汶川Ms8.0地震前近震源区形变熵率变化研究

作     者：曹景鹏 

作者单位：中国地震局地震预测研究所 

学位级别：硕士

导师姓名：牛安福

授予年度：2014年

学科分类：070801[理学-固体地球物理学] 07[理学] 0708[理学-地球物理学] 

主      题：汶川地震 龙门山断裂带 形变熵 地倾斜 滑动扩展模拟 

摘      要：2008年5月12日下午2点28分，在四川省汶川县发生Ms8.0级强烈破坏性地震，沿龙门山中央断裂以及前山断裂形成总长约330km的地表破裂带，伴有4～6m的同震垂直位移以及3～5m的右旋水平位移。这次地震滑动速度低、复发周期长、震级大破坏力强，且发生在内陆地区，为罕见的高角度逆冲型右旋强震，引起国内外学者的广泛关注。 该次地震与以往震例不同，根据以往震例总结研究，前兆异常的项目、种类、密度、幅度、持续时间、分布范围等，通常会随着潜在地震震级的增大而增大，即在汶川地震前应能观测到显著的形变异常信息。震前震源区周围有一定数量的形变观测手段（GPS、地倾斜、体应变、水准观测等），且观测到了一些中长期形变异常信息，但是震前未观测到显著的短期前兆异常信息。 利用汶川地震近震源区形变观测数据，借助信息熵理论，本文重点分析了汶川地震前近震源区形变熵率变化，模拟了震前断层扩展引起的地倾斜变化，结合前人对龙门山断裂带地质特征、区域构造演化、地球动力学特征和运动学特征研究结果，对汶川地震前近震源区的形变分布做出了一定的解释。 本文的研究工作和结果主要包括以下部分： 1.信息熵理论的提出，是熵概念的进一步发展，解决了信息的定量描述问题。自然科学和社会科学中的各类随机事件的不确定性或无序性都可以用信息熵概念来描述;其被广泛运用在地震研究工作中，具有不可估量的意义。本文引入形变信息熵概念来研究震前形变机理。 2.收集汶川地震近震源区和外围区的形变观测资料（地倾斜和跨断层水准资料），研究各观测资料所反映形变信息的相似性和差异性，研究时间-空间分布特征。 3.收集龙门山断裂带的相关研究资料，深入了解龙门山断裂带的地质特征、区域演化特征、动力学及运动学背景。龙门山断裂带地处南北地震带，青藏块体与四川盆地交界处，呈SW-NE展布，由一系列大致平行的叠瓦状冲断带构成，具有前展式发育特点的逆冲推覆构造带，其最大主应力方向为北西西-南东东向到近东西向。根据龙门山断裂带第四纪活动特征，将龙门山断裂带分为南北两段，SW段地貌反差强烈，山高谷深，与成都平原界限分明，地貌反差大，而NE段断裂两侧高差较小。受印度板块北推及西伯利亚刚性块体的阻挡，使青藏块体不断隆升地壳增厚，壳内温度上升，物质向东西两端迁移，东部受到川西盆地的阻挡，物质堆积，部分向南北运移。本文认为龙门山断裂带地质构造特征、动力学及运动学特征等有利于应力的持续积累，为大震的孕育发生提供良好的孕育环境。 4.熵理论计算，并根据地震观测资料，利用MATLAB软件，编写相关程序。程序功能包括： 1)各观测资料的熵率计算，结果数据保存及绘图。 2)不同窗长和步长下的熵率计算，得到不同窗长及步长的熵率结果及图形特点。 3)数据拟合及残差熵率计算。 4)倾斜观测资料NS和EW向的模值熵率计算。 5)不同维数的熵率计算，统计其规律。 6)各台站形变熵率的时间-空间分布特征。 综合分析汶川地震不同阶段的熵率变化特征及其空间分布特征，发现位于震中的汶川台震前4年处于持续减熵状态，震前达到最低，且震前位于断裂带东南向的雅安台和峨眉交大台也出现震前减熵现象，而位于位于震中外围的茂县、松潘、姑咱、康定、地龙井、马兰山等台站均表现为震前增熵。从空间分布特征来看，震中区的汶川台震前熵值最低，雅安、峨眉次之。 5.针对汶川地震前的形变熵率时空分布特征，从以下两方面对其时空分布特征做出合理解释 1）分析观测资料方差变化及速度变化 观测数据不同时间段内的方差变化，反映了数据偏离中心值的程度。方差越大，数据越发散、无序，熵值越大;反之，方差越小，数据越集中、有序，熵值越小。 观测资料的速度变化，也即是对观测资料做差分处理，然后求取不同时间段内的速度方差。速度变化反映了观测资料变化量的变化，变化量的期望越小，方差越小，则熵值越小。 2）根据前人对龙门山断裂带的研究，其震前水平向缩短极小，几乎处于“闭锁阶段;因此本文提出了断层滑动扩展模型，即断层上下盘保持不动，断层上存在一滑脱断层块，在应力作用下其沿断层扩展。然后根据Frankpress提出的震前形变数值模拟方法，重点模拟了滑动扩展过程中汶川台的地倾斜变化，最后综合龙门山断裂带的地质特点来对震前熵率的空间分布特征进行解释。