黃大衛(wèi)胡宏玖王華林黃 興王紀(jì)強(qiáng)陳 平胡 超劉 軍劉紅欣

1）上海市應(yīng)用數(shù)學(xué)與力學(xué)研究所，上海 200072

2）上海大學(xué)理學(xué)院力學(xué)系，上海 200444

3）山東省地震工程研究院，濟(jì)南 250021

光彈實(shí)驗(yàn)構(gòu)造渤海強(qiáng)震區(qū)應(yīng)力場(chǎng)及地震危險(xiǎn)區(qū)判定研究1

黃大衛(wèi)1）胡宏玖1）王華林3）黃 興2）王紀(jì)強(qiáng)3）陳 平3）胡 超3）劉 軍3）劉紅欣2）

1）上海市應(yīng)用數(shù)學(xué)與力學(xué)研究所，上海 200072

2）上海大學(xué)理學(xué)院力學(xué)系，上海 200444

3）山東省地震工程研究院，濟(jì)南 250021

本文在對(duì)渤海強(qiáng)震區(qū)地質(zhì)構(gòu)造環(huán)境、斷裂帶分布特征進(jìn)行詳細(xì)分析的基礎(chǔ)上，采用機(jī)械加工聚碳酸酯材料制成渤海強(qiáng)震區(qū)域的地質(zhì)模型，分別運(yùn)用集中、二點(diǎn)和均布加載方式，用光彈實(shí)驗(yàn)方法模擬特定構(gòu)造框架下應(yīng)力、應(yīng)變場(chǎng)的變化特征。通過(guò)對(duì)光彈實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析與處理，在對(duì)比不同加載方式下應(yīng)力積累區(qū)域和地震危險(xiǎn)點(diǎn)的基礎(chǔ)上，判定渤海強(qiáng)震構(gòu)造區(qū)中的地震危險(xiǎn)區(qū)域。

光彈模擬 應(yīng)力應(yīng)變場(chǎng) 渤海強(qiáng)震區(qū) 地震危險(xiǎn)區(qū)

黃大衛(wèi)，胡宏玖，王華林，黃興，王紀(jì)強(qiáng)，陳平，胡超，劉軍，劉紅欣，2015.光彈實(shí)驗(yàn)構(gòu)造渤海強(qiáng)震區(qū)應(yīng)力場(chǎng)及地震危險(xiǎn)區(qū)判定研究.震災(zāi)防御技術(shù)，10（4）：853—871.doi：10.11899/zzfy20150404

引言

近年來(lái)，我國(guó)地震頻發(fā)，對(duì)人民群眾的生命財(cái)產(chǎn)安全和經(jīng)濟(jì)建設(shè)造成了不可估量的損失。大陸地震對(duì)生命財(cái)產(chǎn)的破壞是巨大的，海洋地震的危害也十分可怕，由海洋地震引發(fā)的海嘯具有極強(qiáng)的破壞性（連尉平等，2009；馬寅生等，2002；楊港生等，2000），尤其對(duì)沿海高人口密度的發(fā)達(dá)城市。預(yù)防類似印尼海嘯的悲劇重演，加強(qiáng)海洋地震研究，掌握海洋地震規(guī)律，提高抵御海洋地震災(zāi)害的能力，是當(dāng)前面臨的一項(xiàng)非常重要的課題。本文選取渤海強(qiáng)震區(qū)作為研究區(qū)域，利用光彈實(shí)驗(yàn)，以期找到渤海強(qiáng)震構(gòu)造區(qū)中的地震危險(xiǎn)區(qū)域。

1 渤海強(qiáng)震構(gòu)造區(qū)地質(zhì)構(gòu)造環(huán)境

1.1 渤海強(qiáng)震構(gòu)造區(qū)概況

渤海強(qiáng)震構(gòu)造區(qū)的主體是渤中盆地，其北側(cè)、西側(cè)和南側(cè)分別與下遼河-遼東灣盆地、黃驊盆地和濟(jì)陽(yáng)盆地過(guò)渡銜接，東側(cè)的廟島群島則是膠遼隆起在海域中的延伸部分，如圖1所示。渤中盆地是北北東向郯廬斷裂帶和北西西向張家口-渤海-威海斷裂帶的交匯區(qū)（鄧起東等，2001），因而，其結(jié)構(gòu)及構(gòu)造演化均受到這兩條構(gòu)造帶的影響。渤中盆地及其鄰區(qū)發(fā)育有三個(gè)不同方向的次級(jí)伸展斷層（陸克政，1997）：一是走向北北東、傾向北西西的伸展斷層；二是走向北東、傾向南東的伸展斷層，它們多分布于盆地東部邊緣；三是走向北西西和近東西向，傾向南的伸展傳遞斷層，主要分布于盆地南部，如渤南凹陷等。

