先存裂隙对岩墙传播的影响机制：基于埃特纳火山野外数据与数值模拟的新见解

《Journal of Structural Geology》：Effects of pre-existing fractures on dike propagation: new insights from field data and numerical modelling

本文针对岩墙传播与先存裂隙相互作用机制不清的问题，通过分析埃特纳火山1947年喷发的裂隙群和火山口，结合有限元数值模拟，揭示了先存裂隙的数量、间距及与岩墙的相对位置如何通过改变应力场来促进或抑制岩墙向上传播和新生裂隙的形成。研究成果对理解岩浆运移路径和火山喷发地点预测具有重要意义。

　　

在地球科学中，理解岩浆如何从地下深处运移到地表是预测火山喷发位置和评估灾害风险的核心问题。玄武质岩浆主要通过在岩石圈中向上贯入的、充满岩浆的垂直或近垂直裂缝——即岩墙（dike）——来穿行。传统理论认为，岩墙通常会沿着垂直于最小主应力（σ₃）的方向扩展，这可以通过岩浆的过剩压力（overpressure）张开一条新的张性裂缝来实现，也可以利用已经存在的、方向有利的裂隙，如柱状节理。然而，真实的岩墙传播路径往往比理论模型复杂得多。野外观察和模拟实验表明，岩墙的传播会受到多种因素影响，其中一个关键但尚未完全明晰的因素，就是先存裂隙（pre-existing fractures）的作用。这些先存裂隙是岩石中已有的机械不连续面，它们会如何改变岩墙尖端周围的应力场，是促使岩墙偏向先存裂隙，还是助其继续垂直向上传播？在火山活动监测和灾害评估中，厘清这种相互作用机制至关重要。

为了深入探究先存垂直裂隙对岩墙传播的影响，一组研究人员以意大利埃特纳火山（Mt. Etna）1947年在东北裂谷（North-East Rift）的喷发为天然实验室，开展了一项结合精细野外测绘和数值模拟的综合研究。他们的研究成果发表在《Journal of Structural Geology》上，题为“Effects of pre-existing fractures on dike propagation: new insights from field data and numerical modelling”。这项研究旨在回答一个关键问题：先存裂隙的几何特征（如数量、间距、与岩墙的水平和垂直距离）如何调控岩墙的传播路径以及地表新裂隙的产生？

研究人员采用了几种关键的技术方法。首先是高精度的野外地质测绘和历史资料分析，他们利用1932年和1954年的历史航空照片，通过摄影测量技术（Agisoft Metashape?软件）生成高分辨率正射影像（OMs）和数字高程模型（DEMs），精确识别并对比了1947年喷发前后裂隙的分布、走向和张开量。其次是数值模拟，他们使用有限元法（FEM，通过COMSOL Multiphysics?软件实现），构建了二维弹性模型，模拟在不同先存裂隙配置下（如单条裂隙、多条裂隙、不同间距和深度），一个具有特定过剩压力（1-3 MPa）的岩墙对其周围应力场（主要是张应力和冯·米塞斯应力（von Mises stress））的影响。模型参数（如岩石的杨氏模量（Young‘s Modulus）、岩墙厚度等）均基于埃特纳火山区的实地观测数据设定，确保了模型的可靠性。

4.1. 单一先存裂隙的作用

4.1.2. 野外数据

野外数据显示，1947年的岩墙总体上沿着一条更早的岩墙路径传播。然而，在更精细的尺度上，1947年喷发火山口的位置相对于最近的先存裂隙存在最大可达11米的横向偏移。在仅存在少数先存裂隙的区域，1947年事件期间发育了大量新裂隙；而在先存裂隙密集的区域，新形成的裂隙则很少。对14个火山口的分析表明，只有一个火山口恰好位于先存裂隙之上，6个位于未破裂地表，其余火山口与最近裂隙的偏移距离在3到11米之间。此外，1947年火山口的排列走向（N35°E）与先存裂隙的走向（N25°E）存在约10°的差异。对255个穿刺点（Piercing Points）的测量显示，1947年张裂隙的平均张开量约为42厘米。

