光弹实验构造渤海强震区应力场及地震危险区判定研究1

黄大卫胡宏玖王华林黄 兴王纪强陈 平胡 超刘 军刘红欣

1）上海市应用数学与力学研究所，上海 200072

2）上海大学理学院力学系，上海 200444

3）山东省地震工程研究院，济南 250021

光弹实验构造渤海强震区应力场及地震危险区判定研究1

黄大卫1）胡宏玖1）王华林3）黄 兴2）王纪强3）陈 平3）胡 超3）刘 军3）刘红欣2）

1）上海市应用数学与力学研究所，上海 200072

2）上海大学理学院力学系，上海 200444

3）山东省地震工程研究院，济南 250021

本文在对渤海强震区地质构造环境、断裂带分布特征进行详细分析的基础上，采用机械加工聚碳酸酯材料制成渤海强震区域的地质模型，分别运用集中、二点和均布加载方式，用光弹实验方法模拟特定构造框架下应力、应变场的变化特征。通过对光弹实验数据的分析与处理，在对比不同加载方式下应力积累区域和地震危险点的基础上，判定渤海强震构造区中的地震危险区域。

光弹模拟 应力应变场 渤海强震区 地震危险区

黄大卫，胡宏玖，王华林，黄兴，王纪强，陈平，胡超，刘军，刘红欣，2015.光弹实验构造渤海强震区应力场及地震危险区判定研究.震灾防御技术，10（4）：853—871.doi：10.11899/zzfy20150404

引言

近年来，我国地震频发，对人民群众的生命财产安全和经济建设造成了不可估量的损失。大陆地震对生命财产的破坏是巨大的，海洋地震的危害也十分可怕，由海洋地震引发的海啸具有极强的破坏性（连尉平等，2009；马寅生等，2002；杨港生等，2000），尤其对沿海高人口密度的发达城市。预防类似印尼海啸的悲剧重演，加强海洋地震研究，掌握海洋地震规律，提高抵御海洋地震灾害的能力，是当前面临的一项非常重要的课题。本文选取渤海强震区作为研究区域，利用光弹实验，以期找到渤海强震构造区中的地震危险区域。

1 渤海强震构造区地质构造环境

1.1 渤海强震构造区概况

渤海强震构造区的主体是渤中盆地，其北侧、西侧和南侧分别与下辽河-辽东湾盆地、黄骅盆地和济阳盆地过渡衔接，东侧的庙岛群岛则是胶辽隆起在海域中的延伸部分，如图1所示。渤中盆地是北北东向郯庐断裂带和北西西向张家口-渤海-威海断裂带的交汇区（邓起东等，2001），因而，其结构及构造演化均受到这两条构造带的影响。渤中盆地及其邻区发育有三个不同方向的次级伸展断层（陆克政，1997）：一是走向北北东、倾向北西西的伸展断层；二是走向北东、倾向南东的伸展断层，它们多分布于盆地东部边缘；三是走向北西西和近东西向，倾向南的伸展传递断层，主要分布于盆地南部，如渤南凹陷等。

1.2 渤海强震构造区断裂构造特征

研究区地处华北地震区，区内北北东向的郯庐断裂带、北东向的唐山-磁县断裂带和北西向的燕山-渤海断裂带构造活动强烈，都是强震活动带。渤海及周围地区的主要活动断裂有郯庐断裂带和燕山-渤海断裂带（魏光兴，1993）。这两条断裂带内及其旁侧发育有近南北、近东西、北东、北西、北东东、北北西、北北东和北西西八组断裂，它们相互交汇（王华林等，2000），构成了渤海强震构造区的基本断裂构造格架，这些断裂切割深度和活动强度存在明显差异（王志才等，2006a；2006b；吕悦军等，2003；胡政等，1993），控制着渤海强震构造区的强地震活动，如图2所示。第四纪活动断裂和全新世活动断裂集中沿郯庐断裂带和燕渤断裂带分布，在成带活动的基础上显示出分段活动特征。郯庐断裂带自南向北可分为南、中、北三段；燕渤断裂带自东向西可分为东、中、西三段；两断裂的中段为两断裂交汇复合段。两断裂带各段的断裂格局、深部构造、活动强度和地震活动存在明显差异。

