云南地区构造应力场与强震活动关系研究

　　1　引言

　　云南地区地处青藏高原东南边缘、南北地震带的南段,是印度板块与欧亚板块碰撞的强烈变形地带,地质构造错综复杂,活动断裂异常发育,地震活动频度高、强度大,是我国最活跃的地震构造区和强震重点监视区之一。近30年来云南地区经历了两个强震活跃时期,期间发生了通海7. 7级、大关7. 1级、龙陵7. 3级、澜沧7. 4级、孟连7. 3级和丽江7. 0级强震,以及更多的6级地震。因此,在本区开展了较为深入的地球物理、地震地质和大地测量、数值模拟等研究工作,取得了许多研究成果[1-9]。

　　本文将在前人研究的基础上,综合考虑云南地区三维波速结构、活动地块构造、地震活动性等多种因素,建立该区三维有限元模型。利用GPS观测资料,确定有限元模型的边界条件,数值模拟云南地区的构造应力场,并探讨区域构造应力场与强震活动的关系。

　　2　有限元模型及基本参数

　　2.1　有限单元模型框架

　　根据云南地区的全新世活动断裂、地壳上地幔三维波速结构等资料,结合震源机制解和GPS测量资料,确定模型几何边界条件,建立云南地区三维地质构造模型。在此基础上,考虑到有限元模型的边界效应,必须使有限元模型的边界与云南地区保持一定的距离,最终确定的云南地区有限元模型的边界如图1。

　　模型中选取的主要活动断裂带及其几何参数见图1和表1。

　　2.2　介质参数的确定

　　根据王椿镛等的研究成果[10]与数值模拟计算的需要,基于纵向分层、横向分区的原则,将模型在纵向上分为3层,分别对应上地壳(0~15 km)、中地壳(15~30 km)和下地壳(30~50 km),横向共分为21个区。各个分区的物性参数主要根据该地区地壳波速结构的研究成果导出(表2)。

　　2.3　网格划分

　　在地质模型的基础上,建立研究区地壳(包含活动断裂)三维有限元模型。在模型中,各条活动断裂均采用接触摩擦分析理论进行处理。网格的划分,充分考虑该地区活动断裂的展布形态和强震序列的空间分布,因此,断裂带及其邻区网格相对较密。在上述原则的指导下,整个三维有限元模型共划分为197 901个单元, 65 514个节点(图2)。

　　2.4　模型边界条件的确定

　　根据文献[7-9, 11]给出的GPS观测结果确定模型的边界条件(表3)。计算中,假设地壳变形发生在弹性变形范围内,边界速度场不随深度变化,模型底部各节点可以水平自由滑动,垂直方向固定。

　　3　云南地区构造应力场的数值模拟

　　在有限元模型的基础上,考虑千年时间尺度构造载荷的作用,模拟得到云南地区构造应力场的基本特征。为了反映应力场在纵向上的变化,分别给出了地壳各层应力场分布的等值线图,通过对各层应力场结果进行综合分析,获得研究区应力场的变化特征。综合分析认为:在横向上应力高值区主要集中在断裂带的端点及其交汇区,尤其以交汇区最为显著。在纵向上,同一断裂带随着深度的增加,应力存在增加的趋势。同时,应力值分布具有明显的分区特征,在滇西、滇西南地区应力状态为张性,而其他大部分地区为压性。应力分布在不同的断裂带以及同一断裂带的不同断裂段都存在较大的差异,从而反映了应力积累水平的空间差异。最大主应力反映区域应力场的强度,最大剪应力代表可能导致破裂发生的应力水平。由于云南地区绝大部分地震属于剪切破裂型,因此本研究主要用最大主应力和最大剪应力两个指标来分析应力场的基本特征。