基于蒙特卡洛模拟的概率断层位错危险性分析

同震位错对川藏铁路等跨断层工程的安全造成严重威胁,合理评价活断层的位错参数具有重要的应用价值.由于传统的确定性评价方法存在无法区分工程场点的重要程度和其在断层上的相对位置等缺陷,越来越多的学者推荐采用概率断层位错危险性分析（PFDHA）.然而基于经典的概率性方法开展PFDHA原理复杂且实现困难,不利于吸收断层地震活动性研究的最新成果,也有碍于PFDHA的普及和推广.相比经典的概率性方法,蒙特卡洛模拟具备逻辑清晰易懂、程序易于实现且兼容性和扩展性好的优点.本研究基于蒙特卡洛模拟实现了概率断层位错危险性分析的一般性算法,并将该方法应用于鲜水河断裂带的炉霍段.结果显示,PFDHA的结果随着超越概率水准或工程场点在断层上的相对位置的不同而显著变化.适当考虑最大同震位错和地表破裂长度的不确定性得到的位错参数更加合理.超越概率大于等于100年2%时,PFDHA的结果显著小于确定性方法的结果.然而随着断层活动性的提高,100年超越概率1%的结果可能会大于确定性方法的结果.按照不同类型工程的抗震设防水准选择相应的PFDHA评价结果,既有利于工程的安全,也有助于大多数工程节约成本.PFDHA相比确定性方法具备多种优势,有望为川藏铁路等重大工程的抗断参数评估提供技术支撑.     

穿越东非大裂谷工程地质与线路比选分析——以内罗毕—马拉巴铁路为例

内罗毕-马拉巴铁路工程是东非\"北方走廊\"的重要组成部分,是非洲内陆国家发展经济的主干线。铁路线路工程穿越的东非大裂谷,地质复杂、火山地貌、断裂带和拉张裂缝等不良地质极为发育,而东非大裂谷铁路工程建设的研究资料十分匮乏。为了研究穿越东非大裂谷的铁路线路,本文首先介绍了东非大裂谷地形、地貌、裂谷的发育机理、区域断裂分布,然后以铁路沿线经济控制点为主轴,制定了穿越东非大裂谷铁路线路3大通道。分别对线路3大通道穿越的地形、地貌比选,穿越的地层、断裂和地裂缝比选,穿越地震、火山发育比选以及穿越的不良地质灾害比选,最后比选各线路通道的投资以及优、缺点,最终推荐南线通道方案。该线路方案得到肯尼亚政府的肯定和采纳。目前内马铁路正试运营,实践表明内马铁路裂谷段选线是较为成功的,可为同类工程提供借鉴。     

穿越断层隧道地震响应规律动力对比试验研究

为研究断层隧道在地震作用下的影响规律,开展了穿越断层隧道的振动台对比试验,介绍了试验材料、相似比选取及动力加载情况。试验表明：地震作用下衬砌腰侧的受力明显大于顶部和底部,在进行结构设计时应进行加强;隧道衬砌具有一定的加速度放大效应,衬砌结构的加速度傅里叶谱值主要集中于中低频,在结构临近破坏时,加速度和应变响应值将发生突变;隧道衬砌裂缝发展与结构位置密切相关,地震作用下底部裂缝由内向外发展,腰部裂缝由外向内发展;断层走向与隧道纵向夹角越小,地震对隧道的作用越大,裂缝的发育越明显;隧道的最终破坏形式为管节本身的纵向拉裂缝和管节接缝处的错台组成。该研究成果为穿越断层隧道的相关设计提供参考。     

