有限元法在构造应力场与地震预测研究中的应用与发展

针对有限元数值模拟方法,系统总结了其在构造应力场与地震预测研究中的一般性研究方法与主要处理环节,阐述了有限元法在我国地壳构造应力场与地震预测研究中的应用,分析讨论了该方法的优点与存在的问题,并对有限元等数值模拟方法的发展作了展望。     

西南天山柯坪逆冲推覆构造带的地壳缩短分析

柯坪逆冲推覆构造带是西南天山山前晚新生代以来形成的活动逆断裂-褶皱带,由5~6排近平行的弧形褶皱带组成,出露地层为寒武系—第四系。背斜形态多为复式箱状背斜和不对称的斜歪背斜,分别与断层弯曲背斜和断层扩展背斜的几何形态一致。地震勘探资料显示,各褶皱带前缘活动逆断裂在深部归并于统一的、由寒武系中的石膏层组成的滑脱面。滑脱面深度具有南浅北深、东浅西深的特点,皮羌断裂西侧滑脱面深度约为9km,东侧滑脱面深度为5km。在柯坪逆冲推覆构造中部的皮羌断裂东西两侧各5km和8km的位置,以断层弯曲褶皱和断层扩展褶皱构造模型为指导,用线长平衡的方法完成了2条长度分别为78km和73km的平衡地质剖面,恢复到变形前的形态后计算出这2条剖面上的地壳缩短量分别为40km和45km,缩短率为33%和37%。由于对柯坪逆冲推覆构造开始形成时间的证据较少,所以要计算长期的缩短速率是比较困难的。对比天山南麓库车活动逆断裂-褶皱带的形成时代,以及柯坪逆冲推覆构造与印干断裂的关系,认为柯坪逆冲推覆构造形成于第四纪早期的西域砾岩沉积阶段,按距今2.5Ma计算,柯坪逆冲推覆构造的地壳缩短速率是15.4~17.3mm/a     

阿尔金南缘断裂安南坝段滑动量的初步研究

结合航、卫片解译,对阿尔金南缘断裂东端附近的安南坝段的断裂滑动量进行了野外调查。结果显示,在安南坝盆地南缘,冲沟的阶地位错量分别为T1＝2．5m,T2=23m,T3=48m,T4=96m,T5=185m。最大走滑量可达3500m,估计平均水滑动速率约为3mm/a。     

2008年汶川M_S8.0地震多断裂破裂的近地表同震滑移及滑移分解

为深入理解汶川地震破裂的构造运动机制,我们选取典型的观测点,利用多种地质地貌标志测绘分析得到了汶川MS8.0地震发震断裂的近地表三维同震滑移矢量。结果显示,北川-映秀断裂上的白水河-高川破裂段北西盘沿88°方位角水平滑移2.58m、垂直滑移3.70m;安县-灌县断裂上的白鹿-汉旺破裂北西盘沿134°方位角水平滑移1.63m,垂直滑移2.00m;小鱼洞破裂带南西盘沿76°~79°方位角水平滑移2.15~2.71m,垂直滑移1.36~1.51m。平行的白水河-高川破裂段和白鹿-汉旺破裂段合计形成1.72m右旋走滑和3.49m垂直断裂带的NW向水平缩短,总滑移方向(106°)与断裂带整体走向(42°)呈64°夹角,整个龙门山推覆构造带处于斜向挤压的构造环境。结合震源过程反演成果的分析显示,斜滑的白水河-高川破裂段和逆冲型白鹿-汉旺破裂段可能是在汶川地震最大的一次子事件过程中以滑移分解的形式同时破裂形成的,滑移分解作用使两条断裂以斜滑与逆冲组合的力学性质产生破裂而非相同性质的斜滑破裂。小鱼洞破裂以低角度斜滑为主,可能是安县-灌县断裂与北川-映秀断裂以滑移分解形式同时破裂的纽带。小鱼洞断裂是龙门山断裂带长期处于斜向挤压的构造环境的产物,不只是逆冲断裂系中的简单捩断层。     

