隐伏走滑断层破裂扩展特征的实验研究

通过模拟实验研究了基岩中走滑断层在上覆沉积层中的破裂扩展特征,利用白光数字散斑相关方法分析了沉积层表面变形场的演化过程,重点研究了基岩断层位移和沉积层厚度的影响。结果表明,在沉积层厚度一定的情况下,随基岩断层的滑动,沉积层中围绕断层投影线逐渐形成一个变形带以及由张性破裂和剪切破裂组成的破裂带,基岩断层的位移越大,沉积层中的变形带越宽、变形越强烈;但当基岩断层位移超过某一临界值后,变形带宽度将保持稳定,只是变形随断层位移增加而更集中。对于同样的基岩断层位移,沉积层厚度越大,受基岩断层控制的变形破裂带越宽,即基岩断层的影响范围越大;但当沉积层厚度超过某一临界值时,沉积层的变形发生了变化,沉积层表面并不存在与基岩断层走向一致的变形带,而是发育了较大尺度、与基岩断层走向斜交的张剪性破裂带。实验结果意味着,临界断层位移和临界沉积层厚度对于确定隐伏断层发震产生的地表变形和破坏具有重要意义     

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。     

走滑断层地震地表破裂带分布影响因素数值模拟研究——以1973年炉霍MS7.6地震为例

地震后在断层两侧的强变形与破裂带是地震灾害最严重的区域.为系统、定量研究同震地表变形带特征及其影响因素,本研究建立了走滑断层的三维有限元模型,分别探讨了断层位错量、断层倾角、错动方式、上覆松散层厚度、沉积层土性等因素的影响规律.模拟结果显示：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50 m宽度范围,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,并趋于一个渐近值;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上盘小距离偏移;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,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,直立纯走滑断层的两参量都居中;走滑断层地表变形量峰值随上覆松散层厚度增大而减小,但随厚度减小的速率逐渐变小,松散层厚度从5 m增加到20 m时,破裂带宽度随厚度增加而缓慢增加,但自厚度大于20 m时,破裂带宽度开始随厚度增加而逐渐下降;当不同土性覆盖层（粗砂、粉砂、黏土）厚度相同时,地震引起的地表变形量峰值自粗砂、粉砂、黏土逐次增大,当粗砂厚度为60 m以上时,3.6 m的同震水平位错已不能形成地表破裂,而粉砂的厚度为70 m以上,黏土的厚度则为75 m以上.     

亚像素相位相关法在获取汶川地震近场形变中的应用

震后地表实际破裂带的分布及其近场的形变特征,是理解块体运动学特性、断层破裂特征、地震发生机制等科学问题的十分重要的约束条件。基于InSAR获取的汶川地震同震形变场,由于发震断层附近同震形变梯度巨大,沿断层带出现了非相干条带,以致于无法获得断层附近的形变量。而基于亚像素级的光学影像偏移量法为获取断层附近大形变分布提供了可能。文中以SPOT卫星影像为数据源,采用光学影像偏移量法获得了什邡及茂县地区的水平位移形变场。结果显示龙门山断裂带上至少2条断裂同时发生破裂,形成了主要地表破裂带(龙门山镇-高川破裂带)和次级地表破裂带(汉旺破裂带),沿龙门山镇-高川破裂带平均位移量为4～6m,在高川附近伴随的平均右旋水平位移为1～3m; 汉旺破裂带因逆冲导致水平缩短,平均位移量一般为1～2m。汶川-茂县断裂带没有明显的地表破裂带。研究表明,利用光学影像相位相关法能够获得近断层位错量,可以成为InSAR手段的重要补充。     

汶川M_S 8.0地震基岩中的地表破裂

在汶川MS8.0地震中,地表破裂变形带多表现为挠曲坎或断层坎,地表基岩破裂少见,作者在安县肖家桥附近基岩中发现了出露完整的地震地表破裂带。在仔细分析该破裂带变形特征和内部结构构造的基础上,结合区域上地震地表破裂特点,认为:这次地震的地表破裂主要沿先存的映秀-北川断裂发生和扩展,地震断层作用形式以右旋斜冲运动为主,安县肖家桥附近映秀-北川断裂的最大垂直同震位错为5.4m,与通过挠曲坎或断层坎测量的结果基本一致     

