粘滑过程中的多点错动

在实验室利用分布式多通道瞬态信号采集系统,从近场条件下研究了岩石粘滑过程中沿断层的声发射信号的初动到时和初动方向空间分布,并结合瞬态高频应变记录系统观测沿断层的应变分布特征,对粘滑过程中的震源错动行为进行了研究。实验在双轴伺服加载系统上进行。分析表明,一次突发应力降对应的瞬时震源滑动过程是由多次更短暂的微小错动组成的,每次短小错动都产生自己的声发射事件,并依次对应不同的应变值快速改变。而每一次的微小错动也可能不止一个位错点,而是对应空间上多个启动点,从振动波初动信号的空间分布形式与沿断层应变场不均匀分布中可以找到证据。近场条件下观测到的粘滑过程多点错动现象对于理解震源过程的复杂性,解释现场地震震源不确定性与震源机制解的高矛盾比现象提供了可能的依据。     

粘滑过程中的多点错动

最近十多年来,通过高密度宽频带台网对许多地震的观测发现,一些大地震并非只由一个震源引起,在地震的瞬间可能有多个震源存在.例如汶川地震就曾经被拆解为多个顺序发生的次级地震.那么在实验室尺度上的粘滑事件可能存在类似于天然大地震的多震源或多点位错现象吗?本文从声发射和应变场两方面来分析粘滑过程中震源多点错动的现象,包括对粘滑事件的定位,近场声发射波的初动方位空间分布,应变场形态,快速滑动应变波振荡频率和失稳瞬间的应变增量初动方位空间分布等.     

汶川M_w7.9地震的同震粘滑错动过程研究

正大地震对地面的破坏程度往往与断层错动过程有直接关系。2008年5月12日06时27分59.0秒(GMT),在中国汶川发生了M_w7.9地震(31.06°N,103.37°E,h=7.6km)。地震发生后,在震中距5.2°~121.0°的范围内,周至台(Δ=5.2°)数字水位仪和全球数字地震仪台网(GSN)74个台(Δ=5.3°~121.0°)的宽频带(BH)和甚宽频带(VH)数字地震仪都很好地记录到了同震粘滑高频振动激发出的体波震相Xs和同震止滑低频振动激发出的勒夫型面波     

大尺度雁列断层粘滑运动数值模拟

通过ANSYS软件建立二维雁列断层模型,采用粘弹性力学参数,建立摩擦系数接触单元,模拟10万年时间大尺度雁列走滑断层活动（地震相关活动）,分析挤压条件下的断层活动特征,研究结果表明：①断层时空区域不同,所受应力也不同,接近贯通区域重合地区所受应力较大,粘滑运动剧烈,由贯通区域向断层两侧逐渐延伸,所受应力依次减小;②摩擦系数越小,地震发生频率越高,地震运动周期越短,则位错量相对较小,易发生震级较小地震;摩擦系数越大,地震发生频率越低,地震运动周期越长,则位错量相对较大,易发生震级较大地震;③给定的边界挤压速率越大,地震发生频率越高,地震运动周期越短,则位错量增大,易发生震级较大地震。     

实验室尺度典型断层系统破坏、前兆及粘滑过程数值模拟

尽管实验室尺度典型断层模型的基本物理、力学参数已知,载荷、边界条件明确,但其变形、破坏、前兆及稳定性的综合数值模拟并不容易。实验室尺度模型的数值模拟可为大尺度模型的模拟积累经验,并提供某些必要的技术基础。文中主要从数值模型的角度,评述实验室尺度模型中引入非均质性和粘滑过程模拟的各种方法,着重介绍了2种模型:断层-岩石系统的非均质应变弱化模型和摩擦强化-摩擦弱化模型。在第1种模型中,提出利用事件的频次-能量释放关系的斜率绝对值的不同演变规律评价断层的不同应力状态。在挤压雁列区贯通过程中,剪切应变降对岩石破裂具有更为灵敏的指示作用,可能比声发射更为有效。在第2种模型中,通过控制内摩擦角在粘着和滑动两阶段不同的演变规律实现断层粘滑过程的模拟。尽管在提出的摩擦强化-摩擦弱化模型中未引入速度,但由于对节点的运动方程进行求解,所以节点速度在粘着和滑动两阶段将发生变化。指出以下需要进一步研究的问题:1)亟待发展适于地质体材料变形、破坏及运动整个过程模拟的计算力学模型;2)亟待发展复杂断层系统中断层稳定性的可靠判别方法;3)亟待发展动力学方程的高效求解方法。     

