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汶川8级特大地震综述饶扬誉（中国地震局地震研究所）1 引言2008年5月12日14时28分，在四川省汶川县附近发生了8级特大地震。
此次地震震级大、震源浅，震区人口稠密、地形复杂、救援难度大，破坏性余震频度高、分布范围广，是建国以来我国大陆发生的破坏性最为严重的地震。
截至2008年6月22日，地震造成69 181人遇难，18 522人失踪，374 171人受伤，累计受灾人数4 616余万人。
房屋倒塌779万间，损坏2 459万间。
初步估计地震直接经济损失高达5 000亿元人民币。
本文在分析震区大地构造背景与区域地震活动性的基础上，根据遥感影象、余震分布特点和目前已经获得的相关观测与理论模拟成果、尤其是陈运泰等（2008）的研究成果，对汶川地震的发震构造、发震动力学与运动学特征进行了初步探讨。
2 大地构造背景与区域地震活动性2.1 大地构造背景震区位于扬子准地台与松潘—甘孜地槽褶皱系的交接部位，其北部为秦岭地槽褶皱系。
早古生代扬子准地台与其西部的羌塘—昌都陆块，均为“泛扬子陆块”的一部分。
从泥盆纪开始，泛扬子陆块与华北陆块碰撞拼合。
晚古生代至三叠纪羌塘—昌都块体与扬子陆块裂张解体，其间形成南古特提斯洋盆，洋壳向西俯冲，并使羌塘—昌都陆块不断向东增生而闭合，扬子板块同时向北俯冲于昆仑地体之下，于是在东西和南北方向形成双向俯冲收缩（许志琴等，1992）。
自始新世以来，随着印度板块与欧亚板块的碰撞，整个青藏地块强烈隆升并向周缘扩展，在东部受到扬子板块俯冲构造莫霍面上隆区的强烈阻挡，青藏地块向东挤出物质被分流成向东南和东北两股，东南股形成川滇菱形逸出体，东北股形成东昆仑-秦岭逸出体。
其中，在高原东缘与扬子板块的交接地带，形成了龙门山逆冲推覆构造及其断裂系。
2.2 区域地震活动性震区所在区域位于南北地震带。
南北地震带大致分布于东经102°～107°之间，分为北、中、南三段。
北段，包括宁夏西部、甘肃和青海东部及其邻近地区；中段包括四川西部和其邻近地区；南段包括云南和其邻近地区。
2008年5月12日汶川地震(Ms8,0)地表破裂带的分布特征李海兵王宗秀付小方侯立玮司家亮邱祝礼李宁吴富峣提要：2008年5月12日14时28分，青藏高原东缘龙门山地区(四川汶川)发生了Ms8.0级地震，震后野外考查表明5.12汶川地震发生在NE走向的龙门山断裂带上，该断裂带晚新生代以来的逆冲速率小于1mm/a，GPS观察结果表明其缩短速率小于3mm／a。
这次5,12汶川地震造成了多条同震逆冲地表破裂带，总体长约275km，宽约15 km，发震断裂机制主要为逆冲作用(由NW向SE逆冲)伴随右旋走滑。
地表主破裂带沿龙门山断裂带的映秀一北川断裂发育，长约275km，笔者称为映秀一北川破裂带。
破裂带具有逆冲兼右旋走滑性质。
地表次级破裂带沿龙门山断裂带的前缘断裂安县一灌县断裂南段发育，长80km，笔者称为汉旺断裂带，破裂带基本为纯逆冲性质。
在这两条破裂带之间发育两条次一级的同震地表破裂带：一条长约20km呈NE走向的地表破裂带，笔者称为深溪沟破裂带，由于这条破裂带靠近主破裂带南段，并且与主破裂带变形特征一致，因此，笔者将深溪沟破裂带划归映秀一北川破裂带；另一条长约6km呈NW走向，由SW向NE逆冲并兼有左旋滑动的地表破裂带，笔者称为小鱼洞破裂带，它连接映秀一北川破裂带和汉旺破裂带，成为侧向断坡。
另外，在灌县一安县断裂东侧的四川盆地内，由都江堰的聚源到江油发育一条NE向的沙土液化带，它可能是四川盆地西部深部盲断裂活动的结果，同震地表破裂带的分布特征表明，龙门山断裂带活动断裂具有强烈的逆冲作用并伴随较大的右旋走滑，断裂向四川盆地扩展。
在龙门山断裂上类似2008年5月12日 Ms 8.0汶川大地震的强震复发周期为3000-6000a。
关键词：地震地表破裂；地震断层；发震构造；龙门山1、前言2008年5月12 日14时28分，在青藏高原东缘龙门山地区(四川汶川)发生了强烈地震(Ms8.0)(图1)，地震导致大量房屋倒塌，并诱发了强烈的山崩、滑坡、塌方和泥石流等次生地质灾害，致使8万多人死亡，造成了巨大的经济损失和人员伤广。
2008年5月12日14时28分汶川特大地震突如其来地裂山崩。
数万鲜活生命的顷刻消失无数美丽家园的瞬间毁灭。
汶川地震凝集了太多中国人的心太多泪水。
在汶川地震发生一周年之际，我们不应该忘记历史，我们应该永远铭记这一刻，为遇难的人们点上一支蜡烛、送上一束百合。
汶川加油。
一年后的今天，孩子们的脸上又绽放出灿烂的笑容，四川人们拭去泪水，按奈悲伤，将无尽的痛苦化为前进的动力和全国人民一道在废墟上一砖一瓦建起新的家园，365天不算漫长，但却是一段永恒的记忆。
69229不是一个简单的数字，逝去的生命无法挽回，时间洗刷不掉记忆。
5.12一个给记忆蒙上阴影的日子。
我们永远不会忘记。
5.12让我们明白了生的意义，懂得了坚强，学会了珍惜。
更重要的的让我们学会了感恩四川不哭，老师曾经给我们讲过新疆沙漠的胡杨树说胡杨树可以生一千年，死而不到一千年，倒而不朽一千年老师还告诉我们，中华民族具有胡杨树这种声声不息的精神。
也正是这种精神把中国人团结起来战胜地震。
时间被永久定格下来，曾经得“天府之国”瞬间面目全非，这是一次刻骨铭心的伤痕。
留下了一段永远抹不去的记忆。
地震无情人间有爱。
汶川不相信眼泪，我们相信在风雨之后，总会出现彩虹。
四川也会从这场灾难中站起来。
而帮助四川任命重建家园，正是我们神圣的使命中国加油四川雄起5月12日的一场突发地震，使你们遭受了莫大的灾难，作为同伴的我们倍感痛心！在这场突如其来的灾难中，你们经受了难以想象的痛苦和磨难，我们在此谨向你们表示深切的关注和深深的祝福！虽然不能站在你们的身边，但我们的心却时刻挂念着你们，虽然我们不能代替你们承受心理和身体的伤痛，但我们的心跟你们是相连的！在这场灾难中，你们的亲人有的可能离开了，你们的家园遭受了极大的破坏，但你们的坚强给我们大家带来了莫大的鼓舞，你们的信心也给我们带来了很大的欣慰！作为这场灾难的直接受害者，你们是不幸的，换做任何一个人也都能体会到这其中的感受，我们无数人已经跟你们一样流淌了痛苦的、感动的和悲伤的泪水。
汶川大地震震害特点与成因分析•相关推荐汶川大地震震害特点与成因分析汶川特大地震造成了巨大的人员伤亡和财产损失，通过对地震特点研究发现，汶川地震地震能量巨大，震级大，烈度超强，震源深度较浅，破裂长度大，地震持续时间长，这是造成巨大损失的内因。
下面是小编收集整理的汶川大地震震害特点与成因分析，希望大家喜欢。
汶川大地震震害特点与成因分析篇11 引言2008年5月12日下午两点28分，四川汶川发生了M8.0级特大地震。
这次地震震级大，余震也很多，地表破裂十分严重，同时也带来了次生灾害，造成了巨大的经济损失和人员伤亡，是建国以来唐山大地震后的又一震害严重的特大地震。
我国处于西亚地中海和环太平洋的地震带交汇地区，是个受地震灾害比较严重的地区，然而我国对地震的研究起步比较晚，尤其是对房屋抗震研究也是十分缓慢。
而且对地震的研究主要是从理论和室内试验着手，但室内试验却很难模拟出现实的地震作用，再加上地震发生本身的复杂性，地震作用很难预测。
所以地震的作用机制及震害还很难准确确定。
因此对地震特点及震害分析就十分必要，这对我们研究地震作用机理，进行抗震设计有着十分重要的意义。
2 汶川地震特点根据房屋的破坏特征和实地研究，我们发现汶川地震具有以下特点：1、地震能量巨大、烈度超强。
8级地震释放的能量为7级地震的32倍，本次释放的地震波能量约为1023.7尔格，有专家称相当于当年上千颗二战时美国在广岛扔的原子弹的能量。
据有关资料介绍，在汶川卧龙获取的峰值加速度记录达0.9g（地震烈度10度强），在江油获取的峰值加速度记录达0.7g（地震烈度接近10度）。
此次地震所产生的峰值加速度大于0.4g（地震烈度9度）的区域尺度达到350公里，震中烈度高达到11度。
2、震源深度浅、破裂长度大。
汶川地震震源发生在地表以下19千米处，所产生的地面运动十分剧烈，地震破裂面从震中汶川开始向北偏东49度方向传播，破裂长度达240千米。
3、发震方式特殊、震动持续时间长。
零八年大地震历史资料5·12汶川地震，发生于北京时间(UTC+8)2008年5月12日(星期一)14时28分04秒，震中位于中华人民共和国四川省阿坝藏族羌族自治州汶川县映秀镇与漩口镇交界处。
下面是小编为大家整理的零八年大地震历史资料，希望对大家有帮助。
零八年大地震历史资料之地震经过时间位置5·12汶川地震5·12汶川地震(3)2008年5月12日14时28分04秒，四川省汶川县发生8.0级地震，震中位于四川省汶川县映秀镇与漩口镇交界处，北纬31.01度，东经103.42度。
零八年大地震历史资料之发生原因由于印度洋板块在以每年约15cm的速度向北移动，使得亚欧板块受到压力，并造成青藏高原快速隆升。
又由于受重力影响，青藏高原东面沿龙门山在逐渐下沉，且面临着四川盆地的顽强阻挡，造成构造应力能量的长期积累。
