疊瓦狀逆斷層的變形規(guī)律和力學(xué)機理物理模擬試驗
——以龍門山斷裂帶為例

蘇生瑞，李 鵬，王 琦，蘇衛(wèi)衛(wèi)，張 瑩

長安大學(xué)地質(zhì)工程與測繪學(xué)院， 西安 710054

疊瓦狀逆斷層的變形規(guī)律和力學(xué)機理物理模擬試驗
——以龍門山斷裂帶為例

蘇生瑞，李 鵬，王 琦，蘇衛(wèi)衛(wèi)，張 瑩

長安大學(xué)地質(zhì)工程與測繪學(xué)院， 西安 710054

為了揭示疊瓦狀逆斷層在地質(zhì)過程中的變形和應(yīng)力變化規(guī)律，為地震預(yù)報和地質(zhì)災(zāi)害防治提供參考，以龍門山斷裂帶為研究背景，采用大型物理模擬試驗，再現(xiàn)了疊瓦狀逆斷層的演化過程。通過對模型內(nèi)部位移和應(yīng)變的實時監(jiān)測，得出了疊瓦狀逆斷層的變形和應(yīng)力分布規(guī)律： 1)除下伏斷層的下盤局部斜向下外，整個構(gòu)造區(qū)的變形以沿斷層帶斜向上為主；斷層帶同側(cè)，變形量深部大于淺表層；水平向變形隨與擠壓端距離的增大而逐漸減小，并伴有瞬間的跳躍性增大。2)研究區(qū)除在斷層上盤的淺層出現(xiàn)局部的拉應(yīng)力外，其余都處在壓應(yīng)力狀態(tài)，深部應(yīng)力及其釋放量都大于淺層；應(yīng)力不是線性的增大或減小，而是隨擠壓端位移的增大沿某個趨勢上下震蕩。地應(yīng)力在下伏斷層帶附近更容易發(fā)生聚積和釋放，在變化時間上深部先于淺層。淺層地應(yīng)力呈現(xiàn)出先增大后減小再增大再減小的規(guī)律；深部地應(yīng)力的釋放在上覆斷層兩側(cè)出現(xiàn)了跳躍性的減小，而下伏斷層的兩側(cè)先出現(xiàn)瞬時的增大，然后才逐漸減小。3)淺層變形量和應(yīng)力變化具有相同的規(guī)律和同步性，但均滯后于深部應(yīng)力的變化。

疊瓦狀逆斷層；龍門山；地應(yīng)力；模擬試驗

0 引言

地應(yīng)力是地球內(nèi)部應(yīng)力的統(tǒng)稱，是一個相對穩(wěn)定性的非穩(wěn)定應(yīng)力場，是時間和空間的函數(shù)[1]。自從1912年瑞士地質(zhì)學(xué)家海姆(A.Heim)首次提出地應(yīng)力的概念以來，它就成為各國地質(zhì)學(xué)家研究的熱點，并取得了可喜的研究成果[2-4]。作為重要的基礎(chǔ)和實測資料，地應(yīng)力監(jiān)測與分析不僅為地震預(yù)報和觀測提供了新的理論方法[5]，而且對地殼表層動力學(xué)過程及地質(zhì)災(zāi)變效應(yīng)的研究也具有重要的指導(dǎo)意義[1,6]。

疊瓦狀逆斷層作為一種常見的逆沖斷層組合形式，廣泛地分布于我國的各大構(gòu)造體系[7-9]。特別是2008年5.12汶川大地震后，地質(zhì)工作者對龍門山地區(qū)疊瓦狀逆斷層的發(fā)震構(gòu)造和運動特性進行了大量的研究。張培震等[7]研究了龍門山斷裂的滑動速率、復(fù)發(fā)周期和構(gòu)造成因，得出了汶川大地震是一次低滑動速率、長復(fù)發(fā)周期和高破壞強度的巨大地震；李勇等[10]認(rèn)為下地殼物質(zhì)在龍門山近垂向擠出和垂向運動,從而導(dǎo)致龍門山向東的逆沖運動、龍門山構(gòu)造帶抬升和汶川特大地震;張貴鋼等[11]通過研究發(fā)現(xiàn)龍門山現(xiàn)今運動特征具有顯著的分段性。然而，地震前后，有關(guān)龍門山斷裂帶附近地應(yīng)力的研究資料很少，雖然吳滿路等[12-13]也對龍門山地區(qū)的地應(yīng)力資料進行了統(tǒng)計研究，但是因其觀測點少、測量深度的限制，不能對該地區(qū)的地應(yīng)力在水平向和豎向的分布規(guī)律有一個比較全面的認(rèn)識。因此，系統(tǒng)地研究疊瓦狀逆斷層的變形和應(yīng)力分布規(guī)律是十分必要的。

