基于FLAC3D数值模拟的清徐地裂缝与交城断裂成因关系研究

基于断裂力学理论,应用FLAC3D数值模拟方法对交城断裂活动时附近土体的变形特征进行模拟计算。计算结果表明:断层活动带动上覆土层差异沉降及应力场变化,当断层错动量达到一定程度,断层附近出现拉应力区,土体在拉张应力和自身重力作用下产生垂直差异形变,从而产生地裂缝。将数值模拟结果与方山探槽揭示的地裂缝剖面特征进行对比,二者结果相互印证,说明清徐地裂缝是交城断裂活动的结果,二者具有明显的对应关系,地裂缝为构造成因裂缝。数值模拟结果为研究断裂和地裂缝成因关系提供了佐证。     

雁列构造的几何及其应力场的数值模拟

用数值模拟方法研究了几何、力学条件不同的雁列构造模型的应力场,探讨了几何参数对应力场的影响。模拟结果表明,在几何参数不同的情况下,雁列构造中局部断层扩展引起的应力扰动场会对相邻构造产生作用。围绕断层扩展部位剪应力增量场呈八瓣式分布,平均应力增量场呈四象限分布。在较小范围内同时存在几个断层扩展区的情况下,围绕这个弱化区仍可形成上述增量场图案     

逆冲断层破裂规律的相似模拟试验与数值模拟

为了深入揭示逆冲断层在沉积层中的破裂规律,采用相似材料模拟试验和数值模拟相结合的方法,利用投影条纹法测量模型表面位移,利用ANSYS软件模拟了不同的基岩断层倾角θ和沉积层厚度δ条件下逆冲断层在沉积层中的破裂演化过程。相似试验和数值模拟结果表明:(1)基岩中逆断层的活动沿着逆断层倾角θ向沉积层内扩展,且基岩上盘破坏较下盘剧烈,断层间以挤压作用为主,θ和δ是影响逆断层破裂扩展的重要因素;(2)θ在一定范围内,且在相同沉积层厚度δ和外载条件下,θ增加使逆断层逐渐发育至沉积层表面,并在表面形成:宽度逐渐减小的变形带,宽度逐渐增大的等效应力带,表现为离面位移逐渐增大,沉积层的变形破坏更剧烈;(3)δ在一定范围内,且在相同θ和外载条件下,δ增加使沉积层的变形位移在垂向上降低并转为横向传递,且横向影响范围逐渐增大,逆冲断层破裂存在三种扩展形式。数值模拟结果与相似试验结果具有较好的一致性,研究结果为确定逆冲断层发震产生的变形和破坏提供了基本依据。     

构造物理模拟实验方法的发展与应用

构造模拟实验是研究和模拟自然界地质构造现象变形特征、成因机制和动力学过程的一种物理实验方法.在查阅大量相关资料的基础上,总结出构造物理模拟实验的发展史、国内外研究现状,以及在实验理论、实验技术和实验材料等方面的研究进展.目前,构造物理模拟实验已被广泛应用于构造地质学和石油构造地质学研究领域以及石油勘探研究领域,是油气勘探研究由定性描述跨入半定量分析乃至定量分析的有效途径.在研究低级序断层组合方法、纯挤压条件下以及俯冲环境中楔体的形成及演化、铲形主拆离断层控制的伸展构造变形等方面取得了很大进展.作为研究构造变形机制的重要手段,构造物理模拟发展在压扭构造研究、盐构造的物理模拟等方面仍存在不足,研究途径的选择也是构造物理模拟实验面临的一个问题.     

断层自发破裂动力过程的有限单元法模拟

断层自发破裂动力过程的研究对于认识地震过程及减轻地震灾害有着重要的科学意义.为合理地模拟断层的自发破裂过程,本文首先对经典的滑移弱化摩擦关系进行了改进,然后利用有限单元方法对破裂过程进行动态数值模拟.模拟结果表明,利用改进后的摩擦关系能够产生脉冲型(pulse-like)破裂模式,而经典的滑移弱化摩擦关系不能产生这种破裂形态.模拟结果还显示,断层自发破裂过程受初始应力场及摩擦关系影响,当初始应力场中剪应力水平较低时,容易产生脉冲型破裂;但当初始剪应力较高时,会产生裂纹型(crack-like)破裂.这个现象与在实验室里进行的岩石破裂实验结果是一致的.在相同的初始应力情况下,若滑移弱化摩擦本构关系中的动摩擦系数较大,断层将易于产生脉冲型破裂;若动摩擦系数较小,将倾向于产生裂纹型破裂.此外,本文也采用速率弱化摩擦关系对断层自发破裂过程进行了模拟,结果发现,在初始场及其他条件不变时,如果摩擦关系中的b-a值较小,容易产生脉冲型破裂;如果b-a值较大,会产生裂纹型破裂.     

