局部复杂场地Rayleigh波传播特性分析的SBFEM模型研究

基于土-结构动力相互作用（SSI）的原理,将求解包含局部复杂地形的散射场问题,分解为规则开挖场地的动刚度、包含复杂构造散射体的动刚度和自由场波动输入3个问题的求解,并依据子结构控制方程,提出了一种高精度的比例边界有限（SBFEM）计算模型。通过计算半圆形河谷和半圆形沉积河谷两个算例,验证了SBFEM计算模型的正确性。较为系统地讨论了矩形峡谷、垂直断层和孤凸山体等常见复杂地形对Rayleigh波场的散射作用。结果表明：峡谷深度、软弱断层破碎带和孤凸山体对Rayleigh波都有一定阻挡作用;峡谷宽度、断层宽度和硬性断层填充物等因素对Rayleigh波散射作用影响不明显。SBFEM分析模型可应用于隔震沟、隔震帷幕设计,对大坝、桥梁等工程的选址提供有益的建议。     

瑞利波探测公路施工隧道含水断层破碎带

断层破碎带的出现必然使岩体的硬度发生明显改善,而瑞利波的传播速度恰与介质的物理力学特性有关。利用瑞利波探测技术,对泉三高速公路某施工隧道含水大断层进行超前探测,并与地质雷达和钻探探测结果比较,结果显示,锐利波探测的断层破碎带宽度与隧道施工揭露的极其吻合,瑞利波是超前预报含水断层破碎带的一种简便、高效的技术。      

不同形状三维凹陷地形场地对地震动影响比较分析

采用有限元离散模型、黏弹性人工边界和中心差分积分格式相结合的方法,开展三维凹陷地形场地地震反应计算,分析了P波和SV波入射下均匀弹性半空间三维棱锥形凹陷、半球凹陷和棱柱形凹陷地形场地对场地地震动的影响特征与差异。研究表明：（1）不同形状的凹陷地形对场地地震动的影响差异显著,即棱柱凹陷地形>半球凹陷地形>棱锥凹陷地形,但不同形状凹陷地形影响之间的差异更多地表现在中频范围内;（2）凹陷地形对地震波具有复杂的散射作用,无论是垂直入射的P波还是垂直入射的SV波（仅竖向或水平向地震动输入）,在凹陷区及附近均能产生两个方向很显著的地震动,且在SV波垂直入射下的凹陷散射更为强烈,其产生的竖向地震动幅值甚至超过水平向的;（3）凹陷地形可能会产生地震动的地形边缘效应,棱柱形凹陷边缘处地震动被显著地放大,而半球凹陷地形、棱锥形凹陷地形中这一效应相对较弱。研究揭示了凹陷边缘陡峭程度对场地地震动有显著的影响,而且凹陷地形边缘效应可能存在并与凹陷边缘陡峭程度密切相关。这一研究结果对实际工程问题分析给出了重要提示：建立凹陷地形的简化分析模型时需要特别关注凹陷边缘部位的合理处理。研究结果可应用于山区工程...     

层状场地中局部不均体对平面P波的散射

利用间接边界元方法,在频域内求解了层状场地中局部不均体对平面P波的散射。利用精确的土层动力刚度矩阵进行自由场反应分析,求得位移和应力响应。通过计算虚拟分布荷载的格林影响函数,求得相应位移和应力;根据边界条件确定虚拟分布荷载,最终得到问题的解答。研究了入射P波时,不均体宽度、埋深、厚度、入射角、入射频率度等参数对地表位移幅值的影响,并与相应自由场的结果进行了比较。不均体对P波散射有重要影响,在工程场地地震安全性评价中,应合理考虑局部不均体对场地设计地震动参数确定的影响。     