大地电磁局部畸变异常特征三维数值模拟研究

局部畸变问题曾经困扰大地电磁资料反演解释几十年,大地电磁三维数值模拟技术的发展为剖析局部畸变特点和得到可靠的反演成像结果提供了技术基础。本文采用三维数值模拟成像方法对典型三维局部畸变模型进行模拟分析。三维数值模拟结果显示:电场分量垂直电性分界面的极化模式视电阻率曲线(对应二维情况下TM模式)在穿越低阻异常体界面时,曲线会先上移后下移,而在穿越高阻异常体界面时,曲线会先下移后上移,这与电性分界面处积累面电荷产生的二次电场有关。三维模型中XY模式、YX模式视电阻率和相位在三维异常体附近的水平变化是呈现近似垂向对称的,该现象与电场垂直跨越电性界面时视电阻率的变化规律是吻合的,当测线分别沿X方向和Y方向展布时,三维情况下的XY和YX模式分别对应二维情况下的TM模式。低阻小异常体对区域构造响应的畸变影响比高阻小异常体要严重。低阻小异常体对二维区域响应的两种极化模式视电阻率和相位都有非常明显的畸变影响,相比较而言对TE模式的畸变要大于TM模式,因此我们在做二维反演解释时,可优先考虑拟合TM模式数据。位于小异常体中心上方测点的三维畸变响应虽然与对应真实二维区域响应的差异比较大,但可以等效于某种二维模型响应,这种由局部畸变造成的假二维响应在实际野外数据的解释中是需要注意的。     

福州市活断层探测与地震危险性评价

大量震例研究表明，活动断层产生的直下型地震对城市的破坏非常严重，应用先进有效的地质与地球物理探测技术，准确地探明城市之下及附近活动断层分布，确定直下型地震的震源和危害性是我国城市减灾工作面临的一个非常急迫的实际问题。《福州市活断层探测与地震危险性评价》项目作为中国地震局全国城市活动断层探测的试点与示范项目于2001年初开始实施，2004年8月通过中国地震局的验收。项目围绕解决城市范围内的断裂定位、定年、定性、深部背景、地震危险性和危害性及防震减灾对策等一系列科学问题，通过“初查与目标区主要活断层鉴定”、“深部地震构造环境探测”、“地震活断层鉴定与危险性评价”、“地震活断层的详细探测”、“地震活断层危害性评价”和“活断层地理信息系统建设”等阶段的探测和评价工作，同时在福州市城、郊区全面开展壤中气汞、土壤汞、气氡、地质雷达、多道直流电法、瞬变电磁法、浅层地震折射法、浅层地震反射法、勘探震源效果对比、用于建立福州盆地埋藏第四系(标准)剖面的钻探等多种手段的试验探测，总结各种试验探测的技术指标和实践经验，在活断层的综合试验探测、定位定年、地震危险性和危害性评价等方面取得了下列成果与结论：(1)福州市活断层综合试验探测成果表明，在充分收集、整理与分析相关地质、地球物理、钻孔等资料的基础上，以地球化学探测为先导“侦察机”，确定了活断层的可能位置；以浅层地震勘探为主要探测方法，辅以电磁勘探作为补充，并利用钻探建立的第四系(标准)剖面或地层层序及测井获得的各种地球物理参数进行必要的校正和验证，结合裸露地表断层或埋深较浅断层的槽探及古地震调查或隐伏断层两侧钻孔岩芯岩性、层序、绝对年龄或孢粉等相对年龄的测定与对比等，是进行城市活断层探测(定位)与地震危险性、危害性评价(定年、定性)的最佳组合方法。(2)福州盆地位于具有发生中等强度地震的区域地震构造环境中，“台湾动力触角”对其影响相对较弱。(3)福州盆地主要断裂的活动性较弱，经鉴定的6条目标断裂都不是全新世断裂。其中，八一水库-尚干断裂和闽侯-南屿断裂至少为晚更新世中期以来的不活动断裂，其它为晚更新世以来不活动断裂。(4)福州盆地深部不存在发生直下型强烈破坏性地震的构造环境，其邻近的长乐-诏安断裂带是未来可能会发生对福州市有影响的地震震源区。(5)福州盆地主要断裂存在发生中等-中强地震的危险性，但发震概率较小。(6)福州盆地地震危害性较弱，地面发生地震地表破裂带的可能性不大。(7)开发建立了全国第一个活断层地理信息系统，具备信息查询显示、数据管理、数据的分析处理和咨询服务等功能。     