断层自发破裂动力过程的有限单元法模拟

断层自发破裂动力过程的研究对于认识地震过程及减轻地震灾害有着重要的科学意义.为合理地模拟断层的自发破裂过程,本文首先对经典的滑移弱化摩擦关系进行了改进,然后利用有限单元方法对破裂过程进行动态数值模拟.模拟结果表明,利用改进后的摩擦关系能够产生脉冲型（pulse-like）破裂模式,而经典的滑移弱化摩擦关系不能产生这种破裂形态.模拟结果还显示,断层自发破裂过程受初始应力场及摩擦关系影响,当初始应力场中剪应力水平较低时,容易产生脉冲型破裂;但当初始剪应力较高时,会产生裂纹型（crack-like）破裂.这个现象与在实验室里进行的岩石破裂实验结果是一致的.在相同的初始应力情况下,若滑移弱化摩擦本构关系中的动摩擦系数较大,断层将易于产生脉冲型破裂;若动摩擦系数较小,将倾向于产生裂纹型破裂.此外,本文也采用速率弱化摩擦关系对断层自发破裂过程进行了模拟,结果发现,在初始场及其他条件不变时,如果摩擦关系中的b-a值较小,容易产生脉冲型破裂;如果b-a值较大,会产生裂纹型破裂.     

5°拐折构造变形物理场的实验研究与数值模拟

以实验方法和数值模拟方法研究了含５°拐折的断层在变形过程中物理场的时空演化。结果表明在一次事件序列中拐折部位的声发射往往发生在序列开始时和结束时，震级虽不大，但却有重要意义。在断层错动中拐折部位两侧的断层交替地作为变形主体构造，拐折部位则起了错动阀的作用     

华北平原强震构造带与潜在震源区划分

在莫尔-库仑理论中引用Drucker-Prager准则,对于基岩断层及其上的覆盖土体建立相应的弹塑性模型,观察在不同力学条件下（张应力、压应力、剪应力）,以及在基岩断层分别为正断或逆断作用下,上覆粉砂质土体和粘土质土体的错动变形。结果表明：在张应力作用下,粘土比砂土更易变形;在压应力作用下,砂土更易变形;而在剪应力作用下,粘土比砂土更易变形,且粘土抗剪强度越大,变形越大。在正断层作用下,在粉砂土与粘性土中所发生的变形并没有大的不同,而在逆断层载荷作用下,粉砂质土体比粘土质土体更容易变形位错。     

具有分形结构强度分布的二维地震断层模拟

提出一种二维地震断层破裂模式，这是在一维弹簧-滑块模式的基础上建立的．利用这种断层的二维向量模型，研究了地震断层的动力学平面-应变的破裂问题．形象、直观地模拟了具有均匀或不均匀破裂强度分布的二维地震断层的破裂成核、扩展、传播直至停止的动力学全过程．阐明了在均匀预应力条件下，断层将获得足够的动量以克服破裂传播路径上的高强度障碍体．破裂锋面亦可绕过孤立的障碍体继续向前传播．整个模拟过程表明:断层破裂过程的停止条件对模拟地震破裂的全过程起着重要作用；我们还研究了断层面上破裂强度分布不均匀条件下断层的动态破裂过程，模拟了具有分形结构强度分布的二维地震断层产生的地震序列．它具有类似自然界地震现象的某些特征．这些特征主要取决于断层面上破裂强度的分布及初始应力降的大小．建立在实验和观测基础上的断层破裂过程模拟研究，为解释地震活动性统计规律的某些特征提供了物理基础.      

1927年古浪8级大震破裂的三维数值理论模拟

在数值模拟计算的基础上,进一步从理论上论证了１９２７年古浪８级大震地表破裂带较短的原因．通过对地震烈度分布形态,地表破裂受阻的终止过程,理论模拟结果所显示的位移矢量的衰减过程,断裂受阻变形及最大剪应力分布特性等问题的研究,认为分布在主破裂带东西两端部的ＮＮＷ向断裂起到了“障碍构造”的作用,阻止了主破裂向东西方向的延伸扩展．     

新生破裂影响地震破裂跨越断层阶区传播过程的扩展有限单元法模拟

采用扩展有限元方法计算了断层阶区内介质产生的新生破裂对地震破裂跨越断层阶区传播过程的影响。模型中新生的断层扩展遵循最大剪应力破坏准则，当最大剪应力超过岩石的承受极限时，完整介质产生破裂形成新的断层，并且新断层的扩展方向为最大剪应力方向。扩展有限元法模拟结果表明，断层阶区内新生的断层改变了断层阶区的几何形态，同时也改变了断层破裂后的应力状态。新生破裂可以改变库仑应力在空间的分布格局，特别是可以提高断层上的应力水平，从而提高地震破裂跨越断层阶区的能力。模拟结果还显示，断层阶区内新生破裂的产生，可以使得地震破裂跨越10 km宽的断层阶区，若阶区内部介质没有产生新生破裂，则地震破裂无法跨越该断层阶区。本研究有助于进一步认识地震破裂跨越断层阶区的传播过程，特别是对地震震源过程分析及地震灾害评估等具有重要的科学意义。     

