正斷層發生地震的動力學過程數值模擬研究

馬曉靜

（中國地震局地質研究所，北京100029）

（作者電子信箱，馬曉靜：tongzzi＠163.com）

張性構造與擠壓構造一樣在中國、乃至全世界廣泛分布。在張性構造區地震活動也非常強烈，就中國大陸的地震活動而言，自從有歷史地震記載以來，其中不少強地震，甚至8級以上大地震的發生都與正斷層的活動有關。例如1303年山西洪洞8級地震、1556年陜西華縣8級地震、1739年寧夏平羅8級地震、1411年西藏當雄8級地震和1951年崩錯8級地震等的地表破裂都具有明顯的正斷層活動性質，因此對正斷層地震危險性的研究具有非常重要的意義。

越來越多的研究結果表明，斷層的粘滑運動是地震發生的重要機制。斷層的錯動條件是由斷層面上的剪應力（包括重力派生的剪應力）與摩擦阻力相對大小決定的，當剪應力大于摩擦阻力時斷層就可能發生錯動，當斷層規模足夠大，并且同時錯動時就可能發生強震和大震。由于地震發生的時間、地點和強度的不確定性，現場捕捉斷層粘滑錯動過程是非常困難的，模擬技術的應用則非常重要，特別是有限元分析方法的應用將是數值模擬地震活動性的重要發展方向。此研究方向正在起步和發展，已有的研究只涉及個別逆沖－走滑斷層滑動模擬，有關正斷層粘滑運動機理的數值模擬研究則有待開展。

針對上述問題，本研究主要開展了以下兩個方面的工作：

1 正斷層理論模型粘滑運動的模擬研究

建立正斷層的理論模型，改變邊界條件、摩擦系數和斷層傾角，利用數值模擬的方法，模擬在拉伸作用下正斷層粘滑運動的規律，以及拉伸速率、摩擦系數和斷層傾角的變化對斷層粘滑運動的影響。得到如下主要認識：

1.1 拉伸速率對正斷層粘滑運動的影響

（1）正斷層在重力和拉伸構造力的作用下，可以發生強震；

（2）總體來說，拉伸速率越大，大震復發間隔就越短，地震時的斷層最大位錯也越大（當拉伸速率＜5mm/a時）；

（3）拉伸速率為1mm/a時，最大位錯量為2.8m，位錯量大于1m 的兩次大震時間間隔為14 520年；拉伸速率為2mm/a時，最大位錯量為5.7m，位錯量大于1m 的地震的平均復發間隔為6 363年；拉伸速率為3mm/a時，最大位錯量為9.2m，位錯量大于1m 的地震的平均復發間隔為3 409年；拉伸速率為4mm/a時，最大位錯量為11m，位錯量大于1m 的地震的平均復發間隔為2 361年；拉伸速率為5mm/a時，最大位錯量為9m，位錯量大于1m的地震的平均復發間隔為1 977年。

（4）小地震發生最大位錯的深度多在8km 以上，大地震發生最大位錯的深度一般在5～15km 范圍內；而且隨著拉伸速率的增加，大震發生最大位錯的深度有逐漸增加的趨勢。

1.2 摩擦系數對正斷層粘滑運動的影響

（1）總體來說，隨著摩擦系數的減小，斷層的最大位錯量增加，地震復發間隔縮短（當摩擦系數＞0.4時）；

（2）在拉伸速率為2mm/a的情況下，當摩擦系數為0.7時，斷層的最大位錯值為3.5m，大于1m 位錯的復發間隔為8 333年；摩擦系數為0.6時，斷層的最大位錯值為5.7m，大于1m 位錯的復發間隔為6 363年；當摩擦系數為0.5時，斷層的最大位錯值為8.3m，大于1m位錯的復發間隔為5 882年；摩擦系數為0.4時，斷層的最大位錯值為14.3m，大于1m 位錯的復發間隔為7 692年；

