1 前言

    活動斷裂，尤其是深大斷裂的存在及其幾何產(chǎn)狀的變化，影響區(qū)域應(yīng)力應(yīng)變場分布、斷裂帶滑移速率及地震活動性的變化，而數(shù)值模擬方法是研究活動斷裂與應(yīng)力應(yīng)變場關(guān)系的重要手段。Avouacetal利用包含活動斷裂的三維球殼模型反演中亞地區(qū)現(xiàn)今速度場，指出印度-歐亞板塊的匯聚速率可以由天山、阿爾金山、喀喇昆侖山和喜馬拉雅山四條斷裂帶的滑動變形來解釋，其中一半被高原物質(zhì)的北東向排出所吸收。Peltzeretal結(jié)合包含活動斷裂的亞洲大陸球殼模型，利用有限單元法反演區(qū)域形變場，認(rèn)為亞洲大陸的長期變形主要集中在大斷裂附近，可吸收總變形的80%。Acharya通過分析San Andreas 斷裂帶滑移速率特征，研究斷層產(chǎn)狀變化對滑移速率的影響，發(fā)現(xiàn)系列地震的最大滑移量分布在斷層走向發(fā)生最大變化的區(qū)域。Duanetal利用二維動力學(xué)模型，研究在多地震周期中由于斷層走向變化產(chǎn)生的長期效應(yīng)，認(rèn)為斷層走向的變化造成轉(zhuǎn)折點處應(yīng)力場完全不同于區(qū)域應(yīng)力場，且在轉(zhuǎn)折點的壓性區(qū)由于具有較高的屈服應(yīng)力，使得斷層滑動減慢或終止，從而成為未來地震的成核點。Lietal利用有限單元法，研究San Andreas斷裂走向彎曲對斷裂帶應(yīng)力場及地震活動性的影響，認(rèn)為斷裂帶應(yīng)變分區(qū)及地殼變形與斷裂帶走向密切相關(guān)，尤其是走向的突變，造成斷裂帶滑移速率減小，使得斷裂帶周圍存在大范圍內(nèi)的高剪應(yīng)力和應(yīng)變能區(qū)。鄭勇等應(yīng)用非連續(xù)性模型模擬斷層活動對青藏高原應(yīng)力應(yīng)變場的影響，認(rèn)為斷層的存在尤其是斷層的滑動作用很大程度上影響高原物質(zhì)東移的速度，且使得南北向的應(yīng)力轉(zhuǎn)變?yōu)闁|西向的物質(zhì)外流的動力。Wangetal利用彈黏塑性三維有限元模型，研究斷裂帶幾何形態(tài)及走向變化對斷裂帶滑移速率及區(qū)域應(yīng)變的影響，結(jié)果認(rèn)為斷裂帶的滑移速率隨斷裂帶幾何分布及走向變化呈現(xiàn)分段特征，應(yīng)變則主要集中在斷裂帶走向發(fā)生急劇變化的分段附近。

    為了考察活動斷裂的存在對區(qū)域應(yīng)力場的影響，本文結(jié)合鮮水河斷裂帶的最新研究成果，建立斷裂帶的三維有限元模型。在此基礎(chǔ)上，分析斷層楊氏模量不同取值情況下，斷裂帶應(yīng)力場的變化特征。最后以斷裂帶上高應(yīng)力區(qū)為研究對象，確定斷裂帶上不同區(qū)域應(yīng)力場的相對大小。