铲形逆断层和平行逆断层体系的破裂特征——以龙门山断裂带中段为例的数值模拟

汶川地震是有地震历史记载以来首次发生在大陆内部的高角度8级逆冲强震,给板内逆冲强震研究提供了许多新的课题。论文主要开展了以下两方面的研究:(1)近地表陡倾角铲形逆断层的破裂特征研究。基于龙门山断裂带中段动力学背景建立有限元模型,系统地研究近地表陡倾角铲形逆断层(本文所称近地表陡倾角铲形断层,要求近地表倾角至少≥65°)的破裂特征,并探讨了汶川地震逆冲滑动量随深度分布形态所可能蕴含的地壳信息。对于近地表陡倾角铲形断层,在断层倾向的高强度挤压下,断层近地表部分对逆冲破裂和滑动有一定的阻碍作用;铲形断层的近地表倾角越陡,陡倾角部分的深度范围越大,断层近地表部分对逆冲破裂和滑动的阻碍作用会越明显;近地表陡倾角的铲形断层形态和巴颜喀拉块体的高强度挤压很可能是形成汶川地震逆冲滑动量随深度分布形态的重要原因,无地表破裂的前期地震并不是造成汶川地震滑动量随深度分布特征的必要条件。(2)平行逆断层体系中断层活动之间的相互影响研究。讨论了分布距离对平行逆断层地震活动规律的影响,并定量地评估了汶川地震中前山断裂同震逆冲破裂对中央断裂逆冲破裂释放的影响。同震破裂实验结果显示:在同震逆冲破裂中,前山断裂和中央断裂的破裂释放之间有一定的替代关系;汶川地震中,由于前山断裂发生同震逆冲破裂,中央断裂相应段落逆冲破裂释放很可能降低了约10%,减少的标量地震矩约为9.54×1018 N·m。平行逆断层长期挤压破裂实验结果显示:在龙门山断裂带的动力学环境和浅层构造背景下,当平行逆断层之间的距离在20km以下时,两条平行逆断层会在破裂释放上形成主次关系,距离越短,主次关系越显著;两条平行逆断层之间发生同步逆冲破裂的比例很低,受平行逆断层之间距离的影响也很小;两条平行逆断层之间发生同步地表逆冲破裂的比例更低,在龙门山动力学机制和浅层构造背景下,距离在10~20km左右时,平行逆断层之间最容易发生同步地表逆冲破裂。结合龙门山断裂带中段的实验结果显示:后山断裂的地震活动很可能相对独立;12km的距离使得中央断裂和前山断裂之间发生同步地表逆冲破裂的风险相对较高,这很可能是导致汶川地震中出现同震地表破裂的一个重要原因。     

2020年1月19日新疆伽师MS6.4地震InSAR同震形变场特征及发震构造初步探讨

基于Sentinel-1 SAR升、降影像,利用D-InSAR技术获取新疆伽师M S6.4地震的同震形变场,结果表明,本次地震引起的同震形变场整体呈近椭圆状分布,形变区东西长约66 km,南北宽约40 km,整个形变场由南部隆升区和北部沉降区组成,南部最大隆升量约7 cm,北部最大沉降量约3 cm。本次地震发生在块体俯冲界面处的低倾角逆冲推覆构造带上,隆升和沉降两个中心均位于逆冲推覆体的上盘,形变主要以隆升形变为主,符合低倾角逆断层中强震的变形特征。在沉降区与隆升区之间干涉条纹连续分布,未出现表征地表破裂位置的空间失相关带,表明地震未引起明显的地表破裂。结合震源机制、余震精定位及区域构造特征,初步推断认为伽师地震的发震构造可能为柯坪塔格推覆构造前缘的N倾的柯坪断裂。     

基于数字图像相关方法的断层破裂扩展实验研究

活断层是发生构造地震和引起相关地质灾害的主要原因,其中受第四系松散沉积物覆盖的活断层相对于地表出露的断层更具隐蔽性和危险性。因此,活断层破裂及其在沉积层中的扩展研究是地震地质科学和防震减灾工程中的重要课题。为了深入理解活断层破裂扩展特征和机理,本文基于数字图像相关方法开展了破裂在岩石和断层基岩上覆沉积层扩展的断裂实验和地质力学模型实验研究。主要的研究工作如下：     

隐伏活断层未来地表破裂带宽度与位错量初步研究

采用Okada(1992 )有关地震断层地表位移的计算方法和程序 ,依据《建筑抗震设计规范》(GB 5 0 0 11- 2 0 0 1) ,推导了隐伏活断层突然错动产生地表破裂带的临界值 ,即在相隔 5m的水平上 ,位移差超过 0 1m。初步讨论了隐伏活断层地表破裂带随埋深、倾角、断裂力学性质和断面位错量的变化特点。结果表明 :对于隐伏正断层 ,地表破裂带宽度随覆盖层埋深的增加表现出非线性特点 ,具有从小到大 ,再变小的特点 ;地表破裂带位错量峰值随埋深线性递减。在其他参数不变的情况下 ,隐伏正断层倾角越小 ,地表破裂带越偏向下盘 ,并且 ,地表破裂带的宽度也变小。与隐伏正断层相比 ,隐伏走滑断层地表位移差随埋深衰减更快。随着隐伏活断层断面上位错量的增加 ,地表破裂带宽度会显著变宽 ,位错量也随之增大。这些认识和计算结果为城市规划、各种生命线工程和建 (构 )筑物的跨断层设防 ,提供了可以参考的依据     