1.2 渤海強(qiáng)震構(gòu)造區(qū)斷裂構(gòu)造特征

研究區(qū)地處華北地震區(qū)，區(qū)內(nèi)北北東向的郯廬斷裂帶、北東向的唐山-磁縣斷裂帶和北西向的燕山-渤海斷裂帶構(gòu)造活動(dòng)強(qiáng)烈，都是強(qiáng)震活動(dòng)帶。渤海及周圍地區(qū)的主要活動(dòng)斷裂有郯廬斷裂帶和燕山-渤海斷裂帶（魏光興，1993）。這兩條斷裂帶內(nèi)及其旁側(cè)發(fā)育有近南北、近東西、北東、北西、北東東、北北西、北北東和北西西八組斷裂，它們相互交匯（王華林等，2000），構(gòu)成了渤海強(qiáng)震構(gòu)造區(qū)的基本斷裂構(gòu)造格架，這些斷裂切割深度和活動(dòng)強(qiáng)度存在明顯差異（王志才等，2006a；2006b；呂悅軍等，2003；胡政等，1993），控制著渤海強(qiáng)震構(gòu)造區(qū)的強(qiáng)地震活動(dòng)，如圖2所示。第四紀(jì)活動(dòng)斷裂和全新世活動(dòng)斷裂集中沿郯廬斷裂帶和燕渤斷裂帶分布，在成帶活動(dòng)的基礎(chǔ)上顯示出分段活動(dòng)特征。郯廬斷裂帶自南向北可分為南、中、北三段；燕渤斷裂帶自東向西可分為東、中、西三段；兩斷裂的中段為兩斷裂交匯復(fù)合段。兩斷裂帶各段的斷裂格局、深部構(gòu)造、活動(dòng)強(qiáng)度和地震活動(dòng)存在明顯差異。

燕渤海斷裂帶，西段和中段為強(qiáng)活動(dòng)段，東段為較強(qiáng)活動(dòng)段。東段可進(jìn)一步分為西、東兩段，東東段為弱活動(dòng)段，東西段為較強(qiáng)活動(dòng)段。燕渤海斷裂帶的活動(dòng)顯示自西向東由強(qiáng)到弱的特點(diǎn)。

圖2 渤海強(qiáng)震構(gòu)造區(qū)區(qū)域地震構(gòu)造圖Fig.2 Seismo-tectonic map of the Bohai earthquake zone

表1提供了渤海強(qiáng)震區(qū)區(qū)域內(nèi)主要斷裂成帶以及分段特征，通過(guò)表1可以看到第四紀(jì)活動(dòng)斷裂和全新世活動(dòng)斷裂與近期地震活動(dòng)密切相關(guān)，且?guī)缀跛兄饕獢嗔训倪\(yùn)動(dòng)性質(zhì)為正斷，這也為進(jìn)行平面的光彈實(shí)驗(yàn)?zāi)M奠定了基礎(chǔ)。

表1 研究區(qū)主要斷裂特征一覽表Table 1 Characteristics and parameters of active faults in study area

續(xù)表

續(xù)表

1.3 渤海強(qiáng)震構(gòu)造區(qū)地震活動(dòng)特征

渤海強(qiáng)震構(gòu)造區(qū)歷史地震和現(xiàn)代地震活動(dòng)頻繁，分布具有繼承性，集群和條帶特征更加明顯。其中繼承性表現(xiàn)在小震分布與渤海海域內(nèi)的中強(qiáng)地震分布區(qū)非常一致，構(gòu)成了北北東向地震條帶和北西西向的地震條帶在渤中地區(qū)交匯；地震集群分布主要表現(xiàn)在陸域的唐山地震群及1969年渤海7.4級(jí)地震周圍的中小地震密集分布（徐杰等，2001）。

渤海強(qiáng)震構(gòu)造區(qū)內(nèi)M≥4.7級(jí)地震震中分布圖（如圖3）顯示，自公元前70年至2013年6月，區(qū)域范圍內(nèi)共記錄到M≥4.7級(jí)地震85次，其中4.7-4.9級(jí)地震38次，5-5.9級(jí)地震36次，6-6.9級(jí)地震5次，7-7.9級(jí)地震6次，記錄到的最大地震是1976年河北唐山7.8級(jí)地震，最早記錄到的地震是公元495年山東蓬萊丘山5?級(jí)地震。1548年渤海7級(jí)地震。

區(qū)內(nèi)中強(qiáng)地震分布的成帶性集中體現(xiàn)在陸域上經(jīng)唐山的北東向條帶和渤海海域內(nèi)的北西向條帶。區(qū)內(nèi)中、強(qiáng)地震分布的集群性特征主要表現(xiàn)在兩個(gè)地區(qū)：①渤海海域震群，該震群內(nèi)集中發(fā)生了3次7級(jí)以上的大地震，1597年渤海7級(jí)地震、1888年渤海7?級(jí)地震和1969年渤海7.4級(jí)地震，形成了華北地震區(qū)內(nèi)7級(jí)以上地震最集中的地區(qū)；②1976年唐山7.8級(jí)地震形成的密集的唐山震群，強(qiáng)震主要集中在灤縣-樂(lè)亭斷裂、唐山斷裂、韓家莊斷裂等附近。

