泸定M 6.8地震同震重力与形变效应模拟研究——闭锁剪力孕震模式的新证据.pdf
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1、书书书第 卷第 期()年 月中 国 地 震 金雯,谈洪波,申重阳,等 泸定 地震同震重力与形变效应模拟研究 闭锁剪力孕震模式的新证据 中国地震,():泸定 地震同震重力与形变效应模拟研究 闭锁剪力孕震模式的新证据金雯,)谈洪波,)申重阳,)申宇彤,)中国地震局地震研究所,武汉 )湖北省地震局,武汉 摘要 年泸定 地震为近期川滇地区显著强震。本文基于 平面矩形弹性位错理论,采用已有的由地震波反演获得的同震破裂模型,模拟研究了泸定 地震产生的地表同震重力变化、垂直位移和水平位移。结果表明:同震重力变化图像具有以发震断层为界,呈正、负四象限对称分布特征,与震前(年 月 年 月)实测重力变化图像和发震
2、断层左旋走滑特征具有一致性,说明其孕震过程可用闭锁剪力模型来解释;在远场区域,同震垂直位移图像与重力变化图像类似,位错引起的介质密度变化效应大于地表垂直位移效应,而近场地表垂直位移效应大于介质密度变化效应,显示出负相关性;同震水平位移图像具有对称的四象限特征,与 实测结果显示的变形特性一致。该结果可为地震前后重力、形变观测结果的解释提供依据,同时为强震孕育的机理研究提供线索,尤其为闭锁剪力孕震模式的进一步完善提供了新的实例依据。关键词:泸定地震同震模拟重力变化形变闭锁剪力 文章编号 ()中图分类号 文献标识码 收稿日期 修定日期 项目类别 国家自然科学基金(、)、国家重点研发课题()共同资助
3、作者简介 金雯,女,年生,硕士研究生,主要从事重力观测与应用研究。:谈洪波,通讯作者,男,年生,副研究员,主要从事重力观测技术与位错理论应用研究。:引言据中国地震台网测定,北京时间 年 月 日 时 分四川甘孜藏族自治州泸定县(,)发生 地震,此次地震是继漾濞 、玛多 、芦山 、马尔康 地震之后,近 年来在青藏高原中东部地区发生的第 次 地震(李传友等,),也是近 年来四川地区发生的 地震中人员震亡最多的一次(许娟等,)。泸定 地震位于青藏高原东南缘鲜水河断裂带南东段的磨西断裂带附近,系鲜水河、安宁河和龙门山断裂的交汇处(图 )(单新建等,)。鲜水河断裂带是巴颜喀拉块体与川滇菱形块体的边界,具有
4、左旋走滑活动特征(郭长宝等,;孙东等,)。研究 中国地震 卷表明,本次地震的发震断层磨西段是全新世强烈活动的断裂,其位于贡嘎山东侧、大渡河西侧,断裂沿线地质条件和地貌地形较为复杂,历史地震频发(熊探宇等,;李彩虹等,)。注:时间为 年,红色五星表示泸定 地震,下同。图 区域地震活动与断裂构造背景关于泸定 地震的破裂模型,已有一些地震学研究结果,如中国地震局地震预测研究所给出的结果显示,泸定地震为左旋走滑剪切型破裂,破裂面呈 走向,同时向南北两侧扩展,破裂方向与鲜水河断裂带南段磨西断裂延伸方向基本一致,最大滑动量达 ;中国地震局地球物理研究所利用全波形数据的迭代反褶积与叠加方法来反演地震破裂过程
5、,得到断层破裂模型,地震矩震级为 级;王卫民等通过远场体波波形数据获得了该地震的震源破裂过程模型,得出本次地震为高倾角走滑型事件,震源深度约为 ,最大滑动量为 。这些地震学结果为更深入地理解泸定地震机制和理论模拟研究提供了参考。根据震前重力场变化图像,中国地震局重力学科组对此次地震进行了较好的预测,泸定地震正好位于重力学科 年底划定的年度重点危险区内,其主要判据之一为 年月 年 月重力测量结果(图 ):显著正变化呈现 向条带状,正负最大差异达 ;震前重力变化大致以石棉康定为中心呈现四象限分布特征。这种震前特征是否与同震破裂机制存在联系,是否可用申重阳等()提出的闭锁剪力模式来解释,是值得研究的
6、问题。为此,本文基于弹性半无限空间矩形位错理论,采用张勇和王卫民发布 :湖北省地震局 年度重力学科地震趋势会商报告 期金雯等:泸定 地震同震重力与形变效应模拟研究 闭锁剪力孕震模式的新证据的由远场地震波反演的泸定 地震发震断层模型,从理论上模拟了此次地震引起的地表同震重力和形变效应,并与实际观测资料进行对比分析,以期理解泸定地震的发震和孕育机制,为地震预测和地震危险性评估提供实例参考。图 泸定地震前实测重力场变化 同震位错引起的地表重力和形变变化的理论公式自 ()将位错理论引入地震学以来,很多学者研究了半无限空间均匀介质地球模型的同震变形问题。()总结并整理了前人的工作,给出一套完整简洁实用的
