龙门山断裂带深部构造变形的粘弹性模拟与分析

论文摘要

2008年5月12日四川龙门山断裂带上发生Ms8.0汶川大地震,造成了巨大的人员伤亡和经济损失。而由于龙门山断裂带地区具有复杂的地质结构以及该地区的地表滑动速率较小,被认为是地震的“平静区”,此次汶川地震的突发性及其强度出乎地学家们意料,带来了很大的疑问：在如此小的地表滑动速率的条件下,何以造成如此巨大的地震的能量又是如何积累的?由此,使得我们对建立和研究龙门山力学理论模型有了新的思考。龙门山断裂带地表的低滑动速率并不意味着地震活动性就是较弱的,考虑到地质结构的复杂性,其深浅构造变形可能存在明显的差异。或许该地区深处的滑动速率才是造成此次地震的主要因素,值得我们进行深入的研究。因此,本文根据龙门山断裂带地区的构造特征,在前人研究的基础上,建立二维的地质模型,采用粘弹性接触分析方法,对龙门山断裂带应力分布和深层构造变形进行研究,进行了以下工作：(1)采用有限元分析程序ANSYS对研究对象进行建模。在有限元建模中,考虑到龙门山断裂带地质结构的特殊性及复杂性,模型将涉及尽量大的区域,包括长度和深度。(2)模型所涉及到的上地壳定义为弹性体区域,下地壳和上地幔则定义为粘弹性体区域,而且模型的断层处、上地壳与下地壳之间以及下地壳与上地幔之间施加接触约束。(3)通过有限元程序对青藏高原物质东流过程中龙门山断裂带及其周边地区的应力分布进行模拟分析。(4)依据模型的数值模拟,考察龙门山断裂带断层位移滑动情况。在此基础上,对模型深浅滑动速率进行分析并探讨浅表变形速率较小情况下发生汶川大地震的可能潜在因素。通过对龙门山断裂带地区有限元研究,得到的理论数据结果具有理论和应用分析意义。结合龙门山深部构造特征、断层的活动性及青藏高原物质运移的作用机理,对汶川地震成因及其动力学机制进行了探讨。

论文目录

• 目录
• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 研究目的及意义
• 1.2 研究现状
• 1.3 研究动机和研究内容
• 1.3.1 研究动机
• 1.3.2 研究方法
• 第二章 汶川地震的区域地质背景及动力学机制
• 2.1 汶川地震的区域地质背景
• 2.1.1 龙门山西缘青藏高原
• 2.1.2 龙门山前陆盆地
• 2.1.3 问题山脉——龙门山
• 2.2 汶川地震的动力学机制
• 2.2.1 发震断层的几何学和运动学
• 2.2.2 汶川地震的力学来源
• 2.2.3 汶川地震力学机制模型
• 2.3 本章小结
• 第三章 有限元程序的理论分析
• 3.1 有限元分析方法的基础
• 3.2 有限元程序及其在地震研究中的应用
• 3.2.1 ANSYS简介
• 3.3.2 有限元方法在地震研究中的应用
• 3.3 ANSYS计算模型的建立
• 3.3.1 整体几何模型的建立
• 3.3.2 材料常数的设置
• 3.3.3 单元网格的划分
• 3.4 本章小结
• 第四章 接触问题与粘弹性在ANSYS中的实现
• 4.1 接触问题概论
• 4.1.1 接触问题的分类
• 4.1.2 ANSYS接触单元及其接触能力
• 4.2 接触单元的设置
• 4.2.1 建立模型及接触对的识别
• 4.2.2 定义刚性目标面和柔性接触面
• 4.2.3 实常数的设置和接触算法的选择
• 4.2.4 摩擦系数的设定
• 4.3 粘弹性力学
• 4.3.1 粘弹性的模型表述
• 4.3.2 粘弹性的基本模型
• 4.4 粘弹性在ANSYS中的实现
• 第五章 模拟结果与分析
• 5.1 龙门山断裂带的应力分析
• 5.1.1 模型参数的设置
• 5.1.2 等效应力和剪切力的集中过程
• 5.2 模型不同分层的滑动位移和滑动速率
• 第六章 结语
• 6.1 主要的结论
• 6.2 本文的展望
• 6.3 本文的不足
• 参考文献
• 攻读学位期间发表论文
• 致谢