燕渤海断裂带，西段和中段为强活动段，东段为较强活动段。东段可进一步分为西、东两段，东东段为弱活动段，东西段为较强活动段。燕渤海断裂带的活动显示自西向东由强到弱的特点。

图2 渤海强震构造区区域地震构造图Fig.2 Seismo-tectonic map of the Bohai earthquake zone

表1提供了渤海强震区区域内主要断裂成带以及分段特征，通过表1可以看到第四纪活动断裂和全新世活动断裂与近期地震活动密切相关，且几乎所有主要断裂的运动性质为正断，这也为进行平面的光弹实验模拟奠定了基础。

表1 研究区主要断裂特征一览表Table 1 Characteristics and parameters of active faults in study area

续表

续表

1.3 渤海强震构造区地震活动特征

渤海强震构造区历史地震和现代地震活动频繁，分布具有继承性，集群和条带特征更加明显。其中继承性表现在小震分布与渤海海域内的中强地震分布区非常一致，构成了北北东向地震条带和北西西向的地震条带在渤中地区交汇；地震集群分布主要表现在陆域的唐山地震群及1969年渤海7.4级地震周围的中小地震密集分布（徐杰等，2001）。

渤海强震构造区内M≥4.7级地震震中分布图（如图3）显示，自公元前70年至2013年6月，区域范围内共记录到M≥4.7级地震85次，其中4.7-4.9级地震38次，5-5.9级地震36次，6-6.9级地震5次，7-7.9级地震6次，记录到的最大地震是1976年河北唐山7.8级地震，最早记录到的地震是公元495年山东蓬莱丘山5½级地震。1548年渤海7级地震。

区内中强地震分布的成带性集中体现在陆域上经唐山的北东向条带和渤海海域内的北西向条带。区内中、强地震分布的集群性特征主要表现在两个地区：①渤海海域震群，该震群内集中发生了3次7级以上的大地震，1597年渤海7级地震、1888年渤海7½级地震和1969年渤海7.4级地震，形成了华北地震区内7级以上地震最集中的地区；②1976年唐山7.8级地震形成的密集的唐山震群，强震主要集中在滦县-乐亭断裂、唐山断裂、韩家庄断裂等附近。

1.4 渤海强震构造区断裂与强震活动的关系

（1）断裂活动的成带、分段和衰减活动，决定了强震活动的成带和分段活动（侯贵廷等，1998）。燕渤断裂带的活动自西向东、由强到弱，决定了地震震级由7.8级逐渐向7.5、7.0、6.0和5.0级震过渡。郯庐断裂带强弱交替分段活动，决定了6.0、7.0级地震和5.0级地震的分段差异活动。

（2）第四纪晚期，尤其是全新世活动的交汇断裂构成了渤海及周围地区6.0级以上地震发震构造。研究表明（吕悦军等，2002；孙若昧等，1993），本区所有7级以上地震的发震构造均为NNE与NWW和NE与NW交汇构造，大部分的6.0级地震和5.0级以上地震的发震构造亦以不同方向断层的相互交汇为特征。简单的单一方向的断层往往第四纪晚期以来活动弱，对本区的6.0级以上地震无控制作用。

（3）NNE、NE、NW和NWW向断层为渤海及周围地区的主要活动断层，它决定了本区所有6.0级以上地震的发生。其中有些是共轭交汇发震断层，如1548年渤海7.0级地震、1976年唐山7.8级地震和1969年渤海7.4级地震。

图3 渤海强震构造区内M≥4.7级地震震中分布图（公元495年—2013.06）Fig.3 Distribution of earthquakes of M≥4.7 in the Bohai earthquake zone

（4）燕山-渤海断裂带和郯庐断裂带的活动及其在渤海的交汇决定着渤海及周围地区地震的迁移特点。1597年渤海7.0级地震前后主要沿NWW燕渤断裂带迁移；1888年渤海7.5级地震前后则主要沿NNE向郯庐断裂带迁移；1969年渤海7.4地震前沿燕渤断裂带迁移，震后沿郯庐和燕渤两断裂带迁移。每组地震中的6.0级以上地震的发震断层表现为NNE（NE）和NWW（NW）向断层的交替。

