光彈實驗構造渤海強震區(qū)應力場及地震危險區(qū)判定研究1

黃大衛(wèi)胡宏玖王華林黃 興王紀強陳 平胡 超劉 軍劉紅欣

1）上海市應用數(shù)學與力學研究所，上海 200072

2）上海大學理學院力學系，上海 200444

3）山東省地震工程研究院，濟南 250021

光彈實驗構造渤海強震區(qū)應力場及地震危險區(qū)判定研究1

黃大衛(wèi)1）胡宏玖1）王華林3）黃 興2）王紀強3）陳 平3）胡 超3）劉 軍3）劉紅欣2）

1）上海市應用數(shù)學與力學研究所，上海 200072

2）上海大學理學院力學系，上海 200444

3）山東省地震工程研究院，濟南 250021

本文在對渤海強震區(qū)地質(zhì)構造環(huán)境、斷裂帶分布特征進行詳細分析的基礎上，采用機械加工聚碳酸酯材料制成渤海強震區(qū)域的地質(zhì)模型，分別運用集中、二點和均布加載方式，用光彈實驗方法模擬特定構造框架下應力、應變場的變化特征。通過對光彈實驗數(shù)據(jù)的分析與處理，在對比不同加載方式下應力積累區(qū)域和地震危險點的基礎上，判定渤海強震構造區(qū)中的地震危險區(qū)域。

光彈模擬 應力應變場 渤海強震區(qū) 地震危險區(qū)

黃大衛(wèi)，胡宏玖，王華林，黃興，王紀強，陳平，胡超，劉軍，劉紅欣，2015.光彈實驗構造渤海強震區(qū)應力場及地震危險區(qū)判定研究.震災防御技術，10（4）：853—871.doi：10.11899/zzfy20150404

引言

近年來，我國地震頻發(fā)，對人民群眾的生命財產(chǎn)安全和經(jīng)濟建設造成了不可估量的損失。大陸地震對生命財產(chǎn)的破壞是巨大的，海洋地震的危害也十分可怕，由海洋地震引發(fā)的海嘯具有極強的破壞性（連尉平等，2009；馬寅生等，2002；楊港生等，2000），尤其對沿海高人口密度的發(fā)達城市。預防類似印尼海嘯的悲劇重演，加強海洋地震研究，掌握海洋地震規(guī)律，提高抵御海洋地震災害的能力，是當前面臨的一項非常重要的課題。本文選取渤海強震區(qū)作為研究區(qū)域，利用光彈實驗，以期找到渤海強震構造區(qū)中的地震危險區(qū)域。

1 渤海強震構造區(qū)地質(zhì)構造環(huán)境

1.1 渤海強震構造區(qū)概況

渤海強震構造區(qū)的主體是渤中盆地，其北側、西側和南側分別與下遼河-遼東灣盆地、黃驊盆地和濟陽盆地過渡銜接，東側的廟島群島則是膠遼隆起在海域中的延伸部分，如圖1所示。渤中盆地是北北東向郯廬斷裂帶和北西西向張家口-渤海-威海斷裂帶的交匯區(qū)（鄧起東等，2001），因而，其結構及構造演化均受到這兩條構造帶的影響。渤中盆地及其鄰區(qū)發(fā)育有三個不同方向的次級伸展斷層（陸克政，1997）：一是走向北北東、傾向北西西的伸展斷層；二是走向北東、傾向南東的伸展斷層，它們多分布于盆地東部邊緣；三是走向北西西和近東西向，傾向南的伸展傳遞斷層，主要分布于盆地南部，如渤南凹陷等。

1.2 渤海強震構造區(qū)斷裂構造特征

研究區(qū)地處華北地震區(qū)，區(qū)內(nèi)北北東向的郯廬斷裂帶、北東向的唐山-磁縣斷裂帶和北西向的燕山-渤海斷裂帶構造活動強烈，都是強震活動帶。渤海及周圍地區(qū)的主要活動斷裂有郯廬斷裂帶和燕山-渤海斷裂帶（魏光興，1993）。這兩條斷裂帶內(nèi)及其旁側發(fā)育有近南北、近東西、北東、北西、北東東、北北西、北北東和北西西八組斷裂，它們相互交匯（王華林等，2000），構成了渤海強震構造區(qū)的基本斷裂構造格架，這些斷裂切割深度和活動強度存在明顯差異（王志才等，2006a；2006b；呂悅軍等，2003；胡政等，1993），控制著渤海強震構造區(qū)的強地震活動，如圖2所示。第四紀活動斷裂和全新世活動斷裂集中沿郯廬斷裂帶和燕渤斷裂帶分布，在成帶活動的基礎上顯示出分段活動特征。郯廬斷裂帶自南向北可分為南、中、北三段；燕渤斷裂帶自東向西可分為東、中、西三段；兩斷裂的中段為兩斷裂交匯復合段。兩斷裂帶各段的斷裂格局、深部構造、活動強度和地震活動存在明顯差異。