走滑断层位错作用下城市地铁隧道损伤分析

为了能够较快速、较准确地估计出穿越活断层城市地铁隧道的抗震薄弱部位,基于拟静力弹塑性有限元方法,以北京地铁7号线工程的区间隧道作为研究对象,采用数值模拟的方法研究了在走滑断层位错作用下地铁隧道的非线性反应。通过在数值计算模型中嵌入合理的损伤塑性本构模型,利用损伤指标研究了走滑断层下衬砌结构的破坏形式,重点分析了结构损伤的开始部位、发展过程以及最终的损伤程度,并建立了能够估计结构损伤范围及破坏最严重位置的统计关系式。结果表明,在走滑断层作用下衬砌结构出现损伤的区域主要发生在活断层附近一定范围内,拱腰部位的损伤最为严重;增加基岩上覆土层厚度能够减轻衬砌结构的破坏程度,当基岩上覆土层厚度大于等于临界覆盖土层厚度时可以不考虑走滑断层断裂对于浅埋隧道的影响。衬砌结构损伤区域长度与震级的大小和土层厚度有关,损伤最严重的位置随土层厚度的变化而改变。研究成果为穿越活断层地铁隧道的抗震设计和安全性评价提供了参考依据。     

穿越富水断层破碎带隧道塌方机理分析与预防

穿越山岭隧道常遇到断层破碎带。由于缺乏断层复杂岩体稳定性机理的研究与理解,隧道施工曾导致多起大变形甚至塌方事故。本文使用理论分析、离散元数值模拟方法,结合现场监测结果,对江西某高速铁路隧道过断层施工案例进行综合分析。在考虑断层破碎带地下水影响的前提下,开展富水断层破碎带施工过程中围岩失稳塌方的内在机理研究。研究得出：隧道穿越富水断层破碎带时,岩体结构面发育,且结构面间多充填碎屑或黏土充填物。随着施工扰动引发结构面发生错动,流动的地下水进一步对结构面形成冲刷,从而降低围岩的完整性与力学强度。断层破碎带抗剪强度越低,围岩松动范围越大,塌方概率与范围越大。根据“防水排水,强化围岩”的思路,本文提出了穿越断层破碎带防塌方的措施：设置迂回导坑、地层预加固、增加支护强度、优化施工工法及加强监控量测,可为此类隧道工程的安全施工提供参考。     

汶川Ms8.0级地震断层同震位移特征对断裂构造分析的启示

断裂构造是地壳浅层次最重要的构造现象,也是构造地质学研究的主要领域之一.以稳态区域构造应力作用下的岩石变形破坏过程为基础的断裂构造分析理论和方法,受到强地震过程中断裂构造复杂同震变形的挑战.汶川Hs8.0级地震过程中断层同震变形的几何学、运动学特征及其空间变化,为检验断裂构造的几何学、运动学分析的相关理论和方法提供一个现实的范例.本文通过对汶川Ms8.0级地震断层同震位移的方式、规模和空间变化特征分析,提出沿断层走向的位移方式和位移规模的空间变化是区域构造应力和地震动力复合作用的结果.汶川地震过程中地震断层的位移方式和位移规模的空间变化以及同一构造部位的断层摩擦镜面中却出现了不同运动学指向的擦痕线理等特殊的构造现象,对历史断裂构造变形分析中所遵循的某些原则提出了挑战,需要重新审视和研究.     

断层穿越斜坡场地效应分析:以绵竹九龙镇山前斜坡为例

2008年汶川MS8.0强震中频繁出现断层穿越的地震滑坡,除发震断层的地震特性外,其自身场地效应也会影响斜坡动力响应,甚至加剧斜坡失稳。本文以汶川极震区绵竹九龙镇山前斜坡为典型实例,根据余震作用下斜坡不同高程实测地震记录及地脉动测试结果,通过单点谱比法(H/V),获得斜坡地震动加速度随高程的放大系数和地脉动的频谱特征曲线,通过曲线对比分析发现: 1)斜坡两次典型余震PGA放大系数随高程先减小后增大,呈明显的凹形特征,凹形部位位于断层位置,其PGA放大系数约为斜坡底部测点0.4~1.0,坡顶测点的PGA放大系数则达到1.0~2.0倍。由于PGA放大系数是在断层位置出现的明显拐点,从地质上表明了断层场地效应明显; (2)各点NS/UD谱比普遍大于EW/UD谱比。断裂区域卓越频率为低频1Hz,小于其他测点的频率,对应谱比最大值高达3.0~4.0,高于其他测点谱比最大值。说明地表破裂处岩土体松散破碎,导致断层处的卓越频率较低,近场余震传播过来的高频地震波被断层隔断,地震加速度放大系数在该处发生了衰减,场地效应显著。本研究有助于增强断层场地对斜坡动力响应影响的认识。     

