叠瓦状逆断层的变形规律和力学机理物理模拟试验——以龙门山断裂带为例

苏生瑞，李 鹏，王 琦，苏卫卫，张 莹

长安大学地质工程与测绘学院， 西安 710054

叠瓦状逆断层的变形规律和力学机理物理模拟试验
——以龙门山断裂带为例

苏生瑞，李 鹏，王 琦，苏卫卫，张 莹

长安大学地质工程与测绘学院， 西安 710054

为了揭示叠瓦状逆断层在地质过程中的变形和应力变化规律，为地震预报和地质灾害防治提供参考，以龙门山断裂带为研究背景，采用大型物理模拟试验，再现了叠瓦状逆断层的演化过程。通过对模型内部位移和应变的实时监测，得出了叠瓦状逆断层的变形和应力分布规律： 1)除下伏断层的下盘局部斜向下外，整个构造区的变形以沿断层带斜向上为主；断层带同侧，变形量深部大于浅表层；水平向变形随与挤压端距离的增大而逐渐减小，并伴有瞬间的跳跃性增大。2)研究区除在断层上盘的浅层出现局部的拉应力外，其余都处在压应力状态，深部应力及其释放量都大于浅层；应力不是线性的增大或减小，而是随挤压端位移的增大沿某个趋势上下震荡。地应力在下伏断层带附近更容易发生聚积和释放，在变化时间上深部先于浅层。浅层地应力呈现出先增大后减小再增大再减小的规律；深部地应力的释放在上覆断层两侧出现了跳跃性的减小，而下伏断层的两侧先出现瞬时的增大，然后才逐渐减小。3)浅层变形量和应力变化具有相同的规律和同步性，但均滞后于深部应力的变化。

叠瓦状逆断层；龙门山；地应力；模拟试验

0 引言

地应力是地球内部应力的统称，是一个相对稳定性的非稳定应力场，是时间和空间的函数[1]。自从1912年瑞士地质学家海姆(A.Heim)首次提出地应力的概念以来，它就成为各国地质学家研究的热点，并取得了可喜的研究成果[2-4]。作为重要的基础和实测资料，地应力监测与分析不仅为地震预报和观测提供了新的理论方法[5]，而且对地壳表层动力学过程及地质灾变效应的研究也具有重要的指导意义[1,6]。

叠瓦状逆断层作为一种常见的逆冲断层组合形式，广泛地分布于我国的各大构造体系[7-9]。特别是2008年5.12汶川大地震后，地质工作者对龙门山地区叠瓦状逆断层的发震构造和运动特性进行了大量的研究。张培震等[7]研究了龙门山断裂的滑动速率、复发周期和构造成因，得出了汶川大地震是一次低滑动速率、长复发周期和高破坏强度的巨大地震；李勇等[10]认为下地壳物质在龙门山近垂向挤出和垂向运动,从而导致龙门山向东的逆冲运动、龙门山构造带抬升和汶川特大地震;张贵钢等[11]通过研究发现龙门山现今运动特征具有显著的分段性。然而，地震前后，有关龙门山断裂带附近地应力的研究资料很少，虽然吴满路等[12-13]也对龙门山地区的地应力资料进行了统计研究，但是因其观测点少、测量深度的限制，不能对该地区的地应力在水平向和竖向的分布规律有一个比较全面的认识。因此，系统地研究叠瓦状逆断层的变形和应力分布规律是十分必要的。

笔者以龙门山断裂带为研究背景，通过大型室内物理模拟试验来研究叠瓦状逆断层在地质过程中的变形和应力变化规律，为地震预报和地质灾害的防治提供参考。

1 研究区概况

龙门山位于青藏高原与扬子地台之间，由3条主要的逆冲断裂带构成，自西向东依次为汶川-茂县断裂(后山断裂)、北川-映秀断裂(中央断裂)和灌县-江油断裂(前山断裂)，由于经历了长期的地质演化，具有十分复杂的地质结构和演化历史[7-10]。2008年5·12汶川大地震致使龙门山断裂形成了多条同震地表破裂带，其中,中央断裂形成长约240 km的地表破裂，前山断裂形成长约72 km的地表破裂，这也是世界上第一次明确记录到的多条平行断裂参与同震破裂的逆冲型地震[14]。

