利用三维有限元模型评估收敛角在收缩型和伸展型走滑复式构造几何形态中的作用

《Journal of Structural Geology》：Evaluating the role of convergence angle in the geometry of contractional and extensional strike-slip duplexes using 3D finite element models

走滑断层双韧结构几何演化与应力分布受主断层收敛角控制，0度收敛纯剪变形显著，60度简单剪切为主，双韧结构可放大局部应力应变集中，缩短地震复发间隔，为地震评估和油气勘探提供新见解。

　　在地球科学领域，特别是构造地质学中，走滑断层（strike-slip faults）作为一种基本的构造结构，对地震活动和油气储层的形成具有重要影响。然而，对于收缩型和扩张型走滑断层叠合系统（duplex systems）的几何演化及其内部变形机制，目前仍存在许多未解之谜。这项研究通过使用五种三维有限元模型（3D finite element models）在Abaqus软件中进行模拟，探讨了主走滑断层的收敛角（convergence angle）如何控制这些叠合系统的几何形态、变形模式和应力分布。研究结果表明，断层陡坡（fault scarp）的发育和内部变形在很大程度上受到主断层收敛角以及叠合结构存在与否的影响。

走滑断层可以按照其运动方向分为左旋（sinistral）或右旋（dextral）类型。然而，断层的几何变化，如弯曲、错开和断开，会形成次级构造，例如限制型和释放型弯曲、拉张盆地、正负花状构造以及叠合系统。这些次级构造在走滑断层系统中起着至关重要的作用，它们不仅影响应力分布和应变集中，还决定了不同的变形机制。走滑断层叠合系统通常形成于两个主要走滑断层之间的高度破碎区域，这些断层承担着较大的位移。叠合系统由一系列斜列断层组成，这些断层结合了走滑运动与正向或反向的倾滑（dip-slip）分量。因此，走滑断层叠合系统表现出复杂的变形风格，从简单的剪切到以纯剪切为主的压紧或拉张变形。

走滑断层叠合系统的几何形态和运动学特征已被广泛研究，研究方法包括现场调查、类比实验和数值模拟。这些研究揭示了走滑断层系统在不同尺度上的行为，从脆性地壳断层到塑性剪切带。尽管现场和类比实验在一定程度上推动了对走滑断层叠合系统几何形态和运动学特征的理解，但主断层收敛角对这些系统内部变形和几何演化的影响仍然缺乏精确的量化研究。此前的研究多集中于定性描述或二维类比模型，未能充分揭示斜交收敛如何影响应力分区、断层陡坡发育和块体旋转在三维空间中的变化。

为了解决这一问题，本研究采用三维有限元模拟，以控制边界条件的方式系统地改变主断层的收敛角。尽管这些模型的尺寸小于自然断层系统，但它们遵循已建立的相似性原则进行几何和动态缩放，确保模型中的变形模式、应力比和应变集中与更大尺度的地质环境在力学上具有可比性。这种研究方法使我们能够隔离并量化主断层收敛角对变形风格和陡坡演化的影响。

研究发现，当主断层的收敛角为0°时，即断层位移方向与断层平面平行，走滑断层叠合系统的宽度和地形起伏变化最为显著。这一情况导致了以纯剪切为主的变形，而非简单的剪切变形。相反，当收敛角较大时，例如60°，叠合系统的宽度和地形起伏变化较小。在所有模型中，0°收敛角对应的模型A表现出最大的位移量，而其他模型的位移量则相对较小。此外，研究还发现，斜交收敛和叠合结构的形成会显著增强局部的应力和应变集中，表明叠合结构可能是断裂发生的潜在部位。

在相同的地质条件下，收缩型和扩张型走滑断层叠合系统达到临界应力水平的时间比简单的走滑断层更早，这意味着地震复发周期更短。这些发现有助于进一步理解断层陡坡的形成、变形分区和应力集中机制，对地震灾害评估和预测复杂断层系统中的油气迁移与聚集具有重要意义。

本研究采用的三维有限元模型能够更精确地反映自然断层系统的行为。模型的几何和动态缩放确保了在有限的规模下，能够捕捉到自然断层系统中常见的变形特征。此外，模型中的参数设置允许研究者系统地调整主断层的收敛角，以观察其对叠合系统几何形态和内部变形的影响。这种研究方法不仅能够提供更详细的力学分析，还能揭示不同收敛角下应力分布和应变集中模式的变化。

在模型中，主断层的收敛角被设定为0°、15°、30°、45°和60°，分别对应模型A、B、C、D和E。所有模型均包含一个右旋走滑断层，其倾角为90°，以模拟自然断层系统的特征。研究结果表明，不同的收敛角对走滑断层叠合系统的几何形态和内部变形模式产生显著影响。例如，在0°收敛角下，断层陡坡的发育最为明显，而在较高的收敛角下，断层陡坡的形态变化相对较小。此外，模型还揭示了在不同收敛角下，应变椭圆（strain ellipses）的形态与走滑断层系统的类型（如拉张或压紧）密切相关。

研究还发现，斜交收敛和叠合结构的形成在一定程度上加剧了局部的应力集中，这可能意味着这些区域更容易成为地震破裂的起点。因此，理解主断层收敛角对走滑断层叠合系统的影响，对于预测地震灾害和评估油气储层的形成具有重要意义。此外，研究还表明，在相同的地质条件下，走滑断层叠合系统达到临界应力水平的时间比单纯的走滑断层更短，这意味着地震的发生可能更加频繁。

这些研究结果不仅有助于加深对走滑断层叠合系统力学行为的理解，还为地震灾害评估和油气勘探提供了新的视角。例如，通过分析不同收敛角下的应力分布和应变集中模式，可以更准确地预测地震发生的可能性，以及油气在复杂断层系统中的迁移路径。此外，研究还揭示了走滑断层叠合系统在不同地质条件下可能表现出的差异，这对于地质学家在实际勘探中制定更有效的策略具有重要意义。

在实际应用中，这些研究结果可以用于指导地震灾害评估和油气资源勘探。例如，在地震灾害评估中，了解走滑断层叠合系统的几何形态和应力分布可以帮助预测地震的发生区域和强度。而在油气资源勘探中，通过分析走滑断层叠合系统的内部变形和应力集中模式，可以更准确地预测油气的迁移路径和聚集区域。此外，这些研究结果还可以用于改进现有的构造地质模型，使其更符合实际地质条件。

总的来说，这项研究通过三维有限元模拟，系统地探讨了主断层收敛角对走滑断层叠合系统几何形态和内部变形的影响。研究结果表明，主断层收敛角在很大程度上决定了这些系统的变形模式和应力分布。此外，研究还发现，斜交收敛和叠合结构的形成在一定程度上加剧了局部的应力集中，这可能意味着这些区域更容易成为地震破裂的起点。这些发现不仅有助于加深对走滑断层叠合系统力学行为的理解，还为地震灾害评估和油气资源勘探提供了新的视角和方法。