基于发震断裂位移的汶川地震区地应力场突变特征反演分析*

李天斌 徐 正② 王瑞兴



基于发震断裂位移的汶川地震区地应力场突变特征反演分析*

李天斌①徐 正①②王瑞兴①

本文采用数值反演分析方法，综合考虑发震断裂位移、地应力实测和区域GPS位移3种基本特征参数，获得了龙门山地区汶川地震前后地应力的突变特征与变化规律。研究表明，汶川地震前龙门山地区构造应力的平均量值为12.6～12.8MPa，最大主应力的方向为NW—NEE向。汶川地震导致龙门山地区的地应力发生复杂变化，具有突变效应、上下盘效应和距离效应。震后发震断层上盘的构造应力平均值为11.30MPa，下盘构造应力的平均值为6.50MPa，最大主应力的方向变化为NWW到NEE向。地震后以发震断裂为界的地应力有明显的突变特征，表现为应力不同程度的释放或局部增高，尤其是下盘地应力释放明显，而上盘既有地应力的释放区也有局部地应力增高区，随着距发震断裂距离的增大，地应力的突变效应逐渐减弱。

龙门山地区 汶川地震 数值模拟 地应力突变

0 引 言

地应力场作为区域稳定性和岩体稳定性评价以及地下工程设计与施工的一项重要指标，直接影响工程稳定性和安全性(徐正等， 2014)。一些学者通过数值模拟发现汶川地震后龙门山区域最大主应力和剪应力的大小和方向均发生了改变，但在不同地区这种变化表现有所差异(苏生瑞等， 2012)。 “5·12” 汶川强震后，地处龙门山中央断裂带上盘区的福堂高速公路隧道开挖时岩爆等高地应力现象屡次发生(严骏， 2012)； 地震后位于发震断裂下盘区的龙溪高速公路隧道的主应力方向和大小均有较明显变化(杨词光， 2012)。通常来说，震区地应力在强震后应得到释放，汶川地震后地应力实测数据显示，龙门山断裂带上不同部位地应力大多出现不同程度的降低，但一些区域的地应力反而出现不同程度的集中和升高，地应力仍处于较高水平。因此，有必要研究震区地应力场在地震前后的突变特征及演化规律，为地震危险性分析、重大工程建设提供科学依据。

强震区地应力突变一直是众多学者关注的热点。李方全等(1979)采用应力解除法测得邢台7.2级地震后震区地应力场主应力方向由NWW向偏转为近EW向。曹新玲等(1984)研究分析了1973～1980年唐山地震前后该地区应力值变化特征，认为震前水平应力明显降低，各主应力呈现应力松弛状态。孟文等(2013)发现龙门山断裂带最大主应力方向在强震后由南段NW—NWW向转为北段NE—NEE向，同时，基于震区有限地应力实测点数据进行区域地应力反演，获得了该区域地应力场的空间演化规律。邓起东等(1994)通过数值分析进行了龙门山地区及相邻区域的地质构造、地震活动特征以及地震动力学等方面的研究。孟文(2013)通过有限元分析了龙门山构造应力场与活动断裂之间的关系。一些学者对汶川地震同震效应进行数值模拟(陈连旺等， 2008； 申重阳等， 2008)，并发现发震断层具有右旋走滑兼逆冲特征。

已有大量学者对地震前后地应力场变化进行了研究，认识到地震时发生的地应力突变现象。但在龙门山区域地震前后地应力场研究方面，已有研究没有考虑地震时断层的逆冲走滑运动(位移)。本文根据龙门山地区地质构造环境和动力背景，分析龙门山地震区地震前后GPS位移变化特征、主断裂带上地震位移变化情况以及龙门山断裂带地区实测地应力在地震前后的变化和分布特征。采用数值模拟方法反演汶川地震时断裂发生的逆冲走滑这一动态过程，与实测点地应力释放和突变特征作对比分析，进而得到地震前后龙门山区域地应力的突变特征和变化规律，为震区区域稳定性评价和重大工程设计与施工提供地应力场基础资料。