重新讨论1985年8月23日新疆乌恰M_S7.4地震地表破裂带

前人研究1985年8月23日乌恰M_S7.4地震在卡兹克阿尔特断层上破裂了15 km,本次研究确定该地震在乌恰盆地南缘断层上也破裂了24 km,最终确定本次地震总破裂长度为39 km。实测乌恰盆地南缘断层地表破裂带最大垂直位移量为1.2 m,最小垂直位移量仅0.2 m,平均垂直位移量0.55～0.64 m,这些断层陡坎只是在地表呈现轻微的隆起,肉眼通常难以识别,因此也是震后未能及时发现的重要原因。探槽开挖揭露该逆冲断层倾向南,倾角仅为20°,计算平均水平缩短位移量为1.51～1.76 m,平均倾滑位移量为1.61～1.87 m,与卡兹克阿尔特断层地表破裂带运动性质相同、断错位移量相当。在最大主压应力南北方向投影显示,两条破裂带基本不重合,即本次大地震的极震区西部的应变能量是由乌恰盆地南缘断层破裂释放,东部的应变能量则由卡兹克阿尔特断层破裂释放,隐含着乌恰盆地南缘断层和卡兹克阿尔特断层之间构造关系密切。这两条断层深部很可能归并为同一条软弱的膏盐滑脱面,均属于帕米尔俯冲带的薄皮构造。     

隐伏正断层错动致地表破裂变形特征的研究

通过建立三维计算模型,对隐伏正断层在均匀错动、倾斜错动和翘倾错动方式下地表土体的应力路径、破裂和变形特征进行了研究。根据地表破裂临界值,分析了工程建设“避让带”的宽度和起始位置的变化特征。根据行业规范,提出工程建设“关注带”的确定方法,分析了“关注带”的宽度和起始位置的变化特征,得到以下主要结论:①在断层错动过程中,位于两侧的地表土体应力路径变化明显不同,下盘一侧和上盘一侧分别以三轴拉伸和三轴压缩为主;②地表强变形带与地表破裂带的分布并不一致,需要综合考虑等效塑性应变和总位移比2个指标来评价同震地表错动对建筑物的影响;③当隐伏断层错动的垂直位移达到3m时,工程建设“避让带”的宽度在10—90m范围内变化,受上覆土体厚度和断层倾角的影响最大,而工程建设“关注带”的宽度在150—400m范围内变化,受上覆土体的性质影响最大。     

Influence factors on the ground surface rupture zone induced by buried normal fault dislocation*

The seismic disaster presents a zonal distribution along the fault strike. In this paper, rupture zone of ground surface soil caused by the uniform dislocation, inclined dislocation and warped dislocation of buried normal fault are studied by constituting a three-dimensional finite element model in Automatic Dynamic Incremental Nonlinear Analysis (ADINA). According to the critical value of surface rupture, the variational features and influencing factors of width and starting position of the “avoiding zone” in engineering construction are analyzed by using 96 model calculations. The main results are as follows: (1) Since the rupture zone of the ground surface soil from the point of mechanics is different from the “avoidance zone” from the point of engineering safety, the equivalent plastic strain and the total displacement ratio should be considered to evaluate the effect of the seismic ground movement on buildings. (2) During fault dislocation, plastic failure firstly occurred on the ground surface soil of the footwall side, and then the larger deformation gradually moved to the side of the hanging wall of the fault with the increase of fault displacement. (3) When the vertical displacement of buried fault reaches 3 m, the width of “avoiding zone” in engineering construction varies within the range of 10–90 m, which is most affected by the thickness of overlying soil and the dip angle of the fault.     

Response analysis of buried pipelines crossing fault due to overlying soil rupture

A 3-D soil-pipe nonlinear finite element model with contact element is suggested and the influences of the rupture mode, thickness and rigidity of overlying soil on the response of buried pipeline are analyzed. The numerical results show that the soil rupture mode determines the location of the large deformation or failure of the pipeline, and the plastic deformation of the pipeline occurs at the zone where the plastic deformation or rupture of the overlying soil appears. When the fault dip angle on bedrock...     

