李天斌 徐 正② 王瑞興

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基于發(fā)震斷裂位移的汶川地震區(qū)地應力場突變特征反演分析*

李天斌①徐 正①②王瑞興①

本文采用數(shù)值反演分析方法，綜合考慮發(fā)震斷裂位移、地應力實測和區(qū)域GPS位移3種基本特征參數(shù)，獲得了龍門山地區(qū)汶川地震前后地應力的突變特征與變化規(guī)律。研究表明，汶川地震前龍門山地區(qū)構造應力的平均量值為12.6～12.8MPa，最大主應力的方向為NW—NEE向。汶川地震導致龍門山地區(qū)的地應力發(fā)生復雜變化，具有突變效應、上下盤效應和距離效應。震后發(fā)震斷層上盤的構造應力平均值為11.30MPa，下盤構造應力的平均值為6.50MPa，最大主應力的方向變化為NWW到NEE向。地震后以發(fā)震斷裂為界的地應力有明顯的突變特征，表現(xiàn)為應力不同程度的釋放或局部增高，尤其是下盤地應力釋放明顯，而上盤既有地應力的釋放區(qū)也有局部地應力增高區(qū)，隨著距發(fā)震斷裂距離的增大，地應力的突變效應逐漸減弱。

龍門山地區(qū) 汶川地震 數(shù)值模擬 地應力突變

0 引 言

地應力場作為區(qū)域穩(wěn)定性和巖體穩(wěn)定性評價以及地下工程設計與施工的一項重要指標，直接影響工程穩(wěn)定性和安全性(徐正等， 2014)。一些學者通過數(shù)值模擬發(fā)現(xiàn)汶川地震后龍門山區(qū)域最大主應力和剪應力的大小和方向均發(fā)生了改變，但在不同地區(qū)這種變化表現(xiàn)有所差異(蘇生瑞等， 2012)。 “5·12” 汶川強震后，地處龍門山中央斷裂帶上盤區(qū)的福堂高速公路隧道開挖時巖爆等高地應力現(xiàn)象屢次發(fā)生(嚴駿， 2012)； 地震后位于發(fā)震斷裂下盤區(qū)的龍溪高速公路隧道的主應力方向和大小均有較明顯變化(楊詞光， 2012)。通常來說，震區(qū)地應力在強震后應得到釋放，汶川地震后地應力實測數(shù)據(jù)顯示，龍門山斷裂帶上不同部位地應力大多出現(xiàn)不同程度的降低，但一些區(qū)域的地應力反而出現(xiàn)不同程度的集中和升高，地應力仍處于較高水平。因此，有必要研究震區(qū)地應力場在地震前后的突變特征及演化規(guī)律，為地震危險性分析、重大工程建設提供科學依據(jù)。

強震區(qū)地應力突變一直是眾多學者關注的熱點。李方全等(1979)采用應力解除法測得邢臺7.2級地震后震區(qū)地應力場主應力方向由NWW向偏轉為近EW向。曹新玲等(1984)研究分析了1973～1980年唐山地震前后該地區(qū)應力值變化特征，認為震前水平應力明顯降低，各主應力呈現(xiàn)應力松弛狀態(tài)。孟文等(2013)發(fā)現(xiàn)龍門山斷裂帶最大主應力方向在強震后由南段NW—NWW向轉為北段NE—NEE向，同時，基于震區(qū)有限地應力實測點數(shù)據(jù)進行區(qū)域地應力反演，獲得了該區(qū)域地應力場的空間演化規(guī)律。鄧起東等(1994)通過數(shù)值分析進行了龍門山地區(qū)及相鄰區(qū)域的地質(zhì)構造、地震活動特征以及地震動力學等方面的研究。孟文(2013)通過有限元分析了龍門山構造應力場與活動斷裂之間的關系。一些學者對汶川地震同震效應進行數(shù)值模擬(陳連旺等， 2008； 申重陽等， 2008)，并發(fā)現(xiàn)發(fā)震斷層具有右旋走滑兼逆沖特征。

