摘要：摘要:了解断层凹凸体附近的运动学状态和应力积累对于评估其地震危险性至关重要。断层的闭锁程度被广泛用来刻画断层的震间运动学特征，但断层闭锁程度空间分布与凹凸体位置之间的关系很少被人关注。除此之外，地球介质的流变作用如何调节凹凸体附近滑动亏损和剪应力积累速率的时空

本周为大家推荐《地质力学学报》2024年6期的封面文章《直立走滑断层凹凸体附近闭锁程度和应力积累的时空演化：来自三维黏弹性数值模拟的视角》。

作者：李烨波, 黄禄渊, 姚瑞, 田意伟, 杨树新

摘要: 了解断层凹凸体附近的运动学状态和应力积累对于评估其地震危险性至关重要。断层的闭锁程度被广泛用来刻画断层的震间运动学特征，但断层闭锁程度空间分布与凹凸体位置之间的关系很少被人关注。除此之外，地球介质的流变作用如何调节凹凸体附近滑动亏损和剪应力积累速率的时空演化目前仍不清楚。为揭示凹凸体对震间变形以及应力积累的调节作用，构建了包含直立走滑断层的三维弹性/黏弹性有限元模型，采用接触算法考虑凹凸体的闭锁作用，讨论单一凹凸体附近闭锁程度和剪应力积累速率的时空变化，并通过鲜水河断裂的实例对基于断层闭锁的震间变形方法进行验证。研究结果显示：由于凹凸体的锁定作用，距离凹凸体一定范围的断层面无法完全自由滑动，导致以凹凸体为中心的一定区域内存在滑动亏损，因此断层闭锁程度呈现出以凹凸体为中心的环状衰减样式；在完全弹性条件下，凹凸体附近区域的闭锁程度和剪应力积累速率不随时间变化；在黏弹性条件下，凹凸体附近区域的闭锁程度和剪应力积累速率等值线随时间的加载不断变大，且闭锁程度等值线随时间变化效应更加明显；对于断层两侧黏度存在差异的场景，由于断层两侧松弛时间不一样，断层的震间变形和应力积累速率主要受到松弛时间较低一侧介质流变性质控制。最终得出以下结论：由于介质的连续性，凹凸体邻近区域虽然不闭锁，但其滑动速率仍低于块体运动速度，从而导致闭锁程度的空间样式表现为由凹凸体向外逐渐衰减；黏弹性效应调节凹凸体附近的变形，导致凹凸体附近闭锁程度等值线空间范围随时间增大；断层闭锁程度可以近似作为衡量剪应力积累速率的指标，当不考虑黏弹性效应可以近似取0.5作为中强闭锁的阈值，低于该值剪应力积累不明显；考虑鲜水河断裂带炉霍至康定段的空间非均匀闭锁分布，模拟得到的地表速度与GPS观测吻合较好，验证了方法的可靠性。该项研究建立了断层闭锁程度和剪应力积累速率之间的桥梁，为潜在震源区识别提供有益思路。

关键词：数值模拟；凹凸体；震间闭锁程度；应力积累；黏弹性；地应力；地震动力学

图件及说明

图 1 模型网格图

为探究凹凸体附近闭锁程度以及剪应力积累速率情况，文中构建了概念断层模型，同时为简化计算，在模型中未考虑不同凹凸体之间的相互作用，只针对单个凹凸体开展数值模拟研究。模型由2个尺寸为400 km×400 km×400 km的三维块体构成，其中上地壳深度范围内2个板块的交界处设置为位移不连续面（断层面），上地壳深度以下单元位移连续（图1）。

图 2 弹性模型的计算结果

断层完全自由滑动区域不积累剪应力，但由于凹凸体的存在阻止了部分区域的相对滑动，因此凹凸体附近一定距离区域内会积累剪应力。凹凸体附近的闭锁程度分布呈现出围绕凹凸体中心环状衰减的空间样式（图2a）。

图 3 均匀黏弹性模型计算的闭锁程度和剪应力积累速率的时空演化特征

对于Maxwell体，应力松弛的特征时间λ由黏度η 和剪切模量G决定，即λ=η/G。对于模型2，由于壳幔的黏度相同，松弛时间也是相同的（2.5×109 s）。不同时刻（时间分别为0.1λ、0.5λ、1λ和5λ）的凹凸体附近闭锁程度和剪切应力的空间分布如图3所示。

