高 翔 ,邓起东,陈汉林洪汉净

(1.浙江大学 地球科学系,浙江 杭州 310027;2.中国地震局 地质研究所,活动构造与火山重点实验室,北京 100029)

0 引 言

构造地质学研究正在两个方面走向深入:一方面是构造地质学定量化研究,如定量活动构造学的发展,其作用是通过各种定量化参数的确定及其相互关系的研究和计算,对相关构造未来的定量活动前景做出评估,从而为增进对其动力学的认识和各种灾害的防治做出贡献,如地震危险性评价问题;另一方面对各种构造的变形机制不断进行深入剖析,如变形局部化问题就是一个正在引起当代构造地质学界特别注意的问题,例如,为什么大地震不仅发生在断裂带上,还常发生在断裂带的某些特定部位？也就是在地震发生之前变形是如何集中在断裂上或断裂的某一断层段上,在断裂作用过程中,初始破裂点是如何发生和发展的？美国国家基金会地球科学部在其2002年和2012年构造地质学新发展的指导书中都讨论过这些问题(Earth Science Division,National Science Foundation of America,2002;Earth Sciences at the National Science Foundation of America,2012)。自然,在这一研究中,不同类型的构造及其变形都有自己的特色,如对正断裂、逆断裂和走滑断裂及不同类型的断裂相关褶皱等等,都必须分别加以研究。本文主要讨论的是走滑断裂。

走滑断裂在地壳中发育最广,规模最大,是与地震孕育和发生关系最密切的一种活动断裂,因而也是学者们最为关注的断裂(徐嘉炜,1964;邓起东,1984,1985;闻学泽等,1985;Deng et al.,1986 a,1986b;国家地震局地质研究所,1987;国家地震局地质研究所和宁夏回族自治区地震局,1990;国家地震局“阿尔金活动断裂带”课题组,1992;丁国瑜等,1993;吴章明,1993;Grant and Donnellan,1994;环文林等,1995;袑李天,1996;袑李天等,1997;王时标和姚振兴,1997;张世民和谢富仁,2001;薄万举,2003;Simpson et al.,2006;Murray and Langbein,2006)。1981年,邓起东和张培震等在对新疆富蕴地震断裂和活动走滑断裂带的研究中发现沿该右旋走滑断裂的枢纽运动,他们对该走滑断裂带的构造和地貌的四象限分布进行了解释,并进一步用矩形截面梁的旋转来表示枢纽运动模型,用它来解释富蕴地震的孕育和发生机制(图1),并且指出枢纽轴部是断层两盘升降运动的支撑点,是阻挡剪切应力的闭锁段,应力在这里积累,应变在这里发展,大地震在这里孕育。认识枢纽运动所控制的构造和地貌变化,了解枢纽轴部的应力状态,将有助于进一步认识地震的孕育过程(Chinnery,1961,1963;罗灼礼,1980;张培震,1982;邓起东,1984,1985)。

图1 走滑断裂的变形方式与机制Fig.1 Deformation modes and mechanisms of the strike-slip faults

关于地震之前变形是如何集中在断裂上或断裂的某一断层段上,即变形局部化(Earth Science Division,National Science Foundation of America,2002),以及能否观测到在大的断裂错动发生前先形成的具有启动断裂快速错动传播的区域及其向失稳发展的物理过程,即地震成核问题(郭增建和秦保燕,1996)是大地震研究中极其重要的问题。目前,变形局部化研究主要是对板块边界和大断裂的研究(Zhao et al.,2003;Benjamin,2008;徐锡伟等,2008),他们利用宏观观测数据来分析问题,而对活动断裂带中特殊的构造段、点在地震孕育中的应力集中问题还没有深入。地震成核问题,尤其是成核相问题研究,一般是分析前震和余震序列(Ellsworth and Beroza,1995;Beroza and Ellsworth,1996;Nicholson,1996;Hurukawa,1998;Rastogi and Mandalal,1999;Norihito et al.,2002),马胜利等(2002)和何昌荣(2000)曾指出利用构造物理方法(摩擦实验)和数值模拟手段也是研究这一问题有效的途径。本文立足于前人的工作,希望利用走滑断裂的枢纽运动模型,对走滑断裂在运动过程中产生变形局部化和地震成核问题进行进一步探索。我们在野外对富蕴断裂带的枢纽运动特征进行了补充调查,尤其是对富蕴断裂带不同断层段的运动特征的转换、枢纽轴部强烈挤压的逆掩断裂和挤压透镜体的存在和特点进行了专门的观察,在野外调查的基础上,通过数值模拟的方法,进一步研究了走滑断裂的枢纽运动模型,尝试从构造地质的角度来研究这些问题。

