GPS約束下川滇地區(qū)下地殼拖曳作用及斷裂活動(dòng)性有限元模擬

劉昌偉 常祖峰 李春光 曾平 馬琳

摘要：提取川滇地區(qū)GPS速度場(chǎng)邊界值作為約束條件，依據(jù)地質(zhì)資料，利用ANSYS有限元模擬軟件建立川滇地區(qū)三維有限元模型，將川滇地區(qū)劃分為4個(gè)塊體，利用靜力學(xué)分析模塊模擬下地殼拖曳作用及2條主要活動(dòng)斷裂的走滑速率。結(jié)果顯示：模型四周僅加載GPS速度場(chǎng)邊界值，川滇菱形塊體位移速度較實(shí)測(cè)速度偏差明顯，不滿(mǎn)足此地區(qū)地球動(dòng)力學(xué)特征，增加下地殼拖曳作用荷載后速度場(chǎng)模擬結(jié)果得到優(yōu)化，川滇菱形塊體位移速度差值減小;研究模擬下地殼拖曳作用產(chǎn)生的剪切力發(fā)現(xiàn)，拖曳作用在小金河斷裂附近由南東轉(zhuǎn)向正南時(shí)才能得到最優(yōu)模擬結(jié)果，暗示其對(duì)川滇菱形塊體拖曳方向發(fā)生了偏轉(zhuǎn)。鮮水河、小江斷裂模擬走滑速率分別為85 mm/a，6 mm/a，與實(shí)際走滑速率具有較好一致性，優(yōu)化后可對(duì)斷裂帶閉鎖研究提供參考。

關(guān)鍵詞：川滇地區(qū);有限元模擬;拖曳作用;斷層走滑速率

中圖分類(lèi)號(hào)：P315727?? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A?? 文章編號(hào)：1000-0666（2019）03-0385-08

0 引言

川滇地區(qū)位于青藏高原東南緣，處于羌塘、巴彥喀拉以及華南塊體交接部位，在印度板塊與歐亞板塊相互碰撞擠壓下其地質(zhì)構(gòu)造錯(cuò)綜復(fù)雜。曾融生和孫為國(guó)（1992）研究青藏高原下地殼及地幔時(shí)發(fā)現(xiàn)，東鄰高原的青海、川滇地區(qū)上地幔存在低速帶，分析認(rèn)為下地殼物質(zhì)向東南向流動(dòng)并堆積于此;相關(guān)數(shù)值模擬、重力異常以及橫波分裂等數(shù)據(jù)均顯示青藏高原東南部下地殼較軟，更易于流動(dòng)，導(dǎo)致上地殼與地幔存在解耦（Royden et al，1997;熊熊等，2001;Flesch et al，2005）;受到NE向揚(yáng)子板塊的阻擋，青藏高原物質(zhì)向ES方向流動(dòng)，盡管前人提出的下地殼通道流模型如 Couette流以及Poiseuille流等還具有爭(zhēng)議，但川滇地區(qū)下地殼作為青藏高原物質(zhì)EN向流動(dòng)的通道已基本不是爭(zhēng)論的焦點(diǎn)（Klemperer，2006，Beaumont et al，2004）;部分研究者通過(guò)給定地殼粘滯系數(shù)模擬得出了較為可信的川滇地區(qū)下地殼流動(dòng)速度，認(rèn)為其較上地殼運(yùn)動(dòng)快約10 mm/a（Wang，2007;曹建玲等，2013），朱守彪和石耀霖（2004）、王輝等（2007）等在川滇地區(qū)上、下地殼相互作用的研究過(guò)程中提出下地殼產(chǎn)生了拖曳作用。前人針對(duì)川滇地區(qū)數(shù)值模擬取得了豐富的研究成果，主要思路分為2類(lèi)：一類(lèi)將川滇地區(qū)四周GPS位移作為荷載，斷裂帶設(shè)置為軟弱帶，模擬給出應(yīng)力分布、斷層相互作用等，并與發(fā)震規(guī)律進(jìn)行對(duì)比分析（王凱英，馬瑾，2004;陳連旺等，2008），再根據(jù)模擬應(yīng)力場(chǎng)分布劃分出了地震危險(xiǎn)區(qū)（廖思佩等，2016）;另一類(lèi)將川滇地區(qū)劃分為多個(gè)塊體，分析各個(gè)塊體內(nèi)部應(yīng)變狀態(tài)與相互作用（蔣鋒云等，2013），或?qū)嗔褞M走滑速率與實(shí)際走滑速率進(jìn)行對(duì)比，分析斷裂帶活動(dòng)性或閉鎖狀態(tài)（王閻昭等，2008;申重陽(yáng)等，2002;趙靜等，2015;李長(zhǎng)軍等，2018）。本文結(jié)合以上研究思路，利用ANSYS有限元模擬軟件與地質(zhì)資料建立川滇地區(qū)三維模型，以近期GPS觀測(cè)數(shù)據(jù)作為邊界條件，模擬對(duì)比下地殼拖曳荷載對(duì)模型產(chǎn)生的影響;斷裂設(shè)置為軟弱帶，與各塊體間摩擦接觸，將模擬與實(shí)際斷裂帶走滑距離進(jìn)行對(duì)比，探討摩擦接觸定義下斷裂帶有限元模擬與真實(shí)斷裂的可比性。

