Geomorphic formation and crustal stress evolution mechanism in the Longmenshan fault zone and its adjacent regions
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摘要: 以龙门山附近区域水平运动特性以及深部岩体力学特性为基本条件，采用FLAC模拟软件计算分析了龙门山断裂带及附近区域的地貌形成过程和地应力演化机制。研究结果认为：区域板块运动是龙门山地貌形成的重要原因，龙门山3条断层在62万年内的相对滑移速率分别为1.53，0.245和0.458 mm/a，与实际监测结果基本吻合；龙门山断裂带左侧呈抬升趋势，右侧四川盆地的垂向运动保持稳定；随着区域板块的运动，3条断裂带附近主应力的变化均经历了3个阶段，即应力低态稳定阶段，应力增高阶段和应力高态稳定阶段，最终形成应力积聚—应力释放的平衡局面；断裂带附近的最大、最小主应力比值介于2.94—3.71之间，平均为3.3，与实际监测结果基本吻合。由此可以推断，龙门山及附近区域将长期处于高偏应力环境，即长期处于“应力累积—进入临界状态—发震—新的应力累积”的地震周期。Abstract: Took Longmenshan regional kinematic characteristics and mechanical characteris-tics of deep rock mass as basic condition, we used FLAC simulation software to analyze geomorphic process of Longmenshan fault and the crustal stress evolution mechanism of its adjacent area. The results show that regional plate motion was the important reason of the Longmen- shan landforms formation, and the relative slip velocities of three faults in Longmenshan are 1.53, 0.245 and 0.458 mm/a respectively, which basically coincide with the actual monitoring results. The left region of Longmenshan fault zone is uplifted, while the right region that is the Sichuan basin remains stable. With the regional plate motion, there are three stages in the development of principal stress near the fault zone, which are the low-state stability stage, the increase stage and the high-state stability stage, and balance of stress accumulation-stress release is finally formed. The ratio of maximum and minimum principal stress near the fault zone is in a range of 2.94—3.71, and the average value is 3.3, basically coincide with the actual monitoring results. The following conjecture can be obtained that Longmenshan fault and its vicinity area will be in a high deviatoric stress environment for a long time, and will under the seismic period of " stress accumulation-entering the critical state-earthquake generation-new stress accumulation” for a long time.
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引言
龙门山地处青藏高原东缘与四川盆地的交接部位，山-盆构造地貌反差强烈，是青藏高原周边地形梯度变化最大的地区，在不到50 km的范围内地形高差达约4 000 m （邓起东等，1994；苏生瑞等，2002；付碧宏等，2008；颜照坤等，2014）。龙门山断裂带包含汶川—茂县断裂、映秀—北川断裂和灌县—安县断裂，龙门山断裂带长约500多千米，宽30—50 km，是一条呈北东—南西向延伸的构造带（邓起东等，1994；Burchfiel et al，1995 ；陈国光等，2007）。青藏高原莫霍面的深度为60—70 km，四川盆地莫霍面的深度为40 km左右，高原内部物质出现了物质东流现象（曾融生等，1994；Royden et al，1997 ；朱守彪，张培震，2009），具有流变性质的下地壳速度V2大于上地壳速度V1 （朱守彪，张培震，2009）；GPS观测结果显示，龙门山断裂带附近地区的位移速度差约为2 mm/a （赖锡安等，2004；王连捷等，2009）。