【摘要】：龍門山推覆構(gòu)造帶不僅是四川盆地與青藏高原的地形和構(gòu)造分界帶,而且是研究青藏高原地殼厚度變化的關(guān)鍵部位,是研究青藏高原邊緣活動(dòng)斷層和潛在的地震災(zāi)害的關(guān)鍵地區(qū)之一。2008年5月12日在龍門山推覆構(gòu)造帶中-北段發(fā)生了汶川8.0級(jí)大地震,2013年4月20日又在龍門山推覆構(gòu)造帶上的南段發(fā)生了四川蘆山Ms7.0級(jí)地震,兩次地震的震中相距約90 km。其中,汶川地震因其獨(dú)特的發(fā)震構(gòu)造環(huán)境及造成重大的人員和財(cái)產(chǎn)損失,在國內(nèi)外引起極大的關(guān)注。汶川Mw7.9級(jí)地震在龍門山推覆構(gòu)造帶映秀—北川斷層上形成了約240km的地表破裂帶,余震密集分布長(zhǎng)度可達(dá)300 km。其中,在NE向映秀-北川斷裂造成長(zhǎng)240 km,以逆沖擠壓為主兼有右旋走滑分量的地表破裂;在NE向灌縣-江油斷裂造成長(zhǎng)72km的純逆沖性質(zhì)地表破裂帶;另外還有一條長(zhǎng)6 km、以逆沖為主兼有左旋走滑性質(zhì)的NW向小魚洞地表破裂帶。為充分了解本次大地震的時(shí)空破裂過程,大量學(xué)者對(duì)本次地震的破裂過程進(jìn)行了研究并取得了一系列系列研究成果。汶川地震破裂過程持續(xù)約100秒,破裂沿著斷層向東北方向傳播近300 km,破裂過程由多個(gè)子事件組。破裂過程的研究很好地揭示了汶川大地震的時(shí)空演化過程,但是對(duì)本次大地震起始破裂階段的細(xì)節(jié)研究上還存在一些欠缺之處。例如,1)汶川地震震源參數(shù)(發(fā)震時(shí)間和深度)存在較大的差異;2)起始階段的破裂過程細(xì)節(jié)缺乏研究;3)地震發(fā)震構(gòu)造模型存在著爭(zhēng)議;4)地震的成核類型有待進(jìn)一步的研究。因此,汶川地震起始破裂的細(xì)節(jié)過程研究仍具有重要的科學(xué)意義�；谏鲜鰡栴},本論文利用類似于反投影法P波疊加法來研究2008年5月12日汶川Mw7.9級(jí)大地震起始破裂過程的斷層幾何學(xué)及運(yùn)動(dòng)學(xué)特征。本論文不僅研究了汶川大地震起始階段破裂的詳細(xì)過程,還為本次地震起始破裂位置參數(shù)、起始破裂發(fā)震構(gòu)造模型及本次大地震的成核類型等科學(xué)問題提供相關(guān)的依據(jù),補(bǔ)充了汶川地震時(shí)空破裂過程的研究工作。本論文主要完成以下工作內(nèi)容:一、汶川地震起始破裂位置的確定汶川Mw 7.9級(jí)地震后,大量學(xué)者對(duì)其孕震機(jī)制和震源參數(shù)進(jìn)行了研究,并取得了一系列的研究成果。盡管這些研究讓我們對(duì)汶川地震的震源機(jī)制有了較全面、系統(tǒng)的認(rèn)識(shí),但是在震源參數(shù),例如:發(fā)震時(shí)間、震中位置和震源深度等方面存在較大差異。從研究結(jié)果來看,汶川主震位置參數(shù)的誤差除源于記錄資料類型的不同和震相識(shí)別的差異外,龍門山推覆構(gòu)造帶地殼速度結(jié)構(gòu)的橫向不均勻性也是造成結(jié)果差異的一個(gè)重要原因。近距離的臺(tái)網(wǎng)紀(jì)錄可對(duì)震源深度和發(fā)震時(shí)刻進(jìn)行有效地約束,且由于震中距較近地殼速度結(jié)構(gòu)差異相對(duì)較小也能進(jìn)一步減小速度模型帶來的誤差。因此,相對(duì)于遠(yuǎn)距離(遠(yuǎn)震及區(qū)域臺(tái)網(wǎng)數(shù)據(jù))臺(tái)網(wǎng)資料,使用近距離的臺(tái)站資料得到的震源位置則更為可靠。