断层水平错动下河流演变过程的数值模拟研究

在活动构造区, 河流地貌对构造活动具有明显的响应, 地貌形态和水系形态能够很好地记录构造活动信息。 基于地貌演化理论, 考虑断层的左旋错动作用及降雨等因素, 利用数值模拟方法, 定量研究河流形态在断层水平错动及流水侵蚀内外力作用下的动力学演变过程。 初步的计算结果显示了河流形态与断层走滑运动的耦合效应。 断层发生水平左旋滑动促使该处河道两侧的陡坎发生相对错动, 形成弯转水系, 伴随河流的侧向侵蚀作用, 河道上下游连续被拓宽, 河道下游右侧堆积了较厚的沉积物, 而河道上游左侧由于受到较强流水侵蚀作用很难堆积沉积物。 分别对河道上游和河道下游的横剖面形态进行对比分析, 表明由于断层水平错动效应, 使得河道下游两侧呈现不对称特征, 而河道上游依然保持着明显对称性。 同时, 河道剖面形态对断层水平错动作用有积极的响应, 由于断层持续左旋走滑运动, 断层处剖面的高程突然增加, 坡度也随之突然变陡。 数值模拟结果与实际地质考察结果有着很好的一致性, 证明了理论和数值模型的可靠性。     

电阻率横向剖面探测走滑断层的数值模拟研究

本文从走滑断层难以探测的实际出发,讨论了其物性特征。通过对实际模型的数值模拟,讨论了纵、横向剖面电阻率的变化特征。数值模拟结果证明横向剖面和纵向剖面相比在断层探测中有明显的优越性,为走滑断层探测提出了新的思路。     

逆断层错动对隧道工程影响的数值模拟

由于断层错动导致的围岩永久变形会对隧道结构产生危害,为研究隧道在逆断层错动下的变形与受力特征,本文以成兰铁路穿越北川—映秀断裂的跃龙门隧道工程为研究对象,利用Abaqus软件建立穿越逆断层隧道结构的数值模型,选择参数和设定边界条件,模拟分析在逆断层错动作用下隧道衬砌结构的受力与变形情况.结果表明:逆断层错动引起隧道衬砌...     

横向断层对主断层粘滑扩展过程阻止和滞后作用的实验研究.

本文给出了一种带有软弱障碍体的粘滑实验结果.软障碍体由垂直于主断面的孤立锯缝加以模拟.实验表明,这种软障碍体对粘滑失稳扩展有明显的阻止(或称为止裂)和滞后作用.这种止裂或滞后作用依赖于锯口的深度l和施于主断面上的正应力x.止裂和滞后效果随锯口深度增加,滞后效果并不单调随断面上正应力增加,滞后时间和平均正应力曲线呈V形分布.沿断层的视破裂能G表明,失稳扩展停止或滞后的前方往往不是高能垒,说明破裂的停止或滞后并不单是高能壁垒阻挡一种机制,软障碍体具有另一种止裂机制,它可能是通过对应变能的吸收而起到使失稳扩展停止或滞后.本实验还展示了在粘滑事件之间时空上的复杂图象,如本实验中复合构造格架情况下所见的那样,这对理解强震序列的时空关系会有所启发.粘滑扩展过程的停止或滞后机制的研究将有助于粘滑机制的完善.      

