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俯冲带断层粘滑运动机制数值模拟研究

姜辉  
【摘要】:在新生代,西太平洋岛弧和边缘海地区已成为强烈的构造活动区。至晚第三纪以来,在西太平洋岛弧带上还发生了强烈的火山作用。在西太平洋岛弧的外侧发育着地球表面上最深的地沟带,即深海沟带。西太平洋板块向西俯冲,在日本海形成俯冲带,称为日本海俯冲带。日本俯冲带构成了西太平洋边缘俯冲带的重要组成部分。该俯冲带处于环太平洋—火山地震带上,地质构造复杂,地震活动频繁,地震发生数量占全球20%。日本俯冲带位于日本岛弧东侧,北起千岛,南至菲律宾海。沿千岛群岛和日本本州岛的东侧,太平洋板块正以不同倾角向欧亚板块俯冲。在本州东部的日本海沟,震源分布显示的消减板片平均厚度大约80-100千米,倾角29,下插的最大深度接近600千米。太平洋板块的北西向运动和俯冲,对从北海道到本州的日本东北部产生SEE-NWW向挤压。地震断层面解显示,日本海的东边缘也同样是SEE-NWW向挤压变形,可能是阿穆尔板块的东向移动产生的。由于日本俯冲带处于这样的挤压环境下,导致该带发生的大部分地震都具有逆断层性质。西太平洋地区震源分布图显示,沿着堪察加半岛—千岛群岛—日本本州岛北部,分布有大量浅源逆断层型地震,而中深源地震多分布在岛弧下面的俯冲带中。这种地震震源机制也印证了太平洋板块和欧亚板块的相聚,意味着该区域处于压缩应力状态。2011年3月11日日本本州东海岸附近海域发生9.0级特大地震,是日本有历史记载以来最大的一次地震。震后数十分钟内日本东海岸又遭受最高浪达10m的海啸袭击。自1973年以来,日本海沟的俯冲带已经发生过9次7级以上的地震事件。大多数近海地震都发生在日本同一个俯冲带上。1611年、1896年和1933年的近海地震都在日本东北的太平洋沿岸引起毁灭性的海啸。日本俯冲带地震发生十分频繁,且有很多震级很大的事件,可为研究逆断层地震孕育和发生机理提供数据支持。同时,理解俯冲带上逆断层地震发生过程也对以后的地震预测研究提供理论依据,已有的研究结果也表明,日本俯冲带的地震活动对我国的地震活动有重要的影响。数值模拟方法近年来发展迅速,并已大量用于地学领域。因此,本文结合地震地质资料和地球物理观测数据,使用有限单元数值模拟方法模拟地震粘滑失稳过程,探讨俯冲带地震发生的粘滑机制和构造变形特征具有重要的理论意义和应用价值。 一、研究内容与方法 本文根据目前日本俯冲带数值模拟的研究现状和存在的问题,依托各种地质研究和地球物理探测成果,多方位全面了解研究区深部地质结构与构造。利用Ansys并行计算系统,建立日本俯冲带高分辨率有限元模型。使用高精度的GPS观测结果为边界约束,通过数值模拟方法研究俯冲带内地震发生过程,探讨地震发生机理。 (1)建立日本俯冲带动力学模型。基于并行Ansys数值模拟软件平台,结合各种地质、地球物理资料的研究成果,建立日本俯冲带二维数值模型,确定模型地质分层,及各层介质属性。西太平板块以平均83mm/a的速率向欧亚板块俯冲,且可能存在俯冲倾角的变化。俯冲断层活动不但与动力边界和岩层介质性质有关,也受到俯冲带几何形态很大的影响,因此,本文在模拟日本俯冲带上粘滑事件发生的动力学过程的基础上,重点研究了俯冲带几何形态变化对事件发生的影响。本文共建立了四个模型模拟了日本俯冲带地震粘滑失稳过程:1)俯冲带在岩石圈内部弯折模型;2)俯冲带在岩石圈底部弯折模型;3)俯冲带无弯折,倾角23°模型和4)俯冲带无弯折,倾角30°模型。四个模型研究对象都是同一剖面,因此虽然模型有变化,但相同岩层(如上地壳等)使用的介质参数相同。根据俯冲带深部结构特点,模型俯冲板片包含上下两层和深浅两部分,而两侧板块则分为四层。为了使模型与实际地质体更加接近,增加结果的真实程度,本文的模型中下地壳以下使用的是粘弹性介质单元,介质参数主要包括杨氏模量、泊松比、粘滞系数、地层厚度、密度等。在模型建立过程中,引入了有限单元法中的接触对的概念,在各个岩层与俯冲带的接触边界设置接触对,模拟上覆板块与俯冲带的摩擦过程。四个模型采用相同的网格划分方法,由于本文主要研究俯冲带上粘滑事件的发生过程,因此对俯冲带地区(接触边界)的单元进行了加密处理。一来增加了重点部位的单元密度,提高了计算结果的精度,二来只对局部加密也可以节约模型计算时间成本。四个模型施加的边界约束也相同。主要包括两方面,位移边界约束和压力边界约束。根据GPS观测速度及模型模拟的时间尺度计算施加的位移大小,压力边界则主要为深部岩石围压和大洋海水压力。计算过程中,模型还考虑了重力作用。由于采用粘弹性介质,且计算时间尺度很大(十万年),因此初始应力场也是需要考虑的因素。本文先还原初始应力场之后,再加载上述边界约束,模拟日本俯冲带上粘滑运动的动力学过程。 (2)创建日本俯冲带粘滑事件目录。