利用非线性摩擦有限元方法计算大凉山次级块体及其周边地区地震危险性

引用本文

姚琪, 邢会林, 徐锡伟, 张微, 刘杰. 利用非线性摩擦有限元方法计算大凉山次级块体及其周边地区地震危险性[J]. 地震地质, 2018,40(1): 171-185.
YAO Qi, ING Hui-lin, XU Xi-wei, ZHANG Wei, LIU Jie. SIMULATION OF SEISMIC RISK IN THE DALIANGSHAN UB-BLOCK AND ADJACENT AREAS USING THE NONLINEAR RICTION FEM METHOD[J]. SEISMOLOGY AND GEOLOGY, 2018,40(1): 171-185. 复制到剪切板

DOI:10.3969/j.issn.0253-4967.2018.01.013
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利用非线性摩擦有限元方法计算大凉山次级块体及其周边地区地震危险性

姚琪¹, 邢会林², 徐锡伟³, 张微⁴, 刘杰¹

1中国地震台网中心, 北京 100045

2 chool of Earth Sciences, the University of Queensland, QLD 4072, Australia

3中国地震局地质研究所, 活动构造与火山重点实验室, 北京 100029

4浙江国时卫星科技有限公司, 杭州 311113

〔作者简介〕姚琪, 女, 1981年生, 2008年于浙江大学获构造地质学博士学位, 副研究员, 长期从事活动构造三维建模及有限元模拟工作, 电话: 010-59959254, E-mail: yqvoxelgeo@163.com。

收稿日期: 2017-11-15

基金项目: 中国地震局星火计划攻关项目(XH16044)与国家自然科学基金(41404043)共同资助

摘要

大部分地震是在复杂的物性条件下, 应力不均匀加载作用下断层活动的结果, 还受到断层结构和断层相互作用的影响, 导致地震中长期预测研究中常用的 “地震空区”理论出现误差。断层的摩擦行为可以体现断层的不均匀破裂过程, 文中尝试将非线性摩擦有限元方法应用到区域地震危险性评价中, 模拟计算了大凉山次级块体及周边地区主要断层的摩擦行为, 将断层节点破裂与7级以上历史地震的时空演化进行对比。结果表明, 模拟所得的断层破裂与历史地震对应较好, 且在地震震级、地震破裂顺序上都有良好表现。模拟结果还显示, 小江断裂和则木河断裂有可能是后续地震危险性较强的地区, 在更长的时间内, 大凉山断裂和安宁河断裂具有发生中等强度地震的可能, 鲜水河断裂的北段可能发生较大地震。

关键词: 非线性摩擦; 地震危险性; 大凉山; 历史地震

中图分类号:P315.2 文献标志码:A 文章编号:0253-4967(2018)01-0171-15

SIMULATION OF SEISMIC RISK IN THE DALIANGSHAN UB-BLOCK AND ADJACENT AREAS USING THE NONLINEAR RICTION FEM METHOD

YAO Qi¹, ING Hui-lin², XU Xi-wei³, ZHANG Wei⁴, LIU Jie¹

1 hinese Earthquake Networks Center, Beijing 100045, China

2 chool of Earth Sciences, the University of Queensland, QLD 4072, Australia

3 ey Laboratory of Active Tectonics and Volcano, Institute of Geology, China Earthquake Administration, Beijing 100029, China

4 hejiang China Time Satellite Science and Technology Co., Ltd, Hangzhou 311113, China

Abstract

Most earthquakes result from fault activity under heterogeneous loading and complex physical properties, also affected by fault structure and interaction between faults. Such a complicated mechanism makes often failures of the “seismic gap” theory in the effort of medium- and long-term earthquake prediction. This study attempts to address this issue using the finite element method(FEM).The friction behavior of faults can be used to simulate the non-uniformity of rupture processes of the seismogenic structure. So we use the FEM containing non-linear friction to simulate fault ruptures in the Daliangshan sub-block and adjacent areas, and compare the results with time-space evolution of historical M_S≥7 earthquakes since 1840 in this region. In the simulation, the sequence of large-batch fault contact nodes change from “stick state” to “slip state” in short time, which mimics the sudden fault slip and the occurrence of major earthquakes. The results show that the fault breaking lengths from simulation are largely consistent with the magnitudes of historical earthquakes in the study area, such as the 1850 Puge-Xichang M_S7.5, and 1887 Shiping M_S7.0 earthquakes. The simulation also shows the development of seismic gaps and “gap breaks” by major earthquakes on the Xianshuihe fault, such as 1955 Kangding M_S7.5 earthquake. Especially, the results illustrated the very long time of the seismogenic process of the 2008 Wenchuan M_S8.0 earthquake, and the corresponding sudden big rupture along the Longmenshan Fault, which is very similar to the observed surface rupture and very long incubation time and sudden co-seismic process. Then, this simulation is further applied to long-term earthquake prediction for the study area by calculation on a much longer time. The simulation results suggest that the Xiaojiang fault and the Zemuhe fault have relatively higher seismic risk, while moderate-sized earthquakes might occur on the Daliangshan fault and the Aninghe fault, and major earthquakes might rupture the northern segment of the Xianshuihe fault in a much longer time.

Keyword: Non-linear friction; seismic risk; Daliangshan; Historical earthquake

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0 引言

大地震有很大一部分发生在先存断层面上, 断层面上的粗糙度、断层面结构、应力加载都存在不均匀的情况, 这种不均匀导致了常用的 “ 地震空区” 理论(Nishenko, 1991; 闻学泽等, 2008)在判定和预测大地震的位置、规模、破裂顺序时出现一定的偏差, 譬如2011年日本M_W9.1地震、 2015年尼泊尔M_W7.8地震等, 使得区域地震危险性评价难度增加。断层面上的摩擦关系是断层行为变化的关键因素, 断层面的粗糙度、结构不均匀等条件都可以通过断层的摩擦行为来表现, 这为我们使用非线性摩擦有限元方法来进行区域地震危险性分析提供了可行性。

人们一直致力于研究断层摩擦及其在地震活动中的作用(Scholz, 1998; Lapusta, 2009)。澳大利亚昆士兰大学邢会林等利用非线性摩擦有限元方法计算整个断层系统破裂演化, 以及单断层节点的逐次破裂, 其计算结果与地震破裂有很好的可对比性。该方法已实际应用在加利福尼亚州断裂系统的破裂模拟, 汶川地震发震机理、龙门山断裂与龙日坝断裂的相互作用、苏门答腊地震破裂机理研究以及尼泊尔地区历史地震破裂及后续地震危险性分析等工作, 为整个区域或者单断面的地震危险性评价提供了很有效的材料, 同时也为断层破裂机制、地震动力学、发震构造研究等提供了力学依据(Xing et al., 2002, 2003, 2007, 2011; 朱守彪等, 2008; 姚琪等, 2012; Yao et al., 2013)。

本文对大凉山次级块体及周边区域的主要断裂进行了断裂行为的非线性摩擦有限元计算, 将获得的断裂系统逐次破裂的情况与区域历史地震的时空演化进行对比; 在此基础上分析后续可能出现大地震危险的地区, 为大凉山次级块体及其周边区域的地震危险性评价提供力学上的依据。

1 区域构造背景

大凉山次级块体位于青藏高原东南缘, 处于巴颜喀拉块体、川滇菱形块体与华南块体之间, 受这3个主要块体活动的制约。该次级块体长约350km, 宽约200km, 是青藏高原东南缘边界构造带(邓起东等, 2014)中最大最完整的一部分(图1); 其东边界和西边界分别为著名的马边断裂带和安宁河-则木河断裂带, 历史上均发生过7级以上的大地震, 譬如1974年云南大关M_S7.1地震、 1216年四川雷波马湖7级地震、 1850年四川西昌普格M_S7.5地震、 1536年四川西昌7^1/4级地震、 814年四川西昌7级地震。近10a来, 该次级块体周缘的中强地震均发生在其南边界的昭通-鲁甸断裂和五莲峰断裂带上, 譬如2012年彝良M_S5.6、 5.7地震、 2014年鲁甸M_S6.5地震等, 表明该次级块体及其周缘地区正处于地震活动较强的阶段。

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	图 1 大凉山次级块体的大地构造位置及7级以上历史地震的分布构造边界据邓起东等, 2014; GPS速度场据程佳等, 2012; 历史地震据中国地震信息网(http: ∥www.csi.ac.cn); 断层据徐锡伟等, 2016Fig. 1 Tectonic setting and historical M_S≥ 7 earthquakes of the Daliangshan sub-block.

