文摘

流体力学的建模的地质地层剪切下非均匀地壳运动在10000年进行了探讨固体应力和孔隙压力耦合过程形成的完整的断裂或断裂。两个三维数值模型建立在相反的方向和速度应用于边界产生剪切由于非均匀地壳运动。结果表明,应力和孔隙压力变得越来越集中在随着时间的推移形成的中间。在模型我没有错,压力和孔隙压力都集中在中间的模型在剪切;然而,在模型II断层带的力学性能减弱,他们更复杂和集中沿断裂带两侧和大小降低了。应力的分布决定了孔隙压力进而控制流体流动。流体在中间发生在模型我但是沿着断层带的模型II。这项研究的结果rock-fluid交互过程的改善我们的理解受到地壳运动的影响,指导实际地质结构调查。

1。介绍

人们普遍认识到,流体在基岩地区主要受断层控制,骨折1- - - - - -4),断层和骨折通常是由地壳运动所引起的地幔对流根据板块构造理论(5,6]。存在的缺点或骨折显著影响地质形成的流动和运输(5,7]。至关重要的是了解固体压力和流体压力演化形成由于地壳运动和有什么影响现有的故障演化和分布的压力和压力在不同的研究领域和工程应用,如地震预测和放射性废物库,建设大坝基础,地下隧道,石油和天然气设施。

地球地壳运动形成的速度通常是不均匀的。基于GPS数据,例如,妞妞et al。6)指出,“华南块在华东和华北块移动EES-ward相对稳定的欧亚大陆。速度增加向南…。“地壳运动的平均速度方向看到从1999年到2011年约为2.50毫米/年的中国东北,大约2.90毫米/年在中国南方[方向相同8]。0.40毫米/年的速度差异似乎很小,但是累积移动距离的差异中国北方和南方在地质时间是巨大的。这样的地壳运动的差异可能产生剪切应力进而创建罢工的缺点和骨折NWW-SEE方向在中国东部。事实上,肖奉献他的一生从1950年代到2000年代来识别新的和活动断裂和骨折的目的定位在中国东部供水井通常有大容量的供水位于活动断裂和骨折5]。他发现中国东部最活跃的断层和骨折是面向SEE-NWW方向。本研究的目的是提高我们理解固体的耦合过程形成的压力和流体压力进行流体力学的建模浅层地质结构剪切诱导下非均匀地壳运动。

基岩变形和孔隙压力变化的耦合过程的理论可以描述poroelasticity [9- - - - - -13]。Garven调查附近的流动力学错误折叠和推力盆地的边缘,特别是在断层活动(14]。福斯特和埃文斯进行了实验和数值模拟来描述推力的渗透率结构区,发现区域地下水流模式控制的逆断层和地形(15]。Bredehoeft等人发现,流体在地质过程中起着重要的作用和地质构造的超压影响发展16]。通用电气和Garven建立了一个二维数值模型研究的影响区域地下水流的瞬时压缩构造(17]。Saffer [18],通用电气和Screaton [19),和周和侯20.)考虑有效应力的影响在断层变形或其他地下地质结构的发展演变。所有以上研究考虑瞬时加载的情况下而不是连续加载。另一方面,大多数以前的研究在故障或骨折对地下水的影响要么是基于已经存在的缺点或骨折(21- - - - - -25)或基于包含微裂缝和微孔的条件,岩石脆性材料的变形和破坏的主要原因如岩石、混凝土、陶瓷(26,27]。

在这项研究中,我们调查的耦合过程进行了流体力学的模拟固体压力和流体压力在浅层地质形成连续载荷作用下引起的非均匀地壳运动在10000年。两个三维固液耦合模型建立:模型我没有断裂带的断层带和模型II。根据仿真结果,我们分析了固体的进化压力和流体压力在这个时期形成的。这项研究的结果有助于改善我们的理解这些复杂的过程。在下面,我们将首先描述方法,然后现在的结果和讨论,最后得出一些结论。