板块运动是引起地应力变化的重要原因，中国西部板块在印支、燕山与四川期等均具有一定的位移速度，喜马拉雅地区的表面运动速度均为NNE向（Sugisaki，1976；万天丰，1993；万天丰，任之鹤，1999；叶正仁，王建，2004）。板块之间的相互运动必然造成板块岩体应力的变化，通过“世界应力图”可知，全球大部分地区的最大水平主应力方向与板块绝对运动迹线保持了较好的一致性，反映出构造应力与板块运动之间具有密切关系（Richardson，1992；Coblentz，Richardson，1996；谢富仁等，2003；孙振添等，2013）。喜马拉雅地区的印度洋板块和欧亚板块的碰撞运动所产生的强烈挤压构造应力，不仅导致了青藏高原的持续隆升，并致使其周缘发生了激烈的地壳形变和频繁的大地震活动等构造运动。
板块运动与地形地貌的形成有何关系？板块间的挤压与地壳岩体内的地应力变化有何关系？这些问题仍需要我们深入研究。本文拟将板块运动作为研究的基本条件，依据龙门山断裂带的几何特征、板块运动特性以及深部岩体物理力学性质，采用FLAC模拟软件模拟计算板块运动对龙门山断裂带的影响，探索龙门山断裂带周边地貌的形成过程和地应力演化机制。
1. 龙门山断裂带数值模拟分析
1.1 模型的几何尺寸与边界条件
本文选用FLAC3D5.0数值模拟软件，它是基于拉格朗日差分法的一种显式有限差分程序，其内置了摩尔-库仑准则，适宜于处理大尺度、大变形工程和地质问题（杨铭键等，2012；王涛等，2015）。
数值模拟计算选取的平面与龙门山断裂带走向相垂直，模型长度为160 km，包括马尔康至四川盆地的部分区域；模型的高度为40 km，与龙门山断裂带下部的莫霍面大致相同；模型的厚度为1 km。龙门山断裂带及附近区域的平面和割面图如图1，2所示。模型的上边界设置为自由边界，地形的起伏简化为折线；模型的下部大体与莫霍面的深度相同，简化为位移边界条件，在x方向可以运动，z方向为固定铰支座，即w=0；模型的右侧是板块运动相对静止的边界，简化为在z方向可以运动，其它方向为固定铰支座，即u=v=0。在模型左侧边界施加位移之前，对整个模型范围内的岩体施加重力，使模型具备初始应力环境。岩体的垂直应力随深度大致呈正比关系，水平应力与垂直应力也大致呈正比关系。考虑到地表与莫霍面处的移动速度不同，施加在左边界的水平速度随深度的增加呈线性增长，模型左边界上部加载的正向水平速度为2 mm/a，下部加载4 mm/a的正向水平速度。数值计算模形如图3所示。在3条断层附近设置主应力追踪测点，在地表以下0.7，14和21 km处共设置位移和最大、最小主应力（σmin，σmax）追踪测点18个，其位置和坐标详见图3和表1。
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图 1 龙门山断裂带活动断裂空间分布图（引自付碧宏等，2008）Figure 1. Active faults distribution in Longmenshan fault zone （after Fu et al，2008）![]()
图 2 龙门山附近区域地形地貌剖面图（引自颜照坤等，2014）Figure 2. Topographic profile of Longmenshan adjacent regions （after Yan et al，2014）![]()
图 3 龙门山断裂带数值计算模型图。圆点及数字表示主应力追踪测点及编号Figure 3. Numerical model of Longmenshan fault zone. Dots and figures represent principal stress tracking points and numbers表 1 主应力追踪测点的坐标Table 1. Coordinate of principal stress tracking points测点编号 水平位置/km 深度/km 测点编号 水平位置/km 深度/km 1 86.10 0.7 10 113.25 14 2 86.50 0.7 11 129.44 14 3 117.70 0.7 12 133.77 14 4 120.40 0.7 13 67.66 21 5 137.12 0.7 14 74.03 21 6 138.72 0.7 15 100.10 21 7 74.83 14 16 106.00 21 8 81.00 14 17 121.40 21 9 106.80 14 18 127.80 21 注：水平位置即测点距模型左边界的距离。 1.2 地壳岩体物理力学性质
计算岩石破坏的本构关系选用摩尔-库仑准则，其基本的物理力学参数包括弹性模量、泊松比、内聚力、内摩擦角、剪胀角和抗拉强度。迄今为止，对地壳深部岩石力学性质的研究不是很多，仅限于几千米范围内（苏生瑞等，2002）。一般认为，随着深度的增加，岩体变得更加致密，其密度和弹性模量等均会随深度的增加而增大（蔡美峰，王双红，1997；吴建平等，2009；秦向辉等，2012；柳畅等，2014；熊魂等，2015）。本文模型的岩体弹性模量参考花岗岩取值，为4.0×1010—10.6×1010 Pa （沈明荣，陈建峰，2006），整个模型按均匀梯度对弹性模量和密度进行赋值，其它参数为定值。岩体物理力学参数和断层面力学参数列于表2。
表 2 模型岩体物理力学参数Table 2. Physico-mechanical parameters for rock mass of the numerical model弹性模量/GPa 抗拉强
