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双峰形变特征与地质结构及滑移分布的耦合关系研究。基于龙门山断裂带2008年汶川地震的GPS和InSAR数据，揭示南段 thrust地震呈现深部断层控制的二级形变峰，而北段高角度走滑运动无此现象。数值模拟表明，断层倾角、深度及滑移分布共同影响地表变形模式，且双峰形变与地表滑坡密度空间对应。
贾学灿|孙玉军
中国地质科学院深部地球与矿产资源勘查国家重点实验室，北京，中国
摘要
同震地表位移通常随着距离地表破裂区的增加而减小，而某些逆冲地震在悬壁处表现出双峰变形模式，一个峰值靠近断层，另一个峰值位于更远的距离。2008年汶川地震就是一个例子，该地震在龙门山断层带的南段悬壁处显示出了两个明显的位移峰值。本研究首先采用均匀滑动逆冲断层模型来分析断层几何形状对双峰变形的影响。然后为龙门山断层带的北段和南段构建了反映实际断层几何形状的异质滑动模型。结果表明，几何结构及其异质同震滑动分布共同控制了双峰特征。北段缺乏双峰分布主要是由于其高角度走滑运动断层结构。南段的特点是倾角低且沿倾向宽度较大，这有利于悬壁处双峰同震地表变形的形成。这两个位移峰值对应于深部断层的地表投影。此外，南段的同震位移和地面运动参数也表现出双峰特征，这与地表同震滑坡密度相对应。这些表明断层几何形状和滑动分布对双峰变形具有协同控制作用，为理解同震变形及其对地质灾害的空间响应机制提供了定量视角。
引言
同震地表变形通常随着距离断层的增加而迅速衰减，这与同震地表地质调查和变形观测结果一致。这种模式尤其适用于走滑地震（Hua等人，2021年；Li等人，2023年；Wu等人，2023年；Zheng等人，2023年）。然而，随着观测技术的进步和地震数据的积累，许多地震案例表明，同震地表变形的空间分布并不遵循与断层距离增加而简单的单调衰减模式。在2008年汶川Mw 8.0地震的同震变形研究中，大地测量和震源机制解揭示了龙门山断层带的复杂多断层破裂模式和分段活动（Chen，2008年；Tan等人，2011年；Wang，2009年；Wang等人，2008年；Xu等人，2009年；Zhang等人，2010年；Zhao等人，2009年）。同震破裂显示，龙门山断层带在南段以逆冲为主，在北段以走滑为主（图1）。高精度GPS和InSAR测量的同震变形揭示了地表位移的高度异质空间分布（Liu等人，2020年；Wu等人，2020年）。具体来说，在以逆冲为主的南段，观测到悬壁处远离断层处有一个次级位移峰值，表现出同震变形的双峰特征（图2a）。相比之下，以走滑为主的北段在同震地表变形中没有表现出双峰模式（图2b）。基于GPS和InSAR观测得到的同震滑动模型（Shen等人，2009年；Wan等人，2017年；Wang等人，2011年；Zhang等人，2010年），先前的数值模型显示龙门山断层南段悬壁处也有一个次级位移峰值（Liu等人，2016年；Meng等人，2021年；Shi等人，2023年；Tan等人，2015年；Yin和Luo，2018年）。汶川地震引发了多次滑坡（Xu等人，2014年），这些滑坡沿龙门山断层带呈带状分布，其密度随着距离地表破裂区的增加而减小（图1b）。然而，面积大于10,000平方米的同震滑坡在两个段之间的空间分布存在显著差异。在以逆冲为主的南段，大型滑坡的分布范围较广，而在以走滑为主的北段，它们沿着走滑断层狭窄集中（Fan等人，2012年）。为了更好地描述分布模式，排除了面积小于500平方米的滑坡，并使用滑坡面积密度（LAD）和滑坡点密度（LPD）（Dai等人，2011a，Dai等人，2011b；Keefer，1984年；Rodriguez等人，1999年）进行了统计分析。分析显示，同震滑坡的分布与观测到的同震变形特征具有空间相关性。在南段，滑坡面积密度（LAD）和滑坡点密度（LPD）在远离断层的悬壁区域一致地表现出双峰模式，它们的空间位置相互对应（图2c），这与北段观察到的单峰分布形成鲜明对比（图2d）。尽管同震滑坡的分布通常与许多因素有关，如地面运动、地形起伏和岩石类型（Dai等人，2011a，Dai等人，2011b；Fan等人，2012年；Jiang等人，2020年；Owen等人，2008年；Yin等人，2009年），但同震滑坡和同震位移的一致分布促使我们考虑深部断层活动的特征如何影响地表灾害（图2）。
