1 前言
活动断裂，尤其是深大断裂的存在及其几何产状的变化，影响区域应力应变场分布、断裂带滑移速率及地震活动性的变化，而数值模拟方法是研究活动断裂与应力应变场关系的重要手段。Avouacetal利用包含活动断裂的三维球壳模型反演中亚地区现今速度场，指出印度-欧亚板块的汇聚速率可以由天山、阿尔金山、喀喇昆仑山和喜马拉雅山四条断裂带的滑动变形来解释，其中一半被高原物质的北东向排出所吸收。Peltzeretal结合包含活动断裂的亚洲大陆球壳模型，利用有限单元法反演区域形变场，认为亚洲大陆的长期变形主要集中在大断裂附近，可吸收总变形的80%。Acharya通过分析San Andreas 断裂带滑移速率特征，研究断层产状变化对滑移速率的影响，发现系列地震的最大滑移量分布在断层走向发生最大变化的区域。Duanetal利用二维动力学模型，研究在多地震周期中由于断层走向变化产生的长期效应，认为断层走向的变化造成转折点处应力场完全不同于区域应力场，且在转折点的压性区由于具有较高的屈服应力，使得断层滑动减慢或终止，从而成为未来地震的成核点。Lietal利用有限单元法，研究San Andreas断裂走向弯曲对断裂带应力场及地震活动性的影响，认为断裂带应变分区及地壳变形与断裂带走向密切相关，尤其是走向的突变，造成断裂带滑移速率减小，使得断裂带周围存在大范围内的高剪应力和应变能区。郑勇等应用非连续性模型模拟断层活动对青藏高原应力应变场的影响，认为断层的存在尤其是断层的滑动作用很大程度上影响高原物质东移的速度，且使得南北向的应力转变为东西向的物质外流的动力。Wangetal利用弹黏塑性三维有限元模型，研究断裂带几何形态及走向变化对断裂带滑移速率及区域应变的影响，结果认为断裂带的滑移速率随断裂带几何分布及走向变化呈现分段特征，应变则主要集中在断裂带走向发生急剧变化的分段附近。
为了考察活动断裂的存在对区域应力场的影响，本文结合鲜水河断裂带的最新研究成果，建立断裂带的三维有限元模型。在此基础上，分析断层杨氏模量不同取值情况下，断裂带应力场的变化特征。最后以断裂带上高应力区为研究对象，确定断裂带上不同区域应力场的相对大小。
2 活动断裂地质构造概况
鲜水河断裂带西起甘孜，经炉霍、道孚、乾宁、康定至泸定的磨西以南，全长300余公里，断裂总体走向NW40°-50°，断面倾向NE，倾角较陡，以惠远寺拉分区为界，大致可分为结构特征不同的两段：北西段结构较为简单，由主干断裂鲜水河断裂和相伴的小规模断裂组成；南东段则表现为由雅拉河、色拉哈、折多塘和磨西断裂等四条斜列式主干断裂组成的复杂结构。这种断裂带结构的分段性，造成了地震活动的分段差异，同时也是断层滑移速率的空间变化的主要原因。自1725年以来，发生M≥7.0地震8次，是一条地震活动频度高、强度大的活动断裂带。
3 活动断裂与应力场分布关系
3.1 三维有限元模型的建立
综合研究区现有地震地质、地球物理和大地测量等多学科研究成果，建立鲜水河断裂的三维有限元模型，并对断裂带局部区域网格进行细化，最终整个模型包含节点211182，单元1201331，具体见图1。
图1 鲜水河断裂带的三维有限元模型
3.2 活动断裂与应力场特征的模拟分析
对于断层物性参数的确定，以往的研究大多将断层的杨氏模量取为周围介质的1/3或1/10，本文分别讨论两者比值R分别为1/2(图2.a)，1/5(图2.b)和1/10(图2.c)情况下，最大剪应力的变化特征。从图2可以看出，断裂带的存在造成最大剪应力的高值区主要分布在断层的端部、断层的交汇区及断层走向显著变化的区域，且随着R从1/2到1/10的变化，断裂带的应力水平逐渐增加。为了更加直观地展现不同部位高值区之间的相对大小，通过归一化处理，即假定最高值为1，进一步分析各区域应力水平高低，具体见图2(d)，从图上可以看出，鲜水河断裂带的应力相对高值区为老乾宁(D区)、炉霍(B区)和甘孜(A区)地区，且应力高值区不随R值变化而改变。对比鲜水河断裂各分段滑移速率的研究结果，可以看出断裂带应力场的分布特征与断裂带长期滑移速率的研究结果是一致的，即高滑移速率的分段应力水平相对较高。
图2 鲜水河断裂带的存在对区域应力场的影响
其中：图2(a)，2(b)，2(c)，2(d)分别为R=1/2，1/5和1/10情况下断裂带周围应力场的分布特征及各区域相对应力水平。
4 结论
基于鲜水河断裂带较为精细的三维有限元模型，研究断裂的存在对区域应力场的影响。研究结果表明，活动断裂的存在及其走向的变化，造成应力高值区主要集中在断层的端部，断层的交汇区及断层走向显著变化的区域；随着断层杨氏模量的减小，更有利于在断层附近产生较大的应变分布，从而易于形成高应力水平区。但断层杨氏模量的变化不会造成断裂带相对应力高值区的分布；通过对鲜水河断裂的相对高值区归一化处理，发现高值区主要集中在乾宁、炉霍和甘孜地区为高。该项工作的开展为断裂带周围的台阵布设提供力学参考依据。
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本文标题：基于ANSYS的活动断裂与应力场关系研究
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