5°拐折构造变形物理场的实验研究与数值模拟

以实验方法和数值模拟方法研究了含５°拐折的断层在变形过程中物理场的时空演化，结果表明在一次事件序列中拐折部位的声发射往往发生在序列开始时和结束时，震级虽不大，但却有重要意义，在断层错动中拐折部位两侧的断层交替地作为变形主体构造，拐折部位则起了错动阀的作用。     

含预制软弱带的岩石破裂过程的数值模拟

考虑到岩石脆性破坏过程中介质的不均匀性之特点，对岩石样品中含预制弱介质条带的岩石样品破坏过程进行二维有限元数值模拟，并对弱介质带的破坏贯通过程、新的断层的产生和有关的地震活动进行了研究．数值模型展示了岩石从变形、微观破坏到整体破坏的全过程以及微震活动的时空分布特征．应力、应变和微震活动的时空分布形象地描绘了岩石变形的局部化和时空迁移等现象，这与实际地壳中所观测到的现象是一致的．此外，模拟结果与实验观测结果也是一致或相似的．      

区域应力状态与断层的相互作用:韩国东南部钻孔现场应力与地震震源机制的互补分析

为了了解区域现今应力状态及其与断层群体之间的关系,我们用两组不同的数据(岩土工程的现场应力数据和地震震源机制解)来描述朝鲜半岛东南部地区的现今应力张量特征。两组数据都给出了相似的结果,即主压应力方向为NEE-SWW向,这与亚欧板块东部一级构造应力分区的构造主应力方向是一致的。经过对现场应力数据以及震源机制反演的更多严格分析可知,现今应力场在方向和大小上呈现出有规律的不均匀性,而这种不均匀性可能是由于断层组的影响引起的。在地壳浅部开展现场应力测量时,一般最大最小水平主应力随空间位置变化,且与垂直主应力正交。研究显示现场应力量值与区域断层逆相关。这表明由于断层活动而产生的应力释放可能是导致区域内低应力区的主要因素之一。为了证实这一推论,我们根据现今应力场仔细调查了新近活动过的第四纪断层的产状。在这一给定的应力条件下,断层滑移面上剪应力与主应力的高比值表明大部分断层位于优势滑移方向,这意味着可能是断层在维持着现在的应力场。当代的地震分布显示低应力区地震活动性密度较大,表明相应区域内的断层强度可能受现今应力状态影响处于摩擦极限状态。这也许告诉我们断层强度的不均匀性导致了区域应力状态的不均匀性。     

震源区的断层构造与震源应力积累过程关系的实验研究

本实验研究了地壳内对压组合构造和对张组合构造中垂断层蠕滑,破裂错动时对主震断层(底断层)应力积累过程的影响,并结合实际地震活动中的一些现象进行了讨论。所得结论如下: 1.当垂断层蠕滑时,对压组合构造中垂直于底断层的压应力增大,它可以延迟主震发生但增大发震的能量;对张组合构造中垂直于底断层的压应力减小,剪应力略有增大,因而可以促使主震发生。2.如果垂断层某一部分为原来锁住的愈合断层或为完整介质,当其突然破裂错动时,可以使对张组合构造中的底断层的剪应力突然增大,同时压应力减小,因此前震序列中这类垂断层上的较大前震可看作底断层上主震即将来临的信号。3.由垂断层破裂前后单轴压力不变和位移不变的实验结果说明了地壳中主震断层应力集中的过程。4.底断层的主震破裂可以使处于引张状态的垂断层上余震发育甚至发生强余震。本文还应用实验结果对前震活动的条带现象进行了解释,这将有助于判定对压组合构造中主震的断层面。     

大别造山带构造演化的数值模拟

利用有限元数值模拟方法,分析了地幔热物质侵入到地壳中对大别地区构造应力场、位移场的影响．数值模拟结果表明:地幔热侵入体在大别地区上地壳内形成张应力区,在与扬子板块水平向挤压共同作用下,造成大别山地区两端挤压、中部拉张的动力环境,同实际观测到的断层表现一致．并进一步讨论了过渡区域可能的演化趋势．      

