地球物理学报  2014, Vol. 57 Issue (10): 3296-3307   PDF    
断层横向构造在逆冲型地震破裂中的作用——以汶川地震小鱼洞断层为例
王鹏, 刘静    
中国地震局地质研究所, 地震动力学国家重点实验室, 北京 100029
摘要:大地震破裂大多由横向构造(如阶区、弯曲和分叉)所分割的多个段落组成.2008年5·12汶川地震破裂沿北东走向上穿过了多个横向构造部位,特别在震中北东45 km的位置,小鱼洞断层、北川断层和彭灌断层三者之间呈现复杂的断裂切割相交关系.复杂断层几何结构对破裂的扩展是有抑制还是促进的作用?在相交的断裂段之间是否存在最优的破裂顺序?本文以库仑应力分析为手段,探讨在汶川同震破裂初始30 s内,破裂在多分支断裂中选择扩展路径时的可能应力相互作用.库仑应力分析显示:如果北川断层先发生破裂,其滑动对小鱼洞断层和彭灌断层均产生强烈负应力的抑制作用,而彭灌断层的滑动却反而对小鱼洞断层和北川断层浅部有强烈正应力的促进作用.因此,从准静态应力分析角度,彭灌断层先于北川断层发生破裂的可能性较大,这一破裂顺序与小鱼洞断层参与同震破裂过程的事实相符.此外,小鱼洞断层在链接北川和彭灌断层的同震位移中可能起到桥梁作用,但非静态应力的影响.横向构造在逆冲型地震破裂扩展过程中起到的牵引作用使得逆冲型地震破裂能够比走滑型地震跨越更宽的阶区.横向构造是逆冲断裂带内广泛发育的构成单元,因此在地震危险性分析的最大潜在震级测算中应该考虑其作用.
关键词汶川地震     小鱼洞断层     横向构造     库仑应力分析    
The role of the transverse structure in reverse-type earthquake rupture propagation: A case study on the Xiaoyudong fault in the Wenchuan earthquake
WANG Peng, LIU-ZENG Jing    
State Key Laboratory of Earthquake Dynamics, Institute of Geology, China Earthquake Administration, Beijing 100029, China
Abstract: Coseismic rupture of large earthquakes commonly consists of multiple fault segments separated by transverse structures, such as step-overs, bends, splays of varying sizes. These complexities have been long considered playing important roles in controlling the initiation, evolution and termination of ruptures and thus the final sizes of earthquakes. The 2008 Wenchuan earthquake rupture, also consisting of multiple fault segments, is the result of breaching through a series of significant transverse structures. Especially at the location of ~45 km northeast of the epicenter, the Xiaoyudong fault intersects the Beichuan and Pengguan faults, forming complex fault geometry. Does the geometrical complexity retard or promote rupture propagation? Is there an optimized path or sequence of rupture cascading through? In this paper, we explore the possible stress state for the 30s initial stage of development when rupture passed through multi-branch faults and stress interaction among faults near the Xiaoyudong during the Wenchuan earthquake. Coulomb stress analysis indicates that if the Beichuan fault failed first, it would cast a strong negative stress shadow on both Pengguan and Xiaoyudong faults; on the other hand, slip on the Pengguan fault would exert a strong positive Coulomb stress on the Beichuan and Xiaoyudong faults. Thus, quasi-static stress favors failure on the Pengguan fault prior to that on the Beichuan fault. This is also compatible with the fact that the Xiaoyudong fault failed coseimsically. The static stress exerted by the coseismic slip on the Xiaoyudong fault is small, and secondary to its bridging role in fast transmission of dynamic stress in front of rupture front. The transverse structure tends to play a positive role in linking coseismic slip transfer between parallel thrusts, rather than inhibiting them, so that rupture can jump step-overs wider than in a strike-slip setting. As transverse structures are common features in reverse fault systems, we should consider their bridging roles when calculating the maximum potential earthquake magnitude in seismic hazard evaluation.
Key words: Wenchuan earthquake     Xiaoyudong fault     Transverse structure     Coulomb stress analysis    
1 引言