2。方法

如前所述,地壳运动的速度不均匀和非均匀运动可能造成骨折和/或错误。地下水流动基石通常是由断层和骨折。固体应力和孔隙压力的耦合过程的基石完整断裂或断裂下非均匀地壳运动是非常重要的在控制地下水流动模式。因此,两种固液耦合数值模型建立。一个模型是一个同质的形成没有断层带(模型,图1(一)),另一个是形成断层带(模型2,图1 (b))。两个模型的尺寸和长度是相同的- - - - - -,- - - - - -,设在是= 1000,= 500= 300,分别。断裂带位于中间的形成和并行设在与大小的80×500×300(图1 (b))。介质是各向同性的弹塑性。两个正常速度场飞机在相反的方向施加的边界, 和 , 和 (阴影区域图1),来模拟非均匀地壳运动所产生的剪切过程(28]。

2.1。数学模型

固相是由弹性方程包括动力学方程、几何方程和本构方程。液相由基于达西定律的本构方程。固体和流体的耦合行为是由体积菌株之间的平衡方程,孔隙压力和饱和度。

2.1.1。固相

基于弹性理论和运动方程,固体压力是由动力学方程: 在哪里应力张量(N / L²),是坐标向量[L], 是体积密度[M / L³),和分别是固体和流体相的密度(M / L³),n孔隙度(-),饱和度(-),重力加速度(L / T²),是速度矢量(L / T),位移矢量[L], , ,和现在三个坐标方向。

速度变化引起压力,因此速度和应变之间的关系可以用几何描述(兼容性)方程: 在哪里是应变率张量(1 / T)和应变张量是[-]。

基于线性poroelasticity理论,strain-stress关系的小变形多孔地质媒体通常由下面的本构方程描述: 在哪里弹性模量(N / L²]。泊松比[-], ,克罗内克符号。

2.1.2。液相

基岩中的流体是由达西定律描述: 在哪里是特定放电向量(L / T);是介质渗透率张量(L²];是相对渗透率是饱和度的函数[-];孔隙压力(N / L²];是流体的粘滞性(M / L×(T))。

液质量和连续性方程可以表示如下: 在哪里是体积流体源强度(1 / T)和是流体内容(单位体积流体体积多孔材料)所介绍的毕奥(9][-]。

2.1.3。耦合方程

流体的变化内容与孔隙压力的变化()、饱和度()和机械体积压力();孔隙流体的响应方程作为制定 在哪里毕奥模数(N / L²),毕奥系数[-],是体积应变[-]。在饱和情况下( ),如果压缩介质的粒子可以忽略不计( ),(6可以减少)

2.1.4。初始条件和边界条件

的初始变形和力学边界条件设置两个模型都是相同的,如下: 边界条件(8)意味着模型约束的底部没有垂直运动(方向),一般采用以前的研究(17但它可以移动方向, 。没有位移方向(见(8 b))的边界 和 。顶部边界( )是地面,是免费的。为了研究应力和孔隙压力的变化的基岩或断层带的形成连续构造地应力的速度=−5.0毫米/年的加载飞机在=和 (左边的阴影区域图1),的速度= 5.0毫米/年飞机在 和 (见(8 c)和(8 d))(图中右边的阴影区域1)。速度的大小指的是GPS观测速度的地壳运动在中国的西南29日- - - - - -31日]。是获得初始应力提出使用稳态动力学方程的解决方案(1)和边界条件(8)和(8 b)。

流体的初始和边界条件的两个模型是不同的。我的模型, 和模型二世

我为模型,初始水头等于静态压力(见(9))。所有边界都设置为不透水边界在模型(见(9 b))。固体培养基是饱和和无侧限。顶部的孔隙压力边界等于大气条件。模型二,断层带的边界( 和 当 )设置为常数头为了研究地下水流动的边界条件的影响。其余都不透水边界。

形成和地下水的密度为2500公斤/米³和1000公斤/米³,分别。相对大的孔隙度值采用基岩为了产生乐观的场景的连续板运动引起的孔隙压力重新分配。中使用的其他材料的机械和物理参数的计算模型I和II表中列出1基于前面的文献[32- - - - - -35]。

2.2。数值模型

这两个数值模型采用FLAC3D软件是一个三维有限差分数值计算软件在工程力学求解问题,也就是说,静态和动态力学和水力的影响,包括他们的耦合过程20.]。根据以前的文献,如Papanastasiou和Thiercelin [36],Papanastasiou [37),和周和侯20.),材料变形可以使用莫尔-库仑本构模型模拟的是通常用于模拟裂纹扩展时,材料达到屈服极限。在这项研究中,我们结合静态和动态力学和水力学与莫尔-库仑本构模型在FLAC3D软件。

