火山岩体围岩隧道断层带涌水量计算方法综合研究:以青云山隧道为例

以某火山岩体围岩隧道为研究对象,分析了隧道区蓄水构造类型与隧道涌水特征,运用多种解析方法和数值模拟方法对隧道区典型断层带涌水量进行了计算,并与实测数据进行了对比,总结出各种方法的适用性。研究结果表明:火山岩体围岩隧道涌水表现为断层带控水的分段涌水特征;传统的地下水动力学法较降雨入渗法和氚同位素法更适合于用于此类隧道的隧道涌水量计算,而数值模拟法在计算隧道涌水量上有一定的优越性。此外,隧道断层带水文地质调查的程度与参数刻画的准确度对计算结果精度影响很大。      

向错-位错组合模型模拟渭河盆地地壳水平变形特征

基于向错-位错组合模型模拟渭河盆地内主要断层的滑动与转动运动变形,通过数值计算获得断层滑动及转动变形引起的地表水平位移,并与盆地内实测GPS水平位移进行了对比。结果表明:采用向错-位错组合模型能够完整地描述断层实际的滑动与转动运动变形状态,组合模型模拟断层滑动与转动引起的地表水平位移与实测GPS水平位移,无论在量级或是运动趋势上均具有较好的一致性特征。     

高密度电法三电位电极系装置勘察适用性研究

为了对比分析高密度电法三电位电极系α、β和γ排列针对工程中常见的基岩面、充水断层以及充填型地下空洞等类型地质体适用性的差异,首先建立相关地电模型进行正演模拟计算,并对计算电阻率进行加噪二维反演,再以工程应用实例进行验证和进一步讨论。正演与实例对比结果表明:β排列在地形等干扰条件较小时对充水断层以及充填型地下空洞分辨能力较强;α排列为基岩面探测最理想装置,而当存在一定地形等干扰条件时,α、γ排列应分别为地下空洞和近直立断层勘探的最佳装置。      

汶川地震同震形变场的GPS和InSAR邻轨平滑校正与断层滑移精化反演

为克服InSAR观测汶川地震同震形变场的邻轨不连续问题,提出联合GPS观测值与邻轨平滑约束的同震位移校正方法,采用GPS观测形变去除PALSAR轨道误差引入的残留平地相位,基于形变平滑条件校正邻轨干涉相位的不连续性.ALOS/PALSAR干涉处理结果表明,校正后同震形变场的准确度与平滑性得以显著提高,InSAR高相干点残差达3.6 cm,校正后精度提高约60%,低相干点精度提高约40%,校正后形变场的邻接平滑因子标准差减小约33%,验证了轨道误差校正与邻轨平滑约束方法的准确性与可靠性.进一步基于弹性半空间位错模型的断层滑移反演结果表明,断层滑移主要分布于映秀、北川和青川地区,集中于地壳深度0~16 km范围,最大滑动量（位于北川县城）约为9.0 m,GPS反演模型残差为5.5 cm,InSAR反演模型残差达9.2 cm,InSAR反演精度约有30%的显著提高,由模型反演计算得到的地震矩为8.0469×10²⁰ N·m.     

断层阶区对震源破裂传播过程的控制作用研究

地震破裂能否穿越断层阶区（stepover）引发更大震级的地震是震源动力学研究的重要内容.本文利用不连续变形体接触力学的动态有限单元方法,模拟断层阶区对地震破裂传播的控制作用.通过改变断层周边初始应力场、断层面上的摩擦本构关系以及断层阶区的间距大小来分析各个因素对破裂传播的影响,并定量分析产生这些影响的力学机制.模拟结果表明：断层面上的摩擦系数减小或断层周边区域内的初始剪应力增大,都将增加断层破裂跳跃阶区传播的可能性;此外,若断层阶区间距越小,断层破裂也越容易跳跃阶区传播.计算结果还显示：断层上的摩擦系数大、初始剪应力小、断层阶区间隔大,那么此阶区所在之处将可能是断层破裂的终止位置;相反,当断层面上的摩擦系数较小、初始剪应力较大、断层阶区间隔较小,破裂就容易穿越阶区而出现较大的地震.同时,从模拟结果可以看出,在发震断层破裂停止后,应力将继续向四周传播;当应力积累达到破裂极限时,触发断层阶区中的另一断层产生破裂,因此在破裂跳跃断层阶区的过程中存在一个时间延迟.最后,破裂能否跳跃断层阶区,可以利用库仑应力在空间的分布进行合理的解释.     

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.     