度/MPa内聚
力/MPa摩擦
角/°泊松比 密度/（103 kg·m−3） 重力加速
度/（m·s−2）断层面 地表 底部 地表 底部 法向刚度/GPa 切向刚度/GPa 摩擦角/° 40 106 12 16 35 0.286 2.575 2.809 9.8 1 0.5 10 2. 区域构造运动对龙门山断裂地貌形态的影响
从主应力的变化来看，至62万年，应力变化基本趋于稳定，因此本模型计算时间跨度为62万年。岩体位移的计算结果如图4，5所示，3条断层上盘的提升速度均大于下盘。由测点1—6的垂直位移可知，在整个计算过程中，汶川—茂县断裂F1、映秀—北川断裂F2和灌县—安县断裂F3 的垂向相对滑移量分别为949，152和284 m，平均逆冲速率分别为1.53，0.245，0.458 mm/a。当模型的计算时长达到30万年后，龙门山断裂带的平均滑移速率为2.65 mm/a。GPS观测结果显示，龙门山断裂带的逆冲速率分别为：汶川—茂县断裂0.3—0.8 mm/a；映秀—北川断裂0.4—1.2 mm/a；灌县—安县断裂0.3 mm/a （李勇等，2006，张培震等，2008；刘晓霞等，2015）。利用地貌断错和年代测定得到龙门山断裂晚第四纪的滑动速率为2—3 mm/a （徐锡伟等，2005，2008；江在森等，2009）。模拟结果与实际监测结果相差不大，表明模拟结果是可信的。同时可以看出，龙门山附近和汶川—茂县断裂左侧区域呈抬升趋势，而灌县—安县断裂右侧的四川盆地，其垂直位移则保持稳定。
3. 区域构造运动对龙门山断裂带附近地应力的影响
通过对深度为14 km和21 km处3条断层附近主应力测点的监测可知，σmax/σmin介于2.94—3.71之间，平均为3.3 （图6和表3）。实际的地应力测量结果显示，龙门山断裂带附近的江油、平武、盘龙、康定地区的6个主应力测点的σmax/σmin介于1.27—3.87之间，且其中4个测点的σmax/σmin介于3.11—3.87之间 （表4），表明模拟得到的σmax/σmin与实测比值基本吻合。
从图6可以看出，随着区域板块的运动，12个测点的主应力变化均经历了3个阶段，10万年内主应力的变化幅度不大，区域板块的主应力处于低态稳定阶段；10—25万年间主应力随着水平位移量的增大而逐渐增大，区域板块的主应力处于增大阶段；25万年后当主应力值达到某一临界值并逐渐趋于稳定，区域板块的主应力处于高态稳定阶段。由于塑性区的扩展和断裂带的逆冲滑移，岩体内部因区域构造运动而增加的主应力与释放的主应力将达到相对平衡的状态，该平衡机制类似于自组织临界性（Bak et al，1987 ）。因此可以确定，龙门山断裂带附近区域的主应力将长期处于某种临界状态，在现实的构造动力环境中，龙门山断裂带长期处于“应力累积—进入临界状态—发震—新的应力累积”的地震周期。
由应力变化曲线可知，映秀—北川断裂和灌县—安县断裂上测点的主应力在25万年后具有一定的波动性，即降低—升高—降低，应力的波动特征与断层滑移特征基本吻合。岩体内的应变能与最大最小主应力有关（徐芝纶，1980），每一次应力的降低即表示断层附近岩体应变能的一次释放，进而可能形成一次地震，地震震级与释放的能量有关，这一现象与弹性回跳假说相似（Reid，1910）。
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图 6 14 km （a—c）和21 km （d—f）深处断层附近的主应力变化曲线Figure 6. Variation curves of principal stress near fault at 14 km （a−c） and 21 km （d−f） depth表 3 模型测点的主应力值Table 3. Principal stress values of model tracking points测点 σmin/MPa σmax/MPa σmax/σmin 测点 σmin/MPa σmax/MPa σmax/σmin 7 188 696 3.71 13 249 886 3.56 8 248 728 2.94 14 327 992 3.03 9 179 625 3.49 15 276 916 3.31 10 199 633 3.19 16 282 887 3.14 11 165 594 3.59 17 263 851 3.24 12 187 618 3.31 18 286 902 3.15 表 4 龙门山断裂带地应力测量值Table 4. Measurement values of crustal stress for Longmenshan fault zone钻孔名称 深度/m σmax/MPa σmin/MPa σmax/σmin 江油-1 178 11.26 4.73 2.38 江油-2 195 6.55 5.17 1.27 江油-3 193 15.91 5.11 3.11 平武-1 439 37.55 11.63 3.23 盘龙-1 323 33.12 8.56 3.87 康定-1 185 16.61 4.91 3.38 注：数据参考陈群策等 （2012）和秦向辉等 （2013）。 4. 讨论与结论
龙门山断裂带及附近区域的地形地貌是在多种地质作用下形成的。本文利用数值模拟方法揭示了区域板块运动在地形地貌和地应力演化过程中所起到的关键作用，得到如下结论：
1） 根据模拟结果，龙门山断裂带3条断裂的相对滑移速度分别为1.53，0.245和0.458 mm/a，与实际监测结果基本吻合，且前期速度小于后期速度；由于区域板块水平运动，龙门山断裂带左侧区域呈抬升趋势，而右侧区域的四川盆地则保持稳定。
