（固体地球物理学专业论文）仙女山断层现代构造应力场的有限元分析.pdf

- 产 m l | i i i il li 1 li ii i ii ii ii if y 1818 3 2 7 t h i ss t u d yi sap a r to fs o c i a lc o m m o n w e a ls p e c i a lp r o j e c t s t u d yo ns e i s m i ce n v i r o n m e n t i m p a c ta n d h a z a r dw a r n i n ga f t e ri m p o u n d m e n to ft h r e eg o r g e se n g i n e e r i n g a n di s f i n a n c i a l l ys u p p o r t e db ym i n i s t r yo fs c i e n c ea n dt e c h n o l o g y m a s t e r 8d e g r e ed i s s e r t a t i o n f i n i t ee l e m e n t a n a l y s i so f c u r r e n tt e c t o n i c s t r e s sf i e l di nt h ex i a n n u s h a nf a u l t m a s t e rc a n d i d a t e ：w a n gl i f a n g m a j o r ：s o l i d - g e o p h y s i t s r e s e a r c h ：a p p l i c a t i o no fs e i s m i cg e o h a z a r d w i t hf i n i t ee l e m e n tm e t h o d i n s t i t u t eo fs e i s m o l o g y c h i n ae a r t h q u a k ea d m i n i s t r a t i o n 呦a n 。c h i n a j u n e ，2 0 0 6 t 学位论文版权使用授权书 本人完全了解中国地震局地震研究所关于收集、保存、使用学位论文的 规定，同意如下各项内容：按照地震所要求提交学位论文的印刷本和电子版 本；地震所有权保存学位论文的印刷本和电子版，并采用影印、缩印、扫描、 数字化或其它手段保存论文；地震所有权提供目录检索以及提供本学位论文 全文或者部分的阅览服务；地震所有权按有关规定向国家有关部门或者机构 送交论文的复印件和电子版；在不以赢利为目的的前提下，地震所可以适当 复制论文的部分或全部内容用于学术活动。 学位论文作者签名：多厕芳 妒名年多月彩e l 经指导教师同意，本学位论文属于保密，在加卢年解密后适用本授权 书。 指导教师签名： 尿1 缉多只 学位论文作者签名：互厕葛 渺吝年占只西e l 亍 ，亥稠 中国地震局地震研究所 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，进行研究工 作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本学位论文的研究成果不 包含任何他人创作的、已公开发表或者没有公开发表的作品的内容。对本论 文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集体，均已在文中以明确方式表 明。本学位论文原创性声明的法律责任由本人承担。 签名：踊芎 矽口多年多月“e l 弓 l l l p 中文摘要 中文摘要 断层的蠕动、破裂是构造应力场在局部地区集中的产物，因此研究断层活 动性的根本途径就是研究断层所在区域构造应力场的分布与演化规律。仙女山 断层是三峡库首附近区域内一条活动性断层。该断层不仅规模大，构造变形复杂， 且现今构造活动明显，直接关系到三峡坝址区域稳定性的评价。自三峡工程论 证以来，许多学者对该断层开展了多方面的研究，取得了大量成果，本文中作 者在前人研究的基础上进一步对仙女山断层现代构造应力场进行了有限元数 值模拟，以探讨该断层的精细特征。 为了分析仙女山断层的现代构造应力场，本文在对仙女山断层的特征和现 代构造应力场研究成果进行总结分析的基础上，以有限元的原理和计算方法为 指导，应用f o r t r a n 语言编写了二维平面有限元线性静力分析程序，并用此程序 对仙女山断层的现代构造应力场进行数值模拟。考虑到仙女山断层是否过江的 争议，对过江和不过江两种情况进行了模拟。另外，由于时间所限，程序未能 编制出有限元分析的前后处理部分，因此采用a n s y s 软件实现了模拟过程的 前后处理。 