汶川地震序列震源机制及其动力学解释

摘要

2008年5月12日14时28分,四川省汶川县发生灾难性的MS8.0级特大地震,之后陆续发生了数以万计的余震。汶川地震发生于大陆内部高角度逆冲的龙门山断裂带上,与有历史记载以来的逆冲型大地震不同。汶川地震及其余震序列的发震机理、发展规律和构造背景等科学问题引起了国内外地球科学工作者的广泛关注。构造应力是地震孕育发展及发生的直接动因,震源机制解能够判别断层错动方式和地震发震机制,汶川地震序列震源机制解所表现出来的规律特征,背后对应着怎样的区域构造应力场及其动力学解释,是认识汶川地震序列的动力学机制所需解决的重要问题。
　　本文的研究工作针对汶川地震序列展开,利用汶川地震序列大量的地震观测数据,从震源机制解和构造应力场的角度,探讨研究汶川地震序列的动力学机制。具体研究思路是,从求解震源机制解入手,研究汶川地震序列震源机制解的分布特征;然后,采用有限元数值模拟方法,对发生汶川地震的龙门山断裂带及周边地区的构造应力场进行计算;最后,根据模拟的数值结果,计算构造应力场作用下的理论震源机制解,通过理论解与实际震源机制解求解结果的对比分析,尝试性地对汶川地震序列震源机制解的分布规律与区域构造应力场以及断层构造的关系进行定量分析。
　　基于上述思路,本文的主要研究工作和结果包括以下四部分:
　　1)深入细致地研究分析了利用P波初动极性数据求解地震震源机制解的基本原理和关键问题,在许忠淮提出的格点尝试法基础上,主要从四个方面对利用P波初动极性求解震源机制解的方法加以改进:①依据P波初动数据点的可信度和密集程度决定其权重,在一定程度上消除数据点在震源球上分布不均匀引起的求解偏差。②将聚类分析引入到震源机制解的求解过程中,采用聚类分析的方法对所有可选解进行聚类,同时给出每个聚类解簇的平均解,如果存在多个解簇,将震源机制解限定在少数几个备选解中。③借鉴jackknife技术,对求解结果的稳定性进行检验,增加了找到真解的可能性,对解的可信度有了更好的把握。④改善B轴搜索方式,使其简单而更为均匀。通过理论数据检验,验证了改进后方法的可靠性和有效性。另外,依据方法上的关键改进,提出了主要基于解的离散度并参考最低加权矛盾比对P波初动解质量进行评价的新方案:用聚类中心个数CN、最小旋转角均方根RMS和最低加权矛盾比ψmin这三个参数对震源机制解的求解质量进行定量评价。
　　2)广泛搜集数字地震波形纪录等相关资料,认真严格地判读了P波初动极性,使用比较精确的定位结果,采用改进后的格点尝试法,对汶川地震序列震源机制解进行了求解,给出了125个4.0级以上(含一个3.9级地震)质量可靠的震源机制解。根据求解结果发现:汶川MS8.0级主震初始破裂为纯逆冲型,124个余震绝大部分是逆冲型或走滑型地震。汶川地震序列震源机制解具有分段分布特征,其P轴方位在近东西方向两侧一定范围内分布。
　　3)依据主要断层资料及精细介质参数,利用ANSYS软件,建立了龙门山断裂带及其周边地区的三维弹性有限元模型。根据GPS观测资料确定边界条件,并考虑构造变形速度随深度变化的三种典型模式,通过模拟运算分别给出了这一区域的构造应力场的数值模拟结果。三种模式的模拟结果均显示,龙门山断裂带及其周边地区最大主压应力方向为北西西-南东东向到近东西向,并且由北往南有一定角度的顺时针偏转。这表明模型边界上构造变形的速度差异是决定龙门山断裂带及其周边地区构造应力场的主要因素。另外,龙门山断裂带及其周边地区的最大主压应力方向与偏转趋势与前人的研究结果相一致,在一定程度上验证了本文数值模拟结果的合理性。
　　4)依据三种构造变形模式下的构造应力场数值模拟结果,分别采用两种方法,对汶川地震序列的理论震源机制解进行了求解。结果表明,青藏高原内部边界下地壳层变形更快的模式下的构造应力场与汶川地震序列震源机制解的分布规律最为吻合。
　　5)通过汶川地震序列理论震源机制解的研究发现,对于汶川地震序列震源机制解,区域构造应力场在较大程度上影响和控制其总体分布规律,而发震断层构造是影响其具体形态的重要构造因素;一小部分的余震震源机制解与区域构造应力场不相吻合,其力学机制值得深入探讨。

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中文摘 要

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第一章 绪论

1.1 引言

1.2 震源机制解研究意义、方法及现状

1.2.1 震源机制解研究意义

1.2.2 震源机制解研究方法

1.2.3 汶川地震序列震源机制解研究现状

1.3 构造应力场研究意义、方法及现状

1.3.1 构造应力场研究意义

1.3.2 构造应力场研究方法

1.3.3 龙门山断裂带及其周边地区构造应力场研究现状

1.4 理论震源机制解的研究意义、方法及研究现状

1.4.1 理论震源机制解的研究意义

1.4.2 理论震源机制解的研究方法

1.4.3 汶川地震序列理论震源机制解的研究现状

1.5 本文的主要研究工作及内容

第二章 汶川地震序列震源机制解

2.1 利用P 波初动极性求解震源机制解方法的改进

2.1.1 引入数据点权重因子

2.1.2 可选解的聚类分析

2.1.3 求解结果的稳定性检验

2.1.4 对格点尝试法搜索方式的改进

2.1.5 震源机制解质量评价标准

2.2 求解汶川地震序列震源机制解所用资料

2.2.1 数字波形记录

2.2.2 波速结构

2.2.3 地震定位结果

2.3 汶川地震序列震源机制解

2.3.1 汶川地震序列P 波初动解求解结果

2.3.2 与哈佛大学最佳双力偶解的对比

2.4 汶川地震序列震源机制解特征分析

2.4.1 震源机制解类型特征

2.4.2 P 轴方位特征

2.5 本章小结

第三章 龙门山断裂带及其周边地区构造应力场数值模拟

3.1 区域构造应力场数值模拟的总体思路及其可行性分析

3.2 ANSYS 软件简介

3.3 龙门山及其周边地区三维有限元模型

3.3.1 模型范围

3.3.2 模型中断层选择和实体模型的建立

3.3.3 网格划分

3.3.4 修改单元属性

3.4 研究区域模型的边界条件

3.5 龙门山断裂带及其周边地区构造应力场有限元模拟结果

3.5.1 地表速度场分布

3.5.2 区域主压应力轴方位分布

3.6 本章小结

第四章 汶川地震序列震源机制解分布特征的动力学模拟

4.1 理论震源机制解计算方法

4.2 按模型中的断层计算理论震源机制解

4.2.1 断层上应力数据处理

4.2.2 理论震源机制解

4.2.3 按模型中断层投影结果的分析讨论

4.3 按实际震源机制解节面投影计算理论震源机制解

4.3.1 应力数据选择

4.3.2 理论震源机制解

4.3.3 按实际震源机制解节面投影结果的分析讨论

4.4 本章小结

第五章 主要结论及探讨

5.1 主要结论

5.2 创新点

5.3 存在的问题和改进的方向

参考文献

致谢