如上所述,两种模型建立与维度的1000×500×300,我们生成一个三维网格50×10×10共有6171个节点模型我和网格50×10×10(40×10×10的基石和10×10×10断裂带)共有6171个节点模型II。动态阻尼类型是瑞利和两个相关参数和在哪里将0.05的正常价值的最小临界阻尼比geomaterial根据FLAC3D软件手册,然后呢0.122生成的两个模型的自振频率下的重力。我们使用台式电脑与英特尔(R) (TM)核心i7 - 6700 CPU @ 2.60 GHz 2.60 GHz, 64 GB的ram和1 TB外部存储器仿真运行。它花了81小时运行的仿真模型我大约45小时的模型II。计算效率主要是控制的收敛性判据和时间步的大小。最大不平衡力的最优收敛性判据和时间我们选择步 分别和0.001年。

3所示。结果与讨论

耦合方程(7的固体和液体阶段的初始和边界条件(见(8)- (10 d))的两个模型解决了FLAC3D软件模拟结果并给出了应力和孔隙压力和解释如下。

3.1。最大主应力的变化

最大主应力的变化(3)时间横截面的 米、125米和250米的模型我是呈现在图2(一个)。最初的( )应力场主要是由引力,从而控制是恒定的水平垂直方向而变化方向(第一行)。它是积极的(拉伸)顶部和底部改为负(抗压)由于固定水平位移方向和底部的固定的垂直位移和自由方向。随着时间的推移,变得越来越集中在中间的横截面由于相反的速度所产生的剪切应力应用于这两个边界的面孔。

在= 2500岁,在中间的横截面减小,增加,因为压力边界( )是由速度影响最大的应用,这种效应被削弱远离边界。在= 10000岁,中间的部分增加增加,成为最大的截面 米(右下方的图),一个塑料区可能会出现失败。这个时候周围形成一个强大的拉应力的中间部分(在右下方的红色区域图)。它是发现的分布在 和125米(图在左边和中间列)是不对称的,主要是压在右半边,拉伸左边一半(第二行第一个图)在 (右列的图)是对称的,因为它坐落在中间部分。

的水平分布的变化随着时间的推移在三横截面 、150米和300米图提供2 (b)。最初的(第一行)是恒定的和积极的顶部( 底部(m)和消极的 )。随着时间的推移,就集中在中间由于产生的剪切应力边界条件。的价值在 (左下图)是最大的,因为底部边界是固定在垂直方向向上,减少。注意到两个小红色区域的拉伸应力(积极的)形成中间绿色的高应力区(中间两个底部图列)。的分布反对称的行吗 在水平横截面。

类似于图2我的模型,图3礼物的变化时间模型II在同一横截面。正如前面提到的,这两个模型之间唯一的区别是,一个断层带(80×500×300)较弱的力学性能和不同的水力参数包含在模式二世为了调查现有的断层的影响下的压力和孔隙压力分布的连续的构造运动。其他边界条件和参数与模型是相同的。总的来说,的变化在模型II与相似模型,我除了在断裂带较弱的机械性能。断裂带的影响是减少的值的范围 :的最大价值减少从0.7×10⁸在模型我0.25×10⁸模型二世和最低增加从−4.0×10⁸−2.0×10⁸并使周围的应力场更复杂,断层带内。

3.2。孔隙压力的变化

对应于在图2(一个),孔隙压力的变化(我在三个时间模型在垂直的横截面 米、125米和250米图所示4(一)。正如预期的那样,的分布主要是控制的吗 。最初,是不同垂直静水。在更早的时期,例如,= 500年,异常形成正压区中间的横截面由于集中产生的压应力边界条件。在 (在第二行第一个图表)是积极的和最大的中间和减少增加。为= 2500岁,在 变得强烈积极的右边中间线(橙色系领域第一个图在左列第二行)和消极的左边(蓝色区域)由于右边的强烈的压应力和拉应力在左边。随着时间的推移,正压 减少而负压变得更加消极。作为增加,正压减少而负压变得更加负面。的分布在这些横截面是不对称的 和125是对称的 就像这样的在图2。