筆者以龍門山斷裂帶為研究背景，通過大型室內(nèi)物理模擬試驗來研究疊瓦狀逆斷層在地質(zhì)過程中的變形和應(yīng)力變化規(guī)律，為地震預(yù)報和地質(zhì)災(zāi)害的防治提供參考。

1 研究區(qū)概況

龍門山位于青藏高原與揚子地臺之間，由3條主要的逆沖斷裂帶構(gòu)成，自西向東依次為汶川-茂縣斷裂(后山斷裂)、北川-映秀斷裂(中央斷裂)和灌縣-江油斷裂(前山斷裂)，由于經(jīng)歷了長期的地質(zhì)演化，具有十分復(fù)雜的地質(zhì)結(jié)構(gòu)和演化歷史[7-10]。2008年5·12汶川大地震致使龍門山斷裂形成了多條同震地表破裂帶，其中,中央斷裂形成長約240 km的地表破裂，前山斷裂形成長約72 km的地表破裂，這也是世界上第一次明確記錄到的多條平行斷裂參與同震破裂的逆沖型地震[14]。

根據(jù)許志琴等[7,15-16]的研究成果，如圖1所示，龍門山3條斷裂帶在垂直剖面上呈疊瓦狀向成都平原逆沖推覆，斷裂帶傾角從地表向下逐漸變緩，最終收斂。

圖1 龍門山地質(zhì)構(gòu)造剖面示意圖(據(jù)文獻[7]改編)Fig.1 Tectonic cross-section figure across Longmenshan(modified from reference[7])

GPS多年觀測數(shù)據(jù)顯示，龍門山地區(qū)自西南向東北方向運動速度逐漸減小，并且龍門山和四川盆地在地震前幾乎沒有相對運動[7]。根據(jù)地震歷史記錄[17-18]、地貌錯斷、年代測定[19-20]和GPS監(jiān)測等方法[7]確定，龍門山地區(qū)滑動速率不超過2 mm/a。通過GPS反演、地震地質(zhì)和探槽揭示得出龍門山地區(qū)的8級地震復(fù)活的周期為2 000～6 000 a[7]。

以龍門山地區(qū)現(xiàn)有的地質(zhì)資料為基礎(chǔ)，采用自行研制的大型物理模擬試驗裝置，研究加載方向垂直于平行疊瓦狀逆斷層的應(yīng)力和變形規(guī)律。因汶川地震造成的地表破裂主要發(fā)生在龍門山中央和前山斷裂，本次模擬試驗主要以這2條斷裂帶的應(yīng)力應(yīng)變規(guī)律為研究對象。以中央斷裂(上覆斷層F1)和前山斷裂(下伏斷層F2)為界，研究區(qū)可劃分為3個區(qū)域：A、B和C，見圖2。

A區(qū)巖性以“彭灌雜巖”和巖漿巖為主；B區(qū)巖性主要為灰?guī)r、白云巖、泥灰?guī)r和砂巖；C區(qū)巖性主要為灰?guī)r、砂巖、泥巖和第四系全新統(tǒng)亞砂土和亞黏土[21]。圖2 模擬試驗研究分區(qū)Fig.2 Regionalization of simulation experimental research

2 模擬試驗

2.1 試驗?zāi)Ｐ拖嗨茰?zhǔn)則

相似準(zhǔn)則是模擬試驗的理論基礎(chǔ)，是試驗?zāi)芊穹从硨嶋H情況的關(guān)鍵。本次試驗為動力相似問題，物理量函數(shù)為

式中：σ為應(yīng)力；δ為撓度；P為集中力；t為時間；Z為摩擦系數(shù)；ρ為密度；L為任一線性長度(包括長、寬和高)；E為彈性模量。

采用量綱分析法，寫出指數(shù)的聯(lián)立方程組求解，可得到動力相似問題最基本的相似準(zhǔn)則Π1-Π5，即

2.2 試驗?zāi)Ｐ拖嗨票鹊拇_定

幾何相似比 本次模擬試驗選擇的實際研究區(qū)大小為30 km×15 km×10 km。設(shè)定本次試驗的幾何相似比CL=1×104，模型尺寸為3 m×1.5 m×1 m。根據(jù)中華人民共和國區(qū)域地質(zhì)調(diào)查報告(汶川幅和灌縣幅)，所研究的2條破碎帶最厚為100 m。根據(jù)幾何相似比，模型中應(yīng)設(shè)置1 cm寬的斷層帶。

