基于 2001 年可可西里 8.1 级地震形变场演化分析的青藏高原粘弹性动力学模型研究 中国地震局 沈正康 万永革 王 敏 张祖胜 王庆良 甘卫军 王 琪 乔学军

1. 基于2001年可可西里8.1级地震形变场演化分析的青藏高原粘弹性动力学模型研究基于2001年可可西里8.1级地震形变场演化分析的青藏高原粘弹性动力学模型研究 中国地震局 沈正康 万永革 王 敏 张祖胜 王庆良 甘卫军 王 琪 乔学军 美国内华达大学 曾跃华 同震形变研究 摘要 大陆地壳形变模式是地球动力学长期争论未决的问题，主要围绕在连续形变还是块体运动，地壳与上地幔间是否解耦，以及板内大型走滑断层的深部构造及其在吸收板内变形所起的作用等诸方面。争论的难点主要在于模型缺乏观测资料的约束。而大陆地壳内部大地震的发生会激发和凸显一系列独特的平时无法观测到的应变响应如断层面上的蠕变滑移和下地壳、上地幔的弛豫形变，观测和研究大震同震和震后形变场即成为回答上述问题的难得机会。 本研究运用位错理论和边界元方法建立粘弹性力学模型以模拟2001年青海可可西里8.1级地震前后东昆仑断裂与岩石圈应力应变场的演化，通过GPS方法监测地震震后形变场以约束模型中至关重要的断层和岩石圈流变学本构关系。关于震后形变源即同震形变场的研究，用GPS和地表断层破裂资料反演可可西里8.1级地震同震破裂分布，得到地震破裂深度～17公里。分析GPS震后形变场数据发现，震后形变运动方向与同震形变运动方向基本一致，均为跨断层的左旋滑移。震后形变南北盘运动强烈非对称，南盘台站的东向运动量明显大于北盘台站的西向运动量，表明二盘介质物理性质的显著差异。震后形变场变化随时间呈指数衰减，前期（T<0.7年）时间常数～0.3年，后期（T>0.7年）时间常数明显增大。 对于观测数据的初步拟合表明下地壳介质粘度最低为～5 x 1017 Pas，上地幔粘度～1019 Pas。断层震后蠕滑发生在～17－33公里深度范围内，蠕滑量约为主破裂量的1/5，即相当于～20％的主破裂释放地震矩。介质弛豫形变和断层蠕滑分别贡献了震后形变场的85％和15％，显示青藏高原地壳内部存在明显的韧性剪切带，地壳与上地幔间明显解耦。在此研究基础上可以建立受真实岩石圈介质本构关系控制的三维流变学动力学模型，验证青藏高原地壳形变模式，定量研究青藏高原构造演化过程。 引言 有关青藏高原变形的大陆动力学研究一直是地球科学的前沿课题之一。研究的焦点主要集中在大陆地壳的形变模式，究竟是以连续分布还是块体运动形式为主。一种模型认为大陆地壳可划分为块体，内部呈刚性，形变局限于组成块体边界的少数大型断裂带上。这就要求块体内部岩石圈具有很强的刚度，下地壳介质有很高的屈服强度与粘度，形成上地壳与上地幔之间的强耦合。同时块体边界的断裂带则为切割整个岩石圈的薄弱带，脆性层以下的形变依然呈块体间的相对错动，表现为断层面上的粘性蠕滑。由此产生的断层运动是受全地壳弹性介质驱动的“厚皮”模型。与块体运动模型相对立的，连续形变模型认为大陆岩石圈，特别是青藏高原岩石圈仅有有限刚度，下地壳介质屈服强度低且呈强流变性，造成上地壳与上地幔之间解耦。上地壳在下地壳塑性流驱动下产生广泛分布的形变。由此产生的断层运动是受脆性上地壳和粘性下地壳介质驱动的“薄皮”模型，断层切割上地壳并弥散于下地壳的软流层中。由此可知，认知青藏高原岩石圈模型的运动学与动力学特征，即地壳、特别是下地壳的流变学结构，大型断裂带内部，特别是在中、下地壳深度上的流变学结构，块体内部形变率以及块体边界大型断裂带的错动率就成为建立与判别形变模式的重要依据。需要指出的是，以上的诸种特征在一般时期，即没有大震发生的时段通过观测仅能得到部分运动学特征（如块体的内部形变和跨断裂带的错动），动力学特征则很难获得。只有当大地震发生时断层区及周围介质会发生应力场的突然变化，引起震后一段时间内断层区及其邻域岩石圈应力应变场的快速调整，包括断层面上的蠕变滑移和下地壳、上地幔的弛豫形变。在这一过程中震时转移到下地壳粘塑性层中的应力逐渐释放，而上地壳脆性层内的断层通过与下地壳的耦合获得重新加载。