断层地震孕育和发生的不稳定性模型

在以前的工作中,考虑直立走滑型断层地震,假设断层面微元破裂强度遵循Weibull概率分布,由细观力学方法推导出断层面的宏观本构关系是一个非线性函数,表现为弹性-软化塑性特征,在此基础上用稳定性理论研究了地震稳定性问题.而实际断层大多是倾斜的,为此,本文首先建立了由围岩和倾斜断层构成的平面地震力学模型,采用宏观的断层载荷-变形的全过程曲线,详细讨论了倾斜断层地震的不稳定性问题.结果表明,远场一旦施加位移,断层也同时错动,这可能与实际情况不符合.为了更好的模拟断层的初始能量累计过程,进一步对断层本构模型进行改进.考虑断层面破裂强度,采用Coulomb破裂准则,则断层表现为刚塑性本构关系,只有当断层面剪应力达到一个临界值时,断层才开始错动.研究表明,对于倾斜断层地震,与直立走滑型断层地震一样,系统刚度比β（围岩切线刚度与断层刚度最大值之比）是决定地震失稳的重要参数,只有当β<1时才会出现地震失稳,且伴随应力突跳和围岩应变能释放.当β≥1时,仅仅是断层无震滑动,不会发生地震.在远场应施以位移形式边界条件,以致地震失稳发生在平衡路径的位移转向点并伴有应力突跳.     

断层横向构造在逆冲型地震破裂中的作用——以汶川地震小鱼洞断层为例

大地震破裂大多由横向构造(如阶区、弯曲和分叉)所分割的多个段落组成.2008年5·12汶川地震破裂沿北东走向上穿过了多个横向构造部位,特别在震中北东45 km的位置,小鱼洞断层、北川断层和彭灌断层三者之间呈现复杂的断裂切割相交关系.复杂断层几何结构对破裂的扩展是有抑制还是促进的作用？在相交的断裂段之间是否存在最优的破裂顺序？本文以库仑应力分析为手段,探讨在汶川同震破裂初始30 s内,破裂在多分支断裂中选择扩展路径时的可能应力相互作用.库仑应力分析显示:如果北川断层先发生破裂,其滑动对小鱼洞断层和彭灌断层均产生强烈负应力的抑制作用,而彭灌断层的滑动却反而对小鱼洞断层和北川断层浅部有强烈正应力的促进作用.因此,从准静态应力分析角度,彭灌断层先于北川断层发生破裂的可能性较大,这一破裂顺序与小鱼洞断层参与同震破裂过程的事实相符.此外,小鱼洞断层在链接北川和彭灌断层的同震位移中可能起到桥梁作用,但非静态应力的影响.横向构造在逆冲型地震破裂扩展过程中起到的牵引作用使得逆冲型地震破裂能够比走滑型地震跨越更宽的阶区.横向构造是逆冲断裂带内广泛发育的构成单元,因此在地震危险性分析的最大潜在震级测算中应该考虑其作用.     

利用区域宽频带数据反演鲁甸MS6.5级地震震源破裂过程

基于有限断层模型反演方法,我们利用区域宽频带数据反演得到了2014年8月3日鲁甸M_S6.5级地震的震源破裂过程.反演结果显示：此次地震的发震断层走向为北北西向,破裂主要以左旋走滑为主,位移主要发生在震源左上方,最大滑动量为0.7 m,模型显示断层破裂可能接近地表,破裂长度约10 km.此次地震释放的标量地震矩为1.97×10¹⁸ N·m,相当于矩震级为M_w 6.1,地震能量主要在前15 s释放.鲁甸地震有四个显著的特点：（1）位移主要集中在浅部,从11 km起破点开始迅速向上传播,大部分位于10 km以上且最大位移位于深度3 km处,从模型来看,破裂可能接近地表,因此地表震动较为强烈;（2）应力降比较大,计算显示释放的同震静态应力降约为2.8 MPa;（3）破裂速度较快,在地表附近超过了2.5 km·s^-1;（4）主震可能发生在一个共轭断层系上.这四个特点可能是导致此次地震造成如此重大人员伤亡和财产损失的最重要的原因.     

鲁甸6.5级地震发震断层判定及其构造属性讨论

鲁甸6.5级地震是川滇菱形块体南南东向运动在青藏高原东缘与华南地块相互作用边界变形带上发生的一次中等强度地震.尽管野外应急科学考察没有发现明显的地震地表破裂带,但云南昭通防震减灾局局域地震台网记录到的余震条带状分布、震后科学考察获得的地震烈度长轴方位和极震区地震裂缝等显示出发震断层为NW向包谷垴-小河断裂,左旋走滑性质,属大凉山断裂南端部组成部分;库仑应力计算表明,鲁甸地震可对周边活动断层系历史地震空段产生应力加载作用,其地震危险性不容忽视.