汶川特大地震后成都盆地内隐伏断层活动性分析

成都盆地内主要有3条隐伏的活动断裂带,包括大邑断裂带、蒲江-新津断裂带和龙泉山断裂带,它们在第四纪都表现出了一定的活动性.\"512\"汶川特大地震后,笔者实地考察的结果表明,在汶川特大地震中成都盆地中的隐伏断裂没有产生新的活动性,目前成都盆地不存在发生特大地震的危险性,是安全的.     

汶川地震区跨断层带公路隧道震害形成机理分析

?为提高震区断层破碎带段隧道结构的抗震性能,结合震区公路隧道断层破碎带段震害调查资料,对隧道断层破碎带段震害机理及抗减震对策进行研究。研究结果表明:隧道非活动性断层段震害类型与普通段无异,仅需采取抗震措施进行加固即可,震害主要由地震惯性力造成,强制位移影响很小。隧道活动性断层段震害严重,须进行抗震设防,造成严重震害的主要影响因素为断层错动,地震惯性力次之。隧道活动性断层段须采取抗震措施与减震措施相结合的对策共同应对。     

汶川大地震触发地质灾害的断层效应分析

512汶川大地震(Ms=8.0)触发了数以万计的崩滑地质灾害,分布范围约10万km2。这些地质灾害的空间分布固然受地形地貌、地层岩性和人类工程活动等因素的影响,然而主要还是受到发震断层的控制,沿发震断裂呈带状分布。通过都(江堰)汶(川)路、北川安县、马公红光3个地质灾害集中发育区的研究,发现汶川地震地质灾害具有以下断层效应：（1）由于属逆断型发震,地质灾害的分布表现出了明显的上/下盘效应,发震断层上盘较下盘地质灾害分布密度高、范围广、规模大;（2）断层上盘0~7km范围为地质灾害强发育区,断层上盘7～11km范围和下盘0～5km范围为地质灾害中等发育区;绝大多数的大型滑坡都分布在距断层5km范围内;（3）断裂的转折和错列部位是地质灾害集中发育部位,大型地质灾害也往往发生在这些部位;（4）滑坡滑动的优势方向为NW-SE, 与映秀北川断裂的空间展布方向基本垂直,这与地震波垂直于断层方向传播有密切的关系;（5）地震地质灾害主要集中发育在Ⅸ度及其以上烈度的区域。其中,Ⅺ度区发育密度与Ⅹ度区的基本相当,Ⅸ度区灾害密度只有前两者的1/3,而Ⅷ度区发育密度只有Ⅺ度区或Ⅹ度区的1/10。     

论走滑断层作用的几个主要问题

介绍了走滑断层作用研究前缘的若干主要方面。认为普遍使用走滑断层的术语外，在大陆上当断层性质不明时可使用平移断层。强调了单剪机制对大型走滑断层形成的作用，并评论了Ｘ破裂的纯剪理论。基于我国郯庐断裂带等的研究成果，提出走滑断层作用的若干新概念。指出剪曲（牵引）构造不同于雁列褶皱。认为中国地质学家从地质力学研究走滑断层的旋转构造已有卓绝的成就，只要同世界科学接轨，就会获得新的巨大生命力。文中描述了确定位移的方法，提出平移幅度与错距是两个不同的概念。强调了剪切热在大陆构造中的作用，提出走滑剪切带演化中剪切变形－断裂动热变质－重熔岩浆作用旋回。讨论了剪切成矿作用及已成矿体、矿带的走滑错移及变形。划分了三种基本走滑盆地类型及论证了大陆浅源走滑型地震机制。     

