走滑断层同震地表变形与粘滑错动过程的数值模拟研究

发布时间：2020-09-24 16:55

　　地震可给人类社会造成巨大生命、财产损失。构造地震由断层的突然错动引起,断层按照活动方式分为三大类:正断层、逆断层和走滑断层。走滑断层在全球范围广泛分布,中国及邻区大陆内部无论在数量上、强度上还是分布面积上,走滑型地震均占绝对优势。据统计研究,1970年以来我国记录相对完整的294次5.0级以上的地震序列资料中,走滑型、具有倾滑分量的走滑型、具有走滑分量的倾滑型及逆冲型分别占48%、24%、17%及11%。1900年至2015年我国大陆伴有地表破裂的断层地震共29次,正断层、逆断层、走滑断层、正走滑断层和逆走滑断层所占比例分别为17%、31%、41%、4%和7%,仅二十世纪就有多次造成惨痛损失的重灾事件。这些表明我国地震活动以走滑型为主,研究走滑型地震的活动和灾害分布规律具有重要意义。中国是全球地震多发的地区之一,据统计,全球大约33%的大陆强震发生于中国。我国历史地震经验表明,地震后建筑物倒塌是造成人员伤亡的直接原因。众所周知,强震给人类造成的灾害是无情和毁灭性的,要避免或减轻这种灾害损失,主要可以从两个方面着手,双管齐下:一方面是抗震设防,尽量避开可能发生强震的活动断裂,这就要求我们能够科学合理的制定工程避让规范,提高设防标准和科学避让水平;另一方面是提高地震预测水平,做到强震来临时尽量能够提前防范,有效应对,而这需要我们对地震孕育、发生过程有进一步认识,从而深入了解地震活动特征与规律。有限元数值模拟方法自引入地学以来,展现了其独特的优势,随着计算机软硬件技术的提高,逐渐应用到多个研究领域,基于以上两方面研究需求,本研究采用有限元数值模拟方法开展了三维走滑断层强震同震地表变形与破裂特征研究和二维走滑断层粘滑运动及不同影响因素的地震活动特征分析,取得如下一些有意义的结果和认识:一、走滑断层同震地表变形的数值模拟震后野外考察表明,走滑断层同震引起的强变形与破裂带主要集中在断层两侧很窄的范围,为系统、定量研究同震地表破裂带特征及其影响因素,本研究以川滇地区鲜水河断裂北西段为原型,建立了多个走滑断层的三维粘弹有限元模型,模拟分析了断层位错量、断层倾角、错动方式、松散土层厚度、沉积层土性等因素变化对地表变形的影响。结果表明,即使是单条走滑断层,其强震同震错动引起的地表变形与破裂宽度也受诸多因素影响,分析结果总结如下:(1)以倾向北东,倾角为80°,发震深度为11km,同震水平位错为3.6m的纯走滑断层模型,分析了地表强变形特征及破裂宽度,结果显示走滑断层同震地表变形表现为以断层为中心的近似对称单峰分布,强地表变形集中在断层两侧各50m宽度范围,地表破裂宽度约32m。(2)以断层倾向北东、倾角80°的模型,分析计算以0.5m为增量,位错量从1.5m递增到9m的情况,结果表明,地表变形量峰值随位错量增加而增大,破裂带宽度也随位错量增加而增大,但增量逐渐减小,并趋于一个渐进值。(3)采用断层倾向北东、同震水平位错3.6m,断层倾角分别为45°、50°、60°、70°、80°、90°的模型,模拟结果显示,断层倾角对地表变形与破裂带宽度影响表现为随倾角减小,变形量峰值点向断层上盘一侧偏移。(4)破裂带宽度和变形量峰值与断层错动方式有关,当同震水平位错为3.6m,垂向位错为0.5m时,比较倾角80°的走滑兼正断、走滑兼逆断与垂直纯走滑地表变形带分布发现:走滑兼正断位错引起的变形量峰值最大,但地表破裂带宽度最小,为22m;走滑兼逆断引起的变形量峰值最小,但地表破裂带宽度最大,为34m;垂直纯走滑断层的两参量都居中(破裂带宽度为32m)。(5)以断层垂直,发震深度为11km,同震水平位错为3.6m的纯走滑断层模型,考察松散土层厚度自5m~45m变化对地表变形的影响,结果显示,走滑断层地表变形量峰值随松散土层厚度增大而减小,但减小的速率逐渐变小。松散土层厚度从5m增加到20m时,破裂带宽度随厚度增加而缓慢增加,但自厚度大于20m时,破裂带宽度开始随厚度增加而逐渐下降,当松散土层厚度为44m时,地表变形已不能达到破裂阈值。(6)以断层垂直,发震深度为11km,同震水平位错为3.6m的纯走滑断层模型,分析不同土性和不同厚度(自10m到80m)覆盖层时地表变形的变化。结果显示,当不同土性(粗砂、粉砂、粘土)覆盖层厚度相同时,引起的地表变形量峰值自粗砂、粉砂、粘土逐次增大。