在模拟过程中，通过对四种边界加力方案下的模拟结果图件：x 方向位移 图、y 方向位移图、最大剪应力图等进行分析，并将模拟结果与地壳形变实测 结果、地震资料、有限点位的地应力资料进行对比分析后，发现：n e 4 0 。加力 下的模拟结果与形变、地震、原地应力测量等方面资料具有很好的一致性；在 此基础上，把n e 4 0 。加力下过江模型与不过江模型的模拟结果进行比较，发 现：过江与不过江的仙女山断层模型的模拟结果基本一致，与上述资料分析相 吻合，但是模型中仙女山断层过江段所体现出的运动学性质与上述资料分析存 在很大差异。 本文在以上研究的基础上，得出结论：仙女山断层可能在荒口风吹垭一带 终止，在地壳浅部1 5 k i n 处没有穿过长江：该断层现代构造应力场的优势方向 为n e 4 0 。左右，在这种应力场作用下，仙女山断层活动幅度和强度不大，不 具备发生强地震的地质构造背景。 【关键词】仙女山断层，构造应力场，有限元 ，_p 冬。； ，l r a b s l l r a c t a b s t r a c t t h ea c t i v i t i e so ff a u l t ，s u c ha sc r e e p s ，r u p t u r e sa r er e s u l to ft e c t o n i cs t r e s s c o n c e n t r a t i o ni nl o e a la r e a s oi n v e s t i g a t i n gt h ed i s t r i b u t i o na n de v o l u t i o no f t e c t o n i cs t r e s sf i e l di nf a u l t sa r e ab e c o m e st h ee s s e n t i a la p p r o a c ht os t u d yf a u l t a c t i v i t i e s t h ex i a n n u s h a nf a u l ti so n eo fa c t i v ef a u l t sn e a rr e s e r v o i rh e a dr e g i o n o ft h et h r e eg o r g e s i ti sc h a r a c t e r i z e db yw i d er a n g e ，c o m p l e xt e c t o n i c d e f o r m a t i o na n do b v i o u sa c t i v i t i e s ，t h u si t d i r e c t l y c o r r e l a t e st o a p p r a i s a l o f s t a b i l i t yo ft h et h r e eg o r g e sd a mr e g i o n s of a rl o t so fc h i n e s es c h o l a r sh a v e s t u d i e dt h ex i a n n u s h a nf a u l ta n do b t a i n e dm a n yp r o d u c t i o n s b a s e do nt h e s e s t u d i e s ，t h ea u t h o rs i m u l a t e sm o d e r nt e c t o n i cs t r e s sf i e l di nt h ex i a n n u s h a nf a u l t i nt h i sd i s s e r t a t i o ni no r d e rt od i s c u s si t se l a b o r a t ef e a t u r e s i nt h i sd i s s e r t a t i o n ，o nt h eb a s i so fi n v e s t i g a t i n gt h ef e a t u r e sa n dr e s u l t so f t e c t o n i cs t r e s sf i e l di nt h ex i a n n u s h a n f a u l t ，t o g e t h e r w i t ht h e o r ie sa n d c a l e u l a t i o n a lm e t h o d so ft h ef i n i t ee l e m e n t ，2 一ds t a t i cf i n i t ee l e m e n tp r o g r a mo f l i n e a rh a sb e e nc o m p i l e da n di