图4 光弹实验原理图Fig.4 Diagram showing the principle of photoelastic experiment

1.5 渤海强震构造区应力场的数值模拟

渤海地区应力场的数值模拟研究成果丰富（陈晓利等，2005；殷秀兰等，2007a；2007b；吕悦军等，2002），主要集中于应用有限元的方法对特定区域进行模拟，揭示了该区域内应力场对地震强度、地质演化以及油汽聚集等特定情况下的影响。其中陈晓利等（2005）对整个渤海海域进行了完整的应力场构造，通过有限元法得到了渤海海域的应力场特征，并认为渤中的最大剪应力非常高。

2 光弹性实验

光弹性实验方法是将全息照相和光弹性法相结合而发展起来的一种实验应力分析方法。利用光弹性法，可以研究几何形状和载荷条件都比较复杂的工程构件的应力分布状态，特别是应力集中的区域问题。由于光弹性实验的全场性和直观性，所以其可应用于构造模拟地质模型的应力场，并能够解决许多实际问题。

2.1 实验原理

依据光的波动理论，平面偏振光，通过在应力作用下，透过具有光敏性材料制成的模型后，产生双折射，使光沿着两个主应力方向分解为两个折射路、率不同的平面偏振光，产生光程差δ。当检偏镜A的震动轴与起偏镜P的震动轴正交时，这样光通过A镜后，就变成了与A镜震动轴平行的平面震动波，并产生光干涉现象（陈树珍等，1983；殷秀兰等，2007b；颜玉定等，2006；张兴等，1996）。

2.2 实验材料与模型制作

与传统的环氧树脂光弹试样制作方式不同，本次采用新型的聚碳酸酯（PC）工程塑料作为基体。根据PC良好的双折射性质、易加工等特点，通过数字机械加工雕刻得到具有地质坳陷裂纹纹路的地质模型。与传统的手工预制裂纹方式不同，数字机械加工得到的裂纹精确性得到了极大地提升。

而对于渤海强震区活动性断裂体系的分析表明：地震活动是在第四纪晚期，尤其是全新世活动的基础上产生的。地质模型的确定是将本区地块视为带若干活动性断裂系的均质体。实验模型中所表示的活动性断裂有（表1中的断裂编号）：1—9、12、13、23—27、34—38、44—47、49、53。这些断裂带构成了渤海强震构造区的基本断裂构造格架。在模型制作过程中，依据相似性原理，选取渤海强震构造区域为目标试验区域。首先按需求简化研究区域的地质构造图、将尺寸缩小到光弹仪器的量程下，建立地质模型。然后，将经过处理的纯聚碳酸酯地质模型以机械雕刻的方式把断裂带刻到模型上，从而制作成含有主要断裂带的渤海强震区域的地质模型，如图5所示。地质模型在偏振光场中，由于断裂带产生了明暗条纹的图像。该模型尺寸及其与实际地图比例如表2所示。

表2 渤海强震构造区地质坳陷裂纹的纹路地质模型Table 2 Fault trace model of the Bohai earthquake zone

2.3 实验过程

在渤海强震区的构造体系中，在实验过程中首先将实验地质模型放在409-Ⅱ型光弹仪夹具上，按照选定的三种加载方式，分别进行加载，通过CCD摄像技术得到等色线条纹图案。根据等色条纹图案进行分析确定应力的孕育累积区域，从而找到地震危险区域。

关于边界条件，东部边界为郯庐断裂东缘，郯庐断裂带是贯穿中国东部的一条规模宏伟的宽大断裂带，是控制中国东部应力场的一个重要因素，利用震源机制、地震裂缝和地形变测量资料等，结合已有的郯庐断裂带现今区域应力场的若干结果，总的看来，该区应力场主压应力方向为80°—90°（陈国光等，2003）。在渤海强震区中，不同断裂带体系的构成，与其所反映的外力作用方式的演化过程是非常复杂的。它不仅涉及到时间演化问题，而且还涉及到各种构造的空间关系问题。考虑到本区的实际地质构造情况，将本地区地块模拟为带有若干断裂系的各项同性体。

