正斷層發(fā)生地震的動力學過程數(shù)值模擬研究

馬曉靜

（中國地震局地質(zhì)研究所，北京100029）

（作者電子信箱，馬曉靜：tongzzi＠163.com）

張性構(gòu)造與擠壓構(gòu)造一樣在中國、乃至全世界廣泛分布。在張性構(gòu)造區(qū)地震活動也非常強烈，就中國大陸的地震活動而言，自從有歷史地震記載以來，其中不少強地震，甚至8級以上大地震的發(fā)生都與正斷層的活動有關(guān)。例如1303年山西洪洞8級地震、1556年陜西華縣8級地震、1739年寧夏平羅8級地震、1411年西藏當雄8級地震和1951年崩錯8級地震等的地表破裂都具有明顯的正斷層活動性質(zhì)，因此對正斷層地震危險性的研究具有非常重要的意義。

越來越多的研究結(jié)果表明，斷層的粘滑運動是地震發(fā)生的重要機制。斷層的錯動條件是由斷層面上的剪應力（包括重力派生的剪應力）與摩擦阻力相對大小決定的，當剪應力大于摩擦阻力時斷層就可能發(fā)生錯動，當斷層規(guī)模足夠大，并且同時錯動時就可能發(fā)生強震和大震。由于地震發(fā)生的時間、地點和強度的不確定性，現(xiàn)場捕捉斷層粘滑錯動過程是非常困難的，模擬技術(shù)的應用則非常重要，特別是有限元分析方法的應用將是數(shù)值模擬地震活動性的重要發(fā)展方向。此研究方向正在起步和發(fā)展，已有的研究只涉及個別逆沖－走滑斷層滑動模擬，有關(guān)正斷層粘滑運動機理的數(shù)值模擬研究則有待開展。

針對上述問題，本研究主要開展了以下兩個方面的工作：

1 正斷層理論模型粘滑運動的模擬研究

建立正斷層的理論模型，改變邊界條件、摩擦系數(shù)和斷層傾角，利用數(shù)值模擬的方法，模擬在拉伸作用下正斷層粘滑運動的規(guī)律，以及拉伸速率、摩擦系數(shù)和斷層傾角的變化對斷層粘滑運動的影響。得到如下主要認識：

1.1 拉伸速率對正斷層粘滑運動的影響

（1）正斷層在重力和拉伸構(gòu)造力的作用下，可以發(fā)生強震；

（2）總體來說，拉伸速率越大，大震復發(fā)間隔就越短，地震時的斷層最大位錯也越大（當拉伸速率＜5mm/a時）；

（3）拉伸速率為1mm/a時，最大位錯量為2.8m，位錯量大于1m 的兩次大震時間間隔為14 520年；拉伸速率為2mm/a時，最大位錯量為5.7m，位錯量大于1m 的地震的平均復發(fā)間隔為6 363年；拉伸速率為3mm/a時，最大位錯量為9.2m，位錯量大于1m 的地震的平均復發(fā)間隔為3 409年；拉伸速率為4mm/a時，最大位錯量為11m，位錯量大于1m 的地震的平均復發(fā)間隔為2 361年；拉伸速率為5mm/a時，最大位錯量為9m，位錯量大于1m的地震的平均復發(fā)間隔為1 977年。

（4）小地震發(fā)生最大位錯的深度多在8km 以上，大地震發(fā)生最大位錯的深度一般在5～15km 范圍內(nèi)；而且隨著拉伸速率的增加，大震發(fā)生最大位錯的深度有逐漸增加的趨勢。

1.2 摩擦系數(shù)對正斷層粘滑運動的影響

（1）總體來說，隨著摩擦系數(shù)的減小，斷層的最大位錯量增加，地震復發(fā)間隔縮短（當摩擦系數(shù)＞0.4時）；

（2）在拉伸速率為2mm/a的情況下，當摩擦系數(shù)為0.7時，斷層的最大位錯值為3.5m，大于1m 位錯的復發(fā)間隔為8 333年；摩擦系數(shù)為0.6時，斷層的最大位錯值為5.7m，大于1m 位錯的復發(fā)間隔為6 363年；當摩擦系數(shù)為0.5時，斷層的最大位錯值為8.3m，大于1m位錯的復發(fā)間隔為5 882年；摩擦系數(shù)為0.4時，斷層的最大位錯值為14.3m，大于1m 位錯的復發(fā)間隔為7 692年；