1 富蕴活动断裂带的构造和地貌变形特征

富蕴断裂带带位于中国西北部新疆-蒙古边界的阿尔泰山西南麓,整体走向 345°,倾向东,倾角70°～80°,长近200 km,是典型的右旋走滑断裂。沿该断裂水系、冲沟的位错表现尤为明显,晚更新世以来的右旋滑动速率为 0.76±0.24 mm/a(张培震,1982;柏美祥等,1996;新疆维吾尔自治区地震局,1985;Klinger et al.,2011;徐锡伟等,2012)。1931 年在富蕴走滑断裂带上发生了一次Mw7.9地震,造成了长达176 km的地震地表破裂带,这是富蕴活动断裂带最新活动的结果。富蕴活动断裂带及地震地表破裂带主体的基本特征是:北段为长约55 km的正断层,中段为长约78 km的走滑断层、逆掩断层,南段为长约33 km的逆走滑断层(图2)。各段断层的运动性质发生明显的变化。

北段:卡拉先格尔以北的恰尔沟至喀伊尔特,在断裂东盘连续出现了呈串珠状排列的喀伊尔特、可可托海、吐尔洪三个盆地。它们均为主断裂控制的单侧断塞型断陷,是在主断裂活动过程中,西盘山体相对掀斜上升,东盘沿主断裂相对下降形成的断塞型盆地。可可托海盆地和吐尔洪盆地规模较大,主断裂的正断作用显著,沿主断裂发育同坡向正断层型地震陡坎和张性沟槽,坎高一般为0.5～1 m,沟槽深一般为0.2～2 m(图3、4)。

图2 富蕴断裂带构造位置与几何结构Fig.2 Location and geometry of the northern segment of the Fuyun fault zone

中段:北起卡拉先格尔以北的恰尔沟向南经萨热巴斯陶、托斯巴斯陶至新山口,在新山口一带以一个宽约1 km的右阶阶区与富蕴断裂带南段相隔,是断裂带结构最复杂、水平位移量最大的断层段。

图3 富蕴断裂带北段东盘的断塞型盆地和西盘的隆起块体Fig.3 Sag-pond basin in the eastern and uplift in the western side at the northern segment of the Fuyun fault zone

富蕴断裂带中段的构造表现出以下三个最大的特点:(1)在本段断裂带内存在多个长轴状挤压透镜体(图5),大者如卡拉先格尔透镜体(长7 km,宽1.8 km,图6c),小者如南托斯巴斯陶透镜体(长 1.7 km,宽0.7 km)。这些透镜体长轴方向平行于富蕴主断裂带,透镜体西侧发育的主断层及一系列次级断裂均为东倾逆断层或弧形逆断层,断层倾角一般仅 30°～50°,具有明显的逆断层垂直位移。透镜体东侧断裂则为正走滑断层,在透镜体顶部常常发育复杂的平行透镜体轴向的正断层。总之,这些构造透镜体表现出强烈的挤压特征;(2)在富蕴断裂带中段的不同地段出现低角度倾斜的逆掩断层,如在玉勒肯哈拉苏一带,断裂带表现为低角度逆掩断层,地表出现较低的断层陡坎,高仅0.5 m左右,陡坎角度也逐渐平缓,断层不再呈直线状切穿山脊和冲沟,而是根据 V字形法则绕着坡脚延伸(图6a)。在玉勒肯哈腊苏附近有几条出露的冲沟壁上见到逆掩断层,断层倾角仅20°左右(图6b)。这种低角度逆掩断层的出现,也说明富蕴断裂带中段遭受了强烈挤压作用;(3)富蕴断裂带中段是断裂水平位移最大地段。虽然根据最新的研究,1931年地震同震最大位移量仅约6.7 m,与前人10～14 m的结果差别较大,但该值依然出现在卡拉先格尔透镜体东侧的阿克萨依附近(徐锡伟等,2012)。