由于川西高原的地形地貌和构造活动特征过于显著, 且早期DEM数据精度不足, 使得大凉山次级块体与其他块体之间的差异被忽略, 大凉山次级块体一直以来被认为是青藏高原和四川盆地之间的过渡地带。然而大凉山是川滇地区除了川西高原之外最为显著的断块山地, 平均高程达到1i000~3i000m, 其中小相岭最高峰高程4i791m, 几乎达到龙门山后山地区的高度。大凉山次级块体的隆升幅度和隆升速率, 都远远超过所谓的“ 渐变型盆-山结构带” (邓宾, 2013), 是晚新生代以来快速隆升的地区。

GPS观测和地震地质野外探查表明, 鲜水河断裂带左旋走滑速率NW段为14mm/a, SE段减为10mm/a; 大凉山次级块体西缘的安宁河断裂左旋走滑速率约为(6.5± 1)mm/a; 则木河断裂左旋走滑速率约为(6.4± 0.6)mm/a; 小江断裂左旋走滑速率(10± 1)mm/a(徐锡伟等, 2003; Ran et al., 2008, 2013): 这表明在大凉山地区, 鲜水河-小江断裂系出现了走滑亏损。这种显著的走滑亏损一直以来是川滇地区活动构造及地形地貌研究争议的焦点之一。

近年来, 通过对大凉山及其周缘地区的研究工作, 人们提出大凉山次级块体西缘的安宁河断裂和则木河断裂、大凉山断裂, 以及东缘的马边断裂一起构成了青藏高原东缘的最新构造变形带, 分解了青藏高原东南缘近鲜水河-小江断裂系左旋走滑的运动分量(徐锡伟等, 2003, 2014; 张世民等, 2005; 何宏林等, 2008; Ran et al., 2008; 陈长云等, 2008; 韩竹军等, 2009; 闻学泽等, 2013); 也有人认为鲜水河-小江断裂系的走滑亏损导致了鲜水河断裂南端贡嘎山的快速隆起(Tan et al., 2014)。

由此可知, 大凉山次级块体具有较强的地震活动性, 且其构造活动并不是孤立的, 而是与其周缘的活动块体和主要断裂具有鲜明的相互作用, 因此, 需要将该块体的活动与周缘断层的活动联合起来进行模拟分析。

2 模型设置

基于上述对大凉山地区的区域构造环境和地震活动情况的分析, 我们对研究区内的22条主要断裂据其活动年代(徐锡伟等, 2016)和历史地震最大震级进行分类, 将最后1次活动时代为全新世, 且具有7级以上历史地震记录的强活动断裂作为本次模拟计算的主要对象。其中, 出于降低建模规模的需求, 将所有断裂的倾角设置为90° , 具有较大逆冲分量的龙门山断裂和丽江-小金河断裂也同样处理为纯走滑断裂。

由于理塘断裂靠近边界, 为了避免边界破裂导致的畸变, 本次模型没有建立理塘断裂的模型。出于构造分区的目的, 将锦屏山断裂、丽江-小金河断裂、南涧-巍山断裂和维西-乔后断裂也作为目标断层。其中锦屏山断裂和丽江-小金河断裂作为滇北块体和滇中块体的分界断裂, 南涧-巍山断裂和维西-乔后断裂归并为红河断裂向北延伸的部分, 共同作为滇中块体和滇西的分界断裂。由于五莲峰断裂和昭通-鲁甸断裂走向近似, 位置接近, 因此本次模拟中将其合并, 仅对昭通-鲁甸断裂进行计算。由此, 本次模型中共建立11条主要断层, 具体断层分布如图2所示。

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	图 2 大凉山地区及其邻区有限元模型及边界条件、物性参数设置Fig. 2 FEM model, boundary conditions and assumed physical parameters for the Daliangshan sub-block and adjacent areas.

根据这些断层的分布, 在ArcGIS平台上将模型转化为大地坐标系, 将节点坐标信息导入到MSC.Patran平台上, 建立研究区的三维有限元模型。考虑到应力加载和边界条件设置的边界效应, 在研究区周边各增加100~200km宽的边界, 以防止边界出现突变。本模型共计建立节点79i474个, Hex 6面体网格66i360个。断层面采用接触对的方式进行标识, 断层接触面上的节点为重合的节点。

模型的物性参数选择参照区域深地震反射和大地电磁测深的结果, 共设置5种物性参数, 如图2所示。其中川滇地区上地壳杨氏模量取为23.21GPa, 泊松比取为0.24, 略大于地震台阵观测所得的龙门山断裂附近地壳平均泊松比(0.20), 稍小于粉砂岩(0.25); 四川盆地考虑到川西中新生代沉积的分布(Lu et al., 2012), 在12km深度以上取相对较小的物性参数, 12km以下区域则取为较大的物性参数。大凉山次级块体根据大地电磁测深和深地震反射剖面揭示的结果(王夫运等, 2008), 采用相对较硬的物性参数, 华南块体则采用四川盆地深部相同的物性参数。

边界条件根据国家地震科学数据共享中心公布的GNSS区域站相对于欧亚板块2009— 2013速度场来设置(http: ∥data.earthquake.cn)。模型西边界附近的GNSS速度场基本以向E为主, 由此对模型西边界设置1个向E的推力, 根据速度场资料, X方向设置为16.95mm/a, Y方向约为0mm/a(图2), 考虑到川滇块体整体的顺时针转动, 在模型的SW端设置为自由边界, 使得滇中块体的速度能有所增加, 且节点的运动方向有所旋转。

3 计算方法

由于块体边界大多受断层控制, 且大地震有很大一部分发生在先存断面上, 无论是构造变形研究还是发震构造研究, 相关的数值计算必须考虑断层在其中所起的关键作用(Scholz, 1998), 然而断层的摩擦接触关系一直以来是数值计算中的难题。

常用的摩擦本构关系主要有2种: 速度相关(slip dependent)(Andrews, 1976; Matsu’ ura et al., 1992; Ohnaka et al., 1999)和速度-状态相关(rate- and state-dependent)(Dieterich, 1979; Ruina, 1983; Marone, 1998)。这2种方法各有侧重, 而将这2种方法结合起来, 则能够描述断层的黏着(sticking)、滑移(sliding)的各个过程, 也就是整个地震孕育、发生的过程(Xing et al., 2007)。人们一直试图将速度相关模式和速度-状态相关模式结合起来(Kato and Tullis, 2001; Xing et al., 2007)。然而在断层的活动中, 断层面上的摩擦系数数值较大(0.2~0.7), 对环境条件也更为敏感(如速度、压力等), 常用于计算断层非线性摩擦问题的静态隐式算法可能会导致不收敛问题, 并可能在黏滑失稳时停止计算。