地震危险性分析需要估算某一断层系统在未来地震中的最大潜在震级,而震级大小与破裂长度成正比.大地震的同震破裂往往由几何不连续部位(即横向构造,如阶区、弯曲或分叉)所分隔的多个段落所组成.长期以来,人们认为这些构造几何复杂部位在控制破裂的起始、演化和终止,从而决定了地震震级大小(Zhang et al., 1999; Zoback et al., 1999; Wesnousky,2006;Oglesby et al., 2008;Elliott et al., 2009; Finzi and Langer, 2012; Lozos et al., 2012).世界范围地震观测结果(Zhang et al., 1999; Wesnousky,2006; Barka and Kadinsky-Cade, 1998)和破裂扩展的数值模拟(Harris and Day, 19931999; Kase and Kuge, 1998; Oglesby et al., 2008; Lozos et al., 2012)都显示:宽度大于3~5 km的阶区对走滑型地震破裂的扩展会造成明显的障碍作用.然而现有研究主要针对走滑断层,对于倾滑型地震破裂研究较少.一个很重要的原因是倾滑型震例较少,缺乏相应的观测数据约束和理论模 拟(Oglesby et al., 1998;Magistrale and Day, 1999; Oglesby and Day, 2001; Duan and Oglesby, 2006; Tamura and Ide, 2011).因此,我们对断裂复杂几何结构在逆冲型破裂扩展的影响等研究程度偏低.

2008年汶川Mw7.9地震破裂在扩展过程中穿过了数个复杂阶区,形成破裂长度长、震级大的破坏性地震,是最大逆冲型板内地震之一(Liu et al., 2009; Xu et al., 2009; 李海兵等,2008).其中小鱼洞断层是汶川地震破裂带上一个重要的几何不连续部位(图 1).地震地表破裂填图结果(Liu et al., 2009; Xu et al., 2009; 李海兵等,2008)显示:北东走向的北川断层和彭灌断层在北西向小鱼洞断层两侧发生了明显的错位或弯曲.一些研究者注意到这一垂直于主破裂带的横向断层位置的特殊性,并对其运动学和构造意义进行了探讨(Chang et al., 2012; Liu et al., 2012; Tan et al., 2012; Chen et al., 2013).余震精定位结果显示,在小鱼洞破裂的延长线上存在一条走向北西、长度约30km的余震集中分布条带(黄媛等,2008; 陈九辉等,2009);强余震(M≥4)震源机制解结果(郑勇等,2009)以走滑为主,与小鱼洞断层的运动性质匹配.由于走向与主破裂近垂直,震源机制解与余震主体不同,因此该余震条带在汶川地震余震分布中显得尤为异常.这些都指示小鱼洞断层在汶川地震破裂过程中具有重要作用,值得深入探讨.

图 1 汶川地震小鱼洞地区地表破裂及邻区活动破裂图(据Liu等(2012)修改)
红线代表汶川地震地表破裂,黑线为地质断层.
Fig. 1 Map of surface ruptures around Xiaoyudong in Wenchuan earthquake and active faults in the area(modified from Liu等(2012))
Field mapped surface ruptures are shown in red,geological faults are shown in black.

汶川地震破裂反演结果显示破裂在30 s内初始阶段过程比较复杂,在破裂前锋到达小鱼洞断层附近时,可能发生了重要的转换.比如王卫民等(2008)的反演结果显示汶川地震破裂前锋在小鱼洞 断层附近出现了2~4 s的“停滞”,越过该区后,破裂加速向北东方向扩展;Shao等(2010)以及Hartzell 等(2013)的模拟表明,破裂在彭灌断层上向北东和向浅部扩展约20 s后,另一支破裂才出现在北川断层上,且首先出现在震中北东42 km的近地表部位,然后该支破裂向北东和南西双向扩展.这样的破裂顺序细节与目前关于汶川地震破裂的主流观点不同.此外,北川断层上初始破裂出现的部位大致对应着与小鱼洞断层相交的位置,指示出小鱼洞断层在两个平行断层动态破裂相互作用方面可能发挥了重要作用.