燕渤海斷裂帶，西段和中段為強活動段，東段為較強活動段。東段可進一步分為西、東兩段，東東段為弱活動段，東西段為較強活動段。燕渤海斷裂帶的活動顯示自西向東由強到弱的特點。

圖2 渤海強震構造區(qū)區(qū)域地震構造圖Fig.2 Seismo-tectonic map of the Bohai earthquake zone

表1提供了渤海強震區(qū)區(qū)域內(nèi)主要斷裂成帶以及分段特征，通過表1可以看到第四紀活動斷裂和全新世活動斷裂與近期地震活動密切相關，且?guī)缀跛兄饕獢嗔训倪\動性質(zhì)為正斷，這也為進行平面的光彈實驗模擬奠定了基礎。

表1 研究區(qū)主要斷裂特征一覽表Table 1 Characteristics and parameters of active faults in study area

續(xù)表

續(xù)表

1.3 渤海強震構造區(qū)地震活動特征

渤海強震構造區(qū)歷史地震和現(xiàn)代地震活動頻繁，分布具有繼承性，集群和條帶特征更加明顯。其中繼承性表現(xiàn)在小震分布與渤海海域內(nèi)的中強地震分布區(qū)非常一致，構成了北北東向地震條帶和北西西向的地震條帶在渤中地區(qū)交匯；地震集群分布主要表現(xiàn)在陸域的唐山地震群及1969年渤海7.4級地震周圍的中小地震密集分布（徐杰等，2001）。

渤海強震構造區(qū)內(nèi)M≥4.7級地震震中分布圖（如圖3）顯示，自公元前70年至2013年6月，區(qū)域范圍內(nèi)共記錄到M≥4.7級地震85次，其中4.7-4.9級地震38次，5-5.9級地震36次，6-6.9級地震5次，7-7.9級地震6次，記錄到的最大地震是1976年河北唐山7.8級地震，最早記錄到的地震是公元495年山東蓬萊丘山5?級地震。1548年渤海7級地震。

區(qū)內(nèi)中強地震分布的成帶性集中體現(xiàn)在陸域上經(jīng)唐山的北東向條帶和渤海海域內(nèi)的北西向條帶。區(qū)內(nèi)中、強地震分布的集群性特征主要表現(xiàn)在兩個地區(qū)：①渤海海域震群，該震群內(nèi)集中發(fā)生了3次7級以上的大地震，1597年渤海7級地震、1888年渤海7?級地震和1969年渤海7.4級地震，形成了華北地震區(qū)內(nèi)7級以上地震最集中的地區(qū)；②1976年唐山7.8級地震形成的密集的唐山震群，強震主要集中在灤縣-樂亭斷裂、唐山斷裂、韓家莊斷裂等附近。

1.4 渤海強震構造區(qū)斷裂與強震活動的關系

（1）斷裂活動的成帶、分段和衰減活動，決定了強震活動的成帶和分段活動（侯貴廷等，1998）。燕渤斷裂帶的活動自西向東、由強到弱，決定了地震震級由7.8級逐漸向7.5、7.0、6.0和5.0級震過渡。郯廬斷裂帶強弱交替分段活動，決定了6.0、7.0級地震和5.0級地震的分段差異活動。

（2）第四紀晚期，尤其是全新世活動的交匯斷裂構成了渤海及周圍地區(qū)6.0級以上地震發(fā)震構造。研究表明（呂悅軍等，2002；孫若昧等，1993），本區(qū)所有7級以上地震的發(fā)震構造均為NNE與NWW和NE與NW交匯構造，大部分的6.0級地震和5.0級以上地震的發(fā)震構造亦以不同方向斷層的相互交匯為特征。簡單的單一方向的斷層往往第四紀晚期以來活動弱，對本區(qū)的6.0級以上地震無控制作用。