基于线弹性位错模型及干涉雷达同震形变场反演1997年玛尼Mw75级地震参数－Ⅰ.均匀滑动反演

1997年11月8日西藏玛尼Mw75级地震是干涉雷达技术应用于地震观测以来的一次重要事件.Peltzer等认为该形变场体现了地壳的非线性弹性形变响应，挤压象限和拉张象限的杨氏模量比值为2.相同的情形并没有在其他地震同震形变场中发现，通常用线弹性理论就能够很好地解释观测数据.考虑到他们所用断层模型的简化程度和纯走滑约束等，本研究认为非线性弹性解释是牵强的.应用广泛使用的Okada线弹性位错模型，采用卫星观测得到的地表断层位置，去除倾滑为零的约束，基于非线性优化反演方法寻求拟合雷达观测的最佳断层几何参数和均匀滑动参数.结果表明，线弹性模型能够满意解释观测数据.断层在朝阳湖以东的段落最深达到165 km，随着断层向两侧延伸，深度逐渐减小；反演得到的断层倾     

隐伏活断层未来地表破裂带宽度与位错量初步研究

采用Okada(1992 )有关地震断层地表位移的计算方法和程序 ,依据《建筑抗震设计规范》(GB 5 0 0 11- 2 0 0 1) ,推导了隐伏活断层突然错动产生地表破裂带的临界值 ,即在相隔 5m的水平上 ,位移差超过 0 1m。初步讨论了隐伏活断层地表破裂带随埋深、倾角、断裂力学性质和断面位错量的变化特点。结果表明 :对于隐伏正断层 ,地表破裂带宽度随覆盖层埋深的增加表现出非线性特点 ,具有从小到大 ,再变小的特点 ;地表破裂带位错量峰值随埋深线性递减。在其他参数不变的情况下 ,隐伏正断层倾角越小 ,地表破裂带越偏向下盘 ,并且 ,地表破裂带的宽度也变小。与隐伏正断层相比 ,隐伏走滑断层地表位移差随埋深衰减更快。随着隐伏活断层断面上位错量的增加 ,地表破裂带宽度会显著变宽 ,位错量也随之增大。这些认识和计算结果为城市规划、各种生命线工程和建 (构 )筑物的跨断层设防 ,提供了可以参考的依据     

基于改进NAD方法的频率域声波逆时偏移

逆时偏移成像具有高分辨率的特点,在频率域实施能提升偏移成像效率.数值求解波动方程是逆时偏移成像的关键环节,数值算法的优劣直接决定着偏移过程的计算效率与成像结果的质量.本文在频率域近似解析离散化（NAD）方法的基础上通过优化网格差分模板系数构造改进NAD方法,保证数值离散精度的同时可缓解阻抗矩阵的病态程度,以此提高频率域正演模拟的计算效率并将该方法运用于频率域声波逆时偏移.通过分别对凹陷模型、Sigsbee2B模型以及Marmousi模型进行偏移成像且与四阶标准NAD方法和四阶普通有限差分方法进行比较,改进NAD方法在压制数值频散与提高成像效率方面的优势得到了充分体现.

     

2008年汶川MS8.0地震多断裂破裂的近地表同震滑移及滑移分解

为深入理解汶川地震破裂的构造运动机制,本文选取典型的观测点,利用多种地质地貌标志测绘分析得到了汶川M_S8.0地震发震断裂的近地表三维同震滑移矢量.结果显示,北川—映秀断裂上的白水河—高川破裂段北西盘沿88°方位角水平滑移2.58 m、垂直滑移3.70 m;安县—灌县断裂上的白鹿—汉旺破裂北西盘沿134°方位角水平滑移1.63 m,垂直滑移2.00 m;小鱼洞破裂带南西盘沿76°~79°方位角水平滑移2.15~2.71 m,垂直滑移1.36~1.51 m.平行的白水河—高川破裂段和白鹿—汉旺破裂段合计形成1.72 m右旋走滑和3.49 m垂直断裂带的NW向水平缩短,总滑移方向（106°）与断裂带整体走向（42°）呈64°夹角,整个龙门山推覆构造带处于斜向挤压的构造环境.结合震源过程反演成果的分析显示,斜滑的白水河—高川破裂段和逆冲型白鹿—汉旺破裂段可能是在汶川地震中最大的一次子事件过程以滑移分解的形式而同时破裂形成的,滑移分解作用使两条断裂以斜滑与逆冲组合的力学性质产生破裂而非相同性质的斜滑破裂.小鱼洞破裂以低角度斜滑为主,可能是安县—灌县断裂与北川—映秀断裂以滑移分解形式同时破裂的纽带.小鱼洞断裂是龙门山断裂带长期处于斜向挤压的构造环境的产物,不只是逆冲断裂系中的捩断层.