从大地测量数据反推的同震断层破裂模型（Shen等人，2009年；Wan等人，2017年；Wang等人，2011年；Zhang等人，2010年）显示，双峰地表同震位移对应于断层的南段。同震断层面在深度上的倾角较浅，并向西北方向延伸很远，龙门山断层带南段深处的断层仍发生显著滑动。相比之下，缺乏双峰地表同震位移对应于断层带的北段，该段主要由近乎垂直的走滑活动主导（图2g）。先前的研究使用真实的破裂模型模拟了双峰现象（Liu等人，2020年；Meng等人，2021年；Shi等人，2023年；Yin和Luo，2018年）。然而，断层几何形状和深部滑动分布的独立影响尚未系统地分离。
为了系统地研究影响同震变形双峰特征的因素，本研究基于三维粘弹性有限元模型，通过模拟由均匀位错引起的同震变形，分析了逆冲断层结构和岩石圈参数对地表同震位移双峰特征的影响。我们试图定量研究倾角和破裂深度等几何参数的基本控制作用。此外，在已建立的汶川地震同震滑动模型（Wang等人，2011年）的约束下，分别构建了龙门山断层带南段（以逆冲为主）和北段（以走滑为主）的数值模型。构建这两个模型的目的是区分断层几何形状和深部滑动分布对双峰特征空间表现的具体贡献。此外，还讨论了同震地表变形的双峰分布与同震滑坡分布之间的联系，这将有助于我们理解断层活动与地表过程之间的耦合。
方法
通常使用断层位错来研究同震变形。以往的研究开发了包括均匀半空间弹性位错模型（Okada，1992年；Okada，1985年）、均匀分层粘弹性位错模型（Wang，2003年）和粘弹性球形位错模型（Sun和Okubo，1998年）在内的分析模型。这些分析解能够高效计算同震和余震变形；然而，它们未能考虑复杂的断层几何形状
参考模型（案例R）的结果
构建了一个均匀位错模型（案例R），断层破裂深度为20公里，断层倾角为45°。在断层的悬壁和脚壁的滑动面上施加了10米的相对位移（每侧5米，方向相反），以模拟同震变形。选择了一个横穿断层的剖面CC’（图3a），并沿此剖面绘制了同震位移（Ux，Uy，Uz）。通过比较验证了案例R的结果
断层活动、同震变形和同震滑坡
汶川地震引发了广泛的同震滑坡（图1b）。以往的研究表明，同震滑坡的发生与地形坡度、岩石类型和断层破裂过程密切相关（Fan等人，2012年；Han等人，2009年；Lan和Chen，2020年；Lu等人，2025年）。空间分布受地形和距离断层的距离等因素控制（Zou等人，2022年）。然而，比较滑坡的分布时，同震
结论
汶川地震的同震地表变形显示，南段逆冲断层悬壁上的同震位移并没有随着距离断层的增加而逐渐衰减，而是表现出双峰特征。然而，这种现象在以走滑为主的北段断层带中并不存在。为了分离几何结构和深部滑动分布对空间位置和规模的影响
CRediT作者贡献声明
贾学灿：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿，验证，监督，调查，正式分析。孙玉军：撰写 – 审稿与编辑，验证，监督，方法论，数据管理，概念化。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的可能会影响本文工作的财务利益或个人关系。
致谢
本研究得到了深部地球探测与矿产资源勘查国家科技重大专项（2025ZD1005605）和国家自然科学基金（资助编号42022029）的支持。我们感谢两位匿名审稿人的建设性建议和评论。
