大姚-姚安地区强震孕震机理——NW向褶皱节理的构造强化与活动

常祖峰; 张艳凤; 李鉴林

大姚-姚安地区强震孕震机理——NW向褶皱节理的构造强化与活动

云南省地震局, 昆明 650041

基金项目:

国家自然科学基金项目 41472204

014年度地震科技星火计划项目 XH14047

中国地质调查局地质调查项目“南北构造带活动构造体系综合调查与研究” 12120114002101

详细信息

作者简介:
常祖峰(1966-), 男, 正研级高级工程师, 主要从事地震地质和活动构造研究。E-mail:zufch@163.com

中图分类号: P546;P315.2
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出版历程
- 收稿日期: 2016-05-10
- 刊出日期: 2017-02-01

THE SEISMOGENIC MECHANISM OF STRONG EARTHQUAKES IN DAYAO-YAOAN AREA:STRUCTURE STRENGTHENING AND ACTIVITY OF THE NW STRIKE FOLD JOINTS

Earthquake Administration of Yunnan Province, Kunming 650041, China

摘要

摘要: 以21世纪初滇中大姚-姚安-带接连发生的4次M_s 6.0~6.5级强震为例，通过分析该地区构造类型及其演化历史，结合川滇块体的现今运动特征和构造应力场，提出滇中构造区运动模型和特殊的孕震模式，探讨褶皱节理与地震活动的关系。研究表明，这些地震序列均有规律地沿北西方向展布，具有高度-致的沿北西向节理面右旋走滑的力学破裂机制。该地区断裂不发育，而是以北西向中生代褶皱构造为主。野外调查发现，该地区广泛发育与褶皱伴生的北西向纵向节理及北东向横向节理，前者较后者更为发育。这些节理密集成带，呈不等间距排列，带宽30~50 m，带内节理密度20~30条/m。节理面上发育有方解石脉和辉长岩脉，同时发育挤压片理化带、新鲜的水平擦痕和松软的断层泥，说明这些节理不仅与深部地壳有关联，而且近期有着新活动迹象。分析认为，在滇中块体南南东运动的背景下，这些地震是在现今北北西向挤压应力场作用下，北西向纵向节理发生构造强化、贯通、破裂的过程中产生的。“活节理”与活动断裂、活动褶皱等构造-样，是地球上广泛存在的活动构造之-。在特殊的构造环境和特定的构造应力场作用下，节理构造会演变为-种构造强化带或活化带，进而成为-种特殊的孕震构造。
- 地震 /
- 褶皱伴生节理 /
- 节理密集带 /
- 构造强化带
Abstract: At the start of this new century, four strong earthquakes of magnitude from 6.0 to 6.5 have successively occurred in Dayao-Yaoan region of central Yunan, we analyzed the structure and its evolution, combined with the modern motion characteristics and tectonic stress field of the Sichuan-Yunnan Block, to confirm the motion model and special seismogenic model of central Yunnan tectonic area and discuss the relationship between joints generated by folds and seismic. The research revealed that all these event sequences arranged in NW direction regularly, with highly consistent mechanical rupture mechanism of dextral strike slip along the NW strike joint plane revealed by focal mechanism solution. This area had no faults, but dominated by many NW strike Mesozoic fold structures. Abundant field investigations attested that plenty of longitudinal joints and transverse joints associated with folds have been developed intensively in this area, the former were more development than the latter. These joints become concentrated belts which array in unequal space, with a width of 30m to 50m and 20m to 30m per miter. On the joint plane, there are calcites and gabbro dykes developed as well as squeezed schistosition belt, fresh striations and soft fault gouge, all these phenomenas suggest that these joints are not only related to deep crust, but also active recently. It is inferred that:under the SSE movement of central Yunan block, these earthquakes produced, with the NW strike longitudinal joints structure strengthening, liking-up and rupturing under the present NNW orientation pressed stress fields. The active joints, just like active faults and active folds, are one of the most widespread active structures on Earth. Joint structures may become structure strengthening or activity belts and then become particular seismogenic structures under particular tectonic circumstance and special tectonic stress field.
- earthquake /
- joint generated by fold /
- conferted joint belt /
- structure strengthening belt

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0.   引言

近断层大地震(如: 1994年美国North Ridge地震、1995年日本Kobe地震、1999年中国台湾集集地震、1999年土耳其Kocaeli地震、2003年伊朗Bam地震)独特的运动特征及其对工程结构的严重影响引起了地震工程界的密切关注^[1~6]。Somerville等的研究表明，由于近断层地震动经常包含强烈的动态长周期脉冲和永久地面位移，其运动特征与远场地震动明显不同^[1~2]。