Xing等(2002, 2003)参考这2种方法, 为了避免出现接触计算中由于状态变化导致的不收敛问题, 采用了将黏着状态和滑移状态分离的算法, 并将其统一到速度-状态相关的库仑摩擦准则之中。该方法将地震过程分为3个阶段: 滑移之前(即黏着状态)、滑移, 以及两者之间的过渡状态, 并以速度、接触应力和状态变化等参数来进行判断, 用罚函数方法确定节点的摩擦状态。由此, 摩擦方程可描述如下:

式(1)— (3)中, $\begin{matrix} μ 为摩擦系数; f_{n} 为正应力; {\overset{\cdot}{\dot{u}}}_{eq} 为等效切向速度; ϕ 为状态变量; E_{t} 在切向上为 1 \\ 个常数; \overset{̅}{F} 为临界摩擦应力; η_{m} = \frac{f_{m}^{e}}{\sqrt[]{f_{l}^{e} f_{l}^{e}}}, 其中 f_{m}^{e} = E_{t} ({\dot{u}}_{m} - {\dot{u}}_{m}^{p} |_{0}), {\dot{u}}_{m}^{P} |_{0} 是 {\dot{u}}_{m}^{p} 在起 \\ 始状态的值, {\dot{u}}_{m}^{p} 是 {\dot{u}}_{m} 在滑动阶段的值 (不可逆); {\dot{u}}_{l}^{e} 则是 {\dot{u}}_{l} 在黏着状态的值 (不可逆); {\overset{\cdot}{\dot{u}}}_{eq}^{sl} \end{matrix}$ 为等效滑动速率。

在有限元计算中则采用 “ node-to-point” 接触算法和静力显示的时间积分方法, 基于R最小策略控制时间步长, 将困难的隐式计算转变为较为简单的显式计算, 捕捉上述黏着和滑移运动状态的变化, 并保持每一时间步内力学状态变化稳定, 从而保证有限元计算过程平稳。

由此, 该方法能够计算在外边界载荷下, 可变形模型内部的接触面上摩擦状态黏着和滑移2种过程的变化, 即断层上闭锁和解锁2种不同运动状态的变化特征, 也就是地震的孕育、发生的过程。我们用该方法计算在现今的GPS速度场下, 1个地震复发周期内大凉山次级块体及其周缘地区主要断层的摩擦行为, 将摩擦行为和历史地震活动联系起来, 推测后续地震可能存在的位置和强度, 以此来对该地区的地震危险性进行分析。

4 计算结果

经过5i000步的模拟计算, 实现了大凉山地区及其邻近区域主要活动断层在本模型边界条件下的摩擦行为; 获得了在应力持续发展过程中, 研究区内断层节点逐次破裂的整个过程, 其中还包含了部分节点破裂后又重新接触, 以及再次破裂的过程。模拟所得的Y方向(即SN方向)的速度场演化过程如图4所示。在速度场中, 断层节点破裂之前, 断层两侧的节点是一一对应的, 断层两侧的速度曲线也是连续的; 而在节点破裂之后, 断层两侧的速度曲线不再连续, 而当速度场等值线沿着断层面发生大面积且大位移的不连续时, 认为该断层上发生了较大规模的破裂。地震是断层节点大规模破裂的结果, 一次大地震可与断层上大量节点在某一步发生破裂和位移来对应。因此, 可以从断层两侧的速度场是否连续来判断有没有发生大规模破裂, 从而判断有没有发生地震。

从模拟结果来看, 在本模型的边界条件和物性参数作用下, 可以看到研究区破裂首先发生在则木河断裂南端(图4b)。从大凉山次级块体及其周边地区7级以上的历史地震的M-T图(图3)可以看到, 若以发生在则木河断裂上的地震为起始地震, 则整个研究区内的地震可划分为3个阶段: 1)800— 1500年, 这个阶段地震记录严重缺失, 仅能确定在该周期内, 则木河断裂和马边断裂(或昭通-鲁甸断裂、五莲峰断裂)上有中强地震发生; 2)1500— 1840年, 这个阶段地震记录相对较多, 但绝大部分地震发生在小江断裂、红河断裂和鲜水河断裂带上, 缺失发生在大凉山次级构造东缘的地震记录; 3)1840年至今, 这个阶段的地震记录相对较全, 发震断裂基本上囊括了研究区的主要活动断裂, 因此我们选择该时间段的历史地震记录作为本模拟的参考对象。

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	图 3 研究区内7级以上地震的M-T分布图圆点表示地震发生的相关断裂, 同一地震上有2个不同颜色的圆点, 表明该地震发生在2组断裂的交会处, 难以确定发震断层(历史地震据中国地震信息网http: ∥www.csi.ac.cn)Fig. 3 Magnitude-time distribution of M_S≥ 7.0 historical earthquakes in the study area.

其中, 1933年四川茂汶迭溪M_S7.5地震由于位置关系, 将其归并到龙门山断裂上, 但其发震断裂为NW走向的松坪沟断裂(Ren et al., 2017); 而1996年云南丽江M_S7.0地震将其归并到丽江-小金河断裂, 但其发震断裂为主断裂末端, 走向与主断裂有较大夹角的玉龙雪山东麓断裂(王运生等, 2000)或是NW走向的丽江-大具断裂(韩竹军等, 2004), 因此这2个地震在进行结果对比时不计在内。

本模拟采用的方法为了规避隐式计算造成的不收敛问题, 采用的是自适应时间步长, 每一步的时间为1~10a。但是在整个地震周期的模拟过程中, 本文无法将模拟所得某一断层破裂的所需运行时间与历史地震发生的具体时间进行一一对应, 理由如下: 1)驱动板块运动的运动速率并不是一成不变的, 本文模拟的地震对应时间为1840年至今, 长达177a; 而目前所得的GNSS数据也不过数十年, 很难保证现今的GNSS数据能够代表1840年至今的块体边界速率, 而块体边界速率的变化, 对模型的运行时间和步长影响十分显著。 2)由于川滇地区的复杂构造特征, 广泛分布的相对高硬度的花岗岩, 次级断层极为发育, 且断层相互作用明显, 每一个地震的发震间隔都是构造背景与区域局部结构共同作用的结果; 而本文的模型几乎包括了整个川滇地区, 仅能就断层的主要结构进行建模, 也就是说仅仅考虑了地震的区域构造背景。因此, 即使本文给出断层破裂的具体运行时间, 也很难与历史地震一一对应。 3)目前仅1970年以来的历史地震为有仪器记录的地震, 在1970年以前的历史地震存在定位精度差的问题, 有些定位误差甚至> 100km; 因此, 无法确定历史地震发生在主要活动断裂的哪一段, 这使得我们的模拟结果更难以与历史地震的具体时间进行一一对应。因此, 本文的模拟目标是主要活动断裂的破裂顺序, 并将这个时间顺序与历史地震发生的时间顺序进行对比验证。

在运行到第30步时, 则木河断裂南段、小江断裂南端及红河断裂均发生破裂, 则木河断裂的破裂可与1850年四川西昌附近M_S7^1/2地震相对应, 红河断裂的破裂由于靠近边界导致整体发生破裂, 小江断裂南端的破裂则受到红河断裂破裂的影响而提前破裂, 可能与1887年云南石屏M_S7.0地震对应。

运行到110步时, 鲜水河断裂北段发生破裂, 破裂长度约48km(图4c); 在运行到140步时, 鲜水河断裂的中南段发生了长度近50km的破裂(图4d), 这2次破裂可能与1893年四川道孚乾宁M_S7.0地震和1904年四川道孚M_S7.0地震对应。运行到230步时, 鲜水河断裂的南段发生破裂, 破裂长度约55km(图4e), 从地震发生顺序来看, 对应于1923年四川炉霍、道孚间M_S7.3地震; 此时鲜水河断裂北段存在1个较大的空区, 并且这个空区持续到500步时才发生破裂, 破裂长度约90km, 这与1955年四川康定折多塘一带M_S7.5地震所具有的大震级、长时间间隔的特征一致。此时, 鲜水河断裂的所有节点都已发生了破裂, 之后一部分断层节点再次闭锁(图4f)。

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	图 4 断层破裂过程与对应的历史地震Fig. 4 Rupture processes of faults and corresponding historical earthquakes.

