地震可給人類社會造成巨大生命、財產(chǎn)損失。構(gòu)造地震由斷層的突然錯動引起,斷層按照活動方式分為三大類:正斷層、逆斷層和走滑斷層。走滑斷層在全球范圍廣泛分布,中國及鄰區(qū)大陸內(nèi)部無論在數(shù)量上、強(qiáng)度上還是分布面積上,走滑型地震均占絕對優(yōu)勢。據(jù)統(tǒng)計研究,1970年以來我國記錄相對完整的294次5.0級以上的地震序列資料中,走滑型、具有傾滑分量的走滑型、具有走滑分量的傾滑型及逆沖型分別占48%、24%、17%及11%。1900年至2015年我國大陸伴有地表破裂的斷層地震共29次,正斷層、逆斷層、走滑斷層、正走滑斷層和逆走滑斷層所占比例分別為17%、31%、41%、4%和7%,僅二十世紀(jì)就有多次造成慘痛損失的重災(zāi)事件。這些表明我國地震活動以走滑型為主,研究走滑型地震的活動和災(zāi)害分布規(guī)律具有重要意義。中國是全球地震多發(fā)的地區(qū)之一,據(jù)統(tǒng)計,全球大約33%的大陸強(qiáng)震發(fā)生于中國。我國歷史地震經(jīng)驗表明,地震后建筑物倒塌是造成人員傷亡的直接原因。眾所周知,強(qiáng)震給人類造成的災(zāi)害是無情和毀滅性的,要避免或減輕這種災(zāi)害損失,主要可以從兩個方面著手,雙管齊下:一方面是抗震設(shè)防,盡量避開可能發(fā)生強(qiáng)震的活動斷裂,這就要求我們能夠科學(xué)合理的制定工程避讓規(guī)范,提高設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)和科學(xué)避讓水平;另一方面是提高地震預(yù)測水平,做到強(qiáng)震來臨時盡量能夠提前防范,有效應(yīng)對,而這需要我們對地震孕育、發(fā)生過程有進(jìn)一步認(rèn)識,從而深入了解地震活動特征與規(guī)律。有限元數(shù)值模擬方法自引入地學(xué)以來,展現(xiàn)了其獨(dú)特的優(yōu)勢,隨著計算機(jī)軟硬件技術(shù)的提高,逐漸應(yīng)用到多個研究領(lǐng)域,基于以上兩方面研究需求,本研究采用有限元數(shù)值模擬方法開展了三維走滑斷層強(qiáng)震同震地表變形與破裂特征研究和二維走滑斷層粘滑運(yùn)動及不同影響因素的地震活動特征分析,取得如下一些有意義的結(jié)果和認(rèn)識:一、走滑斷層同震地表變形的數(shù)值模擬震后野外考察表明,走滑斷層同震引起的強(qiáng)變形與破裂帶主要集中在斷層兩側(cè)很窄的范圍,為系統(tǒng)、定量研究同震地表破裂帶特征及其影響因素,本研究以川滇地區(qū)鮮水河斷裂北西段為原型,建立了多個走滑斷層的三維粘彈有限元模型,模擬分析了斷層位錯量、斷層傾角、錯動方式、松散土層厚度、沉積層土性等因素變化對地表變形的影響。結(jié)果表明,即使是單條走滑斷層,其強(qiáng)震同震錯動引起的地表變形與破裂寬度也受諸多因素影響,分析結(jié)果總結(jié)如下:(1)以傾向北東,傾角為80°,發(fā)震深度為11km,同震水平位錯為3.6m的純走滑斷層模型,分析了地表強(qiáng)變形特征及破裂寬度,結(jié)果顯示走滑斷層同震地表變形表現(xiàn)為以斷層為中心的近似對稱單峰分布,強(qiáng)地表變形集中在斷層兩側(cè)各50m寬度范圍,地表破裂寬度約32m。