根据许志琴等[7,15-16]的研究成果，如图1所示，龙门山3条断裂带在垂直剖面上呈叠瓦状向成都平原逆冲推覆，断裂带倾角从地表向下逐渐变缓，最终收敛。

图1 龙门山地质构造剖面示意图(据文献[7]改编)Fig.1 Tectonic cross-section figure across Longmenshan(modified from reference[7])

GPS多年观测数据显示，龙门山地区自西南向东北方向运动速度逐渐减小，并且龙门山和四川盆地在地震前几乎没有相对运动[7]。根据地震历史记录[17-18]、地貌错断、年代测定[19-20]和GPS监测等方法[7]确定，龙门山地区滑动速率不超过2 mm/a。通过GPS反演、地震地质和探槽揭示得出龙门山地区的8级地震复活的周期为2 000～6 000 a[7]。

以龙门山地区现有的地质资料为基础，采用自行研制的大型物理模拟试验装置，研究加载方向垂直于平行叠瓦状逆断层的应力和变形规律。因汶川地震造成的地表破裂主要发生在龙门山中央和前山断裂，本次模拟试验主要以这2条断裂带的应力应变规律为研究对象。以中央断裂(上覆断层F1)和前山断裂(下伏断层F2)为界，研究区可划分为3个区域：A、B和C，见图2。

A区岩性以“彭灌杂岩”和岩浆岩为主；B区岩性主要为灰岩、白云岩、泥灰岩和砂岩；C区岩性主要为灰岩、砂岩、泥岩和第四系全新统亚砂土和亚黏土[21]。图2 模拟试验研究分区Fig.2 Regionalization of simulation experimental research

2 模拟试验

2.1 试验模型相似准则

相似准则是模拟试验的理论基础，是试验能否反映实际情况的关键。本次试验为动力相似问题，物理量函数为

式中：σ为应力；δ为挠度；P为集中力；t为时间；Z为摩擦系数；ρ为密度；L为任一线性长度(包括长、宽和高)；E为弹性模量。

采用量纲分析法，写出指数的联立方程组求解，可得到动力相似问题最基本的相似准则Π1-Π5，即

2.2 试验模型相似比的确定

几何相似比 本次模拟试验选择的实际研究区大小为30 km×15 km×10 km。设定本次试验的几何相似比CL=1×104，模型尺寸为3 m×1.5 m×1 m。根据中华人民共和国区域地质调查报告(汶川幅和灌县幅)，所研究的2条破碎带最厚为100 m。根据几何相似比，模型中应设置1 cm宽的断层带。

时间相似比 一般模拟试验要在几十分钟到几个小时内完成，考虑到不同加载速度对变形破坏的控制和龙门山地区一次汶川地震的周期为6 ka，时间相似比Ct取2.1×108。

速度相似比 由时间相似比和几何相似比可知速度相似比Cv=4.6×10-5，试验中的加载速率为5 mm/h。

密度相似比 根据相似材料高容重、低弹模、相同泊松比的要求，选取Cρ=1.15、CE=1.42×103。

摩擦系数相似比 李碧雄等[22]通过大量的研究,确定龙门山断裂带的摩擦系数为0.6～0.8。根据相似准则，本次试验中模拟断层软弱带沙土的内摩擦角应为31°～40°。

2.3 岩组的确定和相似材料的选择

根据胡夏嵩等[23]提出的岩组划分方法和梅海[21]对龙门山地区的研究，本次模拟试验采用以断层面为岩组分界面的方法，得到岩组的物理力学参数见表1。模拟试验采用沙、石膏、重晶石粉为相似材料，具体的材料配比见表2，其中断层带采用细沙。

表1 研究区岩性物理力学参数

Table 1 Physical and mechanical parameters of the study area lithology

名称弹性模量/GPa泊松比容重/(103kN/m3)粘聚力/MPa摩擦角/(°)A区23.70.2526.816.6938B区23.30.2625.734.0828C区31.60.2525.527.8340F11.00.3522.30.0215F21.00.3522.30.0215

