利用VOF方法模拟湖泊沉积物中由地震引起的软沉积物变形结构：以中国西部的塔什库尔干为例

《Journal of Structural Geology》：Simulating seismically triggered soft-sediment deformation structures in lacustrine sediments with VOF method: a case from Tashkorgan, western China

　　

摘要

湖泊沉积物中的地震生成软沉积物变形结构（SSDSs）被认为是古地震事件的宝贵地质记录。然而，它们的形成机制及其与地震强度的定量关系仍未得到很好的解释。我们之前的研究调查了在中国西部塔什库尔干地区湖泊地层中由地震引起的沙液化作用和粉粘土触变作用形成的显著粉粘土柱状结构。在这项研究中，我们应用ANSYS Fluent软件中的体积守恒（VOF）方法来模拟这些“柱状结构”在不同地震峰值地面加速度（PGA）和沉积物物理性质（密度、动态粘度和沙层厚度）下的形成过程。结果表明，较高的PGA会导致沙层和粘土层界面处更早地出现向上流动的沙子和向下流动的粘土，并伴随更多数量的粉粘土柱状结构形成。在沙层和粘土层具有相同物理性质的模型中，当PGA达到0.5g或更高时，界面变形就会发生。在地震震动过程中，变形层的总压力和沙粘土层的流速显著增加。在相同的地震PGA下，沙层和粘土层之间的密度和动态粘度差异较小，以及沙层较薄，可能会导致更强烈和更大规模的变形。模拟得到的SSDSs的形态和特征与塔什库尔干地区现场露头观察到的非常相似。这项研究为SSDSs和古地震研究提供了新的技术见解。

引言

软沉积物变形结构（SSDS）是指在沉积过程中或沉积后不久、在未固结的饱和表层中发展形成的沉积变形（Allen，1982；Owen等人，2011）。SSDS可能由地震或非地震过程触发，例如快速沉积、质量运动、地下水波动、潮汐、风暴、海啸和冰川活动（例如，Obermeier，1996；Harris等人，2000；Rodríguez-Pascua等人，2000；Alfaro等人，2002；Monecke等人，2004；Greb和Archer，2007；Alsop和Marco，2013；üner等人，2019a，2019b；Pratt和Rule，2021；Alsop等人，2024）。地震引起的SSDSs受到了广泛关注，因为它们可以在构造活跃地区可靠地记录地震事件（例如，Seilacher，1969；Rossetti，1999；Monecke等人，2004；Moretti和Ronchi，2011；Jiang等人，2016；Morsilli等人，2020；Azennoud等人，2022；Guo等人，2023；Zeynep等人，2024）。先前的研究表明，SSDSs的形成机制与液化、触变、流化和层间剪切变形有关（van Loon，2009；Berra和Felletti，2011；Owen和Moretti，2011）。然而，由于直接观察变形过程的难度以及SSDS形成的多种原因，SSDSs的形成机制及其与地震强度的关系仍然知之甚少（Owen和Moretti，2011；van Loon，2009；Molenaar等人，2022）。沉积物的物理性质（如粒径、层厚和饱和密度）以及地震特征（包括地震震级、持续时间和震中距离）也会影响SSDSs的最终形态。

近年来，人们采用了多种数值模拟方法来重现SSDSs的形成过程并理解其形成机制（例如，Harrison和Maltman，2003；Wetzler等人，2010；Lu等人，2020，2021；Bronikowska等人，2021；Yan等人，2026）。Harrison和Maltman（2003）使用Polyflow数值程序模拟了由密度逆分布引起的软沉积物的变形和流变行为，表明典型结构的形态和形成时间可能受到初始条件、沉积物的惯性和流变性的影响。Zhao（2020）采用离散元方法（PFC^2D）对地震振动下的SSDSs进行了多尺度模拟。Wetzler等人（2010）在FLUENT商业软件中应用体积守恒（VOF）模型模拟了死海湖泊沉积物的地震变形，并建立了变形层厚度与地震峰值地面加速度（PGA）之间的关系。随后，这种模拟关系得到了改进，并被用于评估死海（Lu等人，2020）、柴达木盆地（Lu等人，2021）、青藏高原东部（Shi等人，2022）和陵山岛（Zhang等人，2023）的地震蚀变体和古地震强度。Yan等人（2026）应用Fluent VOF模型模拟了湖泊沉积物中负荷和球枕结构的形成过程，验证了VOF方法在SSDSs和古地震研究中的适用性。