ti su s e dt os i m u l a t em o d e r nt e c t o n i cs t r e s sf i e l di n t h ex i a n n u s h a nf a u l t c o n s i d e r i n gt h ed i s p u t ew h e t h e rx i a n n u s h a nf a u l tg o e s t h r o u g ht h ey a n g t z er i v e ro rn o t ，t w om o d e l so fg o i n gt h r o u g ht h ey a n g t z er i v e r o rn o ta r er e s p e c t i v e l ya d o p t e dd u r i n gs i m u l a t i n g f u r t h e r m o r e ，t h ep r e p r o e e s s i n g a n dp o s t - p r o c e s s i n go ft h ef i n i t ee l e m e n th a v e n tb e e nc o m p i l e di nt h ea b o v e p r o g r a mb e c a u s eo fl i m i t e dt i m e s ot h e s ec a l c u l a t i o n si nt h i sd i s s e r t a t i o nh a v e b e e nc a r r i e do u tb ya n s y ss o f t w a r e d u r i n gs i m u l a t i o n ，b ya n a l y s i so fm o d e l i n gp i c t u r e ss u c h a sxd i r e c t i o n d i s p l a c e m e n tp h o t o g r a p h ，yd i r e c t i o nd i s p l a c e m e n tp h o t o g r a p h ，t h em a x i m u m s h e a r i n g s t r e s s p h o t o g r a p h ，a n db yc o m p a r i n g w i t ht h ed a t af r o mc r u s t a l d e f o r m a t i o n ，s e i s m o l o g ya n di n i t i a lg e o s t r e s s ，w ef i n d o u tt h a tt h es i m u l a t i n g r e s u l t si nn e 4 0 o d i r e c t i o ns t r e s sf i e l da r ec o n s i s t e n tw i t ht h ed a t aa b o v e o nt h e b a s i so ft h e s e ，b yc o m p a r i n gw i t ht h es i m u l a t i n gr e s u l t sf r o mt h em o d e l sw h e t h e r t h ex i a n n u s h a nf a u l tg o e st h r o u g ht h ey a n g t z er i v e ro rn o t ，w ef i n dt h a tt h et w o r e s u l t sa r ea p p r o x i m a t l yt h es a m ea n da g r e ew i t ht h ed a t af r o mc r u s t a ld e f o r m a t i o n ， s e i s m o l o g ya n di n i t i a lg e o s t r e s s ，b u tk i n e m a t i cf e a t u r e so ft h es e c t i o nw h i c ht h e x i a n n u s h a nf a u l t g o e st h r o u g ht h ey a n g t z er i v e ri nt h em o d e la r e n t c o n s i s t e n t w i t ht h ed a t aa b o v e a c c o r d i n gt ot h ea b o v ea n a l y s i s ，w ec o n s i d