在加载660步时, 小江断裂南端开始发生破裂, 破裂长度40~60km(图4g), 其位置与1970年云南通海M_S7.8地震一致, 之后这部分节点反复闭锁且反复破裂, 破裂长度基本一致; 反映了这部分区域应力的反复调整, 这与小江断裂南端较高频率的大地震活动一致。运行到1i020步之后, 鲜水河断裂北段再次发生大规模的破裂, 破裂长度达到96km(图4h), 是该断裂整个加载过程中最大的破裂, 与1973年四川炉霍M_S7.6地震的位置和时间、震级都有很好的对应。而在这个阶段, 大凉山次级块体东缘的马边断裂南端、昭通-鲁甸断裂的中东段出现了较大的破裂, 破裂长度达到20km, 其位置和震级可与1974年云南大关M_S7.1地震相对应(图4h)。

在3i220步之前, 龙门山断裂断层西盘速度略高于东盘, 断层南端和北端局部有破裂; 而在运行到3i220步时, 龙门山断裂突然发生大规模的破裂(图4i), 破裂贯通龙门山断裂中北段, 长度达到210km, 与2008年汶川M_S8.0地震地表破裂带长度基本一致(徐锡伟等, 2008)。龙门山断裂带上的这种大规模的断层节点突然破裂, 与2008年汶川M_S8.0地震的震前表现、地震破裂长度、震级都比较符合, 体现了龙门山断裂带震前较低的加载速度和震中快速的破裂过程。但在该次破裂中, 龙门山断裂的南段约有40km没有发生破裂, 龙门山断裂南侧端部也约有35km长的距离没有发生破裂, 这些节点在震前已经发生破裂, 却在震时发生闭锁。震后龙门山断裂中北段的节点快速恢复接触, 而南段的节点再次发生破裂, 但破裂长度由震前的32km改变为震后的40km, 这可能对应于2013年芦山M_S7.0地震。

除了7级以上大地震之外, 区域中等强度地震的集中活动在本次模拟中也有所体现。在运行到400步时, 大凉山断裂北段发生破裂, 破裂长度较小, 仅约24km; 在450步时, 这些破裂的节点又重新接触, 断层两侧的速度等值线再次保持连续。而在此时, 其相邻的龙门山断裂带南段、锦屏山断裂北端、马边断裂北段、安宁河断裂北段有局部断层节点发生破裂, 破裂长度不到10km, 且断层节点很快就重新接触。这种局部的破裂可能与中等强度的地震相对应, 历史地震记录表明, 1923— 1955年, 在龙门山断裂南段发生了3个M_S5.5以上的历史地震, 最大地震为1941年M_S6.0地震, 马边断裂带上发生了4个6级以上地震, 最大震级达到M_S6.8, 在安宁河断裂上发生了1952年M_S6.8地震, 锦屏山断裂周边发生了3个M_S5.5以上的地震, 大凉山断裂的北段则发生了M_S5.0地震, 表明这段时间的地震活动与这些节点的局部破裂有较好的对应。运行到950— 1140步时, 破裂的节点集中在鲜水河断裂和大凉山次级块体的东缘, 这与1970— 1975年的M_S5.5以上的地震活动集中区基本一致, 主要集中在鲜水河断裂带和马边断裂带、昭通-鲁甸断裂带。

除了上述与历史地震对应非常好的断层破裂之外, 我们在模拟过程中还发现了一些无法与历史地震记录一一对应的断层破裂, 譬如在1973年四川炉霍M_S7.6地震之后, 加载到第1i140步时, 小江断裂中北段发生破裂, 破裂长度最大达到36km(图5a); 而在1840年以来, 小江断裂的中北段发生的最大地震为1966年云南东川M_S6.5地震, 虽然时间上有一定的对应, 但震级相差颇大。运行到2i760步时, 鲜水河断裂北段发生破裂, 对应于1981四川道孚M_S6.9地震; 同时则木河断裂带北段发生破裂, 破裂长度约47km, 应该对应于7级以上地震, 但则木河断裂带上最后1个M_S7地震发生在1850年, 之后没有发生过M_S5.5以上的地震(图5b)。考虑到本模型中龙门山断裂和小江断裂带倾角都被人为设置为垂直, 模型的简化有可能导致局部应力变化和龙门山断裂破裂时间的推迟, 因此小江断裂和则木河断裂有可能是后续地震危险性较强的地区。

	Figure Option View Download New Window
	图 5 具有地震危险性的断层和相应的破裂顺序带 “ ?” 的破裂为汶川地震之前发生的, 缺乏相对应历史地震的较大断层破裂; 其他为汶川地震之后出现的断层破裂Fig. 5 The faults with relatively high seismic risk and their rupture sequences.

在龙门山断裂发生地震之后我们持续加载, 在鲜水河断裂南端、大凉山断裂中段、昭通-鲁甸断裂的东端和西端、马边断裂的南端都再次发生较小的局部破裂; 加载到3i460步时, 大凉山断裂北段再次发生破裂, 破裂长度达到28km(图5c); 加载到3i630步时, 大凉山断裂中段发生破裂, 破裂长度约16km(图5d)。由于本模型将多段不连续的大凉山断裂(魏占玉等, 2012; 孙浩越等, 2015; 高伟等, 2016)一维近似为1条平直的断裂, 因此如果后续大凉山发生地震的话, 地震相关破裂应远< 28km, 且地震震级和发震时间也会相应发生改变。加载到4i060步时, 安宁河断裂南段发生局部断层破裂, 破裂长度约12km(图5e); 其破裂长度相对较小, 可能对应中等强度地震。加载到4i190步时, 鲜水河断裂北段再次发生破裂, 破裂长度约64km(图5f), 其破裂长度可对应1次较强的地震。由此推测, 大凉山断裂和安宁河断裂地震危险性相对较高, 鲜水河断裂北段仍有发生较大地震的可能。

5 结论和讨论

数值计算在地质研究中扮演着越来越重要的角色, 近年来大量的关于区域构造演化、地貌演化、地震破裂、断裂相互作用等研究, 都利用数值计算来验证模型的力学可行性。我们尝试将非线性摩擦有限元方法运用到区域地震危险性评价中, 将模拟计算所得的断层摩擦行为与区域历史地震进行对比, 为区域地震危险性评价提供具有力学依据的参考材料。