最终压力在龙门山北川至映秀地区突然释放。
造成了逆冲、右旋、挤压型断层地震。
四川特大地震发生在地壳脆韧性转换带，震源深度为10～20千米，与地表近，持续时间较长 (约2分钟)，因此破坏性巨大，影响强烈。
震源深度5·12汶川地震是一次浅源地震，震源深度为10～20千米，破坏性巨大。
地震可按照震源深度分为浅源地震，地震发生在60千米以内的称为浅源地震，浅源地震大多分布于岛弧外缘，深海沟内侧和大陆弧状山脉的沿海部分，大多发生在地表以下30千米深度以上的范围内;而中深源地震，最深的可以达到650千米左右，并且形成一个倾斜的地震带——称为本尼奥夫带。
把浅源地震和深源地震在“血缘”上联系在一起的，是板块构造学说这一被称为“地球科学革命”的全球构造理论。
零八年大地震历史资料之灾区范围极重灾区共10个县(市)，分别是：汶川县(震中)、茂县、北川县、安县、平武县、绵竹市、什邡市、都江堰市、彭州市、青川县。
较重灾区共41个县(市、区)，其中：四川省(29个)：理县、江油市、广元市利州区、广元市朝天区、广元市旺苍县、梓潼县、绵阳市游仙区、德阳市旌阳区、小金县、绵阳市涪城区、罗江县、黑水县、崇州市、广元市剑阁县、三台县、阆中市、盐亭县、松潘县、苍溪县、芦山县、中江县、广元市元坝区、大邑县、宝兴县、南江县、广汉市、汉源县、石棉县、九寨沟县。
汶川大地震的故事2008年5月12日，四川省汶川县发生了一场毁灭性的大地震，这场地震给当地人民带来了巨大的灾难和痛苦。
地震发生时，我正在汶川县城的一所小学上课，突然间，房屋摇晃，地面颤抖，同学们惊恐地大喊大叫。
老师立即带领我们躲到操场上，这时，我才意识到发生了一场大地震。
地震过后，整个校园一片狼藉，房屋倒塌，树木被连根拔起，到处都是灰尘和碎石。
我们被困在校园里，没有水喝，没有食物吃，更没有通讯工具与外界联系。
整个校园里弥漫着一股浓重的焦土味，到处都是哭泣和呻吟的声音。
在这场地震中，我亲眼目睹了许多家庭的分崩离析，许多同学的家人不幸遇难，他们失去了亲人的痛苦让人心碎。
我看到了许多伤痛和哀伤，但同时也看到了许多人的伟大和善良。
志愿者们不顾个人安危，奔赴灾区，帮助受灾群众，他们用实际行动诠释了人间大爱。
汶川大地震给我们留下了深刻的教训，它让我们明白了生命的脆弱和珍贵，让我们懂得了团结互助的重要性。
灾难中，人们团结一心，共渡难关，这种精神让人感动和震撼。
地震过后，汶川人民展现出了顽强的生命力和无尽的希望，他们用自己的行动向世人展示了汶川人民的坚韧和勇敢。
如今，汶川已经重建，废墟上重新崛起了新的建筑，人们的生活逐渐恢复了正常。
但那场地震的阴影依然萦绕在人们心头，我们永远不会忘记那些在地震中失去生命的人们，我们永远不会忘记那些为灾区重建付出努力的人们。
汶川大地震的故事，是一段关于生命的故事，是一段关于爱与希望的故事。
它让我们懂得了生命的可贵，懂得了团结互助的重要，懂得了面对困难时要坚强勇敢。
让我们铭记历史，珍爱现在，展望未来，让我们用行动传承和发扬那种团结互助的精神，让我们用爱心和希望去温暖这个世界。
愿汶川大地震的故事永远铭记在心中，成为我们前行的力量和动力。
汶川地震的故事2008年5月12日，中国四川汶川县发生了一场毁灭性的地震，这场地震带来了巨大的伤痛和损失。
这是一个让人心碎的故事，但也是一个充满希望和团结的故事。
以下是关于汶川地震的故事。
1. 地震的前奏汶川地震前的日子是平静而幸福的。
汶川县的居民们过着自己的生活，孩子们上学，农民们耕种，大家互相帮助与支持。
然而，命运却突然给他们带来了巨大的打击。
2. 地震的到来在那个宁静的早晨，一场强大的地震突然袭击了汶川县。
地面摇晃，房屋倒塌，山崩地裂。
人们在地震中失去了亲人，被埋在废墟下，生活被彻底打乱。
3. 搜救和拯救经历了地震的冲击，人们并没有失去希望。
救援人员迅速行动起来，搜救被埋的人们，给他们提供急需的援助和医疗救治。
全国各地的救援队伍纷纷赶往汶川，展开了一场艰巨而艰苦的救助行动。
4. 团结与支持在这个困难的时刻，全国各地的人们伸出援手，提供物资和资金支持。
无论是个人、组织还是政府，所有人都团结一心，为灾区的人们提供帮助。
这种团结和支持无疑成为了灾后重建的强大力量。
5. 伤痛与反思地震带来了无尽的伤痛，许多人失去了亲人和家园。
人们在痛苦中反思，如何预防类似的灾难，如何更好的保护自己和自己的家人。
6. 汶川的重建尽管地震带来了巨大的损失，但汶川的人们并没有放弃。
他们团结一心，开始重新建设他们的家园。
政府提供了资金支持和重建计划，人们自力更生，努力恢复自己的生活。
7. 希望与勇气汶川地震是一场灾难，但也是一场充满希望和勇气的故事。
灾后的汶川被改造成一个更加坚固和安全的地方，人们重新开始他们的生活，并从中获得了更多的勇气和力量。
8. 汶川地震的教训汶川地震给我们留下了重要的教训。
我们需要加强地震预警和防灾减灾意识，提高自我保护能力。
只有这样，我们才能更好地应对类似的灾难。
汶川地震是一个壮丽而令人感动的故事。
在灾难中，人们展现了无与伦比的力量和团结，重建了自己的家园。
这个故事不仅仅是关于一场地震，它更是关于人性的故事，关于爱与希望的故事。
2008年四川汶川8级地震的成因分析2008年5月12日14时28分，在四川东部龙门山构造带汶川附近发生了8.0级强烈地震。
此次地震不仅在震中区附近造成灾难性的破坏，而且在四川省和邻近省市大范围造成破坏，其影响更是波及到全国绝大部分地区乃至境外，是新中国建立以来我国大陆发生的破坏性最为严重的地震。
汶川地震发生在四川龙门山逆冲推覆构造带上。
该构造带是青藏高原内部巴颜喀喇地块和中国东部华南地块的边界构造带，经历了长期的地质演化历史，具有十分复杂的结构和构造。
晚新生代的构造变形主要集中在灌县-江油断裂（前山断裂）、映秀-北川断裂（中央断裂）和汶川-茂县（后山断裂）及其相关褶皱之上，这次8级强震发生在映秀-北川断裂之上，是龙门山逆冲推覆体向东南方向推挤并伴随顺时针剪切共同作用的结果（图1和2）。
图1 龙门山断裂带及强震分布映秀-北川断裂全新世（10000年）以来具有明显的活动性，其长期地质滑动速率小于每年1毫米。
GPS观测表明龙门山构造带的现今构造变形也是以逆冲和右旋剪切为特征，但变形速度不大（图2）。
因而，龙门山构造带及其内部断裂属于地震活动频度低但具有发生超强地震的潜在危险的特殊断裂。
图2 龙门山断裂带及邻区的主要活动断裂及地壳运动速度场汶川地震的发生及龙门山向东南方向推覆的动力来源是印度板块与欧亚大陆碰撞及其向北的推挤，这一板块间的相对运动导致了亚洲大陆内部大规模的构造变形，造成了青藏高原的地壳缩短、地貌隆升和向东挤出（图3）。
由于青藏高原在向东北方向运动的过程中在四川盆地一带遭到华南活动地块的强烈阻挡，使得应力在龙门山推覆构造带上高度积累，以至于沿映秀-北川断裂突然发生错动，产生8.0级强烈地震（图3）。
图3 青藏高原向北和向南运动对龙门山构造带形成的挤压构造示意图。
综合多个研究机构得到的汶川8级地震的震源机制解表明，地震破裂面南段以逆冲为主兼具右旋走滑分量，北段以右旋走滑为主兼具逆冲分量，该破裂面从震中汶川县开始破裂，并且破裂以3.1公里每秒的平均速度向北偏东49°方向传播，破裂长度约300km，破裂过程总持续时间近120秒，地震的主要能量于前80秒内释放，最大错动量达9米，震源深度约10多公里，矩震级7.9，面波震级8.0。
中国科学D辑:地球科学 2008年 第38卷 第10期: 1186~1194 《中国科学》杂志社SCIENCE IN CHINA PRESS2008年汶川大地震的时空破裂过程张勇①②,冯万鹏②,许力生②*, 周成虎③,陈运泰①②†①北京大学地球与空间科学学院, 北京 100871;②中国地震局地球物理研究所, 北京100081;③中国科学院地理科学与资源研究所, 北京 100101* 联系人, E-mail: xuls@† 责任作者, E-mail: chenyt@收稿日期: 2008-07-25; 接受日期: 2008-08-13国家基础研究发展计划(编号: 2004CB418404-4, 2001CB711005)和国家自然科学基金(批准号: 40574025, 40474018)资助摘要利用全球地震台网(GSN)记录的长周期数字地震资料反演了2008年5月12日四川汶川M S8.0地震的震源机制和动态破裂过程, 并在反演所得结果的基础上定量分析了汶川大地震同震位移场的特征, 探讨了汶川大地震近断层地震灾害的致灾机理. 反演中采用了单一机制的有限断层模型, 使用了从全球范围内挑选的、方位覆盖较均匀的21个长周期地震台垂直向记录的P波波形资料. 通过反演得出: 汶川大地震的发震断层走向为225°、倾角为39°、滑动角为120°, 是一次以逆冲为主、兼具小量右旋走滑分量的断层; 这次地震所释放的标量地震矩为9.4×1020 ~2.0×1021 Nm, 相当于矩震级M W7.9~8.1. 汶川大地震是在破裂长度超过300 km的发震断层上发生的、破裂持续时间长达90 s的一次复杂的震源破裂过程. 