已有大量學者對地震前后地應力場變化進行了研究，認識到地震時發(fā)生的地應力突變現(xiàn)象。但在龍門山區(qū)域地震前后地應力場研究方面，已有研究沒有考慮地震時斷層的逆沖走滑運動(位移)。本文根據(jù)龍門山地區(qū)地質(zhì)構造環(huán)境和動力背景，分析龍門山地震區(qū)地震前后GPS位移變化特征、主斷裂帶上地震位移變化情況以及龍門山斷裂帶地區(qū)實測地應力在地震前后的變化和分布特征。采用數(shù)值模擬方法反演汶川地震時斷裂發(fā)生的逆沖走滑這一動態(tài)過程，與實測點地應力釋放和突變特征作對比分析，進而得到地震前后龍門山區(qū)域地應力的突變特征和變化規(guī)律，為震區(qū)區(qū)域穩(wěn)定性評價和重大工程設計與施工提供地應力場基礎資料。

圖1 兩板塊逆沖走滑建模背景

1 區(qū)域地質(zhì)與發(fā)震斷裂位移

龍門山斷裂帶在區(qū)域地質(zhì)構造上地處揚子板塊和巴顏喀拉地塊分界處 (圖1)。位于兩板塊交界線上的龍門山構造帶在受到NWW向構造應力場持續(xù)擠壓下，具有較明顯逆沖性質(zhì)并兼具右旋走滑特征(梅海， 2010)。構造動力學環(huán)境分析表明，揚子板塊高速運動且堅硬(朱介濤， 2008)； 相對揚子板塊來說巴顏喀拉地塊則松軟易于變形，其中上地殼在印支運動時期沿滑脫層向地表逆沖，并由北向南往揚子板塊逆沖推覆，致使巴顏喀拉地塊全面褶皺隆升(陳國光等， 2007； 蔡學林等， 2010)。

5·12汶川大地震發(fā)生在走向為NE30°～50°的龍門山中央斷裂帶上，發(fā)震斷裂表現(xiàn)為逆沖錯動和右旋走滑。GPS 觀察結果顯示，晚新生代以來該斷裂帶其逆沖速率在1mm·a-1以下、縮短速率低于3mm·a-1(李海兵等， 2008)。 5·12 汶川大地震造成多條地表破裂帶，導致以龍門山中央斷裂和前山斷裂為主的逆斷層同時發(fā)生破裂，該兩條斷裂走向近于平行，總體寬15km左右，長275km左右。龍門山中央斷裂也稱北川—映秀斷裂，該斷裂帶地表破裂長達220km左右，最大同震水平位錯和垂直位錯分別為6.8m和6.2m(北川縣擂鼓鎮(zhèn))，地表水平和垂向平均斷距分別為3.1m和3.0m，右旋走滑位移與逆沖位移平均比值為1︰1。龍門山前山斷裂也稱安縣—灌縣斷裂，與中央斷裂相距12km左右，地表次級破裂帶沿該斷裂南段發(fā)育，其長80km左右，走向NE40°～50°，傾角30°～50°，地震中最大垂直位錯2m左右，垂直與水平位錯量之比為1︰1～3︰1，錯動以逆沖為主。兩條破裂斷裂帶在地表形成了逆斷層陡坎、后沖逆斷層陡坎、擠壓推覆陡坎、鱷魚嘴狀陡坎以及褶皺陡坎等基本破裂單元(殷躍平等， 2009)。

2 地應力場反演模型

龍門山區(qū)域地應力場反演模型依據(jù)實際地質(zhì)背景建立。其初始及邊界條件依據(jù)龍門山地震區(qū)GPS位移變化特征來確定； 采用界面單元模擬地震發(fā)生時斷層錯動的動態(tài)過程； 根據(jù)實測地應力資料來驗證反演模型合理性。