断层带中假玄武玻璃成因机制及非稳态流变意义

假玄武玻璃呈玻璃质或隐晶质特性,常常与断层带相伴出现,其形成能有效地降低断层摩擦强度,被认为是古地震快速滑动的化石纪录。因此,对假玄武玻璃的研究对深入了解深部就位的断层变形和地震成因机制等具有重要意义。尽管国内外学者对假玄武玻璃开展了长期的研究,也积累了丰富的资料,然而,由于天然假玄武玻璃非常少见或零星地被报道,再加上其形成环境和过程的复杂性,对假玄武玻璃的构造特征、形成环境和成因机制仍然存在诸多争议及亟待解决的关键科学问题。研究表明,假玄武玻璃可以发育在大陆岩石圈不同深度范围内,即中下地壳乃至上地幔以糜棱岩为主的韧性变形领域（>60 km）,或中上地壳层次以碎裂岩为主的脆性变形域（<12 km）。越来越多证据也显示出在断层带的脆—韧性转换域中形成的假玄武玻璃跟浅源地震活动直接关联,也意味着中上地壳脆性变形和中下地壳塑性变形之间存在着更为复杂的耦合关联,同时对不同深部岩石强度和力学行为提出了挑战。对假玄武玻璃形成机制存在由断层面上的摩擦热导致的摩擦熔融体或仅仅是断层面岩石超碎裂粉碎作用认识的争议。而有研究认为干的环境有利于假玄武玻璃形成,因为流体的存在会降低断层面的有效正应力,不利于热量的积累以及摩擦熔融的进行;然而,另外一种观点认为流体的存在可以降低矿物熔融温度有利于断层摩擦熔融及形成假玄武玻璃。本文从假玄武玻璃的形成机制、形成深度、流体影响、形成后对断层强度的影响、以及保存与破坏机制几方面进行了最新总结,并对假玄武玻璃中非晶态物质的成因、脆—韧性转换带之下岩石的变形机制以及对陆壳强度的影响和非稳态流变意义进行探讨。     

地震作用时间对断层附近建筑物的灾害效应数值模拟分析

2008年5月12日发生的汶川8.0级特大地震使位于破裂带上盘的汶川县水磨镇硅业公司主楼发生严重破坏。为了研究地震作用时间对断层附近建筑物的灾害效应,本文是在现场调查分析的基础上,建立了二维有限元数值模拟模型,采用MIDAS/GTS软件对模型进行了动力数值模拟,得出了一些具有理论研究意义的规律性成果。     

震区地表破裂特征经验关系及其对隧道设计的意义

地震时活动断裂会对隧道产生巨大破坏,如何减轻地震对隧道的破坏,成为设计人员关注的热点问题。本文在研究大量关于震级与断层破裂参数及其位移量之间关系的基础上,利用 512 汶川地震的破裂参数进一步验证了Donald L.Wells等人关于震级与断层破裂参数和地表位移之间的经验关系式。结果显示,根据震级与地表破裂长度、地下破裂长度、破裂宽度以及平均位移的关系式得出的验证值与汶川地震的实际破裂参数相近,说明这些关系式可以在地震时估算破裂参数,并为地震区穿越潜在断层的隧道设计以及隧道安全性评价提供参考依据。     

乌鞘岭特长隧道复杂地质条件下断层带应力及变形现场监测分析

乌鞘岭隧道是我国迄今为止已建成最长的单线铁路隧道,隧道总长约为20.05 km,而F7断层是乌鞘岭隧道中最长、地质条件最为复杂的活动断层,对隧道施工十分不利。根据F7断层特点及施工中遇到的问题,在乌鞘岭隧道岭脊地段F7断层区段,对洞室开挖后的围岩及支护衬砌结构进行各项应力监测和收敛变形监测,分析了围岩、衬砌系统受力及变形变化趋势,从而探究围岩挤压大变形的机制,掌握围岩应力释放与围岩压力的作用规律;并根据现场监测结果,提出对隧道穿越F7断层区段的断面采用动态优化设计方案及改进的施工措施,避免隧道出现大变形,从而保证隧道穿越F7断层区段安全、快速的进行。     

某断层导水条件下的隧道涌水量预测与计算实例分析

以某高速公路水文地质勘察为例,介绍隧道穿越导水断层条件下的涌水量预测方法及水文地质参数计算,总结了某抽水试验管井涌水量呈指数型,反映该管井处断裂带补给范围有限,当水位降深达隧道高度时,涌水量不会增长。     