虽然已有的研究成果显示在小鱼洞断层附近破裂过程的不连续性,但是对该现象还没有给出动力学的合理解释.运动学反演可以推测发生了什么过程,但其本身并不能告诉我们为什么会有如此复杂的过程.比如,随着破裂向北东方向扩展,北川断层与彭灌断层之间具有什么样的应力作用?是北川断层还是彭灌断层更有可能促进了小鱼洞断层参与破裂过程?小鱼洞断层发生破裂后对周边断层会有什么影响?是否促进了北川断层上破裂在交叉点处的双边扩展?回答这些问题需要借助地震动力学的分析手段.

本文以小鱼洞断层附近的断层分支为研究对象,以现有的地球物理反演和地质调查得到的同震位移及断层的几何结构为基本数据,探讨汶川地震破裂在横向构造部位及在多分支断裂中选择破裂扩展路径时的可能应力状态及汶川地震各断裂分支在小鱼洞断层附近的应力相互作用.

2 研究背景

龙门山构造带由一系列逆冲或逆冲兼走滑断裂组成,主要包括龙门山后山断裂(汶川—茂汶断裂)、龙门山中央断裂(映秀—北川断裂,本文简称为“北川断层(BF)”)、龙门山山前断裂(灌县—江油断裂,简称为“彭灌断层(PF)”)等三条主干断裂和山前隐伏断裂组成.三条主干逆冲断裂相互近平行,沿N40°—50°E向展布,一同构成宽30~40 km的活动断裂带(Densmore et al., 2007; 邓起东等,1994).其中,北川和彭灌两条主干断裂都有地表同震破裂.小鱼洞地表破裂夹持在近平行的北川断层和彭灌断层组成的主破裂带之间,全长约8km,总体走向130°,为南西盘抬升、逆冲兼具左旋走滑性质(图 1).其北西端与北川断层南段相交,位于北川断层向北西突出的位置;南东端与彭灌断层南段相交,位于彭灌断层南北段右阶雁列的阶区部位,以“楔形”夹持于两断层之间.小鱼洞断层(XF)在近地表的倾角较缓,约为30°,向下与彭灌断层交汇,是连接北川断层和彭灌断层的侧向断坡(Liu et al., 2012).

基于地震台网记录的波形数据(Ji and Hayes, 2008; 王卫民等,2008)和GPS/InSAR静态运动学反演(Shen et al., 2009)表明,汶川地震发震断裂深部破裂面平均倾角约33°左右.同时破裂在倾向上从深部往浅部扩展中分叉,在两条近平行断层上造成了滑动位移分解(Liu et al., 2009; Xu et al., 2009; 李海兵等,2008),其深部向下倾角变缓,在深约15~20 km附近的地壳中部近于水平,并入地壳中部滑脱层(Xu et al., 2009).在剖面上,倾角50°的北川断层与倾角30°的彭灌断层可能在10~14 km相交,交线以下的深部倾角保持30°左右,与彭灌断层的倾角相似.Ji等(2008)基于以上断层结构的破裂过程运动学反演结果表明,彭灌断层在地震破裂的初始20~30 s为主要破裂面,而北川断层则是彭灌断层的上盘分叉出来的倾角更陡的分支断层,其上的破裂要晚于彭灌断层.如此丰富的破裂过程细节在其他数个研究结果中再现(Shao et al., 2010; Hartzell et al., 2013).

本文的分析聚焦于破裂初始的20~30 s(破裂转播仅限于距震源50多千米)的多条断层分叉的可能应力状况,因此我们采用Ji等(2008)的断裂系几何构成.另外,由于小鱼洞断层长度仅8 km,与破裂过程运动学反演的断裂几何模型的像元大小相当(常见的为5~6 km),因此反演模型中由于分辨率缘故被忽略.在本研究中,我们使用Liu等(2012)的野外实测结果来补充小鱼洞断层的位移滑动矢量分布.在此基础上我们构建了小鱼洞附近各断层滑动分布模型(图 2).

