2008年汶川大地震断层破裂过程复杂性的动力学机制研究

Based on previous inversion results, the fault rupture behavior of the Wenchuan earthquake was much complex. The typical features are as follows. In the initial stage, rupture was bilateral, then it evolved into unilateral. In addition, there were a few seconds of pause in the process of fault fracture. Static dislocation on fault varied gradually from thrust-slip on the southwestern section of the fault to strike-slip northeastwards, and rupture velocity changed greatly as well. Moreover, the rupture propagated across different fault sections and jumped over the fault step-overs. So, we may ask question: what physical factors caused the rupture process so complicated? To this end, in the project we will simulate fault rupture propagation process in the Wenchuan earthquake with finite element method. We firstly perform inversions of model boundary conditions by fitting the geophysical, geological and geodetic data in order to obtain realistic results. Then, fault spontaneous nucleation and propagation process of fracture are simulated by means of continuous loading based upon the optimal inversion model. In the study, we will focus on nucleation process, rupture mode, direction and velocity of rupture propagation, rupture crossing stepovers, and rupture healing or termination. In particular, we will examine the relationship between rupture behaviors and pre-rupture stress field, medium properties, frictional constitutes and the fault geometries. Moreover, we will conduct sensitivity tests to some model parameters and quantitatively analyze effects of stress field, physical properties of medium, frictional constitution relation, and the fault geometries on rupture propagation characteristics, and try to explore the dynamic mechanism of rupture complexity for the 2008 Wenchuan earthquake.

根据前人的反演结果，汶川地震的断层破裂过程错综复杂：破裂在震源处起始后，先为双侧破裂, 然后发展为单侧破裂，破裂过程中还有数秒的停顿；破裂产生的静态位错也由逆冲逐渐向走滑型发展，破裂速度变化很大，此外破裂还跨越不同的断裂带传播等典型特征。究竟是哪些物理因素造成了如此复杂多样的破裂过程？为此本项目利用有限元计算方法，对汶川地震断层破裂过程进行模拟。为使模型更符合地质实际，研究中先根据地球物理、地质调查、大地测量等观测数据为约束，反演研究区的构造应力场及模型的边界。然后，通过不断加载来实现断层的自发成核及破裂传播过程。模拟中重点考察断层破裂的成核过程、破裂模式、破裂方向及传播速度、破裂跨越断层阶步、破裂终止等与震前应力场、介质物性、摩擦属性以及断层几何的关系。另外，还要分析模型中各物理参量的灵敏性，定量研究摩擦关系、介质物性、断层几何等对破裂特征的影响，探索汶川地震破裂过程复杂性的动力学机制。

2008年汶川大地震尽管发生已经十多年之久，但由于其断层破裂过程的极其发杂性，很多现象一直未能给出满意解答。为此，项目中利用有限元计算方法对其进行了定量研究，获得如下主要结果：. (1)发现了龙门山断裂带断层两侧介质物理性质差异（四川盆地一侧的介质强度高于川西高原一侧）导致了汶川大地震中断层破裂朝北东方向的破裂长度显著大于向西南方向的破裂长度（通常称为单侧破裂或不对称的双侧破裂）。其原因是：汶川地震破裂在震中处（映秀）成核后，破裂首先向断层两侧自发传播，但是由于断层两侧的物性有差异，这样断层面上的正应力在东北方向（破裂的正方向）随着破裂的传播而不断减小，位错速率随着破裂的传播而越来越大，其脉冲变得越来越尖锐，即产生了Weertman脉冲；这样破裂可以比较容易地自行前进、自己愈合。但是，朝西南方向的破裂（破裂的负方向上）其破裂面上的正应力越来越大，这样就阻止破裂继续前进，所以破裂在西南方向很快就自行终止，最终出现了单侧破裂（或不对称的双侧破裂）的现象。. (2)发现了在2008年汶川特大地震中，远离震中100多km外的北川地区震害最为严重的物理机制, 从物理上定量解释了困扰地学界多年的科学问题。由于位于映秀-北川断裂带上的高川右弯其特殊的几何形状，当破裂沿着断裂带通过右弯时，破裂速度由原来的亚剪切速度转换为超剪切破裂，产生了马赫波，地震动得到显著放大；是高川右弯促进了超剪切破裂的形成，使得北川地区的强地面运动峰值加速度幅值大、分布范围广，从而导致了北川地区的地震灾害特别严重。. (3)通过三维有限单元模拟，发现真实的走滑断层的自由表面，由于摩擦关系为速度强化的，真实的自由表面会阻碍超剪切破裂的形成，从而修正了前人认为地球自由表面可以促进超剪切破裂的观点，因此可以解释为什么实际发生的走滑型大地震很少是超剪切型破裂的现象。. (4)提出了新的方法，对汶川地震之前的地震活动性b值进行了时、空扫描，发现了汶川大地震之前的地震前兆异常现象，这将为未来强震预测提供重要手段。