2） 随着区域板块的运动，龙门山断裂带及附近区域的主应力变化均经历了3个阶段：10万年之前区域板块为应力低态稳定阶段；10—25万年区域板块为应力增大阶段；25万年后区域板块为应力高态稳定阶段。
3） 根据模拟结果，龙门山断裂带处于高偏应力环境，最大最小主应力比值基本稳定在2.94—3.71之间，平均为3.3，与实际监测结果基本吻合；在现实的构造动力环境中，龙门山断裂带及附近区域的主应力将长期处于某种临界状态。
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图 1 龙门山断裂带活动断裂空间分布图（引自付碧宏等，2008）
Figure 1. Active faults distribution in Longmenshan fault zone （after Fu et al，2008）
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图 2 龙门山附近区域地形地貌剖面图（引自颜照坤等，2014）
Figure 2. Topographic profile of Longmenshan adjacent regions （after Yan et al，2014）
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图 3 龙门山断裂带数值计算模型图。圆点及数字表示主应力追踪测点及编号
Figure 3. Numerical model of Longmenshan fault zone. Dots and figures represent principal stress tracking points and numbers
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图 6 14 km （a—c）和21 km （d—f）深处断层附近的主应力变化曲线
Figure 6. Variation curves of principal stress near fault at 14 km （a−c） and 21 km （d−f） depth
表 1 主应力追踪测点的坐标
Table 1 Coordinate of principal stress tracking points
测点编号 水平位置/km 深度/km 测点编号 水平位置/km 深度/km 1 86.10 0.7 10 113.25 14 2 86.50 0.7 11 129.44 14 3 117.70 0.7 12 133.77 14 4 120.40 0.7 13 67.66 21 5 137.12 0.7 14 74.03 21 6 138.72 0.7 15 100.10 21 7 74.83 14 16 106.00 21 8 81.00 14 17 121.40 21 9 106.80 14 18 127.80 21 注：水平位置即测点距模型左边界的距离。 
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表 2 模型岩体物理力学参数
Table 2 Physico-mechanical parameters for rock mass of the numerical model
弹性模量/GPa 抗拉强
度/MPa内聚
力/MPa摩擦
角/°泊松比 密度/（103 kg·m−3） 重力加速
度/（m·s−2）断层面 地表 底部 地表 底部 法向刚度/GPa 切向刚度/GPa 摩擦角/° 40 106 12 16 35 0.286 2.575 2.809 9.8 1 0.5 10
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表 3 模型测点的主应力值
Table 3 Principal stress values of model tracking points
测点 σmin/MPa σmax/MPa σmax/σmin 测点 σmin/MPa σmax/MPa σmax/σmin 7 188 696 3.71 13 249 886 3.56 8 248 728 2.94 14 327 992 3.03 9 179 625 3.49 15 276 916 3.31 10 199 633 3.19 16 282 887 3.14 11 165 594 3.59 17 263 851 3.24 12 187 618 3.31 18 286 902 3.15
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表 4 龙门山断裂带地应力测量值
Table 4 Measurement values of crustal stress for Longmenshan fault zone
钻孔名称 深度/m σmax/MPa σmin/MPa σmax/σmin 江油-1 178 11.26 4.73 2.38 江油-2 195 6.55 5.17 1.27 江油-3 193 15.91 5.11 3.11 平武-1 439 37.55 11.63 3.23 盘龙-1 323 33.12 8.56 3.87 康定-1 185 16.61 4.91 3.38 注：数据参考陈群策等 （2012）和秦向辉等 （2013）。
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