根据上述建立的日本俯冲带数值模型,综合考虑块体相互作用、板块碰撞、俯冲带推挤、重力加载、粘弹性变形和深部介质等因素,模拟日本俯冲带地块构造变形和粘滑失稳规律,分析粘滑事件参数,建立日本俯冲带粘滑事件目录。粘滑事件目录的建立是在模拟结果的基础上经过复杂的后处理分析而得到(每个模型方法相似):通过模拟结果文件的解码,提取接触面上所有节点的滑移量信息及坐标。由于深部地幔地震发生机理十分复杂,是否存在粘滑机制仍有疑问,因此本文只讨论300km以上深度范围的事件。模型计算时长为十万年,共计算20000步。根据断层面滑动状态,判别各子步是否发生突然错动,从提取的节点滑移量数据中筛选出各个子步中的最大滑移量作为该时刻的目标事件,并将具有最大滑移量的节点的深度作为目标事件的发生深度。由此得到不同模型的粘滑事件目录及事件发生深度分布。根据得到的粘滑事件滑移量和深度分布,分别创建不同模型粘滑事件目录,并对每个模型分别绘制滑移量及深度随时间变化分布图,分析每个模型粘滑事件发生大小及发生深度的规律。绘制不同滑移量分档和深度分档内粘滑事件数量统计分布图,对比不同模型在各个滑移量和深度分档里粘滑事件统计数量分布,分析各个模型模拟结果的异同,及俯冲带形态变化对计算结果的影响。并结合实际观测到的历史大震记录,进行比较研究,分析模拟结果与实际观测结果之间的异同。 (3)研究逆断层地震构造变形特征和能量转移过程。通过变化边界条件及模型,进行反复模拟计算,反演研究区内板块运动及地震发生过程,研究主要结构类型、物理参量和边界条件等的变化对日本俯冲带构造变形的影响。并将模拟结果与地质调查、地球物理探测、GPS观测和地震活动研究成果进行对比,优选最合理的物理模型和边界条件,模拟日本俯冲带粘滑失稳过程,分析应变、能量在不同地块之间的分配和转移及其影响因素,以及该区域内地震发震机理。 二、主要研究结果 由于西太平板块在向日本海俯冲过程中可能存在角度变化,因此本文在构建模型时考虑了俯冲带不同几何形态情况建立了四个不同的模型,以便在分析俯冲带上地震粘滑失稳过程的同时,也兼顾考虑太平洋板块俯冲过程中几何形态的差异对模拟结果的影响。由于深部地幔地震发生机制比较复杂,是否存在粘滑现象仍存疑虑,因此本文中只讨论300km以上区域。根据上述模型十万年时间尺度的模拟分析,得到以下初步认识: (1)分析粘滑事件发生时应力变化曲线,可见粘滑事件发生前后及发生滑动的过程中,应力经历了积累、释放到再积累的过程。说明事件的发生经历了断层闭锁、解锁到闭锁的一个粘滑失稳的过程,说明可以通过断层摩擦运动数值模拟地震发生的过程。 (2)模拟俯冲带粘滑事件的断层滑移量与地震断层错动量相当,随着滑移量的增加,粘滑事件数量越来越少。5-10m滑移量事件较多;滑移量超过20m的事件数量大大减少。绝大多数事件滑移量都在30m以下。 (3)四种模型模拟得到的结果显示,粘滑事件大多发生在100km以内的深度区域。岩石力学性质变化和断层几何形态变化的深度是粘滑事件多发的区域,主要表现为存在两个明显的条带状事件密集区。分别为20-30km范围和100km附近深度。其中深度为20-30km范围内地震数量最多,且事件量级也较大;100km附近深度虽然也有大量事件发生,但总体数量较前者少,且以相对小事件为主,较大量级事件比较少。通过与收集到的研究区内历史地震进行对比,发现此结论与实际地震深度分布较一致。 (4)俯冲带角度变化及发生变化的深度不同对模型模拟结果有影响。俯冲带在岩石圈底部弯折模型,得到的粘滑事件数量最多。俯冲带无弯折,倾角30°模型模拟得到的粘滑事件数量最少。但值得注意的是,前者多为滑移量5m以下的相对小事件。而后者滑移量较大事件的数量是最多的。 (5)俯冲带角度大小及深度变化对事件发生深度也有一定的影响。俯冲带在岩石圈内部弯折模型和俯冲带无弯折,倾角30°模型粘滑事件发生深度分布比较相似,且20-30km区域事件数量最多,与历史地震数据较一致。俯冲带在岩石圈底部弯折模型在200km附近有大量事件,但都是较小事件。俯冲带无弯折,倾角23°模型在100km处事件数量要高于20-30km范围,但也都是以较小事件为主体。 (6)粘滑事件的大小、时间间隔、发生深度是随机性和有序性的统一,宏观上有序(准周期性、特征震级和多震层密集),微观上随机(时间、深度、滑动量等都不能完全相同)。 三、创新点和存在问题 本研究的创新点主要表现在如下几方面: (1)使用断层接触模型和粘弹性介质载体模拟了俯冲带粘滑运动的动力学过程; (2)创建了日本俯冲带粘滑事件目录,分析了粘滑事件时空分布规律; (3)研究了俯冲带几何形态差异对俯冲带断层粘滑活动的影响。 由于此类研究可参照的事例很少,同时受软、硬条件限制,加上时间仓促,文中仍然存在不少问题。例如,分析模型进行了较大简化,对比分析模型较少,时间步长不够短,初始应力场无法精确评估,地幔深部状态和活动状态不清楚等,这些有待于将来进一步深入研究。


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