1.4 渤海強(qiáng)震構(gòu)造區(qū)斷裂與強(qiáng)震活動(dòng)的關(guān)系

（1）斷裂活動(dòng)的成帶、分段和衰減活動(dòng)，決定了強(qiáng)震活動(dòng)的成帶和分段活動(dòng)（侯貴廷等，1998）。燕渤斷裂帶的活動(dòng)自西向東、由強(qiáng)到弱，決定了地震震級(jí)由7.8級(jí)逐漸向7.5、7.0、6.0和5.0級(jí)震過(guò)渡。郯廬斷裂帶強(qiáng)弱交替分段活動(dòng)，決定了6.0、7.0級(jí)地震和5.0級(jí)地震的分段差異活動(dòng)。

（2）第四紀(jì)晚期，尤其是全新世活動(dòng)的交匯斷裂構(gòu)成了渤海及周圍地區(qū)6.0級(jí)以上地震發(fā)震構(gòu)造。研究表明（呂悅軍等，2002；孫若昧等，1993），本區(qū)所有7級(jí)以上地震的發(fā)震構(gòu)造均為NNE與NWW和NE與NW交匯構(gòu)造，大部分的6.0級(jí)地震和5.0級(jí)以上地震的發(fā)震構(gòu)造亦以不同方向斷層的相互交匯為特征。簡(jiǎn)單的單一方向的斷層往往第四紀(jì)晚期以來(lái)活動(dòng)弱，對(duì)本區(qū)的6.0級(jí)以上地震無(wú)控制作用。

（3）NNE、NE、NW和NWW向斷層為渤海及周圍地區(qū)的主要活動(dòng)斷層，它決定了本區(qū)所有6.0級(jí)以上地震的發(fā)生。其中有些是共軛交匯發(fā)震斷層，如1548年渤海7.0級(jí)地震、1976年唐山7.8級(jí)地震和1969年渤海7.4級(jí)地震。

圖3 渤海強(qiáng)震構(gòu)造區(qū)內(nèi)M≥4.7級(jí)地震震中分布圖（公元495年—2013.06）Fig.3 Distribution of earthquakes of M≥4.7 in the Bohai earthquake zone

（4）燕山-渤海斷裂帶和郯廬斷裂帶的活動(dòng)及其在渤海的交匯決定著渤海及周圍地區(qū)地震的遷移特點(diǎn)。1597年渤海7.0級(jí)地震前后主要沿NWW燕渤斷裂帶遷移；1888年渤海7.5級(jí)地震前后則主要沿NNE向郯廬斷裂帶遷移；1969年渤海7.4地震前沿燕渤斷裂帶遷移，震后沿郯廬和燕渤兩斷裂帶遷移。每組地震中的6.0級(jí)以上地震的發(fā)震斷層表現(xiàn)為NNE（NE）和NWW（NW）向斷層的交替。

圖4 光彈實(shí)驗(yàn)原理圖Fig.4 Diagram showing the principle of photoelastic experiment

1.5 渤海強(qiáng)震構(gòu)造區(qū)應(yīng)力場(chǎng)的數(shù)值模擬

渤海地區(qū)應(yīng)力場(chǎng)的數(shù)值模擬研究成果豐富（陳曉利等，2005；殷秀蘭等，2007a；2007b；呂悅軍等，2002），主要集中于應(yīng)用有限元的方法對(duì)特定區(qū)域進(jìn)行模擬，揭示了該區(qū)域內(nèi)應(yīng)力場(chǎng)對(duì)地震強(qiáng)度、地質(zhì)演化以及油汽聚集等特定情況下的影響。其中陳曉利等（2005）對(duì)整個(gè)渤海海域進(jìn)行了完整的應(yīng)力場(chǎng)構(gòu)造，通過(guò)有限元法得到了渤海海域的應(yīng)力場(chǎng)特征，并認(rèn)為渤中的最大剪應(yīng)力非常高。

2 光彈性實(shí)驗(yàn)

光彈性實(shí)驗(yàn)方法是將全息照相和光彈性法相結(jié)合而發(fā)展起來(lái)的一種實(shí)驗(yàn)應(yīng)力分析方法。利用光彈性法，可以研究幾何形狀和載荷條件都比較復(fù)雜的工程構(gòu)件的應(yīng)力分布狀態(tài)，特別是應(yīng)力集中的區(qū)域問(wèn)題。由于光彈性實(shí)驗(yàn)的全場(chǎng)性和直觀性，所以其可應(yīng)用于構(gòu)造模擬地質(zhì)模型的應(yīng)力場(chǎng)，并能夠解決許多實(shí)際問(wèn)題。

