【摘要】：龍門山推覆構(gòu)造帶不僅是四川盆地與青藏高原的地形和構(gòu)造分界帶,而且是研究青藏高原地殼厚度變化的關(guān)鍵部位,是研究青藏高原邊緣活動斷層和潛在的地震災害的關(guān)鍵地區(qū)之一。2008年5月12日在龍門山推覆構(gòu)造帶中-北段發(fā)生了汶川8.0級大地震,2013年4月20日又在龍門山推覆構(gòu)造帶上的南段發(fā)生了四川蘆山Ms7.0級地震,兩次地震的震中相距約90 km。其中,汶川地震因其獨特的發(fā)震構(gòu)造環(huán)境及造成重大的人員和財產(chǎn)損失,在國內(nèi)外引起極大的關(guān)注。汶川Mw7.9級地震在龍門山推覆構(gòu)造帶映秀—北川斷層上形成了約240km的地表破裂帶,余震密集分布長度可達300 km。其中,在NE向映秀-北川斷裂造成長240 km,以逆沖擠壓為主兼有右旋走滑分量的地表破裂;在NE向灌縣-江油斷裂造成長72km的純逆沖性質(zhì)地表破裂帶;另外還有一條長6 km、以逆沖為主兼有左旋走滑性質(zhì)的NW向小魚洞地表破裂帶。為充分了解本次大地震的時空破裂過程,大量學者對本次地震的破裂過程進行了研究并取得了一系列系列研究成果。汶川地震破裂過程持續(xù)約100秒,破裂沿著斷層向東北方向傳播近300 km,破裂過程由多個子事件組。破裂過程的研究很好地揭示了汶川大地震的時空演化過程,但是對本次大地震起始破裂階段的細節(jié)研究上還存在一些欠缺之處。例如,1)汶川地震震源參數(shù)(發(fā)震時間和深度)存在較大的差異;2)起始階段的破裂過程細節(jié)缺乏研究;3)地震發(fā)震構(gòu)造模型存在著爭議;4)地震的成核類型有待進一步的研究。因此,汶川地震起始破裂的細節(jié)過程研究仍具有重要的科學意義。基于上述問題,本論文利用類似于反投影法P波疊加法來研究2008年5月12日汶川Mw7.9級大地震起始破裂過程的斷層幾何學及運動學特征。本論文不僅研究了汶川大地震起始階段破裂的詳細過程,還為本次地震起始破裂位置參數(shù)、起始破裂發(fā)震構(gòu)造模型及本次大地震的成核類型等科學問題提供相關(guān)的依據(jù),補充了汶川地震時空破裂過程的研究工作。本論文主要完成以下工作內(nèi)容:一、汶川地震起始破裂位置的確定汶川Mw 7.9級地震后,大量學者對其孕震機制和震源參數(shù)進行了研究,并取得了一系列的研究成果。盡管這些研究讓我們對汶川地震的震源機制有了較全面、系統(tǒng)的認識,但是在震源參數(shù),例如:發(fā)震時間、震中位置和震源深度等方面存在較大差異。從研究結(jié)果來看,汶川主震位置參數(shù)的誤差除源于記錄資料類型的不同和震相識別的差異外,龍門山推覆構(gòu)造帶地殼速度結(jié)構(gòu)的橫向不均勻性也是造成結(jié)果差異的一個重要原因。近距離的臺網(wǎng)紀錄可對震源深度和發(fā)震時刻進行有效地約束,且由于震中距較近地殼速度結(jié)構(gòu)差異相對較小也能進一步減小速度模型帶來的誤差。因此,相對于遠距離(遠震及區(qū)域臺網(wǎng)數(shù)據(jù))臺網(wǎng)資料,使用近距離的臺站資料得到的震源位置則更為可靠。本論文使用距離20km范圍內(nèi)的紫坪鋪水庫臺網(wǎng)記錄到的汶川地震主震波形資料,分別采用P波初動相對到時差和反投影P波疊加法,利用網(wǎng)格搜索法在震源區(qū)三維空間范圍內(nèi)來確定汶川地震起始破裂的位置參數(shù)。P波初動相對到時差方法獲得的結(jié)果表明,汶川地震起始破裂位于31.016°N±0.002°、103.386°E±0.002°,震源深度為8.3 km±0.92 km,發(fā)震時刻為2008年5月12日14時27分58.82秒±0.52秒(北京時間,以下本文中時間均為北京時間);反投影波形疊加法獲得的結(jié)果顯示,汶川地震起始破裂位置為31.018°N±0.003°、103.391°E±0.003°,震源深度為8.4 km±0.86 km,發(fā)震時刻為2008年5月12日14時27分58.80秒±0.4秒。二、汶川地震起始破裂過程斷層幾何學研究龍門山推覆構(gòu)造帶長約500 km,寬40-50 km,主要由龍門山后山斷裂(汶川—茂縣),龍門山中央斷裂(映秀—北川),龍門山前山斷裂(灌縣—江油)及山前隱伏斷裂等組成。