南段:北起新山口,沿夏贝尔特山西麓延伸,向南达库尔尕克萨依北。与富蕴断裂带北段相反,南段东盘上升,逆断层陡坎更加显著,陡坎高约4 m以上。西盘下降,与广阔的戈壁沙漠融为一体。

图4 富蕴断裂带北段的断层陡坎Fig.4 Fault scarp in the northern segment of Fuyun fault zone

图5 富蕴断裂带中段和南段的构造与地貌特征Fig.5 Tectonic and geomorphic characteristics of the middle and the southern segments of the Fuyun fault zone

图6 富蕴断裂带中段的逆掩断层陡坎(a)、逆掩断层剖面(b)和挤压透镜体剖面(c)Fig.6 Overthrust fault scarp in the middle segment of the Fuyun fault zone (a),section of the overthrust fault (b),and section of a squeezed lens (c)

综合上述构造和地貌特征,以卡拉先格尔-新山口断裂段为中心,富蕴断裂带及其两侧构造和地貌呈现四象限分布特征。北段主断层为正断层,受正断层的影响,西盘上升,东盘下降。北段的三个断塞型盆地仅受西侧主断裂带控制,盆地面向西倾斜,沉降中心均紧靠断层。南段正好相反,东盘抬升,西盘下降,为逆走滑断裂。断裂带中段表现出强烈的挤压特征,是断层枢纽运动的轴部(图7)。

2 数值模拟

图7 富蕴断裂带各段剖面示意图Fig.7 Sections of different segment of the Fuyun fault zone

在进一步了解富蕴断裂带基本构造与地貌变形特征的基础上,建立了走滑断裂的枢纽运动模型,利用数值模拟的方法可以进一步探讨枢纽轴部在枢纽运动中所起的作用,以及在走滑型地震孕育过程中的状态。数值模拟方法具有条件可控制、过程可重复、有助于补充现场观测资料、高效、直观等优点。有限元法是最基本、应用最广泛的数值模拟方法(冯吉利等,1999;Malservisi等,2003;周伟新等,2003;和平等,2011;杨杰等,2011)。本文选用的 ANSYS分析平台,也是应用比较广泛的大型有限元分析软件之一。

2.1 建模与计算

为了便于计算和分析,对模型做如下假设:(1)走滑断层面是一个完整的面,断层两盘是各向同性的均一弹性介质;(2)初始地表为水平面;(3)不考虑研究区内的其他断层以及断层间的相互作用,也不考虑断层两盘重力的作用;(4)边界条件以主压应力作用为主,边界力在模拟过程中保持不变。富蕴断裂带模型的相关参数见表1。

根据上述条件和假设,富蕴模型长 176 km,宽40 km,深40 km(约为震源深度的2倍),X正方向为断层走向(345°)。将长方体一分为二的一个倾斜接触面作为断层面,摩擦系数0.5,断层面陡立(倾角85°,倾向NE)。断层面东、西两侧各4 km设为断层弱化带,剪切模量为正常值的 1/10。模型统一用四面体单元(Solid186)划分网格,单元边长4 km,在枢纽轴部附近加密,共37043个单元,53114个结点。将主压应力(单位:MPa)沿X、Y方向分解(因为不清楚实际的边界条件,只好借助震源机制解。根据富蕴地震震源机制得知主压应力值及其在平面上的投影方向,然后将主压应力值按照其平面投影的方向进行分解),作用在断层面单元上(X:25,Y:31)。固定断层面中心的若干个结点(初始固定结点数 n=18)作为枢纽轴部和闭锁区(图8)。