图1 两板块逆冲走滑建模背景

1 区域地质与发震断裂位移

龙门山断裂带在区域地质构造上地处扬子板块和巴颜喀拉地块分界处 (图1)。位于两板块交界线上的龙门山构造带在受到NWW向构造应力场持续挤压下，具有较明显逆冲性质并兼具右旋走滑特征(梅海， 2010)。构造动力学环境分析表明，扬子板块高速运动且坚硬(朱介涛， 2008)； 相对扬子板块来说巴颜喀拉地块则松软易于变形，其中上地壳在印支运动时期沿滑脱层向地表逆冲，并由北向南往扬子板块逆冲推覆，致使巴颜喀拉地块全面褶皱隆升(陈国光等， 2007； 蔡学林等， 2010)。

5·12汶川大地震发生在走向为NE30°～50°的龙门山中央断裂带上，发震断裂表现为逆冲错动和右旋走滑。GPS 观察结果显示，晚新生代以来该断裂带其逆冲速率在1mm·a-1以下、缩短速率低于3mm·a-1(李海兵等， 2008)。 5·12 汶川大地震造成多条地表破裂带，导致以龙门山中央断裂和前山断裂为主的逆断层同时发生破裂，该两条断裂走向近于平行，总体宽15km左右，长275km左右。龙门山中央断裂也称北川—映秀断裂，该断裂带地表破裂长达220km左右，最大同震水平位错和垂直位错分别为6.8m和6.2m(北川县擂鼓镇)，地表水平和垂向平均断距分别为3.1m和3.0m，右旋走滑位移与逆冲位移平均比值为1︰1。龙门山前山断裂也称安县—灌县断裂，与中央断裂相距12km左右，地表次级破裂带沿该断裂南段发育，其长80km左右，走向NE40°～50°，倾角30°～50°，地震中最大垂直位错2m左右，垂直与水平位错量之比为1︰1～3︰1，错动以逆冲为主。两条破裂断裂带在地表形成了逆断层陡坎、后冲逆断层陡坎、挤压推覆陡坎、鳄鱼嘴状陡坎以及褶皱陡坎等基本破裂单元(殷跃平等， 2009)。

2 地应力场反演模型

龙门山区域地应力场反演模型依据实际地质背景建立。其初始及边界条件依据龙门山地震区GPS位移变化特征来确定； 采用界面单元模拟地震发生时断层错动的动态过程； 根据实测地应力资料来验证反演模型合理性。

2.1 反演模型

图2 地应力反演地质模型图

根据龙门山区域实际环境和地质结构背景，模拟范围为经度103°～106°，纬度30.3°～32.7°，其东西和南北向长分别为580km和520km。建模中设定模型厚度为5km，设定断裂带宽度为10km，根据实际地质情况确定断层线走向，并设定断层倾角为75°。地应力反演计算模型(图2)。模型中断裂带(F1～F9)依次为：岷江断裂、虎口断裂、雪山断裂、茂汶—汶川断裂、青川—平武断裂、北川—映秀断裂、安县—灌县断裂、龙泉山断裂、鲜水河断裂，其中茂汶—汶川断裂、青川—平武断裂同属龙门山后山断裂。地质模型分区界线为上述断层，将龙门山区域分为6大区 (图2)，其中A区为平武—青川断裂F5)以北，岷江断裂(F1)以东之间区域； B区为岷江断裂(F1)以西，鲜水河断裂(F9)和汶川—茂汶断裂(F4)以北之间区域； C区为安县—灌县断裂(F7)和龙门山后山断裂(F4、F5)之间区域； D区为鲜水河断裂(F9)以南区域； E区为龙泉山断裂(F8)以西，安县—灌县断裂(F7)以南区域； F区为龙泉山断裂(F8)以东，安县—灌县断裂(F7)以南区域。

反演模型设定为平面应力状态，设定各分区内岩石为均匀各向同性材料，采用摩尔—库仑模型作为岩体的力学模型，主断裂带用Interface接触面单元模拟。

2.2 材料参数

2.2.1 地震前模型的材料参数

地应力场反演模型中A-F共6个区的岩体力学参数依据各区实际地层岩性情况采用类比法和参照前人研究成果确定 (表1)。断层带材料参数的确定主要考虑以下两方面的原则 (表2)：地震中未出现地表破裂的断层带，主要根据其活动性差异来确定断层带材料参数； 在地震中出现地表破裂的断层带，其材料参数按照汶川地震主震位移的差异性来选取。