這四條斷層走向N45°E、傾向NW,呈鏟式疊瓦狀向四川盆地推覆,在地表出露處后山斷裂和中央斷裂傾角較高(60°-70°),沿北西方向斷層傾角隨著深度增加而減小;前山斷裂和山前隱伏斷裂傾角較緩,為典型的逆斷層。由于龍門山推覆構(gòu)造帶內(nèi)斷裂帶整體呈現(xiàn)為上陡下緩“鏟式”的幾何結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)特征,地震的震源位置參數(shù)對發(fā)震構(gòu)造模型有著直接的影響。當前,汶川地震震源深度~15 km的認識得到廣泛的接受和應用,在此基礎上存在兩個主流的發(fā)震構(gòu)造模型:一部分研究小組認為汶川地震為高傾角逆沖斷層(50°),而另一部分研究小組則認為汶川地震發(fā)震斷層為“疊瓦狀”逆斷層,斷層傾角在震源附近較緩(~33°),向上逐漸變陡。世界上絕大多數(shù)逆沖型8級以上強震主要發(fā)生在海洋板塊邊界的俯沖帶上,或發(fā)生在大陸碰撞的低傾角(20°)逆沖推覆斷裂帶上,那么為何會在斷層傾角較大的龍門山推覆構(gòu)造帶發(fā)生汶川Mw7.9級大地震?這個科學問題的探討,對今后板內(nèi)推覆構(gòu)造區(qū)域的地震預測具有一定的參考意義。本論文首先使用距離汶川地震震中20 km范圍內(nèi)的紫坪鋪水庫臺網(wǎng)記錄到的汶川地震主震波形事件中未限幅的P波波形資料,利用類似于P波反投影波形疊加法在三維空間內(nèi)獲取了汶川地震起始破裂的時空分布特征。然后根據(jù)龍門山推覆構(gòu)造帶內(nèi)部斷層幾何特征等,在傾向NW40-60°,傾角20-50°范圍內(nèi)搜索得到了最佳的發(fā)震斷層模型,最后綜合分析龍門推覆構(gòu)造帶內(nèi)部斷層的幾何特征構(gòu)建了起始破裂的發(fā)震構(gòu)造模型。結(jié)果顯示,汶川地震起始破裂的最佳斷層面走向為NE48°,傾向NW35°,分析認為起始破裂位于映秀-北川斷裂和灌縣-安縣斷裂在地下約8 km深度的交匯斷層面上,地震的發(fā)生是由多條斷層共同作用的結(jié)果。三、汶川地震起始破裂過程運動學研究汶川地震是一次以逆沖斷層錯動為主的地震事件,破裂過程以朝北東向破裂為主,沿著斷層向東北方向傳播近270 km,整個破裂過程持續(xù)約100秒,包含了多個地震子事件,破裂速度先慢后快,平均速度約為3 km/s。雖然,這些研究得到本次大地震時空破裂過程和能量釋放圖像,但迄今為止還沒有涉及起始破裂階段(0-1秒)斷層幾何學和運動學研究工作發(fā)表。同時,利用遠距離波形記錄(全球臺網(wǎng)及區(qū)域臺網(wǎng))進行反投影震源破裂過程時,都是將起始破裂位置設定在某一個公開發(fā)表的震源參數(shù)結(jié)果上進行的。然而,汶川地震的起始破裂位置研究一直存在較大的爭議,尤其是在起始破裂的深度和時間上。因此,使用不精確的震源位置參數(shù),必然會對汶川地震破裂過程的研究和解釋帶來一定的誤差和影響。因此,汶川地震起始階段的細節(jié)破裂過程仍需要進一步地研究。為詳盡的分析汶川地震起始破裂階段的破裂過程,我們將在三維空間內(nèi)分布的破裂點投影到得到的最佳發(fā)震斷層上,來分析其運動學特征。結(jié)果表明汶川大地震起始階段的破裂過程具有階段性,破裂在0-0.3秒時間內(nèi)集中在起始破裂點附近,在0.4秒時起始破裂點開始向深部的西南方向傳播擴展,0.8秒之后破裂開始在斷層面上沿著東北方向往淺部傳播,破裂的傳播速度約為2.7 km/s�？傮w來看,破裂后的能量沿著斷層面向兩側(cè)擴散,位于破裂點深部西南方向的破裂要強于淺部的東北方向。四、汶川地震起始破裂成核類型及地震成因探討一般來說,地震通常以小振幅震動破裂開始,這些小的震動破裂往往能決定地震的最終震級。雖然在地震初始破裂過程的解釋上然存在爭議,但仍可以用震前蠕滑(Pre-slip)和級聯(lián)破裂(Cascade)兩種模型來解釋其成核過程。在地震成核類型的研究中,通過分析近源P波記錄中攜帶的震源信息來詳細地描述地震發(fā)育過程,可為地震的發(fā)震機理研究提供一定的參考依據(jù)。目前,紫坪鋪水庫蓄水對汶川地震的發(fā)生是否具有觸發(fā)作用一直存在爭議。