編者按：汶川地震發(fā)生后,，多種考察資料和研究分析不斷豐富,，中科院青藏高原研究所王衛(wèi)民副研究員、地質(zhì)與地球物理研究所姚振興院士綜合了地質(zhì)構(gòu)造,、波形記錄,、GPS等資料對汶川8.0級地震的震源破裂過程做了重新分析。本網(wǎng)特對2位專家這一重要研究結(jié)果采寫了專稿,。

1,、四川汶川地震區(qū)的地質(zhì)構(gòu)造背景

2008年5月12日，在四川龍門山地區(qū)發(fā)生了8.0級地震,。龍門山山脈位于青藏高原東緣,，它是由于青藏高原向東強烈擠壓揚子克拉通西緣—四川盆地而形成的高山地區(qū)，在橫向不到50km的距離內(nèi)地形起伏達到5km以上,，為青藏高原邊緣最劇烈的地形梯度帶,。在龍門山斷裂帶內(nèi)主要有三條斷層帶，從北西向南東它們分別為：沿汶川—茂汶的龍門山后山斷裂帶,；沿映秀—北川的龍門山中央主斷裂帶,；沿都江堰—安縣的龍門山山前主邊界斷裂帶，如圖1所示,。在垂直剖面上,，這三條斷層呈鏟式疊瓦狀向四川盆地推覆，在地表出露處斷層傾角大于60°,，沿北西方向斷層傾角隨著深度增加而減小,。在龍門山構(gòu)造帶西側(cè)20km深度處的中地殼存在3～5km的低阻層，可能是地殼深部物質(zhì)滑脫的拆離帶,，因此這三條斷層最后在深度20km收斂合并成一條剪切帶,。地質(zhì)調(diào)查表明，龍門山構(gòu)造帶的幾條主斷裂帶自晚第四紀以來均顯示由北西向南東的逆沖運動,，并伴有顯著的右旋走滑分量,。單條斷層平均水平位錯量與垂直位錯量大致相當，約為1mm/a左右（周榮軍等,，2006）,。在長期的北西—南東方向區(qū)域構(gòu)造應力場的作用下，積累的應變能最終以大地震的方式釋放,，造成極大破壞,。

圖1 汶川地震區(qū)域構(gòu)造背景

1,、茂汶-汶川斷裂，2,、北川-映秀斷裂,，3、龍門山山前斷裂,。

紅色線段為汶川地震后龍門山斷層地表破裂軌跡（張培震,，2008）

紅色小圈表示一個月內(nèi)的3.5級以上余震分布,藍色矢量為GPS觀測同震位移

（國家地震局中國地殼運動觀測網(wǎng)絡數(shù)據(jù)中心）

2、地震震源破裂過程

基于有限斷層震源模型,，求解天然地震震源破裂過程解需要收集下列資料：

（1）遠場地震波形記錄,；

（2）地震斷層的地質(zhì)信息；

（3）近場GPS和InSar資料,；

（4）近場強震記錄資料,。

大地震發(fā)生時，通過網(wǎng)絡,，從地震數(shù)據(jù)中心可及時獲得全球數(shù)字地震臺網(wǎng)地震波形記錄,。以四川汶川地震為例，大地震發(fā)生后美國IRIS（國際地震學聯(lián)合會）地震臺網(wǎng)中心很快有汶川地震的地震波形記錄資料可供下載,。遠場地震波形記錄對地震震源破裂的時間過程有較高分辨,，因此根據(jù)遠場地震波形記錄可迅速地測定地震的破裂過程。例如美國地質(zhì)調(diào)查局紀晨等于地震發(fā)生7小時,，在網(wǎng)上發(fā)布了汶川地震震源破裂過程及等震線分布結(jié)果,。在求解過程中，斷層面的走向和傾角需預先給定,。根據(jù)野外地質(zhì)調(diào)查結(jié)果,，確定斷層面走向和傾角，使得地震有限斷層震源模型更加符合實際情況,。近場GPS和強震記錄則可提供較高的空間分辨率解,，但這往往要等很長的時間,，大多數(shù)情況下沒有這方面的資料,。在補充近場觀測資料后可獲得更好更完整的解答。

張培震等（2008）對龍門山斷裂的地質(zhì)調(diào)查結(jié)果顯示,，汶川地震發(fā)生時沿龍門山中央主斷裂帶從映秀鎮(zhèn)至北川長200km斷裂貫通,，產(chǎn)生垂直和水平向位移最大錯距4.5～5m，平均2m,；龍門山山前主邊界斷裂帶從都江堰至漢旺鎮(zhèn)段長40km也發(fā)生了貫通,，平均錯距1～2m。圖1中紅色線段為汶川地震后龍門山斷層地表破裂軌跡（張培震,，2008）,。圖1中藍色矢量為國家地震局中國地殼運動觀測網(wǎng)絡數(shù)據(jù)中心提供的四川汶川地震應急GPS觀測數(shù)據(jù)成果（同震位移）,。圖2為從IRIS下載的四川汶川地震遠場P和SH波波形記錄。