当覆盖层达到一定厚度时,3.6m的同震水平位错已不能使地表发生破裂,相应的粗砂厚度为60m以上,而粉砂的厚度为65m以上,粘土的厚度则为75m以上。二、走滑断层粘滑错动过程的数值模拟本文采用粘弹介质载体和断层接触模型,对长约150km,断层两盘(A盘为静止盘,B盘为动力盘)宽各为30km的二维平直走滑断层开展了百年时间尺度的粘滑运动模拟,讨论了不同参数对断层地震活动的影响,获得了以下初步认识:(一)强度均匀走滑断层当模型选用合适的力学参数及边界条件时,均匀走滑断层在长期的构造加载作用下,断层活动表现出闭锁(应力积累)—解锁(应力释放)—闭锁(应力积累)的粘滑状态交替过程以及地震活动的活跃与平静现象。单个大事件发生前具有与实验室观测类似的断层预滑现象。大错动事件的位置相对集中,周期和位错量也较为相似,具有特征地震性质。(1)模型1的断层上边界压力为1.5MPa,滑动摩擦系数为0.3,静动摩擦系数为4,左、右两侧边界位移加载速率为4cm/y。模拟结果显示,断层具有准周期粘滑运动特征,大事件平均周期约为41年,平均错动量为1.59米,大事件的最大位错量位置主要集中于右半部121.2km附近,其中处于120km~126km之间的大事件占比为77.78%,说明在均匀断层段内,若外界边界条件不变时,强地震可能在同一地区重复发生。以下内容以此模型(模型1)为基准,分析不同参数改变对断层活动特征的影响。(2)当模型1其他参数不变,断层左、右两侧的边界对称位移加载速率为3cm/y时,断层准周期错动大事件的平均周期约为51年,较模型1增加约10年,大事件平均位错量为1.45米,较模型1减小0.14米,最大位错量主要还是集中于断层右部125km附近,说明强震发生的地方主要由本地的地质条件决定。当边界位移加载速率减小时,断层能量积累达到极限产生失稳滑动所用的时间会增加,而单次大事件的最大位错量则减小,地震事件释放的能量也相应减少。(3)当模型1其他参数不变,摩擦系数由0.3变为0.4时,断层大事件的平均周期约为50年,较模型1增加约9年,大事件平均位错量为1.67米,比模型1略有增大,说明摩擦系数稍大后,能使断层面能量积累能力增强,断层发生粘滑错动的周期增长,单次错动的位错量也有所增加。最大位错量发生的位置75%在断层右部区域,25%位于断层中部,说明断层摩擦性质的改变有可能引起发震位置的变化。(4)当模型1其他参数不变,静动摩擦比由4变为3时,断层错动大事件的平均周期约为30年,较模型1缩短约11年,平均位错为1.10米,较模型1减小0.49米。表明断层静动摩擦比的减小使得断层面的剪应力积累不大,断层处于闭锁的时间也相应变短,大位错事件的复发周期减小。由于每次能量积累减小,单次错动事件的最大滑动量也随之减小。(5)当模型1其他参数不变,B盘上边界压力由1.5MPa增大为8MPa时,模拟结果明显不同与模型1,几乎断层整体呈现出准周期的粘滑错动现象,断层上不同节点的位错量相当,且断层大错动事件前后鲜有小位错事件发生,大事件平均间隔约为105年,远大于模型1的41年的平均周期;大事件平均位错量达5.14米,是模型1(1.59米)的3.2倍。结果表明当侧向压力增大到一定程度时,断层应力和能量积累能力将大大增加,断层处于闭锁状态的时间较长,当断层面应力达到断层所承受的极限时,粘滑失稳释放的能量也显著增大,因而位错量也显著增大。(6)当模型1其他参数不变,模型B盘左、右两侧为非对称边界位移速率约束(左侧为4cm/y,右侧为1cm/y)时,断层粘滑错动事件的分布也不同于模型1的准周期变化特征,变得相当复杂,位错量较小,大事件间隔有逐渐增大的趋势。(二)强度非均匀走滑模型强度非均匀模型有断层内部存在高摩擦段与弱摩擦段两种情况,同时为考察非均匀断层段长度的影响,本文模拟分析了四种不同模型,得到以下初步认识:(1)当模型1其他参数不变,断层中部存在10km长度的断层强区,强区摩擦系数为0.5时,断层呈现出与模型1结果类似的准周期粘滑运动特征,相较于均匀模型1,首次大事件发生时间延后6年,大事件平均间隔增加约6年,大事件平均位错量增加0.21米,有50%的大事件最大位错量发生于断层中右部84~93km段,较模型1有向断层中部强区边缘迁移的迹象。说明10km长度强区的存在,使得断层更利于应力与能量积累,延长了地震复发周期,断层大事件的位错量也变大,单次位错事件释放的能量也相应增加。