基于ANSYS的走滑斷層黏滑運動的數值模擬

張增換

摘要：運用ANSYS軟件建立二維幾何模型，采用粘彈性的力學參數，通過建立接觸單元，模擬了10萬年時間尺度的平直走滑斷層活動（即地震），通過與時間相關的瞬態計算方法分析了壓性條件下的斷層活動特征，得出在給定的邊界條件下斷層的最大位錯為6m，約在4.1萬年以前斷層發生的位錯都比較小，且平直斷層的周期性活動不明顯。

關鍵詞：走滑斷層；黏滑運動；數值模擬

1 幾何模型的建立

本文利用ANSYS軟件建立二維的理論模型模擬分析了平直走滑斷層粘滑運動特征。模型長800km，寬500km，地共劃分了2120個單元，整個幾何模型參數按照下地殼設置，力學參數設置為均勻的、各向同性的，通過接觸設置實現斷層間的摩擦接觸，本文用的摩擦本構關系是摩擦強度依賴于滑動速率的方程，這樣簡化了我們的計算。采用粘彈性材料標準線性固體模型，材料參數如表1所示。左側邊界x方向固定，右側施加位移邊界條件，設置擠壓速率2cm/a，的位移，計算時間為10ma，計算步長為10年。整個模型為理想化的簡化模型，計算方法為瞬態的FULL法，載荷的時間也為符合地質特征的逐步施加，即將給定的位移邊界條件一步一步的逐步施加。再計算完成后，通過POST26時間歷程后處理模塊，分析斷層面上節點的滑動位錯隨時間的演化的情況，從而明確斷層錯動（即地震）隨時間的變化情況。表1走滑斷層模型模型主要參數及模型材料。

2 主要結果與分析

地質問題大多是時間相當漫長的問題，大多數的地質活動是產應力已經積累了很長時間的背景下（即初始應力場的），因為本文涉及的模型為走滑斷層，且給定了相對較大的GPS速率，未來簡化模型，并未考慮初始應力場，隨有不妥，但對主要問題的分析并無影響，或者是可以在數據處理階段直接把之前的某一段時間當做初始應力場，而分析之后時間的數據也是可以的。

黏滑運動作為淺源地震的發震機理以被廣泛認可，所以本文分析了斷層的黏滑運動特征，如圖1（即黏滑曲線）所示，橫軸為時間軸，縱軸為斷層的滑動距離，隨時間的變化滑移距離不變為粘著，滑移距離在短時間時間內發生變化即為滑動，其中負號表示方向，從粘著到滑動再到粘著的循環即為斷層的黏滑運動，所以滑移距離隨時間的變化圖即為斷層的黏滑曲線圖，可以形象的解釋斷層的黏滑運動。節點的滑動位移隨時間的變化情況對應同節點剪應力的積累與釋放成正相關。圖2為節點最大位錯隨時間的分布圖。從圖中可知，約在4.1萬年以前斷層發生的位錯都比較小，模型斷層的最大位錯約為6m，發生在，由圖可知平直走滑斷層的發震周期并不明顯。

模型計算了10000步，本文主要分析了斷層面上節點的錯動，計算后導出接觸面上所有節點的計算結果，將輸出的數據進行分析處理，用下一個時間的滑動距離減去上一個時間的滑動距離，從而得到設定的時間內斷層的位錯，從而分析最大位錯隨時間的變化，以分析該給定模型在一定邊界條件下的地震活動特征，如圖2所示，在給定的時間尺度與邊界條件內，斷層發生了多次大的錯動，且每次錯動的復發間隔并不相同。

3 討論與分析

本研究只涉及已有的斷層，而在實際斷層活動中很有可能會導致新斷層的產生，以及改變原有斷層的幾何形態。摩擦系數的不同，本構方程的選擇不同都會得出不一樣的結果，且本文采用的邊界條件為2cm/a，雖然在正常范圍內，但大于大多數地區的GPS速率，而GPS速率的變化直接改變了邊界條件，問題的結論必然也會有差異。諸如此類的很多問題我們都未進行詳細的對比研究。本文只是以數值模擬的方法簡要分析了平直走滑斷層的黏滑運動特征，在某些問題闡明上只是一個開始。

參考文獻：

[1]馬曉靜.正斷層發生地震的動力學過程數值模擬研究[D].中國地震局地質研究所，2012.

[2]薛霆虓，傅容珊，林峰.幾何彎曲斷層活動性的模擬[J].地球物理學報，2009，10：25092518.

注：本文由河北省研究生創新資助項目（1007703）資助