整个断层面上的平均滑动量约2.4 m, 但断层面上滑动量(位错)的分布很不均匀. 有4个滑动量集中且破裂贯穿到地表的区域, 其中最大的两个, 一个在汶川-映秀一带下方, 最大滑动量(也是本次地震的最大滑动量)所在处在震源(初始破裂点)附近, 达7.3 m; 另一个位于北川一带下方, 一直延伸到平武境内下方, 其最大滑动量所在处在北川地面上, 达5.6 m. 其余2个滑动量集中的区域规模较小, 一个在康定以北下方, 最大滑动量达 1.8 m; 另一个位于青川东北下方, 最大滑动量达0.7 m. 汶川地震整个断层面上的平均应力降约18 MPa, 最大应力降约53 MPa. 由反演得到的断层面上滑动量分布计算得出的汶川大地震震中区地表同震位移场表明, 汶川大地震地表同震位移场的分布特征与该地震烈度分布的特征非常一致, 表明了汶川大地震的大面积、大幅度、贯穿到地表的、以逆冲为主的断层错动是致使近断层地带严重地震灾害在震源方面的主要原因. 关键词汶川大地震地震破裂过程同震位移根据中国国家地震台网测定, 2008年5月12日14时28分4秒(北京时间), 在我国四川省汶川县境内的映秀镇附近(31.0°N, 103.4°E, 震源深度15 km)发生了面波震级M S8.0地震. 地震引发大规模的山体滑坡和泥石流, 造成了多处河流淤塞, 形成了3000个以上的堰塞湖(卫星影像图1(b)和(c)); 汶川大地震使位于龙门山断裂带附近的上百座城镇遭受严重破坏, 大量房屋损毁, 公路桥梁坍塌(卫星影像图1(d)和(e)), 造成了近9万人死亡或失踪.汶川大地震震中位于青藏高原东缘的龙门山断裂带上. 龙门山断裂带是一条长约500 km、宽约30~50 km 沿NE-SW方向展布的巨大断裂带, 其断1186中国科学 D 辑: 地球科学 2008年 第38卷 第10期图1由MODIS 卫星影像((a)~(e))显示出的汶川大地震(红色圆圈)造成沿龙门山断裂带山体滑坡、泥石流及堰塞湖(影像(b), (c))以及附近城镇遭受严重破坏、大量房屋损毁倒塌、公路桥梁坍塌(影像(d), (e))的情景. 图1(a)中带锯齿的浅黄色线表示逆冲断裂, 锯齿所指的方向表示断层面的倾向; 1表示茂县-汶川断裂, 2表示映秀-北川断裂, 3表示彭县-灌县断裂层滑动以逆冲为主、兼具右旋走滑分量[1]. 按照由西向东的顺序, 龙门山断裂带主要包含龙门山后山断裂(茂县-汶川断裂)、中央断裂(映秀-北川断裂)和山前断裂(彭县-灌县断裂)(图2). 这些断裂都以逆冲滑动为主、兼具一定的右旋走滑分量; 在龙门山断裂带的东北段, 右旋走滑分量更大[1]. 在龙门山断裂带上, 近期中、小地震(震级M <7的地震)活动频繁[2], 但历史上未有发生过7级以上大地震的记载. 与上述龙门山断裂带上的地震活动特征形成强烈反差, 在我国西南地区、包括龙门山断裂带附近区域的断裂带上, 不但历史上而且近期均发生过多次强烈地震[3,4](图2),但震级都不超过8级, 其中震级最大的一次为1933年8月25日发生在茂县叠溪的M S 7.5级地震. 汶川大地震的发生是平静多年的龙门山断裂带的一次集中的能量释放.地震发生后, 作者利用全球地震台网(Global Seismographic Network, 简写为GSN)的长周期数字地震资料, 反演了汶川大地震的震源机制和动态破裂过程, 在震后数小时内测定完毕并随即于翌日公布了相关的震源参数(/汶川地震专题/地震情况/初步研究及考察结果(一).pdf), 及时地为抗震救灾工作提供了重要参考. 分析结果表1187张勇等: 2008年汶川大地震的时空破裂过程图2(a) 2008年汶川大地震震中(白色八角星)位置和震中区的主要断裂(深紫色线)、历史地震(黄色圆点)和沿龙门山断裂带及其附近的主要城市(白色圆点). 浅紫色矩形框表示本研究所采用的平面断层模型在地面上的投影, “海滩球”为本文得到的汶川大地震震源机制解(走向225°/倾角39°/滑动角120°)在震源球下半球的等面积投影. (b) 汶川大地震的构造背景明, 这次地震的断层长度超过300 km, 破裂开始于汶川县的映秀镇地面下方约15 km 处, 终止于震中东北方向的青川县, 地震破裂持续时间长达90 s, 最大滑动量发生于汶川和北川附近.1188中国科学 D 辑: 地球科学 2008年 第38卷 第10期本文将叙述作者以单一机制有限断层模型反演方法[5]反演全球地震台网记录的长周期数字地震资料得到的汶川大地震的震源机制和动态破裂过程, 并在反演所得结果的基础上定量分析汶川大地震同震位移场的特征.1 数据本文选取震中距在55°~90°(1°约为111.1 km)范围内的台站的直达P 波的长周期波形记录反演汶川大地震的震源机制和动态破裂过程. 为使台站相对于震中的方位分布均匀, 我们按照大约5°的方位角间隔选取了21个台站(图3)的资料用于反演.鉴于水平向P 波记录受干扰较大, 反演中只使用信噪比高的垂直向记录, 并只采用0.002~0.2 Hz 的3阶Butterworth 带通滤波器对波形记录进行滤波以确图3 2008年汶川大地震震中(八角星)和本研究中使用的长周期地震台(三角形)的空间分布三角形旁的字母表示台站名称保波形记录包含尽可能完整的震源信息. 采用全球标准的速度结构模型[6], 利用反射率法[7]计算相应的格林函数.2 断层面参数的确定地震发生后, 美国哈佛(Harvard)大学(http://www. /CMTsearch.html)、美国地质调查局(USGS)(/eqcenter/eqinthenews/ 2008/us2008ryan/#scitech)以及陈运泰等(http://www. /汶川地震专题/地震情况/初步研究及考察结果(一).pdf)很快测报了这次地震的矩张量解的反演结果(表1). 3种结果一致表明, 汶川地震是一次以逆冲为主、具有一定右旋走滑分量的断层错动. 不过, 上述结果都是在假设震源时间函数为三角形函数的前提下得到的, 不涉及震源破裂时间过程的复杂性. 为研究震源破裂时间过程的复杂性, 我们运用新发展的方法[8], 通过对震源时间函数的适当约束, 在假定矩张量的各分量都具有相同时间历史的前提下进行波形反演, 直接得到震源时间函数和矩张量的6个独立元素, 进而确定断层面参数[9].反演结果表明(表1), 这次地震释放的标量地震矩M 0＝2.0×1021 Nm, 相当于矩震级M W ＝8.1, 最佳双力偶解的两个节面的参数分别为: 节面Ⅰ, 走向220°/倾角32°/滑动角118°; 节面Ⅱ, 走向8°/倾角63°/滑动角74°. 这一结果与全球矩心矩张量(GCMT)结果相近, 但略有差异[9].反演得到的节面Ⅰ的走向(220°)与倾向(倾向西北)与龙门山断裂带的走向(NE-SW)与倾向(倾向西北)一致, 也与NE-SW 走向的余震震中分布一致. 据此可以确定节面Ⅰ(走向220°/倾角32°/滑动角118°)为汶川地震的断层面. 在以下叙述的工作中, 将以这个结果作为震源破裂过程反演的初始模型.表1 汶川大地震的地震矩M 0、矩震级ＭW 和断层面解节面Ⅰ 节面Ⅱ T 轴 B 轴 P 轴来源 M 0/1021 NmＭW走向 /(°) 倾角 /(°) 滑动角/(°) 走向/(°) 倾角/(°) 滑动角/(°) 方位/(°) 倾角/(°) 方位 /(°) 倾角 /(°) 方位 /(°) 倾角/(°)哈佛大学 0.94 7.9 229 33 141 352 70 63 227 57 2 25 114 9 美国地质 调查局 0.75 7.9 23859 1282 47 45 202 57 36 31 110 16刘超等[9]2.0 8.1 220 32 118 8 63 74 245 69 16 14 302 6 本文0.94 7.9 22539 1208 57 68 230 69 21 18 103 201189张勇等: 2008年汶川大地震的时空破裂过程3 矩阵方程与反演参数震源破裂过程反演的研究工作开始于20世纪80年代初期, 经过20多年的发展, 逐渐形成了多种不同的反演方法, 其中包括Kikuchi 和Kanamori [10]与Hartzell 和Heaton [11]发展的波形反演方法. 这些方法都对子断层的震源时间函数(地震矩率的时间历史)的“形状”作了假定, 在一定程度上限制了破裂传播模式与破裂传播速度反演的客观性. 本文采用作者在研究2007年云南宁洱地震时所发展的方法[5], 在未对子断层的震源时间函数作任何先验假设的前提下, 以资料方程、空间光滑方程、时间光滑方程和地震矩最小约束方程构成如下的矩阵方程:001230[],00G U D s T Z λλλλλ⎡⎤⎡⎤⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥=⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎣⎦⎣⎦(1) 式中, U 为经过处理后的地震台站的记录资料, G 为格林函数矩阵, 为所有子断层震源时间函数, 是破裂过程反演待求解的参数, D 为空间光滑约束矩阵, T 为时间光滑约束矩阵, Z 为地震矩最小约束矩阵. λ0, λ1,λ2和λ3代表不同方程组的权重, 其中s 0λ是一个稀疏矩阵, 而λ1, λ2和λ3为常数. 