断层错动引起的上覆土体破裂演化规律研究

断层引起的地面永久大变形是工程特别是生命线工程地震破坏的重要原因之一, 而研究断层错动下上覆土体变形和破裂的发展演化规律, 则是预测地面永久变形状态和分析断层危害性的基础． 本文采用有限元方法对垂直断层错动引起的上覆土体破裂演化规律进行了研究, 建立了垂直断层作用下上覆土体模拟的有限元模型, 对断层错动作用下上覆土体的破裂发展过程进行了模拟分析, 并分析了加载速率、 土体特性及断层倾角等参数对上覆土体的破裂演化发展过程的影响． 结果表明: ① 断层倾角越陡, 地表出现破裂时需要增加的垂直位移越大; ② 由于惯性力的影响, 断层加载速率对地表破裂所需施加位移和土层破裂角产生一定的影响; ③ 断层类型对土层地表破裂角与膨胀角、 摩擦角之间的关系有很大影响． 该分析结果可为新建工程的抗震设计和已建工程结构的抗震加固等工作提供依据．      

Analysis of fault rupture propagation through uniform soil cover

This paper presents results from numerical simulations of the propagation of an active dip–slip fault rupture through a uniform soil layer covering the rigid bedrock. Following verification of the numerical methodology against field evidence, a parametric study is performed for loose and dense sand, for normally consolidated and overconsolidated clay, as well as for different fault dip angles (normal and reverse faults) and for different thicknesses of the soil cover. The soil is modeled as an elasto-plastic, strain-softening material that obeys the Mohr–Coulomb failure criterion. The study aims at establishing criteria for the approximate depiction of the location and the width of the zone with significant ground surface distortion, where the differential ground displacements induced by the fault rupture may threaten the integrity of man-mad structures.     

Centrifuge modeling of interaction between reverse faulting and tunnel

In this study, a series of centrifuge tests, modeling reverse fault rupture with 60° dip angle, were conducted in a dry sandy soil with a tunnel embedded in the soil layer. The test results showed that the tunnel and soil responses depended on the tunnel position, soil relative density and tunnel rigidity. Tunnels appeared be able to deviate the fault rupture path, while this deviation may be associated with significant rotation and displacement of the tunnel. However, a deeper tunnel was able to diffuse the shear deformation to a wider zone with an unsmooth surface displacement which may cause severe damage to the surface structures. Finally, the tunnel rotation, the location of the fault outcropping, the vertical displacement of the ground surface, the effect of tunnel rigidity on fault rupture path and surface displacement and the effect of soil relative density on fault–tunnel interaction were reported and discussed in this study.     

Co-seismic fault geometry and slip distribution of the 26 December 2004, giant Sumatra–Andaman earthquake constrained by GPS,coral reef,and remote sensing data

We analyze co-seismic displacement field of the 26 December 2004, giant Sumatra–Andaman earthquake derived from Global Position System observations,geological vertical measurement of coral head, and pivot line observed through remote sensing. Using the co-seismic displacement field and AK135 spherical layered Earth model, we invert co-seismic slip distribution along the seismic fault. We also search the best fault geometry model to fit the observed data. Assuming that the dip angle linearly increases in downward direction, the postfit residual variation of the inversed geometry model with dip angles linearly changing along fault strike are plotted. The geometry model with local minimum misfits is the one with dip angle linearly increasing along strike from 4.3oin top southernmost patch to 4.5oin top northernmost path and dip angle linearly increased. By using the fault shape and geodetic co-seismic data, we estimate the slip distribution on the curved fault. Our result shows that the earthquake ruptured *200-km width down to a depth of about 60 km.0.5–12.5 m of thrust slip is resolved with the largest slip centered around the central section of the rupture zone78N–108N in latitude. The estimated seismic moment is8.2 9 1022 N m, which is larger than estimation from the centroid moment magnitude(4.0 9 1022 N m), and smaller than estimation from normal-mode oscillation data modeling(1.0 9 1023 N m).     

剪切破裂源及其近场影响

本文利用有限差分法对垂直走滑断层和垂直倾滑断层两种剪切破裂源在不同埋深和不同破裂尺度(指垂直于地面方向上断层尺度)情况下的近场理论地震图进行了讨论,并得到了地表不同震中距处的加速度付氏谱。通过对上述两种源所产生的近场效应的对比分析,本文得到了以下初步结果: (1) 在埋深相同,断层面宽度相同的情况下,垂直走滑断层源对近场地表的影响比垂直倾滑断层源大。(2) 在垂直倾滑断层源的埋深、破裂尺度相同的情况下,在地表同一震中距处产生的水平位移要比垂直位移大。(3) 两种破裂源在地表同一震中距处产生的位移的最大振幅随破裂尺度的增大而增大,且近似为线性关系;在极震区内不同震中距处产生的位移的最大振幅随震中距的增大而减小,且随震中距的变化率在减小;在地表不同震中距处产生的加速度的付氏谱的主峰周期随震中距的增大而变长,随破裂的增大,付氏谱中主峰周期也加长,且长周期成份愈多;随着破裂源埋深的增加,地表不同震中距处产生的位移的最大振幅变小,即等震线变疏。(4) 走滑断层源产生的加速度付氏谱的主峰周期比倾滑断层源长。