2.1 實(shí)驗(yàn)原理

依據(jù)光的波動(dòng)理論，平面偏振光，通過(guò)在應(yīng)力作用下，透過(guò)具有光敏性材料制成的模型后，產(chǎn)生雙折射，使光沿著兩個(gè)主應(yīng)力方向分解為兩個(gè)折射路、率不同的平面偏振光，產(chǎn)生光程差δ。當(dāng)檢偏鏡A的震動(dòng)軸與起偏鏡P的震動(dòng)軸正交時(shí)，這樣光通過(guò)A鏡后，就變成了與A鏡震動(dòng)軸平行的平面震動(dòng)波，并產(chǎn)生光干涉現(xiàn)象（陳樹(shù)珍等，1983；殷秀蘭等，2007b；顏玉定等，2006；張興等，1996）。

2.2 實(shí)驗(yàn)材料與模型制作

與傳統(tǒng)的環(huán)氧樹(shù)脂光彈試樣制作方式不同，本次采用新型的聚碳酸酯（PC）工程塑料作為基體。根據(jù)PC良好的雙折射性質(zhì)、易加工等特點(diǎn)，通過(guò)數(shù)字機(jī)械加工雕刻得到具有地質(zhì)坳陷裂紋紋路的地質(zhì)模型。與傳統(tǒng)的手工預(yù)制裂紋方式不同，數(shù)字機(jī)械加工得到的裂紋精確性得到了極大地提升。

而對(duì)于渤海強(qiáng)震區(qū)活動(dòng)性斷裂體系的分析表明：地震活動(dòng)是在第四紀(jì)晚期，尤其是全新世活動(dòng)的基礎(chǔ)上產(chǎn)生的。地質(zhì)模型的確定是將本區(qū)地塊視為帶若干活動(dòng)性斷裂系的均質(zhì)體。實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ椭兴硎镜幕顒?dòng)性斷裂有（表1中的斷裂編號(hào)）：1—9、12、13、23—27、34—38、44—47、49、53。這些斷裂帶構(gòu)成了渤海強(qiáng)震構(gòu)造區(qū)的基本斷裂構(gòu)造格架。在模型制作過(guò)程中，依據(jù)相似性原理，選取渤海強(qiáng)震構(gòu)造區(qū)域?yàn)槟繕?biāo)試驗(yàn)區(qū)域。首先按需求簡(jiǎn)化研究區(qū)域的地質(zhì)構(gòu)造圖、將尺寸縮小到光彈儀器的量程下，建立地質(zhì)模型。然后，將經(jīng)過(guò)處理的純聚碳酸酯地質(zhì)模型以機(jī)械雕刻的方式把斷裂帶刻到模型上，從而制作成含有主要斷裂帶的渤海強(qiáng)震區(qū)域的地質(zhì)模型，如圖5所示。地質(zhì)模型在偏振光場(chǎng)中，由于斷裂帶產(chǎn)生了明暗條紋的圖像。該模型尺寸及其與實(shí)際地圖比例如表2所示。

表2 渤海強(qiáng)震構(gòu)造區(qū)地質(zhì)坳陷裂紋的紋路地質(zhì)模型Table 2 Fault trace model of the Bohai earthquake zone

2.3 實(shí)驗(yàn)過(guò)程

在渤海強(qiáng)震區(qū)的構(gòu)造體系中，在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中首先將實(shí)驗(yàn)地質(zhì)模型放在409-Ⅱ型光彈儀夾具上，按照選定的三種加載方式，分別進(jìn)行加載，通過(guò)CCD攝像技術(shù)得到等色線條紋圖案。根據(jù)等色條紋圖案進(jìn)行分析確定應(yīng)力的孕育累積區(qū)域，從而找到地震危險(xiǎn)區(qū)域。

關(guān)于邊界條件，東部邊界為郯廬斷裂東緣，郯廬斷裂帶是貫穿中國(guó)東部的一條規(guī)模宏偉的寬大斷裂帶，是控制中國(guó)東部應(yīng)力場(chǎng)的一個(gè)重要因素，利用震源機(jī)制、地震裂縫和地形變測(cè)量資料等，結(jié)合已有的郯廬斷裂帶現(xiàn)今區(qū)域應(yīng)力場(chǎng)的若干結(jié)果，總的看來(lái)，該區(qū)應(yīng)力場(chǎng)主壓應(yīng)力方向?yàn)?0°—90°（陳國(guó)光等，2003）。在渤海強(qiáng)震區(qū)中，不同斷裂帶體系的構(gòu)成，與其所反映的外力作用方式的演化過(guò)程是非常復(fù)雜的。它不僅涉及到時(shí)間演化問(wèn)題，而且還涉及到各種構(gòu)造的空間關(guān)系問(wèn)題?？紤]到本區(qū)的實(shí)際地質(zhì)構(gòu)造情況，將本地區(qū)地塊模擬為帶有若干斷裂系的各項(xiàng)同性體。