渤中凹陷北部中生界顶面断层破碎带量化研究

渤中凹陷是渤海海域最大的生烃凹陷,环渤中凹陷北部潜山带是目前重要的油气勘探区带。渤中凹陷北部中生界以火成岩为主,裂缝对火成岩储层的形成具有重要影响。利用地震方差属性值量化断层破碎带,建立断层破碎带宽度与断层斜距之间的数量关系,构建方差属性值等值线图的方式,结合前人研究的图版和薄片资料,对渤中凹陷北部中生界顶面断层破碎带进行量化、验证和分析。结果显示:研究区内的断层均有多个断层核,断层系统复杂,断层破碎带宽度由几百米至几千米不等,断层破碎带对中生界火山岩影响作用显著;断层破碎带的影响程度与距断层的距离呈负相关,即距离断层越远,影响程度越弱,方差属性值越小;利用地震方差属性值量化断层破碎带的结果与相关研究的图版规律、薄片资料的显示结果契合度高,对断层破碎带的量化研究具有较高的可行性。     

P波作用下跨断层隧道轴线地震响应分析

基于近场波动有限元方法并结合黏弹性人工边界条件,针对3D断层场地,通过求解等效二维场地地震响应,从而获得3D场地地震动输入的自由场响应,并将自由场响应转化为3D模型边界面上的等效节点力,从而建立含断层3D场地P波入射的倾斜输入方法。自由场算例验证所提方法具有较好精度,进而基于建立的输入方法,开展了跨断层隧道地震响应的数值模拟研究。数值模拟结果表明:在P波作用下,隧道跨断层部位处于拉、压、剪切的复杂受力状态,且断层处的隧道衬砌地震响应明显大于其他部位的地震响应;围岩的力学性质与断层的力学性质相差越大,断层处衬砌的地震响应放大越明显;断层处衬砌地震响应随断层深度的增加而增加。另外,跨断层隧道的地震响应受P波入射角度的影响较大,随P波入射角度的增加,断层处隧道衬砌的轴力、弯矩先增加后减小,而剪力具有逐渐减小的规律。     

断层破碎带剪切作用下力链结构及演化光弹试验研究

断层破碎带颗粒介质体系中力链形成机制及其演化规律,是研究含破碎带断层蠕滑、黏滑以及地震等地质灾害发生的重要基础。借助颗粒体双轴加载双向流动光弹试验装置,对断层破碎带剪切作用下的宏观力学特性、破碎带中光弹力链网络结构及演化、力链空间分布及强度等特征进行研究。结果表明:(1)断层破碎带中,岩体颗粒之间通过力链传递力的相互作用;破碎带与断层诱导裂隙带之间存在易滑段与不易滑段,揭示了剪切作用下破碎带空间变形非均匀特征;破碎带中岩体颗粒物质的重新排列,引起易滑段与不易滑段的动态演化。(2)破碎带中较大粒径角砾岩颗粒承载了断层上下盘之间的主要挤压及摩擦力,起到了骨架支撑的作用;随着剪力的增长,强力链方向发生偏转,向竖直方向靠拢。(3)处于高应力状态的断层远离破碎带边缘位置岩体颗粒更容易发生破坏、碎裂、重新排列,从而引起强力链空间方位的变化;随着竖向荷载的增大,强力链空间方位由明显各向非均匀性向各向均匀性转变。(4)竖向荷载变化对断层破碎带中力链比例和颗粒接触力分布频率影响较小,对力链空间分布及强度影响较大。     

北京延庆新城规划区场地动力响应数值模拟

在地震多发的中国内陆环境下,场地稳定性评价越来越引起重视。为了研究北京延庆新城规划区大型场地动力响应特征,在分析延庆新城规划区第四纪覆盖层和断裂的空间分布规律基础上,基于数值模拟方法,运用有限差分数值模拟软件FLAC3D建立了规划区三维仿真模型,并对新城规划区场地动力响应进行了仿真,最后通过定义场地速度响应系数来刻画场地动力响应特征。结果表明：对于“土岩组合”的典型场地,在低频剪切波的激励下,第四纪覆盖层的厚度将引起不同程度的场地速度响应,第四纪覆盖层越厚,场地速度响应系数越大,动力放大程度越高;对于下伏断裂的复杂场地,剪切波传播路径变得极其复杂,断裂对地表速度响应系数有放大作用,放大程度与断裂分布形式和发展规模有关。     