实验中考虑采用三种加载方式：东西向均布加载；东向单点加载（N38.3°—38.8°），西向均布加载；东向两点加载，西向均布加载。试验中考虑不同的加载方式有助于找出模拟驱动力，并选定相对远离渤海区域的南北边界作为该模型的边界。均布加载方式可以有效模拟一般的稳态情况下区域内的应力孕育特征。而考虑到东部边界地区处于环太平洋地震带，其边界条件并不稳定，且容易发生强地震从而改变实验区域的受力边界条件，从而诱发区域内应力分布特征的变化。本次实验选择东向单点加载方式，模拟2011年东日本大地震（N38.33°，E142.37°）发生时，研究区域的应力场分布。最新资料显示（丰成君等，2013）：日本MW9.0级地震在渤海区域造成的同震位移为水平东西向，且在E121°，N38°—39°处分布了集中的、东西向的同震主应力。而东向两点加载的边界条件，是为了模拟复杂边界条件下的应力场。

为了体现挤压强度对渤海强震构造区域的影响，实验中对模型施加不变的压力。其中，东西向均布加载压力分别选取5kg、7kg、9kg、11kg和13kg；东向单点加载，西向均布加载的压力分别选取5kg和7kg；东向两点加载，西向均布加载的压力分别选取5kg和7kg。

图5 光弹实验（东西均布加载13kg）中的地质模型Fig.5 Geologic model of the experiment（under uniform loading 13kg）

2.4 光弹实验结果分析

经过对实验数据的处理，获得渤海强震构造区域的等色条纹分布图像。将获得的渤海强震构造区域等色条纹分布图像与原地质研究区域进行叠加。对叠加图像进行分析，找到应力累积区域与地质断裂带之间的关系，如图4所示。图4中标明的数字区域1、2、3（3为红色）分别表示光弹模型上的等色条纹级数数值，其中等色条纹级数为3的区域即是剪应力最大的区域，即地震危险区域。为方便阅读，实验结果分析中的断裂名称由图中的断裂编号表示，而表1详细列出了各个断裂编号的名称。

从渤海地区在东西向均匀挤压下构造应力场光弹模拟实验的等色图结果可以看出，主应力大小及方向分布是非线性的。剪应力高值区受到活动断裂带的控制，尤其是在多复合断裂带的影响下，分布规律极其复杂。根据图6.1a可知，均向载荷在9kg时，以下三个区域出现了明显的3级等色条纹区域：①全新世活动断裂区南部：（6）号与（7）号断裂间的区域有对称的蝴蝶状的3级条纹分布，（7）号与（8）号断裂间也出现了明显的3级等色条纹区域；②东北部辽东断裂带：（25）与（49）号断裂间，（46）号断裂西北部与（45）号断裂东南部出现了对称的3级条纹分布，以及北纬39.2°东经121°区域；③蓬莱南部：（34）号与（44）号断裂之间也出现了3级区域。

图6.1a 9kg东西向均布加载时的应力累积区域与地质断裂带的应力分布图Fig.6.1a Stress envelope of geological fault zone under E-W uniform 9kg loading

然而，当东西向均布加载载荷增加到11kg时（图6.1b），3级条纹区域开始减少，仅出现在研究区域的东北部（25）号断裂与（49）号断裂之间，（45）号断裂东部，以及（44）号断裂的南部、北部与东北部。由图6.1c可见，当东西向均布加载载荷达到13kg时，出现的3级等色条纹区域明显大量增加，为（46）号与（47）号断裂之间、（49）号断裂北部、北纬39.2°东经121°区域、（25）号（26）号断裂相交区域、（1）号与（27）号断裂相夹区域、（8）号断裂南部、（12）号和（24）号断裂东部尖端、（44）号断裂的北部与东北部，以及环绕（5）、（6）、（37）、（38）号全新世断裂的区域。值得注意的是，当匀向挤压的载荷从9kg增加至11kg时，高剪切力区域发生明显变化。这是因为实验区域的力学问题是非线性力学问题，由于断裂带的复杂分布形式，实验中心区域的受力状态也变得非常复杂。同时这也说明全新世活动断裂带对挤压应力强度反应非常敏感。