實(shí)驗(yàn)中考慮采用三種加載方式：東西向均布加載；東向單點(diǎn)加載（N38.3°—38.8°），西向均布加載；東向兩點(diǎn)加載，西向均布加載。試驗(yàn)中考慮不同的加載方式有助于找出模擬驅(qū)動(dòng)力，并選定相對(duì)遠(yuǎn)離渤海區(qū)域的南北邊界作為該模型的邊界。均布加載方式可以有效模擬一般的穩(wěn)態(tài)情況下區(qū)域內(nèi)的應(yīng)力孕育特征。而考慮到東部邊界地區(qū)處于環(huán)太平洋地震帶，其邊界條件并不穩(wěn)定，且容易發(fā)生強(qiáng)地震從而改變實(shí)驗(yàn)區(qū)域的受力邊界條件，從而誘發(fā)區(qū)域內(nèi)應(yīng)力分布特征的變化。本次實(shí)驗(yàn)選擇東向單點(diǎn)加載方式，模擬2011年?yáng)|日本大地震（N38.33°，E142.37°）發(fā)生時(shí)，研究區(qū)域的應(yīng)力場(chǎng)分布。最新資料顯示（豐成君等，2013）：日本MW9.0級(jí)地震在渤海區(qū)域造成的同震位移為水平東西向，且在E121°，N38°—39°處分布了集中的、東西向的同震主應(yīng)力。而東向兩點(diǎn)加載的邊界條件，是為了模擬復(fù)雜邊界條件下的應(yīng)力場(chǎng)。

為了體現(xiàn)擠壓強(qiáng)度對(duì)渤海強(qiáng)震構(gòu)造區(qū)域的影響，實(shí)驗(yàn)中對(duì)模型施加不變的壓力。其中，東西向均布加載壓力分別選取5kg、7kg、9kg、11kg和13kg；東向單點(diǎn)加載，西向均布加載的壓力分別選取5kg和7kg；東向兩點(diǎn)加載，西向均布加載的壓力分別選取5kg和7kg。

圖5 光彈實(shí)驗(yàn)（東西均布加載13kg）中的地質(zhì)模型Fig.5 Geologic model of the experiment（under uniform loading 13kg）

2.4 光彈實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

經(jīng)過(guò)對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的處理，獲得渤海強(qiáng)震構(gòu)造區(qū)域的等色條紋分布圖像。將獲得的渤海強(qiáng)震構(gòu)造區(qū)域等色條紋分布圖像與原地質(zhì)研究區(qū)域進(jìn)行疊加。對(duì)疊加圖像進(jìn)行分析，找到應(yīng)力累積區(qū)域與地質(zhì)斷裂帶之間的關(guān)系，如圖4所示。圖4中標(biāo)明的數(shù)字區(qū)域1、2、3（3為紅色）分別表示光彈模型上的等色條紋級(jí)數(shù)數(shù)值，其中等色條紋級(jí)數(shù)為3的區(qū)域即是剪應(yīng)力最大的區(qū)域，即地震危險(xiǎn)區(qū)域。為方便閱讀，實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析中的斷裂名稱由圖中的斷裂編號(hào)表示，而表1詳細(xì)列出了各個(gè)斷裂編號(hào)的名稱。

從渤海地區(qū)在東西向均勻擠壓下構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)光彈模擬實(shí)驗(yàn)的等色圖結(jié)果可以看出，主應(yīng)力大小及方向分布是非線性的。剪應(yīng)力高值區(qū)受到活動(dòng)斷裂帶的控制，尤其是在多復(fù)合斷裂帶的影響下，分布規(guī)律極其復(fù)雜。根據(jù)圖6.1a可知，均向載荷在9kg時(shí)，以下三個(gè)區(qū)域出現(xiàn)了明顯的3級(jí)等色條紋區(qū)域：①全新世活動(dòng)斷裂區(qū)南部：（6）號(hào)與（7）號(hào)斷裂間的區(qū)域有對(duì)稱的蝴蝶狀的3級(jí)條紋分布，（7）號(hào)與（8）號(hào)斷裂間也出現(xiàn)了明顯的3級(jí)等色條紋區(qū)域；②東北部遼東斷裂帶：（25）與（49）號(hào)斷裂間，（46）號(hào)斷裂西北部與（45）號(hào)斷裂東南部出現(xiàn)了對(duì)稱的3級(jí)條紋分布，以及北緯39.2°東經(jīng)121°區(qū)域；③蓬萊南部：（34）號(hào)與（44）號(hào)斷裂之間也出現(xiàn)了3級(jí)區(qū)域。