相比于地震孕育、发生的全过程这一时期的形变显著而快速，并且地表形变与断层和介质内部的应力应变场的变化及其流变学性质密切相关。由此监测地震后、特别是大地震后的形变场，就为探索断层和地壳、上地幔的流变学结构及其本构关系，上、下地壳的耦合与岩石圈强度，断层加载模式与深部结构提供了全新的研究资料和研究方式。2001年11月14日青藏高原北部东昆仑断裂段发生的 Ms8.1(Mw7.8)可可西里地震（又称昆仑山、昆仑山口西或库赛湖地震）就为我们提供了这样一个深入研究青藏高原岩石圈结构与动力学机制的机会。 反演得到同震滑移模型。细虚线表示所在断层段的平均地表滑动量，红粗线表示反演结果。黄色区域表示1σ误差，蓝细线表示零基准线。上图为左旋滑动分量，下图为倾向滑动分量（北盘上升为正）。 95%置信椭圆的GPS同震位移。蓝色箭头表示观测的同震位移，红箭头表示模拟结果；桔红色表示反演所用的破裂模型表面迹线，菱形点为断层分段节点；绿色表示水准测量线。 地质调查得到的地表滑动位移和断层分段模型。上图表示左旋滑动位移，下图表示倾向滑动位移（北盘上升为正）；红粗实线为断层分段平均滑移结果。 通过分析2001年昆仑山口西Ms8.1地震前后GPS资料和1979-2002年水准测量资料，获得了地表同震位移场。利用这些同震位移数据，以震后详细野外地质调查破裂数据为约束，采用最大似然解估计公式（Jackson, 1979）,反演了破裂断层面上的同震滑动分布。结果表明破裂下界深度为14.2~21 km（70%置信区间），最佳破裂深度1 km。虽然在太阳湖段和主破裂带西端的中间区域没有观测到地表破裂, 但反演的结果表明此区域存在2~3 m左右的左旋水平走滑，与InSAR资料分析得到的结果一致。地表以下的破裂西端止于太阳湖段，而东端似乎在地表破裂迹线以东30 km范围内仍存在1.5~2.0 m的左旋滑动。反演的垂直位移表明断层在经度93oE以西部分大体表现为南盘上升，而93oE以东部分表现为北盘上升。由大地测量和地表破裂调查得到的地震矩释放为6.1×1020N.m，与地震波资料反演结果基本一致。 反演残差随断层底界深度分布曲线 反演的分辨率和反演残差的折中曲线 震后形变模型初步研究 震后形变监测 参考文献 陈杰，陈宇坤，丁国瑜，等. 2003. 2001年昆仑山口西8.1级地震地表破裂带[J]. 第四纪研究，23(6): 629~639 党光明，王赞军. 2002. 青海昆仑山口西Ms8.1级地震地表破裂带特征与主要震害———对青藏高原区域稳定性评价的制约[J]. 地质通报，21(2): 105~120 乔学军，王琪，杜瑞林，等. 2002. 昆仑山口西Ms8.1 地震的地壳变形特征[J]. 大地测量与地球动力学，22(4): 6~11 沈正康，万永革，甘卫军，等. 2003. 东昆仑活动断裂带大地震之间的黏弹性应力触发研究[J]. 地球物理学报，46(6): 787~795 许力生，陈运泰. 2004. 从长周期波形资料反演2001年11月14日昆仑山口地震时空破裂过程[J]. 中国科学(D辑)，34(3): 256~264 徐锡伟、陈文彬、于贵华，等. 2001年11月14日昆仑山库赛湖地震(Ms8.1)地表破裂带的基本特征[J]. 地震地质，2002, 24(1): 1~13. Jackson D D. 1979. The use of a priori data to resolve the non-uniqueness in linear inversion[J]. Geophys J R Astr Soc, 57: 137~157 Okada Y. Internal deformation due to shear and tensile faults in a half-space [J]. Bull Seism Soc Amer, 82: 1018~1040, 1992. Lin A, Kikuchi M, Fu B, 2003. Rupture