4.1.2. 数值数据

数值模拟揭示了单一垂直张裂隙对岩墙传播动力学的影响。当岩墙尖端（dike tip）向上传播至接近先存裂隙底部（下尖端）的深度时，应力场发生显著变化。若岩墙与裂隙共线（对齐），高张应力区会从岩墙尖端向上延伸至裂隙内部，最大主应力（σ₁）保持垂直，最小主应力（σ₃）保持水平，有利于岩墙直接进入先存裂隙。若岩墙与裂隙存在水平偏移（如10米），岩墙尖端和裂隙基部之间会形成一个高张应力桥接带，且应力方向发生旋转，σ₃倾向于指向裂隙基部。这表明可能首先在岩墙尖端萌生一条朝向先存裂隙弯曲的新生裂缝，进而导致岩墙发生偏转。然而，模拟也显示，岩墙尖端上方的张应力集中度最高，且该处σ₁垂直、σ₃水平，这同样支持岩墙继续垂直向上传播。关键在于，与无裂隙的围岩情况相比，附近存在先存裂隙会使岩墙尖端的张应力值显著升高（例如，从约20 MPa增至35 MPa），这相当于给岩墙的进一步传播提供了一个“助推器”（booster）。这种应力增强效应在岩墙-裂隙距离小于10-20米时最为明显。冯·米塞斯应力（与剪切破裂相关）的分布也呈现类似的不对称模式，但在所模拟的条件下，其值通常低于产生断层活动所需的阈值。

4.2. 多条垂直裂隙在岩墙传播中的作用

4.2.1. 野外数据

野外证据表明，在先存裂隙稀少的区域（例如，某研究区南部仅有4条先存裂隙），1947年事件期间发育了13条新裂隙。相反，在先存裂隙密集的区域（同一研究区北部有12条先存裂隙），仅形成了5条新裂隙。这表明先存裂隙的密度对新裂隙的形成有调制作用。

4.2.2. 数值数据

模拟多条裂隙（2条、4条、6条、8条）对称分布于岩墙两侧的情况发现，裂隙的存在会将应力“限制”在裂隙群内部的岩体体积中。导致岩墙尖端的张应力进一步增强，且σ₁始终保持垂直，σ₃水平，这极大地增加了岩墙向上传播的概率。这种应力增强效应（“助推器”效应）在岩墙尖端深度与裂隙基部深度相近时最显著，且存在一个最优的裂隙间距（约20米）。与此同时，在裂隙群外侧的围岩中会出现“应力影区”（stress shadow），意味着地表承受的张应力和冯·米塞斯应力均显著降低。这解释了野外观察到的现象：在先存裂隙密集处，由于应力已在深部被先存裂隙网络“吸收”或“屏蔽”，地表形成新裂隙（或断层再活化）的概率大大降低。

5. 讨论

研究表明，埃特纳火山1947年岩墙总体上沿东北裂谷这一先存的薄弱带传播，符合“多重岩墙”（multiple dike）的常见现象。但局部尺度的细节，如火山口位置偏移、新裂隙数量与先存裂隙密度的负相关关系，则揭示了先存裂隙与岩墙之间复杂的三维机械相互作用。

对于单一先存裂隙，数值模拟提示了两种可能情景：岩墙可能通过弯曲的新生裂缝被“捕获”到先存裂隙中，也可能继续垂直传播。垂直传播的可能性随着岩墙-裂隙距离的增大而增加，这与观测到的火山口侧向偏移（最大11米）相符。关键在于，无论哪种情景，先存裂隙的存在都通过提高岩墙尖端的应力集中度，促进了岩墙的传播。

对于多条先存裂隙，其网络效应更加显著。它们一方面通过“应力集中”效应在深部助推岩墙向上传播，另一方面又通过“应力影”效应抑制了地表新破裂的产生。这表明先存裂隙网络扮演着双重角色：既是深部岩浆运移的“通道助推器”，又是地表破裂的“发育抑制剂”。

6. 结论

本研究通过整合埃特纳火山1947年喷发的精细野外数据和基于实际参数的有限元数值模拟，深入揭示了先存垂直裂隙对岩墙传播路径和地表变形的影响机制。主要结论包括：岩墙在宏观上倾向于沿先存裂隙带传播，但在局部尺度上可能发生偏移；单一先存裂隙可通过改变局部应力场，诱导岩墙偏转或增强其垂直传播；多条先存裂隙构成的网络会显著增强岩墙尖端的应力集中（“助推器”效应），促进岩墙向上传播，但同时会降低地表形成新裂隙的概率（“应力影”效应）。这些认识强调，在评估火山喷发风险时，必须充分考虑研究区先存裂隙的密度、间距和几何分布。将这种结构非均质性纳入岩浆运移预测模型，可以更准确地识别出发生岩墙喷发的高风险区域，从而为火山灾害评估提供更坚实的科学依据。