从模拟结果和历史地震对比来看, 7级以上大地震发生的时间顺序、对应的断裂和震级基本上与本模拟的断层摩擦破裂行为相吻合, 6级左右地震的集中活动也与断层节点的局部破裂较为一致。在对比效果较好的情况下继续加载, 提出目前小江断裂和则木河断裂有可能是后续地震危险性较强的地区; 而在较长的时间内, 大凉山断裂和安宁河断裂可能会发生中等强度的地震, 鲜水河断裂的北段具有发生大地震的可能性。与M7专项工作组(2012)根据空区理论提出的地震危险区相比, 本模拟所提出这几个地震危险区均包含在7级以上地震危险区和值得注意的地区内, 验证了非线性摩擦有限元方法在地震危险性评价中的可靠性。由于本模型对主要断层采用了一维近似, 且所有断层的倾角都处理为垂直, 因此在加载过程中, 历史地震的一些特征在本模拟中没有得到体现。譬如丽江-小金河断裂仅南端有一些局部的破裂, 北侧的锦屏山断裂破裂也很小, 虽然在1840至今丽江-小金河断裂带上没有7级以上地震发生, 但1976— 1998年该断裂带中段有3个6级以上地震发生, 这些地震在本次模拟中没有体现。同样, 因为龙门山断裂也被处理成倾角垂直的纯走滑断层, 在模拟芦山地震这种纯逆冲型地震时, 可能会出现破裂较小, 或者破裂时间顺序改变等情况。此外, 在鲜水河断裂各段节点的反复破裂和重新接触的过程中, 一些地震发生的位置与历史地震记载不符, 这可能与历史地震定位精度有关, 更可能由于本模型对鲜水河断裂仅做了一维近似, 没有进行详细分段有关。整体而言, 本文的模型还是能够表达区域应力作用在断层上的整个过程的, 但模型的简化确实造成了一些信息的缺失和扭曲, 如何平衡建模规模和建模精度, 是值得后续进一步研究的问题。

致谢邓起东院士在发震构造模型构建及相关数值计算方面有着高屋建瓴的认识, 对近年来中国大陆地区的中强地震成因和发育特征尤为关注, 为本文的成文提供了思路和指导意见, 在此对邓老师一直以来的指导和支持表示感谢。

The authors have declared that no competing interests exist.

参考文献

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After analysis of the current crustal deformation field from GPS data, the slip characters of active faults, the surface ruptures of historical earthquakes, and the focal mechanisms of the recent earthquakes, the southeastern margin of the Tibetan plateau was divided into 11 sub-blocks, including the West Qinling sub-block, Aba sub-block, Longmenshan sub-block, Zangdong sub-block, Yajiang sub-block, Shangri La sub-block, Dianzhong sub-block, Baoshan sub-block, Jinggu sub-block, Mengla sub-block and the Ximeng sub-block. The present-day translation and rotation rate of the sub-blocks, also the slip rate of the boundary faults, were calculated using the GPS data. The results show the following characters: Each sub-block has its movement changed after the specific main stress action from the adjacent sub-blocks. Among these sub-blocks, the rotations of the Baoshan sub-block, Zangdong sub-block, Yajiang sub-block, Shangri La sub-block, Dianzhong sub-block, are more obvious than others. Corresponding to the rotations above, the boundary faults among these sub-blocks behave differently. Among these fault activities, the compressions between the Zangdong and Yajiang sub-blocks, as well as between the Yajiang and Dianzhong sub-blocks are obvious. Based on the results above, we discussed the current crustal motion characters of the southeastern margin of the Tibetan plateau. The lateral extrusion of the rigid blocks and gravity collapse of the crust co-exist in the region, which are induced mainly by the "channel flow" of the lower crust, and partly enhanced by the tensile force from the Burma plate due to its counter-clockwise rotation.

通过分析青藏高原东南缘活动断裂带的活动特征和GPS资料显示的现今地壳形变场,辅以历史地震及地表破裂、震源机制解类型等资料,将青藏高原东南缘地区分成了11个次级块体.其中包括了西秦岭次级块体、阿坝次级块体、龙门山次级块体、藏东次级块体、雅江次级块体,香格里拉次级块体、滇中次级块体、保山次级块体、景谷次级块体、勐腊次级块体和西盟次级块体;并利用这些次级块体内的GPS站点速率计算出了这些块体现今运动情况及各块体之间断裂的滑动速率,分析认为各次级块体均受到了一种来自其相邻块体的主要应力作用而发生了旋转,其中保山次级块体、藏东次级块体、雅江次级块体、香格里拉次级块体、滇中次级块体的旋转尤为显著;同样,相邻块体之间的边界断裂带也呈现了相应的挤压或拉张活动特征,而藏东次级块体与雅江次级块体、雅江次级块体与滇中次级块体之间的挤压最为明显.利用上述结果,本文讨论了该地区的现今地壳形变特征,认为刚性块体的挤出作用与重力滑塌作用并存于该区域内,下地壳"管道流"的拖曳作用是该地区刚性块体挤出作用和重力滑塌的主要原因, 另外缅甸板块相对于自身的逆时针旋转作用在其北部引起的拉张作用也是重要因素之一.

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盆-山结构及其动力学过程是21世纪大陆动力学研究重要的基本内容之一，也是中生代以来中国西部大陆构造的基本格局。四川盆地地处青藏高原东缘特提斯-喜马拉雅构造域和滨西太平洋构造域的交接转换部位。它既是沉积盆地和构造盆地，又是地貌盆地，盆地与周缘造山带构成一个典型的复合盆-山结构体系。本论文运用构造地质学、低温热年代学、地球化学等理论和技术方法，以“结

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摘　要：大凉山断裂带是中国大陆大型强震断裂带鲜水河-小江断裂系的重要组成部分,其中段的普雄断裂是断裂带中最长的1条次级断裂。该次级断裂的古地震活动情况对评价该区域地震活动水平和建立地震灾害预防措施具有重要意义。近年开展的活动断层填图和古地震探槽研究表明普雄断裂是1条晚更新世以来活动强烈的略向W倾的高角度左旋走滑断层。沿断裂开挖的2个探槽分别揭露了2次和3次古地震事件,分别发生在8206 BC—1172 AD、1084—1549 AD和17434—7557BC、1577—959 BC、927—1360 AD。结合探槽古地震结果和历史地震记载,进行建模分析得到断裂的离逝时间约为0.7ka,与距今倒数第2次事件的时间间隔约为2.3ka。同时,根据震级与地表破裂长度的经验公式估算古地震事件震级在7级以上。

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Hong-fa

, et al. 2004. Seismotectonic environment of occurring the February 3, 1996 Lijiang M=7. 0 earthquake, Yunnan Province[J]. Acta Seismologica Sinica, 26(4): 410—418(in Chinese).

作为1996年丽江7.0级地震的发震断层, 丽江-大具断裂可以分为丽江-玉湖和玉湖-大具等南北两段. 它们在构造表现、运动方式等方面都存在明显差异, 但都表现出比较一致的运动学性质, 即既具有垂直正断运动, 又有水平左旋走滑运动. 这种运动特征开始于第四纪初期(距今2.4～2.5 Ma). 在构造形式上, 早更新世时期发育低倾角拆离断层; 中更新世(0.8 Ma)以来, 以高角度正断层活动为主. 根据源于玉龙-哈巴雪山东麓的一系列冲沟, 在穿越山前断裂时同步左旋位错特点和剥夷面垂直落差, 初步估算了丽江-大具断裂第四纪以来的平均水平和垂直位错速率分别为0.84和0.70 mm/a; 中更新世以来的平均水平和垂直位错速率分别为1.56和1.69 mm/a. 近南北向丽江-大具断裂的运动性质一方面受到区域性北北西-南南东水平主压应力场的影响; 另一方面, 也受到玉龙-哈巴雪山与丽江盆地之间强烈的差异性运动的制约. 这两种动力学过程的共同作用, 形成了1996年丽江地震构造环境的特色.