汶川“5.12”震后调查表明:地震断裂带附近大量建筑物发生了破坏^[7~13]，断层上下盘的建筑物在地震时的破坏程度不同，而且即使位于断层同一侧，由于与断层位置关系的差异，地表建筑物的破坏情况也不尽相同。因此，研究断层在地震作用下对地表建筑物的灾害效应，揭示地表破裂的致灾机理对抗震设计和灾害预防具有重要的理论意义和实用价值。

1.   地震引发的建筑物差异性破坏

汶川“5.12”地震在汶川县水磨镇西侧斜坡上形成了产状为331°∠54°的地表破裂(断层)，同时使位于断层上盘的硅业公司主楼(距离断层约25 m)发生了差异性破坏现象，近断层一侧和远离断层一侧的破坏程度明显不同。

水磨镇硅业公司主楼走向北东—南西向，长35 m，宽12 m，高12 m，楼梯位于中部东南侧，厂房平面图见图 1，其受地震的破坏表现为西北侧的梁、柱破坏较轻，仅一个柱(图 1中18号柱)发生向东南方向错动，最大错动距离约3 cm (见图 2); 而东南侧的梁、柱破坏严重，其中4个钢筋混凝土柱(图 1中9、10、13和14号柱)受到垂向挤压破坏并发生水平剪切，钢筋弯曲(见图 3、图 4)。

图 1 厂房平面图

(图中数字为柱的编号)

Figure 1. Plane of the factory building

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图 2 位于角部的柱体错动

Figure 2. Dislocation of the pile

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图 3 靠近断层一侧钢筋混凝土柱破坏

Figure 3. Failure of concrete pile adjacent to the fault

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图 4 钢筋混凝土柱遭挤压、剪切破坏

(图 1中14号柱)

Figure 4. Sheared and compressed failure of the pile

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本文基于对位于断层上盘的汶川县水磨镇硅业公司的实地调查，采用数值模拟方法研究了水磨镇硅业公司主楼在地震动作用下的动力响应特点，并分析了楼体破坏与断裂的关系。

2.   研究区地质概况

汶川县水磨镇硅业公司位于龙门山构造带中南段的北端、水磨河河谷西北岸的高阶地上，其西北侧紧邻一个高度约35 m斜坡的坡脚。场地出露的地层有:泥盆系养马坝组(D₂y)泥灰岩，厚度为89~137 m; 第四系冲洪积物，覆盖于养马坝组之上，厚度为0~7.3 m，由砂、砾石组成，其与基岩的接触界面倾向东南侧; 第四系残坡积物，位于厂房东南侧的陡坎下部，厚度为0~2.9 m。场地地质剖面图见图 5。

图 5 场地地质剖面图

Figure 5. Geological profile of the site

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3.   研究模型的建立

3.1   基本假设

在建立模型时假设: ①平面应变状态; ②周围岩石为均匀的弹性各向同性材料; ③断裂为无厚度的接触面; ④岩石服从摩尔-库仑破坏准则，楼房梁单元为弹性。

3.2   模型的几何形状和边界条件

模拟采用二维模型，模型走向为310°。根据现场实地观测，考虑到边界影响以及模拟的目的，建立地质模型见图 6。模型底部宽160 m，右侧高137 m，左侧高97 m，房高12 m，宽12 m (图中所示为楼房的侧剖面)，楼梯高2 m，距房主梁2 m。模型中断层倾角54°。

图 6 几何模型

Figure 6. Geomertrical model

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模拟分为两个阶段:特征值分析和地震动力分析。在进行特征值分析时，通过点弹簧定义弹性边界，模型的左右两侧及底部边界均为弹簧边界。对于动力分析，采用Lysmer和Wass (1972)提出的粘性边界(viscous boundary)。鉴于该模拟的目的是研究断裂在地震作用时对地表建筑物的破坏作用，模拟时只对模型加载地震波时程荷载，不施加其他应力边界条件。

3.3   材料参数及地震动参数

本研究区的岩性为泥盆系养马坝组(D₂y)泥灰岩，表层为第四系冲洪积物和残坡积物。参考《工程地质手册(1992) 》并结合前人大量的数值模拟经验，采用工程地质类比法，确定材料的力学参数如表 1。