对应于在图2 (b)的水平分布在三个横截面的 在不同的时间,150米,300米图提供4 (b)。最初的(第一行)是恒定的水平。随着时间的推移,中间增加更积极的或减少消极取决于边界面临的相对位置。在= 2500岁,会出现一个很大的正压区中间(橙色系地区)和两个小的区域负压(蓝色区域)。随着时间的推移,积极的一面减少但负变得越来越强,由于集中的特点在这一领域。底部的正压力是最大的( 向上)和减少 米和300米而向上负压变得越来越强。类似于 ,的分布在飞机是反对称的中线 米的三个水平横截面。

两个典型的横截面 和 (图5)选择显示流向 年和5000年为了观察流体明显模型。基于时空的变化我在模型,推断,最初,流体静态由于没有压力梯度。在早期的时间,例如,在= 500(图5(一)),从更高的流体流动降低在相同的高度。在以后的时间,从积极的流体流动(橙色系区域图5(b)在 年)负(蓝色区域)正压强烈集中在右侧中线左边和消极的压力。

对应于在图3(一个)的变化在三个模型II横截面的 米、125米和250米图所示6(一)。液相的边界条件模型II的相同模型我除了这样一个事实,即两个常数边界设置主管460米和540米之间的断层带设在在 m和 m允许流体穿过边界下不均匀地壳运动的断层带是一个含水层。清楚地看到,原价在 (第一行)是恒定的水平和垂直变化。随着时间的推移,断裂带的影响变得越来越明显:积极的压力集中在断层带在早期,例如, 年(第二行),在以后的时代里,正压越高(红色区域)由于压应力形成的断裂带,右边的左边负压(紫色区域)。作为增加到125米,正压减少而负压变得更加负面。在 米,在断层带是对称的和消极的(右下方的图(a))。

对应于在图3 (b),断裂带的影响水平的横截面 、150米和300米图所示6 (b)。最初的是恒定的水平。随着时间的推移,反对称反对中间线( 米)的横截面。在更早的时期,例如,= 500年,形成正压区中间的横截面模型我由于压应力集中在这个领域。在以后的时代里,的分布断层带影响极大,见过吗主要集中在断层带的两侧,在相反的方向断裂带的两面:负压变得越来越强,由于积极吗集中在这个区域;正压强大集中为负集中在这里。的底部是最大的( 向上)和减少 米和300米。

选择相同的横截面显示流方向模型II(图7)。我相似模型,最初的流体是静态的。随着时间的推移,从高到低液流压力在相同的高度在早期的时间,例如, 年。通过两个模型的流体流出常水头边界(箭头(a) 年)由于高集中在中间的模型。例如,在以后的时间 年,流体流动主要发生在断层带的两侧,相反的方向沿着断层带的两面(箭头(b) 年):从积极的(橙色系区域) 负(蓝色区域) m和正在 m -在 m;即,从矩阵和流体流动断层带接口。流体流入断裂带通过常数边界(箭头 你的图7(b))。

值得注意的是,的分布 , 在两个模型显著变化的非均匀运动形成由于断层带,地下水径流模式也不同时间与空间。地区增强应力和孔隙压力通常发生在断层带,符合材料力学理论(38]。应力场决定孔隙压力的分布进而控制流体流动的方向。断裂带可能作为一个管道,障碍,或结合管道/屏障系统是至关重要的指责流系统的研究(16,39]。我们的仿真结果表明,即使是相对简单的模型建立在这项研究复杂应力、孔隙压力和流场可以形成的地质形成不均匀下地壳的运动。没有断层的形成的孔隙压力和流体流动都集中在中间的形成在不同或相反的水平速度。然而,在断裂带的形成,他们都集中在断层带与围岩之间的接口矩阵。地质结构通常比那些更复杂的模拟和压力、孔隙压力和流场。

的分布在两个模型在不同时期的差异很大相反的速度场由于断层带,导致大变化 。例如,在我最初的模型(例如, )是恒定的水平和垂直变化,因此最初的也有类似的变化。随着时间的推移,变得越来越集中在中间的横截面(图2),也集中在这一地区;特别是积极集中在右侧的中线(橙色系区域在图吗4)和负左边(蓝色区域)由于右边的强烈的压应力和拉应力在左边。的变化在模型II(图3)在模型中是类似的,我除了在断层带。最初的也不断的水平和垂直变化。随着时间的推移,越来越多的集中在断层带的和积极的吗(橙色系区域图6)和负(蓝色区域)方向相反的双方断裂带由于集中 。