2009

0.0

韩竹军, 何玉林, 安艳芬, 等. 2009. 新生地震构造带: 马边地震构造带最新构造变形样式的初步研究[J]. 地质学报, 83(2): 218—229.

HAN

Zhu-jun

, HE

Yu-lin

, AN

Yan-fen

, et al. 2009. A new seismotectonic belt: features of the latest structural deformation style in the Mabian seismotectonic zone[J]. Acta Geologica Sinica, 83(2): 218—229(in Chinese).

以雷波地区为例,通过野外地质地貌调查,结合探槽技术以及年代测试结果,获得了有关马边地震构造带最新构造变形样式及其性质的初步认识.研究结果表明:马边地震构造带内的雷波地区存在一条北东东向雷波断裂带,它断错的最新地层时代在40ka左右,属晚更新世活动断裂;在活动性质上,为一条以右旋走滑运动为主的断裂.北北西向玛瑙断裂在第四纪风化壳中存在两次突然位错事件,在剖面上的错距分别为O.5m和>O.7m;最新错动面产状陡立,存在水平左旋位错的构造地貌证据.马边地震构造带上北东东向断裂与北北西断裂不是一种从属关系,而是在现代构造应力场条件下两组呈共轭关系的剪切断裂,它们代表了马边地震构造带最新构造变形样式,具新生性.马边地震构造带的破坏性地震以中强地震为主,具有频度高、成带性差等特点,这符合共轭状构造变形样式可能引起的地震活动特征.马边地震构造带位于青藏高原东缘南部,初步分析表明:一种受重力作用控制的中下地壳塑性流展模型,可以对该地区包括大凉山断裂带、安宁河断裂带以及鲜水河断裂带在内的断裂构造的活动习性做出较合理的解释.伴随着高原内部中下地壳物质持续向外流展,高原边界向外扩张形成新的边界,并表现为一条新生地震构造带.

2008

0.0

何宏林, 池田安隆, 何玉林, 等. 2008. 新生的大凉山断裂带: 鲜水河-小江断裂系中段的裁弯取直[J]. 中国科学(D辑), 38(5): 564—574.

Hong-lin

, Ikeda

, HE

Yu-lin

, et al. 2008. Newly-generated Daliangshan fault zone-Shortcutting on the central section of Xianshuihe-Xiaojiang fault system[J]. Science in China(Ser D), 51(9): 1248—1258.

硅藻被认为是水体环境的良好指示藻类。本文利用着生硅藻结合水体中的物理、化学等因素,以系统聚类分析方法对珠江流域北江水系的8条河流的水质状况进行评价,证明这些河流的水质是清洁的。

0.0

2015

0.0

孙浩越, 何宏林, 魏占玉, 等. 2015. 大凉山断裂带北段东支: 竹马断裂晚第四纪活动性[J]. 地震地质, 37(2): 440—454. doi: DOI: 103969/j. issn. 0253-4967. 2015. 02. 008.

SUN

Hao-yue

, HE

Hong-lin

, WEI

Zhan-yu

, et al. 2015. Late Quaternary activity of Zhuma Fault on the north segment of Daliangshan fault zone[J]. Seismology and Geology, 37(2): 440—454(in Chinese).

2008

0.0

王夫运, 段永红, 杨卓欣, 等. 2008. 川西盐源-马边地震带上地壳速度结构和活动断裂研究: 高分辨率地震折射实验结果[J]. 中国科学(D辑), 38(5): 611—621.

WANG

Fu-yun

, DUAN

Yong-hong

, YANG

Zhuo-xin

, et al. 2008. Velocity structure and active fault of Yanyuan-Mabian seismic zone—The result of high-resolution seismic refraction experiment[J]. Science in China(Ser D), 51(9): 1284—1296.

2000

0.0

王运生, 王士天, 李渝生. 2000. 丽江7. 0级大震发震机制新见[J]. 西北地震学报, 22(4): 442—446.

WANG

Yun-sheng

, WANG

Shi-tian

, LI

Yu-sheng

. 2000. A new idea on the mechanism of Lijiang M7. 0 earthquake[J]. Northwestern Seismological Journal, 22(4): 442—446(in Chinese).

通过对丽江地区构造格架和丽江大震的震后调查,对丽江地震的发震环境进行了系统分析,认为丽江地震是在主压应力为近NS向区域应力场作用下,NE向丽江-小金河断裂左旋错动和NW向中甸-永胜断裂右旋错动,从而导致巨甸-九子海三角形断块东部近尖端部位出现局部拉张环境,最终导致近NS向西倾的玉龙雪山东麓断层北端撕裂而发震.

2012

0.0

魏占玉, 何宏林, 石峰, 等. 2012. 大凉山断裂带南段滑动速率估计[J]. 地震地质, 34(2): 282—293. doi: DOI: 103969/j. issn. 0253-4967. 2012. 02. 007.

WEI

Zhan-yu

, HE

Hong-lin

, SHI

Feng

, et al. 2012. Slip rate on the south segment of Daliangshan fault zone[J]. Seismology and Geology, 34(2): 282—293(in Chinese).

Daliangshan Fault zone constitutes an important part of the eastern boundary of Sichuan-yunnan active block. The studies of slip rate along the fault is not only significant to the crust movement and deformation pattern on the southeast edge of Tibetan Plateau,but also has great value in seismic hazard assessment and mid-and long-term forecasting of earthquake of the Daliangshan region. Through detailed field work along the south segment of Daliangshan Fault zone,namely the Butuo Fault and the Jiaojihe Fault,and based on accurate RTK(GPS)survey for the alluvial fans and activity dating,we suggest that left-lateral slip rate of the south segment of the fault zone is between 2.5～4.5mm/a,and the slip rate of Jiaojihe Fault is slightly higher than that of the Butuo Fault. Due to partitioning of part of the strike-slip component on the Daliangshan Fault zone,there is an obvious deficit in the displacement and slip rate on the Anninghe-Zemuhe Fault,compared to the Xianshuihe and Xiaojiang Faults. Comparing to the slip rates between Daliangshan Fault and Anninghe-Zemuhe Fault,it is found that they have similar horizontal slip rate,indicating the seismicity level of the Daliangshan Fault will not be lower than that of Anninghe-Zemuhe Fault. As the Daliangshan Fault gradually replaces the role of Anninghe-Zemuhe Fault in the Xianshuihe-Xiaojiang Fault system,the seismicity on the Daliangshan Fault zone will increase,and the Dalianghan region will have a higher risk of earthquake damage.

大凉山断裂带是川滇活动块体东边界的重要组成部分,其活动速率的估计不仅对评价青藏高原东南边缘的地壳运动和变形模型具有重要理论意义,还对大凉山地区的地震危险性评价和地震中长期预测具有重要的应用价值。通过对大凉山断裂带南段交际河断裂和布拖断裂的详细野外调查、典型构造地貌GPS精细测量以及断错地貌的时间约束,获得大凉山断裂带南段全新世以来的滑动速率为2.5～4.5mm/a,交际河断裂平均滑动速率略大于布拖断裂的滑动速率。对比滑动速率发现,大凉山断裂带南段与鲜水河-小江断裂系中段西支的安宁河、则木河断裂带的水平滑动速率相当,表明大凉山断裂带活动强度不低于安宁河和则木河断裂带,随着大凉山断裂带逐渐取代安宁河和则木河断裂在鲜水河-小江断裂系中的作用,大凉山断裂带的活动强度将增强。

2013

0.0

闻学泽, 杜方, 易桂喜, 等. 2013. 川滇交界东段昭通、莲峰断裂带的地震危险背景[J]. 地球物理学报, 56(10): 3361—3372. doi: DOI: 106038/cjg20131012.