(2)以斷層傾向北東、傾角80°的模型,分析計算以0.5m為增量,位錯量從1.5m遞增到9m的情況,結(jié)果表明,地表變形量峰值隨位錯量增加而增大,破裂帶寬度也隨位錯量增加而增大,但增量逐漸減小,并趨于一個漸進(jìn)值。(3)采用斷層傾向北東、同震水平位錯3.6m,斷層傾角分別為45°、50°、60°、70°、80°、90°的模型,模擬結(jié)果顯示,斷層傾角對地表變形與破裂帶寬度影響表現(xiàn)為隨傾角減小,變形量峰值點(diǎn)向斷層上盤一側(cè)偏移。(4)破裂帶寬度和變形量峰值與斷層錯動方式有關(guān),當(dāng)同震水平位錯為3.6m,垂向位錯為0.5m時,比較傾角80°的走滑兼正斷、走滑兼逆斷與垂直純走滑地表變形帶分布發(fā)現(xiàn):走滑兼正斷位錯引起的變形量峰值最大,但地表破裂帶寬度最小,為22m;走滑兼逆斷引起的變形量峰值最小,但地表破裂帶寬度最大,為34m;垂直純走滑斷層的兩參量都居中(破裂帶寬度為32m)。(5)以斷層垂直,發(fā)震深度為11km,同震水平位錯為3.6m的純走滑斷層模型,考察松散土層厚度自5m~45m變化對地表變形的影響,結(jié)果顯示,走滑斷層地表變形量峰值隨松散土層厚度增大而減小,但減小的速率逐漸變小。松散土層厚度從5m增加到20m時,破裂帶寬度隨厚度增加而緩慢增加,但自厚度大于20m時,破裂帶寬度開始隨厚度增加而逐漸下降,當(dāng)松散土層厚度為44m時,地表變形已不能達(dá)到破裂閾值。(6)以斷層垂直,發(fā)震深度為11km,同震水平位錯為3.6m的純走滑斷層模型,分析不同土性和不同厚度(自10m到80m)覆蓋層時地表變形的變化。結(jié)果顯示,當(dāng)不同土性(粗砂、粉砂、粘土)覆蓋層厚度相同時,引起的地表變形量峰值自粗砂、粉砂、粘土逐次增大。當(dāng)覆蓋層達(dá)到一定厚度時,3.6m的同震水平位錯已不能使地表發(fā)生破裂,相應(yīng)的粗砂厚度為60m以上,而粉砂的厚度為65m以上,粘土的厚度則為75m以上。二、走滑斷層粘滑錯動過程的數(shù)值模擬本文采用粘彈介質(zhì)載體和斷層接觸模型,對長約150km,斷層兩盤(A盤為靜止盤,B盤為動力盤)寬各為30km的二維平直走滑斷層開展了百年時間尺度的粘滑運(yùn)動模擬,討論了不同參數(shù)對斷層地震活動的影響,獲得了以下初步認(rèn)識:(一)強(qiáng)度均勻走滑斷層當(dāng)模型選用合適的力學(xué)參數(shù)及邊界條件時,均勻走滑斷層在長期的構(gòu)造加載作用下,斷層活動表現(xiàn)出閉鎖(應(yīng)力積累)—解鎖(應(yīng)力釋放)—閉鎖(應(yīng)力積累)的粘滑狀態(tài)交替過程以及地震活動的活躍與平靜現(xiàn)象。單個大事件發(fā)生前具有與實(shí)驗室觀測類似的斷層預(yù)滑現(xiàn)象。大錯動事件的位置相對集中,周期和位錯量也較為相似,具有特征地震性質(zhì)。(1)模型1的斷層上邊界壓力為1.5MPa,滑動摩擦系數(shù)為0.3,靜動摩擦系數(shù)為4,左、右兩側(cè)邊界位移加載速率為4cm/y。模擬結(jié)果顯示,斷層具有準(zhǔn)周期粘滑運(yùn)動特征,大事件平均周期約為41年,平均錯動量為1.59米,大事件的最大位錯量位置主要集中于右半部121.2km附近,其中處于120km~126km之間的大事件占比為77.78%,說明在均勻斷層段內(nèi),若外界邊界條件不變時,強(qiáng)地震可能在同一地區(qū)重復(fù)發(fā)生。