圖6.1a 9kg東西向均布加載時(shí)的應(yīng)力累積區(qū)域與地質(zhì)斷裂帶的應(yīng)力分布圖Fig.6.1a Stress envelope of geological fault zone under E-W uniform 9kg loading

然而，當(dāng)東西向均布加載載荷增加到11kg時(shí)（圖6.1b），3級(jí)條紋區(qū)域開(kāi)始減少，僅出現(xiàn)在研究區(qū)域的東北部（25）號(hào)斷裂與（49）號(hào)斷裂之間，（45）號(hào)斷裂東部，以及（44）號(hào)斷裂的南部、北部與東北部。由圖6.1c可見(jiàn)，當(dāng)東西向均布加載載荷達(dá)到13kg時(shí)，出現(xiàn)的3級(jí)等色條紋區(qū)域明顯大量增加，為（46）號(hào)與（47）號(hào)斷裂之間、（49）號(hào)斷裂北部、北緯39.2°東經(jīng)121°區(qū)域、（25）號(hào)（26）號(hào)斷裂相交區(qū)域、（1）號(hào)與（27）號(hào)斷裂相夾區(qū)域、（8）號(hào)斷裂南部、（12）號(hào)和（24）號(hào)斷裂東部尖端、（44）號(hào)斷裂的北部與東北部，以及環(huán)繞（5）、（6）、（37）、（38）號(hào)全新世斷裂的區(qū)域。值得注意的是，當(dāng)勻向擠壓的載荷從9kg增加至11kg時(shí)，高剪切力區(qū)域發(fā)生明顯變化。這是因?yàn)閷?shí)驗(yàn)區(qū)域的力學(xué)問(wèn)題是非線性力學(xué)問(wèn)題，由于斷裂帶的復(fù)雜分布形式，實(shí)驗(yàn)中心區(qū)域的受力狀態(tài)也變得非常復(fù)雜。同時(shí)這也說(shuō)明全新世活動(dòng)斷裂帶對(duì)擠壓應(yīng)力強(qiáng)度反應(yīng)非常敏感。

圖6.1b 11kg東西向均布加載時(shí)的應(yīng)力累積區(qū)域與地質(zhì)斷裂帶的分布圖Fig.6.1b Stress envelope of geological fault zone under E-W uniform 11kg loading

圖6.2為不同載荷下東向單點(diǎn)加載、西向均布加載時(shí)的光彈性等色條紋圖。由于單點(diǎn)加載的特性，所以在單點(diǎn)加載處附近的等色條紋級(jí)數(shù)有所增加。但是隨著向均勻載荷邊界的靠近，依然能夠得到有意義的結(jié)果。

根據(jù)圖6.2a可知，當(dāng)東向單點(diǎn)加載、西向均布加載的壓力為5kg時(shí)，在研究區(qū)域東部出現(xiàn)了南北對(duì)稱的3級(jí)等色條紋區(qū)域，且（8）號(hào)斷裂體現(xiàn)出明顯的阻隔應(yīng)力的現(xiàn)象，即由東部集中應(yīng)力像西部傳遞的進(jìn)程中，高應(yīng)力被阻隔在（8）號(hào)斷裂東部。而中部受斷裂帶的影響較大，并且在以下區(qū)域由北至南出現(xiàn)了明顯的3級(jí)等色條紋區(qū)域：（1）號(hào)斷裂北部，（2）號(hào)斷裂末端西部，（13）號(hào)斷裂西部、南部。然而，當(dāng)東向單點(diǎn)加載的載荷增加到7kg時(shí)（圖6.2b），3級(jí)等色條紋的分布與5kg的東向單點(diǎn)加載、西向均布加載的大致相似，不同的是在（12）、（30）和（8）號(hào)斷裂圍成的區(qū)域內(nèi)，且全新世活動(dòng)斷裂周邊密集聚集著3級(jí)等色條紋區(qū)域。類似于這樣的改變，在增加2kg載荷后導(dǎo)致全新世活動(dòng)斷裂周邊出現(xiàn)劇烈的等色條紋區(qū)域變化的現(xiàn)象同樣出現(xiàn)在圖6.1a-b中。這也再次證明了中心區(qū)域全新世活動(dòng)斷裂帶對(duì)應(yīng)力強(qiáng)度的變化非常敏感，而許多關(guān)于渤海強(qiáng)震區(qū)的數(shù)值分析并未考慮到邊界條件中應(yīng)力強(qiáng)度的變化對(duì)全新世活動(dòng)斷裂帶的影響。事實(shí)上，由于實(shí)際情況中研究區(qū)域的邊界條件處于非靜態(tài)的狀態(tài)中，因此，邊界上的應(yīng)力強(qiáng)度變化不能忽略不計(jì)。由此可以推斷出：無(wú)論在一般情況下（東西均布）還是在東日本大地震這樣的特殊情況下（東單點(diǎn)），全新世活動(dòng)斷裂帶都處于應(yīng)力非常不穩(wěn)定的狀態(tài)中，是地震孕發(fā)的高危險(xiǎn)區(qū)。