WEN

Xue-ze

, DU

Fang

, YI

Gui-xi

, et al. 2013. Earthquake potential of the Zhaotong and Lianfeng fault zones of the eastern Sichuan-Yunnan border region[J]. Chinese Journal of Geophysics, 56(10): 3361—3372(in Chinese).

2008

0.0

闻学泽, 范军, 易桂喜, 等. 2008. 川西安宁河断裂上的地震空区[J]. 中国科学(D辑), 38(7): 797—807.

WEN

Xue-ze

, FAN

Jun

, YI

Gui-xi

, et al. 2008. A seismic gap on the Anninghe fault in western Sichuan, China[J]. Science in China(Ser D), 51(10): 1375—1387.

0.0

2014

0.0

徐锡伟, 江国焰, 于贵华, 等. 2014. 鲁甸6. 5级地震发震断层判定及其构造属性讨论[J]. 地球物理学报, 57(9): 3060—3068. doi: DOI: 106038/cjg20140931.

Xi-wei

, JIANG

Guo-yan

, YU

Gui-hua

, et al. 2014. Discussion on seismogenic fault of the Ludian M_S6. 5 earthquake and its tectonic attribution[J]. Chinese Journal of Geophysics, 57(9): 3060—3068(in Chinese).

2008

0.0

徐锡伟, 闻学泽, 叶建青, 等. 2008. 汶川 M_S8. 0地震地表破裂带及其发震构造[J]. 地震地质, 30(3): 597—629.

Xi-wei

, WEN

Xue-ze

, YE

Jian-qing

, et al. 2008. The M_S8. 0 Wenchuan earthquake surface ruptures and its seismogenic structure[J]. Seismology and Geology, 30(3): 597—629(in Chinese).

Field investigations show that the M S 8.0 Wenchuan earthquake of 12 th May 2008 ruptured two NW-dipping imbricate reverse faults along the Longmenshan Fault zone at the eastern margin of the Tibetan Plateau.This earthquake generated a 240km long surface rupture along the Beichuan-Yingxiu Fault characterized by right-lateral oblique faulting and a 90km long surface rupture along the Guanxian-Jiangyou Fault characterized by dip-slip reverse faulting.Maximum vertical and horizontal dispacements of 6.2m and 4.9m,respectively,were observed along the Beichuan-Yingxiu Fault,whereas a maximum vertical displacement of 3.5m occurred along the Guanxian-jiangyou Fault.This co-seismic surface rupture pattern,involving multiple structures,is among the most complicated of recent great earthquakes.Its surface rupture length is the longest among the co-seismic surface rupture zones for reverse faulting events ever reported.Aftershocks recorded by local network clearly outline the hanging wall of the Beichuan-Yingxiu Fault and indicate that the fault dips about 47? to the west.Industry seismic lines,in addition to surface ruptures and aftershocks,allow us to build a 3D model for the rupture geometry that shows crustal shortening is the dominant process along the Longmen Shan to accommodate long-term deformation.Oblique thrusting accomplished by the earthquake indicates that the east-southeastward extrusion of Tibet Plateau accommodates,in part,the continuing penetration of the Indian plate into the Eurasian plate,and this extrusion is transformed at the eastern margin of the Tibetan Plateau into crustal thickening and shortening along the Longmenshan Fault zone that is responsible for the growth of high topography in the region.

1. National Center for Active Fault Studies, Institute of Geology, China Earthquake Administration, Beijing 100029, China; 2. Earthquake Administration of Sichuan Province, Chengdu 610041, China; 3. Earthquake Administration of Zhejiang Province, Hangzhou 310013, China; 4. Institute of Crustal Dynamics, China Earthquake Administration, Beijing 100085, China; 5. China Center for Earthquake Disaster Prevention, Beijing 100029, China; 6. Earthquake Administration of Shandong Province, Jinan 250014, China; 7. Earthquake Administration of Shaanxi Province, Xi'an 710068, China; 8. Earthquake Administration of Guangxi Zhuang Autonomous Region, Nanning, 530022, China

震后应急野外考察表明,2008年5月12日汶川 M S 8.0地震在青藏高原东缘龙门山推覆构造带上同时使北川-映秀断裂和灌县-江油断裂两条倾向NW的叠瓦状逆断层发生地表破裂。其中,沿北川-映秀断裂展布的地表破裂带长约240km,以兼有右旋走滑分量的逆断层型破裂为主,最大垂直位移6.2m,最大右旋走滑位移4.9m;沿灌县-江油断裂连续展布的地表破裂带长约72km,最长可达90km,为典型的纯逆断层型地表破裂,最大垂直位移3.5m;另外,在上述两条地表破裂带西部还发育着1条NW向带有逆冲垂直分量、左旋走滑性质的小鱼洞地表破裂带,长约6km。这一地表破裂样式是近期发生的特大地震中结构最复杂的一次逆断层型地表破裂,地表破裂的长度也最长。利用已有的石油地震剖面,结合余震分布和地表破裂带特征等资料构建的三维发震构造模型表明,龙门山推覆构造带现今和第四纪时期以地壳缩短为主,斜滑逆冲型地震表明青藏高原中东部的水平运动在华南地块与巴颜喀拉地块之间的龙门山推覆构造带上转化为地壳的缩短和隆升。

2003

0.0

徐锡伟, 闻学泽, 郑荣章, 等. 2003. 川滇地区活动块体最新构造变动样式及其动力来源[J]. 中国科学(D辑), 33(S): 151—162.

Xi-wei

, WEN

Xue-ze

, ZHENG

Rong-zhang

, et al. 2003. Pattern of latest tectonic motion and its dynamics for active blocks in Sichuan-Yunnan region, China[J]. Science in China(Ser D), 46(S2): 210—226.

基于“活动块体”的基本概念,综合历史地表破裂型地震的空间分布、主干活动断裂和次级活动断裂的展布特征等,川滇地区可划分出4个一级块体:马尔康块体(Ⅰ)、川滇菱形块体(Ⅱ)、保山-普洱块体(Ⅲ)和密支那-西盟块体(Ⅳ)等;受次级北东向断裂的切割,川滇菱形块体(Ⅱ)可进一步划分为川西北(Ⅱ_1)和滇中(Ⅱ_2)2个次级块体,保山-普洱块体(Ⅲ)包括保山、景谷和勐腊等3个次级块体(Ⅲ_1,Ⅲ_2,Ⅲ_3)。通过断错地貌学的定量研究,厘定了川滇地区各级块体主干边界活动断裂的基本类型和长期滑动速率值;运用矢量分析的方法确定了块体的运动状态,并讨论了变形协调性问题,指出川滇地区各级块体运动是平移、转动和隆升等3种基本运动的复合或叠加,其中马尔康块体、川西北和滇中两个次级块体南东向或南南东向平移速率1～5mm/a,顺时针转动角速率1.4～4°/Ma,隆升速率1mm/a左右;保山-普洱和密支那-西盟两块体也发生过大规模的顺时针转动.它们是印度板块与欧亚板块碰撞、印度板块北移引起板块边缘或内部变形局部化和差异运动的应交响应。由于存在横向活动逆断裂带对东向或南东向平移分量的吸收和转换,青藏高原物质的向东逃逸量或挤出量是有限的,为“叠瓦状道冲转换-有限挤出模型”。

2012

0.0

姚琪, 徐锡伟, 邢会林, 等. 2012. 青藏高原东缘变形机制的讨论: 来自数值模拟结果的限定[J]. 地球物理学报, 55(3): 863—874. doi: DOI: 106038/j. issn. 0001-5733. 2012. 03. 016.

