走滑断层几何结构复杂区对地震破裂传播影响的研究回顾

活动走滑断裂带上强震频发,对几何结构复杂区及其导致的分段破裂模式开展研究对于评估区域潜在地震的最大震级具有重要意义。文中从野外地质调查和数值模型研究2个方面入手,对走滑断层上地震破裂行为中的几何结构、断层分段和级联破裂等相关研究进行回顾总结。野外地质调查发现,走滑断裂带上广泛存在的断层几何结构复杂区可能会终止地震破裂的传播。前人基于地表破裂带野外调查,给出了走滑断裂带上几何结构复杂区对地震破裂方式的影响,以及这种影响程度的统计分析结果。另一方面,与断层动态破裂过程相关的数值模拟研究,不仅从动力学角度展示了断层几何结构复杂区对断层动态破裂传播的控制作用,还表明初始应力、岩石介质性质等其他因素也影响了断层动态破裂的传播。在研究程度较高的中国地震科学实验场区,基于断层探测、地球物理场密集观测和高性能计算的3D动力学模拟有望进一步深化对区域复杂断层系统中破裂行为的认识,并为判定区域最大潜在震级提供帮助。

基岩地震动的一个相干函数模型——走滑断层情形

目前研究地震动空间变化的主要方法是利用密集台阵 (如SMART 1台阵等 )的强震观测记录进行统计分析 ,由于地震动观测资料的不足 ,因而缺少基岩及不同场地类别地震动相干函数模型 .本文利用数值方法了模拟理论地震图 ,进而研究采用震源位错模型的基岩随机地震动的空间变化规律 ,并考虑震源破裂速度、子源个数、震源深度和介质传播速度等因素的影响 .其具体思路为 :首先对应于每个样本 ,用有限差分数值模拟方法计算弹性半空间近场地震动场 ,而后对所有样本的计算结果进行统计 。

走滑断层地表位移动态演化特征研究

在经典走滑断层位移公式基础上引入时间变量,研究断层运动中地表位移与时间的动态变化关系,得到走滑断层地表位移时空动态演化公式。当观测点处于断层近、中场或者孕震阶段处于孕震中、晚期时,地表位移近似正比于时间对数函数。得到以下结果:①走滑断层随时间的位移是不收敛的,但发散速度十分缓慢。②目前多数GPS水平方向的时间序列良好的线性特征为时间对数函数的局部线性近似。③在孕震中、晚期的任意时刻,断层近、中场的地表任意一点的位移与其距断层的距离成正比,即垂直于断层方向的地表位移曲线近似一条直线。④从震前的某个时刻开始计时,震前距断层远的站点产生的位移比距断层近的站点产生的位移大;震后距断层近的站点产生的位移比距断层远的站点产生的位移大。走滑断层地表位移动态演化公式适用于断层的近中场,孕震的中晚期,可为断层地震危险性的判定提供理论支持。

走滑断层黏滑错动下隧道破坏的模型试验研究

为了探究断层错动对隧道及围岩的损伤机理及破坏特性,以滇中引水工程香炉山隧洞为依托,通过开展隧道穿越断层破碎带的黏滑错动模型试验,并采用ABAQUS进行数值建模,对试验结果进行验证分析.研究结果表明:断层错动过程中,衬砌主要发生受拉破坏,局部位置衬砌受压破坏;衬砌发生变形及破坏的区域,主要集中在破碎带范围内,以错动面处衬砌变形、破坏最为突出,衬砌的变形随距错动面距离的增大而减少,衬砌横断面内拱顶、右腰位置破坏最为严重;断层错动起始时刻,破碎带中间部位拱顶处衬砌拉损伤已经达到较高量级,衬砌局部开裂破坏,随着断层错动量的增加,损伤不断累积,当错动量达25 mm(相当于实际错动量1 m)时,衬砌整体损伤已累积到较高量级,此时衬砌的破坏接近试验的最终状况.岩体的破裂区域主要集中在距错动面两侧30 cm范围内,围岩变形随着距错动面距离的增加而逐渐减小.

