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研究生:王景平
研究生(外文):Ching-Ping wang
論文名稱:地表單斜褶皺與盲斷層之幾何關係探討
指導教授:林銘郎林銘郎引用關係楊昭男楊昭男引用關係
指導教授(外文):Ming-Lang LinChao-Nan Yang
學位類別:碩士
校院名稱:國立臺灣大學
系所名稱:土木工程學研究所
學門:工程學門
學類:土木工程學類
論文種類:學術論文
論文出版年:2002
畢業學年度:90
語文別:中文
論文頁數:145
中文關鍵詞:集集地震盲斷層單斜褶皺三角形剪切帶運動學模式數值模擬
外文關鍵詞:Chi-Chi earthquakeblind faultmonoclinal foldtrishear modelnumerical modeling
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921集集地震時,車籠埔斷層發生錯動,東側土地相對於西側抬升隆起,產生一系列大致呈南北向線狀分佈的陡崖。據現地觀察,除了沈積物厚度較薄的河床有斷層切穿地表外,多數形成陡崖的地面並未被斷層切穿,而是形成一向下彎曲、朝向向西的不對稱褶皺,可稱之為單斜褶皺陡崖。
前述之單斜褶皺陡崖,應為地下之盲斷層向上擴展時,使得斷層尖端上面地表的沈積物變形所成。而在921集集地震後,許多學者於車籠埔斷層地表破裂沿線,以開挖槽溝的方式進行古地震研究,因此能夠直接觀察到斷層擴展褶皺的型態,對於研究單斜褶皺構造的變形特徵與變形機制,實為一難得的機會。
本研究主要可分為運動學模式模擬及連續體力學數值分析二部份。第一部份嘗試利用三角形剪切帶運動學模式,藉由自行撰寫程式的方式,對槽溝開挖所觀察的褶皺變形特徵進行反算,以期了解其變形機制,並得到盲斷層之位態、深度及地震時滑移距離等參數。第二部份以FLAC為分析工具,模擬盲斷層向上擴展的過程,並考慮沈積物的應力狀態、邊界條件與材料之組成模式和斷層幾何型態等參數之影響,比較動力學分析與運動學模擬之結果,以期了解運動學模式假設的合理性。
運動學模式模擬結果顯示:三角形運動學模式可以描述自然界中觀察之斷層擴展褶皺的特徵,如(a)靠近斷層兩地層的相對位移量由下而下遞減,(b)地層層面受撓曲後為一曲面,(c)可觀察到局部區域地層厚度的改變,包含了向斜軸部地層的增厚,與背斜前翼地層的變薄,(d)上盤部份背斜前翼之地層,傾角隨著深度的增加而逐漸變陡,甚至有翻轉的現象。由釋迦園挖溝剖面之地層褶皺型態,反算分析結果推測下方斷層之傾角約30°,斷層尖端深度約位於上盤地表下方7.4公尺處,由地層之滑移量分佈,除了集集地震以外,應還有兩次斷層錯動事件,上盤之剛體滑移量分別約為5、2、0.5公尺。
連續體力學數值分析結果顯示:可觀察到斷層尖端前緣有一三角形之剪應變集中範圍,而質點之位移分佈由上盤至下盤間亦有轉向與遞減的現象,與三角形剪切帶運動學模式所描述相似;利用動力學分析結果反算求得運動學模式之相對參數,其隨著基盤的抬升並非保持定值,於利用運動學模式進行模擬時應考慮此結果。而盲斷層之向上擴展,為一破裂穩定發展的過程,抬升基盤的力量需要一直增加,斷層面才會繼續向上擴展。
During the 1999 Chi-Chi earthquake, nearly along the Chelungpu fault trace, topographic surface has been deformed into a series of west-verging monocline. The monoclinal structure was developed in front of the blind fault tip, and is one kind of fault-propagation fold. Trench excavations of the monoclinal structure were taken, and provide a good chance to study the deformation features and mechanisms of the natural monoclinal folds.
This study includes two parts: the kinematic modeling and continua numerical simulation.