1 川滇地區(qū)構(gòu)造特征及模型建立

11 主要斷裂與塊體劃分

李玶和汪良謀（1975），闞榮舉等（1977）首先提出了川滇菱形塊體的概念，以麗江—小金河斷裂為界將川滇菱形塊體劃分為川西北與滇中2個(gè)次級(jí)塊體（王鎧元等，1987;李鐵明等，2003）。巴彥喀拉塊體以東昆侖斷裂、龍門(mén)山斷裂和甘孜—玉樹(shù)斷裂為界，早期也被稱(chēng)為川青塊體（韓渭賓，蔣國(guó)芳，2003），一般根據(jù)龍日壩斷裂帶和虎牙斷裂帶將其劃分為阿壩次級(jí)塊體、馬爾康次級(jí)塊體和龍門(mén)山次級(jí)塊體（徐錫偉等，2008，陳長(zhǎng)云等，2013）。滇東塊體活動(dòng)性斷裂分布較為有限，以大涼山斷裂為界劃分出大涼山次級(jí)塊體和川中次級(jí)塊體（宋方敏等，2002）。滇西南塊體劃分觀點(diǎn)較多，主流的劃分方式是以瀾滄江—紅河斷裂為界劃分出印支板塊和滇緬泰板塊（蘇有錦，秦嘉政，2001）。綜上，本文將川滇地區(qū)劃分成川滇菱形塊體、巴顏喀拉塊體、滇東塊體和滇西南塊體4個(gè)一級(jí)塊體（圖1）。將連接一級(jí)塊體的斷裂定義為一級(jí)斷裂，有甘孜—玉樹(shù)—鮮水河斷裂、龍門(mén)山斷裂、安寧河—?jiǎng)t木河—小江斷裂、怒江斷裂及紅河斷裂。次級(jí)塊體間接觸的為次級(jí)斷裂，有東昆侖斷裂、里塘斷裂、金沙江斷裂、麗江小金河斷裂、南華—楚雄—建水?dāng)嗔?、南汀河斷裂以及怒江斷裂南段?/p>

