2018, Vol. 38
2. 西安科技大学建筑与土木工程学院，西安市雁塔中路58号，710054;
3. 中国地震局第二监测中心，西安市西影路316号，710054
云南省位于青藏高原东部、南北地震带南端，构造复杂，地震活动频繁，其中滇西北地区最为明显，2000~2005年发生5级以上地震22次，其中包括2000年姚安6.5级地震、2001年大姚6.2级地震以及2003年大姚6.1级地震[1]。武艳强等[2]针对云南地区断裂活动计算的区域应变场、杨国华等[3]针对云南地区的单元划分结果以及李玉江等[4]计算的云南地区地壳活动结果均显示, 云南地区最大主应变具有显著的西高东低、北强南弱的分布特征[5]。
本文选取滇西北为研究区域，使用ABAQUS软件建立三维地质有限元模型，利用2008年汶川地震之后的2009~2016年GPS水平运动速度场作为位移边界约束条件，模拟获取该地区的构造应力场，并对该地区现今应力场特征分布以及未来地震危险性作出相应分析。
1 地区断裂活动构造滇西北地区活动断裂如图 1所示，以曲江断裂、红河断裂为界，北部有NNE与N-S向分布的怒江断裂、洱源-鹤庆断裂、程海断裂、元谋-绿汁江断裂以及安宁河断裂，南部则有NW走向的无量山断裂。这些主要活动断裂控制着滇西北地区现今地壳板块的构造运动及当地地震的孕育与发生。其中，怒江断裂是一个规模巨大的断裂带，控制保山地块西边界，属岩石圈断裂，是现今地震活动频繁的发震带[6-8]。
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图 1 滇西北地区活动断裂与地震位置分布 Fig. 1 Active faults and earthquakes location distribution in northwest Yunnan 断裂资料主要来源于邓起东中国活动断裂；图中黄色圆形标记为1970年以来的MS1.0~7.0地震；F1：怒江断裂；F2：洱源-鹤庆断裂；F3：程海断裂；F4：红河断裂；F5：曲江断裂；F6：元谋-绿汁江断裂；F7：安宁河断裂；F8：无量山断裂 |
根据滇西北地区主要构造断裂的分布，将模型划分为5个块体，如图 2所示，主要分隔断裂有洱源-鹤庆断裂、程海断裂、元谋-绿汁江断裂、曲江断裂及红河断裂。模型整体东西长386.70 km，南北310.33 km，上地壳垂向拉伸20 km。其中，红河断裂北段设置断层倾角70°，洱源-鹤庆断裂与程海断裂间的曲江断裂设置断层倾角为55°，其他均为直立断层。同时，该两段也是本文关注的往年地震频发区域，所以此处两段的网格划分较其他区域更为紧密。模型整体采用四面体单元划分网格，共建立78 452个单元、120 085个节点。
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图 2 滇西北地区上地壳三维有限元模型 Fig. 2 Three dimensional finite element model of upper crust in northwest of Yunnan region |
根据文献[9-11]提供的滇西北地区块体划分与介质参数资料，给出表 1所示地质模型力学参数。
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表 1 滇西北地区块体介质参数 Tab. 1 The medium parameters of blocks in northwest of Yunnan region |
利用2009~2016年GPS速度场结果，获取0.2°的内插网格速度场(见图 3(a))，提取速度场边界作为模型约束条件。考虑到时间步长，计算模拟速度场时，施加年平均速率即位移值，若获取几年尺度的应力场，则施加总位移值。
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图 3 模型边界条件 Fig. 3 Boundary conditions of the model |
如图 4所示，共建立9个接触对(图中红色区域)，接触面法向行为是罚函数的摩擦模型。鉴于云南地区断裂带整体具有正断特性，因此摩擦系数选为0.2。黄色区域分别为曲江断裂北端以及元谋-绿汁江断裂南端的未破裂部分，该部分将断裂两侧进行了绑定。
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图 4 模型接触对设置 Fig. 4 Settings for contact pairs of the model |
位移场模拟结果如图 5(a)所示，箭头的长短及颜色均表示位移的大小；图 5(b)为滇西北地区在GPS观测站点处模拟位移场与实测速度场的对比结果。从每个站点的量值与方向看，模拟值与实测值均有良好的对应效果，较好地反映了云南地区由西向东受红河断裂阻挡的格局，且速度场方向在拉萨块体内部具有绕东构造结顺时针旋转的迹象。速度场残差结果如图 6所示。
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图 5 位移场模拟结果 Fig. 5 The simulated result of displacement field |
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图 6 GPS速度场模拟残差结果 Fig. 6 The residual results of GPS velocity simulation field |
历史地震证明，地震往往发生在断层应力分布不均匀的地区及结点处。从模拟结果的等效应力云图(图 7(a))中可以获知如下3点应力场特征：1)楚雄至滇西北地区整体显示张性的应力区；2)红河断裂北端、洱源-鹤庆断裂南部、红河与程海断裂交汇地以及程海断裂中部等地出现张性低值区；3)姚安西南侧曲江断裂及元谋-绿汁江断裂南端出现张性应力集中区。
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图 7 应力场模拟结果 Fig. 7 The simulated result of stress field |
最大主应力矢量图(图 7(b))表明：1)滇西北绝大多数地区显示了拉张的变化特征，张性较大的地区位于模型及内部块体边界地带；2)出现了由“洱源-鹤庆断裂-红河断裂北段-程海断裂”圈起的弱化低值张性区，该区域内部张性应力明显低于外部，这种张应力低值区尤其在区域四周断裂边界处，则往往是地震多发区(可参照图 1地震分布)；3)沿断裂带尤其在曲江断裂西北段的北侧、红河断裂中段的两侧，最大主应力方向受板块构造环境与活动构造分布控制，呈平行于断裂的拉张分布特征。
4 结语本文建立了滇西北地区三维有限元地质模型，使用2009~2016年GPS速度场数据作为数值模拟的位移边界条件，模拟获取该地区的构造应力场，并对该地区现今应力场特征分布以及未来地震危险性作出如下3点总结：
1) 楚雄至滇西北地区整体显示张性应力区；
2) 出现由“洱源鹤庆断裂-红河断裂北段-程海断裂”圈起的低值张性区，该区域内部张性应力明显低于外部，这种张应力低值区尤其在区域四周断裂边界处，往往是地壳断裂活动频发区；
3) 姚安西南侧的曲江断裂以及元谋-绿汁江断裂南端出现张性应力集中区，这也是今后重点关注的断裂结点。
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2. School of Architecture and Civil Engineering, Xi'an University of Science and Technology, 58 Mid-Yanta Road, Xi'an 710054, China;
3. The Second Monitoring and Application Center, CEA, 316 Xiying Road, Xi'an 710054, China