2.1 反演模型

圖2 地應力反演地質(zhì)模型圖

根據(jù)龍門山區(qū)域?qū)嶋H環(huán)境和地質(zhì)結構背景，模擬范圍為經(jīng)度103°～106°，緯度30.3°～32.7°，其東西和南北向長分別為580km和520km。建模中設定模型厚度為5km，設定斷裂帶寬度為10km，根據(jù)實際地質(zhì)情況確定斷層線走向，并設定斷層傾角為75°。地應力反演計算模型(圖2)。模型中斷裂帶(F1～F9)依次為：岷江斷裂、虎口斷裂、雪山斷裂、茂汶—汶川斷裂、青川—平武斷裂、北川—映秀斷裂、安縣—灌縣斷裂、龍泉山斷裂、鮮水河斷裂，其中茂汶—汶川斷裂、青川—平武斷裂同屬龍門山后山斷裂。地質(zhì)模型分區(qū)界線為上述斷層，將龍門山區(qū)域分為6大區(qū) (圖2)，其中A區(qū)為平武—青川斷裂F5)以北，岷江斷裂(F1)以東之間區(qū)域； B區(qū)為岷江斷裂(F1)以西，鮮水河斷裂(F9)和汶川—茂汶斷裂(F4)以北之間區(qū)域； C區(qū)為安縣—灌縣斷裂(F7)和龍門山后山斷裂(F4、F5)之間區(qū)域； D區(qū)為鮮水河斷裂(F9)以南區(qū)域； E區(qū)為龍泉山斷裂(F8)以西，安縣—灌縣斷裂(F7)以南區(qū)域； F區(qū)為龍泉山斷裂(F8)以東，安縣—灌縣斷裂(F7)以南區(qū)域。

反演模型設定為平面應力狀態(tài)，設定各分區(qū)內(nèi)巖石為均勻各向同性材料，采用摩爾—庫侖模型作為巖體的力學模型，主斷裂帶用Interface接觸面單元模擬。

2.2 材料參數(shù)

2.2.1 地震前模型的材料參數(shù)

地應力場反演模型中A-F共6個區(qū)的巖體力學參數(shù)依據(jù)各區(qū)實際地層巖性情況采用類比法和參照前人研究成果確定 (表1)。斷層帶材料參數(shù)的確定主要考慮以下兩方面的原則 (表2)：地震中未出現(xiàn)地表破裂的斷層帶，主要根據(jù)其活動性差異來確定斷層帶材料參數(shù)； 在地震中出現(xiàn)地表破裂的斷層帶，其材料參數(shù)按照汶川地震主震位移的差異性來選取。

2.2.2 地震后模型的材料參數(shù)

由于大地震時研究區(qū)巨大能量的瞬間釋放會誘發(fā)地面隆起下陷、地表裂縫、巖土體松動、砂土液化等，地層巖體力學性質(zhì)會發(fā)生一定的變化，因此需要對地震后數(shù)值模擬的巖體參數(shù)和斷層帶材料參數(shù)進行適當調(diào)整。震后各區(qū)域巖體及各斷層帶材料參數(shù)參見表1和表2。

表1 震前和震后計算模型各分區(qū)巖體材料參數(shù)

Table1 Material parameters of rocks before and after the earthquake

分區(qū)容重/kN·m-3泊松比彈性模量/GPa摩擦角/(°)黏聚力/kPa震前震后震前震后震前震后震前震后震前震后A26260.240.24353038401×1030.9×103B26260.240.24352540351×1030.7×103C27270.260.2640835345×1030.7×103D26260.240.24231345409×1037×103E24240.240.23401232324×1033.5×103F26270.270.24401235415×1031×103

表2 震前和震后計算模型斷層帶材料參數(shù)