走滑断层错动影响下跨活断层铰接隧洞破坏机制模型试验

以滇中引水香炉山隧洞为背景工程,通过小尺度物理模型试验,对断层错动模拟过程中的隧洞上覆围岩破裂形态、衬砌破坏形态和裂纹发展、应变分布特征等关键响应特征开展试验分析,深入地研究了走滑断层错动影响下跨活断层铰接隧洞的破坏形式及破坏机制。在铰接隧洞抗错断设计参数作用机制方面,详细研究了衬砌节段长度、衬砌厚度、隧洞直径、隧洞轴线与断层带夹角、隧洞断面形式,衬砌材料力学特性等因素对铰接设计隧洞抗断性能的影响。研究结果表明:(1)当跨活断层隧洞不采用铰接设计时,在断层错动作用下隧洞破坏模式为剪切和弯曲组合破坏,衬砌破坏程度严重,存在剥离脱落现象。隧洞截面呈现椭圆化变形,整体坍塌趋势明显;在当前试验中,无铰接隧洞破坏范围达4W_(f)(W_(f)为断层带的宽度)。(2)当跨活断层隧洞采用铰接设计时,在断层错动作用下隧洞整体变形呈现S形,衬砌结构破坏形式为节段间的转动和错台,衬砌节段相对完整,破坏程度较轻;当前试验中,铰接隧洞破坏范围为2.14W_(f),相较于无铰接隧洞减少48%,表明铰接设计可改变活断层错断作用下隧洞的变形破坏模式,并减小隧洞结构的损伤范围。(3)铰接设计条件下,隧洞衬砌结构应变峰值主要分布在断层带内,隧洞易发生屈服破坏;与无铰接隧洞相比,铰接隧洞左右边墙纵向最大拉应变减少了56%,纵向最大压应变减少了68%,进一步表明铰接设计可以有效提高隧洞的抗错断性能。(4)在铰接隧洞抗错断设计参数作用机制方面,研究表明增加衬砌厚度、增加衬砌混凝土强度等级、减小节段长度、减小隧洞直径均可提高铰接隧洞的抗错断性能,隧洞穿越断层带的最佳角度为正交,圆形断面相较于三心圆断面可提升铰接隧洞的抗断能力。综上所述,研究成果可以为跨活断裂隧洞工程抗错断措施提供必要的理论参考和技术支持。

走滑断层作用下跨断层隧洞错断模型试验研究

隧洞抗错断研究中,正、逆断层研究较多,走滑断层研究较少。针对走滑断层引起的隧洞变形破坏、应变分布规律以及上覆围岩的破裂形态等关键问题,以滇中引水输水隧洞为依托工程,制作了隧洞模型开展走滑断层作用下断层隧洞的抗错断模型试验研究,得到隧洞在走滑断层断层错动作用下的结构响应规律。结果表明:①隧道衬砌结构在走滑断层作用下的破坏形式是弯曲张拉破坏以及直接剪切组合破坏,其中剪切破坏是主要破坏形式;②隧道衬砌结构沿纵向以受拉为主,主要集中在活动盘距离错断面⁃0.5D~2.0D(D为隧洞直径)范围内的隧洞衬砌顶部以及两侧拱腰沿纵向位置处,而受压区主要在活动盘距离错动面⁃0.5D~0.5D内与活动盘移动方向一致的一侧拱腰;环向应变的影响主要集中在断层错动面附近;③活动盘受断层错动影响范围和剧烈程度均小于固定盘,故断层错动作用下的固定盘是隧洞抗错断控制重点。

采用不同摩擦定律动态模拟断层阶跃

众所周知,断层阶跃在某些情况下可使破裂贯通,而在另外的一些情况下则可能使破裂终止。然而,不同摩擦定律公式对跨越破裂的影响尚未得到广泛的探讨。本研究采用二维动态有限元方法探讨张性和压性两种环境下不同摩擦参数如何影响破裂跨越阶跃的能力。我们比较了线性滑动弱化摩擦和三种速率—状态依从摩擦:衰变定律、滑动定律、强速率弱化滑动定律。我们发现,对于相同有效滑动弱化距离的摩擦参数,该摩擦定律的函数形式可对最大跨越距离有显著影响。将摩擦定律调整为具有等效破裂能量时,我们发现这种摩擦定律的函数形式对跨越破裂的影响次之。最后,我们发现采用特定参数时,一旦破裂在次断层段重新起始,跨越阶跃系统的破裂延迟可导致先前未曾见到的超剪切转换模式,即使初始应力场阻碍这种转换也如此。对复杂几何形态如断层阶跃采用多种摩擦定律进行研究可有助于更好地认识和理解破裂性质对模型及统计分析中采用的摩擦定律类型的依赖性。

