华北平原深浅断裂相互作用的三维粘弹塑性数值模拟研究——以三河-平谷地震带为例

本文通过三维粘弹塑性有限元模型，揭示了华北平原(NCP)强震区深浅断裂耦合机制。研究以三河-平谷地震带为典型案例，创新性地整合深反射剖面、地质调查和大地测量数据，模拟了不同构造加载条件下断裂的应力-应变演化过程。发现边界加载条件、滑脱层深度及深断裂蠕变行为是控制深浅断裂应力耦合的三大关键因素，为理解稳定大陆内部强震孕育机制提供了重要理论依据。

　　

Highlight亮点发现

1、深浅断裂的力学耦合受三大关键因素控制：(1) 构造加载方向(力源)，(2) 滑脱层存在与否，以及(3) 深部断裂的快速蠕变行为。这些发现为理解华北平原(NCP)强震带的断裂相互作用和地震孕育机制提供了全新视角。

Tectonic setting构造背景

华北地区在新生代早期经历伸展裂陷作用，形成了NNE和NWW向共轭活动断裂系统。晚新世以来印度板块的NNE向挤压，造就了以NEE-SWW向主压应力轴和NNW-SSE向主张应力轴为特征的挤压应力场。这种独特的构造演化史造就了华北平原复杂的深浅断裂体系。

Finite element model有限元模型

我们建立了三河-平谷地区三维粘弹塑性(viscoplastic)有限元模型，通过模拟断层蠕变和应力-应变分布演化，深入探究深浅断裂间的应力相互作用。模型创新性地整合了深反射剖面等最新观测数据，采用准静态变形模拟从弹性应力积累到断层屈服强度触发塑性变形的完整过程。

Activity of deep and shallow faults in a tensile tectonic environment (B1)伸展构造环境下深浅断裂活动

图5展示了拉伸边界条件(B1)下模型案例1的模拟结果。在这个伸展构造体系中，50°倾角的浅层旧夏垫断裂首先达到破裂阈值，开始正断滑动。有趣的是，深层高角度走滑断裂的应力积累模式与浅层断裂形成鲜明对比，展现出明显的应力分区特征。

Interaction between deep and shallow seismogenic faults in NCP华北平原深浅发震断裂相互作用

华北平原特殊的地质条件给发震断裂系统研究带来独特挑战。我们的模拟首次揭示：当存在活跃滑脱层时，深浅断裂系统可能呈现"应力屏蔽"现象；而在走滑主导的压缩环境下，深浅断裂则表现出协同变形特征。这些发现为解释1679年三河-平谷M8.0地震等历史强震的破裂行为提供了力学基础。

Conclusion结论

通过多案例对比分析，我们获得以下重要认识：

1、深浅发震断裂的力学耦合受构造加载方向、滑脱层存在和深断裂蠕变行为三大因素控制；

2、在伸展环境下，浅层正断层优先活动可能"卸载"深层断裂应力；

3、压缩体制中，深浅断裂更易形成贯穿地壳的协同破裂系统；

4、滑脱层的流变特性是调节深浅断裂耦合程度的关键"阀门"。