7、同震变形计算公式,适用于计算任何剪切与张性断层引起的位移、应变和倾斜变形;(、)研究了半无限空间介质内剪切和张裂断层的重力变化问题,利用类似于 ()的方法导出点源和有限断层的同震重力位和重力变化的解析表达式;()和 等()基于地球曲率和层状结构,提出球形地球模型位错理论;()研究了地球内部横向不均匀结构的影响,对球形位错理论进行了补充。考虑到地震破裂的局域性和地震孕育过程的能量积累主要以弹性应力应变形式进行,地震位错引起的重力及形变变化往往具有以发震断层为中心、随距离增大而较快衰减的特性,因此本文选择弹性平面位错理论进行研究。单条断层错动 ()指出,在各向同性的弹性半无限空间介质中,一个沿断层
8、面的位错 在 中国地震 卷空间中任意一点(,)产生的位移场为 ()(,)()式中,为克罗内克()符号,和 为拉梅常数,为位错面法向量的方向余弦,代表 方向的错动引起的 方向上的位移。在(左旋)直角坐标系下,为水平地面,垂直向下;设矩形断层(断层下盘)的长和宽分别为 和,为断层面倾角,、分别对应于任意位错的走滑、倾滑和引张位错分量,为断层底界深度(图 ),在自由地表某点(,)引起的重力变化 和地表变形 可以分别表示为(,)(,)(,)(,)(,)(,)(,)()(,)(,)(,)(,)()其中,为万有引力常数;为介质密度;为张裂纹内密度与介质密度之差;(,)、(,)、(,)、(,)和 (,)、(
9、,)、(,)为系数(,;,);自由空气重力梯度 ;为地表高程变化(,);双竖线符号“”可表示为(,)(,)(,)(,)(,)(,)()其中,与断层倾角 关系式为 ()图 矩形断层位错模型示意图 多断层错动设一地表坐标系 ,轴指向正东,轴指向正北,轴垂直向下,(,)为断层顶部地表迹线(或投影线)中点(图 )。设断层方位角为 ,则由 条断层位错引起的地表任意一点(,)的地表形变 和重力变化 可表示为多条单断层模型的叠加,即 (,;,)()期金雯等:泸定 地震同震重力与形变效应模拟研究 闭锁剪力孕震模式的新证据 (,;,)()由公式()、()可以得到,断层尺寸(长、宽)、断层产状(倾向、倾角、走向)
10、、断层位置(埋深、方位、中心投影坐标)以及错动性质(错动量的大小、错动方式)是影响地表形变效应和重力变化的关键因素。图 断层运动地表坐标系示意图 泸定 地震同震破裂模型选取张勇给出的同震破裂模型(简称张勇模型,下同)和王卫民给出的同震破裂模型(简称王卫民模型,下同)分别进行计算分析(图 )。个破裂模型包含多个子断层,每个子断层的参数包括中心位置(经度、纬度)、中心深度、滑动量、滑动角、方位角和倾角。图 泸定 地震滑动分布模型张勇模型断层面上的静态滑动分布如图 ()所示,结果显示震中 、,震源深度 ,越靠近最佳矩心震源,滑动量越大,最大静态位错约为 。其发震断层的参数为:走向 、倾角 、滑动角
11、,该断层分别沿走向和倾向方向均匀地分成 块子断层,每个子断层的尺度为 ,并给出了每个子断层的滑动角和滑动量。中国地震 卷王卫 民 模 型 断 层 面 上 的 静 态 滑 动 分 布 如 图 ()所 示,结 果 显 示 震 中 、,震源深度 ,最大静态位错约 。发震断层参数为:走向 、倾角 、滑动角约 ,该断层分别沿走向和倾向方向均匀地分成 块子断层,每个子断层的尺度为 。这 种模型均是基于泸定地震的远场地震波形数据反演得到的,尽管其发震断层均表现为左旋走滑特征,但在断层破裂长度、宽度、震源深度、滑移量等方面具有明显差异。地表同震重力变化模拟结果基于上述理论公式和 种断层破裂模型,模拟计算泸定
12、地震引起的地表同震重力变化。根据同震效应影响的范围,选取计算区域为 、,单元网格尺寸为 。根据张勇模型的模拟结果(图 (),地表重力变化图像呈现明显的四象限分布特征,以发震断层为界,近震区(距发震断层小于 )以东区域呈现正的重力变化,最大正变化量约 ,震中以西区域呈现负的重力变化,最大负变化量约 ;远震区(距发震断层大于 )的北东区域和西南区域呈现正重力变化,而西北区域和东南区域呈负重力变化。重力变化峰值出现在鲜水河断裂南东端和安宁河断裂北端交汇处。图 泸定 地震断层位错引起的同震重力变化根据王为民模型的模拟结果(图 (),其远震区的重力变化与张勇模型模拟结果基本特征一致;近震区存在差异,主要
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