本論文使用距離20km范圍內(nèi)的紫坪鋪水庫臺(tái)網(wǎng)記錄到的汶川地震主震波形資料,分別采用P波初動(dòng)相對(duì)到時(shí)差和反投影P波疊加法,利用網(wǎng)格搜索法在震源區(qū)三維空間范圍內(nèi)來確定汶川地震起始破裂的位置參數(shù)。P波初動(dòng)相對(duì)到時(shí)差方法獲得的結(jié)果表明,汶川地震起始破裂位于31.016°N±0.002°、103.386°E±0.002°,震源深度為8.3 km±0.92 km,發(fā)震時(shí)刻為2008年5月12日14時(shí)27分58.82秒±0.52秒(北京時(shí)間,以下本文中時(shí)間均為北京時(shí)間);反投影波形疊加法獲得的結(jié)果顯示,汶川地震起始破裂位置為31.018°N±0.003°、103.391°E±0.003°,震源深度為8.4 km±0.86 km,發(fā)震時(shí)刻為2008年5月12日14時(shí)27分58.80秒±0.4秒。二、汶川地震起始破裂過程斷層幾何學(xué)研究龍門山推覆構(gòu)造帶長(zhǎng)約500 km,寬40-50 km,主要由龍門山后山斷裂(汶川—茂縣),龍門山中央斷裂(映秀—北川),龍門山前山斷裂(灌縣—江油)及山前隱伏斷裂等組成。這四條斷層走向N45°E、傾向NW,呈鏟式疊瓦狀向四川盆地推覆,在地表出露處后山斷裂和中央斷裂傾角較高(60°-70°),沿北西方向斷層傾角隨著深度增加而減小;前山斷裂和山前隱伏斷裂傾角較緩,為典型的逆斷層。由于龍門山推覆構(gòu)造帶內(nèi)斷裂帶整體呈現(xiàn)為上陡下緩“鏟式”的幾何結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)特征,地震的震源位置參數(shù)對(duì)發(fā)震構(gòu)造模型有著直接的影響。當(dāng)前,汶川地震震源深度~15 km的認(rèn)識(shí)得到廣泛的接受和應(yīng)用,在此基礎(chǔ)上存在兩個(gè)主流的發(fā)震構(gòu)造模型:一部分研究小組認(rèn)為汶川地震為高傾角逆沖斷層(50°),而另一部分研究小組則認(rèn)為汶川地震發(fā)震斷層為“疊瓦狀”逆斷層,斷層傾角在震源附近較緩(~33°),向上逐漸變陡。世界上絕大多數(shù)逆沖型8級(jí)以上強(qiáng)震主要發(fā)生在海洋板塊邊界的俯沖帶上,或發(fā)生在大陸碰撞的低傾角(20°)逆沖推覆斷裂帶上,那么為何會(huì)在斷層傾角較大的龍門山推覆構(gòu)造帶發(fā)生汶川Mw7.9級(jí)大地震?這個(gè)科學(xué)問題的探討,對(duì)今后板內(nèi)推覆構(gòu)造區(qū)域的地震預(yù)測(cè)具有一定的參考意義。本論文首先使用距離汶川地震震中20 km范圍內(nèi)的紫坪鋪水庫臺(tái)網(wǎng)記錄到的汶川地震主震波形事件中未限幅的P波波形資料,利用類似于P波反投影波形疊加法在三維空間內(nèi)獲取了汶川地震起始破裂的時(shí)空分布特征。然后根據(jù)龍門山推覆構(gòu)造帶內(nèi)部斷層幾何特征等,在傾向NW40-60°,傾角20-50°范圍內(nèi)搜索得到了最佳的發(fā)震斷層模型,最后綜合分析龍門推覆構(gòu)造帶內(nèi)部斷層的幾何特征構(gòu)建了起始破裂的發(fā)震構(gòu)造模型。結(jié)果顯示,汶川地震起始破裂的最佳斷層面走向?yàn)镹E48°,傾向NW35°,分析認(rèn)為起始破裂位于映秀-北川斷裂和灌縣-安縣斷裂在地下約8 km深度的交匯斷層面上,地震的發(fā)生是由多條斷層共同作用的結(jié)果。