2.2.2 地震后模型的材料参数

由于大地震时研究区巨大能量的瞬间释放会诱发地面隆起下陷、地表裂缝、岩土体松动、砂土液化等，地层岩体力学性质会发生一定的变化，因此需要对地震后数值模拟的岩体参数和断层带材料参数进行适当调整。震后各区域岩体及各断层带材料参数参见表1和表2。

表1 震前和震后计算模型各分区岩体材料参数

Table1 Material parameters of rocks before and after the earthquake

分区容重/kN·m-3泊松比弹性模量/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 震前和震后计算模型断层带材料参数

Table2 Material parameters of fault zones before and after the earthquake

断层带容重/kN·m-3泊松比弹性模量/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 边界条件及荷载施加

龙门山中央断裂带西北盘(巴颜喀拉地块)为上盘，东南盘(扬子板块)为下盘。大量研究结果表明：汶川8.0级地震断裂带上盘破裂破坏程度较下盘严重，表现出明显的上盘效应。在本次龙门山区域地应力释放与突变特征反演计算中，根据龙门山构造带地壳运动的GPS监测资料和研究区现代构造应力场基本特征等(牛之俊， 2006； 张培震等， 2008)分析和总结，确定模型西侧为应力边界，西侧边界上汶川以南向东偏南45°施加构造应力，汶川以北施加垂直向东的构造应力； 东、南、北侧边界进行位移约束 (图3)。

图3 GPS观测中国大陆现今地壳运动速度场(牛之俊， 2006)

在计算过程中，结合龙门山区域地质环境条件，经过多次试算和与断裂位移以及地应力实测结果的对比，最终确定边界应力大小。模型西侧边界上汶川以南向东偏南45°施加10.5MPa构造应力，汶川以北施加向东12.5MPa构造应力。映秀—北川断裂在地震发生时加入界面单元模拟。为模拟映秀—北川断裂上、下断盘在地震发生时的逆冲走滑过程，根据地震时该断裂地表平均垂向和水平断距，计算中将模型中扬子板块和巴颜喀拉地块沿北川—映秀断裂带水平平均位移3.1m、垂直平均位移3.0m。

图4 龙门山断裂带地震前位移矢量图

图5 龙门山断裂带地震后位移矢量图

3 地应力反演结果分析

3.1 发震断裂上下盘地应力变化特征

3.1.1 震前震后区域位移特征对比分析

通过对比分析地震前后研究区位移矢量图 (图4， 图5)可知，区域位移矢量在地震前总体上为SE到NEE向； 龙门山断裂带及扬子板块西部地壳位移矢量方向总体上为NEE向，局部呈NEE向； 龙门山断裂带以西川青地块位移矢量方向总体上呈NEE向SEE方向运动； 青海南部及川西地区呈ES方向运动。整个研究区域在地震后位移矢量转变为SEE到NEE向，而且，四川盆地内的位移明显减少，表现出沿龙门山断裂带由南至北右旋走滑运动愈发明显的特征。这一位移变化特征也反映出由南向北区域最大主应力方向变化趋势是由SEE向NEE转变。

3.1.2 地震前后区域主应力特征对比分析

已有研究表明，汶川地震破裂断层表现出明显的断层上盘效应(何仲太等， 2012)，即断层两盘的破裂效应具有明显差异性，上盘地表破裂程度大于下盘。本次地震前后研究区地应力的变化也表现出明显的上下盘效应，主要规律是发震断裂带上、下盘应力值在地震前呈连续变化，而地震后应力值沿中央断裂带分界线发生“应力跳跃”现象。地震前断层上盘最大水平主应力(构造应力，下同)的平均值为12.60MPa，下盘平均值为12.80MPa； 地震后断层上盘最大水平主应力平均值为11.30MPa，下盘平均值为6.50MPa(图6，图7)。通过地震前后应力状态的对比分析得出，最大主应力值在发震断裂上盘降幅较小，局部还出现增大现象 (图7)，表明汶川地震主震后发震断裂上盘应力水平仍较高，其能量释放不彻底； 最大主应力值在发震断裂下盘降幅较大，主震后总体处于中等应力水平。同时，由图7 还可以看出，发震断裂上盘南段和北段的应力高于中段。

图6 龙门山断裂带地震前最大主应力(Pa)

图7 龙门山断裂带地震后最大主应力(Pa)