图 2 用于计算库仑应力变化的断层模型,红色虚线表示断层模型在深部的延伸位置(据Ji等(2008)修改)Fig. 2 Fault model used to calculate Coulomb stress change,Red dashed line indicates the deep position of the fault model(modified from Ji et al.(2008))

以小鱼洞断层为界,我们将北川断层和彭灌断层分为南北两段(北川断层的南、北段简写为BF1和BF2,彭灌断层的南、北段简写为PF1和PF2,小鱼洞断层简写为XF),进行如下三个步骤的分析:(1)首先将小鱼洞断层以南、北川断层与彭灌断层汇合部位以下的断层面作为触发断层,计算对周边各断层的应力作用;(2)然后分析如果地震破裂沿北川断层,或者沿彭灌断层扩展,在破裂到达小鱼洞断层之前,已破裂断层面上的位移对周边断层的应力作用;(3)在此基础上加入小鱼洞断层作为触发断层,讨论对周边断层,尤其是破裂前方断面上的应力状态.

应该指出,将库仑应力分析运用于破裂动态过程并非很恰当,因为库仑应力分析的前提是已知触发断层的滑动矢量及目标断层的产状及滑动角等参数,这在动态破裂过程中是未知的,同时库仑应力分析是基于静态应力,难以模拟实际地震破裂过程的动态复杂性.但是,由于倾滑型地震中破裂滑动方向与破裂扩展方向不同,造成破裂过程更复杂,现有的动态数值模拟方法仍难于兼顾复杂断面几何和自破 裂动态应力触发机制(Oglesby et al., 1998;Magistrale and Day, 1999; Oglesby and Day, 2001; Duan and Oglesby, 2006; Tamura and Ide, 2011),尤其是本文所涉及的多断裂相交的复杂几何结构,至今无人能解.因此,我们考虑准动态的过程,将破裂的过程分解为阶段性的时间快照,以库仑应力分析为手段,通过不同的破裂顺序组合方式,分析已发生破裂断面的位移滑动对破裂前方断面上的静态应力作用.这样的库仑应力分析,因为没有考虑破裂前锋近场动态应力的作用,可能还不能预测破裂的真实过程,但是库仑应力的远场效应仍然对地震破裂在各断层段间扩展的前后顺序等准静态过程有一定的约束.

3 研究方法及结果

近年来,大地震产生的库仑应力变化在时间和空间上对后续地震活动影响的研究受到广泛关注(Stein,1999).库仑应力分析常被应用于较大独立地震的触发研究(King et al., 1994)、一次大震的主震对余震的应力作用(Toda et al., 2011)及一次震群活动中几次较大震级地震之间的应力解释(张竹琪等,2008).一般认为超过0.1×105 Pa的库仑应力变化就会影响断层的应力分布状态(King et al., 1994).根据弹性位错理论,可以计算出断层滑动对周边断层面上造成的应力变化(Okada,1992),之后根据库仑破裂准则就可计算特定断层面(含有走向、倾向和滑动角等参数)上库仑应力变化的大小:

式中Δσf为计算断层面上库仑应力变化,Δσn是计算断层面上正应力变化(拉伸应力为正值),Δτs是断层面上剪应力的变化(与滑动方向同向为正),μ′为等效摩擦系数.由于摩擦系数是无法直接观测的物理量,因此多数研究通常根据经验赋值.Parsons 等(1999)认为大陆逆冲断层的摩擦系数较高(~0.8),走滑或未知断层的摩擦系数适中(0.4),主要转换断层,如圣安德列斯断层的摩擦系数较低(>0.2).由 于龙门山地区主要断层滑动速率比较低(<3 mm/a)(张培震等,2008),推断该区域断层的摩擦系数可能较大,所以本次计算采用μ′=0.6.一般认为,当地震位移引起接收断层上的库仑应力增加(Δσf>0)就有利于该断层的破裂或地震触发,反之,库仑应力减少(Δσf<0)将抑制或延迟接收断层的破裂或地震的发生.