時間相似比 一般模擬試驗要在幾十分鐘到幾個小時內(nèi)完成，考慮到不同加載速度對變形破壞的控制和龍門山地區(qū)一次汶川地震的周期為6 ka，時間相似比Ct取2.1×108。

速度相似比 由時間相似比和幾何相似比可知速度相似比Cv=4.6×10-5，試驗中的加載速率為5 mm/h。

密度相似比 根據(jù)相似材料高容重、低彈模、相同泊松比的要求，選取Cρ=1.15、CE=1.42×103。

摩擦系數(shù)相似比 李碧雄等[22]通過大量的研究,確定龍門山斷裂帶的摩擦系數(shù)為0.6～0.8。根據(jù)相似準(zhǔn)則，本次試驗中模擬斷層軟弱帶沙土的內(nèi)摩擦角應(yīng)為31°～40°。

2.3 巖組的確定和相似材料的選擇

根據(jù)胡夏嵩等[23]提出的巖組劃分方法和梅海[21]對龍門山地區(qū)的研究，本次模擬試驗采用以斷層面為巖組分界面的方法，得到巖組的物理力學(xué)參數(shù)見表1。模擬試驗采用沙、石膏、重晶石粉為相似材料，具體的材料配比見表2，其中斷層帶采用細沙。

表1 研究區(qū)巖性物理力學(xué)參數(shù)

Table 1 Physical and mechanical parameters of the study area lithology

名稱彈性模量/GPa泊松比容重/(103kN/m3)粘聚力/MPa摩擦角/(°)A區(qū)23.70.2526.816.6938B區(qū)23.30.2625.734.0828C區(qū)31.60.2525.527.8340F11.00.3522.30.0215F21.00.3522.30.0215

表2 相似材料配比及其特性

2.4 模型試驗布置

模型內(nèi)部應(yīng)力應(yīng)變測量和位移的觀測是本次試驗的重點，也是揭示疊瓦狀逆斷層應(yīng)力應(yīng)變規(guī)律的重要環(huán)節(jié)，模型中的位移和應(yīng)變測點分布見圖3、4。

位移測量 采用位移計來測量模型表層的位移變化，并用數(shù)據(jù)采集儀自動測量。土體內(nèi)部滑移量利用模型箱兩側(cè)觀測窗中的標(biāo)志點進行測量，能夠直觀地觀測試驗加載過程中斷層兩側(cè)土體的滑移方向和滑移量的大小。

土體內(nèi)部應(yīng)變值的測量 為了測量土體在水平向和豎向上的應(yīng)力分布規(guī)律，模型內(nèi)部分層布置了2層應(yīng)變觀測點(圖3、4)，其中，10 cm處的觀測值能代表實際中淺層的應(yīng)變，40 cm處的觀測值能代表實際中深部的應(yīng)變。采用應(yīng)變花和TDS602應(yīng)變測量系統(tǒng)自動進行土體三向應(yīng)變值的測量，通過對所有預(yù)埋點應(yīng)變值進行分析，就能夠得到地質(zhì)模型在荷載作用下土體內(nèi)部應(yīng)力應(yīng)變的分布規(guī)律。

2.5 試驗加載速度

試驗加載裝置采用美國MTS電液伺服加載系統(tǒng)，系統(tǒng)由作動器、高壓油源，控制器及計算機組成。該系統(tǒng)產(chǎn)生的荷載穩(wěn)定，加載速度可控，試驗加載值(荷載及位移)控制精度高，試驗加載過程可實現(xiàn)自動控制，可實現(xiàn)低速勻速連續(xù)加載。根據(jù)相似理論，加載速度確定為 5 mm/h，位移控制精度為0.01 mm，采用低勻速連續(xù)加載,并用MPT編寫了專用試驗加載程序。

3 試驗結(jié)果分析

試驗結(jié)束后進行剖面開挖，通過對標(biāo)志層的觀察，能夠清楚地了解疊瓦狀逆斷層的豎向和水平向上的變形差異，為精確地進行應(yīng)力應(yīng)變分析奠定了基礎(chǔ)。如圖5所示，模型內(nèi)部的標(biāo)志層發(fā)生了明顯錯斷，其中西側(cè)的斷距大于東側(cè)。

a.位移測點；b.埋深10 cm處應(yīng)變測點；c.埋深40 cm處應(yīng)變測點。圖3 測點布置三維圖Fig.3 Arrangement of three-dimensional figure of the measuring point

■為位移測點；●為應(yīng)變測點。圖4 測點布置剖面圖Fig.4 Cross-section figure of measuring point arrangement

圖5 模擬試驗最終剖面圖(鏡像230°)Fig.5 Cross-section figure of the final simulation test(mirro 230°)