以下內(nèi)容以此模型(模型1)為基準(zhǔn),分析不同參數(shù)改變對斷層活動特征的影響。(2)當(dāng)模型1其他參數(shù)不變,斷層左、右兩側(cè)的邊界對稱位移加載速率為3cm/y時,斷層準(zhǔn)周期錯動大事件的平均周期約為51年,較模型1增加約10年,大事件平均位錯量為1.45米,較模型1減小0.14米,最大位錯量主要還是集中于斷層右部125km附近,說明強(qiáng)震發(fā)生的地方主要由本地的地質(zhì)條件決定。當(dāng)邊界位移加載速率減小時,斷層能量積累達(dá)到極限產(chǎn)生失穩(wěn)滑動所用的時間會增加,而單次大事件的最大位錯量則減小,地震事件釋放的能量也相應(yīng)減少。(3)當(dāng)模型1其他參數(shù)不變,摩擦系數(shù)由0.3變?yōu)?.4時,斷層大事件的平均周期約為50年,較模型1增加約9年,大事件平均位錯量為1.67米,比模型1略有增大,說明摩擦系數(shù)稍大后,能使斷層面能量積累能力增強(qiáng),斷層發(fā)生粘滑錯動的周期增長,單次錯動的位錯量也有所增加。最大位錯量發(fā)生的位置75%在斷層右部區(qū)域,25%位于斷層中部,說明斷層摩擦性質(zhì)的改變有可能引起發(fā)震位置的變化。(4)當(dāng)模型1其他參數(shù)不變,靜動摩擦比由4變?yōu)?時,斷層錯動大事件的平均周期約為30年,較模型1縮短約11年,平均位錯為1.10米,較模型1減小0.49米。表明斷層靜動摩擦比的減小使得斷層面的剪應(yīng)力積累不大,斷層處于閉鎖的時間也相應(yīng)變短,大位錯事件的復(fù)發(fā)周期減小。由于每次能量積累減小,單次錯動事件的最大滑動量也隨之減小。(5)當(dāng)模型1其他參數(shù)不變,B盤上邊界壓力由1.5MPa增大為8MPa時,模擬結(jié)果明顯不同與模型1,幾乎斷層整體呈現(xiàn)出準(zhǔn)周期的粘滑錯動現(xiàn)象,斷層上不同節(jié)點(diǎn)的位錯量相當(dāng),且斷層大錯動事件前后鮮有小位錯事件發(fā)生,大事件平均間隔約為105年,遠(yuǎn)大于模型1的41年的平均周期;大事件平均位錯量達(dá)5.14米,是模型1(1.59米)的3.2倍。結(jié)果表明當(dāng)側(cè)向壓力增大到一定程度時,斷層應(yīng)力和能量積累能力將大大增加,斷層處于閉鎖狀態(tài)的時間較長,當(dāng)斷層面應(yīng)力達(dá)到斷層所承受的極限時,粘滑失穩(wěn)釋放的能量也顯著增大,因而位錯量也顯著增大。(6)當(dāng)模型1其他參數(shù)不變,模型B盤左、右兩側(cè)為非對稱邊界位移速率約束(左側(cè)為4cm/y,右側(cè)為1cm/y)時,斷層粘滑錯動事件的分布也不同于模型1的準(zhǔn)周期變化特征,變得相當(dāng)復(fù)雜,位錯量較小,大事件間隔有逐漸增大的趨勢。