12 介質(zhì)參數(shù)與網(wǎng)格劃分

GPS 觀測(cè)結(jié)果顯示，川滇地區(qū)上地殼形變滿(mǎn)足彈性形變的特征（Shen et al，2005）。本文ANSYS模擬采用線(xiàn)彈性靜力學(xué)分析模塊，取川滇地區(qū)平均上地殼厚度為30 km，參考前人對(duì)川滇地區(qū)地殼泊松比研究，將上述4個(gè)一級(jí)塊體賦予不同的密度、彈性模量以及泊松比，斷裂設(shè)置為軟弱帶，其力學(xué)性質(zhì)參考可塑狀態(tài)粘土（含水），各塊體介質(zhì)參數(shù)如表1所示。川滇地區(qū)斷裂以走滑為主，龍門(mén)山推覆構(gòu)造帶產(chǎn)狀具有淺部陡深部緩的特點(diǎn)（張竹琪等，2010），因此本文將龍門(mén)山斷裂傾角簡(jiǎn)化設(shè)置為65°，其余斷裂帶傾角設(shè)置為直立，斷裂帶傾角與塊體為摩擦接觸，當(dāng)滑動(dòng)速率<1 mm/s且走滑距離小于1 mm時(shí)質(zhì)密石英巖摩擦系數(shù)為06（Dieterich，1978;Dieterich，Kilgore，1996），在不影響計(jì)算結(jié)果的前提下斷裂帶寬度均簡(jiǎn)化為2 km，模型中共計(jì)12條斷裂帶、15個(gè)摩擦面。本文模型均采用四面體網(wǎng)格劃分方法，塊體網(wǎng)格尺寸為40 km，斷裂帶網(wǎng)格尺寸為5 km，斷裂帶與塊體接觸位置進(jìn)行局部網(wǎng)格加密，共劃分出3 458個(gè)網(wǎng)格，28 567個(gè)節(jié)點(diǎn)（圖2）。

13 邊界條件

本文GPS數(shù)據(jù)來(lái)自中國(guó)地震局GNSS服務(wù)平臺(tái)提供的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)產(chǎn)品 http：//wwwcgpsaccn。中國(guó)大陸構(gòu)造環(huán)境監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)共建設(shè)有260個(gè)基準(zhǔn)站和2 000多個(gè)區(qū)域站，其中66個(gè)基準(zhǔn)站位于研究區(qū)（96°～107°E，21°～35°N）內(nèi)。本文采用ANSYS靜力學(xué)分析模塊進(jìn)行求解，時(shí)間在此求解模塊中無(wú)實(shí)際物理意義，故荷載均設(shè)置為1年產(chǎn)生的位移量。建模過(guò)程中對(duì)地形起伏與部分?jǐn)嗔褬?gòu)造進(jìn)行了簡(jiǎn)化處理，斷裂模型均采用了非線(xiàn)性摩擦接觸分析，由于具有大量非線(xiàn)性分析，荷載步設(shè)置為5，每次加載20%，使其荷載平滑加載以避免難以收斂的問(wèn)題。為得到最理想的模擬結(jié)果，共設(shè)計(jì)3個(gè)模型。模型Ⅰ在不考慮位移隨深度發(fā)生變化的基礎(chǔ)上，將川滇地區(qū)66個(gè)GPS基準(zhǔn)站以及142個(gè)流動(dòng)站（共計(jì)208個(gè)）實(shí)測(cè)的年均速度值（2013—2015年、2015—2017年2期）作為控制點(diǎn)，利用Matlab插值功能求出模型四周邊界處的位移速度，依次將位移荷載加載在模型四周（圖1b），將模型Ⅰ作為初始參考模型。模型Ⅱ在模型Ⅰ的基礎(chǔ)上使川滇菱形塊體底部受到下地殼拖曳產(chǎn)生的剪切力作用（圖3a），位移方向與川滇菱形塊體長(zhǎng)軸方向一致（約140°方向），位移大小通過(guò)多次模擬試驗(yàn)確定理想值。模型Ⅲ在模型Ⅱ的基礎(chǔ)上考慮川滇菱形塊體底部受到的剪切力在小金河斷裂附近發(fā)生由東向南偏轉(zhuǎn)，?偏轉(zhuǎn)角度與地表實(shí)測(cè)GPS偏轉(zhuǎn)角平均值一致約為30°（圖3b），位移值大小同樣通過(guò)多次模擬實(shí)驗(yàn)確定。