基于间接边界元方法的SH波倾斜入射下边坡动力响应特征

地震作用下山体边坡的动力响应规律与地震波入射角度显著相关,本文基于间接边界元方法研究SH波倾斜入射下边坡的动力响应特征.基于间接边界元理论研发了用于边坡岩体动力响应分析的边界元程序,通过计算平直裂隙对弹性波的反射及散射波波场对程序进行验证,并详细探讨了不同类型的边坡在各种入射角度的应力波作用下的响应特性.SH波铅直向入射时,半圆形凹陷地形的谷肩位置地震动振幅最小,而半圆形凸起地形的最高点位置振幅最大,单面坡的坡肩位置地震动最大,楔形凸起地形的坡顶地震动最强烈;当SH波入射角增大,各类边坡的最大地震动力响应位置也有所偏移,地震放大系数亦随之变化;以樟木镇边坡为实例揭示了复杂形态边坡岩体中的局部凸起对地震动的放大作用.研究结果表明,边坡微地形特征对地震动力响应影响非常大,凸起山体坡顶的动力放大效应最为显著;同一边坡在不同入射角地震波作用下产生的动力放大系数以及发生的位置不同.本文的研究结果对评价坡体稳定性和边坡工程抗震防设等具有重要的指导意义.      

走滑断层弯曲破碎带特征及对深部岩溶储集层发育的控制作用

为了提出断层弯曲破碎带概念,并探讨其对岩溶储集层发育的控制作用,调研了前人对断层破碎带的研究成果,以塔中北斜坡的三维地震数据体为基础,对断层弯曲破碎带进行识别,并利用均方根振幅属性等多种储集层预测技术对岩溶储集层进行预测。结果表明,断层弯曲破碎带是断层破碎带的一种重要类型,走滑断层破碎带可划分为端部、连接、弯曲、围岩4种破碎带类型。塔中ZG8-ZG11井区发育走滑断层弯曲破碎带,破碎带区域内奥陶系深部岩溶储集层发育。分析认为,弯曲破碎带内发育与主干走滑断层大角度相交的伴生断层,形成连通的网状断层系统,深部热液通过主干走滑断层进入网状断层系统,在埋藏溶蚀作用下围绕断层交叉区域形成优质岩溶储集层。综上所述,走滑断层弯曲破碎带对塔中深部岩溶储集层发育有控制作用。     

豫北煤田焦作、鹤壁、安阳矿区二1煤层优势断裂构造地球化学特征

对豫北煤田焦作、鹤壁和安阳矿区二１煤层的对比样（构造煤和原生结构煤）进行了显微镜和扫描电镜下观察、镜质组反射率测试、Ｘ射线衍射分析和化学分析等。研究结果表明,构造煤因发生了断裂构造地球化学作用,其化学成分、元素成分和煤分子结构与原生结构煤明显不同：构造煤的挥发分含量（％）比原生结构煤一般要小０．５５～３．４８,平均要小１．５９;构造煤和原生结构煤相比,碳含量（％）平均增加了３．１,氢含量（％）平均     

岩石断裂作用的复杂性和混沌动力学

断裂是一个复杂的动力学体系,受到岩石结构、反应、流体迁移、应力、岩石变形和力学等多种地质因素和过程的耦合控制。本文建立了断裂体系的反应-输运-力学耦合动力学模型并编制了模拟程序。以湖南水口山矿区为例,通过动力学模拟表明不同地层岩性的断裂渗透率大小和演化特征存在显著差异,断裂作用促使岩石渗透率的空间非均匀性增强,从而有利于流体的局部汇聚和矿体的形成。断裂中压力随时间呈现出非周期振荡变化,反映了断裂演化的混沌特征。     

COMPLEXITY AND CHAOTIC DYNAMICS OF ROCK FAULTING

Fault is a complex dynamic system controlled by the coupling of rock texture, reaction, fluid flow, stress, and rock deformation mechanism. A coupled reaction-transport- mechanical dynamic model for fault system is established and described in this paper. An example is presented for the Shuikoushan deposit, Hunan. The results of dynamic simulation indicate that the evolution and magnitude of fracture permeability of different rocks are different, and that faulting can enhance the spatial heterogeneity of rock permeability and facilitate fluid flow and mineralization in local fault zone. The pressure for a fault usually shows a variation mode of aperiodic oscillation with time, which reflects the chaotic behavior of the evolution of a fault.     

