马晓静

（中国地震局地质研究所，北京100029）

（作者电子信箱，马晓静：tongzzi＠163.com）

张性构造与挤压构造一样在中国、乃至全世界广泛分布。在张性构造区地震活动也非常强烈，就中国大陆的地震活动而言，自从有历史地震记载以来，其中不少强地震，甚至8级以上大地震的发生都与正断层的活动有关。例如1303年山西洪洞8级地震、1556年陕西华县8级地震、1739年宁夏平罗8级地震、1411年西藏当雄8级地震和1951年崩错8级地震等的地表破裂都具有明显的正断层活动性质，因此对正断层地震危险性的研究具有非常重要的意义。

越来越多的研究结果表明，断层的粘滑运动是地震发生的重要机制。断层的错动条件是由断层面上的剪应力（包括重力派生的剪应力）与摩擦阻力相对大小决定的，当剪应力大于摩擦阻力时断层就可能发生错动，当断层规模足够大，并且同时错动时就可能发生强震和大震。由于地震发生的时间、地点和强度的不确定性，现场捕捉断层粘滑错动过程是非常困难的，模拟技术的应用则非常重要，特别是有限元分析方法的应用将是数值模拟地震活动性的重要发展方向。此研究方向正在起步和发展，已有的研究只涉及个别逆冲－走滑断层滑动模拟，有关正断层粘滑运动机理的数值模拟研究则有待开展。

针对上述问题，本研究主要开展了以下两个方面的工作：

1 正断层理论模型粘滑运动的模拟研究

建立正断层的理论模型，改变边界条件、摩擦系数和断层倾角，利用数值模拟的方法，模拟在拉伸作用下正断层粘滑运动的规律，以及拉伸速率、摩擦系数和断层倾角的变化对断层粘滑运动的影响。得到如下主要认识：

1.1 拉伸速率对正断层粘滑运动的影响

（1）正断层在重力和拉伸构造力的作用下，可以发生强震；

（2）总体来说，拉伸速率越大，大震复发间隔就越短，地震时的断层最大位错也越大（当拉伸速率＜5mm/a时）；

（3）拉伸速率为1mm/a时，最大位错量为2.8m，位错量大于1m 的两次大震时间间隔为14 520年；拉伸速率为2mm/a时，最大位错量为5.7m，位错量大于1m 的地震的平均复发间隔为6 363年；拉伸速率为3mm/a时，最大位错量为9.2m，位错量大于1m 的地震的平均复发间隔为3 409年；拉伸速率为4mm/a时，最大位错量为11m，位错量大于1m 的地震的平均复发间隔为2 361年；拉伸速率为5mm/a时，最大位错量为9m，位错量大于1m的地震的平均复发间隔为1 977年。

（4）小地震发生最大位错的深度多在8km 以上，大地震发生最大位错的深度一般在5～15km 范围内；而且随着拉伸速率的增加，大震发生最大位错的深度有逐渐增加的趋势。

1.2 摩擦系数对正断层粘滑运动的影响

（1）总体来说，随着摩擦系数的减小，断层的最大位错量增加，地震复发间隔缩短（当摩擦系数＞0.4时）；

（2）在拉伸速率为2mm/a的情况下，当摩擦系数为0.7时，断层的最大位错值为3.5m，大于1m 位错的复发间隔为8 333年；摩擦系数为0.6时，断层的最大位错值为5.7m，大于1m 位错的复发间隔为6 363年；当摩擦系数为0.5时，断层的最大位错值为8.3m，大于1m位错的复发间隔为5 882年；摩擦系数为0.4时，断层的最大位错值为14.3m，大于1m 位错的复发间隔为7 692年；

（3）小地震发生最大位错的深度大部分在8km 以上，大地震发生最大位错的深度大多在4～15km 范围内，而且，随着摩擦系数的减小，地震发生最大位错的深度有增加的趋势。

1.3 断层倾角对正断层粘滑运动的影响

（1）正断层的倾角为60°左右时，其地震活动性最强，倾角45°和75°断层的地震活动性近似，倾角45°断层地震活动性稍强；

（2）在拉伸速率为2mm/a，摩擦系数为0.7的情况下，断层倾角为60°，断层的最大位错量为5.5m，地震的平均复发间隔为3 500年；断层倾角为45°，断层的最大位错量为3.5m，地震的平均复发间隔为8 333年；断层倾角为75°，断层的最大位错量为2.9m，地震的平均复发间隔为8 333年；

（3）在拉伸速率为2mm/a，摩擦系数为0.6的情况下，断层倾角为60°，断层的最大位错量为6.5m，地震的平均复发间隔为4167年；断层倾角为45°，断层的最大位错量为5.7m，地震的平均复发间隔为6 363年；断层倾角为75°，断层的最大位错量为3.3m，地震的平均复发间隔为6 500年。

2 山西临汾盆地地震活动性数值模拟研究

以山西临汾盆地为实例，用数值模拟的方法模拟其粘滑运动过程，分析地震前后应力、应变、能量的转移、积累和释放特征，研究模拟错动事件的大小、频度、深度和大事件复发间隔等的时空分布规律，并针对几个典型的错动事件，分析沿断层面发生错动的深度范围、地表断距及其影响因素。主要取得如下几点初步认识：

（1）在重力和拉伸应力作用下，山西临汾盆地的正断层是可以发生大地震的；

（2）从地震的孕育到发生，能量有一个积累到释放的过程：断层粘着时（平静期），剪切应力逐渐增加，积累能量；临错动（临震）前，剪切应力快速增加，达到临界状态；断层突发错动时（同震），剪切应力突然下降，释放能量；

（3）山西临汾盆地的最大位错量可达14.6m，近似于8级大震；模拟断层粘滑事件位错量1m 以上的强震平均复发间隔为2 971年；

（4）在深度上小震随机发生，大震多分布于4～15km，并总体上呈现深－浅－深－浅波浪式迁移的特点；

（5）地震时，断层的位错量越大，其破裂深度范围就越大，有些位错量较小的地震，断层破裂只发生在地下，未能达到地表；

（6）地表的位错量与最大位错量和发生最大位错的节点深度有关：最大位错越大，在地表的位错也越大；而最大位错节点的深度越深，则相应的地表位错量越小；

（7）总体上说，地震时应力降越大，断层的位错量也越大。

本研究的创新点主要表现在如下几方面：

（1）使用断层接触模型和粘弹介质载体模拟了正断层粘滑运动的动力学过程，初步论证了正断层在重力和拉伸构造力的作用下，可以发生大地震的认识；

（2）研究了影响正断层粘滑运动的主要影响因素。发现随着拉伸速率增大、摩擦系数的减小，断层的最大位错量增加，地震复发间隔缩短；正断层的倾角为60°左右时，其地震活动性最强。

（3）建立了山西临汾盆地的粘滑错动事件目录，研究了粘滑过程的应力、应变、能量的转移、积累和释放特征，并得到临汾盆地最大位错量可达14.6m（近似于8级大震），粘滑事件位错量1m 以上的强震复发间隔为2 971年的初步结果。

由于此类研究可参照的文献很少，同时受软、硬件条件限制，加上时间仓促，文中仍然存在不少问题。例如，分析模型进行了较大简化，时间步长不够短，初始应力场无法精确评估，地下深部状态和活动状态不清楚等，这些有待于将来进一步深入研究。