YAO

, XU

Xi-wei

, XING

Hui-lin

, et al. 2012. Deformation mechanism of the eastern Tibetan plateau: Insights from numerical models[J]. Chinese Journal of Geophysics, 55(3): 863—874(in Chinese).

青藏高原东缘的地壳结构是两种主流青藏高原隆升模式争辩的焦点之一.中下地壳流曾经被认为是高原东缘隆升的主要构造驱动力,但是中上地壳之间低阻低速层的发现及其与2008 MS8.0汶川地震良好的对应关系表明,高原东缘具有向东刚性挤出的可能性.然而大部分关于龙门山断裂的数值模拟仍建立在下地壳流的基础上,仅将低阻低速层作为断裂的延续或是弱化地壳物性参数的软弱层,而非能够控制块体滑动的"解耦层",也没有考虑到刚性块体变形中的断裂相互作用.本文建立了包含相互平行的龙门山断裂与龙日坝断裂的刚性上地壳模型,用极薄的低阻低速层作为块体滑动的解耦带,采用速率相关的非线性摩擦接触有限元方法,基于R最小策略控制时间步长,计算了在仅有侧向挤压力作用下,低阻低速层对青藏高原东缘的刚性块体变形和断裂活动的作用.计算结果显示,低阻低速层控制了刚性块体的垂直变形和水平变形分布特征.在侧向挤压力的持续作用下,在低阻低速层控制下的巴颜喀拉块体能够快速隆升,而缺乏低阻低速层的四川盆地隆升速度和隆升量均极小,隆升差异集中在龙门山断裂附近,使其发生应力积累乃至破裂.龙日坝断裂被两侧的刚性次级块体挟持着一起向南东方向运动,但该断裂的走滑运动分解了绝大部分施加在块体边界上的走滑量,使得相邻的龙门山次级块体的走滑分量遽然减少,也使得龙门山断裂表现出以逆冲为主,兼有少量走滑的运动性质.本文所得的这些计算结果显示了在缺乏中下地壳流,仅在低阻低速层解耦下刚性块体隆升过程及相关断裂活动,提供了青藏高原东缘刚性块体挤出的可行性,为青藏高原东缘隆升机制的研究讨论提供了重要依据.

2005

0.0

张世民, 聂高众, 刘旭东, 等. 2005. 荥经-马边-盐津逆冲构造带断裂运动组合及地震分段特征[J]. 地震地质, 27(2): 221—233. doi: DOI: 103969/j. issn. 0253-4967. 2005. 02. 005.

ZHANG

Shi-min

, NIE

Gao-zhong

, LIU

Xu-dong

, et al. 2005. Kinematical and structural patterns of Yingjing-Mabian-Yanjin thrust fault zone, southeast of Tibetan plateau, and its segmentation from earthquakes[J]. Seismology and Geology, 27(2): 221—233(in Chinese).

Segmentation of thrust fault zone is a basic problem for earthquake hazard evaluation. The Yingjing-Mabian-Yanjin thrust fault zone is an important seismic belt trending northwest in the southeast of Tibetan plateau. The longitudinal faults in the thrust zone are mainly of thrust slipping. The late Quaternary motion modes and displacement rates are quite different from north to south. Investigation on valleys across fault shows that the transverse faults are mainly of dextral strike-slipping with a bit dip displacement. Based on their connections with longitudinal faults, three types of transverse faults are generalized, namely, the separate fault, the transform fault and the tear fault, and their functions in the segmentation of the thrust fault zone are compared. As the result, the Yingjing-Mabian-Yanjin thrust fault zone is divided into three segments, and earthquakes of the three segments are compared. The trisection of Yingjing-Mabian-Yanjin thrust fault zone identified by transverse faults reflects, on one hand, the differences in slip rate, earthquake intensity and pace from each segment, and the coherence of earthquake rupturing pace on the other hand. It demonstrates that the transverse faults control the segmentation of thrust fault zone to a certain degree, and each type of the transverse faults plays a different role.

逆冲构造带的分段性研究是评价该类发震构造地震危险性的基础工作。荥经-马边-盐津逆冲构造带是青藏高原东南边缘重要的NW向强震构造带,该构造带以逆冲错动为主要活动形式,其组合形式与逆冲强度存在南北差异。通过NE向横向断裂的构造地貌分析,发现横向断裂以右旋走滑活动为主,兼有倾滑活动。根据其与纵向断裂的交接关系,将横向断裂概括为横向分割断裂、横向撕裂断裂和横向转换断裂3种类型,讨论了3类横向断裂在逆冲构造带分段中所起的不同作用,进而将荥经-马边-盐津逆冲构造带分为独立的3段,并分析了各段的地震活动特征。研究表明,荥经-马边-盐津逆冲构造带以横向断裂为标志的3分段特点,既体现了段与段之间断裂活动强度、地震破裂强度与步调的差异,又体现了段内地震破裂步调的一致性,表明横向断裂在一定程度上控制了逆冲构造带的破裂分段,只是横向断裂的类型不同,其所起的作用也不同。

2008

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朱守彪, 邢会林, 谢富仁, 等. 2008. 地震发生过程的有限单元法模拟: 以苏门答腊俯冲带上的大地震为例[J]. 地球物理学报, 51(2): 460—468.

ZHU

Shou-biao

, XING

Hui-lin

, XIE

Fu-ren

, et al. 2008. Simulation of earthquake processes by finite element method: The case of megathrust earthquakes on the Sumatra subduction zone[J]. Chinese Journal of Geophysics, 51(2): 460—468(in Chinese).

Numerical simulation of the earthquake processes is a key method to carry out physical accurate earthquake forecast in the future，but today empirical method is used in earthquake prediction，which is seldom successful. In this paper，we use a unified rate-dependent frictional law to formulate two different frictional states，one is sticking，and the other is sliding. Based on R-minimum，time in tegration method with static explicit is adopted in finite element analysis in o rder to make the result convergent in calculation. Take the Sumatra subduction zone as an example，where the major earthquake with M m 9.3 occurred in 2004，the process of locking，unlocking，and sliding between the subduction plate and the overriding plate is simulated. The result shows that a large space of homogeneous media with the same frictional coefficient is a prerequisite for forming large-scale sudden sliding，which is regarded as an event. The earthquakes simulated by the model on the Sumatra subduction zone have characteristics of quasi-cycle in time and migration in space. The earthquake ruptures propagate upward from bottom. Moreover，the geometry of the subduction zone has much influence on the location of the large event.

地震预报由目前的经验预报走向物理预报，数值模拟地震过程是其中的关键.文中应用统一的数学公式表述了速率相关的摩擦接触中黏着（sticking）和滑移(sliding)这两种不同的运动状态；有限元计算中采用静力显示的时间积分方法，基于 R 最小策略，控制时间步长以保持力学状态变化稳定，从而保证有限元计算过程平稳、收敛.以2004年发生过 M m =9.3特大地震的苏门答腊俯冲带为例，模拟了俯冲带上俯冲板片与上伏板块之间的闭锁、解锁、滑动到再闭锁这一准周期性过程，即地震的孕育、发生过程.计算结果表明，俯冲带上具有较大尺度、介质均匀、摩擦系数相同的区域是产生大规模、大幅度整体突然滑动（即大地震）的条件；模拟的苏门答腊俯冲带上的大地震在时间上有准周期性，空间上有迁移特征，破裂由深部向浅部进行；此外，俯冲带的几何特征对大地震的震源位置有很大的影响.

1976

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1979

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2001

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2009

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2012

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1998

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2003

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