表 1 材料参数

Table 1. Parameters of the materials

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地震动的数值模拟是通过输入地震记录(加速度时程记录)来实现的。该区选择距离最近的卧龙地震台在龙门山发生地震时的监测资料进行动力模拟。地震作用全过程历时135 s。

4.   模拟结果分析

4.1   最大主应力分布规律

模拟结果表明:最大主应力值沿断层自下而上逐渐降低，但在断层上盘，厂房下伏的基岩(泥质灰岩)中出现增大的现象。而在厂房下地基(第四系冲洪积物)中应力值出现明显的减小趋势，这是由于第四系冲洪积物与基岩泥质灰岩的材料参数相差很大，在地震时有减震的作用。

厂房左侧(靠近断层一侧)梁底部平面应变单元节点的最大主应力值大于右侧，左侧为83.9 MPa，右侧为71.4 MPa，两者数值相差12.5 MPa (见图 7)。

图 7 厂房地基最大主应力分布图

Figure 7. Distribution of the maximum principal stress in base

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但是在房屋左侧(靠近断层一侧)第四系冲洪积物的厚度为4.6209 m，右侧(远离断层一侧)第四系冲洪积物厚度为4.5364 m。按照抗震设计理论，左侧梁单元受到的主应力值应该小于右侧，但是模拟结果却相反。这是因为房屋左侧梁与断层的垂直距离为24.8556 m，右侧梁与断层的垂直距离为84.4065 m，这也就解释了左侧梁单元的主应力大于右侧梁单元主应力值的原因。

4.2   剪应力分布规律

断层上盘剪应力值大于下盘，远离断层，剪应力值逐渐减小。

地基中，厂房左侧(靠近断层一侧)的剪应力值大于右侧，左侧为18.626 MPa，右侧为17.629 MPa (见图 8)。

图 8 厂房地基剪应力云图

Figure 8. Shear stress of the base

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从梁单元轴向应力曲线图(见图 9)可以看出，梁单元(图中梁单元由下至上编号，每楼层分为4个单元，下同)底部所受的轴向应力最大，且梁单元的轴向应力自下而上减小，到第二层上部时已经减小到底部的约二分之一，这与厂房底部柱体发生挤压破坏(见图 3、图 4)、而上部柱体没有破坏的特征相对应。

图 9 梁单元轴向应力曲线图

Figure 9. Axial stresses of the beam element

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从梁单元剪应力曲线图(见图 10)可以看出，左侧梁单元剪应力最大值出现在楼梯与主体梁相交处(3号梁单元处)，由12.008 MPa急剧增大到12.769 MPa，向上至第一层顶部(4号梁单元处)时又急剧减小到11.905 MPa。梁单元剪应力的这种变化规律与图 3显示的破坏特征一致。同时，可以看出，剪应力均为正值，反映其剪切方向为顺时针转动，与图 2-图 4显示的柱体剪切破坏特征相对应。根据梁单元轴向应力和剪应力特征及变化趋势，地震时楼体主梁的破坏是轴向应力和剪应力同时作用造成的。

图 10 梁单元剪应力曲线图

Figure 10. Shear stresses of the beam element

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4.3   剪应变特征

断层附近剪应变发生较为复杂的变化，断层上盘和下盘的剪应变值有明显的差别，从地面上剪应变的分布看，厂房区域剪应变值较大。

从厂房底部的最大剪应变图(见图 11)可以看出，在梁的底部出现应变集中区，而且左侧(靠近断层一侧)大于右侧，左侧为0.03728，右侧为0.03079。

图 11 厂房底部最大剪应变分布图

Figure 11. Distribution of maximum shear strain in the base

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4.4   加速度特征

4.4.1   断裂带上节点水平向加速度特征

断层带上节点水平向加速度值在断层底部最小(-4.457 cm/s²)，由底部向上增大，增大的幅度逐渐减小。断层位置的加速度明显增大，断层顶部的加速度最大值达638.7 m/s² (卧龙台记录到的最大水平加速度为949.979 cm/s²)。

4.4.2   不同岩性中节点水平向加速度特征

泥灰岩中一节点的最大水平加速度值为313.2 m/s²，冲洪积层中一节点最大水平加速度值为472.6 m/s²，残坡积物中一节点最大水平加速度值为637.8 m/s²，表明在软岩中，加速度明显增大。