采用非负约束的共轭梯度法[12]求解式(1)所示的矩阵方程.取沿走向方向长510 km(在震中东北和西南方向分别为305和205 km)、沿倾向长50 km 的矩形区域作为断层面, 将这个510 km×50 km 的面积均匀划分为51×5 = 255个子断层. 每个子断层长10 km, 宽10 km. 鉴于震源(初始破裂点)深度为15 km, 在此断层模型中, 将初始破裂点置于沿走向第31个、沿倾向第3个的子断层. 对每个子断层的破裂时间和破裂速度做了限定每个子断层破裂时间不超过25 s 、破裂速度不超过4.5 km/s 的约束. 反演中, 对子断层地震矩率函数的时间历史不作任何限制, 也没有预先给定子断层的破裂起始时间[13]. 在考虑各台站资料的权重时, 通过调整λ0, 给予各台站资料相同的权重以拟合所有的观测数据, 并调节各台站资料的最大幅值在1左右. 在此基础上, 约束方程的权重可以以λ0作为参考. 经过多次调整参数和反演试解, 最终选取λ1 = 30, λ2 = 80, λ3 = 0.4.按本节叙述的方法, 我们以上节提及的、反演得到的节面Ⅰ(走向220°/倾角32°/滑动角118°)作为时空破裂过程反演的初始模型, 运用试错法对不同的震源机制时空破裂过程进行反演, 最后得出残差最小的断层面解为: 走向225°/倾角39°/滑动角120°(表1第4行与图2中的“海滩球”).4 静态滑动量分布由图4可以看出, 汶川大地震的断层面上的滑动量的分布很不均匀. 有4个滑动量集中的区域. 最大的一个滑动量集中的区域在汶川-映秀一带下方, 沿断层走向长达180 km, 沿断层倾向宽达50 km. 最大滑动量达7.3 m, 位于震源(初始破裂点)附近. 第二大滑动量集中的区域位于北川一带下方, 一直延伸到平武境内下方, 沿断层走向方向长达60 km, 沿断层倾斜方向宽达35 km, 最大滑动量达5.6 m. 第三大滑动量集中的区域在康定以北下方, 位于震中西南120~170 km 之间, 最大滑动量达1.8 m. 除此之外, 在青川东图4 2008年汶川大地震断层面上的静态(最终)滑动量分布白色八角星表示震源(初始破裂点)的位置, 白色线条和线条上的白色数字分别为滑动量等值线和滑动量幅值(单位: m). 图上方的箭头给出了各重灾县、市在断层线(断层面与地面的交线)上投影的位置. 图中纵坐标与横坐标采用不同的比例1190中国科学 D 辑: 地球科学 2008年 第38卷 第10期北也存在一个较小的滑动量集中区域, 其最大滑动量为0.7 m. 整个断层面上的平均滑动量约为2.4 m.根据图4所示的断层面上的静态(最终)滑动量分布, 采用布龙(Brune)震源模型[14,15]计算了断层面上的应力降, 得出断层面上的最大应力降为53 MPa, 平均应力降为18 MPa. 这个结果与板内地震的典型应力降(约10 MPa)在数量级上是一致的, 但其数值大约是板内地震的典型应力降的2倍[16]. 从应力降的数量级来看, 汶川大地震与典型的板内地震没有明显的不同.5 破裂的时空变化图5表示地震断层面上的滑动量随时间和空间的变化图像. 从破裂开始(发震时间)到发震后12 s, 破裂主要表现为双侧破裂形式, 即同时向东北和西南两个方向扩展, 其中5 s 时错动最快. 随后停顿了大约4 s. 在发震后16~30 s 期间, 在震中东北方向约80 km 处开始新的破裂, 并快速向着西南方向传播. 在这个阶段破裂涉及的范围大, 是汶川大地震的一个主要过程. 在发震后30~42 s, 在震中东北方向和西南方向都有一些零星的破裂, 但规模较小、幅度较弱.在接下来的图5 2008年汶川大地震断层面上的滑动量随时间变化的快照八角星表示震源(初始破裂点)的位置. 图中每个矩形子图表示在长510 km 、宽50 km 的断层面上、在矩形内左下角所示的发震后的时刻的累积滑动量的分布. 发震后的第90 s 的累积滑动量即静态滑动量分布(参见图4). 红色细线表示地震破裂过程中破裂前锋随时间变化的进程, 旁边的黑色数字表示相应的破裂传播速度的数值(单位: km/s)1191张勇等: 2008年汶川大地震的时空破裂过程6 s 内, 没有明显的破裂发生. 在发震后的48~58 s 内,在震中东北140 km 的北川附近和震中西南150 km 的康定附近下方相继发生破裂. 在发震后60~66 s 内, 震中东北200 km 处下方的断层面上有一次较小的破裂事件. 此后, 在震中西南方向的破裂基本结束, 而在震中东北280 km 处则零星地发生了一些破裂.如前所述, 汶川大地震的震源过程错综复杂, 断层面上位错的分布也很不均匀. 图5的红色细线表示了地震破裂过程中破裂前锋随时间的变化的进程(图5). 从图5可以看出, 在整个地震破裂过程中破裂前锋的扩展速度(破裂传播速度)是随时间和空间变化的. 我们对几个典型的时段估算了相应的破裂传播速度的数值(如图5中表示破裂前锋的红色细线旁的黑色数字所示). 根据破裂前锋沿断层走向的扩展情况, 可以估算出朝东北方向和朝西南方向的平均破裂速度分别约为3.4和2.2 km/s.6 震源时间函数根据图5的破裂时空分布图像, 可以计算出如图6所示的地震矩的释放率随时间变化曲线(震源时间函数)[4]. 由震源时间函数的时间积分可以得到整个地震过程中释放的标量地震矩为9.41020 Nm, 相当于矩震级为M W 7.9. 汶川大地震的整个时间过程有5个主要的能量释放阶段, 即由5次子事件组成. 第一次子事件发生在发震后的最初14 s, 在这个时间段内释放了汶川大地震释放的全部地震矩的约9%的地震矩; 第二次事件介于发震后14~34 s 之间, 是最主要的一次事件, 释放了全部地震矩的约60%的地震矩; 第三次事件开始于发震后34 s, 结束于43 s, 释放了全部地震矩的约8%的地震矩; 第四次事件为发震后43~58 s, 释放了全部地震矩的约17%的地震矩; 第五×图6 2008年汶川大地震的震源时间函数次事件开始于发震后58 s 至全部地震破裂过程结束(发震后90 s), 仅释放了全部地震矩的约6%的地震矩.7 地表位移场与近断层地区震灾的致灾机理在均匀各向同性完全弹性半空间中任一矩形断层引起的位移可以用解析式表示[17~19]. 据此可以计算有限断层震源模型引起的同震位移场. 将反演地震破裂过程得到的255个10 km×10 km 的正方形子断层的位错(滑动量)在震中区地表面引起的同震位移叠加, 便可得到汶川大地震在震中区引起的同震位移场(图7). 图7表示汶川大地震在震中区引起的同震位移场的空间分布. 作为比较, 图中还给出了汶川大地震的等震线[20]. 从震中区同震位移场的水平向位移(图7(a))可以看到非常清楚的右旋运动, 即断层的西北盘向东北方向运动以及断层的东南盘向西南方向运动. 从震中区同震位移场的垂直向位移(图7(b))可以清楚地看到, 在NE-SW 走向的汶川大地震发震断层的上盘(西北盘), 地面隆升, 而在下盘(东南盘), 地面下沉. 需要特别指出的是, 由图7可见, 我们计算得出的地表水平向和垂直向同震位移的空间分布的特征都与震中区等震线的特征非常接近. 计算得出的地表垂直与水平位移最大的两个地区即汶川和北川地区正好对应于本次地震中受灾最严重的、烈度都同为Ⅺ度的两个极震区. 在汶川地区, 地面最大水平向位移为3.2 m, 最大垂直向位移为2.8 m; 在北川地区, 地面最大水平相位移为 2.9 m, 最大垂直向位移为2.6 m. 地面最大位移均发生于出露至地表的断层面上. 在最大相对位移即位错所在地点(震中东北约50 km 处), 计算得出的的滑动量为6.1 m, 与地震现场调查的结果非常接近. 这些情况表明, 汶川大地震贯穿到地表面的逆冲断层错动是近断层地区震灾的主要原因.8 讨论与结论我们在全球范围内从全球地震台网的数字地震资料中挑选了21个方位分布较均匀的长周期台站的垂直向P 波记录, 通过波形反演得到了2008年5月12日M S 8.0地震的时空破裂过程. 反演结果的质量在一定程度上可以从观测波形与理论(合成)波形的拟合程度得到反映. 为此, 我们利用反演得到的动态破裂1192中国科学D辑: 地球科学 2008年第38卷第10期图7 2008年汶川大地震断层错动引起的同震位移场与等震线[20](a) 水平向位移; (b) 垂直向位移图8 全球地震台网(GSN)记录的观测地震图与理论地震图的比较每个子图中, 上方的粗实线表示观测地震图, 下方的细实线表示理论地震图. 子图左方的数字从上到下依次为: 观测地震波形的最大振幅、观测地震图与理论合成地震图之间的相关系数、理论地震波形的最大振幅. 