e rt h a t ：f i r s t l y ，t h ex i a n n u s h a n f a u l tb e l td i s a p p e a r sf e n g e h u i y ai nh u a n g k o us e c t i o na n dd o e s n tg ot h r o u g ht h e i i i 中国地震局地震研究所硕士学位论文 y a n g t z er i v e ra t15 k mo fc r u s t a ls u r f a c el a y e r ；s e c o n d l y ，t h ed o m i n a n to r i e n t a t i o n o fm o d e r nt e c t o n i cs t r e s sf i e l do ft h ef a u l ti sa b o u tn e 4 0 。a tt h i ss t r e s sf i e l d ， t h ef a u l ta c t i v i t yi s n ti n t e n s i v e ，a n di ti s i m p o s s i b l et h a tt h ef a u l tw i l li n d u c e s t r o n ge a r t h q u a k e s k e y w o r d s ：x i a n n u s h a nf a u l t ，t e c t o n i cs t r e s sf i e l d ，f i n i t ee l e m e n t i v -i，、，；， 目录 目录 中文摘要 a b s t r a c t i i i 目录 第一章绪论 1 1 论文的选题1 1 2 研究现状及存在问题1 1 3 论文思路与内容3 第二章仙女山断层的构造特征与研究成果 2 1 研究意义与研究现状一5 2 2 构造特征- 6 2 3 几何学特征- 7 2 4 活动特点8 - 2 5 断层带的成生与演化进程一l o 一 2 6 ，j 、结一ll - 第三章仙女山断层现代构造应力场分析- 1 3 3 1 形变资料分析一1 3 3 2 地震资料分析1 6 - 3 3 地应力测量资料分析一1 9 3 4 小结一2 0 一 第四章有限元方法一2 3 - 4 1 有限元法简介2 3 4 2 有限元法原理一2 4 4 3 有限元软件- 2 9 - 4 4 本文选择的有限元程序- 3 l - 4 5 ，j 、结一3 l v 中国地震局地震研究所硕士学位论文 第五章断层构造应力场有限元分析程序设计3 3 5 1 断层构造应力场分析与有限元方法的结合3 3 5 2 程序开发语言选择3 3 5 3 程序的主要功能与结构3 4 5 4 程序涉及的单元类型3 5 5 5 程序的输入输出数据及前后处理实现一3 7 5 6 小结3 7 第六章仙女山断层现代构造应力场3 9 有限元数值模拟及结果分析3 9 6 1 现代构造应力场的数值模拟3 9 6 2 现代构造应力场的数值模拟结果分析4 5 6 3 仙女山断层活动性分析5 3 6 4d 、结5 4 第七章结论与展望5 7 7 1 结论5 7 7 2 展望5 8 参考文献5 9 j 致谢6 3 作者简介6 5 v i ： 一 ， 第一章绪论 1 1 论文的选题 第一章绪论 断层的蠕动、破裂是构造应力场在局部地区集中的产物，因此研究断层活 动性的根本途径就是研究断层所在区域构造应力场的分布与演化规律。 三峡工程是世界上最大的水利水电工程，它的建成给国家带来了巨大的经 济效益，同时也引发了一系列地质、资源、气候、生态、地震等问题。在其地 震问题中，仙女山断层的规模与活动性问题一直是地震学家关注的重点。仙女 山断层位于三峡库首附近区域，距三斗坪大坝最近点约2 0 k m ，被认为是有水 库诱发地震背景和条件的活动性断层。该断层不仅规模大，构造变形复杂，且 现今构造活动明显，直接关系到三峡坝址区域稳定性的评价【l 】。自三峡工程论 证以来，许多学者对该断层开展了多方面的研究，取得了大量成果，本文中作 者在前人研究的基础上进一步对仙女山断层现代构造应力场进行了有限元数 值模拟，以探讨该断层的精细特征。 1 2 研究现状及存在问题 1 2 1 国内外断层构造应力场有限元模拟现状 有限单元法是在2 0 世纪5 0 年代后期随着电子计算机的发展迅速兴起的一 种数值计算方法。在地球科学中，由于地质构造形态的复杂性、地球介质的不 均匀性、岩石物理性质的多样性，在有限元方法出现之前，只能进行一些简单 理想的情况分析。6 0 年代后期有限元方法被引入地质构造分析以来，由于它具 有的优越性而得到迅速推广，对地球科学的定量分析做出了重要贡献1 2 j 。 采用有限元方法数值模拟反演构造应力场、应变场并分析断层形成机制已 有多年历史。