編者按：汶川地震發(fā)生后，多種考察資料和研究分析不斷豐富，中科院青藏高原研究所王衛(wèi)民副研究員、地質(zhì)與地球物理研究所姚振興院士綜合了地質(zhì)構(gòu)造、波形記錄、GPS等資料對(duì)汶川8.0級(jí)地震的震源破裂過(guò)程做了重新分析。本網(wǎng)特對(duì)2位專家這一重要研究結(jié)果采寫了專稿。

1、四川汶川地震區(qū)的地質(zhì)構(gòu)造背景

2008年5月12日，在四川龍門山地區(qū)發(fā)生了8.0級(jí)地震。龍門山山脈位于青藏高原東緣，它是由于青藏高原向東強(qiáng)烈擠壓揚(yáng)子克拉通西緣—四川盆地而形成的高山地區(qū)，在橫向不到50km的距離內(nèi)地形起伏達(dá)到5km以上，為青藏高原邊緣最劇烈的地形梯度帶。在龍門山斷裂帶內(nèi)主要有三條斷層帶，從北西向南東它們分別為：沿汶川—茂汶的龍門山后山斷裂帶；沿映秀—北川的龍門山中央主斷裂帶；沿都江堰—安縣的龍門山山前主邊界斷裂帶，如圖1所示。在垂直剖面上，這三條斷層呈鏟式疊瓦狀向四川盆地推覆，在地表出露處斷層傾角大于60°，沿北西方向斷層傾角隨著深度增加而減小。在龍門山構(gòu)造帶西側(cè)20km深度處的中地殼存在3～5km的低阻層，可能是地殼深部物質(zhì)滑脫的拆離帶，因此這三條斷層最后在深度20km收斂合并成一條剪切帶。地質(zhì)調(diào)查表明，龍門山構(gòu)造帶的幾條主斷裂帶自晚第四紀(jì)以來(lái)均顯示由北西向南東的逆沖運(yùn)動(dòng)，并伴有顯著的右旋走滑分量。單條斷層平均水平位錯(cuò)量與垂直位錯(cuò)量大致相當(dāng)，約為1mm/a左右（周榮軍等，2006）。在長(zhǎng)期的北西—南東方向區(qū)域構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)的作用下，積累的應(yīng)變能最終以大地震的方式釋放，造成極大破壞。

圖1 汶川地震區(qū)域構(gòu)造背景

1、茂汶-汶川斷裂，2、北川-映秀斷裂，3、龍門山山前斷裂。

紅色線段為汶川地震后龍門山斷層地表破裂軌跡（張培震，2008）

紅色小圈表示一個(gè)月內(nèi)的3.5級(jí)以上余震分布,藍(lán)色矢量為GPS觀測(cè)同震位移

（國(guó)家地震局中國(guó)地殼運(yùn)動(dòng)觀測(cè)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)中心）

2、地震震源破裂過(guò)程

基于有限斷層震源模型，求解天然地震震源破裂過(guò)程解需要收集下列資料：

（1）遠(yuǎn)場(chǎng)地震波形記錄；

（2）地震斷層的地質(zhì)信息；

（3）近場(chǎng)GPS和InSar資料；

（4）近場(chǎng)強(qiáng)震記錄資料。

大地震發(fā)生時(shí)，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)，從地震數(shù)據(jù)中心可及時(shí)獲得全球數(shù)字地震臺(tái)網(wǎng)地震波形記錄。以四川汶川地震為例，大地震發(fā)生后美國(guó)IRIS（國(guó)際地震學(xué)聯(lián)合會(huì)）地震臺(tái)網(wǎng)中心很快有汶川地震的地震波形記錄資料可供下載。遠(yuǎn)場(chǎng)地震波形記錄對(duì)地震震源破裂的時(shí)間過(guò)程有較高分辨，因此根據(jù)遠(yuǎn)場(chǎng)地震波形記錄可迅速地測(cè)定地震的破裂過(guò)程。例如美國(guó)地質(zhì)調(diào)查局紀(jì)晨等于地震發(fā)生7小時(shí)，在網(wǎng)上發(fā)布了汶川地震震源破裂過(guò)程及等震線分布結(jié)果。在求解過(guò)程中，斷層面的走向和傾角需預(yù)先給定。根據(jù)野外地質(zhì)調(diào)查結(jié)果，確定斷層面走向和傾角，使得地震有限斷層震源模型更加符合實(shí)際情況。近場(chǎng)GPS和強(qiáng)震記錄則可提供較高的空間分辨率解，但這往往要等很長(zhǎng)的時(shí)間，大多數(shù)情況下沒有這方面的資料。在補(bǔ)充近場(chǎng)觀測(cè)資料后可獲得更好更完整的解答。

張培震等（2008）對(duì)龍門山斷裂的地質(zhì)調(diào)查結(jié)果顯示，汶川地震發(fā)生時(shí)沿龍門山中央主斷裂帶從映秀鎮(zhèn)至北川長(zhǎng)200km斷裂貫通，產(chǎn)生垂直和水平向位移最大錯(cuò)距4.5～5m，平均2m；龍門山山前主邊界斷裂帶從都江堰至漢旺鎮(zhèn)段長(zhǎng)40km也發(fā)生了貫通，平均錯(cuò)距1～2m。圖1中紅色線段為汶川地震后龍門山斷層地表破裂軌跡（張培震，2008）。圖1中藍(lán)色矢量為國(guó)家地震局中國(guó)地殼運(yùn)動(dòng)觀測(cè)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)中心提供的四川汶川地震應(yīng)急GPS觀測(cè)數(shù)據(jù)成果（同震位移）。圖2為從IRIS下載的四川汶川地震遠(yuǎn)場(chǎng)P和SH波波形記錄。