地震波形振幅的单位为m. 子图右边的字符从上到下依次为对应的台站名、分量名和震相名1193张勇等: 2008年汶川大地震的时空破裂过程过程模型计算了所用的21个台站所在观测点的理论(合成)地震图, 并与相应的观测地震图进行了对比. 从图8可以看出, 理论(合成)地震波形与观测地震波形的拟合很好, 大多数(多达13个台站)的理论(合成) 地震波形与观测地震波形的相关系数在0.8以上, 有3个台站的理论(合成)地震波形与观测地震波形的相关系数在0.7~0.8之间. 可以认为, 反演得到的汶川大地震动态破裂过程模型较好地解释了观测地震图.由反演得到的静态(最终)滑动量分布模型计算得出的地表同震位移场与野外地震灾害调查的结果对比表明, 计算得到的地表位移场的分布特征与沿断层的地震灾害分布特征非常接近, 地表位移值较大的两个地区正好对应于两个极震区, 显示了极震区与贯穿到地面的逆冲断层错动的密切联系.若干细节尚待进一步深入研究. 例如, 本文的反演结果表明, 在震中西南的康定东北方向也有明显的、滑动量最大达1.8 m的断层错动, 这点尚有待野外地震调查的印证. 又如, 尽管本文反演得到的汶川大地震动态破裂过程模型比较好地解释了观测地震图, 但在有的台站, 理论(合成)地震图与观测地震图的拟合程度并不高, 其原因有待查明.本文通过反演得到了汶川M S8.0大地震的震源机制解、震源时间函数和断层面上滑动量随时间和空间的变化过程, 并利用反演得到的断层面上的静态位错模型计算了震中区地表位移场. 反演得到的震源机制和破裂过程表明, 汶川大地震是一次以逆冲断层错动为主的地震事件, 地震破裂过程以朝北东向破裂为主的不对称双侧破裂方式进行, 最大错动量达到7.3 m, 且大幅度、大面积的破裂在多个区域贯穿到地表. 根据反演得到的静态(最终)滑动量分布模型计算的震中区地表位移场特征与地震的烈度分布特征具有很好的一致性, 表明了汶川大地震的大面积、大幅度、贯穿到地表的以逆冲为主的断层错动是致使近断层地区严重地震灾害在震源方面的主要原因.致谢作者对中国科学院遥感应用研究所王世新研究员在图1准备中给予的帮助以及两位审稿专家提出的建设性意见表示衷心的感谢.参考文献1 陈国光, 计凤桔, 周荣军, 等. 龙门山断裂带晚第四纪活动性分段的初步研究. 地震地质, 2007, 29(3): 657—6732 Yang Z X, Waldhauser F, Chen Y T, et al. Double-difference relocation of earthquakes in central-western China, 1992—1999. J Seis-mol, 2005, 9: 241—264[DOI]3 闵子群, 主编. 中国历史强震目录(公元前23世纪—公元1911年). 地震出版社, 1995. 1—5144 闵子群, 主编. 中国历史强震目录(公元前1912年—公元1990年, M S≥4.7). 地震出版社, 1995. 1—6365 张勇, 许力生, 陈运泰, 等. 2007年云南宁洱M S6.4地震震源过程. 中国科学 D辑: 地球科学, 2008, 38(6): 683—6926 Kennett B L N, Engdahl E R. Travel times for global earthquake location and phase identification. Geophys J Int, 1991, 105: 429—465[DOI]7 Kennett B L N. Seismic Wave Propagation in Stratified Media. Cambridge: Cambridge University Press, 1983. 1—3398 张勇. 震源破裂过程反演方法研究. 北京: 北京大学博士学位论文, 2008. 1—1589 刘超, 张勇, 许力生, 等. 一种矩张量反演新方法及其对2008年汶川Ms8.0地震序列的应用. 地震学报, 2008, 30(4): 329—33910 Kikuchi M, Kanamori H. Inversion of complex body waves. Bull Seism Soc Am, 1982, 72: 491—50611 Hartzell S H, Heaton T H. Inversion of strong ground motion and teleseismic waveform data for the fault rupture history of the 1979Imperial Valley, California, earthquake. Bull Seism Soc Am, 1983, 73: 1553—158312 Ward S N, Barrientos S E. An inversion for slip distribution and fault shape from geodetic observations of the 1983, Borah Park,Idaho, earthquake. J Geophys Res, 1986, 91(B5): 4909—4919[DOI]13 Chen Y T, Xu L S. A time domain inversion technique for the tempo-spatial distribution of slip on a finite fault plane with applica-tions to recent large earthquakes in Tibetan Plateau. Geophys J Int, 2000, 143(2): 407—416[DOI]14 Brune J N. Tectonic stress and the spectra of seismic shear waves from earthquakes. J Geophys Res, 1970, 75: 4997—5009[DOI]15 Brune J N. Correction. Tectonic stress and the spectra of seismic shear waves from earthquakes. J Geophys Res, 1971, 76: 5002[DOI]16 Kanamori H. Mechanics of earthquakes. Ann Rev Earth Planet Sci, 1994, 22: 207—237[DOI]17 陈运泰, 林邦慧, 林中洋, 等. 根据地面形变的观测研究1966年邢台地震的震源过程. 地球物理学报, 1975, 18(3): 164—18218 陈运泰, 黄立人, 林邦慧, 等. 用大地测量资料反演的1976年唐山地震的位错模式. 地球物理学报, 1979, 22(3): 201—21619 Okada Y. Surface Deformation due to shear and tensile faults in a half-space. Bull Seism Soc Amer, 1985, 75(4): 1135—115420 国家汶川地震专家委员会. 汶川地震灾区地震地质灾害图集. 中国地图出版社, 2008. 1—1051194。
汶川地震发震断层破裂触发过程
贺鹏超;沈正康
【期刊名称】《地球物理学报》
【年(卷),期】2014(057)010
【摘要】2008年汶川大地震造成北川断裂、彭灌断裂、小渔洞断裂等多条断裂的破裂,呈现出复杂的破裂过程.对此,以往地震学的研究没有对于各个发震断层的破裂先后顺序给出充分论证.本文计算由于断层破裂在其他断层段上造成库仑应力的变化,根据其相互触发关系确定断层可能的破裂顺序.结果表明,各断裂带可能的发震顺序为:主震在北川断裂南端(小渔洞断裂以南的北川断裂虹口段)起始,造成北川断裂的后续段落龙门山镇—清平段和彭灌断裂同时破裂,进而触发小渔洞断裂发生破裂.【总页数】10页(P3308-3317)
【作者】贺鹏超;沈正康
【作者单位】北京大学地球与空间科学学院地球物理系,北京 100871;北京大学地球与空间科学学院地球物理系,北京 100871;美国加州大学洛杉矶分校地球与空间科学系,CA 90095-1567,USA
【正文语种】中文
【中图分类】P315
【相关文献】
1.基于近场强震记录和同震位移的汶川地震破裂过程 [J], 尹得余;刘启方;刘畅;季鑫洋
2.汶川地震同震过程中断层间的相互作用及子事件触发 [J], 刘博研;史保平
3.汶川地震的破裂过程分析及数值模拟 [J], 郭瑞平;范天佑
4.汶川地震破裂过程联合反演及高频辐射研究 [J], 尹得余
5.近场强震记录对汶川地震破裂过程的解释能力研究 [J], 尹得余; 刘启方; 董云; 佘跃心; 武精科; 程永振; 张继华; 陈家瑞