表2 相似材料配比及其特性

2.4 模型试验布置

模型内部应力应变测量和位移的观测是本次试验的重点，也是揭示叠瓦状逆断层应力应变规律的重要环节，模型中的位移和应变测点分布见图3、4。

位移测量 采用位移计来测量模型表层的位移变化，并用数据采集仪自动测量。土体内部滑移量利用模型箱两侧观测窗中的标志点进行测量，能够直观地观测试验加载过程中断层两侧土体的滑移方向和滑移量的大小。

土体内部应变值的测量 为了测量土体在水平向和竖向上的应力分布规律，模型内部分层布置了2层应变观测点(图3、4)，其中，10 cm处的观测值能代表实际中浅层的应变，40 cm处的观测值能代表实际中深部的应变。采用应变花和TDS602应变测量系统自动进行土体三向应变值的测量，通过对所有预埋点应变值进行分析，就能够得到地质模型在荷载作用下土体内部应力应变的分布规律。

2.5 试验加载速度

试验加载装置采用美国MTS电液伺服加载系统，系统由作动器、高压油源，控制器及计算机组成。该系统产生的荷载稳定，加载速度可控，试验加载值(荷载及位移)控制精度高，试验加载过程可实现自动控制，可实现低速匀速连续加载。根据相似理论，加载速度确定为 5 mm/h，位移控制精度为0.01 mm，采用低匀速连续加载,并用MPT编写了专用试验加载程序。

3 试验结果分析

试验结束后进行剖面开挖，通过对标志层的观察，能够清楚地了解叠瓦状逆断层的竖向和水平向上的变形差异，为精确地进行应力应变分析奠定了基础。如图5所示，模型内部的标志层发生了明显错断，其中西侧的断距大于东侧。

a.位移测点；b.埋深10 cm处应变测点；c.埋深40 cm处应变测点。图3 测点布置三维图Fig.3 Arrangement of three-dimensional figure of the measuring point

■为位移测点；●为应变测点。图4 测点布置剖面图Fig.4 Cross-section figure of measuring point arrangement

图5 模拟试验最终剖面图(镜像230°)Fig.5 Cross-section figure of the final simulation test(mirro 230°)

3.1 位移分析

3.1.1 浅层位移分析

如图6所示，模型土体表层位移随加载板推进位移的增加而增大，并且可以看到同一条断层带两侧位移值有较大差异。当推进位移在11 mm之前，各观测点的关系曲线几乎没有瞬间的跳跃，当位移超过11 mm，发生了曲线的跳跃性增大，尤其在F1断层的上盘表现得更加明显。

图6 表层位移与推进位移的关系曲线Fig.6 Relationship curve of shallow displacement and propulsion displacement

为了揭示表层土体位移与应变的关系，将相邻观测点的位移值通过计算转变为应变值，分为6个区段进行研究。如图7所示，跨断层带的区段应变值最大，其中上覆断层两侧的应变大于下伏断层，表明断裂带附近存在着较大的应变差，在这种环境下易导致断层失稳滑动，与陈群策等[24]的分析结果一致。

图7 表层应变与推进位移的关系曲线Fig.7 Relationship curve of surficial strain and propulsion displacement

3.1.2 深部位移分析

透过观测窗口可以观测到从试验开始到结束，深部位移在竖向和水平向上都有明显的变化规律(图8)。水平向上，从1到6号窗口、7到12号窗口，标志点的位移都是逐渐变小， A区标志点位移大于B区和C区，其中A区和B区都沿着断层带斜向上运动， C区出现了斜向下运动的现象，表明C区处在斜向下的压应力状态。竖向上，断层带同侧，标志点位移深部大于浅层，这种现象在A区最为明显，C区几乎没有差别。

黄色点为标志点，黑色框代表初始位置，红色框代表最终位置。图8 位移观测窗口立面图(镜像N)Fig.8 Displacement observation window elevation (mirror N)

