数值模拟计算结果与分析

如题所述

在三层模型计算中,共划分节点1659 个,划分单元2316 个。图7-5a、b 为三层模型结构和约束状态图。其中选取模型下底部为南,顶部为正北方向,图中的实体用深浅不同颜色来区分不同的材料性质。底部的箭头方向为施加的压应力方向。

图7-5 第一个计算模型结构

计算结果表明,岩石底部的塑性层向北挤压变形将对上层物质产生明显影响,从图7-6a、b模型网格位移结果可看出,模型的三层材料均发生了变形。模型在 x 方向(EW向)的位移表现出上下均匀分布的特点(图7-6c)。由于模型在 EW两侧未加约束,因此位移向两侧移动,在数值上关于 y 轴对称,但方向向反。y 方向的位移在受力底部为最大,向上向北逐渐递减(图7-6d)。

图7-6 第一个模型位移计算结果

在应力分布特征上,模型在空间各方向上表现出不同的性质,模型 x 方向(EW 向)应力整体近于均匀分布(图7-7a、b),应力最大部位在受力的南部边界附近,在其上部为自由边界,出现 x 方向极小值。在 y 方向的应力分布与此特征不同,其应力分布在受力的底部塑性层中由南向北逐渐渐少,反映出塑性物质应力分布的特点,上层应力在最南部自由边界处最小为零,向北逐渐加大,反映出了塑性层向上传递应力的特征(图7-7c)。z方向应力由于模型底部得到约束,为近匀分布特征,只在加力边界和约束点处出现局部扰动(图7-7d)。

这一结果说明,如果大陆地壳挤压力源来自其底部的塑性层界面摩擦拖拽,那么其上部弹性层的应力分布将受塑性层位应力分布特点的制约,应力分布具有塑性物质特征,从而在变形的总体形态上产生类似塑性物质受挤压的特点。但其本身变形仍遵循弹性定律。

图7-7 第一个模型应力分布计算结果

模型的应变计算结果与应力分布类似,这里只给出 x 方向和y 方向的应变结果(图7-8a、b、c),从 y 方向应变结果可以明显看出塑性底层应变往北渐渐减弱的过程,与此相应,在表层的弹性层也随之出现应变呈 EW带状分布的特点。若此时表层应变达到其极限强度,其发育位置应在一条横向分布的带中,其破裂无论如何不会出现锐角指向南北的情况。从模型整体位移矢量分布特征上看(图7-8d),模型呈现整体向北运动的趋势,向北位移减小并有向两侧运动的特征。

本区的一个显著特点是在表层SN向断裂极其发育,呈现出密集的SN向断裂束,而物探资料反映出本区深部有呈EW向带状展布的特点,并有EW向隐伏断层存在。随着深度增加,这一特征反映越显著,并同青藏高原南缘喜马拉雅山脉东南缘龙门山脉底部EW向构造带相连,反映出其形成机制与青藏高原的隆升有关。具有明显的区域活动特征,而不是一种局部表现。

本区的这一构造特征用上述模型显然无法作出完整的解释。说明本区除了有规模巨大的底部塑性挤压驱动外还有自己独特的结构特点,地震测深和电法资料反映在本区中、下地壳之间有低速高导体发育,发育深度在26~30 km,其下部对应天然地震多发带(图4-3)。

图7-8 第一个模型应变分布及位移矢量计算结果

地壳中的软弱夹层、高压流体对水平拆离滑脱面及逆冲推覆构造产生的作用已经成为共识,同时对由构造挤压导致软弱岩层出现高压流体的研究正逐渐得到重视。构造强烈发育并伴随有低速高导体的广泛发育是本区构造活动的一个显著特点。因此第二个模型就是在前述模型的基础上考虑高导体的存在而模拟了各圈层相互作用的情况。这里将物探资料得到的低速高导体作软弱带处理,在两弹性层之间加入一软弱层,其物性见表7-2。在保持其他条件不变的情况下讨论各圈层的作用关系,模型结构和约束条件见图7-9,其中约束条件与第一个模型相同。

图7-9 第二个计算模型结构

计算结果反映出软弱层的存在对底部塑性层应力和位移的向上层传递有很大的屏蔽作用。模型在 x、y 方向上的位移分布与模型1大致相同(图7-10a、b),但在 y 方向上的位移分布向上减弱分带特征明显,经过软弱夹层出现明显位移间断。出现与地壳表层薄皮构造运动状态相反的底部层位位移大于上部层位的滑脱现象。

从模型 x 的方向(EW方向)应力分布图中(图 7-10c)可以看到,应变的总体形态与模型1相似,为近似均匀的应变分布,但在软弱夹层处出现明显应力变化,在软弱带上应力为一低值区。在 y 方向应力分布图中(图7-10d)可以看出,经过软弱层的上下层位应变分布明显出现不连续,上部层位应变明显减弱,在软弱带中可见低的应变带分布。

在前面两个模型计算结果的基础上,考虑到本区地壳表层受印度板块的强烈挤压作用,并考虑到本区主要的断裂控制作用,在建立第三个模型时,在表层选取 SN向怒江断裂、NW向德钦-维西-红河断裂以及NEE向木里-丽江断裂的作用,断裂切割深度考虑在莫霍面下1 000 m处逐渐消失。除保留原有模型的边界条件外,在模型的西部,大致在本区构造发育的“蜂腰”部位,表层施加代表印度板块自西向东的挤压应力,相应在东部边界的表层加入 EW向约束,如图7-11b所示。计算得到的构造特征与实际资料符合很好。

在模型的网格位移图(图7-12a)中可以看出,模型整体除 y 方向有位移外还存在明显的x 方向位移,即 EW向的挤压位移,x 方向位移呈以加力部位为核心向外发散状分布(图7-12b),至东部边界应力逐渐过渡为均匀分布状态。

图7-10 第二个模型位移及应力分布计算结果

图7-11 第三个计算模型结构

图7-12 第三个模型位移计算结果

y 方向位移分布特征为整体向北移动,但在深部和浅部相差很大,同时在 SN向断裂的蜂腰部位出现扰动(图7-12c)。z 方向的位移分布较为均匀(图7-12d),只在加力和约束部位出现较大变化。

在模型的 x 方向应力图中可以看出(图7-13a),应力在 EW向加载处附近集中,向外发散,断层的存在对发散形态的扰动不大,反映了本区长期经受构造应力作用,其断裂分布形态受到改造,使应力作用趋于均匀。在 y 方向应力分布图中(图7-13b)可以看到 SN向的挤压作用,但在上部趋于减弱。从 x、y 方向的应变图中可以看出与应力分布相似的分布特征(图7-14a、b)。

图7-13 第三个模型应力分布计算结果

图7-14 第三个模型应变分布计算结果

图7-15 第三个模型不同加载阶段应力分布计算结果

图7-16 第三个模型位移矢量分布计算结果

由于塑性变形与加载时间有关,从不同阶段的 y 方向应力分布图中(图7-15)可以看出,在加载过程中应力分布在中部出现低值区,反映东西两侧应力、应变大于中部盆地发育区的特点,中部地块相对两侧向南挤出。

从模型位移矢量分布图中也可以明显看出这一特征,在模型顶部位移矢量图中(图7-16a)可以看到模型整体有向北运动的趋势,但在 EW向受到扰动,在 SN向断裂“蜂腰”处最为强烈。在模型侧面位移矢量图中(图 7-16b)可以看到位移随深度存在明显变化,越趋于上部,位移越弱。

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