地震前热异常机理的多物理场耦合数值模拟研究 ——以汶川地震为例

作     者：丁留伟 

作者单位：中国地震局地质研究所 

学位级别：硕士

导师姓名：邓志辉

授予年度：2013年

学科分类：070801[理学-固体地球物理学] 07[理学] 0708[理学-地球物理学] 

主      题：数值模拟 多物理场耦合 地震热异常 汶川地震 龙门山断裂带 

摘      要：强震前震中区较大范围内出现热异常是一种普遍现象,已受到地学界高度关注。最近的研究表明：①震前的热异常可以表现为红外增温,也可以是潜热通量和感热通量变化;②异常区与震中位置配合较好,基本是顺断裂带走向的;③临震前,异常区从外围向震中区域收缩。 对于强震前热异常形成机理,国内外许多学者进行过研究探讨,提出了许多猜想和假设,主要观点有：地球放气温室效应,电场激发增温效应,应力致热说,地下深部热物质上涌等。热异常机理是复杂的,由于缺少足够的观测事实作为依据,岩石变形产生的热异常数值很小,且岩石热传导过慢等,使这些假说在解决实际问题时,尚有诸多矛盾和困难之处。 地震的孕育和发生是在多物理场相互作用下进行的,震前热异常主要沿活动断裂带分布,在震前由于活动流体的参与造成水位的变化或气体的释放,特别是当高温流体进入地表时,是很有可能形成热异常的一种形式。震前地下热能是否可以传递到地表,如何传递到地表?传导和流体对流哪个占主导?诸多因素,如地壳结构、构造应力、活动断裂带分布和介质性质等,它们是怎样影响地下热能的上传?这些问题的分析和解决,都离不开对地下岩体的应力场、渗流场和热场相互作用的研究。地下岩体中岩石变形与热效应会导致流体孔隙压力和渗透特性的改变,流—固传热和岩石变形生热能引起温度的变化,热应力与流体孔隙压力变化会影响岩石变形。 2008年汶川Ms8.0地震是近10年来中国大陆发生的最大地震,造成了巨大的人员伤亡和建筑物破坏,震后调查和分析研究结果表明,该地震前数天内有显著的热异常,特别是潜热通量异常。热异常的特点具有：1)显著性,比周边地区高出1倍以上;2)孤立型性,仅出现在在震中及附近地区;3)持续性,3天以上;4)与构造相关性,沿发震构造—龙门山断裂带分布。汶川地震是青藏地块与华南地块相互作用的产物,是典型的逆冲型地震,对汶川地震热异常机理的研究具有重要的理论和现实意义。 本研究在综合龙门山地区地质构造、地球物理资料基础上,建立热场、流体场和应力场(Hydraulic-Thermal-Mechanical, HTM)耦合的动力学模型,利用COMSOL多物理场耦合数值模拟软件,在高性能计算上模拟在青藏高原东缘向SE方向推覆挤压作用下,地壳岩体压缩变形,并会在断裂带内产生微破裂,地下流体流速、热通量和温度可能会出现异常变化,试图揭示逆冲型地震前热异常的产生过程和分布规律。地震孕震过程中应力场、渗流场和热场耦合作用数值模拟研究尚未见报道,包含许多需要探索的内容,本文主要展开了以下几个方面的工作： (1)建立孕震过程的热-流-固三场耦合的动力学模型 根据龙门山地区地质与地球物理资料,总结不同学者有关龙门山断裂带的发震模式,以横跨龙门山断裂带长120km的地质构造剖面为基准,建立了龙门山地区中、上地壳尺度范围内的二维多孔介质几何模型,模型主要包括川西高原、四川盆地中上地壳和龙门山断裂带。 (2)研究龙门山断裂带三场耦合关系和相互作用的边界条件 根据龙门山地区地貌、GPS和探槽资料数据,进行推挤速度分析,西北侧分别以V,、V2速度推挤川西高原的上、中地壳,分析了V1=V2和V1