在国外，n e u g e b a u e r 和t e m m e 【3 】对地壳隆起和破裂带扩展的模拟， b o t t 【4 】对地堑形成机制的模拟，m i t h e n 【5 】对正断层发育的模拟，b a s s i l 6 1 对大陆 裂谷样式控制因素的模拟，m a n d l 7 l 对逆冲岩席内应力和断层发育模拟等许多实 例说明了这种方法在断层动力学分析方面具有积极作用。在国内，王仁等p j l9 8 2 年提出一个反演方案，通过对某个地区历史上的地震序列资料的拟合，运用有 限元方法，追溯应力场随时间的变化，从而反演构造应力场；2 0 世纪8 0 年代 以来相继有梅世蓉【9 1 ，张东宁【1 0 】等用有限元方法研究全国一些地区的构造应力 场；汪素云】，杨光宇【1 2 】等做过中国及邻区现代构造应力场模拟研究，詹文欢 中国地震局地震研究所硕士学位论文 【1 3 】等做过南海及邻区现代构造应力场形成研究，宋惠珍，袁登维【1 4 】等做过三 峡地区的现代构造应力场研究等。 1 2 2 仙女山断层现代构造应力场研究及有限元模拟现状 近年来，在研究三峡地区的蓄水、地震和围岩稳定性问题时，一些学者用 有限元方法对三峡地区的构造应力场进行了数值模拟，由于仙女山断层是三峡 库区重要的活动断层，这几次模拟中都有涉及，这些学者也都在模拟结果中对 仙女山断层的现代构造应力场进行了分析。其模拟情况大致如下： 1 严尊国【1 5 】，高锡铭f m 】，李蓉川【1 7 】以震源机制解、p 波初动资料为基础， 结合地应力测量资料，确定了三峡地区现代构造应力场的最大主压应力方向， 并对区域现代构造应力场进行了分区； 2 宋惠珍等在分析研究地质资料的基础上，结合3 0 多年震源机制解资料、 地球物理资料、地应力测量资料，给出地壳分层结果，结合弹性力学参数，建 立地质模型，利用线弹性有限元程序进行各节点位移和各单元应变、应力计算， 获得了区域地壳各层及各深度范围内的最大主压应力、最小主压应力、最大剪 应力以及应变等各种等值线图件，探讨了仙女山、九湾溪和天阳坪断层所组成 的“k 字形构造的应力场分布特征与地震的关系； 3 袁登维 1 4 1 等结合近年来的形变、地震和地应力测试资料，用平面四边形和三角 形单元模拟了三峡及邻区和三峡库首区的现代构造应力场，探讨了三峡工程的稳定性； 4 李细光l l ”博士利用三峡水库诱发地震监测网络的数据，采用三维8 节 点结构实体单元模拟了三峡水库蓄水前后库首区的现代构造应力场，探讨了仙 女山断层蓄水前后的应力特征与地震的关系。 1 2 3 存在问题 前人对仙女山断层现代构造应力场的数值模拟研究取得了大量成果，对分 析仙女山断层的活动性起到了积极的作用，但是也存在一些问题： 1 宋惠珍对仙女山断层现代构造应力场的数值模拟研究，是采用三维有 限元模型进行的，对断层的平面、剖面应力场都进行了模拟。限于计算采用的 资料，结果只能是定性的。 2 袁登维【1 4 】对仙女山断层现代构造应力场的数值模拟研究采用了二维有 限元模型，且对三峡工程及其邻区的构造应力场都进行了模拟。限于计算所采 用单元，求解精度稍差。 3 李细光【l8 】对仙女山断层现代构造应力场的数值模拟研究，也是采用三 。 国家地震局地震研究所“七五”国家重点科技攻关项目成果“长江三峡地区区域应力场及蓄水 对其影响的模拟研究”1 9 8 9 2 八 第一章绪论 维有限元模型进行的，且提出了研究区现代构造应力场纯剪切变形机制的存 在，但三峡库首区断层震源深度一般为1 5 k m 以内1 4 】【1 9 儿2 们，而模拟中在l2 k i n 深度施加位移约束，降低了模拟结果的可靠性。 4 以上模型中未见考虑仙女山断层是否过江的问题，模拟都仅仅限于仙 女山断层( 渔洋关至荒口段) 。 1 3 论文思路与内容 论文思路：在对仙女山断层的特征和现代构造应力场研究成果进行总结分 析的基础上，构造研究区( 地图区域为东经l0 9 。5 8 1 1l 。5 07 ，北纬2 9 。 5 8 3 l 。3 6 ) 的平面地质模型。考虑到断层带内外岩石力学性质的差异，断 层带内外选取两种不同的力学参数，建立研究区的几何计算模型。为了适应区 域内断层不规则边界的要求，提高求解精度，选用二维等参单元进行计算。在 模拟的过程中，采用四组边界加力方向( n e 4 0 。、n e 6 0 。、n w 3l0 。和n w 3 3 0 。) ，并把计算结果与研究区地形变测量、震源机制解和地应力测量分析得出的 现代构造应力场进行比较，以此为标准判定研究区的现代构造应力场特征，在 此基础上对仙女山断层的活动性进行分析。此外，在模拟过程中，考虑了广大 学者对仙女山断层是否过江的争论，对过江和不过江两种情况进行模拟计算。 实现手段：在了解有限单元法原理和计算方法的基础上，结合学习和论文 的需要，用f o r t r a n 语言编写了二维平面有限元线性静力分析程序，并用此程序 对仙女山断层的现代构造应力场进行了模拟计算。