（3）小地震發生最大位錯的深度大部分在8km 以上，大地震發生最大位錯的深度大多在4～15km 范圍內，而且，隨著摩擦系數的減小，地震發生最大位錯的深度有增加的趨勢。

1.3 斷層傾角對正斷層粘滑運動的影響

（1）正斷層的傾角為60°左右時，其地震活動性最強，傾角45°和75°斷層的地震活動性近似，傾角45°斷層地震活動性稍強；

（2）在拉伸速率為2mm/a，摩擦系數為0.7的情況下，斷層傾角為60°，斷層的最大位錯量為5.5m，地震的平均復發間隔為3 500年；斷層傾角為45°，斷層的最大位錯量為3.5m，地震的平均復發間隔為8 333年；斷層傾角為75°，斷層的最大位錯量為2.9m，地震的平均復發間隔為8 333年；

（3）在拉伸速率為2mm/a，摩擦系數為0.6的情況下，斷層傾角為60°，斷層的最大位錯量為6.5m，地震的平均復發間隔為4167年；斷層傾角為45°，斷層的最大位錯量為5.7m，地震的平均復發間隔為6 363年；斷層傾角為75°，斷層的最大位錯量為3.3m，地震的平均復發間隔為6 500年。

2 山西臨汾盆地地震活動性數值模擬研究

以山西臨汾盆地為實例，用數值模擬的方法模擬其粘滑運動過程，分析地震前后應力、應變、能量的轉移、積累和釋放特征，研究模擬錯動事件的大小、頻度、深度和大事件復發間隔等的時空分布規律，并針對幾個典型的錯動事件，分析沿斷層面發生錯動的深度范圍、地表斷距及其影響因素。主要取得如下幾點初步認識：

（1）在重力和拉伸應力作用下，山西臨汾盆地的正斷層是可以發生大地震的；

（2）從地震的孕育到發生，能量有一個積累到釋放的過程：斷層粘著時（平靜期），剪切應力逐漸增加，積累能量；臨錯動（臨震）前，剪切應力快速增加，達到臨界狀態；斷層突發錯動時（同震），剪切應力突然下降，釋放能量；

（3）山西臨汾盆地的最大位錯量可達14.6m，近似于8級大震；模擬斷層粘滑事件位錯量1m 以上的強震平均復發間隔為2 971年；

（4）在深度上小震隨機發生，大震多分布于4～15km，并總體上呈現深－淺－深－淺波浪式遷移的特點；

（5）地震時，斷層的位錯量越大，其破裂深度范圍就越大，有些位錯量較小的地震，斷層破裂只發生在地下，未能達到地表；

（6）地表的位錯量與最大位錯量和發生最大位錯的節點深度有關：最大位錯越大，在地表的位錯也越大；而最大位錯節點的深度越深，則相應的地表位錯量越??；

（7）總體上說，地震時應力降越大，斷層的位錯量也越大。

本研究的創新點主要表現在如下幾方面：

（1）使用斷層接觸模型和粘彈介質載體模擬了正斷層粘滑運動的動力學過程，初步論證了正斷層在重力和拉伸構造力的作用下，可以發生大地震的認識；

（2）研究了影響正斷層粘滑運動的主要影響因素。發現隨著拉伸速率增大、摩擦系數的減小，斷層的最大位錯量增加，地震復發間隔縮短；正斷層的傾角為60°左右時，其地震活動性最強。

（3）建立了山西臨汾盆地的粘滑錯動事件目錄，研究了粘滑過程的應力、應變、能量的轉移、積累和釋放特征，并得到臨汾盆地最大位錯量可達14.6m（近似于8級大震），粘滑事件位錯量1m 以上的強震復發間隔為2 971年的初步結果。

由于此類研究可參照的文獻很少，同時受軟、硬件條件限制，加上時間倉促，文中仍然存在不少問題。例如，分析模型進行了較大簡化，時間步長不夠短，初始應力場無法精確評估，地下深部狀態和活動狀態不清楚等，這些有待于將來進一步深入研究。