2 模擬結(jié)果

使用GPS位移作為邊界條件加載在模型Ⅰ（圖4a）四周，為了進(jìn)一步討論其是否滿(mǎn)足川滇地區(qū)地球動(dòng)力學(xué)特征，需與GPS實(shí)測(cè)點(diǎn)位移進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)證。圖4a為GPS實(shí)測(cè)值（基準(zhǔn)站點(diǎn)）與同坐標(biāo)模擬值對(duì)比結(jié)果，圖中箭頭指向表示位移矢量方向。從圖中可以看出，巴顏喀拉塊體、滇東塊體以及滇西南塊體模擬值能夠反映出西北部青藏高原的擠壓以及東部四川盆地阻擋的構(gòu)造格局，與GPS實(shí)測(cè)值較為接近，而川滇菱形塊體模擬值卻與實(shí)測(cè)值存在較大偏差，其模擬—實(shí)測(cè)速度差分布顯示，滇中次級(jí)塊體（菱塊南部）差值尤為明顯。

模型Ⅱ（圖4b）在川滇菱形塊體底部添加一個(gè)與剪切力等效的位移荷載，加載方向?yàn)榇ǖ崃庑螇K體長(zhǎng)軸方向（140°），荷載大小以川滇菱形塊體GPS實(shí)測(cè)位移的平均值148 mm/a為基數(shù)進(jìn)行調(diào)整，經(jīng)過(guò)多次模擬實(shí)驗(yàn)，確定最佳位移量為9 mm/a，但滇中次級(jí)塊體殘差并未發(fā)生明顯改善。模型Ⅲ（圖4c）保持底部最佳位移量不變，在小金河斷裂附近對(duì)荷載進(jìn)行偏轉(zhuǎn)調(diào)整后，川滇菱形塊體位移速度差分布如圖4左側(cè)橙色點(diǎn)所示，較GPS實(shí)測(cè)東西向、南北向位移速度差在±5 mm/a以?xún)?nèi)，無(wú)系統(tǒng)性誤差并呈現(xiàn)呈正態(tài)分布，因此模型Ⅲ為最佳擬合結(jié)果。

川滇地區(qū)平均震源深度為15 km，截取模型Ⅲ在該深度的等效應(yīng)力并去除邊界效應(yīng)影響（圖5）。由圖5可見(jiàn)，巴顏喀拉塊體應(yīng)力主要集中于北部以及東昆侖斷裂兩端;川滇菱形塊體應(yīng)力分布由WN向ES遞減，其中小金河以及鮮水河斷裂交匯處出現(xiàn)局部應(yīng)力集中，滇中次級(jí)塊體內(nèi)基本無(wú)應(yīng)力分布;滇西南塊體應(yīng)力主要集中于怒江斷裂、南汀河斷裂兩端，塊體南緣速度場(chǎng)分布復(fù)雜，局部地區(qū)出現(xiàn)應(yīng)力集中。斷裂帶走滑速率如圖6所示，鮮水河斷裂、則木河斷裂、小江斷裂、龍門(mén)山斷裂以及紅河斷裂走滑速率明顯。其中鮮水河斷裂走滑速率由WN至ES表現(xiàn)出先增大后減小的特點(diǎn)，走滑速率變化范圍較大，為11～104 mm/a;則木河斷裂、小江斷裂走滑速率分布較為均勻，分別為26～56 mm/a，52～65 mm/a;龍門(mén)山斷裂走滑速度整體偏小并集中于中段，為11～25 mm/a;紅河斷裂走滑速率為32～55 mm/a，集中于與小江斷裂交匯處，其余分段未發(fā)生明顯走滑。