Table2 Material parameters of fault zones before and after the earthquake

斷層帶容重/kN·m-3泊松比彈性模量/GPa摩擦角/(°)黏聚力/kPa震前震后震前震后震前震后震前震后震前震后F1F2F322220.280.2815825180.8×1030.6×103F4F522220.270.2714730200.5×1030.05×103F622220.270.271361050.2×1030×103F722220.270.2713625250.5×1030.1×103F822220.280.2816830200.7×1030.2×103F922220.290.2915723201×1030.08×103

2.3 邊界條件及荷載施加

龍門山中央斷裂帶西北盤(巴顏喀拉地塊)為上盤，東南盤(揚子板塊)為下盤。大量研究結果表明：汶川8.0級地震斷裂帶上盤破裂破壞程度較下盤嚴重，表現(xiàn)出明顯的上盤效應。在本次龍門山區(qū)域地應力釋放與突變特征反演計算中，根據(jù)龍門山構造帶地殼運動的GPS監(jiān)測資料和研究區(qū)現(xiàn)代構造應力場基本特征等(牛之俊， 2006； 張培震等， 2008)分析和總結，確定模型西側為應力邊界，西側邊界上汶川以南向東偏南45°施加構造應力，汶川以北施加垂直向東的構造應力； 東、南、北側邊界進行位移約束 (圖3)。

圖3 GPS觀測中國大陸現(xiàn)今地殼運動速度場(牛之俊， 2006)

在計算過程中，結合龍門山區(qū)域地質(zhì)環(huán)境條件，經(jīng)過多次試算和與斷裂位移以及地應力實測結果的對比，最終確定邊界應力大小。模型西側邊界上汶川以南向東偏南45°施加10.5MPa構造應力，汶川以北施加向東12.5MPa構造應力。映秀—北川斷裂在地震發(fā)生時加入界面單元模擬。為模擬映秀—北川斷裂上、下斷盤在地震發(fā)生時的逆沖走滑過程，根據(jù)地震時該斷裂地表平均垂向和水平斷距，計算中將模型中揚子板塊和巴顏喀拉地塊沿北川—映秀斷裂帶水平平均位移3.1m、垂直平均位移3.0m。

圖4 龍門山斷裂帶地震前位移矢量圖

圖5 龍門山斷裂帶地震后位移矢量圖

3 地應力反演結果分析

3.1 發(fā)震斷裂上下盤地應力變化特征

3.1.1 震前震后區(qū)域位移特征對比分析

通過對比分析地震前后研究區(qū)位移矢量圖 (圖4， 圖5)可知，區(qū)域位移矢量在地震前總體上為SE到NEE向； 龍門山斷裂帶及揚子板塊西部地殼位移矢量方向總體上為NEE向，局部呈NEE向； 龍門山斷裂帶以西川青地塊位移矢量方向總體上呈NEE向SEE方向運動； 青海南部及川西地區(qū)呈ES方向運動。整個研究區(qū)域在地震后位移矢量轉變?yōu)镾EE到NEE向，而且，四川盆地內(nèi)的位移明顯減少，表現(xiàn)出沿龍門山斷裂帶由南至北右旋走滑運動愈發(fā)明顯的特征。這一位移變化特征也反映出由南向北區(qū)域最大主應力方向變化趨勢是由SEE向NEE轉變。

3.1.2 地震前后區(qū)域主應力特征對比分析

已有研究表明，汶川地震破裂斷層表現(xiàn)出明顯的斷層上盤效應(何仲太等， 2012)，即斷層兩盤的破裂效應具有明顯差異性，上盤地表破裂程度大于下盤。本次地震前后研究區(qū)地應力的變化也表現(xiàn)出明顯的上下盤效應，主要規(guī)律是發(fā)震斷裂帶上、下盤應力值在地震前呈連續(xù)變化，而地震后應力值沿中央斷裂帶分界線發(fā)生“應力跳躍”現(xiàn)象。地震前斷層上盤最大水平主應力(構造應力，下同)的平均值為12.60MPa，下盤平均值為12.80MPa； 地震后斷層上盤最大水平主應力平均值為11.30MPa，下盤平均值為6.50MPa(圖6，圖7)。通過地震前后應力狀態(tài)的對比分析得出，最大主應力值在發(fā)震斷裂上盤降幅較小，局部還出現(xiàn)增大現(xiàn)象 (圖7)，表明汶川地震主震后發(fā)震斷裂上盤應力水平仍較高，其能量釋放不徹底； 最大主應力值在發(fā)震斷裂下盤降幅較大，主震后總體處于中等應力水平。同時，由圖7 還可以看出，發(fā)震斷裂上盤南段和北段的應力高于中段。