圖2 四川汶川地震遠(yuǎn)場(chǎng)P和SH波形記錄

上圖為臺(tái)站分布，其中黑色三角為選用P波記錄的臺(tái)站，藍(lán)色圓為選用SH波記錄的臺(tái)站。

下圖左列為P波垂向位移資料，右列為SH波位移資料，并給出臺(tái)站名、方位角和震中距。

根據(jù)地質(zhì)資料我們構(gòu)造了一個(gè)雙鏟狀有限斷層震源模型用以模擬汶川地震時(shí)龍門山中央主斷層和山前主邊界斷層的破裂情況。野外地表出露的破裂面軌跡形狀十分復(fù)雜，我們近似的用一直線表示，但是為了考慮GPS測(cè)點(diǎn)的分布，主斷層面在地表的位置用一折線表示。

以野外地質(zhì)調(diào)查結(jié)果作為約束，P波和SH波波形記錄及近場(chǎng)GPS觀測(cè)結(jié)果，采用非線性反演—模擬退火法，求解汶川地震發(fā)生時(shí)斷層面上破裂的錯(cuò)距分布情況，結(jié)果如圖3所示。圖4為P與SH波理論地震圖與實(shí)際記錄圖比較。圖5為水平和垂直向理論同震位移與GPS觀測(cè)值的比較。在圖5中我們把雙斷層面震源模型投影到地面上，而其中的圓點(diǎn)為3.5級(jí)以上余震分布。

圖3 汶川地震雙鏟狀有限斷層震源模型及錯(cuò)距分布

上方左圖為斷層模型在地表的投影 上方右圖為斷層模型的三維示意。

下方圖分別為反演獲得的三段斷層的錯(cuò)距和滑動(dòng)矢量分布。

圖4 遠(yuǎn)場(chǎng)P和SH波理論地震圖（紅）與觀測(cè)記錄圖（黑）對(duì)比

圖5 斷層模型錯(cuò)距分布投影及水平和垂直向理論同震位移與GPS觀測(cè)值對(duì)比

藍(lán)色矢量為GPS觀測(cè)值，白色為理論同震位移；黑色圓圈為主震后一月內(nèi)的3.5級(jí)以上余震分布

圖6 汶川地震震源破裂過(guò)程（地表投影）

根據(jù)雙斷層面震源模型的反演結(jié)果，得到汶川地震的標(biāo)量地震矩M0=1.04*1021Nm,按Kanamori（1977）公式計(jì)算，相應(yīng)的矩震級(jí)Mw=7.9，換算成面波震級(jí)Ms=7.9。沿龍門山中央主斷裂帶，破裂從震源向北東方向擴(kuò)展至斷層?xùn)|北邊界持續(xù)時(shí)間為110秒，圖6給出了汶川地震的破裂過(guò)程。主震發(fā)生后7.2秒，龍門山山前主邊界斷層從都江堰北部開始錯(cuò)動(dòng)。斷層面上錯(cuò)動(dòng)矢量分布如圖3箭頭所示，錯(cuò)動(dòng)以逆沖和右旋走滑為主，平均的錯(cuò)動(dòng)量△D=223.4cm，其中平均走滑量 △D//=155.0cm，平均傾滑量△D⊥=118.6cm。在斷層面上錯(cuò)動(dòng)分布是不均勻的，呈現(xiàn)兩個(gè)集中區(qū)，在時(shí)間上它們發(fā)生在地震開始后的15～30s和40～60s，在地面上的投影分別對(duì)應(yīng)映秀和北川附近。在映秀附近山前主邊界斷層深度9.1km處最大錯(cuò)動(dòng)量為516cm，在中央主斷層深度15.5km處最大錯(cuò)動(dòng)量為1249cm；在北川附近中央主斷層深度3.6km處和深度10.3km處最大錯(cuò)距分別高達(dá)1043cm和1200cm。這一結(jié)果解釋了北川地面破壞程度最劇烈的原因。四川盆地位于逆沖斷層的下盤，所以遭受的地震破壞相對(duì)地較小。

從圖4、5可以看到，基于雙鏟狀有限斷層震源模型，計(jì)算得到的遠(yuǎn)場(chǎng)P、SH波理論地震圖與該地震P、SH波形記錄之間，近場(chǎng)垂向、水平方向地表的理論位移（大小和方向）與GPS觀測(cè)記錄均能較好的吻合，說(shuō)明該模型較好的反映了汶川地震發(fā)生時(shí)沿龍門山中央主斷層和山前主邊界斷層的破裂情況。斷層錯(cuò)動(dòng)以逆沖和右旋走滑為主，其中平均走滑量稍大于平均傾滑量，這一結(jié)果與該地區(qū)自晚第四紀(jì)以來(lái)的構(gòu)造變形相一致，即四川汶川地震是由于該地區(qū)呈北西—南東方向擠壓的區(qū)域應(yīng)力場(chǎng)長(zhǎng)期作用的結(jié)果。按所求得的平均滑動(dòng)量223cm計(jì)算，汶川地震的孕育時(shí)間已經(jīng)近千年了。

破裂過(guò)程動(dòng)畫