Spatial variations in damage zone width along strike-slip faults: An example from active faults in southwest Japan

Field investigations reveal spatial variations in fault zone width along strike-slip active faults of the Arima–Takatsuki Tectonic Line (ATTL) and the Rokko–Awaji Fault Zone (RAFZ) of southwest Japan, which together form a left-stepping geometric pattern. The fault zones are composed of damage zones dominated by fractured host rocks, non-foliated and foliated cataclasites, and a fault core zone that consists of cataclastic rocks including fault gouge and fault breccia. The fault damage zones of the ATTL are characterized by subsidiary faults and fractures that are asymmetrically developed on each side of the main fault. The width of the damage zone varies along faults developed within granitic rocks of the ATTL and RAFZ, from ∼50 to ∼1000 m. In contrast, the width of the damage zone within rhyolitic tuff on the northwestern side of the ATTL varies from ∼30 to ∼100 m. The fault core zone is generally concentrated in a narrow zone of ∼0.5–∼5 m in width, consisting mainly of pulverized cataclastic rocks that lack the primary cohesion of the host rocks, including a narrow zone of fault gouge (<0.5 m) and fault-breccia zones either side of the fault. The present results indicate that spatial variations in the width of damage zone and the asymmetric distribution of damage zones across the studied strike-slip faults are mainly caused by local concentrations in compressive stress within an overstep area between left-stepping strike-slip faults of the ATTL and RAFZ. The findings demonstrate that fault zone structures and the spatial distribution in the width of damage zone are strongly affected by the geometric patterns of strike-slip faults.     

大凉山次级块体的整体抬升和逆时针转动

大凉山次级块体现今仍处于强烈隆升状态,周边地震活动频繁,对研究青藏高原东缘晚新生代以来的构造变形和隆升方式具有重要意义。本文基于90 m 分辨率的SRTM 数据,对大凉山次级块体及周边地区的高程进行了200 m 间隔的地形重分类,计算了地形起伏度、坡度及横跨主要断裂的廊带剖面,统计对比了该块体和相邻块体之间的高程-坡度分布。结合地震活动、大地电磁测深剖面、GPS 速度场和地质剖面,发现大凉山次级块的整体高程较高、地形较平坦,向四川盆地阶梯式下降。以安宁河断裂与则木河断裂交汇处为界,块体北部和南部的地形地貌差异较大。北部存在大量挤压抬升,南部挤压分量减少,走滑分量有所增加。在四川盆地和川滇块体的挟持下,大凉山次级块体在南东向运动时,以自身的逆时针旋转变形取代了块体内部的结构破坏和差异隆升,实现北部挤压至南部拉张的构造变形转换和整体抬升。     

Growth, linkage, and termination processes of a 10-km-long strike-slip fault in jointed granite: the Gemini fault zone, Sierra Nevada, California

Field-based structural analysis of an exhumed, 10-km-long strike-slip fault zone elucidates processes of growth, linkage, and termination along moderately sized strike-slip fault zones in granitic rocks. The Gemini fault zone is a 9.3-km-long, left-lateral fault system that was active at depths of 8–11 km within the transpressive Late-Cretaceous Sierran magmatic arc. The fault zone cuts four granitic plutons and is composed of three steeply dipping northeast- and southwest-striking noncoplanar segments that nucleated and grew along preexisting cooling joints. The fault core is bounded by subparallel fault planes that separate highly fractured epidote-, chlorite-, and quartz-breccias from undeformed protolith. The slip profile along the Gemini fault zone shows that the fault zone consists of three 2–3-km-long segments separated by two ‘zones’ of local slip minima. Slip is highest (131 m) on the western third of the fault zone and tapers to zero at the eastern termination. Slip vectors plunge shallowly west-southwest and show significant variability along strike and across segment boundaries. Four types of microstructures reflect compositional changes in protolith along strike and show that deformation was concentrated on narrow slip surfaces at, or below, greenschist facies conditions. Taken together, we interpret the fault zone to be a segmented, linked fault zone in which geometrical complexities of the faults and compositional variations of protolith and fault rock resulted in nonuniform slip orientations, complex fault-segment interactions, and asymmetric slip-distance profiles.     