(2)当模型1其他参数不变,断层中部的强区为50km长,强区摩擦系数为0.5时,相较于均匀模型1,首次大事件时间延后18年,大事件平均周期增加约8年,大事件平均位错量增加0.26米,大事件中有75%的事件最大位错量发生位置位于断层中右部80~95km的区段,相比于含10km强区的模型,进一步向左迁移到断层中部强区。由此可见,断层内部强区长度不同对断层地震活动的影响程度不同,当断层强区长度增加时,更有利于断层应力与能量的积累,使得断层闭锁时间增长,同时断层解锁滑动时,释放的能量也增加,位错量增大。(3)当模型1其他参数不变,断层中部存在10km长度(占模型长1/15)的断层弱区,弱区摩擦系数为0.1时,断层活动非常不同于断层含有强区时的情况,断层各段表现出不同节奏的活动特征,其中断层左强段与中弱段区几乎保持基本一致的准周期粘滑错动,而断层右段虽然也呈现类似的准周期错动,但断层右段的大位错事件平均比左、中段滞后8.6年发生。断层左、中段与右段相比,地震复发周期基本相同,平均位错量右段略大于左段。说明断层带内弱摩擦系数段的存在可能是地震分段的影响因素。(4)当模型1其他参数不变,断层中部存在50km长度(占模型长1/3)的断层弱区,弱区摩擦系数为0.1时,断层左、中、右三段各自的活动节奏差异更为明显,断层各段的活动强度由强到弱依次为右强段、左强段、中弱段,右段活动周期较左、中段都长。由此可见,相比模型1,断层内部弱摩擦系数段的存在(弱段长度分别占1/15、1/3),使地震活动频次增加,但大事件平均位错量减小。对比不同长度弱区的模拟结果,发现断层内部弱区长度对断层地震活动的影响较为复杂。当断层弱区长度增加时,对各段的应力积累影响增大,使断层各段间的差异性表现更为明显,强段地震活动总体水平明显高于弱段,弱段长度增加使得断层左强段的大位错事件周期缩短,断层右强段的大位错事件周期增大。(三)强弱区相间和加载不对称非均匀模型断层由3个长度分别为30km、60km、30km的弱摩擦区和2个长度为15km的强摩擦区相间组成,强区摩擦系数为0.6,弱区摩擦系数为0.15,上边界压力为1.5MPa,静动摩擦系数为1.5,左右两侧边界位移加载速率分别为4cm/y和2cm/y的模型。结果显示,虽然断层各段均表现出与实际地震活动类似的活跃与平静分布特征,但断层呈现出明显的分段活动性;左、右弱段的粘滑错动分别受其邻近的强段的影响较大,断层上的强段对整个断层的活动有控制作用;强区的大错动事件较少,位错量较大,弱区的大错动事件较多,位错量较小;即使是摩擦强度相同的左、右强段,其粘滑错动周期、强度等活动特征也不尽相同。说明断层分段非均匀复杂模型在非对称边界位移加载条件下的粘滑运动极为复杂,断层各段之间的相互影响更加剧了断层活动的复杂性。通过对二维走滑断层粘滑运动过程的模拟,分析了粘滑过程的应力、位错变化特征,得到了走滑断层粘滑错动大事件目录,模拟出了与实际地震活动类似的活跃、平静现象,揭示了走滑断层活动闭锁—解锁—闭锁及能量积累—释放—积累的运动循环过程。不同因素对走滑断层粘滑运动的影响分析为数值模拟方法应用于断层动力学及地震活动性研究方面提供了理论参考。本研究的主要创新点有以下几方面:(1)采用有限元方法,建立了大尺度三维粘弹性走滑断层模型,模拟了强震同震位错引起的地表变形分布特征,得到了与实际强地震变形带近似的空间分布和变形量峰值;(2)系统分析了走滑断层位错量、断层倾角、错动方式、上覆层厚度以及不同土性介质对地表变形的影响,对强震地表变形带特征分析有参考意义;(3)建立二维平直走滑断层粘弹模型,采用断层接触算法,模拟了走滑断层粘滑运动的动力学过程,获得了走滑断层准周期的粘滑失稳错动人工地震目录;(4)分析了边界位移加载速率、摩擦力学参数、断层侧向压力、边界位移加载方式等因素对断层粘滑失稳的影响,对地震活动数值预测有理论意义和现实意义;(5)系统分析了非均匀断层内部强、弱摩擦段的分布对断层地震活动特征的影响,为复杂断层的分段和地震危险性评价提供了新的思路。本文通过对走滑断层同震地表变形与粘滑错动过程的数值模拟研究,取得了一些有意义的结果,但依然存在不少需要继续完善的地方,如在强震同震位错引起的地表强变形分析中考虑地形、重力等因素的影响会使结果更为全面;断层粘滑运动动力学过程模拟考虑更为接近实际的三维模型,考虑几何复杂性、介质非均匀性甚至多场耦合的因素将是下一步深入探讨的方向。
【学位单位】：中国地震局地质研究所
【学位级别】：博士
【学位年份】：2018
【中图分类】：P315.2

【参考文献】