(二)強(qiáng)度非均勻走滑模型強(qiáng)度非均勻模型有斷層內(nèi)部存在高摩擦段與弱摩擦段兩種情況,同時為考察非均勻斷層段長度的影響,本文模擬分析了四種不同模型,得到以下初步認(rèn)識:(1)當(dāng)模型1其他參數(shù)不變,斷層中部存在10km長度的斷層強(qiáng)區(qū),強(qiáng)區(qū)摩擦系數(shù)為0.5時,斷層呈現(xiàn)出與模型1結(jié)果類似的準(zhǔn)周期粘滑運(yùn)動特征,相較于均勻模型1,首次大事件發(fā)生時間延后6年,大事件平均間隔增加約6年,大事件平均位錯量增加0.21米,有50%的大事件最大位錯量發(fā)生于斷層中右部84~93km段,較模型1有向斷層中部強(qiáng)區(qū)邊緣遷移的跡象。說明10km長度強(qiáng)區(qū)的存在,使得斷層更利于應(yīng)力與能量積累,延長了地震復(fù)發(fā)周期,斷層大事件的位錯量也變大,單次位錯事件釋放的能量也相應(yīng)增加。(2)當(dāng)模型1其他參數(shù)不變,斷層中部的強(qiáng)區(qū)為50km長,強(qiáng)區(qū)摩擦系數(shù)為0.5時,相較于均勻模型1,首次大事件時間延后18年,大事件平均周期增加約8年,大事件平均位錯量增加0.26米,大事件中有75%的事件最大位錯量發(fā)生位置位于斷層中右部80~95km的區(qū)段,相比于含10km強(qiáng)區(qū)的模型,進(jìn)一步向左遷移到斷層中部強(qiáng)區(qū)。由此可見,斷層內(nèi)部強(qiáng)區(qū)長度不同對斷層地震活動的影響程度不同,當(dāng)斷層強(qiáng)區(qū)長度增加時,更有利于斷層應(yīng)力與能量的積累,使得斷層閉鎖時間增長,同時斷層解鎖滑動時,釋放的能量也增加,位錯量增大。(3)當(dāng)模型1其他參數(shù)不變,斷層中部存在10km長度(占模型長1/15)的斷層弱區(qū),弱區(qū)摩擦系數(shù)為0.1時,斷層活動非常不同于斷層含有強(qiáng)區(qū)時的情況,斷層各段表現(xiàn)出不同節(jié)奏的活動特征,其中斷層左強(qiáng)段與中弱段區(qū)幾乎保持基本一致的準(zhǔn)周期粘滑錯動,而斷層右段雖然也呈現(xiàn)類似的準(zhǔn)周期錯動,但斷層右段的大位錯事件平均比左、中段滯后8.6年發(fā)生。斷層左、中段與右段相比,地震復(fù)發(fā)周期基本相同,平均位錯量右段略大于左段。說明斷層帶內(nèi)弱摩擦系數(shù)段的存在可能是地震分段的影響因素。(4)當(dāng)模型1其他參數(shù)不變,斷層中部存在50km長度(占模型長1/3)的斷層弱區(qū),弱區(qū)摩擦系數(shù)為0.1時,斷層左、中、右三段各自的活動節(jié)奏差異更為明顯,斷層各段的活動強(qiáng)度由強(qiáng)到弱依次為右強(qiáng)段、左強(qiáng)段、中弱段,右段活動周期較左、中段都長。由此可見,相比模型1,斷層內(nèi)部弱摩擦系數(shù)段的存在(弱段長度分別占1/15、1/3),使地震活動頻次增加,但大事件平均位錯量減小。對比不同長度弱區(qū)的模擬結(jié)果,發(fā)現(xiàn)斷層內(nèi)部弱區(qū)長度對斷層地震活動的影響較為復(fù)雜。當(dāng)斷層弱區(qū)長度增加時,對各段的應(yīng)力積累影響增大,使斷層各段間的差異性表現(xiàn)更為明顯,強(qiáng)段地震活動總體水平明顯高于弱段,弱段長度增加使得斷層左強(qiáng)段的大位錯事件周期縮短,斷層右強(qiáng)段的大位錯事件周期增大。