图6.1b 11kg东西向均布加载时的应力累积区域与地质断裂带的分布图Fig.6.1b Stress envelope of geological fault zone under E-W uniform 11kg loading

图6.2为不同载荷下东向单点加载、西向均布加载时的光弹性等色条纹图。由于单点加载的特性，所以在单点加载处附近的等色条纹级数有所增加。但是随着向均匀载荷边界的靠近，依然能够得到有意义的结果。

根据图6.2a可知，当东向单点加载、西向均布加载的压力为5kg时，在研究区域东部出现了南北对称的3级等色条纹区域，且（8）号断裂体现出明显的阻隔应力的现象，即由东部集中应力像西部传递的进程中，高应力被阻隔在（8）号断裂东部。而中部受断裂带的影响较大，并且在以下区域由北至南出现了明显的3级等色条纹区域：（1）号断裂北部，（2）号断裂末端西部，（13）号断裂西部、南部。然而，当东向单点加载的载荷增加到7kg时（图6.2b），3级等色条纹的分布与5kg的东向单点加载、西向均布加载的大致相似，不同的是在（12）、（30）和（8）号断裂围成的区域内，且全新世活动断裂周边密集聚集着3级等色条纹区域。类似于这样的改变，在增加2kg载荷后导致全新世活动断裂周边出现剧烈的等色条纹区域变化的现象同样出现在图6.1a-b中。这也再次证明了中心区域全新世活动断裂带对应力强度的变化非常敏感，而许多关于渤海强震区的数值分析并未考虑到边界条件中应力强度的变化对全新世活动断裂带的影响。事实上，由于实际情况中研究区域的边界条件处于非静态的状态中，因此，边界上的应力强度变化不能忽略不计。由此可以推断出：无论在一般情况下（东西均布）还是在东日本大地震这样的特殊情况下（东单点），全新世活动断裂带都处于应力非常不稳定的状态中，是地震孕发的高危险区。

图6.1c 13kg东西向均布加载时的应力累积区域与地质断裂带的分布Fig.6.1c Stress envelope of geological fault zone under E-W uniform 13kg loading

图6.2a 5kg东向单点加载、西向均布加载时的应力累积区域与地质断裂带的分布图Fig.6.2a Stress envelope of geological fault zone under E （concentrated） -W（uniform） 5kg loading

东向两点加载，西向均布加载，载荷大小分别取5kg和7kg，进行光弹测试。经过对光弹实验数据分析与处理得到图6.3a和6.3b。根据图6.3a可知，在5kg东向两点加载、西向均布加载下，3级等色条纹的分布出现在以下几个区域：关于（45）和（46）号断裂西北-东南对称的区域，关于（37）号断裂南北对称的区域，（7）号断裂北部东西对称的区域，以及（44）号断裂北部区域。和单点加载状态有所不同的是：两点加载状态下，南北向的断裂带并未出现明显的阻隔应力的现象。因此，可以看出，在特殊的应力边界条件下，断裂带并不能阻隔高应力的传递，这使得渤海强震区因为边界条件的变化而致危险区域加大。

同时，上述结果和9kg东西向均布载荷下的结果有着相似的分布区域。不同的在于：5kg东向两点加载、西向均布加载载荷下，出现在全新世活动断层的3级等色条纹区域较小，出现在辽东断裂带的3级等色条纹区域较大。出现如此相似的原因，可能是由于两点加载状态下，其东部边界的应力分布更加接近于均布加载，而由于两点加载的载荷量较小，使得其出现的3级条纹区域也较小。

图6.2b 7kg东向单点加载、西向均布加载时的应力累积区域与地质断裂带的分布图Fig.6.2b Stress envelope of geological fault zone under E（concentrated）-W（uniform） 7kg loading

当东向两点加载、西向均布加载载荷增加到7kg时（图6.3b），测试区域的等色条纹分布再次发生了一些变化。北部（45）、（46）号断裂带的3级等色条纹区域分布变化不明显。然而，在南部区域，原本出现在全新世活动断裂带的3级等色条纹区域再次消失，在（7）和（8）号断裂相夹的区域出现了南北对称的3级等色条纹，而（44）号断裂北部的断裂带变窄且向西发展。

