有限单元法在跨断层水准变化机理研究中的应用

摘要

长期以来,人们早就注意到中强地震的发生常常伴随着显著的地壳变形。中、美、俄等国都十分重视利用大地测量观测技术监测地壳运动状态。断层属于地壳形变的薄弱地带,对构造应力场变化最敏感,在捕捉强地震孕育信息中扮演着十分重要的角色。跨断层水准测量作为获取断层形变信息的最主要手段之一,其异常现象常常被看作地震前兆信息的一个非常重要指标。1975年海城7.3级地震预报成功很大程度上依赖于包括距震中200kin的金县台观测到的跨断层异常变化等在内的前兆异常。因此,定性定量地解读跨断层水准变化机理不仅有助于人们加深对地震孕育过程中地表形变、断层活动规律的认识,而且为进行野外异常落实、未来震情判断提供重要的参考。这也是实现由地震经验预报到物理性地震预报转型的一次重要尝试。
　　 基于上述思路,本文利用有限单元法重点开展了以下研究工作:
　　 一、首都圈地区跨断层水准测量监测能力评估。以首都圈地区布设在不同断层上的24处跨断层水准观测为研究对象,通过建立不同地壳分层结构、含不同倾角断层的三维非线性有限元模型,研究断层倾角和走向对断层上下盘垂向差异性运动的变化特征,从理论上探讨跨断层水准观测在何种情况下与区域应力场应力增强相关的信息最显著,对导致测点监测能力差异的可能物理机理加以探讨和分析；同时结合震例研究及R值震兆信度评分结果,对首都圈地区跨断层水准测量的整体监测能力进行初步评价。
　　 二、环境变化对跨断层水准观测结果的数值模拟。以2007年八宝山跨断层测点水准测量资料异常变化为例,根据首都圈地质构造环境、震源机制解、大地测量以及观测场地调研等相关资料,建立三维有限元模型,探讨和解释了八宝山测点跨断层水准异常变化的机理。
　　 通过数值模拟和综合分析,论文得到以下几点认识:
　　 (1)当区域应力场应力增强时,对于倾角介于30°～70°的断层,跨断层水准变化幅度相对较大,异常效果比较明显,当倾角接近90°时,跨断层水准变化幅度趋近零,信息展露最小。
　　 (2)对于相同倾角的断层,当其走向与断层两侧水平位移矢量差方向接近垂直时,跨断层水准变化较明显,测点越容易监测到断层的活动,从而更加有效的捕捉断层活动的异常现象。
　　 (3)总体而言,首都圈的跨断层水准测量的布设具备较强的地震监测能力。数值模拟结果表明:监测效能比较好的跨断层水准测点主要包括紫荆关、德胜口、小水峪、燕家台、大灰厂、八宝山、张山营、狼山等。以上数值模拟结果均与震例总结和R值评分结果具有很好的一致性。
　　 (4)未来对跨断层水准测点进行选址时,应当考虑断层倾角和走向对跨断层水准监测能力的影响,建议将跨断层水准测点尽量布设于倾角介于20°～80°之间且走向与区域构造运动总体方向近垂直的断层上。
　　 (5)场地变化时质量迁移对于跨断层水准的影响很小,同时对断层周围最大剪应力的分布没有太大影响。相比而言,质量迁移导致的观测场地岩体渗水条件改变,通过影响断层两侧破裂带介质性质,可能导致地表垂直形变场和跨断层水准值相对明显的扰动,并有可能导致断层附近的应力场的重新分布。此外,就出露地表的八宝山断层,大范围、长期的降雨对其测点跨断层水准观测是有比较显著的影响的。
　　 (6)2007年5月至7月跨断层测量异常引起的机理主要可能归结为两方面,一是降雨影响,二是土石开方导致的渗水条件改变的影响,而场地附近的质量迁移(载荷卸载的重力塌陷作用)对跨断层水准观测结果几乎没有影响。

目录

文摘

英文文摘

第一章 引言

1.1 选题的理论依据与意义

1.2 本章的主要研究内容和创新点

1.2.1 本文主要研究内容

1.2.2 创新点

1.3 论文的技术路线

1.4 论文的结构框架

第二章 有限单元法原理及断层面处理方法综述

2.1 有限单元法简介

2.2 有限单元法基本方程

2.2.1 弹性力学基本方程

2.2.2 虚功方程

2.3 有限单元法求解问题步骤

2.4 断层面的有限单元模拟方法概述

2.4.1 介质弱化带模型

2.4.2 劈节点(SNT)模型

2.4.3 块体(DDA)模型

2.4.4 接触单元模型

2.5 小结

第三章 首都圈地区跨断层水准测量监测能力的初步评价

3.1 引言

3.2 首都圈地区跨断层测点概况

3.3 模型建立

3.4 模拟计算结果

3.4.1 断层倾角对跨断层水准变化的影响

3.4.2 断层走向对跨断层水准变化的影响

3.4.3 跨断层水准监测效能的理论分级

3.5 首都圈跨断层水准监测能力初步评价

3.5.1 模拟结果与实际震例的对比

3.5.2 模拟结果与R值评分结果的对比

3.5.3 首都圈跨断层水准测点监测能力初步评价

3.6 结论

第四章 环境变化对跨断层水准观测结果影响的数值模拟-以八宝山测点为例

4.1 引言

4.2 八宝山跨断层测点概况

4.2.1 八宝山断裂构造环境

4.2.2 八宝山测点及水准变化概况

4.3 模型建立

4.3.1 设计思路

4.3.2 有限元模型几何范围、介质参数、边界约束

4.4 模拟计算结果及分析

4.4.1 质量迁移的模拟计算结果与讨论

4.4.2 降雨的模拟计算结果与讨论

4.4.3 场地渗水条件改变的模拟计算结果与讨论

4.4.4 环境变化对跨断层水准观测结果影响

4.5 八宝山测点跨断层水准变化的可能原因

4.6 结论

第五章 结论与展望

5.1 论文进展及取得一些初步成果

5.2 进一步的研究方向

参考文献

致谢

个人简历