2 活動斷裂地質(zhì)構(gòu)造概況

    鮮水河斷裂帶西起甘孜，經(jīng)爐霍、道孚、乾寧、康定至瀘定的磨西以南，全長300余公里，斷裂總體走向NW40°-50°，斷面傾向NE，傾角較陡，以惠遠(yuǎn)寺拉分區(qū)為界，大致可分為結(jié)構(gòu)特征不同的兩段：北西段結(jié)構(gòu)較為簡單，由主干斷裂鮮水河斷裂和相伴的小規(guī)模斷裂組成；南東段則表現(xiàn)為由雅拉河、色拉哈、折多塘和磨西斷裂等四條斜列式主干斷裂組成的復(fù)雜結(jié)構(gòu)。這種斷裂帶結(jié)構(gòu)的分段性，造成了地震活動的分段差異，同時也是斷層滑移速率的空間變化的主要原因。自1725年以來，發(fā)生M≥7.0地震8次，是一條地震活動頻度高、強度大的活動斷裂帶。

3 活動斷裂與應(yīng)力場分布關(guān)系

    3.1 三維有限元模型的建立

    綜合研究區(qū)現(xiàn)有地震地質(zhì)、地球物理和大地測量等多學(xué)科研究成果，建立鮮水河斷裂的三維有限元模型，并對斷裂帶局部區(qū)域網(wǎng)格進(jìn)行細(xì)化，最終整個模型包含節(jié)點211182，單元1201331，具體見圖1。

圖1 鮮水河斷裂帶的三維有限元模型

    3.2 活動斷裂與應(yīng)力場特征的模擬分析

    對于斷層物性參數(shù)的確定，以往的研究大多將斷層的楊氏模量取為周圍介質(zhì)的1/3或1/10，本文分別討論兩者比值R分別為1/2(圖2.a)，1/5(圖2.b)和1/10(圖2.c)情況下，最大剪應(yīng)力的變化特征。從圖2可以看出，斷裂帶的存在造成最大剪應(yīng)力的高值區(qū)主要分布在斷層的端部、斷層的交匯區(qū)及斷層走向顯著變化的區(qū)域，且隨著R從1/2到1/10的變化，斷裂帶的應(yīng)力水平逐漸增加。為了更加直觀地展現(xiàn)不同部位高值區(qū)之間的相對大小，通過歸一化處理，即假定最高值為1，進(jìn)一步分析各區(qū)域應(yīng)力水平高低，具體見圖2(d)，從圖上可以看出，鮮水河斷裂帶的應(yīng)力相對高值區(qū)為老乾寧(D區(qū))、爐霍(B區(qū))和甘孜(A區(qū))地區(qū)，且應(yīng)力高值區(qū)不隨R值變化而改變。對比鮮水河斷裂各分段滑移速率的研究結(jié)果，可以看出斷裂帶應(yīng)力場的分布特征與斷裂帶長期滑移速率的研究結(jié)果是一致的，即高滑移速率的分段應(yīng)力水平相對較高。

圖2 鮮水河斷裂帶的存在對區(qū)域應(yīng)力場的影響

    其中：圖2(a)，2(b)，2(c)，2(d)分別為R=1/2，1/5和1/10情況下斷裂帶周圍應(yīng)力場的分布特征及各區(qū)域相對應(yīng)力水平。

4 結(jié)論

    基于鮮水河斷裂帶較為精細(xì)的三維有限元模型，研究斷裂的存在對區(qū)域應(yīng)力場的影響。研究結(jié)果表明，活動斷裂的存在及其走向的變化，造成應(yīng)力高值區(qū)主要集中在斷層的端部，斷層的交匯區(qū)及斷層走向顯著變化的區(qū)域；隨著斷層楊氏模量的減小，更有利于在斷層附近產(chǎn)生較大的應(yīng)變分布，從而易于形成高應(yīng)力水平區(qū)。但斷層楊氏模量的變化不會造成斷裂帶相對應(yīng)力高值區(qū)的分布；通過對鮮水河斷裂的相對高值區(qū)歸一化處理，發(fā)現(xiàn)高值區(qū)主要集中在乾寧、爐霍和甘孜地區(qū)為高。該項工作的開展為斷裂帶周圍的臺陣布設(shè)提供力學(xué)參考依據(jù)。

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本文標(biāo)題：基于ANSYS的活動斷裂與應(yīng)力場關(guān)系研究

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