在程序编制过程中，由于时 间所限，未能编制出有限元分析的前后处理部分，因此采用a n s y s 软件实现 了模拟过程的前后处理，完成了论文的撰写。 论文的主要内容如下： 1 对仙女山断层的构造特征与研究成果进行总结，具体包括：研究意义 与研究现状、构造地貌特征、几何特征、活动特点和断层带成生与演化进程。 2 通过形变测量资料、地震资料和地应力测量资料对仙女山断层带现代 构造应力场进行了分析。 3 对有限元法的产生和发展、应用范围、相关原理、工具软件及本文选 择的程序等做了简要介绍。 4 阐述了二维平面有限元线性静力分析程序的设计思路，包括程序的开 发语言，程序的主要功能特点与结构，程序涉及的单元类型、程序输入输出数 据及前后处理的实现。 5 用本文开发的二维平面有限元线性静力分析程序对仙女山断层现代构 造应力场进行了数值模拟，并用a n s y s 完成计算的前后处理，在此基础上对 仙女山断层的规模、活动特征等进行分析。 3 第二章仙女山断层的构造特征与研究成果 第二章仙女山断层的构造特征与研究成果 2 1 研究意义与研究现状 仙女山断层是库首附近区域内一条活动断层，距三斗坪大坝最近点约 2 0 k m 2 0 】，被认为是有水库诱发地震背景和条件的活动性断层。仙女山断层不仅 规模大、构造变形复杂，且现今构造活动明显，是三峡库区重要的发震断层之 一 2 h 。该断层自三峡工程论证以来一直倍受地震地质学家的特别关注，开展 了大量研究。19 6 4 年马宗晋在研究仙女山断层活动性时认为该断层在喜马拉雅 山运动早期曾遭受了大致南北方向的挤压【2 2 】；1 9 8 4 年邹定元在考察仙女山断层 地貌时提出该断层最大水平错距为6 3 0 0 米，不是位于该断层的中点附近，而 是位于中点以北14 公里的鲁家湾附近【2 3 】； l9 9 1 年胡毓良、刘忠书等认为仙 女山断层是一条新型的走向滑动断层，并把它命名为两盘同向差异断错运动型 的走向滑动断层o ；19 9 6 年，李安然等分析了仙女山断层的活动特征，认为仙 女山断层是峡东区一条重要的活动构造带【l 9 1 。 在仙女山断层的研究工作中，断层是否北延穿过长江一直是个颇受争议的 话题，广大学者对此各持见解。 l9 8 4 年，周明礼提出仙女山断层是一条穿过长江活动的基底断裂【2 4 】；l9 9 3 年，杨淑贤、周明礼等再次声明了仙女山断层过江的观点，认为仙女山断层带 自南而北由桥沟断层、都镇湾断层、仙女山断层和香溪河断层组成，北段在香 溪过长江1 2 5 】；1 9 9 4 年，李坪等认为，仙女山断层南起于渔阳关，向北止于荒口 村，全长l0 0 余公里。且断层在荒口村以南是直接露出地表，在荒口村以北， 沉积盖层中虽未见到相应的大断层，但区域重力布格异常和磁异常都反映出基 底被错断的迹象。因此，李坪等从地震地质的角度着重指出仙女山断层过江在 结晶基底中继续北延十余公里后消失i lj 。 l9 6 4 年，马宗晋在秭归三角形盆地形成的力学机制分析中指出，仙女山断 层不应延入秭归盆地内部或形成弧形断层，第一次隐晦地阐述了仙女山断层没 有穿过长江的观点1 2 2 j ；l9 8 6 年，袁登维、吕振维在应用遥感遥测手段研究长江 三峡水利枢纽的地壳稳定性时指出，仙女山断层北至荒口风吹垭一带终止，至 少在地壳浅部没有北延穿过长江【2 卅；1 9 9 1 年，胡毓良等人通过对仙女山断层实 地考察及对该区地震资料的研究认为，仙女山断层长约9 0 公里，南起于渔阳 关，北段在鸡鸣寺以北( 蒲庄河东南) 终止，至少在地壳浅部没有北延穿过长 国 国家地震局地震研究所“七五”国家t tt g 科技攻关项目成果报告“长江三峡工程库坝区水库诱 发地震的地质条件研究”1 9 9 1 5 中国地震局地震研究所硕士学位论文 江；l9 9 5 年，谭成轩、王瑞江等认为仙女山断层带南起于渔洋关，北延至荒 口一带后消失于嘉陵江组灰岩中，没有穿过长江，对长江三峡枢纽工程并不构 成威胁【2 7 1 【2 8 】；19 9 6 年，袁登维、梅应堂等在对仙女山断层活动性研究中指出， 仙女山断层南起于渔洋关，北止于秭归荒口以北风吹垭，全长8 0 余公里，从 荒口以北断层延入嘉陵江组灰岩中，其形迹逐渐减弱至消失，没有北延穿过长 江【14 1 。 2 2 构造特征 仙女山断层带位于黄陵背斜西南部，由数条北西3 4 0 。3 5 5 。乃至近南北 向断层斜列组成，全长约9 0 k m 。断层南起五峰县渔洋关，向北经桥沟、长阳 县都镇湾、青林口、秭归县花桥场、老林河、周坪，在荒口以北消失于三迭系 嘉陵江组灰岩中1 2 引。 仙女山断层带自南而北可分为三段，分别称之为桥沟断层、都镇湾断层和 ( 仙女山) 荒口断层1 2 引。 ( 1 ) 桥沟断层：北起长阳九里坪，经五峰县桥沟直达渔洋关以北的大坡脑， 全长约12k m 。