首先,当彭灌断层南段PF1深部作为触发断层时(图 3),在其邻近区域的北川断层BF1和BF2和彭灌断层南段PF1浅部都有正应力触发作用,部分区域达到了5×105 Pa以上,有利于上述两个断层的破裂扩展.同时对彭灌断层北段PF2有0~2×105 Pa的正应力促进作用.对小鱼洞断层XF有大于2×105 Pa的正应力促进作用.因此对北川断层南段和彭灌断层南段浅部均有正应力促进作用.接下来我们考虑两种分叉路径情景:

图 3 彭灌断层南段(PF1)深部作为触发断层时对周边断层面上造成的库仑应力分布.小鱼洞断面上,白色虚线夹持的部分为汶川地震同震破裂的范围,触发断层的轮廓以粗黑线标示(未出露地表的深部断面以虚线表示).下同Fig. 3 Coulomb stress change on the fault plane of adjacent faults,caused by deep part of southern Pengguan fault(PF1). The intersection between the Xiaoyudong and Pengguan faults is shown as white dashed line. Source fault outlines are marked by bold black lines(dashed for fault plane at depth). Annotations are kept consistent in all figures

图 4 北川断层南段(BF1)和彭灌断层南段(PF1)深部作为触发断层时对周边断层面上造成的库仑应力分布Fig. 4 Coulomb stress change on the fault plane of adjacent faults,caused by southern Beichuan fault(BF1) and deep part of southern Pengguan fault(PF1)

(1)如果破裂进而沿北川断层BF1段扩展(图 4),对北川断层BF2段整体上具有正应力促进作 用,在其南西端甚至达到了5×105 Pa,但对彭灌断 层PF2段南西端浅层有0~-3×105 Pa负应力抑制作用.对彭灌断层PF1段不同区域具有不同的应力作用,总体上负应力区范围偏多,在小鱼洞断层XF上具有小于-5×105 Pa的负应力抑制作用,在这种情况下不利于小鱼洞断层的破裂扩展.

(2)如果破裂选择沿彭灌断层PF1段扩展(图 5),对北川断层BF1段不同区域具有不同的应力作用,正负应力影响区的范围大小类似,值得注意的是在BF1浅部有较大的正应力影响.此外,对北川断层BF2段和彭灌断层PF2均具有正应力促进作用,尤其在PF2的南西端浅部甚至达到了5×105 Pa.与图 4中的结果不同的是,在该情况下对小鱼洞断层却有大于5×105 Pa的正应力促进作用,有利于该断层的破裂.

图 5 彭灌断层南段(PF1)作为触发断层时对周边断层面上造成的库仑应力分布Fig. 5 Coulomb stress change on the fault plane of adjacent faults,caused by southern Pengguan fault(PF1)

那么小鱼洞断层破裂后对周边断层会有什么样的影响?我们接下来分析彭灌断层或北川断层与小鱼洞断层组合滑动对破裂前方断面上的应力影响:

(1)彭灌断层PF1段深部、北川断层BF1段和小鱼洞断层XF作为触发断层时对北川断层BF2段整体上具有正应力促进作用,在其南西端甚至达到了5×105 Pa(图 6).对彭灌断层PF2段浅层有小于-5×105 Pa的负应力抑制作用,其余部分有0~2×105 Pa的正应力促进作用.对彭灌断层PF1段不同区域具有不同的应力作用,但在彭灌断层PF1段与小鱼洞断层相交的部位有强烈的正应力作用.

图 6(a)、(b)和(c)为彭灌断层南段(PF1)深部、北川断层南段(BF1)和小鱼洞断层(XF)作为触发断层时对周边断层面上造成的库仑应力分布;(d)和(e)为彭灌断层南段(PF1)和小鱼洞断层(XF)作为触发断层时,对周边断层面上造成的库仑应力分布Fig. 6(a),(b) and (c)are Coulomb stress change on the fault plane of adjacent faults,caused by deep part of southern Pengguan fault(PF1),southern Beichuan fault(BF1), and the Xiaoyudong fault(XF);(d) and (e)are Coulomb stress change on the fault plane of adjacent faults,caused by southern Pengguan fault(PF1) and the Xiaoyudong fault(XF)

(2)彭灌断层PF1段和小鱼洞断层XF作为触发断层时,对北川断层BF1段不同区域具有不同的应力作用,对北川断层BF2段整体上具有正应力促进作用,对彭灌断层PF2段整体上具有正应力促进作用,但在南西端浅部区域具有-5~0×105 Pa的负应力抑制作用(图 6).