(三)強(qiáng)弱區(qū)相間和加載不對稱非均勻模型斷層由3個長度分別為30km、60km、30km的弱摩擦區(qū)和2個長度為15km的強(qiáng)摩擦區(qū)相間組成,強(qiáng)區(qū)摩擦系數(shù)為0.6,弱區(qū)摩擦系數(shù)為0.15,上邊界壓力為1.5MPa,靜動摩擦系數(shù)為1.5,左右兩側(cè)邊界位移加載速率分別為4cm/y和2cm/y的模型。結(jié)果顯示,雖然斷層各段均表現(xiàn)出與實(shí)際地震活動類似的活躍與平靜分布特征,但斷層呈現(xiàn)出明顯的分段活動性;左、右弱段的粘滑錯動分別受其鄰近的強(qiáng)段的影響較大,斷層上的強(qiáng)段對整個斷層的活動有控制作用;強(qiáng)區(qū)的大錯動事件較少,位錯量較大,弱區(qū)的大錯動事件較多,位錯量較小;即使是摩擦強(qiáng)度相同的左、右強(qiáng)段,其粘滑錯動周期、強(qiáng)度等活動特征也不盡相同。說明斷層分段非均勻復(fù)雜模型在非對稱邊界位移加載條件下的粘滑運(yùn)動極為復(fù)雜,斷層各段之間的相互影響更加劇了斷層活動的復(fù)雜性。通過對二維走滑斷層粘滑運(yùn)動過程的模擬,分析了粘滑過程的應(yīng)力、位錯變化特征,得到了走滑斷層粘滑錯動大事件目錄,模擬出了與實(shí)際地震活動類似的活躍、平靜現(xiàn)象,揭示了走滑斷層活動閉鎖—解鎖—閉鎖及能量積累—釋放—積累的運(yùn)動循環(huán)過程。不同因素對走滑斷層粘滑運(yùn)動的影響分析為數(shù)值模擬方法應(yīng)用于斷層動力學(xué)及地震活動性研究方面提供了理論參考。本研究的主要創(chuàng)新點(diǎn)有以下幾方面:(1)采用有限元方法,建立了大尺度三維粘彈性走滑斷層模型,模擬了強(qiáng)震同震位錯引起的地表變形分布特征,得到了與實(shí)際強(qiáng)地震變形帶近似的空間分布和變形量峰值;(2)系統(tǒng)分析了走滑斷層位錯量、斷層傾角、錯動方式、上覆層厚度以及不同土性介質(zhì)對地表變形的影響,對強(qiáng)震地表變形帶特征分析有參考意義;(3)建立二維平直走滑斷層粘彈模型,采用斷層接觸算法,模擬了走滑斷層粘滑運(yùn)動的動力學(xué)過程,獲得了走滑斷層準(zhǔn)周期的粘滑失穩(wěn)錯動人工地震目錄;(4)分析了邊界位移加載速率、摩擦力學(xué)參數(shù)、斷層側(cè)向壓力、邊界位移加載方式等因素對斷層粘滑失穩(wěn)的影響,對地震活動數(shù)值預(yù)測有理論意義和現(xiàn)實(shí)意義;(5)系統(tǒng)分析了非均勻斷層內(nèi)部強(qiáng)、弱摩擦段的分布對斷層地震活動特征的影響,為復(fù)雜斷層的分段和地震危險性評價提供了新的思路。本文通過對走滑斷層同震地表變形與粘滑錯動過程的數(shù)值模擬研究,取得了一些有意義的結(jié)果,但依然存在不少需要繼續(xù)完善的地方,如在強(qiáng)震同震位錯引起的地表強(qiáng)變形分析中考慮地形、重力等因素的影響會使結(jié)果更為全面;斷層粘滑運(yùn)動動力學(xué)過程模擬考慮更為接近實(shí)際的三維模型,考慮幾何復(fù)雜性、介質(zhì)非均勻性甚至多場耦合的因素將是下一步深入探討的方向。
【學(xué)位單位】：中國地震局地質(zhì)研究所
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位年份】：2018
【中圖分類】：P315.2