（3）NNE、NE、NW和NWW向斷層為渤海及周圍地區(qū)的主要活動斷層，它決定了本區(qū)所有6.0級以上地震的發(fā)生。其中有些是共軛交匯發(fā)震斷層，如1548年渤海7.0級地震、1976年唐山7.8級地震和1969年渤海7.4級地震。

圖3 渤海強震構造區(qū)內(nèi)M≥4.7級地震震中分布圖（公元495年—2013.06）Fig.3 Distribution of earthquakes of M≥4.7 in the Bohai earthquake zone

（4）燕山-渤海斷裂帶和郯廬斷裂帶的活動及其在渤海的交匯決定著渤海及周圍地區(qū)地震的遷移特點。1597年渤海7.0級地震前后主要沿NWW燕渤斷裂帶遷移；1888年渤海7.5級地震前后則主要沿NNE向郯廬斷裂帶遷移；1969年渤海7.4地震前沿燕渤斷裂帶遷移，震后沿郯廬和燕渤兩斷裂帶遷移。每組地震中的6.0級以上地震的發(fā)震斷層表現(xiàn)為NNE（NE）和NWW（NW）向斷層的交替。

圖4 光彈實驗原理圖Fig.4 Diagram showing the principle of photoelastic experiment

1.5 渤海強震構造區(qū)應力場的數(shù)值模擬

渤海地區(qū)應力場的數(shù)值模擬研究成果豐富（陳曉利等，2005；殷秀蘭等，2007a；2007b；呂悅軍等，2002），主要集中于應用有限元的方法對特定區(qū)域進行模擬，揭示了該區(qū)域內(nèi)應力場對地震強度、地質(zhì)演化以及油汽聚集等特定情況下的影響。其中陳曉利等（2005）對整個渤海海域進行了完整的應力場構造，通過有限元法得到了渤海海域的應力場特征，并認為渤中的最大剪應力非常高。

2 光彈性實驗

光彈性實驗方法是將全息照相和光彈性法相結合而發(fā)展起來的一種實驗應力分析方法。利用光彈性法，可以研究幾何形狀和載荷條件都比較復雜的工程構件的應力分布狀態(tài)，特別是應力集中的區(qū)域問題。由于光彈性實驗的全場性和直觀性，所以其可應用于構造模擬地質(zhì)模型的應力場，并能夠解決許多實際問題。

2.1 實驗原理

依據(jù)光的波動理論，平面偏振光，通過在應力作用下，透過具有光敏性材料制成的模型后，產(chǎn)生雙折射，使光沿著兩個主應力方向分解為兩個折射路、率不同的平面偏振光，產(chǎn)生光程差δ。當檢偏鏡A的震動軸與起偏鏡P的震動軸正交時，這樣光通過A鏡后，就變成了與A鏡震動軸平行的平面震動波，并產(chǎn)生光干涉現(xiàn)象（陳樹珍等，1983；殷秀蘭等，2007b；顏玉定等，2006；張興等，1996）。

2.2 實驗材料與模型制作

與傳統(tǒng)的環(huán)氧樹脂光彈試樣制作方式不同，本次采用新型的聚碳酸酯（PC）工程塑料作為基體。根據(jù)PC良好的雙折射性質(zhì)、易加工等特點，通過數(shù)字機械加工雕刻得到具有地質(zhì)坳陷裂紋紋路的地質(zhì)模型。與傳統(tǒng)的手工預制裂紋方式不同，數(shù)字機械加工得到的裂紋精確性得到了極大地提升。

而對于渤海強震區(qū)活動性斷裂體系的分析表明：地震活動是在第四紀晚期，尤其是全新世活動的基礎上產(chǎn)生的。地質(zhì)模型的確定是將本區(qū)地塊視為帶若干活動性斷裂系的均質(zhì)體。實驗模型中所表示的活動性斷裂有（表1中的斷裂編號）：1—9、12、13、23—27、34—38、44—47、49、53。這些斷裂帶構成了渤海強震構造區(qū)的基本斷裂構造格架。在模型制作過程中，依據(jù)相似性原理，選取渤海強震構造區(qū)域為目標試驗區(qū)域。首先按需求簡化研究區(qū)域的地質(zhì)構造圖、將尺寸縮小到光彈儀器的量程下，建立地質(zhì)模型。然后，將經(jīng)過處理的純聚碳酸酯地質(zhì)模型以機械雕刻的方式把斷裂帶刻到模型上，從而制作成含有主要斷裂帶的渤海強震區(qū)域的地質(zhì)模型，如圖5所示。地質(zhì)模型在偏振光場中，由于斷裂帶產(chǎn)生了明暗條紋的圖像。該模型尺寸及其與實際地圖比例如表2所示。