图 4图 6进行对比我们可以看出:小鱼洞断层XF位移滑动后,使得位于其下盘的北川断层BF2段和其上盘的彭灌断层PF1段的正应力作用的范围加大了,有利于上述两部分断层的破裂扩展,但对位于小鱼洞断层下盘的PF2的负应力作用的 范围加大,可能会抑制该断层段的破裂.同理,图 5图 6进行对比可以得到相似的结论,同时对位于小鱼洞断层上盘的北川断层BF1段具有负应力的抑制作用.

从前面的分析可以看出,北川断层南段BF1的滑动对小鱼洞断层的破裂起到了负应力抑制的作用,而彭灌断层南段PF1的滑动会对小鱼洞断层的破裂起到促进作用.此外,由于小鱼洞断层具有左旋走滑分量,使得对分别位于小鱼洞断层面两端两条近平行的北川断层和彭灌断层呈现出不同的库仑应力作用:对位于小鱼洞断层上盘的彭灌断层PF1和位于小鱼洞断层下盘的北川断层BF2具有正应力触发作用,对位于小鱼洞断层上盘的北川断层BF1和位于小鱼洞断层下盘的彭灌断层PF2具有负应力抑制作用.但是由于小鱼洞断层的规模较小,使得与之连接的两个断层面都呈现出在离开小鱼洞断层面4~5 km距离之后的库仑应力分布迅速衰减的特性,即小鱼洞断层对两个近平行断层的影响范围是有限的,小鱼洞断层产生的静态应力影响在汶川地震破裂过程中起到的作用较小.

综上所述,图 7概括了不同断面破裂位移组合顺序对前方断面的应力促进或抑制的影响.汶川地震破裂在从深部向上和向北东方向扩展过程中遇到数个断层相交或分叉的路径选择.如果在第一个分叉结合部选择了北川断层BF1破裂路径后,由于对彭灌断层PF1和小鱼洞断层XF产生负应力作用,而对北川断层中段BF2的正应力作用,破裂有可能就会绕过断层PF1和XF,而直接往北川断层中段BF2上扩展.最终破裂将会比汶川地震实际发生的情况要简单的多.但是如果在第一分叉结合部首先选择了往彭灌断层PF1段的浅部扩展,对北川断层BF1,小鱼洞断层XF和彭灌断层中段PF2等均有正应力的影响,可能促进破裂的多路径扩展.所以,从静态应力的角度来说,第一个分叉点处的路径选择在破裂最终形式上有较大的影响.

图 7 汶川地震破裂路径选择的可能性强弱差异示意图
黑色实线表示破裂可以沿该路径传播,灰色虚线表示地震破裂不能沿该路径扩展,灰色实线表示该路径的选择有可能性,但较弱.
Fig. 7 Sketch map of the possible routes of the Wenchuan earthquake rupture,showing the different strength of these routes.
Solid Black line represents the rupture can spread along the path,the gray dotted line represents the earthquake rupture cannot be extended along the path, and the gray solid line represents the path of the selection possible,but weaker.
4 讨论

与其他逆冲型地震相比,汶川地震破裂之复杂 程度使之成为一个比较突出的地震事件.第一,龙门 山断裂带的两条相距约10 km的近平行断层上参与了同震破裂过程,造成多个不同角度逆冲断层的同震位移分配和运动性质的分异.诚然,由于各研究小组的测量位置不同、测量和计算误差等因素,在实际地表破裂长度、位移量及各分量和滑动角等具体细节上存在差异,但是也存在一些共识(Liu et al., 2009; Xu et al., 2009; 李海兵等,2008):汶川地震的同震滑动主要分布于倾向北西的高角度北川断层和低角度彭灌断层.北川断层的地表破裂长度约为 220±20 km,运动方式在南部逆冲分量大于走滑分量,向北东方向右旋走滑大于逆冲分量;而彭灌断层的地表破裂长度达70±10 km,表现为纯逆冲运动的破裂特征.此外,在上述两个地表破裂带之间还发育着一条北西向、带有逆冲兼左旋走滑性质的小鱼洞地表破裂带,长约8 km.由于远震体波对地震破裂过程反演的局限性,使得其无法区分相距很近的近平行断层的破裂过程及滑动矢量分布,早期模型仅用单一断层进行模拟计算(Ji and Hayes, 2008; 张勇等,2008),无法再现汶川地震破裂的丰富度.尤其是小鱼洞断层的地表破裂长度只有8 km,长度与破裂过程反演模型的网格分辨率相当,甚至更小(Shen et al., 2009; Ji et al., 2008; 王卫民等,2008),所以已发表的断层模型中都忽略了小鱼洞断层的同震位移.