塔什库尔干地区位于青藏高原的西北边缘（帕米尔山脉的东北部）（图1）。自新生代印度板块和欧亚板块开始汇聚以来（Molnar和Tapponnier，1975），帕米尔地区及其周边经历了强烈的构造变形和频繁的地震事件（Robinson等人，2007；Chen等人，2011）。该地区的构造活动主要由长约250公里的坤格尔伸展构造系统控制（例如，坤格尔山、塔赫曼断层和塔什库尔干断层），并伴有邻近的右旋走滑断层和次级断层（Chevalier等人，2015）。1895年（震级7.0）和1896年（震级7.1）的塔什库尔干地震产生了明显的同震地表破裂，反映了坤格尔伸展构造系统的强烈构造活动（Li等人，2011；2013）。塔什库尔干地区主要由东部的古生代片岩和大理石（P_zch）及片麻岩（P_zgn）、西部的中新世花岗岩（M_gr）和始新世正长岩（E_sy）以及塔什库尔干河谷的第四纪冲积沉积物（Q₁组成（Zhang等人，1996；Robinson等人，2007）。不同厚度的古坝湖泊沉积物交替分布在塔什库尔干河岸边（Liang等人，2021）。

先前的野外研究表明，在湖泊沉积物地层中发现了大量的地震诱导的SSDSs（Liang等人，2018，2021，2024）。在这一地区发现的最显著的SSDSs之一是在上部浅黄色粉粘土层和下部深灰色粗砂层边界处形成的粉粘土柱状结构（Liang等人，2018，2021）（图2）。这些柱状结构的岩性与上覆未变形层一致，粉粘土层中没有表面变形特征（例如侵蚀面、沉积盖层）（Owen等人，2001；Alsop等人，2024），表明变形发生在粉粘土层和砂层界面之间的地下深处。根据粉粘土柱的形态和分布特征，这些结构的形成机制被认为是由于强烈的地震震动导致下伏沙层向上液化侵入以及粉粘土层向下触变流动（Qiao等人，2017；Liang等人，2018；Su和Qiao，2018）。类似的“柱状”结构也在中国西部天山山脉的晚更新世湖泊沉积物中得到发现（Bowman等人，2004）。据推测，这些“柱状结构”是由地震引起的沙层液化作用和强度降低造成的，从而使上覆的泥灰岩在重力作用下下沉。在土耳其马拉蒂亚盆地的晚中新世湖泊地层以及欧洲和地中海盆地的新近纪湖泊和浅海沉积序列中也发现了类似的柱状结构（Owen等人，2011），这表明粘土柱状结构是典型的地震蚀变体。然而，其形成过程、控制地质条件及其与地震强度的关联仍不清楚。

在这项研究中，我们选择了塔什库尔干地区湖泊沉积物中的粉粘土柱状结构作为典型案例，并使用Fluent VOF模型对其形成过程进行了数值模拟。本研究的目的在于：（1）重现地震震动下饱和下伏沙层和上覆粘土层中SSDSs的形成过程；（2）探讨地震PGA和沉积物物理性质（密度、动态粘度和厚度）对SSDSs发展的影响；（3）评估能够引发这些变形结构的地震强度。这项研究可以提供对SSDS形成过程的直观理解，并为SSDSs和古地震研究提供技术见解。

章节摘录

体积守恒（VOF）模型

ANSYS Fluent商业软件中的VOF模型可以通过求解一组动量方程并追踪整个域中每种流体的体积分数来模拟两种或更多不相溶流体（Hirt和Nichols，1981；ANSYS，2024）。如果只需要稳态结果，也可以进行稳态计算。典型应用包括模拟溃坝后的液体流动（Oertel和Bung，2012）、外部扰动下SSDSs的变形分析（

不同PGA下的SSDSs

在地震PGA为0.125g时，整个振动过程中沙层和粘土层界面未出现可见的变形（图6a）。在PGA为0.25g时，沉积物模型中部在5秒振动后出现了微弱的卷曲变形（图6b）。在PGA为0.5g时，产生了向上流入上覆粘土层的沙流，3秒后形成的沙脉最大高度约为0.09米（图6c）。沙脉的高度逐渐增加到0.4米

结论

本研究采用VOF方法模拟了塔什库尔干地区湖泊地层中粉粘土柱状结构在不同地震PGA和沙粘土沉积物层物理性质下的形成过程。这项研究为SSDSs的形成机制和古地震研究提供了重要的技术见解。主要结论如下：

(1)

地震PGA是引发变形结构的关键因素。更高的

CRediT作者贡献声明

Ning Zhong：写作 – 审稿与编辑，概念化。Hanchao Jiang：写作 – 审稿与编辑，概念化。Yin Lu：写作 – 审稿与编辑，正式分析。Lianji Liang：写作 – 审稿与编辑，项目管理，资金获取，正式分析，概念化。Ruixiang Fan：写作 – 审稿与编辑，初稿撰写，正式分析，数据管理

未引用参考文献

ANSYSInc，2024；Li，2013；O'Brien和Julien，1988。

利益冲突声明

? 作者声明他们没有已知的可能影响本文工作的竞争性财务利益或个人关系。

致谢

我们非常感谢编辑和审稿人对我们的论文提出的有益建议和修改意见。这项工作得到了中国国家自然科学基金（资助编号：42572128）和自然资源部的大陆动力学重点实验室（资助编号：J2408）的财政支持。

Ruixiang Fan|Lianji Liang|Yin Lu|Hanchao Jiang|Ning Zhong

北京工业大学建筑工程学院，中国北京，100124