圖2 四川汶川地震遠場P和SH波形記錄

上圖為臺站分布,，其中黑色三角為選用P波記錄的臺站,，藍色圓為選用SH波記錄的臺站。

下圖左列為P波垂向位移資料,，右列為SH波位移資料,，并給出臺站名、方位角和震中距,。

根據(jù)地質(zhì)資料我們構(gòu)造了一個雙鏟狀有限斷層震源模型用以模擬汶川地震時龍門山中央主斷層和山前主邊界斷層的破裂情況,。野外地表出露的破裂面軌跡形狀十分復雜，我們近似的用一直線表示,，但是為了考慮GPS測點的分布,，主斷層面在地表的位置用一折線表示。

以野外地質(zhì)調(diào)查結(jié)果作為約束,，P波和SH波波形記錄及近場GPS觀測結(jié)果,，采用非線性反演—模擬退火法，求解汶川地震發(fā)生時斷層面上破裂的錯距分布情況,，結(jié)果如圖3所示,。圖4為P與SH波理論地震圖與實際記錄圖比較。圖5為水平和垂直向理論同震位移與GPS觀測值的比較,。在圖5中我們把雙斷層面震源模型投影到地面上,，而其中的圓點為3.5級以上余震分布。

圖3 汶川地震雙鏟狀有限斷層震源模型及錯距分布

上方左圖為斷層模型在地表的投影 上方右圖為斷層模型的三維示意,。

下方圖分別為反演獲得的三段斷層的錯距和滑動矢量分布,。

圖4 遠場P和SH波理論地震圖（紅）與觀測記錄圖（黑）對比

圖5 斷層模型錯距分布投影及水平和垂直向理論同震位移與GPS觀測值對比

藍色矢量為GPS觀測值，白色為理論同震位移,；黑色圓圈為主震后一月內(nèi)的3.5級以上余震分布

圖6 汶川地震震源破裂過程（地表投影）

根據(jù)雙斷層面震源模型的反演結(jié)果,，得到汶川地震的標量地震矩M0=1.04*1021Nm,按Kanamori（1977）公式計算，相應的矩震級Mw=7.9,，換算成面波震級Ms=7.9,。沿龍門山中央主斷裂帶，破裂從震源向北東方向擴展至斷層東北邊界持續(xù)時間為110秒,，圖6給出了汶川地震的破裂過程,。主震發(fā)生后7.2秒，龍門山山前主邊界斷層從都江堰北部開始錯動,。斷層面上錯動矢量分布如圖3箭頭所示,，錯動以逆沖和右旋走滑為主，平均的錯動量△D=223.4cm,，其中平均走滑量 △D//=155.0cm,，平均傾滑量△D⊥=118.6cm,。在斷層面上錯動分布是不均勻的，呈現(xiàn)兩個集中區(qū),，在時間上它們發(fā)生在地震開始后的15～30s和40～60s,，在地面上的投影分別對應映秀和北川附近。在映秀附近山前主邊界斷層深度9.1km處最大錯動量為516cm,，在中央主斷層深度15.5km處最大錯動量為1249cm,；在北川附近中央主斷層深度3.6km處和深度10.3km處最大錯距分別高達1043cm和1200cm。這一結(jié)果解釋了北川地面破壞程度最劇烈的原因,。四川盆地位于逆沖斷層的下盤,，所以遭受的地震破壞相對地較小。

從圖4,、5可以看到,，基于雙鏟狀有限斷層震源模型，計算得到的遠場P,、SH波理論地震圖與該地震P,、SH波形記錄之間，近場垂向,、水平方向地表的理論位移（大小和方向）與GPS觀測記錄均能較好的吻合,，說明該模型較好的反映了汶川地震發(fā)生時沿龍門山中央主斷層和山前主邊界斷層的破裂情況。斷層錯動以逆沖和右旋走滑為主,，其中平均走滑量稍大于平均傾滑量,，這一結(jié)果與該地區(qū)自晚第四紀以來的構(gòu)造變形相一致，即四川汶川地震是由于該地區(qū)呈北西—南東方向擠壓的區(qū)域應力場長期作用的結(jié)果,。按所求得的平均滑動量223cm計算,，汶川地震的孕育時間已經(jīng)近千年了。

破裂過程動畫