3.1 位移分析

3.1.1 淺層位移分析

如圖6所示，模型土體表層位移隨加載板推進位移的增加而增大，并且可以看到同一條斷層帶兩側(cè)位移值有較大差異。當(dāng)推進位移在11 mm之前，各觀測點的關(guān)系曲線幾乎沒有瞬間的跳躍，當(dāng)位移超過11 mm，發(fā)生了曲線的跳躍性增大，尤其在F1斷層的上盤表現(xiàn)得更加明顯。

圖6 表層位移與推進位移的關(guān)系曲線Fig.6 Relationship curve of shallow displacement and propulsion displacement

為了揭示表層土體位移與應(yīng)變的關(guān)系，將相鄰觀測點的位移值通過計算轉(zhuǎn)變?yōu)閼?yīng)變值，分為6個區(qū)段進行研究。如圖7所示，跨斷層帶的區(qū)段應(yīng)變值最大，其中上覆斷層兩側(cè)的應(yīng)變大于下伏斷層，表明斷裂帶附近存在著較大的應(yīng)變差，在這種環(huán)境下易導(dǎo)致斷層失穩(wěn)滑動，與陳群策等[24]的分析結(jié)果一致。

圖7 表層應(yīng)變與推進位移的關(guān)系曲線Fig.7 Relationship curve of surficial strain and propulsion displacement

3.1.2 深部位移分析

透過觀測窗口可以觀測到從試驗開始到結(jié)束，深部位移在豎向和水平向上都有明顯的變化規(guī)律(圖8)。水平向上，從1到6號窗口、7到12號窗口，標(biāo)志點的位移都是逐漸變小， A區(qū)標(biāo)志點位移大于B區(qū)和C區(qū)，其中A區(qū)和B區(qū)都沿著斷層帶斜向上運動， C區(qū)出現(xiàn)了斜向下運動的現(xiàn)象，表明C區(qū)處在斜向下的壓應(yīng)力狀態(tài)。豎向上，斷層帶同側(cè)，標(biāo)志點位移深部大于淺層，這種現(xiàn)象在A區(qū)最為明顯，C區(qū)幾乎沒有差別。

黃色點為標(biāo)志點，黑色框代表初始位置，紅色框代表最終位置。圖8 位移觀測窗口立面圖(鏡像N)Fig.8 Displacement observation window elevation (mirror N)

3.2 應(yīng)力分析

3.2.1 水平向應(yīng)力分析

模型內(nèi)測點的應(yīng)變隨加載板推進位移的增加并不是線性地增大或減小，而是沿一個趨勢上下震蕩，如圖9所示。這表明，在整個構(gòu)造擠壓狀態(tài)下，疊瓦狀逆斷層間始終存在著應(yīng)力的聚集和釋放，進行應(yīng)力的分配和調(diào)整。

a.埋深10 cm處；b.埋深40 cm處。圖9 不同埋深應(yīng)變測點與推進位移的關(guān)系曲線Fig.9 Relationship curve of strain measuring point and propulsion displacement at different depth

持續(xù)監(jiān)測結(jié)果表明，不同埋深處測點的應(yīng)變表現(xiàn)出了不同的變化規(guī)律。如圖9a所示，埋深10 cm處，除測點2和4在后期出現(xiàn)局部的拉應(yīng)變外，其余都為壓應(yīng)變，并且整體上都呈現(xiàn)出先增大后減小再增大再減小的變化規(guī)律。

測點的應(yīng)變大小依次為5點處>3點處>4點處>1點處>2點處>6點處，表明疊瓦狀逆斷層間地應(yīng)力F2下盤>F1下盤>F2上盤>F1上盤。其中，1、2和3點14～20 mm處，4、5和6點在11～17 mm處都發(fā)生了小范圍的壓應(yīng)變減小的現(xiàn)象，應(yīng)力的釋放是先從下伏斷層開始；這表明對于相同物理力學(xué)性質(zhì)的斷層帶，應(yīng)變聚集較大的下伏斷層更容易發(fā)生應(yīng)力的調(diào)整。應(yīng)變小范圍降低后又突然增加，最終發(fā)生持續(xù)的應(yīng)力釋放，當(dāng)推進位移達到22 mm時，4點、5點、6點首先發(fā)生較大的應(yīng)力釋放，位移達到24 mm時，1點、2點、3點緊接著出現(xiàn)應(yīng)變的釋放，表明下盤先于上盤發(fā)生應(yīng)力的突然釋放。