厚煤层内小断层的反射槽波探测技术及应用

厚煤层、巨厚煤层工作面内的小断层一般断距或延展长度的规模较小,目前的探查方法和仪器受分辨率限制一般难以探查这类小断层,而小断层探查不清,将会对智能化工作面高效回采带来较大影响。针对这一问题,开展厚煤层内小断层反射槽波探测的数值模拟及现场实验工作。在数值模拟方面,采用交错网格有限差分法对厚煤层(6 m)、巨厚煤层(20 m)两种环境下含小断层(落差小于3 m)的数值模型进行三分量弹性波模拟,在对数值模拟结果进行频谱分析的基础上研究不同模型中的直达槽波与反射槽波的特征。在实际探查方面,通过不同矿区厚煤层、巨厚煤层实际发育断层进行透、反射数据综合研究,分析和比较透射与反射槽波方法对小断层的探查情况。研究表明,工面内构造发育相对简单的条件下,反射槽波对厚煤层、巨厚煤层工作面中小断层的探测较透射槽波有更强的识别性及准确性。      

断层影响的水平井套管损坏分析与模拟研究

套管损坏是油气开发过程中一种常见的地质灾害。以往研究主要集中在常规油气竖向套管变形破坏等方面,而在页岩气水平井套管损坏问题中,由于水平套管和竖向套管与陡倾断层之间夹角的差异,以及页岩储层浸水蠕滑效应与常规油气储层相比更为显著,使之与常规油气竖向套管变形破坏的微观机理有一定差别。本文研究的受断层影响的页岩气水平井套损就是一个典型的套管与断层大夹角、储层围岩强蠕滑的灾害问题。针对该问题进行机理分析和仿真模拟,得出：断层剪切活化前套管围岩蠕滑作用产生的径向挤压力可以造成套管缩颈,在断层处表现为套管的差异变形;随着水力压裂及页岩气开采过程中断层的不断活化,断层产生的剪切应力成为套管弯曲错断的主因。模拟结果与机理分析的一致性表明断层面水平套管剪切损坏是围岩蠕滑挤压力和断层活化剪切力共同作用的结果,可为页岩气开发中套损的防治提供参考。     

基于3D U-Net++卷积神经网络的断层识别方法及应用

断层解释是地震资料解释的基础与关键,准确合理的断层识别对油气开采有着至关重要的作用。随着油田对断层解释精度需求的日益提高,单纯通过基于人工的如相干体、曲率等属性的传统断层解释方法,其精度已无法满足要求。笔者在U-Net卷积神经网络模型的基础上进行改进,得出了一种自动断层识别方法,能够从任意三维地震图像中自动提取断层。文中该模型在足量样本集训练下,对两区块的实际地震数据进行自动断层识别,将识别结果进行分析对比。实验结果表明,该模型能够对任意三维地震数据进行自动断层识别,基于3D U-Net++网络模型的断层识别结果相比于传统U-Net网络识别结果准确性有明显提高,对潜山内部的小断层识别也表现出良好的效果,明显提高了常规、复杂断层识别的工作效率。     

三峡九湾溪断裂带断层泥的特征及分段研究

在分析研究前人资料的基础上,结合野外实际工作和室内研究,从三峡九湾溪断裂带内各段断层泥的特征研究分析出发,探讨了九湾溪断裂带的分段性,结果发现:九湾溪断裂带存在明显的分段性,中段和南段地震活动频度和强度大,应变强度高,断层活动以粘滑为主,其分维值在2.2～2.6之间,石英碎砾表面发育各种撞击揳入现象、线状擦痕等显微构造;北段地震活动频度和强度较小,应变强度弱,断层活动以稳滑为主,兼具粘滑,其分维值在2.4～2.8之间,石英颗粒多为磨圆球砾,其刻蚀形貌以裂而不破现象为代表;中段是九湾溪断裂带最有可能发生诱发地震的地段和我们的重点监测地段。