第二,汶川地震破裂在总长度和平面几何复杂度等方面也比较突出,表现在破裂沿断层走向上跨越了数个不同尺度的阶区、弯曲和撕裂断层等横向构造和几何不连续体.其中最广为人知的是位于北川以南的擂鼓阶区,即汶川地震破裂由逆冲分量大于走滑转为右旋走滑大于逆冲分量的转换部位(刘静等,2008; 王卫民等,2008).而小鱼洞断层所对应的阶区,虽然一直还未得到充分关注,但是它在汶川地震破裂中的重要性不亚于前者.最近的汶川地震破裂详细研究,比如Shao等(2010)Hartzell等(2013),发现北川断层上的破裂在与小鱼洞断层的相交部位出现双向扩展,其中一个破裂前锋向南西,即震中方向扩展的反向破裂.此类破裂向震源方向的反向扩展等现象虽然不常见,但以往也曾有过类 似的观测或推测,如研究人员基于地震破裂填图推 测1992年Mw7.3 L and ers地震具有上述特性(Zachariasen and Sieh, 1995),后来在数值模拟研究中得到一定的支持印证(Fliss et al., 2005).又如,2010年Mw7.2 El Mayor-Cucapuh地震中也发现类似的现象(Hudnut et al., 2010).在已知的破裂反向扩展的震例中,一个共性特点就是这些异常过程发生在几何交切关系较复杂的断裂体系或阶区附近,暗示断层几何结构的重要性.

对于斜冲型破裂在从深度向浅部扩展并分叉的现象,最近的二维数值模拟结果(Tamura and Ide, 2011)认为,倾角较小断面上的滑动可以触发倾角较大的断面上的破裂,而且大倾角断面上起始破裂的地方发生于浅地表部分.这样的模拟结果似乎与汶川地震破裂过程相当吻合,汶川地震中彭灌断层(小倾角断面)上的破裂为主要驱动,带动了在北川断层(大倾角断面)上的延迟破裂,而且破裂起始于近地表(Shao et al., 2010).本文的库仑应力分析表明,彭灌断层(小倾角断面)发生的位移对北川断层(大倾角断面)是正应力影响,可以促进其上的破裂和位移.反之,北川断层的位移滑动对彭灌断层会起到抑制的负应力影响.因此,动态和静态应力分析得到的破裂顺序过程总体上较为一致,从而以应力角度支持这样一种可能性:汶川地震破裂的初始阶段,在彭灌断层上破裂扩展优先于北川断面.如果这样,那么目前关于汶川地震破裂的主流观点应该加以修正.但是滞后启动的北川断层上破裂是源于深部还是浅部?是远场触发还是近场传递?

