龍門山地區(qū)歷史強震相互關(guān)系的數(shù)值模擬實驗研究

劉 盼 李平恩(中國地震局地球物理研究所，北京 100081)

龍門山地區(qū)歷史強震相互關(guān)系的數(shù)值模擬實驗研究

劉 盼 李平恩
(中國地震局地球物理研究所，北京 100081)

龍門山地區(qū)位于青藏高原巴顏喀拉地塊東部，自20世紀(jì)以來相繼發(fā)生了6次7級以上強震，它們之間的相互關(guān)系值得深入研究。本文采用數(shù)值模擬方法，建立龍門山地區(qū)三維粘彈性分區(qū)分層模型，首先重建了與地表觀測資料基本吻合的現(xiàn)今構(gòu)造應(yīng)力場，在此基礎(chǔ)上，依次模擬了6次7級左右地震，從庫破裂應(yīng)力變化角度分析了地震之間的相互作用關(guān)系。

研究區(qū)域為101.5°E-106.8°E，29°N- 33.7°N，包含了整個龍門山推覆構(gòu)造帶和周邊的主要活動斷裂帶。利用中國大陸活動斷裂資料、地表高程、Moho面深度值數(shù)據(jù)以及深部地球物理反演結(jié)果，建立從地表到軟流圈上地幔的三維分層有限元模型。采用Maxwell本構(gòu)關(guān)系模擬巖石圈在長期地質(zhì)演化中的流變效應(yīng)。三維模型縱向上分為5層，分別是(1)上地殼淺部：從地表到500 m深度；(2)上地殼：從500 m到20 km深度；(3)下地殼：從20 km到Moho面；(4)巖石圈上地幔：從Moho面到100 km深度；(5)軟流圈上地幔：從100 km到200 km深度。模型包含了主要斷裂帶和活動地塊兩種地質(zhì)單元。斷裂帶深度取從地表至20 km深度，在上地殼對活動地塊和斷裂帶進行材料分區(qū)，其余部分僅對活動地塊分區(qū)。模型共69 003個節(jié)點，120 291個三棱柱單元（退化的8節(jié)點六面體單元）。本文采用大型商用有限元計算軟件ADINA進行求解計算。

在模型中，由深部反演結(jié)果給定活動地塊材料參數(shù)，考慮到斷裂帶介質(zhì)比較軟弱，將其彈性模量取為兩側(cè)活動地塊的1/3。粘滯系數(shù)的選擇參照Molnar等人的觀點，在上地殼和巖石圈上地幔選擇高值，下地殼和軟流圈上地幔選擇低值，上地殼淺層取低值。

為重建穩(wěn)定的現(xiàn)今構(gòu)造應(yīng)力場，根據(jù)GPS觀測資料在模型側(cè)邊界施加位移載荷，模型底部施加沿垂直向運動固定的約束條件。模擬時間取10萬年，分為100個時間步。分別試算了2組GPS數(shù)據(jù)：(1)相對歐亞大陸；(2)相對華南地塊。結(jié)果表明，采用相對歐亞大陸的GPS數(shù)據(jù)得到的模擬位移場與實際觀測資料吻合得更好，以此作為構(gòu)造背景應(yīng)力場，在此基礎(chǔ)上，模擬地震序列的發(fā)生。

采用降低發(fā)震斷層材料參數(shù)的方法模擬地震發(fā)生的瞬時過程。為保證發(fā)震斷層的泊松比保持不變，本文提出了同比例降低剪切模量和體積模量的方法，并采用ADINA的重啟動算法，以地震發(fā)生時的水平錯動為約束條件，依次模擬了研究區(qū)發(fā)生的6次7級左右強震及震間應(yīng)力變化，并計算每次地震在后繼地震斷層面上的庫侖破裂應(yīng)力變化（表略）。

計算結(jié)果表明，1933年疊溪7.5級地震導(dǎo)致后繼的康定、大邑和蘆山地震的斷層面上的庫侖破裂應(yīng)力降低；1955年康定7.5級地震導(dǎo)致后繼的松潘地震的斷層面上的庫侖破裂應(yīng)力降低；1970年大邑6.3級地震導(dǎo)致后繼3次地震斷層面上的庫侖破裂應(yīng)力均降低；其余前次地震均導(dǎo)致后繼地震斷層面上的庫侖破裂應(yīng)力增加。庫侖破裂應(yīng)力隨距離的增大迅速減小，1933年疊溪與松潘地震之間距離約76公里，庫侖破裂應(yīng)力為3.8×10-2Mpa，1955年康定地震與1976年松潘地震之間距離約285公里，庫侖破裂應(yīng)力為-0.9×10-5Mpa。由于計算的庫侖破裂應(yīng)力值均小于前次地震“觸發(fā)”后繼地震事件的閥值0.01 MPa，因此，我們認(rèn)為，如果庫侖破裂應(yīng)力為正，僅僅說明前次地震“有利于”后繼地震的發(fā)生。