如圖9b所示，40 cm處各測點都處在壓應(yīng)變狀態(tài)，未出現(xiàn)埋深10 cm處局部范圍應(yīng)變減小的現(xiàn)象。當(dāng)推進位移8 mm和10 mm時，6個測點都發(fā)生應(yīng)變的瞬時增加，尤其是測點10、11、12的現(xiàn)象更加明顯。當(dāng)位移達到23.5 mm時， 7點、8點、9點發(fā)生應(yīng)力的突然釋放，而10點、11點、12點卻發(fā)生了突然的增加，然后才逐漸減小。測點的應(yīng)變大小為10點處>9點處>7點處>11點處>8點處>12點處，表明疊瓦狀逆斷層間的地應(yīng)力F2上盤>F1下盤>F2下盤>F1上盤，與淺層應(yīng)變表現(xiàn)出不同的分布規(guī)律。

同時，如圖9a所示，對于淺層土體應(yīng)變，斷裂帶附近上下兩盤應(yīng)變在震后都相應(yīng)地減小，但變化量上盤大于下盤，與震前震后地應(yīng)力觀測規(guī)律具有很好的一致性[25]。

3.2.2 豎向應(yīng)力分析

豎向地應(yīng)力的變化規(guī)律也是本次模擬試驗的重點。如圖10所示，斷層帶同側(cè)不同深度的應(yīng)變測量結(jié)果表明，深部應(yīng)變大于淺層，并且在2條斷層的上盤都出現(xiàn)了拉應(yīng)變狀態(tài)。

a.F1斷層上盤；b.F1斷層下盤；c.F2斷層上盤；d.F2斷層下盤。圖10 應(yīng)變測點與推進位移的關(guān)系曲線Fig.10 Relationship curve of strain measuring point and propulsion displacement

F1斷層的上下盤都表現(xiàn)出應(yīng)變的積聚、局部調(diào)整和突然釋放的變化規(guī)律，并且可以看到深部的應(yīng)變先于淺層釋放。如圖10a、b所示，通過對比可知，應(yīng)變突然釋放量下盤大于上盤、深部大于淺層。

如圖10c、d所示，F(xiàn)2斷層整體上也表現(xiàn)出了應(yīng)變由增大到減小，但是在24 mm處應(yīng)變突然的變化卻與F1斷層表現(xiàn)出了不同的規(guī)律：深部首先發(fā)生應(yīng)變的突然增加后才逐漸減小，而淺層應(yīng)變和F1有相同的突然釋放的特點。

郭啟良等[25]測量得到的龍門山地區(qū)震前震后地應(yīng)力結(jié)果表明:深部地應(yīng)力在上覆斷層附近震后較震前明顯地減??；而下伏斷層附近，尤其下盤處最大主應(yīng)力并不是減小的，而是先有所增加。這些實測規(guī)律和試驗結(jié)果具有很好的一致性。

3.3 位移和應(yīng)變關(guān)系分析

應(yīng)變和位移在時間和空間上具有緊密的聯(lián)系，如圖11所示，在前期的應(yīng)變積聚階段，測點的位移增長比較緩慢，并且沒有出現(xiàn)位移的突然增大；當(dāng)土體內(nèi)部的應(yīng)變調(diào)整時，測點位移的變化和深部、淺表層應(yīng)變的變化趨勢吻合，但是時間上和表層應(yīng)變變化同步，相對于深部來說具有一定的滯后性。

圖11 位移與應(yīng)變曲線對比Fig.11 Comparison curve of displacement and strain

4 結(jié)論

以龍門山地區(qū)地質(zhì)條件為研究背景，采用大型物理模擬試驗，揭示了疊瓦狀逆斷層的變形和應(yīng)力分布規(guī)律：

1)除下伏斷層的下盤斜向下外，構(gòu)造區(qū)變形以沿斷層帶斜向上為主。斷層帶同側(cè)，變形量深部大于淺層；水平向變形隨與擠壓端距離的增大而逐漸減小，并伴有跳躍增大的現(xiàn)象，這種現(xiàn)象在上覆斷層的上盤尤其明顯。

2)隨著擠壓變形的增加，地應(yīng)力并不是線性的增大或減小，而是沿某個趨勢上下震蕩。深部地應(yīng)力大小及其釋放量都大于淺層，并且在變化時間上也先于淺層。

3)除在斷層上盤出現(xiàn)拉應(yīng)力外，研究區(qū)淺層主要處于受壓狀態(tài)，地應(yīng)力大小分布依次為下伏斷層的下盤>上覆斷層的下盤>下伏斷層的上盤>上覆斷層的上盤。隨著構(gòu)造變形的增大，地應(yīng)力呈現(xiàn)出先增大后減小再增大再減小的變化規(guī)律，易在下伏斷層帶附近聚積和釋放。