跨博-阿断裂隧道的抗错断性能模型试验

中国西部地区地质条件复杂,许多隧道工程在建设过程中会穿越不良地质区段,受到来自活动断层的错动威胁.为探究走滑断层作用下铰接隧道结构的应变响应规律及变形破坏机制,以天山胜利隧道工程为背景,利用光纤传感技术,通过室内缩尺模型试验,开展了走滑断层作用下分节段铰接隧道变形破坏研究.结果显示,隧道衬砌的变形主要发生在断层破碎带内部及边缘附近,隧道整体的破坏模式为拉压剪切组合破坏模式;沿隧道纵向,断层破碎带处隧道受力模式总体上为拱顶与拱底受拉,两侧既有受拉也有受压;沿截面环向,环向应变分布呈“W”形,存在两个拉应变峰值及两个压应变峰值,截面变形趋势为两侧受到水平挤压作用,迫使截面由马蹄形向椭圆形发展.研究结果揭示了走滑断层作用下铰接隧道的变形破坏形式以及衬砌变形规律,可为类似工程提供理论参考和技术支持.

走滑断层地震地表变形与破裂宽度数值分析

震后野外考察表明,走滑断层同震引起的地表变形主要集中在断层两侧很窄的范围,为定量研究同震地表强变形分布特征与破裂带宽度,以鲜水河断裂北西段为原型设计了一个简化的三维黏弹有限元模型,断层遵从库仑滑动定律,断层长度20km,走向320°,厚度11km,两侧各宽3km.由已知地震断层面的突然错动在地表引起的位移分布.

走滑断层粘滑错动过程及影响因素的模拟研究

采用粘弹介质载体和断层接触模型,对长150 km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,获得了粘滑错动大事件目录,讨论了不同参数对断层地震活动的影响,初步认识如下:强度均匀模型模型1中断层上边界压力为1.5 MPa,滑动摩擦系数为0.3,静动摩擦系数为4,断层左、右两侧边界位移加载速率为4 cm/a,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 m,大事件的最大位错量位置主要集中于右半部121.2 km附近。

走滑断层错动作用下隧道变形的数值分析

活断层会造成地层错动变形,使得跨断层隧道产生错位、变形甚至坍塌,严重危害隧道的安全。文章以云南某穿越断层的隧道工程为背景,利用FLAC 3D软件建立了跨断层隧道的三维有限差分模型,分析断层倾角、断层倾向、衬砌厚度对隧道变形及应力的影响。结果表明:在走滑断层的影响下,隧道衬砌的水平位移和水平收敛在断层附近急剧变化,且衬砌水平收敛在断层位置达到峰值。衬砌在断层滑移的影响下出现了纵向拉应力,并且断层附近的衬砌出现了明显的应力集中,两侧拱腰位置具有较大的纵向拉应力。断层倾角、衬砌厚度对水平收敛的影响较小,而断层倾向对水平收敛的影响较大。研究成果可为类似的跨断层隧道结构设计提供一定的依据。

基于宽频带混合法的跨断层地震动模拟研究

跨断层区域地震动(跨断层工程结构所在极近断层区域的地震动,以下简称跨断层地震动)与近场地震动在空间上的分布规律存在显著差异,而跨断层地震动记录匮乏导致跨断层结构抗震研究难以开展。文中简要介绍了宽频带混合法模拟地震动的基本理论,并以则木河断层为工程背景进行跨断层地震动的模拟,系统研究了跨断层地震动的分布规律。结果表明,模拟的跨断层地震动符合断层滑动模式,并且存在显著的方向性效应、上盘效应和滑冲效应,总体上模拟的跨断层地震动强度符合一定的衰减规律,但受断层破裂的影响会导致不规律甚至反规律。同时,实际地表破裂位置与断层破裂大滑移区对跨断层地震动分布规律会造成较大的影响。通过宽频带混合法人工模拟的跨断层地震动时间序列能解决跨断层地震动实测记录不足的问题,为跨断层结构抗震研究提供有力支撑。