3 討論

31 川滇菱形塊體下地殼拖曳作用

模型Ⅰ在排除了加載方式與介質(zhì)參數(shù)設(shè)置不合理的情況下，偏差依然存在，筆者認(rèn)為是川滇菱形塊體的模擬中缺少位移約束所致。下地殼流動(dòng)對(duì)川滇菱形塊體產(chǎn)生的“拖曳作用”可能是缺少的主要約束之一。巴顏喀拉塊體、滇東塊體以及滇西南塊體的模擬值與實(shí)測(cè)值吻合度較高，“拖曳作用”可能并未在這些塊體產(chǎn)生顯著影響，其作用范圍僅在川滇菱形塊體內(nèi)，支持川滇菱形塊體下地殼作為青藏高原東南方向流動(dòng)通道的觀點(diǎn)?！巴弦纷饔谩碑a(chǎn)生的剪切力方向發(fā)生了偏轉(zhuǎn)，如圖4c所示，川滇菱形塊體的2個(gè)次級(jí)塊體（川西北塊體、滇中塊體）GPS實(shí)測(cè)位移方向由SE向偏轉(zhuǎn)至近S向，偏轉(zhuǎn)處大致沿小金河斷裂分布。前人研究川滇地區(qū)地殼結(jié)構(gòu)時(shí)發(fā)現(xiàn)鮮水河斷裂與小金河斷裂的交叉處（深紫色區(qū)域）地殼泊松比大于03（圖7），認(rèn)為下地殼存在低速層甚至局部熔融（Xu et al，2007;Wang et al，2010）。在此區(qū)域出現(xiàn)2種異常并非巧合，筆者推測(cè)軟弱的下地殼物質(zhì)由青藏高原沿ES向擠入川滇菱形塊體（紅色箭頭），受到四川盆地剛性塊體的“阻撓”，局部因高溫?cái)D壓形成低速層或熔融，剩余物質(zhì)轉(zhuǎn)向繼續(xù)向南流動(dòng)（紫色箭頭），進(jìn)而下地殼牽引作用對(duì)川滇菱形塊體產(chǎn)生的剪切力也隨之發(fā)生改變（圖7）。與模型Ⅰ對(duì)比顯示，模型Ⅲ在川滇菱形塊體底部添加剪切力后，其模擬速度場(chǎng)得到優(yōu)化，EW向與NS向位移差明顯改善，十分接近GPS實(shí)測(cè)值。其次，模型Ⅲ川滇菱塊底部剪切力方向由NE向正S偏轉(zhuǎn)30°后才與GPS實(shí)測(cè)值擬合最佳，拖曳作用隨下地殼流向改變而發(fā)生偏轉(zhuǎn)。

32 斷層走滑速率對(duì)比分析

大地構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)與模擬得出的理想應(yīng)力場(chǎng)主要區(qū)別在于斷裂帶局部形成的“閉鎖”，閉鎖位置、程度等均不可測(cè)，而閉鎖勢(shì)必產(chǎn)生局部應(yīng)力集中，直接利用模擬得出的應(yīng)力云圖去討論似乎并不合理。本文以鮮水河斷裂、小江斷裂為例，對(duì)斷裂帶模型摩擦滑動(dòng)速率與實(shí)際活動(dòng)斷層走滑速率進(jìn)行對(duì)比研究。鮮水河斷裂是川滇地區(qū)現(xiàn)今強(qiáng)烈活動(dòng)的一條大規(guī)模左旋走滑斷裂帶，附近地震活動(dòng)頻率高，以惠遠(yuǎn)寺為界分為NW，SE兩段。前人對(duì)鮮水河斷裂進(jìn)行了大量研究（表2），其整體走滑速率呈中間快兩端慢的特點(diǎn)，為888～973 mm/a;本文模擬結(jié)果如圖6所示，鮮水河斷裂SE段與龍門(mén)山斷裂交匯處走滑速率為104 mm/a，SE段均值為85 mm/a。小江斷裂是云南境內(nèi)地震活動(dòng)最為頻繁的斷裂帶之一，主要表現(xiàn)為左旋走滑斷裂，毛玉平和韓新民（2003）、施發(fā)奇等（2012）以及何宏林等（2002）計(jì)算出小江斷裂走滑速率約7 mm/a，本文模擬走滑速率均值為6 mm/a，與前人結(jié)果對(duì)比較為接近。值得注意的是，在對(duì)龍門(mén)山斷裂及紅河斷裂等多條斷裂帶的對(duì)比中發(fā)現(xiàn)大部分模擬走滑速率高于實(shí)際走滑速率（未發(fā)表數(shù)據(jù)），筆者認(rèn)為原因除模型簡(jiǎn)化造成的誤差之外，斷裂帶局部閉鎖也是造成實(shí)際與模擬斷裂走滑速率不一致的重要因素：若能精細(xì)化斷裂帶模型的介質(zhì)參數(shù)與邊界條件，有限元法可以得出更真實(shí)有效的模擬結(jié)果，為研究斷裂帶閉鎖提供更多手段。