3.2 断层上下盘同一测点地应力突变特征

对比发震断裂上盘福堂隧道地应力实测和反演数据 (表3、表4)可知，福堂隧道附近测点最大主应力的方向由地震前的北北西变为地震后的北东，而且最大主应力的量值较震前上升，表明震后发震断裂上盘局部地区确实存在地应力增大现象。

表3 上盘区福堂隧道附近实测地应力

Table3 Measured geostress of near Futang tunnel in the hanging wall

时间测点位置最大主应力值/MPa方向2001年福堂坝电站某平洞18.4N10°W2011年福堂高速路隧道K19+94020.8N34°E

表4 上盘区福堂隧道附近反演地应力

Table4 Inversed geostress of near Futang tunnel in the hanging wall

时间测点位置最大主应力值/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 下盘区龙溪隧道实测地应力

Table5 Measured geostress of Longxi tunnel in the footwall

时间测点位置最大主应力值/MPa方向震前龙溪隧道左洞LK23+81026.4N36.8°E震后龙溪隧道左洞LK23+81014.2N25.6°E

都汶高速龙溪隧道位于发震断裂下盘映秀镇附近。龙溪隧道LK23+810桩号地震前后地应力测试结果(表5)。由此可见，实测资料也证实发震断裂下盘的地应力在地震时突变明显，应力释放较充分。

3.3 地应力突变的距离效应

计算中为分析龙门山发震断裂带上下盘地应力特征与变化规律，在其上下盘的南、中和北段布置3条观测断面，共计45个观测点 (图8)。经观测与对比后发现，地震前地应力值随距发震断层距离的增大稍有增大趋势，尽管3条监测断面变化情况稍有差别，但总体上地应力在断层上下盘较平稳过渡 (图8)。这表明研究区域地块在地震前具有较好整体性，发震断裂上下盘地应力变化较小。断裂发震时上下盘两板块发生逆冲及走滑运动，之前区域平衡状态被打破，累积的巨大能量在断裂带附近得到大量释放。因此，地震导致发震断裂上下盘地应力发生较复杂变化。

图8 龙门山发震断裂带上下盘地应力监测点示意图

由图9 可以看出，汶川地震后上盘北段最大主应力平均值为13.5MPa，中段为12.5MPa，南段为10.5MPa； 下盘北段、中段、南段最大主应力平均值分别为6.8MPa、6.5MPa和5.9MPa。地震后上盘应力变化较为复杂，其中北段和中段最大主应力值增大，但北段比中段增大幅度明显； 南段在距断层30km范围内应力值增大，超过30km后应力值减小。总体而言，随着距发震断裂距离的增大上盘地应力的突变效应逐渐减弱。地震后发震断裂下盘大部分区域应力值明显下降，但距断裂带60～70km后最大主应力值又有回升的趋势。上述特征表明，地应力量值水平受发震断层的影响可能在一定范围之内，超过该影响范围将逐步趋于稳定。

图9 地震前后发震断裂上下盘最大主应力离断层距离的变化

4 结 论

(1)本文在地震前后区域地应力反演分析中，综合考虑了发震断裂位移、地应力实测和区域GPS位移3种基本特征参数，使地应力的反演分析结果更加可靠，为地震前后区域地应力场研究提供了新的途径。

(2)汶川地震前龙门山中央断裂带上下盘应力值总体过度较平稳，呈现出连续变化的特征。区域构造应力的平均量值上盘为12.60MPa，下盘为12.80MPa； 最大主应力的方向为NW到NEE向。

(3)汶川地震中断层的走滑逆冲运动使龙门山地区的地应力发生复杂变化，具有突变效应、上下盘效应和距离效应。总体而言，地震后以发震断裂为界地应力有突变特征，表现为应力不同程度的释放或局部增高，下盘地应力得到明显释放，而上盘既有地应力的释放区也出现局部地应力增高区(主要分布在发震断裂的北部和南段)； 地应力的突变效应随着距发震断裂距离的增大而逐渐减弱。

(4)汶川地震后发震断层上盘区域构造应力的平均值为11.30MPa，下盘区域构造应力的平均值为6.50MPa，最大主应力的方向变化为NWW到NEE向，龙门山断层带的右旋走滑活动特征更加明显。

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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.

国家自然科学基金(41172279， 41230635)资助.

李天斌(1964-)，男，博士，教授，博士生导师，主要从事地质工程、岩土工程和隧道工程方面的教学与研究工作. Email: ltb@cdut.edu.cn

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