圖6.1c 13kg東西向均布加載時(shí)的應(yīng)力累積區(qū)域與地質(zhì)斷裂帶的分布Fig.6.1c Stress envelope of geological fault zone under E-W uniform 13kg loading

圖6.2a 5kg東向單點(diǎn)加載、西向均布加載時(shí)的應(yīng)力累積區(qū)域與地質(zhì)斷裂帶的分布圖Fig.6.2a Stress envelope of geological fault zone under E （concentrated） -W（uniform） 5kg loading

東向兩點(diǎn)加載，西向均布加載，載荷大小分別取5kg和7kg，進(jìn)行光彈測(cè)試。經(jīng)過(guò)對(duì)光彈實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析與處理得到圖6.3a和6.3b。根據(jù)圖6.3a可知，在5kg東向兩點(diǎn)加載、西向均布加載下，3級(jí)等色條紋的分布出現(xiàn)在以下幾個(gè)區(qū)域：關(guān)于（45）和（46）號(hào)斷裂西北-東南對(duì)稱的區(qū)域，關(guān)于（37）號(hào)斷裂南北對(duì)稱的區(qū)域，（7）號(hào)斷裂北部東西對(duì)稱的區(qū)域，以及（44）號(hào)斷裂北部區(qū)域。和單點(diǎn)加載狀態(tài)有所不同的是：兩點(diǎn)加載狀態(tài)下，南北向的斷裂帶并未出現(xiàn)明顯的阻隔應(yīng)力的現(xiàn)象。因此，可以看出，在特殊的應(yīng)力邊界條件下，斷裂帶并不能阻隔高應(yīng)力的傳遞，這使得渤海強(qiáng)震區(qū)因?yàn)檫吔鐥l件的變化而致危險(xiǎn)區(qū)域加大。

同時(shí)，上述結(jié)果和9kg東西向均布載荷下的結(jié)果有著相似的分布區(qū)域。不同的在于：5kg東向兩點(diǎn)加載、西向均布加載載荷下，出現(xiàn)在全新世活動(dòng)斷層的3級(jí)等色條紋區(qū)域較小，出現(xiàn)在遼東斷裂帶的3級(jí)等色條紋區(qū)域較大。出現(xiàn)如此相似的原因，可能是由于兩點(diǎn)加載狀態(tài)下，其東部邊界的應(yīng)力分布更加接近于均布加載，而由于兩點(diǎn)加載的載荷量較小，使得其出現(xiàn)的3級(jí)條紋區(qū)域也較小。

圖6.2b 7kg東向單點(diǎn)加載、西向均布加載時(shí)的應(yīng)力累積區(qū)域與地質(zhì)斷裂帶的分布圖Fig.6.2b Stress envelope of geological fault zone under E（concentrated）-W（uniform） 7kg loading

當(dāng)東向兩點(diǎn)加載、西向均布加載載荷增加到7kg時(shí)（圖6.3b），測(cè)試區(qū)域的等色條紋分布再次發(fā)生了一些變化。北部（45）、（46）號(hào)斷裂帶的3級(jí)等色條紋區(qū)域分布變化不明顯。然而，在南部區(qū)域，原本出現(xiàn)在全新世活動(dòng)斷裂帶的3級(jí)等色條紋區(qū)域再次消失，在（7）和（8）號(hào)斷裂相夾的區(qū)域出現(xiàn)了南北對(duì)稱的3級(jí)等色條紋，而（44）號(hào)斷裂北部的斷裂帶變窄且向西發(fā)展。

圖6.3a 5kg東向兩點(diǎn)加載、西向均布加載時(shí)的應(yīng)力累積區(qū)域與地質(zhì)斷裂帶的分布圖Fig.6.3a Stress envelope of geological fault zone under E（two-point-concentrated）-W（uniform） 5kg loading

陳曉利等（2005）的數(shù)值模擬的結(jié)果顯示，最大剪應(yīng)力區(qū)域出現(xiàn)在渤中區(qū)域，即圖2中（25-27）號(hào)斷裂帶附近。光彈實(shí)驗(yàn)結(jié)果中也得到了驗(yàn)證，在東部單點(diǎn)、東部?jī)牲c(diǎn)的非對(duì)稱加載情況下（25-27）號(hào)斷裂帶的東部都出現(xiàn)了3級(jí)條紋。而與數(shù)值結(jié)果不同的的是，由于本次實(shí)驗(yàn)中選取三種不同的加載方式，使得研究區(qū)域的邊界條件與數(shù)值模擬相比有巨大不同，因而出現(xiàn)了其他的危險(xiǎn)區(qū)域。