三、汶川地震起始破裂過程運(yùn)動(dòng)學(xué)研究汶川地震是一次以逆沖斷層錯(cuò)動(dòng)為主的地震事件,破裂過程以朝北東向破裂為主,沿著斷層向東北方向傳播近270 km,整個(gè)破裂過程持續(xù)約100秒,包含了多個(gè)地震子事件,破裂速度先慢后快,平均速度約為3 km/s。雖然,這些研究得到本次大地震時(shí)空破裂過程和能量釋放圖像,但迄今為止還沒有涉及起始破裂階段(0-1秒)斷層幾何學(xué)和運(yùn)動(dòng)學(xué)研究工作發(fā)表。同時(shí),利用遠(yuǎn)距離波形記錄(全球臺(tái)網(wǎng)及區(qū)域臺(tái)網(wǎng))進(jìn)行反投影震源破裂過程時(shí),都是將起始破裂位置設(shè)定在某一個(gè)公開發(fā)表的震源參數(shù)結(jié)果上進(jìn)行的。然而,汶川地震的起始破裂位置研究一直存在較大的爭(zhēng)議,尤其是在起始破裂的深度和時(shí)間上。因此,使用不精確的震源位置參數(shù),必然會(huì)對(duì)汶川地震破裂過程的研究和解釋帶來一定的誤差和影響。因此,汶川地震起始階段的細(xì)節(jié)破裂過程仍需要進(jìn)一步地研究。為詳盡的分析汶川地震起始破裂階段的破裂過程,我們將在三維空間內(nèi)分布的破裂點(diǎn)投影到得到的最佳發(fā)震斷層上,來分析其運(yùn)動(dòng)學(xué)特征。結(jié)果表明汶川大地震起始階段的破裂過程具有階段性,破裂在0-0.3秒時(shí)間內(nèi)集中在起始破裂點(diǎn)附近,在0.4秒時(shí)起始破裂點(diǎn)開始向深部的西南方向傳播擴(kuò)展,0.8秒之后破裂開始在斷層面上沿著東北方向往淺部傳播,破裂的傳播速度約為2.7 km/s�？傮w來看,破裂后的能量沿著斷層面向兩側(cè)擴(kuò)散,位于破裂點(diǎn)深部西南方向的破裂要強(qiáng)于淺部的東北方向。四、汶川地震起始破裂成核類型及地震成因探討一般來說,地震通常以小振幅震動(dòng)破裂開始,這些小的震動(dòng)破裂往往能決定地震的最終震級(jí)。雖然在地震初始破裂過程的解釋上然存在爭(zhēng)議,但仍可以用震前蠕滑(Pre-slip)和級(jí)聯(lián)破裂(Cascade)兩種模型來解釋其成核過程。在地震成核類型的研究中,通過分析近源P波記錄中攜帶的震源信息來詳細(xì)地描述地震發(fā)育過程,可為地震的發(fā)震機(jī)理研究提供一定的參考依據(jù)。目前,紫坪鋪水庫蓄水對(duì)汶川地震的發(fā)生是否具有觸發(fā)作用一直存在爭(zhēng)議。一部分學(xué)者認(rèn)為沒有影響,一部分認(rèn)為有一定的影響,還有一部分則認(rèn)為有明顯的觸發(fā)作用。因此,研究汶川地震起始破裂成核過程可為解決此爭(zhēng)議問題提供一些科學(xué)依據(jù)。本論文得到的汶川地震起始破裂細(xì)節(jié)顯示,地震在起始破裂形成后,破裂點(diǎn)先集中在其起始破裂點(diǎn)附近且釋放的能量逐漸緩慢的增加,之后在起始破裂點(diǎn)外圍產(chǎn)生相對(duì)較大的新破破裂并最終發(fā)育成一次地震事件,整個(gè)破裂過程的深度范圍分布在7.5-9.5 km。從破裂起始階段的破裂過程來看,本次地震的成核模式更符合于“震前蠕滑型”。根據(jù)本次地震起始破裂的成核模型,并結(jié)合紫坪鋪水庫庫區(qū)構(gòu)造應(yīng)力、地質(zhì)條件、震前GPS測(cè)量結(jié)果、地震前水庫蓄水與庫區(qū)地震活動(dòng)的關(guān)系,支持紫坪鋪水庫的蓄水對(duì)汶川地震的發(fā)生有明顯的促進(jìn)作用的觀點(diǎn)。