表2 渤海強震構造區(qū)地質(zhì)坳陷裂紋的紋路地質(zhì)模型Table 2 Fault trace model of the Bohai earthquake zone

2.3 實驗過程

在渤海強震區(qū)的構造體系中，在實驗過程中首先將實驗地質(zhì)模型放在409-Ⅱ型光彈儀夾具上，按照選定的三種加載方式，分別進行加載，通過CCD攝像技術得到等色線條紋圖案。根據(jù)等色條紋圖案進行分析確定應力的孕育累積區(qū)域，從而找到地震危險區(qū)域。

關于邊界條件，東部邊界為郯廬斷裂東緣，郯廬斷裂帶是貫穿中國東部的一條規(guī)模宏偉的寬大斷裂帶，是控制中國東部應力場的一個重要因素，利用震源機制、地震裂縫和地形變測量資料等，結合已有的郯廬斷裂帶現(xiàn)今區(qū)域應力場的若干結果，總的看來，該區(qū)應力場主壓應力方向為80°—90°（陳國光等，2003）。在渤海強震區(qū)中，不同斷裂帶體系的構成，與其所反映的外力作用方式的演化過程是非常復雜的。它不僅涉及到時間演化問題，而且還涉及到各種構造的空間關系問題?？紤]到本區(qū)的實際地質(zhì)構造情況，將本地區(qū)地塊模擬為帶有若干斷裂系的各項同性體。

實驗中考慮采用三種加載方式：東西向均布加載；東向單點加載（N38.3°—38.8°），西向均布加載；東向兩點加載，西向均布加載。試驗中考慮不同的加載方式有助于找出模擬驅(qū)動力，并選定相對遠離渤海區(qū)域的南北邊界作為該模型的邊界。均布加載方式可以有效模擬一般的穩(wěn)態(tài)情況下區(qū)域內(nèi)的應力孕育特征。而考慮到東部邊界地區(qū)處于環(huán)太平洋地震帶，其邊界條件并不穩(wěn)定，且容易發(fā)生強地震從而改變實驗區(qū)域的受力邊界條件，從而誘發(fā)區(qū)域內(nèi)應力分布特征的變化。本次實驗選擇東向單點加載方式，模擬2011年東日本大地震（N38.33°，E142.37°）發(fā)生時，研究區(qū)域的應力場分布。最新資料顯示（豐成君等，2013）：日本MW9.0級地震在渤海區(qū)域造成的同震位移為水平東西向，且在E121°，N38°—39°處分布了集中的、東西向的同震主應力。而東向兩點加載的邊界條件，是為了模擬復雜邊界條件下的應力場。

為了體現(xiàn)擠壓強度對渤海強震構造區(qū)域的影響，實驗中對模型施加不變的壓力。其中，東西向均布加載壓力分別選取5kg、7kg、9kg、11kg和13kg；東向單點加載，西向均布加載的壓力分別選取5kg和7kg；東向兩點加載，西向均布加載的壓力分別選取5kg和7kg。

圖5 光彈實驗（東西均布加載13kg）中的地質(zhì)模型Fig.5 Geologic model of the experiment（under uniform loading 13kg）

2.4 光彈實驗結果分析

經(jīng)過對實驗數(shù)據(jù)的處理，獲得渤海強震構造區(qū)域的等色條紋分布圖像。將獲得的渤海強震構造區(qū)域等色條紋分布圖像與原地質(zhì)研究區(qū)域進行疊加。對疊加圖像進行分析，找到應力累積區(qū)域與地質(zhì)斷裂帶之間的關系，如圖4所示。圖4中標明的數(shù)字區(qū)域1、2、3（3為紅色）分別表示光彈模型上的等色條紋級數(shù)數(shù)值，其中等色條紋級數(shù)為3的區(qū)域即是剪應力最大的區(qū)域，即地震危險區(qū)域。為方便閱讀，實驗結果分析中的斷裂名稱由圖中的斷裂編號表示，而表1詳細列出了各個斷裂編號的名稱。