3.3。孔隙压力的变化在指定点

孔隙压力随时间的变化在七个观察点模型是为了更好地理解描述岩石变形和流体流动的耦合过程。图8显示了七个观察点的位置(见表2为他们的协调员):两个沿三个轴的加上点的中心模型。除了指出所有点和位于飞机的吗 米,最大剪切应力是产生的边界条件。

图9(一个)显示孔隙压力的变化随着时间的推移,7分的模型。一般来说,除了孔隙压力的点和随时间达到各自的高峰值,然后在后期时间减少。的孔隙压力(short-dashed绿色曲线)和更快的比早些时候增加,因为在其他点位于边界的 速度场的应用,当然,在孔隙压力吗比,在吗和0。的在(short-dashed蓝色曲线)最大的峰值,因为位于固定底部是免费的顶面形成。在 年,孔隙压力 , ,和(两个绿色和short-dashed蓝色曲线)保持积极在0和(黑色和long-dashed蓝色曲线)低于0,也就是说,变得消极,这是由于拉应力集中区域出现在中间的模型和时间是足够大时变得越来越大。的孔隙压力和(两个红线)远离集中剪切应力在10000年几乎保持不变,表明的变化和主要发生在中间的模型。图9 (b)显示了孔隙压力随时间的变化在同一点模型II。看到的是现有的断层带对压力的影响是显而易见的。首先,孔隙压力的大小在各方面都显著降低,因为弱断层带的力学性能。其次,孔隙压力 , , ,和0达到各自的高峰值,减少负面比早些时候在模型即小孔隙压力的变化是观察和远离断裂带。没有压力的变化这是位于头部的边界将常数。

4所示。摘要和结论

在这项研究中,我们进行了地质地层的流体力学的模型:模型我没有断裂带和模型II断层带,研究固体的耦合过程的应变和孔隙压力下形成剪切非均匀地壳运动在10000年。最大主应力的变化()和孔隙压力()在两个三维模型与FLAC3D软件模拟的结果表明,分布和明显受断层带的存在影响。我们的模拟结果表明,即使在相对简单的模型建立在这项研究中,复杂应力、孔隙压力和流场可以形成在一个地质形成不均匀地壳的运动。具体的在这个研究得出结论如下:(1)初始应力场控制的重力是积极的(拉伸)的顶部形成和改变消极的底部(抗压)。随着时间的推移,越来越集中在中间形成剪切产生的连续载荷两个边界的面孔。对于我,带更高的压应力(绿色区域图2沿着剪切方向)( 米)出现在中间形成的高拉应力的区域包围,特别是在飞机上 米(右下方的图在图的红色区域2(一个))。(2)的分布主要是控制的吗 。最初,静水和恒定的水平但不同垂直。随着时间的推移,与异常区出现在中间形成在此区域中由于压力升高。我的模型,强烈正面左下角的角落加载面(红黄区域在图吗4另一边)和负,附近的表面形成。(3)的变化在模型II是类似于那些在我周围除了断裂带较弱的机械性能。断裂带的影响是减少的大小并使周围的应力场更复杂,断层带内。第二,流体流动模型主要发生在断层带的两侧,在相反的方向断裂带的两面。(4)的分布明显受断层带影响:正面和负面压力异常(红色区域)主要分布在两个接口之间的断层带和周围的矩阵,而不是中间形成的断裂带。基于时空的变化 ,推断,流体最初是静态的。随着时间的推移,流体开始从高到低的压力。(5)中间形成的孔隙压力随时间达到各自的高峰值,然后在后期时间减少剪切。在其余的形成,孔隙压力保持相对稳定。现有断裂带的影响是减少压力的大小(包括峰值)和移动早高峰时间。

的利益冲突

作者宣称没有利益冲突。

确认

本研究部分支持的研究经费来自中国国家自然科学基金(国家自然科学基金委- 41272260;国家自然科学基金委- 41330314;国家自然科学基金委- 41302180),江苏科学技术部门(BE2015708)和研究基金提供的南方科技大学,中国。