綜上所述,本論文使用近距離臺(tái)網(wǎng)記錄的高頻P波資料,利用類似P波反投影波形疊加法詳細(xì)地分析了2008年汶川Mw7.9級(jí)地震在起始破裂階段破裂傳播、擴(kuò)展的時(shí)空演化過程,并利用破裂點(diǎn)的分布特征構(gòu)建了發(fā)震斷層的幾何結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)模型及其在起始破裂階段地震事件的成核類型。結(jié)果表明,汶川地震起始破裂位置位為31.018°N±0.003°、103.391°E±0.003°,震源深度為8.4 km±0.86 km,發(fā)震時(shí)刻(北京時(shí)間)為2008年5月12日14時(shí)27分58.80秒±0.4秒。起始破裂位于映秀-北川斷裂和灌縣-安縣斷裂在地下約8 km交匯處的斷層面上,斷層的走向?yàn)镹E48°,傾角為NW35°。汶川地震起始階段的破裂過程具有階段性,破裂在0-0.3s時(shí)間內(nèi)集中在起始破裂點(diǎn)(緯度31.018°N±0.003°、經(jīng)度103.391°E±0.003°,深度為8.4 km±0.86 km)附近并逐漸積累能量,在0.4秒時(shí)起始破裂點(diǎn)深部的西南方向出現(xiàn)了一個(gè)相對(duì)較大的破裂,之后破裂開始在斷層面上沿著東北方向往淺部傳播,破裂的傳播速度約為2.7 km/s。破裂發(fā)生后能量沿著斷層面向兩側(cè)擴(kuò)散,位于破裂點(diǎn)深部西南方向的破裂要強(qiáng)于淺部的東北方向,破裂過程的深度范圍分布在7.5-9.5 km范圍內(nèi)。汶川地震起始破裂過程研究表明,本次地震的成核模式更符合于“震前蠕滑型”,認(rèn)為紫坪鋪水庫的蓄水對(duì)汶川地震的發(fā)生有明顯的誘發(fā)作用。本論文補(bǔ)充研究了汶川大地震起始階段(0-1秒)的破裂過程,并利用破裂過程中破裂點(diǎn)在三維空間分布特征來約束發(fā)震斷層的幾何參數(shù)并取得了一定的研究成果。雖然結(jié)果存在著一些不確定性和不可避免的誤差,但是本論文的研究思路和方法可為大地震起始破裂過程、發(fā)震構(gòu)造模型、地震成核類型及地震起因等地震機(jī)理方面的研究具有十分重要的學(xué)術(shù)價(jià)值和地震預(yù)測(cè)實(shí)踐的探索價(jià)值。
【學(xué)位授予單位】：中國地震局地質(zhì)研究所
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號(hào)】：P315
【圖文】：

圖 0.1 青藏高原活動(dòng)構(gòu)造框架與歷史地震分布圖( 源自徐錫偉等，2014) 汶川地震震源參數(shù)一直存在著較大差異，尤其是在深度和時(shí)間參數(shù)上。研究表明（CEA，2008；USGS，2008；楊智嫻等，2008，2012；陳九輝等，2009；馬文濤等，2011；張

圖 1.1 研究區(qū)及周邊地形地貌、紫坪鋪水庫分布斷層展布、及臺(tái)站分布圖紅色線段為汶川地震地表破裂分布（Xu 等, 2009），黃色實(shí)心圓為汶川余震分布2008 年 5 月 12 日發(fā)生的汶川 M8.0 級(jí)大地震震中位于龍門山推覆構(gòu)造帶中北段至少已

裂帶向東北方向拓展形成長(zhǎng)約 330 km 的余震區(qū)（圖 1.1）。龍深度分布具有明顯的分段特征，綿竹至平武段主要分布在 7-19 以東的余震深度分布范圍較大，尤其是青川以東段落，具有深度桂喜等，2012）。

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本文編號(hào)：2798800