表1 富蕴断裂带模型参数Table1 Parameters for modeling of the Fuyun fault zone

使用 ANSYS软件平台进行数值模拟,完成的主要工作是:

(1)模拟应力积累阶段断层两盘受区域应力场作用下发生的枢纽运动。在模型的断层面单元上施加水平应力,并且固定断层面中心的若干个结点作为闭锁区(n=18),计算断层的运动与变形。

(2)分析影响断层枢纽运动的2个因素,即断层面倾角和闭锁面积对枢纽作用的影响。在(1)计算的基础上,改变断层面倾角(85°、70°)、闭锁面积(24 km2、160 km2)。比较计算得到的最大垂直位移量,分析这些边界条件改变对断层枢纽运动的影响。

(3)研究枢纽运动下断层面应力分布及变化情况。模拟断层两盘在水平力作用下枢纽运动时的断层面应力,并且保持除了地表面(顶面)、底面以外的其他面固定。

2.2 结果与讨论

2.2.1 水平应力场下的枢纽运动

图8 富蕴断裂带力学模型与单元格划分Fig.8 Mechanical model for the Fuyun fault zone and its cell division

根据上述假定和边界条件,模拟结果表明,走滑断层受区域水平应力场控制的枢纽运动确与矩形截面梁的扭转相似,表现出典型的掀斜特征(图9)。如图所示,模拟结果反映了断层一盘在垂直方向(Z)的位移分布,蓝色、负值表示位移方向与正方向相反,是最大抬升量,红色、正值表示位移方向与正方向一致,是最大下陷量。东盘沿断层面发生旋转,北低南高,北端下降,南端抬升,中段垂直位移为零。相当于在构造上,北段表现为正断层,南段表现为逆断层。在地貌上北段东盘表现为盆地,北段西盘为隆起,南段则正好相反,东盘为隆起,西盘为盆地。均与富蕴断裂带的构造和变形特征一致。

2.2.2 影响枢纽运动的因素

从模型构成的要素看,枢纽运动与水平应力大小、断层面上摩擦力大小、枢纽轴部的属性有关。断层面上的摩擦力受摩擦系数、断层面倾角控制,而枢纽轴部的属性表现为其面积的大小。在水平应力与摩擦系数为常量的条件下,分别改变断层面倾角和枢纽轴部面积,均能改变枢纽运动状态。

图9 富蕴断裂带模型枢纽运动Fig.9 Pivotal movement of the Fuyun fault zone

(1)断层面倾角

根据模型边界条件,计算断层面倾角分别为85°和 70°两种情况,可以发现,随着断层面倾角的减小,隆起和下陷的垂直位移量明显增大。其最大隆起量从15507 m增加到19333 m,最大下陷量从15685 m增加到19161 m(图10)。这可能是因为断层面倾角的减小导致作用在断层面的正应力和摩擦力减小,有利于沿断层面滑动的枢纽运动的发生。

(2)枢纽轴部闭锁面积

根据模型边界条件,逐步扩大闭锁的面积(增加固定结点的数目),通过比较断层两盘的垂直位移量变化可以了解其对枢纽运动的影响。当闭锁面积分别为 24 km2(n=24)、160 km2(n=204)时,由图可知,随着断层面闭锁面积的增大,隆起和下陷的垂直位移量显著减小。东盘最大隆起量分别为 15507 m、1566 m和177 m,最大下陷量分别为15685 m、1681 m、265 m,掀斜运动明显受阻(图11)。推测是因为闭锁面积的增大导致应力更加容易积累、集中,阻碍了沿断层面滑动的枢纽运动的发生。

2.2.3 枢纽轴部剪切应力分布

断层两盘能自由移动是比较理想的情况,实际上我们还要考虑:(1)断层运动需要在两端终止;(2)变形集中在断层附近,远离断层面的东西两侧位移均为零。因此,改变模型边界条件,在断层面上施加剪切力(单位:N),利用水平应力换算,F富=(25–31×sin85°×0.5)×106×40000(深)×4000(单元边长)=1.3×1015N,将断层两盘东西南北面全部固定(各个方向位移为零),可以模拟上述效果。

