汶川5.12地震发震机理的数值模拟.pdf

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1、第l5卷第2期地质力学学报V01．15No．22009年6月JOURNALOFGEOMECHANICSJua．2009文章编号：1006．6616(2009)02—0105—09[编者按]在汶川地震一周年之际。本刊发表一组有关汶川地震的论文，谨此纪念。这是我所广大科研人员怀着对祖国、对人民的无限深情，一年来辛勤耕耘取得的部分科研成果。汶川强震给我国人民带来深重灾难的同时。也给我们提出了不少新的研究课题。由于每个强震都有其自身独有的特点，只有不断深入地研究诸多强震的特点。才能深入理解强震发生机理及演化规律。就汶川地震而言，还

2、有不少问题有待深入研究。做为大型综合性地学刊物，本刊欢迎各界提供这方面的稿件。汶川5．12地震发震机理的数值模拟王连捷，崔军文，周春景，孙东生，王薇，唐哲民，钱华山。(1．中国地质科学院地质力学研究所，北京100081；2．中国地质科学院地质研究所，北京100037；3．北京超算科技有限公司，北京100085)摘要：将围岩看成弹性体，断层看成具有应变软化的弹塑性体，断层和围岩组成统一的地质介质系统。在给定的地应力、孔隙压力及边界位移的作用下，应力逐渐积累，当达到断层强度时，断层进入塑性状态，应变随之软化，应力突然下降，能量

3、突然释放，形成地震。根据这个原理，利用有限差分FLAC软件，对汶川5．12地震的机理进行了模拟。模拟结果证实：汶川5．12地震是在青藏高原侧向挤压，四川盆地阻挡，使龙门山断裂带受到缓慢增加的挤压应力场作用下形成的。计算结果给出了应力降、能量释放量、断层错动量、地震同震位移、震前位移、地震复发周期等重要参数，结果与野外调查及其它资料给出的数据具有较好的一致性。关键词：汶川地震；龙门山断裂带；应变软化模型；地震非稳定模型中图分类号：P3l5．O1文献标识码：A0前言2008年5月12日在I~t)1l省龙门山断裂带发生了M。8．

4、0级强烈破坏性大地震。这是世界内陆地区罕见的逆冲型强烈地震。滑坡、泥石流、堰塞湖等次生灾害严重，造成了严重的人员伤亡和财产损失。地震的特点是持续时间长，破裂长度大。持续时间约100s，地震破裂由汶川映秀开始，沿龙门山断裂带向NE方向扩展，直到青川，破裂带长度约300km。震源机制比较复杂，且随着时间和空间发生变化。在地震的开始阶段表现为逆冲为主，后来向收稿日期：2009-05-10基金项目：国家科技支撑一汶川地震断裂带科学钻探井中探测项目资助。作者简介：王连捷(1933．)，男，研究员，从事地质灾害、地应力测量、应力场数值

5、分析及应用研究。E-nlail：wanglj01@sina．eom106地质力学学报2009NE方向逐渐转变为以走滑为主。汶川大地震引起了世界人民和专家学者的极大关注。很多专家学者震后第一时间赶赴现场考察，对其孕育和发生机理进行研究，取得了重要进展，为汶川地震的深入研究奠定了基础。我们将从断层滑动软化的角度探讨汶川大地震的孕育发生机理。地震是断层的非稳定破坏过程，是断层和围岩介质组成的系统，在地应力作用下，应力达到断层的强度，断层软化而突然失稳滑动，储存在断层．围岩介质系统里的弹性能突然释放的结果n。因此，研究地震过程时，

6、只考虑断层本身是不够的，还必须考虑断层周围的岩石介质及其所处的地应力环境。我们将断层和围岩看成一个完整系统进行研究，将围岩看成弹性介质，断层看成具有软化特性的弹塑性介质，利用应变软化(位移软化)模型模拟汶川地震的发生。出D一一一一1断层的本构方程0oD一00断层单元或节理单元首先由Goodman等提出n9，Zienkiewicz等进行了发展。文卜∞在库仑屈服条件下，用增量理论进行了详细推导，建立了断层单元的本构方程，其O0k表达式如下：(1)(2)

7、j}：蛐rDv=一(3)()k,k

8、j}fdr1f1如{L如一{u}；¨(

9、c，一)如J【uJ：式中：k，k为断层的切向和法向刚度；r，r，r，出，出，出；为沿断层面的剪应力和法向应力分量及增量；r=~／r+r2；，“，u，为断层面在，，，，z方向的位移间断量；／I为摩擦系数；CP和为内聚力和摩擦系数随塑性内变量的变化，表征介质的强化或软化特性；6为断层厚度。当考虑孔隙压力时，上式中的应力皆为有效应力。2断层非稳定滑动的能量准则断层和围岩组成的地质系统，在断层失稳滑动前的时刻，断层处在非稳定平衡状态，一个小的扰动，如远场位移，应力，孔隙压力等的扰动，系统的弹性应变能发生改变，变化的能量，除了驱动断

10、层滑动外，还能产生地震波的动能。下式表示断层非稳定滑动的能量准则：第2期王连捷等：汶川5．12地震发震机理的数值模拟107一△U>△层(4)当上式满足时，断层发生非稳定滑动。式中△是系统弹性应变能的变化，AE是系统的耗散能。即断层非稳定滑动时，系统弹性应变能的改变大于断层破坏滑动过程所需的能量，其中的差