從渤海地區(qū)在東西向均勻擠壓下構造應力場光彈模擬實驗的等色圖結果可以看出，主應力大小及方向分布是非線性的。剪應力高值區(qū)受到活動斷裂帶的控制，尤其是在多復合斷裂帶的影響下，分布規(guī)律極其復雜。根據(jù)圖6.1a可知，均向載荷在9kg時，以下三個區(qū)域出現(xiàn)了明顯的3級等色條紋區(qū)域：①全新世活動斷裂區(qū)南部：（6）號與（7）號斷裂間的區(qū)域有對稱的蝴蝶狀的3級條紋分布，（7）號與（8）號斷裂間也出現(xiàn)了明顯的3級等色條紋區(qū)域；②東北部遼東斷裂帶：（25）與（49）號斷裂間，（46）號斷裂西北部與（45）號斷裂東南部出現(xiàn)了對稱的3級條紋分布，以及北緯39.2°東經(jīng)121°區(qū)域；③蓬萊南部：（34）號與（44）號斷裂之間也出現(xiàn)了3級區(qū)域。

圖6.1a 9kg東西向均布加載時的應力累積區(qū)域與地質(zhì)斷裂帶的應力分布圖Fig.6.1a Stress envelope of geological fault zone under E-W uniform 9kg loading

然而，當東西向均布加載載荷增加到11kg時（圖6.1b），3級條紋區(qū)域開始減少，僅出現(xiàn)在研究區(qū)域的東北部（25）號斷裂與（49）號斷裂之間，（45）號斷裂東部，以及（44）號斷裂的南部、北部與東北部。由圖6.1c可見，當東西向均布加載載荷達到13kg時，出現(xiàn)的3級等色條紋區(qū)域明顯大量增加，為（46）號與（47）號斷裂之間、（49）號斷裂北部、北緯39.2°東經(jīng)121°區(qū)域、（25）號（26）號斷裂相交區(qū)域、（1）號與（27）號斷裂相夾區(qū)域、（8）號斷裂南部、（12）號和（24）號斷裂東部尖端、（44）號斷裂的北部與東北部，以及環(huán)繞（5）、（6）、（37）、（38）號全新世斷裂的區(qū)域。值得注意的是，當勻向擠壓的載荷從9kg增加至11kg時，高剪切力區(qū)域發(fā)生明顯變化。這是因為實驗區(qū)域的力學問題是非線性力學問題，由于斷裂帶的復雜分布形式，實驗中心區(qū)域的受力狀態(tài)也變得非常復雜。同時這也說明全新世活動斷裂帶對擠壓應力強度反應非常敏感。

圖6.1b 11kg東西向均布加載時的應力累積區(qū)域與地質(zhì)斷裂帶的分布圖Fig.6.1b Stress envelope of geological fault zone under E-W uniform 11kg loading

圖6.2為不同載荷下東向單點加載、西向均布加載時的光彈性等色條紋圖。由于單點加載的特性，所以在單點加載處附近的等色條紋級數(shù)有所增加。但是隨著向均勻載荷邊界的靠近，依然能夠得到有意義的結果。

根據(jù)圖6.2a可知，當東向單點加載、西向均布加載的壓力為5kg時，在研究區(qū)域東部出現(xiàn)了南北對稱的3級等色條紋區(qū)域，且（8）號斷裂體現(xiàn)出明顯的阻隔應力的現(xiàn)象，即由東部集中應力像西部傳遞的進程中，高應力被阻隔在（8）號斷裂東部。而中部受斷裂帶的影響較大，并且在以下區(qū)域由北至南出現(xiàn)了明顯的3級等色條紋區(qū)域：（1）號斷裂北部，（2）號斷裂末端西部，（13）號斷裂西部、南部。然而，當東向單點加載的載荷增加到7kg時（圖6.2b），3級等色條紋的分布與5kg的東向單點加載、西向均布加載的大致相似，不同的是在（12）、（30）和（8）號斷裂圍成的區(qū)域內(nèi)，且全新世活動斷裂周邊密集聚集著3級等色條紋區(qū)域。類似于這樣的改變，在增加2kg載荷后導致全新世活動斷裂周邊出現(xiàn)劇烈的等色條紋區(qū)域變化的現(xiàn)象同樣出現(xiàn)在圖6.1a-b中。這也再次證明了中心區(qū)域全新世活動斷裂帶對應力強度的變化非常敏感，而許多關于渤海強震區(qū)的數(shù)值分析并未考慮到邊界條件中應力強度的變化對全新世活動斷裂帶的影響。事實上，由于實際情況中研究區(qū)域的邊界條件處于非靜態(tài)的狀態(tài)中，因此，邊界上的應力強度變化不能忽略不計。由此可以推斷出：無論在一般情況下（東西均布）還是在東日本大地震這樣的特殊情況下（東單點），全新世活動斷裂帶都處于應力非常不穩(wěn)定的狀態(tài)中，是地震孕發(fā)的高危險區(qū)。