3 結(jié)論

（1）在不同的加載方式下，一些應(yīng)力累積區(qū)域的分布圖中出現(xiàn)了相似的結(jié)果，說(shuō)明由于斷裂帶分布的結(jié)構(gòu)性原因，即使改變了加載方式，依舊存在高應(yīng)變累積不變區(qū)域。全新世斷裂活動(dòng)帶（（5）、（6）、（37）、（38）號(hào)斷裂）周邊出現(xiàn)3級(jí)等色條紋區(qū)域與否非常依賴于載荷的大小，反映出其不穩(wěn)定性。故可以判定該區(qū)域?yàn)榈卣鹞ｋU(xiǎn)區(qū)域。而（1）號(hào)斷裂北部、（25）和（27）號(hào)斷裂東部、（45）和（46）號(hào)斷裂區(qū)域附近、（7）號(hào)斷裂東部、（8）號(hào)斷裂與（44）號(hào)斷裂之間的區(qū)域在2種或3種加載方式下都出現(xiàn)了3級(jí)等色條紋區(qū)域，即高應(yīng)力的孕育區(qū)域。故可以判定這些區(qū)域?yàn)榈卣鹞ｋU(xiǎn)區(qū)域。

（2）將光彈實(shí)驗(yàn)結(jié)果（圖6.1—6.3）與斷裂（圖2）和地震（圖3）活動(dòng)分布進(jìn)行對(duì)比，可以發(fā)現(xiàn)，切割深度大，全新世和晚更新世活動(dòng)斷裂，往往是6級(jí)以上地震，尤其是7—8級(jí)地震發(fā)生的場(chǎng)所，這些區(qū)域也是光彈實(shí)驗(yàn)應(yīng)力和應(yīng)變集中的區(qū)域。

（3）筆者把分析得到的結(jié)論1中的地震危險(xiǎn)區(qū)在圖2中標(biāo)出，并用不同顏色區(qū)分不同加載狀態(tài)下的地震危險(xiǎn)區(qū)，得到圖7。其中黃色區(qū)域?yàn)榫鶆蚣虞d下的應(yīng)力危險(xiǎn)區(qū)，反映了一般穩(wěn)態(tài)情況下的危險(xiǎn)區(qū)分布；綠色區(qū)域?yàn)閱吸c(diǎn)加載下的危險(xiǎn)區(qū)，反映了特定的東日本大地震震發(fā)狀態(tài)下的危險(xiǎn)區(qū)分布；而藍(lán)色區(qū)域?yàn)閮牲c(diǎn)加載的危險(xiǎn)區(qū)，反映了復(fù)雜邊界條件下的應(yīng)力場(chǎng)。本次實(shí)驗(yàn)結(jié)果為渤海強(qiáng)震區(qū)的地震危險(xiǎn)區(qū)判定提供了實(shí)驗(yàn)依據(jù)，對(duì)渤海強(qiáng)震區(qū)的地震預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)和震情跟蹤具有實(shí)際意義。

圖7 渤海強(qiáng)震構(gòu)造區(qū)區(qū)域不同加載方式下的危險(xiǎn)區(qū)域圖Fig.7 Earthquake risk area of the Bohai earthquake tectonic zone under different loading modes

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Stress Field and Determination of Earthquake Risk Zone in Bohai based on Photoelastic Experimental Simulation

Huang Dawei1）， Hu Hongjiu1）， Wang Hualin3）， Huang Xing2）， Wang Jiqiang3）， Chen Ping3）， Hu Chao3）， Liu Jun3）and Liu Hongxin2）

1） Shanghai Institute of Applied Mathematics and Mechanics， Shanghai 200072， China
2） Mechanic Department， College of Sciences， Shanghai University， Shanghai 200444， China
3） Shandong Institute of Earthquake Engineering， Jinan 250021， China

Based on the comprehensive analysis on geological environment and fault zone distribution in the Bohai sea meizoseismal area， we made the geological model by using polycarbonate material to simulate the specific structural framework of stress and strain fields. In the simulation， uniform， concentrated and two-point loading are applied in photoelastic experiments. The seismic risk area in the Bohai sea meizoseismal area is determinated through photoelastic experimental data analysis and processing， which is based on the comparison of stress accumulation area and seismic hazard points in different loading ways.

Photoelastic simulation； Stress and strain field； The Bohai sea meizoseismal area； Earthquake risk zone

郯廬地震斷裂帶中段地震活動(dòng)規(guī)律及地震危險(xiǎn)區(qū)判定研究（2012BAK19B04-01）國(guó)家科技計(jì)劃專題資助項(xiàng)目

2014-12-29

黃大衛(wèi)，男，生于1991年。碩士。主要從事能源與環(huán)境的關(guān)鍵力學(xué)實(shí)驗(yàn)問(wèn)題的研究。E-mall：miksimd@foxmail.com

胡宏玖，男，生于1969年。研究員，博士，博士生導(dǎo)師。主要研究方向：E-mall：huhongjiu@shu.edu.cn