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中国科学D辑:地球科学 2008年 第38卷 第10期: 1186~1194 1186 《中国科学》杂志社SCIENCE IN CHINA PRESS2008年汶川大地震的时空破裂过程张勇①②,冯万鹏②,许力生②*, 周成虎③,陈运泰①②†①北京大学地球与空间科学学院, 北京 100871;②中国地震局地球物理研究所, 北京100081;③中国科学院地理科学与资源研究所, 北京 100101* 联系人, E-mail: xuls@† 责任作者, E-mail: chenyt@收稿日期: 2008-07-25; 接受日期: 2008-08-13国家基础研究发展计划(编号: 2004CB418404-4, 2001CB711005)和国家自然科学基金(批准号: 40574025, 40474018)资助摘要利用全球地震台网(GSN)记录的长周期数字地震资料反演了2008年5月12日四川汶川M S8.0地震的震源机制和动态破裂过程, 并在反演所得结果的基础上定量分析了汶川大地震同震位移场的特征, 探讨了汶川大地震近断层地震灾害的致灾机理. 反演中采用了单一机制的有限断层模型, 使用了从全球范围内挑选的、方位覆盖较均匀的21个长周期地震台垂直向记录的P波波形资料. 通过反演得出: 汶川大地震的发震断层走向为225°、倾角为39°、滑动角为120°, 是一次以逆冲为主、兼具小量右旋走滑分量的断层; 这次地震所释放的标量地震矩为9.4×1020 ~2.0×1021 Nm, 相当于矩震级M W7.9~8.1. 汶川大地震是在破裂长度超过300 km的发震断层上发生的、破裂持续时间长达90 s的一次复杂的震源破裂过程. 整个断层面上的平均滑动量约2.4 m, 但断层面上滑动量(位错)的分布很不均匀. 有4个滑动量集中且破裂贯穿到地表的区域, 其中最大的两个, 一个在汶川-映秀一带下方, 最大滑动量(也是本次地震的最大滑动量)所在处在震源(初始破裂点)附近, 达7.3 m; 另一个位于北川一带下方, 一直延伸到平武境内下方, 其最大滑动量所在处在北川地面上, 达5.6 m. 其余2个滑动量集中的区域规模较小, 一个在康定以北下方, 最大滑动量达 1.8 m; 另一个位于青川东北下方, 最大滑动量达0.7 m. 汶川地震整个断层面上的平均应力降约18 MPa, 最大应力降约53 MPa. 由反演得到的断层面上滑动量分布计算得出的汶川大地震震中区地表同震位移场表明, 汶川大地震地表同震位移场的分布特征与该地震烈度分布的特征非常一致, 表明了汶川大地震的大面积、大幅度、贯穿到地表的、以逆冲为主的断层错动是致使近断层地带严重地震灾害在震源方面的主要原因. 关键词汶川大地震地震破裂过程同震位移根据中国国家地震台网测定, 2008年5月12日14时28分4秒(北京时间), 在我国四川省汶川县境内的映秀镇附近(31.0°N, 103.4°E, 震源深度15 km)发生了面波震级M S8.0地震. 地震引发大规模的山体滑坡和泥石流, 造成了多处河流淤塞, 形成了3000个以上的堰塞湖(卫星影像图1(b)和(c)); 汶川大地震使位于龙门山断裂带附近的上百座城镇遭受严重破坏, 大量房屋损毁, 公路桥梁坍塌(卫星影像图1(d)和(e)), 造成了近9万人死亡或失踪.汶川大地震震中位于青藏高原东缘的龙门山断裂带上. 龙门山断裂带是一条长约500 km、宽约30~50 km 沿NE-SW方向展布的巨大断裂带, 其断中国科学 D 辑: 地球科学 2008年 第38卷 第10期1187图1由MODIS 卫星影像((a)~(e))显示出的汶川大地震(红色圆圈)造成沿龙门山断裂带山体滑坡、泥石流及堰塞湖(影像(b), (c))以及附近城镇遭受严重破坏、大量房屋损毁倒塌、公路桥梁坍塌(影像(d), (e))的情景. 图1(a)中带锯齿的浅黄色线表示逆冲断裂, 锯齿所指的方向表示断层面的倾向; 1表示茂县-汶川断裂, 2表示映秀-北川断裂, 3表示彭县-灌县断裂层滑动以逆冲为主、兼具右旋走滑分量[1]. 按照由西向东的顺序, 龙门山断裂带主要包含龙门山后山断裂(茂县-汶川断裂)、中央断裂(映秀-北川断裂)和山前断裂(彭县-灌县断裂)(图2). 这些断裂都以逆冲滑动为主、兼具一定的右旋走滑分量; 在龙门山断裂带的东北段, 右旋走滑分量更大[1]. 在龙门山断裂带上, 近期中、小地震(震级M <7的地震)活动频繁[2], 但历史上未有发生过7级以上大地震的记载. 与上述龙门山断裂带上的地震活动特征形成强烈反差, 在我国西南地区、包括龙门山断裂带附近区域的断裂带上, 不但历史上而且近期均发生过多次强烈地震[3,4](图2),但震级都不超过8级, 其中震级最大的一次为1933年8月25日发生在茂县叠溪的M S 7.5级地震. 汶川大地震的发生是平静多年的龙门山断裂带的一次集中的能量释放.地震发生后, 作者利用全球地震台网(Global Seismographic Network, 简写为GSN)的长周期数字地震资料, 反演了汶川大地震的震源机制和动态破裂过程, 在震后数小时内测定完毕并随即于翌日公布了相关的震源参数(/汶川地震专题/地震情况/初步研究及考察结果(一).pdf), 及时地为抗震救灾工作提供了重要参考. 分析结果表张勇等: 2008年汶川大地震的时空破裂过程1188图2(a) 2008年汶川大地震震中(白色八角星)位置和震中区的主要断裂(深紫色线)、历史地震(黄色圆点)和沿龙门山断裂带及其附近的主要城市(白色圆点). 浅紫色矩形框表示本研究所采用的平面断层模型在地面上的投影, “海滩球”为本文得到的汶川大地震震源机制解(走向225°/倾角39°/滑动角120°)在震源球下半球的等面积投影. (b) 汶川大地震的构造背景明, 这次地震的断层长度超过300 km, 破裂开始于汶川县的映秀镇地面下方约15 km 处, 终止于震中东北方向的青川县, 地震破裂持续时间长达90 s, 最大滑动量发生于汶川和北川附近.中国科学 D 辑: 地球科学 2008年 第38卷 第10期1189本文将叙述作者以单一机制有限断层模型反演方法[5]反演全球地震台网记录的长周期数字地震资料得到的汶川大地震的震源机制和动态破裂过程, 并在反演所得结果的基础上定量分析汶川大地震同震位移场的特征.1 数据本文选取震中距在55°~90°(1°约为111.1 km)范围内的台站的直达P 波的长周期波形记录反演汶川大地震的震源机制和动态破裂过程. 为使台站相对于震中的方位分布均匀, 我们按照大约5°的方位角间隔选取了21个台站(图3)的资料用于反演.鉴于水平向P 波记录受干扰较大, 反演中只使用信噪比高的垂直向记录, 并只采用0.002~0.2 Hz 的3阶Butterworth 带通滤波器对波形记录进行滤波以确图3 2008年汶川大地震震中(八角星)和本研究中使用的长周期地震台(三角形)的空间分布三角形旁的字母表示台站名称保波形记录包含尽可能完整的震源信息. 采用全球标准的速度结构模型[6], 利用反射率法[7]计算相应的格林函数.2 断层面参数的确定地震发生后, 美国哈佛(Harvard)大学(http://www. /CMTsearch.html)、美国地质调查局(USGS)(/eqcenter/eqinthenews/ 2008/us2008ryan/#scitech)以及陈运泰等(http://www. /汶川地震专题/地震情况/初步研究及考察结果(一).pdf)很快测报了这次地震的矩张量解的反演结果(表1). 3种结果一致表明, 汶川地震是一次以逆冲为主、具有一定右旋走滑分量的断层错动. 不过, 上述结果都是在假设震源时间函数为三角形函数的前提下得到的, 不涉及震源破裂时间过程的复杂性. 为研究震源破裂时间过程的复杂性, 我们运用新发展的方法[8], 通过对震源时间函数的适当约束, 在假定矩张量的各分量都具有相同时间历史的前提下进行波形反演, 直接得到震源时间函数和矩张量的6个独立元素, 进而确定断层面参数[9].反演结果表明(表1), 这次地震释放的标量地震矩M 0＝2.0×1021 Nm, 相当于矩震级M W ＝8.1, 最佳双力偶解的两个节面的参数分别为: 节面Ⅰ, 走向220°/倾角32°/滑动角118°; 节面Ⅱ, 走向8°/倾角63°/滑动角74°. 这一结果与全球矩心矩张量(GCMT)结果相近, 但略有差异[9].反演得到的节面Ⅰ的走向(220°)与倾向(倾向西北)与龙门山断裂带的走向(NE-SW)与倾向(倾向西北)一致, 也与NE-SW 走向的余震震中分布一致. 据此可以确定节面Ⅰ(走向220°/倾角32°/滑动角118°)为汶川地震的断层面. 在以下叙述的工作中, 将以这个结果作为震源破裂过程反演的初始模型.