4)研究區(qū)深部始終處于壓應(yīng)力狀態(tài)，應(yīng)力大小分布依次為下伏斷層的上盤>上覆斷層的下盤>下伏斷層的下盤>上覆斷層的上盤。應(yīng)力在后期的突然釋放表現(xiàn)出和淺層不同的規(guī)律：上覆斷層兩側(cè)表現(xiàn)為瞬間的減小，而下伏斷層兩側(cè)先突然增大，然后才逐漸減小。

5)位移和應(yīng)變曲線的對比分析表明，淺層變形和應(yīng)力變化具有相同的規(guī)律和同步性，但均滯后于深部應(yīng)力的變化。

總之，通過物理模擬試驗，揭示了疊瓦狀逆斷層在構(gòu)造擠壓作用下的變形和應(yīng)力分布規(guī)律，不僅為地應(yīng)力研究提供了新的技術(shù)方法，而且對地震預(yù)報和地殼表層地質(zhì)災(zāi)害效應(yīng)的研究也有一定的指導(dǎo)意義。

[1] 蘇生瑞，黃潤秋，王士天. 斷裂構(gòu)造對地應(yīng)力場的影響及其工程應(yīng)用[M].北京:科學(xué)出版社，2002. Su Shengrui, Huang Runqiu, Wang Shitian. Fault Structure on the Ground Stress Field and Its Engineering Applications[M]. Beijing: Science Press, 2002.

[2] 蔡美峰，喬蘭，李華斌.地應(yīng)力測量原理和技術(shù)[M] .北京:科學(xué)出版社，1995. Cai Meifeng, Qiao Lan, Li Huabin. Situ Stress Measurement Principles and Techniques[M]. Beijing: Science Press, 1995.

[3] 李焯芬，王可鈞.高水平地應(yīng)力對巖石工程的影響[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報，1996,15(1)：26-31. Lee C F,Wang Kejun. Effect of High Horizontal in Situ Stresses on Rock Engineerings[J]. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering, 1996, 15(1): 26-31.

[4] 馬啟超.工程巖體應(yīng)力場的成因分析與分布規(guī)律[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報，1986,5(4)：329-342. Ma Qichao. The Cause of Formation of the Initial Stress Field in Engineering Rock and the Rule of Stress Distribution in the Field[J]. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering, 1986, 5(4): 329-342.

[5] 黃相寧.我所經(jīng)歷的地應(yīng)力分析預(yù)測地震之發(fā)展[J].地殼構(gòu)造與地殼應(yīng)力，2006(2)：26-36. Huang Xiangning. The development of earthquake predition with Stress Analysis That I Experieneed[J]. Tectonic Crustal Stress, 2006(2): 26-36.

[6] 黃潤秋，王士天，張倬元，等.中國西南地殼淺表層動力學(xué)過程及其環(huán)境效應(yīng)研究[M].成都:四川大學(xué)出版社，2001. Huang Runqiu, Wang Shitian, Zhang Zhuoyuan, et al. Southwest Crust Shallow Surface Kinetics of the Process and Its Environmental Effects[M].Chengdu: Sichuan University Press, 2001.

[7] 張培震，徐錫偉，聞學(xué)澤，等.2008年汶川8.0級地震發(fā)震斷裂的滑動速率、復(fù)發(fā)周期和構(gòu)造成因[J].地球物理學(xué)報,2008,51(4)：1066-1073. Zhang Peizhen, Xu Xiwei, Wen Xueze, et al. Slip Rates and Recurrence Intervals of the Longmen Shan Active Fault Zone and Tectonic Implications for the Mechanism of the May 12 Wenchuan Earthquake, 2008, Sichuan, China[J]. Chinese Journal of Geophysics, 2008, 51(4):1066-1073.

[8] 杜子圖，吳淦國，呂古賢，等. 西秦嶺及周邊地區(qū)構(gòu)造體系劃分與構(gòu)造演化[J].地質(zhì)力學(xué)學(xué)報，1998，4(2)：41-48. Du Zitu,Wu Ganguo,Lü Guxian, et al. Structural Systems in the West Qinling and Adjacent Region and Their Evolution[J].Journal of Geomechanics, 1998, 4(2): 41-48.

[9] 宋揚，胡建中，王瑞江，等.帕米爾弧東段逆沖推覆構(gòu)造特征[J].現(xiàn)代地質(zhì)，2011，25(1)：15-21. Song Yang, Hu Jianzhong, Wang Ruijiang, et al. Characteristics of Overthrust in the Eastern Pamir Structural Arc, Western Tibetan Plateau[J]. Geoscience, 2011, 25(1):15-21.