逆冲和消减地震的应力触发及圣安德烈斯南部及其邻区逆冲和走滑断层的相互作用

指出逆冲地震的触发、抑制和丛集的主要特性可以用库仑破裂应力变化来解释。解释中我们采用了一套代表模型及详细实例。虽然地表破裂的逆冲断层使得大部分周围地壳的应力降低,但逆冲盲断层的滑动却使得某些附近区域,特别是震源断层上方的应力增加。这样逆冲盲断层可以触发浅部次生断层的滑动,并产生广泛分布的余震。短逆冲破裂对于触发大小相差不多的邻近逆冲断层特别有效。我们的计算结果表明,在加利福尼亚中部连续的逆冲序列中,1983年Mw6．7级科林加地震使得1983年Mw6．0级努涅斯地震和1985年Mw6．0级凯特尔曼山地震破裂与库仑破裂应力分别接近了10bar和1bar。理想化的应力变化计算与伴随大逆冲事件的地震活动性分布一致,这与前人的研究结果是一致的。俯冲带破裂的计算结果促使了俯冲前缘隆起发生正断层事件,并有利于地震破裂带周围及其下倾延伸区发生逆断层事件。这些特性在1957年Mw9．1级阿留申地震和其他大逆冲地震是明显的。我们进一步研究了能得到详细滑动模型的1960年Mw9．5和1995年 Mw8．1级智利地震引起的破裂面上的应力变化。计算的库仑破裂应力增加为2-20bar,与余震地点和震后滑动密切相对应,而应力降低10bar的地区余震缺失。我们也提出主走滑系统的滑动调制了附近逆冲和走滑断层的应力。我们计算得到圣安德烈斯断层上1857年 Mw7．9级蒂洪堡地震以及后续震间滑动使得科林加断层接近破裂约1bar,但抑制了全部海岸山岭的逆冲断层。1857年的地震也促使于1952年发生Mw7．3级科恩县地震的怀特沃尔夫逆冲断层接近破裂约10bar,但抑制了自1857年以来从来没有破裂的左旋加洛克断层上的滑动。于是我们有充分理由认为,应力转移在很宽的时间和空间尺度上对逆冲断层的地震活动性有控制作用。

大陆走滑地震断层参数的标定

通过应用简单的位移-深度函数,并假定"孕震区的基底并非发生了粘性张弛而产生,而是在介质(该介质在破裂处或邻近破裂处仍保持应力状态)中转变为稳定滑动的结果",我们解决了弹性位错模型预报地震与平均同震滑动随着破裂长度的增加而增加的观测情况之间长期存在的矛盾。最终结果模型含有在地震尺度的整个波谱上地震具有自相似性的概念。

塔里木盆地古城地区古生界垒-扭叠合复合断层-裂缝体模型

塔中地区深层古生界巨厚的碳酸盐岩是当前油气勘探的热点。近年来,在塔中北坡的北西、北东与北东东向断层-裂缝带中取得了油气勘探的重大突破。然而,在其邻近的古城地区断层-裂缝体的研究则一直很薄弱,这一状况严重地制约了该区的油气勘探进程。基于高分辨率三维地震剖面,提出了古城地区古生界垒-扭叠合复合断层-裂缝体模型。其要点是:①剖面上,断层-裂缝体的性质不具有继承性。在深部寒武系、中部中-下奥陶统、上部上奥陶统和顶部石炭系依次发育加里东早期伸展断层-张性裂缝带、加里东中期压扭断层-压剪性裂缝带、加里东晚期张扭断层-张剪性裂缝带和海西早期张扭断层-张剪性裂缝带,它们在垂向上依次叠合。②平面上,自下而上断层-裂缝体的走向发生了明显的顺时针和逆时针旋转。在深部寒武系、中部中-下奥陶统、上部上奥陶统和顶部石炭系断层-裂缝体的走向分别为北东东向、北北东向、北东-北东东向和北东向,它们在横向上依次复合。③剖面上,断层-裂缝体呈现出“上倒锥、下地垒”的形态叠合特点和“上下张性、中间压性”的性质叠合特点。④平面上,断层-裂缝体呈现出“扫帚状”和雁列状的展布特点。