5.   结论

(1) 位于断层上盘的厂房，靠近断层一侧的最大主应力值大于远离断层一侧。

(2) 断层上盘剪应力值大于下盘，远离断层，剪应力值逐渐减小; 厂房左侧(靠近断层一侧)的剪应力值大于右侧。

(3) 断层附近剪应变发生较为复杂的变化，断层上盘和下盘的剪应变值有明显的差别，厂房底部出现应变集中区，而且左侧(靠近断层一侧)大于右侧。

(4) 加速度值在断层底部最小，由底部向上增加。断层位置的加速度明显增大，断层顶部的加速度最大值达637.8 m/s²。在软岩中，加速度有明显的放大。

(5) 厂房所受的轴向应力在底部最大，向上逐渐减小，与厂房底部柱体发生挤压破坏的特征相对应; 厂房所受的剪应力值和剪切方向与柱体剪切破坏特征相对应。

(6) 断层的形成改变了局部的应力场条件和加速度特征，从而使位于断层上盘的楼房发生差异性破坏，紧邻断层一侧破坏强烈。地震时楼体主梁的破坏是轴向应力和剪应力同时作用造成的。

图 1 楚雄盆地区域构造格架

Figure 1. Region structure sketch of the Chuxiong basin

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图 2 大姚—姚安震区地质构造图

Figure 2. Geological structure map of Dayao-Yaoan earthquake area

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图 3 姚安南西吴家山—米树拉大山地质剖面图

Figure 3. The geological profile from Wujiashan to Miladashan in the southwest of Yaoan

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图 4 石羊镇—六苴地质剖面

Figure 4. The geological profile from Shiyang town to Liuju

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图 5 赵家山—拉摸地质剖面

Figure 5. The geological profile from Zhaojiashan to Lamo

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图 6 六苴—羊蹄江地质剖面

Figure 6. The geological profile from Liuju to Yangtijiang

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图 7 褶皱伴生节理示意图

a-纵向节理; b-横向节理; c-斜向节理

Figure 7. Schematic diagram of joints generated by folds

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图 8 姚安和大姚地区节理玫瑰花图

Figure 8. The rose maps of joints in Yaoan and Dayao regions

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图 9 大姚—姚安地区褶皱节理发育情况

a—节理面上断层及水平擦痕；b—沿节理侵入的方解石脉；c—沿节理侵入的辉长岩脉；d—节理面上的挤压片理化带；e—田房东节理密集带；f—昙花山一带节理密集带；g—大姚一带节理密集带；h—马尾阱南节理密集带

Figure 9. The developing situation of joints generated by folds in Dayao-Yaoan area

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图 10 地震序列分布图^[1]

Figure 10. The distribution map of earthquakes series

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图 11 大姚6.2级地震震中地区水平面的速度分布及异常条带^[6]

Figure 11. Velocity distribution and abnormal zones on horizon planes at varied depth in the epicenter area of M 6.2 Dayao Earthquare

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图 12 大姚—姚安地区孕震模型

Figure 12. Seismogenic model of Dayao-Yaoan region

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表 1 2000—2009年大姚、姚安地震震源机制解(据张建国等^[1]修改)

Table 1. Focal mechanism of earthquakes in Yaoan-Dayao area from 2000 to 2009

序号	时间	震级/M_S	节面Ⅰ			节面Ⅱ			P轴		T轴
序号	时间	震级/M_S	走向/(°)	倾角/(°)	滑动角/(°)	走向/(°)	倾角/(°)	滑动角/(°)	走向/(°)	倾角/(°)	走向/(°)	倾角/(°)
1	2000-01-15	6.5	38	80	-2	129	88	-170	353	8	263	6
2	2003-07-21	6.2	15	84	-14	106	76	-173	330	14	61	5
3	2003-10-16	6.1	204	86	-9	295	81	-175	159	9	250	3
4	2009-07-09	6.0	213	86	-15	304	75	-176	168	13	260	7

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表 2 2000—2009年大姚、姚安地震震源机制解(据全球CMT结果)

Table 2. Focal mechanism of earthquakes in Yaoan-Dayao area from 2000 to 2009

序号	时间	震级/M_s	节面Ⅰ			节面Ⅱ
序号	时间	震级/M_s	走向/(°)	倾角/(°)	滑动角/(°)	走向/(°)	倾角/(°)	滑动角/(°)
1	2000-01-15	6.5	27	78	-6	118	84	-168
2	2003-07-21	6.2	200	80	-6	291	84	-170
3	2003-10-16	6.1	18	88	-1	108	89	-178
4	2009-07-09	6.0	204	84	-3	294	87	-174

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