基于ANSYS的走滑断层黏滑运动的数值模拟

张增换

摘要：运用ANSYS软件建立二维几何模型，采用粘弹性的力学参数，通过建立接触单元，模拟了10万年时间尺度的平直走滑断层活动（即地震），通过与时间相关的瞬态计算方法分析了压性条件下的断层活动特征，得出在给定的边界条件下断层的最大位错为6m，约在4.1万年以前断层发生的位错都比较小，且平直断层的周期性活动不明显。

關键词：走滑断层；黏滑运动；数值模拟

1 几何模型的建立

本文利用ANSYS软件建立二维的理论模型模拟分析了平直走滑断层粘滑运动特征。模型长800km，宽500km，地共划分了2120个单元，整个几何模型参数按照下地壳设置，力学参数设置为均匀的、各向同性的，通过接触设置实现断层间的摩擦接触，本文用的摩擦本构关系是摩擦强度依赖于滑动速率的方程，这样简化了我们的计算。采用粘弹性材料标准线性固体模型，材料参数如表1所示。左侧边界x方向固定，右侧施加位移边界条件，设置挤压速率2cm/a，的位移，计算时间为10ma，计算步长为10年。整个模型为理想化的简化模型，计算方法为瞬态的FULL法，载荷的时间也为符合地质特征的逐步施加，即将给定的位移边界条件一步一步的逐步施加。再计算完成后，通过POST26时间历程后处理模块，分析断层面上节点的滑动位错随时间的演化的情况，从而明确断层错动（即地震）随时间的变化情况。表1走滑断层模型模型主要参数及模型材料。

2 主要结果与分析

地质问题大多是时间相当漫长的问题，大多数的地质活动是产应力已经积累了很长时间的背景下（即初始应力场的），因为本文涉及的模型为走滑断层，且给定了相对较大的GPS速率，未来简化模型，并未考虑初始应力场，随有不妥，但对主要问题的分析并无影响，或者是可以在数据处理阶段直接把之前的某一段時间当做初始应力场，而分析之后时间的数据也是可以的。

黏滑运动作为浅源地震的发震机理以被广泛认可，所以本文分析了断层的黏滑运动特征，如图1（即黏滑曲线）所示，横轴为时间轴，纵轴为断层的滑动距离，随时间的变化滑移距离不变为粘着，滑移距离在短时间时间内发生变化即为滑动，其中负号表示方向，从粘着到滑动再到粘着的循环即为断层的黏滑运动，所以滑移距离随时间的变化图即为断层的黏滑曲线图，可以形象的解释断层的黏滑运动。节点的滑动位移随时间的变化情况对应同节点剪应力的积累与释放成正相关。图2为节点最大位错随时间的分布图。从图中可知，约在4.1万年以前断层发生的位错都比较小，模型断层的最大位错约为6m，发生在，由图可知平直走滑断层的发震周期并不明显。

模型计算了10000步，本文主要分析了断层面上节点的错动，计算后导出接触面上所有节点的计算结果，将输出的数据进行分析处理，用下一个时间的滑动距离减去上一个时间的滑动距离，从而得到设定的时间内断层的位错，从而分析最大位错随时间的变化，以分析该给定模型在一定边界条件下的地震活动特征，如图2所示，在给定的时间尺度与边界条件内，断层发生了多次大的错动，且每次错动的复发间隔并不相同。

3 讨论与分析

本研究只涉及已有的断层，而在实际断层活动中很有可能会导致新断层的产生，以及改变原有断层的几何形态。摩擦系数的不同，本构方程的选择不同都会得出不一样的结果，且本文采用的边界条件为2cm/a，虽然在正常范围内，但大于大多数地区的GPS速率，而GPS速率的变化直接改变了边界条件，问题的结论必然也会有差异。诸如此类的很多问题我们都未进行详细的对比研究。本文只是以数值模拟的方法简要分析了平直走滑断层的黏滑运动特征，在某些问题阐明上只是一个开始。

参考文献：

[1]马晓静.正断层发生地震的动力学过程数值模拟研究[D].中国地震局地质研究所，2012.

[2]薛霆虓，傅容珊，林峰.几何弯曲断层活动性的模拟[J].地球物理学报，2009，10：25092518.

注：本文由河北省研究生创新资助项目（1007703）资助