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地震学家长期以来都在寻找控制地震大小的机制。确定地震破裂在什么时候、什么地方停止是地震危险性分析的关键问题。地震危险性分析需要估算某一断层系统在未来地震中的最大潜在震级,而地震的大小主要由破裂平面的面积以及整个破裂面上的位移平均值的大小所决定。大地震同震破裂大多由横向构造(如阶区、弯曲和分叉)所分割的多个断裂分段所组成。这些构造几何复杂部位,长期以来被认为在控制破裂的起始、演化和终止,直至地震的最终震级方面发挥了重要作用。世界范围大量地震的实地观测和地震破裂扩展的数值模拟结果都显示:大于4km地震破裂面的横向偏移对走滑型地震破裂的扩展会造成明显的障碍作用。2008年汶川地震以其220±20 km长的分段性地表破裂位列最大逆冲型板内地震之一。野外地质调查表明汶川地震破裂沿走向穿过了一系列宽度各异的横向构造,本文通过库仑应力分析和运动学分析,对汶川地震地表破裂带上的主要横向构造在逆冲型地震中可能起到的库仑应力触发作用和运动学上的调节作用进行深入研究。 本文首先总结了小鱼洞断裂的地表破裂特征。小鱼洞地表破裂空间上位于彭灌与北川断裂间,全长约8公里,总体走向310°,为南西盘抬升、逆冲兼具左旋走滑性质。平面几何形态上,地表破裂在南东端走向变化较大,从300°-310°变为南北向,并与彭灌地表破裂带的磁峰段相连。小鱼洞地表破裂的垂向位错自北西往南东方向递减,北西端陡坎高度最大3.4米,南东端则小于0.2米,衰减梯度约为0.5m/km。左旋走滑位移测量点较少,集中在中段的小鱼洞镇附近,所测最大左旋走滑位移约为2.2米,一般走滑位错与同处垂直位错具有同步变化特征。结合已有地貌、地球物理和地质研究结果,提出小鱼洞断裂是向下与彭灌断裂交汇的侧向断坡,并位于北川断裂中南段间的断面倾角差异的撕裂部位,连接北川和彭灌断裂。 沿北川断裂上陡坎高度的极大值与小鱼洞断裂、高川-擂鼓阶区的位置相对应,且在上述三个位置的滑动变化率较大,从而有助于破裂跨过上述横向构造。同时从震后反演得到的同震滑动矢量结果可以看出,断裂滑动方式和滑动矢量的变化都与地表破裂带上的横向构造位置相对应。这些都显示断裂横向构造在汶川地震这样一个逆冲兼具右旋走滑型破裂中调节断层分段间运动学差异起到了重要作用。 对小鱼洞断裂的库仑应力分析显示,彭灌断裂对小鱼洞断裂的触发起促进作用,而小鱼洞断裂的滑动促进了彭灌断裂在小鱼洞断裂南部的破裂传播,使其破裂能够到达地表,同时对北川断裂南段起到了抑制作用;小鱼洞断裂的滑动会对其南北附近区域的北川断裂和彭灌断裂的部分区域具有正应力促进或负应力抑制作用,但其影响范围是有限的。北川断裂与高川阶区、擂鼓阶区相互应力作用的正演模拟研究显示:具有逆冲兼有右旋走滑分量的断裂不仅能够促进垂直于断裂走向的正断层、逆断层性质的阶区的破裂传播,同时,具有正断层、逆断层性质的阶区也能够促进右旋逆冲断裂系统的破裂传播,从而使得具有逆冲兼右旋走滑分量的断裂能够比单纯走滑断裂跨越更宽的横向构造。横向构造不是抑制而是促进逆冲兼右旋走滑断裂的破裂传播,这与前人对走滑型地震破裂带上的研究结果具有很大的不同。 结合前人的研究成果,小鱼洞断裂在汶川地震之前就已经存在了,使得它至少参与了两次类似汶川地震震级的地震事件,已经形成了稳定的各向异性应力状态,为大震级地震事件创造了有利条件。由较短的逆冲型断层触发走滑型断层,进而形成震级较大的地震事件可能是逆冲和走滑断裂相关联区域的典型破裂方式。汶川地震在地震破裂过程中得到了小鱼洞断裂和高川—擂鼓阶区等横向构造的促进作用,使其成为世界范围震级大、破坏力强、地表破裂最为复杂的板内逆冲兼右旋走滑型地震。横向构造是逆冲断裂带内广泛发育的构成单元,因此在地震危险性分析的最大潜在震级测算中应该考虑其作用,避免对逆冲折皱冲断带最大潜在震级的低估。