（3）小地震發(fā)生最大位錯的深度大部分在8km 以上，大地震發(fā)生最大位錯的深度大多在4～15km 范圍內(nèi)，而且，隨著摩擦系數(shù)的減小，地震發(fā)生最大位錯的深度有增加的趨勢。

1.3 斷層傾角對正斷層粘滑運動的影響

（1）正斷層的傾角為60°左右時，其地震活動性最強，傾角45°和75°斷層的地震活動性近似，傾角45°斷層地震活動性稍強；

（2）在拉伸速率為2mm/a，摩擦系數(shù)為0.7的情況下，斷層傾角為60°，斷層的最大位錯量為5.5m，地震的平均復發(fā)間隔為3 500年；斷層傾角為45°，斷層的最大位錯量為3.5m，地震的平均復發(fā)間隔為8 333年；斷層傾角為75°，斷層的最大位錯量為2.9m，地震的平均復發(fā)間隔為8 333年；

（3）在拉伸速率為2mm/a，摩擦系數(shù)為0.6的情況下，斷層傾角為60°，斷層的最大位錯量為6.5m，地震的平均復發(fā)間隔為4167年；斷層傾角為45°，斷層的最大位錯量為5.7m，地震的平均復發(fā)間隔為6 363年；斷層傾角為75°，斷層的最大位錯量為3.3m，地震的平均復發(fā)間隔為6 500年。

2 山西臨汾盆地地震活動性數(shù)值模擬研究

以山西臨汾盆地為實例，用數(shù)值模擬的方法模擬其粘滑運動過程，分析地震前后應力、應變、能量的轉(zhuǎn)移、積累和釋放特征，研究模擬錯動事件的大小、頻度、深度和大事件復發(fā)間隔等的時空分布規(guī)律，并針對幾個典型的錯動事件，分析沿斷層面發(fā)生錯動的深度范圍、地表斷距及其影響因素。主要取得如下幾點初步認識：

（1）在重力和拉伸應力作用下，山西臨汾盆地的正斷層是可以發(fā)生大地震的；

（2）從地震的孕育到發(fā)生，能量有一個積累到釋放的過程：斷層粘著時（平靜期），剪切應力逐漸增加，積累能量；臨錯動（臨震）前，剪切應力快速增加，達到臨界狀態(tài)；斷層突發(fā)錯動時（同震），剪切應力突然下降，釋放能量；

（3）山西臨汾盆地的最大位錯量可達14.6m，近似于8級大震；模擬斷層粘滑事件位錯量1m 以上的強震平均復發(fā)間隔為2 971年；

（4）在深度上小震隨機發(fā)生，大震多分布于4～15km，并總體上呈現(xiàn)深－淺－深－淺波浪式遷移的特點；

（5）地震時，斷層的位錯量越大，其破裂深度范圍就越大，有些位錯量較小的地震，斷層破裂只發(fā)生在地下，未能達到地表；

（6）地表的位錯量與最大位錯量和發(fā)生最大位錯的節(jié)點深度有關(guān)：最大位錯越大，在地表的位錯也越大；而最大位錯節(jié)點的深度越深，則相應的地表位錯量越??；

（7）總體上說，地震時應力降越大，斷層的位錯量也越大。

本研究的創(chuàng)新點主要表現(xiàn)在如下幾方面：

（1）使用斷層接觸模型和粘彈介質(zhì)載體模擬了正斷層粘滑運動的動力學過程，初步論證了正斷層在重力和拉伸構(gòu)造力的作用下，可以發(fā)生大地震的認識；

（2）研究了影響正斷層粘滑運動的主要影響因素。發(fā)現(xiàn)隨著拉伸速率增大、摩擦系數(shù)的減小，斷層的最大位錯量增加，地震復發(fā)間隔縮短；正斷層的傾角為60°左右時，其地震活動性最強。

（3）建立了山西臨汾盆地的粘滑錯動事件目錄，研究了粘滑過程的應力、應變、能量的轉(zhuǎn)移、積累和釋放特征，并得到臨汾盆地最大位錯量可達14.6m（近似于8級大震），粘滑事件位錯量1m 以上的強震復發(fā)間隔為2 971年的初步結(jié)果。

由于此類研究可參照的文獻很少，同時受軟、硬件條件限制，加上時間倉促，文中仍然存在不少問題。例如，分析模型進行了較大簡化，時間步長不夠短，初始應力場無法精確評估，地下深部狀態(tài)和活動狀態(tài)不清楚等，這些有待于將來進一步深入研究。