图 4 横向非均匀黏度模型计算的闭锁程度和剪应力积累速率的时空演化特征

模型3考虑了横向非均匀的黏度结构，即断层西侧的下地壳和上地幔的黏度相比另一侧降低一个数量级，设置为1×1019 Pa s。此时断层西侧壳幔的松弛时间（λ1）降为断层东侧壳幔松弛时间（λ2）的1/10，即λ1=0.1λ2=0.1λ（λ=2.5×109 s）。

图 5 监测点闭锁程度及剪应力积累速率随时间的变化

为进一步分析黏弹性效应对凹凸体附近闭锁程度以及剪应力的影响，追踪了特定监测点上的闭锁程度以及剪应力的时间演化特征。与剪应力分布相比，闭锁程度影响的范围较大，因此对其设置的监测点数量略有不同。断层闭锁程度采用5个监测点，而剪应力积累速率采用4个检测点，如图2所示。最终得到不同模型各个监测点处闭锁程度和剪应力积累速率随时间的变化特征，绘于图5。

图 6 北向位移速率云图

模型1~3计算得到的穿过凹凸体中心的水平面（深度为8 km）上北向位移速率的分布情况（图6）。

图 7 由弹性模型得出的凹凸体附近闭锁程度和剪应力归一化因子等值线

由于闭锁程度是介于0～1的无量纲量，为了更好地对比分析闭锁程度和剪应力积累的空间分布样式，在用剪应力积累速率（dτ/dt）除以剪应力积累速率的最大值(dτ/dt)max后得到一个归一化的剪应力积累速率因子（Φτ），由闭锁程度（ISC）和归一化剪应力积累速率因子（Φτ）的等值线对比可知（图7），凹凸体附近的闭锁程度非零区域比剪应力积累非零区域的范围更大。因此，存在一部分区域的闭锁程度不为0，但剪应力积累值很低，几乎可以忽略不计。

图 8 由黏弹性模型给出的凹凸体附近闭锁程度和剪应力归一化因子的时空演化特征

当时间足够长，产生了明显差异：闭锁程度为0.4对应的区域上剪应力积累速率就会降低到最大值的0.2以内。通过对比图7和图8发现，对于模型3断层一侧的黏滞系数降低一个数量级，因此该模型更快达到应力松弛状态。

图 9 鲜水河断裂带邻区的震间变形

如图9a所示，将闭锁程度高于0.5的区域设置为凹凸体(图9a中黑线框圈中部分)，即“黏接接触”。鲜水河断裂朱倭到炉霍段和康定附近的高闭锁区主要集中在浅部，而炉霍以南的段落高闭锁区主要集中在深部。

文章结论

通过建立包含接触单元的三维黏弹性有限元模型，讨论流变作用下直立走滑断层上单一凹凸体附近的应力积累速率和闭锁程度的时空演化特征，得到以下主要结论。

（1）由于介质的连续性，凹凸体邻近区域虽然不闭锁，但其滑动速率仍低于块体运动速度，从而导致闭锁程度的空间样式表现为由凹凸体向外逐渐衰减。

（2）黏弹性效应调节凹凸体附近的变形，并进一步影响凹凸体附近闭锁程度的时空演化，断层闭锁程度等值线空间范围随时间增大，且在同一位置闭锁程度也随时间加载而不断增大。

（3）凹凸体附近的断层闭锁程度与剪应力积累速率的变化趋势相似，闭锁程度可以近似作为衡量剪应力积累速率的指标，当不考虑黏弹性效应时，可以取0.5作为中强和弱闭锁的分界值，低于该值剪应力积累不明显。

（4）考虑鲜水河断裂带炉霍至康定段的空间非均匀闭锁分布，模拟得到的地表速度与GPS观测吻合较好，验证了方法的可靠性。

引用格式

李烨波，黄禄渊，姚瑞，等，2024. 直立走滑断层凹凸体附近闭锁程度和应力积累的时空演化：来自三维黏弹性数值模拟的视角[J]. 地质力学学报，30（6）：878−892 doi: 10.12090/j.issn.1006-6616.2023134

LI Y B，HUANG L Y，YAO R，et al.，2024. Spatiotemporal evolution of interseismic coupling and stress accumulation near an asperity on a vertical strike-slip fault: Insights from three-dimensional viscoelastic numerical simulation[J]. Journal of Geomechanics，30（6）：878−892 doi: 10.12090/j.issn.1006-6616.2023134

来源：地质力学学报