基于动三轴试验的层间错动带动孔压特性及能量分析

2008年汶川地震触发的大光包滑坡滑带形成背景是渗水层间错动带,该带强度变化是决定滑坡启动的主要因素,动孔压发展是土体材料强度劣化的根本原因,故基于系列室内动三轴试验研究该带材料孔压特性。结果表明,动载下层间错动带材料孔压快速增长,循环剪应力比越大,孔压增长越快,不同荷载条件下应变达到5%时动孔压比等于1,材料液化,根据动孔压比与振次比曲线的拟合关系提出幂函数应力模型。从能量角度描述层间错动带材料孔压增长特性,揭示出循环剪应力比对累积能量耗损与动孔压比曲线影响较小而围压对其影响较大,并进一步提出孔压增长的能量模型。     

珠一坳陷新生代断裂体系特征及其转型机制

运用丰富的三维地震资料, 在断裂体系静态刻画与动态分析的基础上, 分析珠一坳陷新生代断裂发育的时空差异性, 并就断裂转型机制进行探讨.结果表明: 断裂体系发育差异性及转型受控于不同区域动力学背景及岩石圈的差异伸展机制.裂陷期(E₂w-E₂e), 控盆断裂由始新世的北北东、北东-北东东向向近东西、北西西向转变, 岩石圈伸展作用由宽裂谷方式向窄裂谷方式转变以及由陆(北)向海(南)的迁移, 造成了断裂活动北强南弱及其向北扩展, 推测是因为印支地块的旋转挤出和古南海的俯冲导致区域应力场由北西向顺时针转变为近南北向拉张, 进而产生了断裂的幕式特征变化; 裂后拗陷期(E₃z-N₁z-N₁h), 断裂活动微弱, 推测与岩石圈伸展中心逐渐向南迁移至南海扩张中心, 南海北部陆缘整体处于裂后沉降阶段有关; 构造活化期(N₁y-N₂w-Q), 先期北西西向、近东西向控盆断裂复活, 近东西、北东和北西向走滑断裂形成, 推测与弧-陆碰撞作用产生的北东东向右旋走滑作用有关.现今断裂体系特征体现了多期构造运动的叠加效应, 明确断裂发育的时空差异性对于珠一坳陷油气勘探具有重要指导意义.     

从地震信息看新生代郯庐断裂带的展布与活动

郯庐前新近纪断裂带为中国东部滨太平洋地区一条巨型张扭走滑构造带。利用地震信息分析地质结构,可将其分为南、中、北三大段和七亚段。按其影响范围的规模可划分为广义和狭义两类:广义郯庐前新近纪断裂带地质结构是“两凹夹一隆”,狭义郯庐前新近纪断裂带则指高垒带与两侧(邻)的断层组合。断裂带内外都发育有反转、花状构造。狭义郯庐前新近纪断裂带走向为NNE,仅在嘉山以南为NE向,其两侧的前新近纪断层大体上都为EW、NE和NEE走向,与狭义郯庐断裂呈锐角相切。古近纪构造层中,由南到北郯庐断层两侧箕状断陷边界都由生长断层所组成,说明郯庐断裂两侧的古近纪断陷应属拉张盆地,并非拉分盆地,郯庐古近纪断裂动力学是拉张而非拉分构造应力场。古近纪构造层在拉张翘倾运动中叠加了右旋走滑地质应力,这种右旋走滑应力是太平洋板块向西俯冲至欧亚板块之下的结果。中生代郯庐断裂的动力学表现为库拉板块向北俯冲至欧亚板块之下形成的左旋平移现象。郯庐断裂NE向平移走滑与北西向隐蔽断裂的相交处是发生破坏性地震的构造部位,因此,应特别重视对高丽营北东向生长断层与渤中-孙河-南口北西向隐蔽断层相交处地震动向的监控。