多破裂面走滑断层错动下隧道结构响应规律研究

大型活动走滑断层破碎带内的岩体位错具有明显的非线性特征,使得断层带内不同区域岩土体的破坏特征各不相同,穿越断层区隧道结构变形受力十分复杂。文章依托某穿越大型走滑断层隧道工程,通过模型试验与数值模拟研究穿越多破裂面走滑断层的隧道结构响应沿纵向的分布规律。结果表明:随着断层错动量的增加,隧道水平位移不断增加,隧道变形呈现S型分布特征,且错动引起的隧道变形主要发生在断层区域内。走滑断层错动下,隧道拱腰纵向变形反弯凹陷段与围岩挤压更为明显,凸出段与围岩存在脱离趋势。隧道结构的受力破坏主要集中于两断层错动面附近,断层上盘隧道结构相较于下盘隧道结构更易被损坏。

断层阶跃对地震动的影响

利用三维动态模型研究了断层阶跃对近源地震动的影响。使用有限元法模拟了两个平行走滑断层的破裂、滑动和地震动,这两个断层间有宽度不同的不相连的重叠阶跃。我们将该系统模拟为拉张和压缩的两种阶跃,并将所得结果与单个平面断层的结果进行了比较。我们发现,总的来说,与长平面断层相比,沿断层迹线出现的阶跃降低了最大地震动。是压缩阶跃还是拉张阶跃显示出更高的地震动,整体上取决于两个断层段间距的宽度。当断层嵌于均匀材料中时,就有第一断层段的末端地震动降低的区域。我们还对导致超剪切和亚剪切破裂速度的应力场以及这些情况内的不同应力降进行了实验。我们发现,虽然发生任意震动的地区整体上在超剪切和亚剪切破裂这两种情况之间并没有很大差异,但亚剪切破裂产生了比超剪切破裂更强的震动,而超剪切破裂产生最大值的区域比亚剪切区域大。最后,我们对沿断层及其附近的实际材料,如拉张阶跃中的沉积盆地、断层附近的破坏区和整个模型区域基岩顶部的软岩层,进行了实验。这些构造改变了均匀情况下地震动的模式;地震动峰值在双材料情况下取决于研究材料。本文研究结果或许对几何形状复杂的断层上未来地震的地震动预测有意义。

1679年三河-平谷8级地震近断层强地震动的有限元模拟

文中通过收集整理三河-平谷8级地震的历史记录、野外地质调查和区域地震等资料,建立了该地震的震源模型;以穿过研究区的12条测线和区域第四纪、新近纪、古近纪沉积等厚度图等资料为基础,建立了北京地区的传播介质模型;利用哈尔滨工程力学研究所的近断层强地震动有限元程序和40节点的高性能并行计算机计算了北京地区震后60s内地表各点的地震动速度时程和峰值速度。为检验模拟结果的质量,我们取2排测点的速度时程和水平向峰值速度等值线图进行了分析,发现计算结果与历史地震记录及实际地震观测资料吻合良好,说明了我们的模拟结果的可信性和模拟方法的客观性。

地表土层破裂形态试验与分析

近年来地震频发,研究断层区土体破裂形态是了解和认识地震断层破坏机制的关键。为研究不同断层类型对地表形态的影响,通过模型试验得到拉伸型断层、挤压型断层以及剪切型走滑断层的地表土层形态,同时对走滑断层进行了数值模拟计算,并与试验结果进行了对比。由试验结果可知,在拉伸型断层中,地表纵向拉伸变形随土层厚度的增大而减小。挤压型断层中,随着土层厚度的增大,地表纵向压缩变形减小,且减小趋势逐渐变缓,地表隆起区宽度和隆起高度随之增加。在走滑断层中,地表位错量随着土层厚度的增大而减小,且随着土层厚度的增大,地表变形影响区范围呈先增加后减小的趋势。数值模拟计算结果与走滑断层试验结果基本一致。