基于ANSYS的走滑斷層黏滑運(yùn)動的數(shù)值模擬

張增換

摘要：運(yùn)用ANSYS軟件建立二維幾何模型，采用粘彈性的力學(xué)參數(shù)，通過建立接觸單元，模擬了10萬年時間尺度的平直走滑斷層活動（即地震），通過與時間相關(guān)的瞬態(tài)計算方法分析了壓性條件下的斷層活動特征，得出在給定的邊界條件下斷層的最大位錯為6m，約在4.1萬年以前斷層發(fā)生的位錯都比較小，且平直斷層的周期性活動不明顯。

關(guān)鍵詞：走滑斷層；黏滑運(yùn)動；數(shù)值模擬

1 幾何模型的建立

本文利用ANSYS軟件建立二維的理論模型模擬分析了平直走滑斷層粘滑運(yùn)動特征。模型長800km，寬500km，地共劃分了2120個單元，整個幾何模型參數(shù)按照下地殼設(shè)置，力學(xué)參數(shù)設(shè)置為均勻的、各向同性的，通過接觸設(shè)置實(shí)現(xiàn)斷層間的摩擦接觸，本文用的摩擦本構(gòu)關(guān)系是摩擦強(qiáng)度依賴于滑動速率的方程，這樣簡化了我們的計算。采用粘彈性材料標(biāo)準(zhǔn)線性固體模型，材料參數(shù)如表1所示。左側(cè)邊界x方向固定，右側(cè)施加位移邊界條件，設(shè)置擠壓速率2cm/a，的位移，計算時間為10ma，計算步長為10年。整個模型為理想化的簡化模型，計算方法為瞬態(tài)的FULL法，載荷的時間也為符合地質(zhì)特征的逐步施加，即將給定的位移邊界條件一步一步的逐步施加。再計算完成后，通過POST26時間歷程后處理模塊，分析斷層面上節(jié)點(diǎn)的滑動位錯隨時間的演化的情況，從而明確斷層錯動（即地震）隨時間的變化情況。表1走滑斷層模型模型主要參數(shù)及模型材料。

2 主要結(jié)果與分析

地質(zhì)問題大多是時間相當(dāng)漫長的問題，大多數(shù)的地質(zhì)活動是產(chǎn)應(yīng)力已經(jīng)積累了很長時間的背景下（即初始應(yīng)力場的），因為本文涉及的模型為走滑斷層，且給定了相對較大的GPS速率，未來簡化模型，并未考慮初始應(yīng)力場，隨有不妥，但對主要問題的分析并無影響，或者是可以在數(shù)據(jù)處理階段直接把之前的某一段時間當(dāng)做初始應(yīng)力場，而分析之后時間的數(shù)據(jù)也是可以的。

黏滑運(yùn)動作為淺源地震的發(fā)震機(jī)理以被廣泛認(rèn)可，所以本文分析了斷層的黏滑運(yùn)動特征，如圖1（即黏滑曲線）所示，橫軸為時間軸，縱軸為斷層的滑動距離，隨時間的變化滑移距離不變?yōu)檎持凭嚯x在短時間時間內(nèi)發(fā)生變化即為滑動，其中負(fù)號表示方向，從粘著到滑動再到粘著的循環(huán)即為斷層的黏滑運(yùn)動，所以滑移距離隨時間的變化圖即為斷層的黏滑曲線圖，可以形象的解釋斷層的黏滑運(yùn)動。節(jié)點(diǎn)的滑動位移隨時間的變化情況對應(yīng)同節(jié)點(diǎn)剪應(yīng)力的積累與釋放成正相關(guān)。圖2為節(jié)點(diǎn)最大位錯隨時間的分布圖。從圖中可知，約在4.1萬年以前斷層發(fā)生的位錯都比較小，模型斷層的最大位錯約為6m，發(fā)生在，由圖可知平直走滑斷層的發(fā)震周期并不明顯。

模型計算了10000步，本文主要分析了斷層面上節(jié)點(diǎn)的錯動，計算后導(dǎo)出接觸面上所有節(jié)點(diǎn)的計算結(jié)果，將輸出的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，用下一個時間的滑動距離減去上一個時間的滑動距離，從而得到設(shè)定的時間內(nèi)斷層的位錯，從而分析最大位錯隨時間的變化，以分析該給定模型在一定邊界條件下的地震活動特征，如圖2所示，在給定的時間尺度與邊界條件內(nèi)，斷層發(fā)生了多次大的錯動，且每次錯動的復(fù)發(fā)間隔并不相同。

3 討論與分析

本研究只涉及已有的斷層，而在實(shí)際斷層活動中很有可能會導(dǎo)致新斷層的產(chǎn)生，以及改變原有斷層的幾何形態(tài)。摩擦系數(shù)的不同，本構(gòu)方程的選擇不同都會得出不一樣的結(jié)果，且本文采用的邊界條件為2cm/a，雖然在正常范圍內(nèi)，但大于大多數(shù)地區(qū)的GPS速率，而GPS速率的變化直接改變了邊界條件，問題的結(jié)論必然也會有差異。諸如此類的很多問題我們都未進(jìn)行詳細(xì)的對比研究。本文只是以數(shù)值模擬的方法簡要分析了平直走滑斷層的黏滑運(yùn)動特征，在某些問題闡明上只是一個開始。

參考文獻(xiàn)：

[1]馬曉靜.正斷層發(fā)生地震的動力學(xué)過程數(shù)值模擬研究[D].中國地震局地質(zhì)研究所，2012.

[2]薛霆虓，傅容珊，林峰.幾何彎曲斷層活動性的模擬[J].地球物理學(xué)報，2009，10：25092518.

注：本文由河北省研究生創(chuàng)新資助項目（1007703）資助