【參考文獻(xiàn)】

相關(guān)期刊論文 前10條

1 徐偉進(jìn);吳健;;余震時空叢集對概率地震危險性分析的影響[J];地球物理學(xué)報;2017年08期

2 金欣;周仕勇;楊婷;;地震活動性模擬方法及太原地區(qū)地震活動性模擬[J];地球物理學(xué)報;2017年04期

3 唐茂云;劉靜;邵延秀;王鵬;袁兆德;;中小震級事件產(chǎn)生地表破裂的震例分析[J];地震地質(zhì);2015年04期

4 李紅;鄧志輝;邢成起;嚴(yán)興;馬曉靜;姜輝;;人工地震目錄研究進(jìn)展[J];地球物理學(xué)進(jìn)展;2015年05期

5 李紅;鄧志輝;陳連旺;周慶;冉洪流;邢成起;;走滑斷層地震地表變形與破裂寬度數(shù)值分析[J];國際地震動態(tài);2015年09期

6 陸勝杰;童立立;王偉明;;康定地震地表破裂和震害特征[J];四川建材;2015年04期

7 趙宏;屈娥;;地震活動統(tǒng)計與理論地震目錄的設(shè)計實(shí)驗[J];管理工程師;2015年03期

8 徐岳仁;陳立澤;申旭輝;洪順英;王輝;荊鳳;董彥芳;;基于GF-1衛(wèi)星影像解譯2014年新疆于田M_S7.3地震同震地表破裂帶[J];地震;2015年02期

9 李海兵;潘家偉;孫知明;劉棟梁;張佳佳;李成龍;劉亢;CHEVALIER Marie-Luce;云錕;龔正;;2014年于田Ms7.3地震地表破裂特征及其發(fā)震構(gòu)造[J];地質(zhì)學(xué)報;2015年01期

10 李西;張建國;謝英情;傊慶文;;魯?shù)镸_S6.5地震地表破壞及其與構(gòu)造的關(guān)系[J];地震地質(zhì);2014年04期

相關(guān)博士學(xué)位論文 前4條

1 黃靜宜;強(qiáng)震地表破裂評估方法研究[D];中國地震局工程力學(xué)研究所;2016年

2 張建毅;工程場地活斷層避讓距離研究[D];中國地震局工程力學(xué)研究所;2015年

3 姜輝;俯沖帶斷層粘滑運(yùn)動機(jī)制數(shù)值模擬研究[D];中國地震局地質(zhì)研究所;2012年

4 馬曉靜;正斷層發(fā)生地震的動力學(xué)過程數(shù)值模擬研究[D];中國地震局地質(zhì)研究所;2012年

相關(guān)碩士學(xué)位論文 前9條

1 朱君;活動斷層作用下地表強(qiáng)變形與地表破裂的量化研究[D];北京交通大學(xué);2015年

2 李連輝;活動斷層作用下地表強(qiáng)變形與破裂的機(jī)理研究[D];北京交通大學(xué);2014年

3 王琦;汶川地震地表破裂寬度與建筑場地安全避讓距離的研究[D];長安大學(xué);2013年

4 齊婷;城市地區(qū)活動斷層的地表破裂帶與強(qiáng)變形帶的預(yù)測研究[D];北京交通大學(xué);2012年

5 楊興悅;青藏高原巴顏喀拉塊體強(qiáng)震動力學(xué)過程數(shù)值模擬[D];中國地震局蘭州地震研究所;2012年

6 郝莉莉;活動斷裂安全避讓距離研究[D];長安大學(xué);2011年

7 吳景發(fā);汶川地震災(zāi)后重建斷層避讓距離研究[D];中國地震局工程力學(xué)研究所;2009年

8 李紅;構(gòu)造應(yīng)力場、活動斷裂及區(qū)域地震活動性的數(shù)值模擬研究[D];中國地震局地殼應(yīng)力研究所;2008年

9 邱虎;地震斷層錯動產(chǎn)生的應(yīng)變場特征的研究及地表破裂的評價[D];天津大學(xué);2004年

本文編號：2825999