Tamura和Ida(2011)的二维模拟中,倾角较大断面上的破裂初始出现在浅表部位,可能是倾角小断面破裂产生的应力扰动与地表边界效应的叠加,属于远场触发.这样的二维模拟结果似乎还不能直接引伸到三维的几何结构,因为根据该模型的逻辑,初始破裂应该可以出现在沿断层走向的任何部位,不能解释Shao等(2010)的反演结果,即北川断层上破裂初始出现在震中约40多千米,而不是其他任何部位.初始破裂相仅出现在与小鱼洞断层相交的位置.为什么会在小鱼洞断层附近的阶区发生如此复杂的破裂过程?在本文库仑应力分析中,由于小鱼洞断层的长度和位移均较小,其产生的静态库仑应力影响有限,不足于产生突出的作用.因此,破裂前锋面的动态应力作用可能起主导作用.Oglesby等(2008)的 2D数值模拟研究认为:地震破裂在初始破裂断层上的快速终止产生较强的停止相(strong stopping phases)是造成第二个断层上的破裂成核的原因.Elliott等(2009)在此基础上提出:破裂在接近阶区时,拥有较高滑动量变化梯度的地震破裂更有可能跨过这些阶区,而滑动梯度较低的地震破裂,通过这些阶区的可能性将大大减小,并通过7个地震中破裂阶区处的滑动量的变化梯度的统计计算得到验证.总之,动态破裂过程中破裂前锋的应力场扰动项,虽然其作用的空间范围较小(近场效应),但其量值幅度较大,不容忽视,特别是在断层间联通性较好的几何结构条件下.

Magistrale和Day(1999)的动态破裂数值模拟专门讨论了逆冲断裂体系的断层几何对破裂扩展的作用.该模型假设两条错开的平行逆冲断裂段,有横向斜坡的联接和没有横向斜坡的不连续跳跃等两种几何结构.他们的模拟显示,对于由多个段落组成逆冲断层,如果段落间由横向斜坡相连接,10 km长的破裂能够跨越2~5 km宽的阶区.然而如果没有撕裂断层将他们联系起来,可跳跃的宽度就降到约为0.1 km.因此,多段落逆冲断层系统中,横向斜坡或撕裂断层为破裂提供连接构造,其牵引效应使得逆冲断层比走滑断层更容易越过段落边界.

地震危险性分析中一项重要内容就是对研究区发震断裂及其潜在地震的破裂长度和震级的估算.破裂能否跨过几何不连续部位继续扩展在确定地震 破裂最终长度方面起着重要作用.如果说Magistrale和Day(1999)的模拟结果为我们提供了一个理论基础,那么在汶川地震破裂中的小鱼洞断层作为实际震例为此提供了数据支持:横向构造为地震破裂转换连接提供传递路径.撕裂断层等横向构造在逆冲型地震破裂中可能起到桥梁作用,促进破裂跨过断层的几何不连续的段落边界,进而发育成更长的破裂和更大的震级.鉴于撕裂断层在逆冲断层系统中的普遍存在,在地震危险性分析研究中,如果不考虑它们在破裂过程中的促进作用,我们有可能低估多断层段组合式连锁破裂的可能性,从而可能低估逆冲褶皱冲断带的最大潜在震级大小.

5 结论

5·12汶川地震以其较长的破裂长度、不同倾角近平行断层同时参与同震破裂和复杂的平面几何结构及破裂过程,为我们研究逆冲型地震提供了一个很好的震例.我们以库仑应力分析为手段,通过不同的破裂顺序组合方式,探讨在汶川同震破裂初始30 s内,破裂在多分支断裂中选择扩展路径时的可能应力相互作用.分析显示:如果北川断层先发生破裂,其滑动对小鱼洞断层和彭灌断层均产生强烈负应力的抑制作用,而彭灌断层的滑动却对小鱼洞断层和北川断层浅部有强烈正应力的促进作用,表明彭灌断层更有可能先于北川断层发生破裂.小鱼洞断层在链接北川和彭灌断层的同震位移中可能起到桥梁作用,为破裂过程中破裂前锋的应力场扰动提供了传递路径.横向构造在逆冲型地震破裂扩展过程中起到的牵引作用使得逆冲型地震破裂能够比走滑型地震跨越更宽的阶区.横向构造是逆冲断裂带内广泛发育的构成单元,因此在地震危险性分析的最大潜在震级测算中应该考虑其作用.

致谢 本文的库仑应力计算应用了Shinji Toda等开发的Coulomb3.3软件,在此表示感谢;感谢张竹琪副研究员在本文的计算过程中的有益讨论和帮助;同时感谢匿名审稿专家对本文提出的问题及建设性修改意见.

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