33 地質(zhì)體仿真模擬的局限

盡管本文利用ANSYS模擬得出了部分結(jié)果，但地質(zhì)體仿真模擬存在的局限主要有3點(diǎn)：①深部地應(yīng)力數(shù)據(jù)匱乏。地殼具有漫長(zhǎng)的構(gòu)造演化史，后期的改造均疊加在前期地殼固有的地應(yīng)力之上，但我們對(duì)這部分應(yīng)力分布及大小知之甚少。巖土、采礦領(lǐng)域在地下1 km內(nèi)取得了部分地應(yīng)力成果，但其研究過(guò)程已十分困難（趙德安等，2007;汪斌等，2012）。②斷裂帶延伸情況或相互穿插造成的影響，真實(shí)地質(zhì)環(huán)境中斷裂往往表現(xiàn)為雁列式、共軛式等不規(guī)則分布，局部次生斷裂的加密很可能對(duì)模型整體力學(xué)性質(zhì)產(chǎn)生影響，大量隱伏斷裂的存在使得斷裂的延伸情況變得更加復(fù)雜，單一摩擦模型很難還原真實(shí)斷裂構(gòu)造過(guò)程。③由于運(yùn)算速度的限制，若在模型內(nèi)考慮下地殼粘性、塑形、蠕變等非線(xiàn)性分析以及地幔對(duì)流、殼幔作用等熱力學(xué)條件，運(yùn)算時(shí)間會(huì)成倍增加，在不影響地球動(dòng)力學(xué)特征的前提下恰當(dāng)優(yōu)化模型變得必要。

4 結(jié)論

本文以川滇地區(qū)GPS速度場(chǎng)邊界值為約束條件，依據(jù)地質(zhì)資料建立川滇地區(qū)三維有限元模型，使用ANSYS靜力學(xué)分析模塊進(jìn)行模擬，主要結(jié)論如下：

（1）川滇地區(qū)下地殼物質(zhì)流動(dòng)對(duì)川滇菱形塊體產(chǎn)生“拖曳作用”，其產(chǎn)生的剪切力荷載隨下地殼流動(dòng)發(fā)生了偏轉(zhuǎn)，仿真模擬考慮“拖曳作用”的影響后能在一定程度上優(yōu)化川滇地區(qū)位移速度場(chǎng)模擬結(jié)果。

（2）鮮水河、小江斷裂模擬走滑速率分別為85 mm/a和6 mm/a，與實(shí)測(cè)走滑速率具有較好一致性，對(duì)斷裂優(yōu)化后可為“閉鎖”研究提供更多手段。

（3）地質(zhì)體仿真模擬具有局限性，應(yīng)該從殼內(nèi)地應(yīng)力、斷裂帶精細(xì)分布以及模型效率方面進(jìn)行改進(jìn)。

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