[10] 李勇，黃潤秋，周榮軍，等. 龍門山地震帶的地質(zhì)背景與汶川地震的地表破裂[J].工程地質(zhì)學(xué)報，2009，17(1)：3-17. Li Yong, Huang Runqiu, Zhou Rongjun, et al. Geological Background of Longmen Shan Seismic Belt and Surface Ruptures in Wenchuan Earthquake[J]. Journal of Engineering Geology,2009,17(1):3-17.

[11] 張貴鋼，楊志強，王慶良.龍門山斷裂帶三維滑動速率反演及其分段性研究[J].大地測量與地球動力學(xué)，2011，31(1)：5-8. Zhang Guigang,Yang Zhiqiang,Wang Qingliang. Inversion of Three Dimension Sliding Rate of Longmen Shan Fault and Characters of Its Segments[J]. Journal of Geodesy and Geodynamics，2011，31(1)：5-8.

[12] 吳滿路，張岳橋，廖椿庭，等.汶川地震后沿龍門山裂斷帶原地應(yīng)力測量初步結(jié)果[J].地質(zhì)學(xué)報，2010，84(9)：1292-1297. Wu Manlu, Zhang Yueqiao, Liao Chunting, et al. Preliminary Results of In-Situ Stress Measurements Along the Longmenshan Fault Zone After the WenchuanMs8.0 Earthquake[J]. Acta Geologica Sinica, 2010, 84(9): 1292-1297.

[13] 豐成君. 龍門山斷裂帶東北段現(xiàn)今地應(yīng)力狀態(tài)研究[D].北京:中國地質(zhì)科學(xué)院，2011. Feng Chengjun.The Study of the Present Stress at the Northeast of Longmen Shan Fault[D].Beijing: Chinese Academy of Geological Sciences, 2001.

[14] 徐錫偉, 聞學(xué)澤, 葉建青，等.汶川Ms8.0地震地表破裂帶及其發(fā)震構(gòu)造[J].地震地質(zhì), 2008, 30(3) : 597-629. Xu Xiwei, Wen Xueze, Ye Jianqing, et al. TheMs8.0 Wengchuan Earthquake Surface Ruptures and Its Seisogenic Structure[J].Seismology and Geology, 2008, 30(3): 597-629.

[15] Densemore A L, Ellis M, Li Y, et al.Active Te-ctonics of the Beichuan and Pengguan Faults at the Eastern Margin of the Tibetan Plateau[J]. Tectonics, 2007, 26: 1-17.

[16] 許志琴，侯立瑋，王宗秀，等.中國松潘-甘孜造山帶的造山過程[M].北京：地質(zhì)出版社，1992. Xu Zhiqin, Hou Liwei, Wang Zongxiu, et al. Orogenic Processes of the Songpan-Ganze Orogenic Belt of China[M].Beijing: Geological Publishing House, 1992.

[17] 唐榮昌，韓渭濱.四川活動斷裂與地震[M].北京：地震出版社，1993. Tang Rongchang, Han Weibin. Sichuan Active Faults and Earthquakes[M]. Beijing: Seismological Publishing House, 1993.

[18] 聞學(xué)澤.活動斷裂地震潛勢的定量評估[M].北京：地震出版社，1995. Wen Xueze. Quantitative Assessment of the Active Fault Earthquake Potential[M]. Beijing: Seismological Publishing House,1995.

[19] 徐錫偉，張培震，聞學(xué)澤，等.川西及其鄰近地區(qū)活動構(gòu)造基本特征與強震復(fù)發(fā)模型[J].地震地質(zhì)，2005，27(3)：446-461. Xu Xiwei, Zhang Peizhen, Wen Xueze, et al. Features of Active Tectonics and Recurrence Behaviors of Strong Earthquakes in the Western Sichuan Province and Its Adjcaent Regions[J]. Seismology and Geology, 2005, 27(3): 446-461.

[20] 徐錫偉，聞學(xué)澤，陳桂華，等.巴顏喀拉地塊東部龍日壩斷裂帶的發(fā)現(xiàn)及其大地構(gòu)造意義[J].中國科學(xué):D輯：地球科學(xué)，2008，38(5)：529-542. Xu Xiwei,Wen Xueze,Chen Guihua,et al.Discovery of Longriba Fault Zone in Eastern Byan Har Block, China and Its Tectonic Implication[J]. Science in China:Series D: Earth Sciences, 2008, 38(5): 529-542.

[21] 梅海.龍門山地區(qū)構(gòu)造應(yīng)力場及災(zāi)害效應(yīng)數(shù)值模擬研究[D].西安:長安大學(xué),2010. Mei Hai. Numerical Study on the Tectonic Stress Field of Longmenshan Region and Its Hazard Effect[D]. Xi’an: Chang’an University, 2010.