3.2 应力分析

3.2.1 水平向应力分析

模型内测点的应变随加载板推进位移的增加并不是线性地增大或减小，而是沿一个趋势上下震荡，如图9所示。这表明，在整个构造挤压状态下，叠瓦状逆断层间始终存在着应力的聚集和释放，进行应力的分配和调整。

a.埋深10 cm处；b.埋深40 cm处。图9 不同埋深应变测点与推进位移的关系曲线Fig.9 Relationship curve of strain measuring point and propulsion displacement at different depth

持续监测结果表明，不同埋深处测点的应变表现出了不同的变化规律。如图9a所示，埋深10 cm处，除测点2和4在后期出现局部的拉应变外，其余都为压应变，并且整体上都呈现出先增大后减小再增大再减小的变化规律。

测点的应变大小依次为5点处>3点处>4点处>1点处>2点处>6点处，表明叠瓦状逆断层间地应力F2下盘>F1下盘>F2上盘>F1上盘。其中，1、2和3点14～20 mm处，4、5和6点在11～17 mm处都发生了小范围的压应变减小的现象，应力的释放是先从下伏断层开始；这表明对于相同物理力学性质的断层带，应变聚集较大的下伏断层更容易发生应力的调整。应变小范围降低后又突然增加，最终发生持续的应力释放，当推进位移达到22 mm时，4点、5点、6点首先发生较大的应力释放，位移达到24 mm时，1点、2点、3点紧接着出现应变的释放，表明下盘先于上盘发生应力的突然释放。

如图9b所示，40 cm处各测点都处在压应变状态，未出现埋深10 cm处局部范围应变减小的现象。当推进位移8 mm和10 mm时，6个测点都发生应变的瞬时增加，尤其是测点10、11、12的现象更加明显。当位移达到23.5 mm时， 7点、8点、9点发生应力的突然释放，而10点、11点、12点却发生了突然的增加，然后才逐渐减小。测点的应变大小为10点处>9点处>7点处>11点处>8点处>12点处，表明叠瓦状逆断层间的地应力F2上盘>F1下盘>F2下盘>F1上盘，与浅层应变表现出不同的分布规律。

同时，如图9a所示，对于浅层土体应变，断裂带附近上下两盘应变在震后都相应地减小，但变化量上盘大于下盘，与震前震后地应力观测规律具有很好的一致性[25]。

3.2.2 竖向应力分析

竖向地应力的变化规律也是本次模拟试验的重点。如图10所示，断层带同侧不同深度的应变测量结果表明，深部应变大于浅层，并且在2条断层的上盘都出现了拉应变状态。

a.F1断层上盘；b.F1断层下盘；c.F2断层上盘；d.F2断层下盘。图10 应变测点与推进位移的关系曲线Fig.10 Relationship curve of strain measuring point and propulsion displacement

F1断层的上下盘都表现出应变的积聚、局部调整和突然释放的变化规律，并且可以看到深部的应变先于浅层释放。如图10a、b所示，通过对比可知，应变突然释放量下盘大于上盘、深部大于浅层。

如图10c、d所示，F2断层整体上也表现出了应变由增大到减小，但是在24 mm处应变突然的变化却与F1断层表现出了不同的规律：深部首先发生应变的突然增加后才逐渐减小，而浅层应变和F1有相同的突然释放的特点。

郭啟良等[25]测量得到的龙门山地区震前震后地应力结果表明:深部地应力在上覆断层附近震后较震前明显地减小；而下伏断层附近，尤其下盘处最大主应力并不是减小的，而是先有所增加。这些实测规律和试验结果具有很好的一致性。

3.3 位移和应变关系分析

应变和位移在时间和空间上具有紧密的联系，如图11所示，在前期的应变积聚阶段，测点的位移增长比较缓慢，并且没有出现位移的突然增大；当土体内部的应变调整时，测点位移的变化和深部、浅表层应变的变化趋势吻合，但是时间上和表层应变变化同步，相对于深部来说具有一定的滞后性。

