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地震前热异常机理的多物理场耦合数值模拟研究

丁留伟  
【摘要】:强震前震中区较大范围内出现热异常是一种普遍现象,已受到地学界高度关注。最近的研究表明:①震前的热异常可以表现为红外增温,也可以是潜热通量和感热通量变化;②异常区与震中位置配合较好,基本是顺断裂带走向的;③临震前,异常区从外围向震中区域收缩。 对于强震前热异常形成机理,国内外许多学者进行过研究探讨,提出了许多猜想和假设,主要观点有:地球放气温室效应,电场激发增温效应,应力致热说,地下深部热物质上涌等。热异常机理是复杂的,由于缺少足够的观测事实作为依据,岩石变形产生的热异常数值很小,且岩石热传导过慢等,使这些假说在解决实际问题时,尚有诸多矛盾和困难之处。 地震的孕育和发生是在多物理场相互作用下进行的,震前热异常主要沿活动断裂带分布,在震前由于活动流体的参与造成水位的变化或气体的释放,特别是当高温流体进入地表时,是很有可能形成热异常的一种形式。震前地下热能是否可以传递到地表,如何传递到地表?传导和流体对流哪个占主导?诸多因素,如地壳结构、构造应力、活动断裂带分布和介质性质等,它们是怎样影响地下热能的上传?这些问题的分析和解决,都离不开对地下岩体的应力场、渗流场和热场相互作用的研究。地下岩体中岩石变形与热效应会导致流体孔隙压力和渗透特性的改变,流—固传热和岩石变形生热能引起温度的变化,热应力与流体孔隙压力变化会影响岩石变形。 2008年汶川Ms8.0地震是近10年来中国大陆发生的最大地震,造成了巨大的人员伤亡和建筑物破坏,震后调查和分析研究结果表明,该地震前数天内有显著的热异常,特别是潜热通量异常。热异常的特点具有:1)显著性,比周边地区高出1倍以上;2)孤立型性,仅出现在在震中及附近地区;3)持续性,3天以上;4)与构造相关性,沿发震构造—龙门山断裂带分布。汶川地震是青藏地块与华南地块相互作用的产物,是典型的逆冲型地震,对汶川地震热异常机理的研究具有重要的理论和现实意义。 本研究在综合龙门山地区地质构造、地球物理资料基础上,建立热场、流体场和应力场(Hydraulic-Thermal-Mechanical, HTM)耦合的动力学模型,利用COMSOL多物理场耦合数值模拟软件,在高性能计算上模拟在青藏高原东缘向SE方向推覆挤压作用下,地壳岩体压缩变形,并会在断裂带内产生微破裂,地下流体流速、热通量和温度可能会出现异常变化,试图揭示逆冲型地震前热异常的产生过程和分布规律。地震孕震过程中应力场、渗流场和热场耦合作用数值模拟研究尚未见报道,包含许多需要探索的内容,本文主要展开了以下几个方面的工作: (1)建立孕震过程的热-流-固三场耦合的动力学模型 根据龙门山地区地质与地球物理资料,总结不同学者有关龙门山断裂带的发震模式,以横跨龙门山断裂带长120km的地质构造剖面为基准,建立了龙门山地区中、上地壳尺度范围内的二维多孔介质几何模型,模型主要包括川西高原、四川盆地中上地壳和龙门山断裂带。 (2)研究龙门山断裂带三场耦合关系和相互作用的边界条件 根据龙门山地区地貌、GPS和探槽资料数据,进行推挤速度分析,西北侧分别以V,、V2速度推挤川西高原的上、中地壳,分析了V1=V2和V1V2等不同的情况,最终确定了V1=6mm, V2=10mm/a时与实际情况吻合较好。 根据龙门山断裂带大地震复发周期,确定了一次地震孕育过程中龙门山地区所经历的挤压时间。根据现有的HTM三场耦合控制方程组,在地壳尺度内,忽略温度和压力对流体和固体密度的影响,使方程组简化。 (3)模拟研究构造应力作用下龙门山断裂带的构造变形 川西高原向南东方向推挤时,受坚硬块体四川盆地的阻挡,模拟在挤压速度(上、中地壳分别为V1,V2)不同时,地壳变形情况,对比垂直方向变形和水平方向变形,对比三条断裂带水平速率,与已有推覆构造带观测资料相对比。 (4)模拟在构造应力作用下深部流体在断裂带和块体内的运动状态 在微破裂产生前,取时间步长10a,总时间3000a(地震复发周期);在微破裂后,加密时间采样点,取时间步长5d。模拟断裂带渗透率变化(3×1016m2,3×10-15m2,3×10-14n2,3×10-12m2)对地下渗流运动的影响,对比分析不同情况下,断裂带内外流速大小、流线(汇水范围)和方向的变化情况;模拟岩石忽然错动(挤压速率增加10倍、100倍)对流体渗流的影响,分析不同构造应力条件下,流体流向、压力头与地壳变形(水平方向、垂直方向)的关系,对比3条断裂带内流量变化情况;模拟推移时间、岩体骨架的杨氏模量、泊松比、Biot系数等改变时对流体渗流的影响,分析不同情形下流体流向情况,探讨渗流活动与断层结构的关系,并把模拟所得结果与实际渗流观测和实验资料进行对比。 (5)模拟构造应力条件下热异常产生的应力场-渗流场-热场耦合作用过程 模拟微破裂产生前后热场(热通量、温度)的动态变化,研究对比断裂带内外流体渗流、热通量和温度的差异,分析热异常何时产生(与微破裂产生的关系),持续时间(数天、数月或数年),热异常量是多少,突出微破裂时异常的变化和变化量。 模拟断裂带渗透率变化、岩石突然错动等对地表或浅层热通量、温度的影响。研究在不同渗透率、挤压速度、推挤时间下,热传导和热对流对热场的贡献量,并与实际地热观测资料进行对比。 分析地震热异常产生的主要影响因素,构建挤压构造动力学环境下热场动态模型,形象地展示了地震热异常的一种可能机理、时空分布及演化规律。 通过对龙门山断裂带应力场-渗流场-热场耦合作用的数值模拟研究,得到如下主要认识: (1)地震异常背景场中(微破裂前),由于断裂带和周围块体地质结构的差异,致使其在形变量、流体流速、热通量和温度的分布情况都不同于周围块体。断层上盘的速度大于下盘的速度,形成叠瓦状推覆构造;断裂带是突变带,带内渗流速度、热通量远高于周围块体;流体以向上渗流运移为主,并与地壳垂直应变等值线垂直,从下往上流速逐渐增大,断裂带内流速大于块体内的流速。 (2)随着断裂带微破裂的发生,孔隙率增大,带内会有局部联通,流体运移加快。随着断裂带渗透率的增大:①对流体影响区域扩大,带内渗流速度增加明显,但增速越来越小。②对流热通量大小在断裂带内增加迅速,且在断裂带靠近上盘的位置达到最大值;③断裂带内流体渗流、热通量变化不仅与整体的挤压速率、断裂带渗透率有关,而且受断层几何条件的影响。异常在时间上依次向四川盆地方向扩展,盆地内的流体、热异常存在滞后效应。 (3)随着挤压作用的进行,岩石会不断变形,地壳内流体渗流速度、热通量随挤压速度的增大而线性增大,说明挤压速度的变化是影响断裂带内渗流速度的重要因素。 (4)断层带内产生微破裂时,渗透率突然增大,此时断层带内流速、热通量突然增加,在很短时间内达到很高的数值,在以后的数月内会保持高值。在地表处,非断裂区在不同时间的温度变化不大,而在断裂带上,微破裂产生前后,断裂带内外的温度则发生了明显的变化,数月内温度异常可达几度;虽然各断裂的物性参数相同,但各断裂的异常幅度差异很大,顺着挤压方向,流体流速、热通量异常幅度依次递增。


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