图6.3a 5kg东向两点加载、西向均布加载时的应力累积区域与地质断裂带的分布图Fig.6.3a Stress envelope of geological fault zone under E（two-point-concentrated）-W（uniform） 5kg loading

陈晓利等（2005）的数值模拟的结果显示，最大剪应力区域出现在渤中区域，即图2中（25-27）号断裂带附近。光弹实验结果中也得到了验证，在东部单点、东部两点的非对称加载情况下（25-27）号断裂带的东部都出现了3级条纹。而与数值结果不同的的是，由于本次实验中选取三种不同的加载方式，使得研究区域的边界条件与数值模拟相比有巨大不同，因而出现了其他的危险区域。

3 结论

（1）在不同的加载方式下，一些应力累积区域的分布图中出现了相似的结果，说明由于断裂带分布的结构性原因，即使改变了加载方式，依旧存在高应变累积不变区域。全新世断裂活动带（（5）、（6）、（37）、（38）号断裂）周边出现3级等色条纹区域与否非常依赖于载荷的大小，反映出其不稳定性。故可以判定该区域为地震危险区域。而（1）号断裂北部、（25）和（27）号断裂东部、（45）和（46）号断裂区域附近、（7）号断裂东部、（8）号断裂与（44）号断裂之间的区域在2种或3种加载方式下都出现了3级等色条纹区域，即高应力的孕育区域。故可以判定这些区域为地震危险区域。

（2）将光弹实验结果（图6.1—6.3）与断裂（图2）和地震（图3）活动分布进行对比，可以发现，切割深度大，全新世和晚更新世活动断裂，往往是6级以上地震，尤其是7—8级地震发生的场所，这些区域也是光弹实验应力和应变集中的区域。

（3）笔者把分析得到的结论1中的地震危险区在图2中标出，并用不同颜色区分不同加载状态下的地震危险区，得到图7。其中黄色区域为均匀加载下的应力危险区，反映了一般稳态情况下的危险区分布；绿色区域为单点加载下的危险区，反映了特定的东日本大地震震发状态下的危险区分布；而蓝色区域为两点加载的危险区，反映了复杂边界条件下的应力场。本次实验结果为渤海强震区的地震危险区判定提供了实验依据，对渤海强震区的地震预测预报和震情跟踪具有实际意义。

图7 渤海强震构造区区域不同加载方式下的危险区域图Fig.7 Earthquake risk area of the Bohai earthquake tectonic zone under different loading modes

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Stress Field and Determination of Earthquake Risk Zone in Bohai based on Photoelastic Experimental Simulation

Huang Dawei1）， Hu Hongjiu1）， Wang Hualin3）， Huang Xing2）， Wang Jiqiang3）， Chen Ping3）， Hu Chao3）， Liu Jun3）and Liu Hongxin2）

1） Shanghai Institute of Applied Mathematics and Mechanics， Shanghai 200072， China
2） Mechanic Department， College of Sciences， Shanghai University， Shanghai 200444， China
3） Shandong Institute of Earthquake Engineering， Jinan 250021， China

Based on the comprehensive analysis on geological environment and fault zone distribution in the Bohai sea meizoseismal area， we made the geological model by using polycarbonate material to simulate the specific structural framework of stress and strain fields. In the simulation， uniform， concentrated and two-point loading are applied in photoelastic experiments. The seismic risk area in the Bohai sea meizoseismal area is determinated through photoelastic experimental data analysis and processing， which is based on the comparison of stress accumulation area and seismic hazard points in different loading ways.

Photoelastic simulation； Stress and strain field； The Bohai sea meizoseismal area； Earthquake risk zone

郯庐地震断裂带中段地震活动规律及地震危险区判定研究（2012BAK19B04-01）国家科技计划专题资助项目

2014-12-29

黄大卫，男，生于1991年。硕士。主要从事能源与环境的关键力学实验问题的研究。E-mall：miksimd@foxmail.com

胡宏玖，男，生于1969年。研究员，博士，博士生导师。主要研究方向：E-mall：huhongjiu@shu.edu.cn