1976年唐山地震震源动力过程的数值模拟

用新LDDA(Lagrangian DiscontinuousDeformation Analysis)方法模拟了唐山地震断层的破裂、错动和应力释放的整个动力过程．模拟结果表明,唐山地震的震源滑动过程在发震断层上各处不一样．近场位移受断层的曲率影响,断层凹侧的位移大于断层凸侧的位移．滑动过冲现象在震中处最大,并向断层两端衰减．我们发现,唐山地震断层的破裂速度和应力降与断层上的初始剪应力大小有关．唐山发震断层的最大动态、准静态位错量和剪应力降均发生在中间部位,分别是7.1 m、6.2 m和8.1 MPa、5.4 MPa,发震断层的平均准静态位错量和剪应力降分别为4.5 m和3.3 MPa,断层破裂的传播速度从震中向东南和西北方向分别为3.08 km/s和1.18 km/s．      

复杂构造应力扰动场与发震构造识别问题的研究

在地震短临阶段异常是由局部断层扩展或弱化引起。实验与数值模拟结果曾得到与之相伴的是平均应力扰动场的四象限分布和最大剪应力扰动场的八瓣式分布。为检验此结果的普适性作了进一步的研究。结果表明不论区域构造及其基本应力场如何复杂，这种四象限分布与八瓣式分布型式不变，这为最终判定失稳区提供了依据。与此同时，在复杂构造情况下这种应力扰动场的畸变也不容忽视     

沉积岩储藏系统小断层在油气田注水诱发地震中的作用——以四川盆地为例

以四川盆地为例,通过分析沉积岩储藏系统中断层的发育特征和典型沉积岩断层形成前后岩石变形破坏过程的实验研究,探讨沉积岩层中小断层在油气田注水诱发地震中的作用及较大地震发生条件。首先,通过分析已有的有关四川盆地深部注水诱发地震活动情况的资料得到具有一定普遍性的认识:诱发地震的空间分布明显受已有断层或破裂的控制,有感地震尤其是可导致一定灾害的中强地震往往都是已有断层的重新活动所致。其次,结合石油地质资料及盆地边缘地区出露的一些未成熟小型断层的地质与构造特征观察分析,发现这些断层的存在具有普遍性而且是地下油气纵向运移的主要通道。进而,在实验室条件下对四川盆地几个典型沉积岩样本进行了三轴压缩破坏实验。采用多通道宽动态高速声发射观测技术与三维X射线CT成像技术分析断层形成过程及形成后的几何特征和摩擦系数的变化。最后,通过融合各方面研究结果分析注水诱发地震的发生机制和模型,探讨了较大地震发生条件,为提升注水诱发地震评估能力和建立安全注水操作管理指南提供理论基础。该结果有助于理解为何四川盆地油气田注水诱发地震活动如此剧烈。主要的前三叠系沉积岩(包括白云岩、页岩及白云质灰岩)均具有较高的破坏强度和脆性变形破坏特征,使四川盆地油气储藏系统有条件保持较高的应力水平和在一定条件下导致地震性断层破坏。一般,一条尺度达到几km的断层便足以产生M5级别的中强地震。这些条件使得该区具有发生破坏性注水诱发地震的可能。有必要在对注水孔周围的破裂及断层构造的空间分布、尺度大小及力学性质特征有基本了解的条件下,通过注水数值模拟和监测注水诱发地震的时空演化,建立适当的统计模型实现诱发地震的统计评估和预测,指导注水操作而达到减少灾害性地震发生的风险。     

1976年唐山大震发生对华北地区各地块运动与变形影响的数值模拟研究

用非连续变形分析方法(DDA+FEM)数值模拟在华北地区各地块相互制约的构造环境中,发生1976年唐山地震的动力学过程;研究大震引起的华北地区各地块特别是鄂尔多斯地块运动变形及各地块边界断层上应力状态变化的特征。采用的1976年唐山地震复杂震源模型由3个子事件组成:北北东走向的主破裂,与主破裂北东端部相连接的北东走向子事件以及位于主破裂南东侧的北西走向的子事件,同前人的结果比较,这个模型与该震早期余震分布图像的位置更为相符。计算得到了地震释放的主应力场,最大剪应力变化等值线图,大震邻近地区地块滑移变形图,发震断层滑移距离随时间的变化以及最大走滑错距和应力降等震源参数,这些结果与该震的震源机制解,震源参数,宏观等震线,地表观测的水平位移矢量图基本一致。唐山地震的发生使得与其邻近的地块及边界断层受到不同程度的影响,发生了不同规模的移动和变形,鄂尔多斯地块似乎发生了整体性小规模的逆时针转动及变形,其中鄂尔多斯地块东北部与太行山,燕山,阴山地块交接带的相对运动变形较大,唐山地震的发生也引起了华北地区各地块边界断层上的应力状态发生了一定程度的变化,其中通过唐山震区的张家口-蓬莱北西走向断裂带以及鄂尔多斯地块北部边界断层的主要地带上剪应力增加而法向应力减小,使这些断裂带的地震危险度增加。这与唐山地震后鄂尔多斯地块北部边界断层上发生一系列6级强震的事实基本相符。