圖6 龍門山斷裂帶地震前最大主應力(Pa)

圖7 龍門山斷裂帶地震后最大主應力(Pa)

3.2 斷層上下盤同一測點地應力突變特征

對比發(fā)震斷裂上盤福堂隧道地應力實測和反演數(shù)據(jù) (表3、表4)可知，福堂隧道附近測點最大主應力的方向由地震前的北北西變?yōu)榈卣鸷蟮谋睎|，而且最大主應力的量值較震前上升，表明震后發(fā)震斷裂上盤局部地區(qū)確實存在地應力增大現(xiàn)象。

表3 上盤區(qū)福堂隧道附近實測地應力

Table3 Measured geostress of near Futang tunnel in the hanging wall

時間測點位置最大主應力值/MPa方向2001年福堂壩電站某平洞18.4N10°W2011年福堂高速路隧道K19+94020.8N34°E

表4 上盤區(qū)福堂隧道附近反演地應力

Table4 Inversed geostress of near Futang tunnel in the hanging wall

時間測點位置最大主應力值/MPa方向震前福堂高速公路隧道11.4N15°W震后福堂高速公路隧道21.6N55°E

表5 下盤區(qū)龍溪隧道實測地應力

Table5 Measured geostress of Longxi tunnel in the footwall

時間測點位置最大主應力值/MPa方向震前龍溪隧道左洞LK23+81026.4N36.8°E震后龍溪隧道左洞LK23+81014.2N25.6°E

都汶高速龍溪隧道位于發(fā)震斷裂下盤映秀鎮(zhèn)附近。龍溪隧道LK23+810樁號地震前后地應力測試結果(表5)。由此可見，實測資料也證實發(fā)震斷裂下盤的地應力在地震時突變明顯，應力釋放較充分。

3.3 地應力突變的距離效應

計算中為分析龍門山發(fā)震斷裂帶上下盤地應力特征與變化規(guī)律，在其上下盤的南、中和北段布置3條觀測斷面，共計45個觀測點 (圖8)。經(jīng)觀測與對比后發(fā)現(xiàn)，地震前地應力值隨距發(fā)震斷層距離的增大稍有增大趨勢，盡管3條監(jiān)測斷面變化情況稍有差別，但總體上地應力在斷層上下盤較平穩(wěn)過渡 (圖8)。這表明研究區(qū)域地塊在地震前具有較好整體性，發(fā)震斷裂上下盤地應力變化較小。斷裂發(fā)震時上下盤兩板塊發(fā)生逆沖及走滑運動，之前區(qū)域平衡狀態(tài)被打破，累積的巨大能量在斷裂帶附近得到大量釋放。因此，地震導致發(fā)震斷裂上下盤地應力發(fā)生較復雜變化。

圖8 龍門山發(fā)震斷裂帶上下盤地應力監(jiān)測點示意圖

由圖9 可以看出，汶川地震后上盤北段最大主應力平均值為13.5MPa，中段為12.5MPa，南段為10.5MPa； 下盤北段、中段、南段最大主應力平均值分別為6.8MPa、6.5MPa和5.9MPa。地震后上盤應力變化較為復雜，其中北段和中段最大主應力值增大，但北段比中段增大幅度明顯； 南段在距斷層30km范圍內(nèi)應力值增大，超過30km后應力值減小?？傮w而言，隨著距發(fā)震斷裂距離的增大上盤地應力的突變效應逐漸減弱。地震后發(fā)震斷裂下盤大部分區(qū)域應力值明顯下降，但距斷裂帶60～70km后最大主應力值又有回升的趨勢。上述特征表明，地應力量值水平受發(fā)震斷層的影響可能在一定范圍之內(nèi)，超過該影響范圍將逐步趨于穩(wěn)定。