断层总体走向北西3 4 0 。3 5 0 。，在刘坪以南走向逐渐变为北 东l0 。2 0 。倾向东，倾角5 0 。8 0 。 该断层切割寒武系一奥陶系地层，断层带一般宽5m ，桥沟一带最宽达2 0 m 。构造岩主要由角砾岩、糜棱岩组成，局部可见叶片状构造岩，其片理方向 与断层走向往往形成10 。l5 。交角。结合断层面上一组斜擦痕和断层两侧地 层牵引现象考虑，断层具有张扭力学特征【l9 1 。 ( 2 ) 都镇湾断层：断层北起秭归金柱头，南经花桥、长阳鲁家湾、青林口、 都镇湾、晓溪，消失于灰溪以南胡家脑一带的上寒武系一下奥陶系灰岩中，全 长约5 0k m 。 都镇湾断层主要由3 4 条走向为北西3 4 0 。3 5 0 。的断层组成。在鲁家 湾以北，断层逐渐转为南北向，并向北东5 。方向延伸。断面倾向南西西北 西西，倾角一般为7 0 。，局部直立。在断面上多处可见两组相互交切的擦痕和 方解石脉，表明断层经历过多次活动。 都镇湾断层带宽约l0m ，最宽可达2 0m ，主要由糜棱岩、角砾岩和碎裂 岩组成。在笔架山一带主断面上，还往往见有厚约0 5m 左右的叶片状构造岩， 其片理走向一般为北西西向，与断面呈3 0 。4 0 。的交角，属该断层的压性结 构面，表明都镇湾断层具有压扭性力学特征。由于断层斜切长阳复式背斜，致 使组成背斜的地层右行错动达4 0 0 0m 。 o 国家地震局地震研究所“七五”国家重点科技攻关项目成果报告“长江三峡工程库坝区水库诱 发地震的地质条件研究”1 9 9 1 6 专 ， 第二章仙女山断层的构造特征与研究成果 ( 3 ) 荒口断层：由近南北向( 北北西一北北东) 延伸的( 仙女山) 荒口断 层、路口子断层和九湾溪断层组成，主干断层北起秭归风吹垭，经荒口、周坪、 槐树坪、王家岔，消失于庙包一带的寒武一奥陶系地层中，全长约2 0 k m 。 该断层由2 3 条走向北西3 4 0 。3 5 0 。的断层平行排列而成，切割寒武 系一白垩系地层，在周坪至荒口段，常见二迭系和三迭系推覆在白垩系之上的 现象。断层挤压破碎带一般宽3 0 5 0 m ，主要由糜棱状角砾岩、片状构造岩和 碎裂岩组成，其片理方向往往与主断面走向一致。在周坪黑槽、荒口一带，常 形成陡立的构造岩带，并在“镜面”上发育两组清晰的擦痕。一组近于水平， 其阶步显示断层具有右行平移特征；另一组向南倾斜，倾角4 0 。5 0 。，阶步 显示断层西盘向北斜冲。 2 3 几何学特征 在现代构造应力场作用下，仙女山断层呈现出以下几何学特征： 1 仙女山断层位于黄陵背斜西南侧，在各种卫星像片上均表现为一条十分 醒目的线性构造，断层各段的走向虽略有变化，但总体上明显呈北北西向直线 延伸； 2 仙女山断层的断层面产状较陡，一般倾角6 5 。8 0 。，有的近于直立。 断层面比较平直光滑，产状比较稳定； 3 仙女山断层经渔阳关、桥沟、都镇湾、青林口、老林河、周坪达荒口一 带，长近9 0 公里，由三条较大的次级剪性断层即桥沟断层、都镇湾断层和荒 口断层( 仙女山断层) 星右阶羽列组成，并形成将军山和花桥场两个拉分性质 的阶区。其中荒口断层由四条更次一级的剪性断层组成，它们呈右阶羽列分布， 并形成神天观、黑槽和崔家坪三个拉分性质的阶区； 4 仙女山断层走向约为3 4 0 。左右，它与走向近东西向的长阳背斜及资丘 向斜呈大角度相交，交角6 0 。7 0 。，与区域主压应力方向的交角约为4 5 。； 5 仙女山断层在南端渔阳关分叉呈轴状向西南方向撒开，它主要由数条张 性断层组成，形成了一个尾端张性构造： 6 在贺家坪下青林口以北鲁家湾一带，断层西盘的下古生界背斜与断层东 盘的上古生界向斜相对邻接，使两盘同一地层之间的垂直间距沿断层走向变化 难夺七 1 4 i t 9 j 【2 0 j 【2 9 】国 性0 o 国家地震局地震研究所“七五”嗣家重点科技攻关项目成果报告“长江三峡工程库坝区水库诱 发地震的地质条件研究”1 9 9 l 9 水利部长江勘测技术研克所“八五一国家重点科技攻关项目成果报告。长江三峡工程区牛口、 水田坝等断层活动性研究与地震危险性评价”1 9 9 5 7 一 中国地震局地震研究所硕士学位论文 2 4 活动特点 自燕山运动形成以来，仙女山断层经历了多期构造运动( 图2 1 ) ，早期 主要以右行扭动兼压性活动，晚期则以压剪性活动为主的活动特征。新构造期 以来，鄂西地区在大面积隆起的影响下，断层除继承一定的压剪性活动特征外， 主干断层还表现出右行张剪性的倾向错动【2 们。 时至今日，仙女山断层仍在活动，但活动幅度和强度不大【3 0 1 ，主要以右旋 走滑为主，并兼有西盘下降的张性活动特点 。其活动证据大致如下： 1 新构造活动方面1 3 i j 【3 引。