华北中部地区NE和NW向断裂体系对现今构造应力场及地震孕育和触发控制的数值模拟研究

摘要

华北地块地处我国东部大陆的中心位置，同时也位于特提斯构造域、环太平洋构造域及古亚洲洋构造域叠置的“三节点”交汇区域，经历了非常复杂的构造演化过程，是现今在印度板块、欧亚板块及太平洋板块相互作用的背景下形成的一个仍然在强烈活动的块体。新生代以来，华北地块裂解先后形成了渤海湾盆地和山西地堑系，并构成了现今的地貌格局，其内部断层发育，地震强烈频繁，尤以中部地区最为典型。华北中部地区包括了燕山隆起、山西隆起和华北坳陷区，发育了三条主要的活动断裂带，即山西地堑活动断裂带、太行山山前断裂带和张家口-蓬莱断裂带，可划分为两大活动断裂体系:NE向的右行走滑断裂体系和NW向的左行走滑断裂体系。区内地震分布可划分为NE和NW两方向的条带状分布，与断裂分布特征具有相似性，且强震又多密集在NE和NW向断裂交汇处。因此，选择该区为研究对象，利用数值模拟方法，通过模拟区内现今构造应力场分布特征及模拟邢台和唐山地震发震瞬时引起的扰动力在断裂系中的传递情况，对比地震分布特征，结合震源机制解及地质资料，重点分析研究区NE和NW向断裂对地震孕育和触发的控制性作用。通过研究，获得以下认识:
　　通过模拟研究区在NE和NW向断裂作用下现今构造应力场分布特征得到，华北中部地区应力集中区主要分布在山西地堑活动断裂带、太行山山前断裂带和张家口-蓬莱断裂带内NE和NW向断裂的交汇部位，而这些部位正对应着地震活跃区，且应力值越大地震越强烈，说明研究区构造应力易在断裂交切部位集中，应力值越大越易发生地震。
　　通过模拟研究区分别在仅有NE和NW向断裂单独作用的情况下现今构造应力场分布特征与两组断裂共同作用下的应力特征进行对比发现，当仅NE向断裂单独作用时，构造应力分布特征相类似;而在当NW向断裂单独作用时，构造应力分布特征却相差盛远，说明在现今构造应力控制中NE向断裂占主导地位，为主控断裂。
　　模拟结果显示，太行山山前断裂带东西两侧应力强度值相差较大，西侧山西地堑系应力强度值高，东侧华北坳陷区应力值低。在对邢台地震模拟中发现，发震引起的扰动应力难以跨越太行山山前断裂带传递到西侧的山西地堑系，说明太行山山前断裂对应力的传递具有限制作用，能够阻挡和卸载部分应力，对华北坳陷区的稳定性有着一定的保护作用。
　　在模拟邢台和唐山地震发震瞬时扰动应力传递的结果中发现，当应力传递至NE和NW向断裂时，或发生应力集中，或应力卸载，很难跨越断裂继续前进;从两次大震震后的余震分布特征看，余震大多数发生在离震源近的NE和NW向断裂处，说明NE和NW向断裂不仅控制构造应力场的分布，同时也控制地震余震的分布。
　　由构造应力场分布特征与地震分布特征对比可得，地震多发区一般为构造应力高值区。据震源机制解和不同模型应力结果分析，NE和NW向断裂处于NNW-NW向的主拉应力和NNE-NE向的主压应力环境中，由纯剪切模式可知，NE向断裂易发生右旋走滑，为发震构造;NW向断裂易发生左行走滑，可能孕震也可能发震。地震类型、分布特征和构造应力分布特征不仅与断层性质有关，还与断层的空间几何形态有关。

目录

声明

摘要

0．前言

0．1 研究意义及选题依据

0．2 研究现状及存在问题

0．3 研究内容及思路

1．有限元方法基本理论及其在地学研究中的应用

1．1 有限元求解问题的基本原理及步骤

1．2 有限元非线性结构分析

1．2．1 地学研究中几种常见材料的本构关系

1．2．2 ANSYS接触分析

2．区域地质概况

2．1 中新生代构造主要特征

2．2 构造单元划分

2．3 主要活动断裂及地震分布特征

2．3．1 张家口-蓬莱断裂带

2．3．2 山西地堑活动断裂带

2．3．3 太行山山前断裂带

2．4 岩石圈结构特征

3．华北中部地区有限元模型的构建

3．1 构建华北中部地区有限元模型的基本要素

3．2 构建华北中部地区有限元模型

3．2．1 模型边界范围及分层

3．2．2 模型中的活动断裂

3．2．3 模型参数确定

3．2．4 单元网格划分

3．3 模型载荷施加及边界条件

3．3．1 载荷施加

3．3．2 边界条件

4．华北中部地区数值模拟结果分析

4．1 模拟结果合理性检验

4．2 构造应力场数值模拟结果分析

4．2．1 山西地堑活动断裂带构造应力场及地震分布特征

4．2．2 张家口-蓬莱断裂带构造应力场及地震分布特征

4．2．3 太行山山前断裂带构造应力场及地震分布特征

4．2．4 华北坳陷区构造应力场及其地震分布特征

5．邢台和唐山地震对华北中部地区构造应力场的影响

5．1 邢台地震的影响

5．2 唐山地震的影响

6．NE和NW向断裂对区内地震的孕育和触发控制性探讨

7．结论与展望

7．1 主要结论

7．2 存在问题及进一步研究方向

参考文献

致谢

个人简历

发表的学术论文