图11 位移与应变曲线对比Fig.11 Comparison curve of displacement and strain

4 结论

以龙门山地区地质条件为研究背景，采用大型物理模拟试验，揭示了叠瓦状逆断层的变形和应力分布规律：

1)除下伏断层的下盘斜向下外，构造区变形以沿断层带斜向上为主。断层带同侧，变形量深部大于浅层；水平向变形随与挤压端距离的增大而逐渐减小，并伴有跳跃增大的现象，这种现象在上覆断层的上盘尤其明显。

2)随着挤压变形的增加，地应力并不是线性的增大或减小，而是沿某个趋势上下震荡。深部地应力大小及其释放量都大于浅层，并且在变化时间上也先于浅层。

3)除在断层上盘出现拉应力外，研究区浅层主要处于受压状态，地应力大小分布依次为下伏断层的下盘>上覆断层的下盘>下伏断层的上盘>上覆断层的上盘。随着构造变形的增大，地应力呈现出先增大后减小再增大再减小的变化规律，易在下伏断层带附近聚积和释放。

4)研究区深部始终处于压应力状态，应力大小分布依次为下伏断层的上盘>上覆断层的下盘>下伏断层的下盘>上覆断层的上盘。应力在后期的突然释放表现出和浅层不同的规律：上覆断层两侧表现为瞬间的减小，而下伏断层两侧先突然增大，然后才逐渐减小。

5)位移和应变曲线的对比分析表明，浅层变形和应力变化具有相同的规律和同步性，但均滞后于深部应力的变化。

总之，通过物理模拟试验，揭示了叠瓦状逆断层在构造挤压作用下的变形和应力分布规律，不仅为地应力研究提供了新的技术方法，而且对地震预报和地壳表层地质灾害效应的研究也有一定的指导意义。

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Physical Simulation Experimental Research on the Deformation Law and Mechanical Mechanism of Imbricated Thrust Fault:with Longmenshan Fault as an Example

Su Shengrui, Li Peng, Wang Qi, Su Weiwei, Zhang Ying

SchoolofGeologyEngineeringandGeomatics，Chang’anUniversity，Xi’an710054,China

Adopting the large physical simulation experiment with the Longmenshan fault zone as the research background, it reproduced the imbricated thrust fault evolution process. By the real-time monitoring of displacement and strain in inside of the model, it was concluded the deformation and stress distribution law of imbricate thrust fault as follows:1)The deformation of the whole tectonic region is inclined up along the fault zone except partly inclined down of underlying fault footwall; the deep deformation is greater than shallow surface at the same side of fault zone; the horizontal deformation gradually decreases with the increase of the distance from the extrusion end, and accompanied by instaneous jumping increase.2)The research area is in compressive stress state except local tensile stress in the shallow of the upper wall,and the deep stress and its release quantity are much greater than the shallow; the stress does not increase or decrease linearly, but with the increasing displacement of extrusion end along a trend shocks up and down. The crustal stress near the underlying fault zone is more likely to appear accumulation and release. In the changing time, the deep is jumping decrease, but the both side of the underlying fault zone instantly increase at first then decrease gradually.3)The deformation and stress of shallow changes with the same rule, but all are lagging behind the deep.

imbricated thrust fault; Longmenshan; crustal stress; simulation experiment

10.13278/j.cnki.jjuese.201401202.

2013-05-02

国家自然科学基金重点项目(41030749);国家自然科学基金项目(41072223);中国地质调查局项目(1212010914205)

苏生瑞(1963-)，男，教授，博士生导师，主要从事地质工程教学和研究，E-mail:shengruisu@163.com。

10.13278/j.cnki.jjuese.201401202

P554；P56；P694

A

苏生瑞，李鹏，王琦，等.叠瓦状逆断层的变形规律和力学机理物理模拟试验：以龙门山断裂带为例.吉林大学学报:地球科学版,2014,44(1):249-258.

Su Shengrui, Li Peng, Wang Qi,et al.Physical Simulation Experimental Research on the Deformation Law and Mechanical Mechanism of Imbricated Thrust Fault:with Longmenshan Fault as an Example.Journal of Jilin University:Earth Science Edition,2014,44(1):249-258.doi:10.13278/j.cnki.jjuese.201401202.