segmentation and process of the 2001 Mw 7.8 central Kunlun, China, earthquake [J]. Bull Seism Soc Amer, 93: 2477~2492 Shen F, Royden L H, Burchfiel B C. Large-scale crustal deformation of the Tibetan Plateau [J]. J Geophys Res, 106: 6793~6816, 2001. Van der Woerd J, Ryerson F J, Tapponnier P et al. Holocene left lateral slip rate determined by cosmogenic surface dating on Xidatan segment of the Kunlun Fault (Qinghai, China) [J]. Geology, 26(8): 695~698, 1998. Wei W, Unsworth M, Jones A,et al. Detection of widespread fluids in the Tibetan crust by magnetotelluric studies, Science, 292: 716~718, 2001. Zeng Y. 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Viscoelastic modeling of static stress transfer in a layered half-space using generalized reflection/transmission matrices approach, in preparation. 震后一年形变时间序列 震后2.5年形变时间序列 震后GPS观测台站分布。红色：连续站，橙色：青藏公路流动站，每年观测一至数次，绿色：近场台站，2002年3月首次观测，粉色：近场台站，2002年11月复测，蓝色：近场台站，2004年3月复测。 震后观测得到的GPS形变场表明： 1. 震后形变运动方向与同震形变运动方向基本一致，均为跨断层的左旋滑移。 2. 震后形变南北盘运动强烈非对称，南盘台站的东向运动量明显大于北盘台站的西向运动量。 3. 震后形变场变化随时间呈指数衰减，前期（T<0.7年）时间常数～0.3年，后期（T>0.7年）时间常数明显增大。 用BDGD和WDGD二测站相对JB30水平运动时间序列数据进行模型反演，求解地壳下部和上地幔的粘性参数和脆性层下断层面上转换层的位置及其震后滑移函数。假定岩石圈为平面成层的粘弹性介质构成。为了计算由于地震断层错动产生的地表位移，将断层分为多个子断层，采用同震形变结果和Zeng（2001）的粘弹性模拟软件计算每个子断层对观测点的贡献，叠加得到观测点的位移。 模型参量的选取，假定震后断层蠕滑模型的断层面垂直，蠕滑存在于主震破裂以下，其上界深度17公里等同于主震破裂研究得出的主破裂下界，蠕滑下界待定。蠕滑运动随时间呈指数衰减，滑移量正比各段脆性层同震破裂滑移量，比例系数待定。地壳与上地幔分为5层，各层粘滞系数待定。采用试错法求解上述各参数。 图示GPS数据拟合结果。黑色为二个台站的北、东向运动GPS观测时间序列，红色为拟合结果，蓝色和绿色分别为介质弛豫形变和断层蠕变滑移的贡献。如图所示数据基本得到合理的拟合。模型结果显示下地壳介质粘度最低为～5 x 1017 Pas，上地幔粘度～1019 Pas。断层震后蠕滑发生在～17－33公里深度范围内，蠕滑量约为主破裂量的1/5，对应地震矩相当主破裂释放地震矩的～20％。介质弛豫形变和断层蠕滑分别贡献了震后形变场的85％和15％，表明青藏高原地壳强烈的流变学特性对形变场的显著影响。 震后形变场空间分布。红色和橙色箭头为震后0.05－0.35年及0.35－1.05年位移。