水的扩散与断层的粘滑

在实验过程中发现,将压力水注入花岗岩样品的切割裂纹,则一次注水可触发一系列的粘滑事件,每次粘滑都产生了明显的应力降和位移,並伴有巨大的声音。为了解释这种实验现象,本文提出了新的概念和模式,从而将在均匀情况下的摩擦准则扩展应用於非均匀状态。 弱化断层非稳定性的不均匀模式假定压力水随时间沿断层面扩散,根据临界水压将断层面划分成“滑移区”和“闭锁区”。随着水随时间的扩散,“滑移区”不断扩大,该区的剪应力连续下降並向“闭锁区”转移,以保持整个断层面的宏观平衡,这个过程将持续进行到粘滑突然发生时为止。 将实验的实测数据和模式的计算结果相比较,发现只要“闭锁区”上的积分平均剪应力和有效正应力满足摩擦准则,则粘滑不稳定性就发生。水压的增加使有效正应力下降,而应力转移又使剪应力增加,由水扩散而引起的这二种作用的共同结果产生了弱化断层的粘滑不稳定性。 该模式较好地解释了实验结果,也可用於对余震和水库地震机制的解释。     

昌马断裂带断层岩研究及其粘滑,蠕滑特征

在对断层岩的分布、内部结构、宏观变形及断层泥中石英颗粒形态、表面特征研究分析的基础上，讨论了昌马断裂带粘滑、蠕滑特征。同时指出，昌马断裂带虽以粘滑运动为主，但仍伴有一定量的蠕滑活动。     

断层错动对隧道的影响分析

隧道通过潜在地震地区时.存在活动断层的错动形成的重大工程地质问题的威胁.基于断裂儿何学和震源的运动学特征,以广州地区活动断裂为研究背景,通过在断层左右盘施加一定的速度荷载,模拟了断层错动达到0.28 m时对隧道的影响.得出隧道结构在断层错动影响下的位移和应力的变化规律.分别建立隧道结构距离断层50 m、100 m、150 m三个模型,比较了三种情况下的位移和应力状况.归纳出隧道与断层之间的安全距离.     

断层泥在粘滑机制中的作用

介绍了断层泥的物理特性和力学性质,并对粘土断层泥的矿物成份、围压条件、含水量等与断层粘滑的关系进行了评述。     

二台断层与典型走滑断层的比较

本文对比了可可托海—二台断层与北安纳托里亚断层和圣安德列斯断层,指出了它们在断层运动性质、大地震活动、断层的组合特征以及走滑断层的典型构造地貌等方面都很相似。但是,由于它们所在大地构造部位不同,像二台断层等大陆内部走滑断层的规模一般都小,运动速率较低,大地震复现周期较长;板块边界走滑断层普遍表现为规模大、运动速率高、大震复现周期短的特点。     

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。     

断层走滑产生的不对称谷地

提出了有别于前人的不对称谷地新模式:当河流穿越走滑断层后,在迎断层走滑运动一岸形成陡峻的基岩谷坡,而在顺断层走滑运动一岸则留下堆积物,从而形成两岸不对称的谷地。谷地中,堆积物的宽窄取决于断层走滑距离,堆积物的新老决定于距河的远近。断层走滑除可能使河流出现断错、同步弯曲外,还可能形成不对称谷地,究竟表现为哪种形式,与断层走滑速度和河流侵蚀力两者的比例有关。该模型的提出,为更好地把握内外力作用的相互关系、研究断层走滑运动细节以及识别断层走滑运动可能表现出的一些假象提供了新思路。运用这一模型,分析了青藏高原东北缘黄河穿越海原断裂带及香山-天景山断裂带形成的不对称谷地,并讨论了两断裂带的走滑量问题。     

断层错动的危险性分析方法

为了分析地震时断层错动对建筑场地的影响,本文在地面震动危险性分析方法基础上提出了一种估计断层错动风险的概率方法,该法考虑了断层破裂边界效应以及参数不确定性的影响。最后文中还给出了一个算例,以展示建议方法的计算过程。     

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。