中国大陆背景地应力场下汶川地震引起地应力变化的模拟研究

摘要

地应力是影响地震发生的重要因素之一。大地震前后地应力状态的研究对于探索地震的孕育和发生机制具有重要的意义和作用。
　　本文首先采用中国大陆三维球壳有限元蠕变模型，以实际观测成果为约束，获得中国大陆现今背景应力场。然后，通过给定发震单元的临界应力值，模拟5.12汶川大地震断层脆性失效引起的地应力变化。模拟结果与前人研究得到的汶川地震后的应力场特征较为吻合。
　　通过浅部实测的水平最大主应力大小、方位和深部震源机制所反映的应力类型作为模型的目标约束条件，确定了较为合理的边界条件，模拟得到了中国大陆现今背景应力场，其特征为：（1）受印度块体、欧亚块体、菲律宾块体和太平洋块体的相对运动的作用，中国大陆地壳浅部水平最大主应力方位由南北方位绕青藏高原东构造结顺时针旋转，水平最大主应力方位在上地壳30 km范围内具有一致性。（2）断裂带附近区域的最大水平主应力方位变化具有不连续性，最大水平主应力大小受到断层性质影响。（3）深度2000 m的水平最大主应力量值在10 MPa-80 MPa之间，青藏块体、西域块体最高，东南块体最低，其它块体中等。（4）深度2000 m处，龙门山断裂带附近区域的水平最大主应力在南部方位为SE-E，北部方位为NE-E。（5）龙门山断裂带在竖直剖面上的差应力从上地壳到中地壳逐渐增大。深度4000 m以下到中地壳的差应力比下地壳的大。由此推断断层浅部差应力较大，可能容易造成断层破坏。
　　在中国大陆现今背景应力场下，以5.12汶川地震为例，分析断层脆性失效引起的应力场变化。建立破裂面上局部坐标系和断层面上最大剪切失效准则，降低剪切模量模拟研究地震破裂面上脆性断裂。汶川地震发生后，地壳应力场显示：（1）龙门山中央断裂带中段和北段浅部的水平最大主应力有较大的下降，断裂带周围应力受到地震影响较大，下降量值随着距断裂带的距离增加而减小。差应力下降较为明显，下降大小随着距断裂带距离的增加而减小。最大水平主应力计算变化量值与浅表应力震后实测量变化的量值相当。（2）龙门山南段应力在整个断裂带中依然高于其它地区，断裂带南段依然处于高应力积累之中。（3）断裂带上水平最大主应力的总体方位较一致，在震中位置深度2000 m处水平最大主应力方位290°。与汶川地震前的计算结果对比，地震发生前的水平最大主应力为280°，说明地震前后水平最大主应力发生了顺时针旋转，旋转角度10°左右。由于受到此模型误差影响，此结果仅能作为应力变化的参考值，精度还有待提高。
　　本模型可作为解释强震远距触发、迁移的基础。对于断层摩擦滑动失效和压碎破坏等断层失效机制的研究以及模型精度改进有待进一步工作。

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第一章 绪论

1.1 研究意义

1.2 国内外研究现状与存在问题

1.3 主要研究内容和方法

第二章 幂率粘弹性应力场模型

2.1 中国大陆有限元网格划分

2.2 弹性和蠕变粘性参数

第三章 边界条件及约束条件

3.1 边界条件的确定

3.2 实测水平主应力方位约束

3.3 实测水平主应力量值约束

3.4 深部应力类型的约束

3.5 小结

第四章 背景应力场模拟特征

4.1 地壳应力场的分布特征

4.2 龙门山地区的背景应力特征

4.3 小结

第五章 汶川强震脆性失效机制模拟

5.1 脆性失效准则建立

5.2 汶川震后应力场计算结果分析

5.3 小结

第六章 结论与讨论

6.1 结论

6.2 讨论

参考文献

致谢

附录