,两种倾向均反演取相对拟合较好的结果。利用表1所示断层参数及上节所述库仑应力计算方法,可以推算汶川地震在2004～2007年四川及其邻区能量积累断层段(图2)上可能产生的库仑破裂静应力变化(图3)。需要说明的是,因为龙门山断裂上3条断裂段已破裂或大半破裂,从分析地震对震前断裂段应变积累影响的角度来看,计算其库仑应力变化值意义已不大——从计算所得库仑应力变化等值线图上看,有正、有负,中间段落尤其震中及其附近负值明显,靠近龙门山断裂带两端正值则相对明显,说明对尚未完全破裂的两端应变积累可能有促进影响。笔者推测认为:地震对其附近的甘川交界东段及其北侧、甘川陕交界区、鲜水河断裂南段与安宁河断裂北端具有一定程度影响(10^-3MPa量级,甘川陕交界区相对明显),对其应变积累可能以增强作用为主。而2007年至2008年6月四川及其邻区GPS水平运动观测结果(张希,2008)显示震区逆断兼右旋走滑同震变化,地震对其附近的甘川交界—甘川陕交界区、鲜水河断裂南段及与龙门山断裂、安宁河断裂的Y字型交汇区附近影响相对明显,且压性变化占明显优势,与上述推测大体相符。

表2 川滇及其邻区2004～2007年主要的锁定负位错参数反演结果
Tab.2 Main parameters of locked negative dislocation in Sichuan-Yunnan and its nearby area during the period of 2004-2007

图2 2004～2007年四川及其邻区GPS资料的负位错反演结果
Fig.2 Inversion result of negative dislocation in Sichuan-Yunnan and its nearby area during the period of 2004-2007

图3 汶川地震在2004～2007年锁定断层段上产生的库仑应力变化(图注:给出的是断层段上库仑静应力变化平均值,深度取地下10 km; 红河断裂、程海断裂、小江断裂南段、濑沧—勐遮断裂≤10-5 MPa)
Fig.3 Variation of Coulomb stress which the great Wenchuan earthquake acted on locked faults during the period of 2004-2007

表3 邓起东等(2002)得出的断层特性
Tab.3 Features of faults activity from Deng Qidong et al(2002)

蔡明军等(2008)利用陈运泰等(2008)的科考结果计算了龙门山断裂及其两端附近库仑静应力变化,对龙门山断裂两端及陕甘川交界区正影响的结论与本文一致,与Toda et al(2008)的结果也比较一致。此外,与万永革等(2009)计算结果相同的断裂有西秦岭北缘断裂东段(相当于图2中B₁B₂段,万永革等取倾角60°、滑动角15°,库仑应力变化以正值为主,0.004 Mpa以下)、东昆仑断裂东段(相当于图2中C₁C₂段,万永革等取倾角70°、滑动角15°,库仑应力变化为正值,0.000 4～0.007 Mpa)、秦岭南缘断裂(相当于图2中C₂C₃段,万永革等取倾角75°、滑动角80°,库仑应力变化以正值为主,0.03MPa以下)、鲜水河断裂(相当于图2中E₁E₂段,万永革等取倾角90°、滑动角0°,库仑应力变化是北段负值而南段正值,-0.01～0.005 MPa)、安宁河断裂(相当于图2中F₁F₂段,万永革等取倾角90°、滑动角45°,微弱正值)、则木河断裂(相当于图2中F₂G₁段,倾角65°、滑动角45°,微弱正值)、小金河断裂(倾角75°、滑动角0°,微弱正值)。比较本文与万永革等(2009)的研究结果,除则木河断裂与小金河断裂活动特性差异明显,其它断裂段活动特性(左旋或右旋、正断或逆断特性)总体一致,但倾角、滑动角存在差异,两种库仑静应力变化计算结果的正、负性在则木河断裂上差异明显,在其它断裂上正负性基本一致,量值有差异,应该是地震参数、断层参数、计算深度不同等因素造成的。

(1)基于负位错反演所得断层参数的库仑破裂应力变化计算方法可以在一定程度上反映地震对周围地区活动断裂带应变积累状况的影响。

(2)汶川M_S8.0地震呈相当显著的逆冲兼右旋走滑同震变化; 地震对甘川交界东段及其北侧的西秦岭北缘断裂东段、甘川陕交界、鲜水河断裂南段与安宁河断裂北端应变积累有一定程度影响,可能以增强或加速作用为主。