仙女山断层北段活动明显：两侧山原期夷平面 东高西低，与区域上西高东低的趋势相反，断层崖、河谷和古滑坡沿带分布， 断层带两侧河谷阶地不对称，表现为东盘相对掀斜上升；中段与北段有明显差 异，山原期夷平面西高东低，高差2 0 0 m 左右，断层崖和古滑坡相对较少，过 断层带水系没有明显的同步扭动趋势，也没有切割第四系的痕迹；南段新构造 活动较弱，断层崖和古滑坡较少，沿带串珠状分布岩溶洼地。 2 据断层泥中石英碎砾形貌特征、方解石穿插关系和方解石双晶纹发育 指数及变形程度i ”l 判断，仙女山断层主要反映为地表浅层脆性破裂特征，于 上新世晚期至中更新世该断裂有过明显活动。 3 从现今对仙女山断层的地震地质观察和地壳形变测量观测表明，仙女 山断层西盘相对向北平均位移速率为0 1 2 毫米年，向下垂直移动速率为0 0 7 毫米年，运用地震矩求得的仙女山断层带的平均滑动速率为0 0 9 毫米年 ； 4 仙女山断层带于荒口、周坪等地段地气汞、吸附汞、全汞测定，均显 。 国家地震局地震研究所“七五一国家重点科技攻关项目成果报告“长江三峡工程库坝区水库诱 发地震的地质条件研究”1 9 9 l 圆 水利部长江勘测技术研究所“八五一国家重点科技攻关项目成果报告“长k - _ - 峡工程区牛口、 水田坝等断层活动性研究与地震危险性评价”1 9 9 5 o 西 国家地震局地震研究所“七五”国家重点科技攻关项目成果“三峡库首附近地区主要断裂带断 层泥的成份与结构特征研究”1 9 8 9 国家地震局地震研究所“七五”国家重点科技攻关项目成果“三峡库首附近地区主要断裂带显 微构造研究”1 9 8 9 中国地质科学院城市与工程场地稳定性研究中心长江三峡工程库坝区主要断裂变形特征初步 研究报告1 9 8 9 国家地震局地震研究所。七五”国家重点科技攻关项目成果“长江兰峡地区区域应力场 及蓄水对其影响的模拟研究”i9 8 9 8 ， 第二章仙女山断层的构造特征与研究成果 一茎 亩 一 餐 窿 霸 辑 叫 嚣 醐 团 隧 柑 示有明显的异常反映，异常带多出现在断层上盘，断层附近的破碎带及裂隙带 也有显示p 4 。 5 3 0 多年通过仪器记录了仙女山断层带附近近2 0 余次小于3 级的地震， 3 次大于3 级的地震。最大地震为1 9 6 1 年断层南端东侧约l o k m 宜都潘家湾 m s 4 9 级地震，震源深度1 4 k m ；其次为19 9 1 年断层南端长阳西m s 3 7 级地震， 震源深度8k m ；1 9 7 2 年断层北端周坪m s 3 3 级地震，震源深度1 0k m1 2 7 1 。经 9 匝糖惰烬r毯鲫爨凶粗毒f舌ii；h鉴鳟半hz匝 襄箨害襄藉今蓄哆譬聋翼器冀黎 鍪翳景占碳森篓心臻蒂口嗣岔 冀fil薯孝 粕蕾也瓣直培i暂糕岳职川鞋帆毽萝i乏抽精烈丁_裂狳敞岳鞭直瓣my匆智囊臣瓣d 中国地震局地震研究所硕士学位论文 研究，这些地震的震源破裂方向多呈北北西向，显示了该区主干断层即仙女山 断层的控制作用【2 9 1 ，也证实了该断层现今仍有活动，只是活动强度较弱。 总之，研究者认为【3 0 1 ，仙女山断层至今仍有活动，只是活动强度较弱，运 动呈蠕动型。不易孕育较大的破坏性地震。 2 5 断层带的成生与演化进程 仙女山断层带的演化进程可分为五个时期：燕山运动早期与中期、燕山运 动晚期、喜马拉雅运动早期、喜马拉雅运动晚期和新构造运动时期【2 9 1 。 1 燕山运动早期与中期 仙女山断层带成生于燕山运动早期，定型于燕山运动中期。这时期，北西 西一南东东向主压应力作用的新华夏构造体系应力场，在黄陵背斜和秭归盆地 的抵制、干扰下，区域应力场作用方向发生分解和产生新的合成，形成了近南 北向作用的局部应力场，导致黄陵背斜与秭归盆地南侧的长阳复背斜呈北西西 向延伸，而横切长阳复背斜的仙女山断层则呈张扭性错动，形成了一套碎裂岩 和断层角砾岩，并控制着早白垩纪仙女山断陷盆地的发育，堆积了厚达3 0 0 m 的陆相碎屑物。 2 燕山运动晚期 燕山运动晚期，黄陵背斜的强烈隆起诱导了仙女山断陷盆地由负向转为正 向隆升，并派生了比较强烈的侧向压应力，呈北东方向作用于仙女山断层带上， 导致主断层形成了一套厚1 5 m 的片状构造岩或糜棱岩，穿插于碎裂岩、角砾 岩带之中，呈压扭性【3 们，右行平移错动形迹显著。但是，这种现象只表现在仙 女山断层北段和中段北部，南段的压扭性质已不明显。 3 喜马拉雅运动早期 喜马拉雅运动早期在近南北向的区域应力场作用下，北北西向的仙女山断 层带理应呈右旋的张扭性错动。事实上，由于受到黄陵背斜继续隆起及其派生 侧压的影响，该断层带的北段和中段北部仍然呈右旋的压扭性错动，并形成了 构造透镜体带，穿插于角砾岩带和片状构造岩带之中，透镜体中含有早期角砾 岩成分。在北段根据透镜体的排列，可以确定其受力方向为7 0 。左右。显然， 这种局部应力场的变化，包含了黄陵背斜隆起派生侧向应力的合成作用。值得 注意的是，这些构造透镜体在长阳复背斜轴以南至今尚未见到其踪迹。 4 喜马拉雅运动晚期 喜马拉雅运动晚期，区域应力场的主压