表1 汶川大地震的地震矩M 0、矩震级ＭW 和断层面解节面Ⅰ 节面ⅡT 轴 B 轴 P 轴 来源 M 0/1021 NmＭW走向 /(°) 倾角 /(°) 滑动角/(°) 走向/(°) 倾角/(°) 滑动角/(°) 方位/(°) 倾角/(°) 方位 /(°) 倾角 /(°) 方位/(°)倾角/(°)哈佛大学 0.94 7.9 229 33 141 352 70 63 227 57 2 25 1149 美国地质 调查局 0.75 7.9 23859 1282 47 45 202 57 36 31 11016 刘超等[9] 2.0 8.1 220 32 118 8 63 74 245 69 16 14 302 6 本文0.94 7.9 22539 1208 57 68 230 69 21 18 10320张勇等: 2008年汶川大地震的时空破裂过程11903 矩阵方程与反演参数震源破裂过程反演的研究工作开始于20世纪80年代初期, 经过20多年的发展, 逐渐形成了多种不同的反演方法, 其中包括Kikuchi 和Kanamori [10]与Hartzell 和Heaton [11]发展的波形反演方法. 这些方法都对子断层的震源时间函数(地震矩率的时间历史)的“形状”作了假定, 在一定程度上限制了破裂传播模式与破裂传播速度反演的客观性. 本文采用作者在研究2007年云南宁洱地震时所发展的方法[5], 在未对子断层的震源时间函数作任何先验假设的前提下, 以资料方程、空间光滑方程、时间光滑方程和地震矩最小约束方程构成如下的矩阵方程:001230[],00G U D s T Z λλλλλ⎡⎤⎡⎤⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥=⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎣⎦⎣⎦(1) 式中, U 为经过处理后的地震台站的记录资料, G 为格林函数矩阵, s 为所有子断层震源时间函数, 是破裂过程反演待求解的参数, D 为空间光滑约束矩阵, T 为时间光滑约束矩阵, Z 为地震矩最小约束矩阵. λ0,λ1, λ2和λ3代表不同方程组的权重, 其中0λ是一个稀疏矩阵, 而λ1, λ2和λ3为常数. 采用非负约束的共轭梯度法[12]求解式(1)所示的矩阵方程.取沿走向方向长510 km(在震中东北和西南方向分别为305和205 km)、沿倾向长50 km 的矩形区域作为断层面, 将这个510 km×50 km 的面积均匀划分为51×5 = 255个子断层. 每个子断层长10 km, 宽10 km. 鉴于震源(初始破裂点)深度为15 km, 在此断层模型中, 将初始破裂点置于沿走向第31个、沿倾向第3个的子断层. 对每个子断层的破裂时间和破裂速度做了限定每个子断层破裂时间不超过25 s 、破裂速度不超过4.5 km/s 的约束. 反演中, 对子断层地震矩率函数的时间历史不作任何限制, 也没有预先给定子断层的破裂起始时间[13]. 在考虑各台站资料的权重时, 通过调整λ0, 给予各台站资料相同的权重以拟合所有的观测数据, 并调节各台站资料的最大幅值在1左右. 在此基础上, 约束方程的权重可以以λ0作为参考. 经过多次调整参数和反演试解, 最终选取λ1 = 30, λ2 = 80, λ3 = 0.4.按本节叙述的方法, 我们以上节提及的、反演得到的节面Ⅰ(走向220°/倾角32°/滑动角118°)作为时空破裂过程反演的初始模型, 运用试错法对不同的震源机制时空破裂过程进行反演, 最后得出残差最小的断层面解为: 走向225°/倾角39°/滑动角120°(表1第4行与图2中的“海滩球”).4 静态滑动量分布由图4可以看出, 汶川大地震的断层面上的滑动量的分布很不均匀. 有4个滑动量集中的区域. 最大的一个滑动量集中的区域在汶川-映秀一带下方, 沿断层走向长达180 km, 沿断层倾向宽达50 km. 最大滑动量达7.3 m, 位于震源(初始破裂点)附近. 第二大滑动量集中的区域位于北川一带下方, 一直延伸到平武境内下方, 沿断层走向方向长达60 km, 沿断层倾斜方向宽达35 km, 最大滑动量达5.6 m. 第三大滑动量集中的区域在康定以北下方, 位于震中西南120~170 km 之间, 最大滑动量达1.8 m. 除此之外, 在青川东图4 2008年汶川大地震断层面上的静态(最终)滑动量分布白色八角星表示震源(初始破裂点)的位置, 白色线条和线条上的白色数字分别为滑动量等值线和滑动量幅值(单位: m). 图上方的箭头给出了各重灾县、市在断层线(断层面与地面的交线)上投影的位置. 图中纵坐标与横坐标采用不同的比例中国科学 D 辑: 地球科学 2008年 第38卷 第10期1191北也存在一个较小的滑动量集中区域, 其最大滑动量为0.7 m. 整个断层面上的平均滑动量约为2.4 m.根据图4所示的断层面上的静态(最终)滑动量分布, 采用布龙(Brune)震源模型[14,15]计算了断层面上的应力降, 得出断层面上的最大应力降为53 MPa, 平均应力降为18 MPa. 这个结果与板内地震的典型应力降(约10 MPa)在数量级上是一致的, 但其数值大约是板内地震的典型应力降的2倍[16]. 从应力降的数量级来看, 汶川大地震与典型的板内地震没有明显的不同.5 破裂的时空变化图5表示地震断层面上的滑动量随时间和空间的变化图像. 从破裂开始(发震时间)到发震后12 s, 破裂主要表现为双侧破裂形式, 即同时向东北和西南两个方向扩展, 其中5 s 时错动最快. 随后停顿了大约4 s. 在发震后16~30 s 期间, 在震中东北方向约80 km 处开始新的破裂, 并快速向着西南方向传播. 在这个阶段破裂涉及的范围大, 是汶川大地震的一个主要过程. 在发震后30~42 s, 在震中东北方向和西南方向都有一些零星的破裂, 但规模较小、幅度较弱.在接下来的图5 2008年汶川大地震断层面上的滑动量随时间变化的快照八角星表示震源(初始破裂点)的位置. 图中每个矩形子图表示在长510 km 、宽50 km 的断层面上、在矩形内左下角所示的发震后的时刻的累积滑动量的分布. 发震后的第90 s 的累积滑动量即静态滑动量分布(参见图4). 红色细线表示地震破裂过程中破裂前锋随时间变化的进程, 旁边的黑色数字表示相应的破裂传播速度的数值(单位: km/s)张勇等: 2008年汶川大地震的时空破裂过程11926 s 内, 没有明显的破裂发生. 在发震后的48~58 s 内,在震中东北140 km 的北川附近和震中西南150 km 的康定附近下方相继发生破裂. 在发震后60~66 s 内, 震中东北200 km 处下方的断层面上有一次较小的破裂事件. 此后, 在震中西南方向的破裂基本结束, 而在震中东北280 km 处则零星地发生了一些破裂.如前所述, 汶川大地震的震源过程错综复杂, 断层面上位错的分布也很不均匀. 图5的红色细线表示了地震破裂过程中破裂前锋随时间的变化的进程(图5). 从图5可以看出, 在整个地震破裂过程中破裂前锋的扩展速度(破裂传播速度)是随时间和空间变化的. 我们对几个典型的时段估算了相应的破裂传播速度的数值(如图5中表示破裂前锋的红色细线旁的黑色数字所示). 根据破裂前锋沿断层走向的扩展情况, 可以估算出朝东北方向和朝西南方向的平均破裂速度分别约为3.4和2.2 km/s.6 震源时间函数根据图5的破裂时空分布图像, 可以计算出如图6所示的地震矩的释放率随时间变化曲线(震源时间函数)[4]. 由震源时间函数的时间积分可以得到整个地震过程中释放的标量地震矩为9.4×1020 Nm, 相当于矩震级为M W 7.9. 汶川大地震的整个时间过程有5个主要的能量释放阶段, 即由5次子事件组成. 第一次子事件发生在发震后的最初14 s, 在这个时间段内释放了汶川大地震释放的全部地震矩的约9%的地震矩; 第二次事件介于发震后14~34 s 之间, 是最主要的一次事件, 释放了全部地震矩的约60%的地震矩; 第三次事件开始于发震后34 s, 结束于43 s, 释放了全部地震矩的约8%的地震矩; 第四次事件为发震后43~58 s, 释放了全部地震矩的约17%的地震矩; 第五图6 2008年汶川大地震的震源时间函数次事件开始于发震后58 s 至全部地震破裂过程结束(发震后90 s), 仅释放了全部地震矩的约6%的地震矩.7 地表位移场与近断层地区震灾的致灾机理在均匀各向同性完全弹性半空间中任一矩形断层引起的位移可以用解析式表示[17~19]. 据此可以计算有限断层震源模型引起的同震位移场. 将反演地震破裂过程得到的255个10 km×10 km 的正方形子断层的位错(滑动量)在震中区地表面引起的同震位移叠加, 便可得到汶川大地震在震中区引起的同震位移场(图7). 图7表示汶川大地震在震中区引起的同震位移场的空间分布. 作为比较, 图中还给出了汶川大地震的等震线[20]. 从震中区同震位移场的水平向位移(图7(a))可以看到非常清楚的右旋运动, 即断层的西北盘向东北方向运动以及断层的东南盘向西南方向运动. 从震中区同震位移场的垂直向位移(图7(b))可以清楚地看到, 在NE-SW 走向的汶川大地震发震断层的上盘(西北盘), 地面隆升, 而在下盘(东南盘), 地面下沉. 