圖6.1c 13kg東西向均布加載時的應力累積區(qū)域與地質(zhì)斷裂帶的分布Fig.6.1c Stress envelope of geological fault zone under E-W uniform 13kg loading

圖6.2a 5kg東向單點加載、西向均布加載時的應力累積區(qū)域與地質(zhì)斷裂帶的分布圖Fig.6.2a Stress envelope of geological fault zone under E （concentrated） -W（uniform） 5kg loading

東向兩點加載，西向均布加載，載荷大小分別取5kg和7kg，進行光彈測試。經(jīng)過對光彈實驗數(shù)據(jù)分析與處理得到圖6.3a和6.3b。根據(jù)圖6.3a可知，在5kg東向兩點加載、西向均布加載下，3級等色條紋的分布出現(xiàn)在以下幾個區(qū)域：關于（45）和（46）號斷裂西北-東南對稱的區(qū)域，關于（37）號斷裂南北對稱的區(qū)域，（7）號斷裂北部東西對稱的區(qū)域，以及（44）號斷裂北部區(qū)域。和單點加載狀態(tài)有所不同的是：兩點加載狀態(tài)下，南北向的斷裂帶并未出現(xiàn)明顯的阻隔應力的現(xiàn)象。因此，可以看出，在特殊的應力邊界條件下，斷裂帶并不能阻隔高應力的傳遞，這使得渤海強震區(qū)因為邊界條件的變化而致危險區(qū)域加大。

同時，上述結果和9kg東西向均布載荷下的結果有著相似的分布區(qū)域。不同的在于：5kg東向兩點加載、西向均布加載載荷下，出現(xiàn)在全新世活動斷層的3級等色條紋區(qū)域較小，出現(xiàn)在遼東斷裂帶的3級等色條紋區(qū)域較大。出現(xiàn)如此相似的原因，可能是由于兩點加載狀態(tài)下，其東部邊界的應力分布更加接近于均布加載，而由于兩點加載的載荷量較小，使得其出現(xiàn)的3級條紋區(qū)域也較小。

圖6.2b 7kg東向單點加載、西向均布加載時的應力累積區(qū)域與地質(zhì)斷裂帶的分布圖Fig.6.2b Stress envelope of geological fault zone under E（concentrated）-W（uniform） 7kg loading

當東向兩點加載、西向均布加載載荷增加到7kg時（圖6.3b），測試區(qū)域的等色條紋分布再次發(fā)生了一些變化。北部（45）、（46）號斷裂帶的3級等色條紋區(qū)域分布變化不明顯。然而，在南部區(qū)域，原本出現(xiàn)在全新世活動斷裂帶的3級等色條紋區(qū)域再次消失，在（7）和（8）號斷裂相夾的區(qū)域出現(xiàn)了南北對稱的3級等色條紋，而（44）號斷裂北部的斷裂帶變窄且向西發(fā)展。

圖6.3a 5kg東向兩點加載、西向均布加載時的應力累積區(qū)域與地質(zhì)斷裂帶的分布圖Fig.6.3a Stress envelope of geological fault zone under E（two-point-concentrated）-W（uniform） 5kg loading