一部分學者認為沒有影響,一部分認為有一定的影響,還有一部分則認為有明顯的觸發(fā)作用。因此,研究汶川地震起始破裂成核過程可為解決此爭議問題提供一些科學依據(jù)。本論文得到的汶川地震起始破裂細節(jié)顯示,地震在起始破裂形成后,破裂點先集中在其起始破裂點附近且釋放的能量逐漸緩慢的增加,之后在起始破裂點外圍產(chǎn)生相對較大的新破破裂并最終發(fā)育成一次地震事件,整個破裂過程的深度范圍分布在7.5-9.5 km。從破裂起始階段的破裂過程來看,本次地震的成核模式更符合于“震前蠕滑型”。根據(jù)本次地震起始破裂的成核模型,并結(jié)合紫坪鋪水庫庫區(qū)構(gòu)造應力、地質(zhì)條件、震前GPS測量結(jié)果、地震前水庫蓄水與庫區(qū)地震活動的關(guān)系,支持紫坪鋪水庫的蓄水對汶川地震的發(fā)生有明顯的促進作用的觀點。綜上所述,本論文使用近距離臺網(wǎng)記錄的高頻P波資料,利用類似P波反投影波形疊加法詳細地分析了2008年汶川Mw7.9級地震在起始破裂階段破裂傳播、擴展的時空演化過程,并利用破裂點的分布特征構(gòu)建了發(fā)震斷層的幾何結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)模型及其在起始破裂階段地震事件的成核類型。結(jié)果表明,汶川地震起始破裂位置位為31.018°N±0.003°、103.391°E±0.003°,震源深度為8.4 km±0.86 km,發(fā)震時刻(北京時間)為2008年5月12日14時27分58.80秒±0.4秒。起始破裂位于映秀-北川斷裂和灌縣-安縣斷裂在地下約8 km交匯處的斷層面上,斷層的走向為NE48°,傾角為NW35°。汶川地震起始階段的破裂過程具有階段性,破裂在0-0.3s時間內(nèi)集中在起始破裂點(緯度31.018°N±0.003°、經(jīng)度103.391°E±0.003°,深度為8.4 km±0.86 km)附近并逐漸積累能量,在0.4秒時起始破裂點深部的西南方向出現(xiàn)了一個相對較大的破裂,之后破裂開始在斷層面上沿著東北方向往淺部傳播,破裂的傳播速度約為2.7 km/s。破裂發(fā)生后能量沿著斷層面向兩側(cè)擴散,位于破裂點深部西南方向的破裂要強于淺部的東北方向,破裂過程的深度范圍分布在7.5-9.5 km范圍內(nèi)。汶川地震起始破裂過程研究表明,本次地震的成核模式更符合于“震前蠕滑型”,認為紫坪鋪水庫的蓄水對汶川地震的發(fā)生有明顯的誘發(fā)作用。本論文補充研究了汶川大地震起始階段(0-1秒)的破裂過程,并利用破裂過程中破裂點在三維空間分布特征來約束發(fā)震斷層的幾何參數(shù)并取得了一定的研究成果。雖然結(jié)果存在著一些不確定性和不可避免的誤差,但是本論文的研究思路和方法可為大地震起始破裂過程、發(fā)震構(gòu)造模型、地震成核類型及地震起因等地震機理方面的研究具有十分重要的學術(shù)價值和地震預測實踐的探索價值。
【學位授予單位】：中國地震局地質(zhì)研究所
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2019
【分類號】：P315
【圖文】：

圖 0.1 青藏高原活動構(gòu)造框架與歷史地震分布圖( 源自徐錫偉等，2014) 汶川地震震源參數(shù)一直存在著較大差異，尤其是在深度和時間參數(shù)上。研究表明（CEA，2008；USGS，2008；楊智嫻等，2008，2012；陳九輝等，2009；馬文濤等，2011；張

圖 1.1 研究區(qū)及周邊地形地貌、紫坪鋪水庫分布斷層展布、及臺站分布圖紅色線段為汶川地震地表破裂分布（Xu 等, 2009），黃色實心圓為汶川余震分布2008 年 5 月 12 日發(fā)生的汶川 M8.0 級大地震震中位于龍門山推覆構(gòu)造帶中北段至少已

裂帶向東北方向拓展形成長約 330 km 的余震區(qū)（圖 1.1）。龍深度分布具有明顯的分段特征，綿竹至平武段主要分布在 7-19 以東的余震深度分布范圍較大，尤其是青川以東段落，具有深度桂喜等，2012）。

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本文編號：2798800