需要特别指出的是, 由图7可见, 我们计算得出的地表水平向和垂直向同震位移的空间分布的特征都与震中区等震线的特征非常接近. 计算得出的地表垂直与水平位移最大的两个地区即汶川和北川地区正好对应于本次地震中受灾最严重的、烈度都同为Ⅺ度的两个极震区. 在汶川地区, 地面最大水平向位移为3.2 m, 最大垂直向位移为2.8 m; 在北川地区, 地面最大水平相位移为 2.9 m, 最大垂直向位移为2.6 m. 地面最大位移均发生于出露至地表的断层面上. 在最大相对位移即位错所在地点(震中东北约50 km 处), 计算得出的的滑动量为6.1 m, 与地震现场调查的结果非常接近. 这些情况表明, 汶川大地震贯穿到地表面的逆冲断层错动是近断层地区震灾的主要原因.8 讨论与结论我们在全球范围内从全球地震台网的数字地震资料中挑选了21个方位分布较均匀的长周期台站的垂直向P 波记录, 通过波形反演得到了2008年5月12日M S 8.0地震的时空破裂过程. 反演结果的质量在一定程度上可以从观测波形与理论(合成)波形的拟合程度得到反映. 为此, 我们利用反演得到的动态破裂中国科学 D 辑: 地球科学 2008年 第38卷 第10期1193图7 2008年汶川大地震断层错动引起的同震位移场与等震线[20](a) 水平向位移; (b) 垂直向位移图8 全球地震台网(GSN)记录的观测地震图与理论地震图的比较每个子图中, 上方的粗实线表示观测地震图, 下方的细实线表示理论地震图. 子图左方的数字从上到下依次为: 观测地震波形的最大振幅、观测地震图与理论合成地震图之间的相关系数、理论地震波形的最大振幅. 地震波形振幅的单位为m. 子图右边的字符从上到下依次为对应的台站名、分量名和震相名张勇等: 2008年汶川大地震的时空破裂过程1194过程模型计算了所用的21个台站所在观测点的理论(合成)地震图, 并与相应的观测地震图进行了对比.从图8可以看出, 理论(合成)地震波形与观测地震波形的拟合很好, 大多数(多达13个台站)的理论(合成) 地震波形与观测地震波形的相关系数在0.8以上, 有3个台站的理论(合成)地震波形与观测地震波形的相关系数在0.7~0.8之间. 可以认为, 反演得到的汶川大地震动态破裂过程模型较好地解释了观测地震图.由反演得到的静态(最终)滑动量分布模型计算得出的地表同震位移场与野外地震灾害调查的结果对比表明, 计算得到的地表位移场的分布特征与沿断层的地震灾害分布特征非常接近, 地表位移值较大的两个地区正好对应于两个极震区, 显示了极震区与贯穿到地面的逆冲断层错动的密切联系.若干细节尚待进一步深入研究. 例如, 本文的反演结果表明, 在震中西南的康定东北方向也有明显的、滑动量最大达1.8 m 的断层错动, 这点尚有待野外地震调查的印证. 又如, 尽管本文反演得到的汶川大地震动态破裂过程模型比较好地解释了观测地震图, 但在有的台站, 理论(合成)地震图与观测地震图的拟合程度并不高, 其原因有待查明.本文通过反演得到了汶川M S 8.0大地震的震源机制解、震源时间函数和断层面上滑动量随时间和空间的变化过程, 并利用反演得到的断层面上的静态位错模型计算了震中区地表位移场. 反演得到的震源机制和破裂过程表明, 汶川大地震是一次以逆冲断层错动为主的地震事件, 地震破裂过程以朝北东向破裂为主的不对称双侧破裂方式进行, 最大错动量达到7.3 m, 且大幅度、大面积的破裂在多个区域贯穿到地表.根据反演得到的静态(最终)滑动量分布模型计算的震中区地表位移场特征与地震的烈度分布特征具有很好的一致性, 表明了汶川大地震的大面积、大幅度、贯穿到地表的以逆冲为主的断层错动是致使近断层地区严重地震灾害在震源方面的主要原因.致谢 作者对中国科学院遥感应用研究所王世新研究员在图1准备中给予的帮助以及两位审稿专家提出的建设性意见表示衷心的感谢.参考文献1 陈国光, 计凤桔, 周荣军, 等. 龙门山断裂带晚第四纪活动性分段的初步研究. 地震地质, 2007, 29(3): 657—6732 Yang Z X, Waldhauser F, Chen Y T, et al. Double-difference relocation of earthquakes in central-western China, 1992—1999. J Seis-mol, 2005, 9: 241—2643 闵子群, 主编. 中国历史强震目录(公元前23世纪—公元1911年). 地震出版社, 1995. 1—5144 闵子群, 主编. 中国历史强震目录(公元前1912年—公元1990年, M S ≥4.7). 地震出版社, 1995. 1—6365 张勇, 许力生, 陈运泰, 等. 2007年云南宁洱M S 6.4地震震源过程. 中国科学 D 辑: 地球科学, 2008, 38(6): 683—6926 Kennett B L N, Engdahl E R. Travel times for global earthquake location and phase identification. Geophys J Int, 1991, 105: 429—4657 Kennett B L N. Seismic Wave Propagation in Stratified Media. Cambridge: Cambridge University Press, 1983. 1—339 8 张勇. 震源破裂过程反演方法研究. 北京: 北京大学博士学位论文, 2008. 1—1589 刘超, 张勇, 许力生, 等. 一种矩张量反演新方法及其对2008年汶川Ms8.0地震序列的应用. 地震学报, 2008, 30(4): 329—339 10 Kikuchi M, Kanamori H. Inversion of complex body waves. Bull Seism Soc Am, 1982, 72: 491—50611 Hartzell S H, Heaton T H. Inversion of strong ground motion and teleseismic waveform data for the fault rupture history of the 1979Imperial Valley, California, earthquake. Bull Seism Soc Am, 1983, 73: 1553—158312 Ward S N, Barrientos S E. An inversion for slip distribution and fault shape from geodetic observations of the 1983, Borah Park,Idaho, earthquake. J Geophys Res, 1986, 91(B5): 4909—491913 Chen Y T, Xu L S. A time domain inversion technique for the tempo-spatial distribution of slip on a finite fault plane with applica-tions to recent large earthquakes in Tibetan Plateau. Geophys J Int, 2000, 143(2): 407—41614 Brune J N. Tectonic stress and the spectra of seismic shear waves from earthquakes. J Geophys Res, 1970, 75: 4997—5009 15 Brune J N. Correction. Tectonic stress and the spectra of seismic shear waves from earthquakes. J Geophys Res, 1971, 76: 5002 16 Kanamori H. Mechanics of earthquakes. Ann Rev Earth Planet Sci, 1994, 22: 207—23717 陈运泰, 林邦慧, 林中洋, 等. 根据地面形变的观测研究1966年邢台地震的震源过程. 地球物理学报, 1975, 18(3): 164—182 18 陈运泰, 黄立人, 林邦慧, 等. 用大地测量资料反演的1976年唐山地震的位错模式. 地球物理学报, 1979, 22(3): 201—216 19 Okada Y. Surface Deformation due to shear and tensile faults in a half-space. Bull Seism Soc Amer, 1985, 75(4): 1135—1154 20 国家汶川地震专家委员会. 汶川地震灾区地震地质灾害图集. 中国地图出版社, 2008. 1—105。