陳曉利等（2005）的數(shù)值模擬的結果顯示，最大剪應力區(qū)域出現(xiàn)在渤中區(qū)域，即圖2中（25-27）號斷裂帶附近。光彈實驗結果中也得到了驗證，在東部單點、東部兩點的非對稱加載情況下（25-27）號斷裂帶的東部都出現(xiàn)了3級條紋。而與數(shù)值結果不同的的是，由于本次實驗中選取三種不同的加載方式，使得研究區(qū)域的邊界條件與數(shù)值模擬相比有巨大不同，因而出現(xiàn)了其他的危險區(qū)域。

3 結論

（1）在不同的加載方式下，一些應力累積區(qū)域的分布圖中出現(xiàn)了相似的結果，說明由于斷裂帶分布的結構性原因，即使改變了加載方式，依舊存在高應變累積不變區(qū)域。全新世斷裂活動帶（（5）、（6）、（37）、（38）號斷裂）周邊出現(xiàn)3級等色條紋區(qū)域與否非常依賴于載荷的大小，反映出其不穩(wěn)定性。故可以判定該區(qū)域為地震危險區(qū)域。而（1）號斷裂北部、（25）和（27）號斷裂東部、（45）和（46）號斷裂區(qū)域附近、（7）號斷裂東部、（8）號斷裂與（44）號斷裂之間的區(qū)域在2種或3種加載方式下都出現(xiàn)了3級等色條紋區(qū)域，即高應力的孕育區(qū)域。故可以判定這些區(qū)域為地震危險區(qū)域。

（2）將光彈實驗結果（圖6.1—6.3）與斷裂（圖2）和地震（圖3）活動分布進行對比，可以發(fā)現(xiàn)，切割深度大，全新世和晚更新世活動斷裂，往往是6級以上地震，尤其是7—8級地震發(fā)生的場所，這些區(qū)域也是光彈實驗應力和應變集中的區(qū)域。

（3）筆者把分析得到的結論1中的地震危險區(qū)在圖2中標出，并用不同顏色區(qū)分不同加載狀態(tài)下的地震危險區(qū)，得到圖7。其中黃色區(qū)域為均勻加載下的應力危險區(qū)，反映了一般穩(wěn)態(tài)情況下的危險區(qū)分布；綠色區(qū)域為單點加載下的危險區(qū)，反映了特定的東日本大地震震發(fā)狀態(tài)下的危險區(qū)分布；而藍色區(qū)域為兩點加載的危險區(qū)，反映了復雜邊界條件下的應力場。本次實驗結果為渤海強震區(qū)的地震危險區(qū)判定提供了實驗依據(jù)，對渤海強震區(qū)的地震預測預報和震情跟蹤具有實際意義。

圖7 渤海強震構造區(qū)區(qū)域不同加載方式下的危險區(qū)域圖Fig.7 Earthquake risk area of the Bohai earthquake tectonic zone under different loading modes

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Stress Field and Determination of Earthquake Risk Zone in Bohai based on Photoelastic Experimental Simulation

Huang Dawei1）， Hu Hongjiu1）， Wang Hualin3）， Huang Xing2）， Wang Jiqiang3）， Chen Ping3）， Hu Chao3）， Liu Jun3）and Liu Hongxin2）

1） Shanghai Institute of Applied Mathematics and Mechanics， Shanghai 200072， China
2） Mechanic Department， College of Sciences， Shanghai University， Shanghai 200444， China
3） Shandong Institute of Earthquake Engineering， Jinan 250021， China

Based on the comprehensive analysis on geological environment and fault zone distribution in the Bohai sea meizoseismal area， we made the geological model by using polycarbonate material to simulate the specific structural framework of stress and strain fields. In the simulation， uniform， concentrated and two-point loading are applied in photoelastic experiments. The seismic risk area in the Bohai sea meizoseismal area is determinated through photoelastic experimental data analysis and processing， which is based on the comparison of stress accumulation area and seismic hazard points in different loading ways.

Photoelastic simulation； Stress and strain field； The Bohai sea meizoseismal area； Earthquake risk zone

郯廬地震斷裂帶中段地震活動規(guī)律及地震危險區(qū)判定研究（2012BAK19B04-01）國家科技計劃專題資助項目

2014-12-29

黃大衛(wèi)，男，生于1991年。碩士。主要從事能源與環(huán)境的關鍵力學實驗問題的研究。E-mall：miksimd@foxmail.com

胡宏玖，男，生于1969年。研究員，博士，博士生導師。主要研究方向：E-mall：huhongjiu@shu.edu.cn