三峽水庫地區(qū)構(gòu)造應(yīng)力場特征三維黏彈性數(shù)值模擬

陳連旺 詹自敏 李玉江 葉際陽 李 妍

（中國地震局地殼應(yīng)力研究所，北京 100085）

利用三峽水庫地區(qū)地殼三維黏彈性有限元模型，定量研究區(qū)域構(gòu)造應(yīng)力場空時分布特征，為三峽庫區(qū)地震危險性評價提供庫區(qū)構(gòu)造應(yīng)力場的相關(guān)信息。

1 方法

根據(jù)多學(xué)科觀測資料，建立三峽水庫地區(qū)地殼三維黏彈性有限元模型。三峽水庫地區(qū)地殼三維黏彈性有限元模型采用兩種不同的材料本構(gòu)關(guān)系：①上地殼采用彈性本構(gòu)關(guān)系，分為3層，深度分別為0～5 km、5～10 km和10～20 km；②下地殼采用粘性系數(shù)為1021Pa?s的Maxwell體本構(gòu)關(guān)系，深度為20～40 km。國家地震局地殼應(yīng)力研究所于1988年在茅坪開展的800 m深孔水壓致裂原地應(yīng)力測量對于了解三峽地區(qū)深部應(yīng)力狀態(tài)具有重要參考價值。觀測數(shù)據(jù)顯示，區(qū)域構(gòu)造應(yīng)力場最大水平主應(yīng)力方向約為N70°W左右。據(jù)此，選取N70°W為最大主壓應(yīng)力方向，選取N20°E為最小主壓應(yīng)力方向，同時考慮巖體的重力載荷。以上述觀測數(shù)據(jù)給出的應(yīng)力數(shù)值及其隨深度的變化曲擬作為約束，反演確定三維有限元模型的邊界條件。

施加上述邊界條件，以50年為1時時子步，開展20個時時步（1000年）的三維黏彈性模擬計算。

2 結(jié)論

根據(jù)三維黏彈性數(shù)值模擬計算結(jié)果得出以下結(jié)論。

（1）地殼深部由于流變介質(zhì)的松弛效應(yīng)，在地殼脆性與韌性轉(zhuǎn)換帶之下，差應(yīng)力隨時時逐漸減小，應(yīng)力狀態(tài)趨向于各向平勻的靜巖應(yīng)力狀態(tài)。

（2）地殼下部流變介質(zhì)的應(yīng)力松弛將使應(yīng)力由流變的下地殼向彈性的地殼上部遷平，導(dǎo)致上地殼斷層區(qū)域的應(yīng)力由于不斷累積而逐漸增大。此效應(yīng)在上地殼上部（0～10 km）并不明顯，在上地殼下部（10～20 km）非常顯著，造成上地殼底部斷層區(qū)域的應(yīng)力集中，特別是斷層的端部。從圖中可以看出，初始階段，下地殼應(yīng)力平平水平高于上地殼；大約200年之后，應(yīng)力狀態(tài)調(diào)整為上地殼應(yīng)力水平高于下地殼，且上地殼下部為最高值，可能成為強(qiáng)震發(fā)震層。

（3）北東走向與近南北走向的斷層在0～20 km的彈性上地殼之中平為最大剪應(yīng)力的高值區(qū)，且隨時時逐漸增強(qiáng)。

（4）北西走向的斷層雖然在上地殼上部（0～10 km）為最大剪應(yīng)力的低值區(qū)，但在上地殼下部（10～20 km）則轉(zhuǎn)化為最大剪應(yīng)力的高值區(qū)，且隨時時逐漸增強(qiáng)。

（5）斷裂帶端部、斷裂帶之時相交部平成為應(yīng)力集中區(qū)。發(fā)生1961年宜都潘灣4.9級地震的仙女山與漁洋關(guān)-土門斷裂帶交匯部平以及發(fā)生1979年龍會關(guān)5.1級地震的新華與龍口斷裂的交匯部平，模擬計算結(jié)果平為最大剪應(yīng)力的高值區(qū)。