圖9 地震前后發(fā)震斷裂上下盤最大主應力離斷層距離的變化

4 結 論

(1)本文在地震前后區(qū)域地應力反演分析中，綜合考慮了發(fā)震斷裂位移、地應力實測和區(qū)域GPS位移3種基本特征參數(shù)，使地應力的反演分析結果更加可靠，為地震前后區(qū)域地應力場研究提供了新的途徑。

(2)汶川地震前龍門山中央斷裂帶上下盤應力值總體過度較平穩(wěn)，呈現(xiàn)出連續(xù)變化的特征。區(qū)域構造應力的平均量值上盤為12.60MPa，下盤為12.80MPa； 最大主應力的方向為NW到NEE向。

(3)汶川地震中斷層的走滑逆沖運動使龍門山地區(qū)的地應力發(fā)生復雜變化，具有突變效應、上下盤效應和距離效應?？傮w而言，地震后以發(fā)震斷裂為界地應力有突變特征，表現(xiàn)為應力不同程度的釋放或局部增高，下盤地應力得到明顯釋放，而上盤既有地應力的釋放區(qū)也出現(xiàn)局部地應力增高區(qū)(主要分布在發(fā)震斷裂的北部和南段)； 地應力的突變效應隨著距發(fā)震斷裂距離的增大而逐漸減弱。

(4)汶川地震后發(fā)震斷層上盤區(qū)域構造應力的平均值為11.30MPa，下盤區(qū)域構造應力的平均值為6.50MPa，最大主應力的方向變化為NWW到NEE向，龍門山斷層帶的右旋走滑活動特征更加明顯。

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BACK ANALYSIS ON MUTATION CHARACTERISTICS OF REGIONAL GEOSTRESS BASED ON SEISMOGENIC FAULT DISPLACEMENT OF WENCHUAN EARTHQUAKE

LI Tianbin①XU Zheng①②WANG Ruixing①

Based on the dislocations of earthquake faults， the geostress measurement and GPS regional displacements， this paper aims to explore the variation of geostress in the Longmenshan mountainous area before and after the 2008 Wenchuan earthquake using numerical inversion analysis method. The results of numerical simulation demonstrate that the average tectonic goestress in the Longmenshan mountainous area ranged from 12.6MPa to 12.8MPa before the Wenchuan earthquake. The direction of maximum principal stress ranges from NW to NEE.An clear change of geostress had been caused by the Wenchuan earthquake. It behaves mutation effect， hanging wall and footwall effect， and distance effect. The tectonic geostress of the hanging wall of the earthquake faults reached an average of 11.30MPa， whereas the geostress of the footwall at an average of 6.50MPa. Meanwhile， the direction of maximum principal stress ranged from NWW to NEE.The geostress had clear mutation characteristics， which appeared to be the release or local increase of the geostress. Especially the geostress was released obviously at the foot wall. Different degree of geostress releases or locally rises at the hanging wall. With the increase of distance to the earthquake faults， the mutation effect of the geostress was gradually weakened．

Longmenshan area， Wenchuan earthquake， Numerical simulation， Geostress mutation

10.13544/j.cnki.jeg.2016.05.005

2016-06-18;

2016-09-05.

國家自然科學基金(41172279， 41230635)資助.

李天斌(1964-)，男，博士，教授，博士生導師，主要從事地質(zhì)工程、巖土工程和隧道工程方面的教學與研究工作. Email: ltb@cdut.edu.cn

P65

A