[22] 李碧雄，鄧建輝.龍門山斷裂帶深溪溝段斷層物質(zhì)的物理力學(xué)性質(zhì)試驗研究[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報，2011，30(1)：2653-2660. Li Bixiong,Deng Jianhui.Experimental Study of Physico-Mechanical Properties of Fault Materials from Shenxi Gou Rupture of Longmen Shan Fault[J]. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering, 2011, 30(1): 2653-2660.

[23] 胡夏嵩，趙法鎖，馬雙科.運用層序地層學(xué)劃分工程地質(zhì)巖組新方法探討[J].西安工程學(xué)院學(xué)報，2001，23 (3)：55-59. Hu Xiasong, Zhao Fasuo, Ma Shuangke. Discuss on the Capability of the Sequences Stratigraphy Method Put to Use in the Petrfabric Division Procession[J]. Journal of Xi’an Engineering University, 2001, 23(3): 55-59.

[24] 陳群策，豐成君，孟文，等.5.12汶川地震后龍門山斷裂帶東北段現(xiàn)今地應(yīng)力測量結(jié)果分析[J].地球物理學(xué)報，2012，55 (12)：3923-3932. Chen Qunce, Feng Chengjun, Meng Wen, et al. Analysis of in Situ Stress Measurements at the Northeastern Section of the Longmenshan Fault Zone After the 5.12 Wenchuan Earthquake[J].Chinese Journal of Geophysics, 2012,55(12): 3923-3932.

[25] 郭啟良，王成虎 ，馬洪生，等.汶川Ms8.0級大震前后的水壓致裂原地應(yīng)力測量[J].地球物理學(xué)報，2009，52(5)：1395-1401. Guo Qiliang,Wang Chenghu,Ma Hongsheng, et al. In-Situ Hydro-Fracture Stress Measurement Before and After the WenchuanMs8.0 Earthquake of China[J]. Chinese Journal of Geophysics, 2009,52(5): 1395-1401.

Physical Simulation Experimental Research on the Deformation Law and Mechanical Mechanism of Imbricated Thrust Fault:with Longmenshan Fault as an Example

Su Shengrui, Li Peng, Wang Qi, Su Weiwei, Zhang Ying

SchoolofGeologyEngineeringandGeomatics，Chang’anUniversity，Xi’an710054,China

Adopting the large physical simulation experiment with the Longmenshan fault zone as the research background, it reproduced the imbricated thrust fault evolution process. By the real-time monitoring of displacement and strain in inside of the model, it was concluded the deformation and stress distribution law of imbricate thrust fault as follows:1)The deformation of the whole tectonic region is inclined up along the fault zone except partly inclined down of underlying fault footwall; the deep deformation is greater than shallow surface at the same side of fault zone; the horizontal deformation gradually decreases with the increase of the distance from the extrusion end, and accompanied by instaneous jumping increase.2)The research area is in compressive stress state except local tensile stress in the shallow of the upper wall,and the deep stress and its release quantity are much greater than the shallow; the stress does not increase or decrease linearly, but with the increasing displacement of extrusion end along a trend shocks up and down. The crustal stress near the underlying fault zone is more likely to appear accumulation and release. In the changing time, the deep is jumping decrease, but the both side of the underlying fault zone instantly increase at first then decrease gradually.3)The deformation and stress of shallow changes with the same rule, but all are lagging behind the deep.

imbricated thrust fault; Longmenshan; crustal stress; simulation experiment

10.13278/j.cnki.jjuese.201401202.

2013-05-02

國家自然科學(xué)基金重點項目(41030749);國家自然科學(xué)基金項目(41072223);中國地質(zhì)調(diào)查局項目(1212010914205)

蘇生瑞(1963-)，男，教授，博士生導(dǎo)師，主要從事地質(zhì)工程教學(xué)和研究，E-mail:shengruisu@163.com。

10.13278/j.cnki.jjuese.201401202

P554；P56；P694

A

蘇生瑞，李鵬，王琦，等.疊瓦狀逆斷層的變形規(guī)律和力學(xué)機理物理模擬試驗：以龍門山斷裂帶為例.吉林大學(xué)學(xué)報:地球科學(xué)版,2014,44(1):249-258.

Su Shengrui, Li Peng, Wang Qi,et al.Physical Simulation Experimental Research on the Deformation Law and Mechanical Mechanism of Imbricated Thrust Fault:with Longmenshan Fault as an Example.Journal of Jilin University:Earth Science Edition,2014,44(1):249-258.doi:10.13278/j.cnki.jjuese.201401202.