巴颜喀拉地块和龙门山地区构造活动与强震关系的数值模拟研究

The Bayan Har block is the most intense areas of the strong earthquake activity in Chinese mainland since 1900. Its eastern border is Longmenshan fault zone. The Lushan Ms7.0 earthquake occurred in southwestern section of Longmenshan fault zone less than 5 years after 2008 Wenchuan Ms8.0 earthquake, which occurred in middle section of the same fault zone. The distance between the two earthquake’s rupture surfaces is only 50km but not connected. Why the Wenchuan 8.0 earthquake occurred in Longmenshan fault zone with low activity and low slip rate. What is the relationship of the tectonic activity of Byan Har block and Longmenshan area with this great earthquake event? And what is the connection between the two seismic events of Wenchuan earthquake and Lushan earthquake? The above questions is worth to be further studied. In this project, based on the latest research results and observation date, the three dimensional numerical simulation experimental method will be applied to study the relationship of the tectonic activity of Byan Har block and Longmenshan fault zone with Wenchuan and Lushan earthquake within an unified framework. Using this method, the influence of the fault’s three dimensional listric fault structure, physical parameters, the hierarchy of the lithosphere, loading condition, the speed difference between the upper and the lower crust, the gravity effect on stress evolution, energy accumulation, slip rate and the spatial distribution of earthquake rupture during the preparation and occurrence process of strong earthquake will be analyzed. The research results will help us to further understand the dynamic background of the strong earthquake occurred in high angle thrust listric fault and bring scientific foundation to the relationship between regional tectonic stress field and strong earthquake.

巴颜喀拉地块是1900年以来中国大陆强震活动最强烈的地区。其东部边界的龙门山断裂带中段和西南段在不到5年时间内相继发生Ms8.0级汶川地震和Ms7.0级芦山地震。两次地震破裂面之间仅仅相距50km却没有贯通。为何在龙门山断裂带能发生8级地震，这与巴颜喀拉地块和龙门山地区的构造活动有何关系？两次地震之间存在怎样的联系？值得深入研究。针对以上问题，本项目拟在综合最新研究结果和观测资料的基础上，采用三维数值模拟实验方法，在一个统一的框架内探讨巴颜喀拉地块和龙门山断裂带构造活动与汶川地震和芦山地震的关系，分析发震断裂带三维铲形结构、物性参数、岩石圈分层结构、加载条件、上下地壳速度差异、重力效应等对强震孕育发生过程中应力变化、能量积累、滑动速率以及地震破裂带空间分布的影响，从而为深入认识高角度逆冲铲形强地震的发震动力学背景以及区域构造应力场与强震间的相互关系提供科学依据。

被认为活动性不强的龙门山断裂带在不到5年时间内相继发生汶川8.0和芦山7.0强震。其发震构造背景、相互关系和发震机制等是值得深入研究的科学问题。为此，本项目综合最新地震地质、深部反演和观测资料，通过建立不同尺度的有限元模型、统一采用数值模拟方法研究巴颜喀拉地块和龙门山地区构造活动与汶川和芦山地震的关系。讨论了应力演化与研究区7级以上强震序列和地震活动性的关系、强震间的关系、以及汶川地震对芦山地震的影响。探讨了龙门山断裂带的铲形几何结构、重力效应、摩擦准则对汶川地震发震断层应力和能量分布的影响、以及汶川地震的准静态破裂过程。考虑断层介质的应变软化特性，分析了内摩擦系数、粘聚力、断层倾角以及强度曲线形状参数对汶川地震孕育发生以及失稳过程的影响。研究表明，对于巴颜喀拉地块周缘和龙门山地区自1900年以来的大部分7级以上强震，震源处的应力在震前均处于明显增加的状态，区域地震活动性可能受应力状态控制。汶川地震极大释放了龙门山断裂带北段的应力，并导致南段应力增加，对芦山地震有促进作用。芦山地震后，汶川地震和芦山地震之间的间隔空段应力持续增加。在构造加载过程中，应力逐渐由均匀分布向龙门山断裂带集中，应力和应变能密度高值区分布大致与汶川地震的破裂区域吻合。龙门山断裂带为浅部高倾角、深部低倾角的铲形结构被数值模拟实验证实，重力作用对汶川地震的发生具有重要影响。汶川地震的单向破裂特征可能与发震断裂带铲形结构和构造加载密切相关。考虑断层应变软化特性时，内摩擦角越大，粘聚力越大，地震失稳时对应的远场位移更大，应力降更大，克服断层闭锁状态需要的剪应力更大，对应地震震级更高。在相同孕震条件下，断裂带倾角越大，越具备发生地震的条件；倾角越小，储存的应变能量通过无震滑动的方式释放掉，不容易发生地震。研究结果深化了对巴颜喀拉地块和龙门山地区强震发生的动力学背景、以及汶川地震发生机制及影响因素的认识。