图10 断层面倾角变化对枢纽运动的影响Fig.10 Influence of dip angle of fault plane on changes of pivotal movement

图11 闭锁面积变化对枢纽运动的影响Fig.11 Influence of block area changes on pivotal movement

通过野外调查,我们对枢纽轴部的作用有过一些分析和论述,而模拟结果证实了我们的分析。截取枢纽运动中枢纽轴部的横截面(深度20 km,与地表面平行的横截面),可以发现从剪切应力状态看,一方面,其作用范围(浅蓝色区域)是一个狭长的条带,大约是断层两盘宽度的三分之一,说明这是走滑断层产生枢纽作用形成局部应力场的结果,不是一种区域变形;另一方面,剪切应力在枢纽轴部位置分布不连续,说明剪切应力在这里受阻、累积。因此,枢纽轴部很可能是大地震的孕育部位,并且在孕震阶段,成为枢纽运动的支撑点,使得地貌出现四象限分布的特征(图12)。

2.2.4 断层面应力状态

图12 枢纽轴部附近横截面剪切应力分布Fig.12 Distribution of shear stress in the section near the pivotal axis

既然应力能在枢纽轴部累积,我们就需要考察它究竟是如何集中的。同样截取断层面上应力的分布状态(图13),可以发现伴随枢纽运动的进行,富蕴模型断层面上的枢纽轴部及其附近地区出现了 2个应力集中区,应力以同心圆圈状向其核心集中,其核心是应力集中区内应力最大的部位,核心区的最大值(红点)约 69.6 MPa。应力集中区的面积一直在增大,主要表现在外围,说明应力一直在向核心集中。核心面积约为0.04 km2,远远小于枢纽轴部面积(16 km2)。

由此可见,在闭锁区存在一个相对稳定的区域(应力集中区),使得应力由外向内一直处于积累状态。其内部核心是整个断层面上应力最高的区域,且面积肯定比闭锁区面积小很多。而在其他地区,也可能存在应力集中区,但是其核心所具有应力值要比枢纽轴部的核心小。这个核心的形成过程,就是应力局部化和集中的过程,它反映了地震成核的过程。这种成核作用是长期存在的,贯穿枢纽运动始终,不同于地球物理概念中的短期震源成核。

3 主要认识

综上所述,通过分析富蕴断裂带枢纽运动所产生的构造地貌变形和数值模拟结果,可以得到如下认识:

(1)走滑断层受区域水平应力场控制的运动与矩形截面梁的扭转相似,表现出典型的掀斜特征。枢纽轴部是断层两盘发生升降的支撑点,是枢纽型地震的发震部位,是走滑断裂的闭锁区。它在枢纽运动过程中处于最强烈挤压的状态,应力将在这里集中与释放。

图13 富蕴模型断层面应力集中过程Fig.13 Localization process in the Fuyun fault plane

(2)研究了可以影响枢纽运动的 2个因素:①断层面倾角。随着断层面倾角的减小,隆起和下陷的垂直位移量一直在增大;②闭锁区面积。随着断层面闭锁区面积的增大,隆起和下陷的垂直位移量显著减小,运动明显受阻。

(3)枢纽运动阶段,断层面上构造应力从四周向闭锁区集中。在闭锁区存在一个相对稳定的区域(应力集中区),使得应力由外向内一直处于积累状态,其内部核心具有最大的应力。应力集中区可以比闭锁区面积小,也可以比它面积大。但是核心的面积肯定比闭锁区面积小很多。这个核心的形成过程,就是应力局部化和集中的过程,也是地震的成核过程。

变形局部化和地震成核问题实质上反映了地震震源在断裂的某个位置上形成、发展和破裂的过程。这是一个极为复杂且尚未被真正认识的过程。对富蕴断裂带枢纽运动的数值模拟研究得到了与变形局部化和地震成核类似的过程,使我们有理由相信利用枢纽运动模型解释走滑断裂的变形与孕震机制是合理的,并希望在今后能够将研究更加推向深入。

致谢:感谢马冀同志在成文、修改过程中所做的大量细致的工作！

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