In the first part, for the purpose of understanding the deformation of monoclinal folds induced by faulting events, the numerical modeling is done by choosing trishear kinematic model which firstly suggested by Erslev (1991). In the inverse analysis of monoclinal folds of Shijia trench profile in Nantou, the results are: (1) the ramp angle of blind fault is about 30°, and (2) the depth of fault tip now is about 7.4m beneath the hanging wall surface, and (3) there are at least two more faulting events beside Chi-Chi earthquake, and the rigid body motion of hanging wall along the fault plane are about 5, 2, 0.5 meters individually from young to old events.
In the second part, in order to understanding the rationality of trishear kinematic model, the numerical simulation of the process of fault propagation is taken by running FLAC (continua numerical software). The results are: (1) there is a triangular shear zone observed in front of the fault tip, and (2) the displacement vectors of particles rotate and decrease from hanging wall to footwall. The results are in agreement with the assumptions of trishear model. But, according to the numerical simulation, the parameters of trishear model do not keep constant in the process of fault propagation ,which should be considered when kinematic modeling is taken. Otherwise, fault propagation is a process of stable fracture propagation. If the force for basement uplift does not increase continuously, the propagation of fault plan will stop.
誌謝………………………………………………………………… I
摘要………………………………………………………………… II
Abstract…………………………………………………………… III
目錄………………………………………………………………… IV
表目錄……………………………………………………………… VII
圖目錄……………………………………………………………… VIII
第一章 緒論……………………………………………………… 1-1
1.1緣起…………………………………………………………… 1-1
1.2研究目標與內容……………………………………………… 1-2
第二章 文獻回顧…….…………………………………………… 2-1
2.1斷層擴展褶皺運動學模式之研究…………………………… 2-1
2.1.1三角形剪切帶運動學模式之相關研究…………………… 2-2
2.2動力學模式之研究…………………………………………… 2-4
2.3集集地震與車籠埔斷層之相關研究………………………… 2-6
2.3.1集集地震前有關車籠埔斷層之研究……………………… 2-6
2.3.2集集地震地表變形之研究………………………………… 2-8
2.3.3斷層帶槽溝開挖之研究…………………………………… 2-10
2.3.4車籠埔斷層鑽井探測之研究……………………………… 2-12
第三章 研究方法………………………………………………… 3-1
3.1現地資料收集………………………………………………… 3-1
3.2運動學模式之分析…………………………………………… 3-2
3.2.1理論基礎…………………………………………………… 3-2
3.2.2正算模擬程式的運算流程………………………………… 3-3
3.2.3反算分析程式的運算流程………………………………… 3-4
3.2.4運動學模式之分析………………………………………… 3-5
3.3動力學模式之分析…………………………………………… 3-7
3.3.1二維連續體有限差分法分析軟體FLAC簡介……………… 3-7
3.3.2二維數值分析模型之建立………………………………… 3-7
第四章 三角形剪切帶運動學模式之分析成果………………… 4-1
4.1斷層擴展褶皺之特徵………………………………………… 4-1
4.2正算模擬之結果……………………………………………… 4-2
4.2.1剪切帶內線性速度場之推導……………………………… 4-2
4.2.2模擬參數影響分析………………………………………… 4-4
4.2.3剪切帶內之應變分析……………………………………… 4-7
4.2.4以三角形剪切帶模式模擬之褶皺特徵…………………… 4-10
4.3反算分析之結果……………………………………………… 4-12
4.3.1反算程式驗證……………………………………………… 4-12
4.3.2挖溝剖面之反算分析……………………………………… 4-14
第五章 動力學模式之分析……………………………………… 5-1
5.1基本案例……………………………………………………… 5-1
5.1.1分析網格…………………………………………………… 5-1
5.1.2模擬參數…………………………………………………… 5-2
5.1.3基本案例之結果…………………………………………… 5-3
5.1.4斷層擴展之討論…………………………………………… 5-6
5.2與運動學模式之比較………………………………………… 5-8
5.2.1運動學模式參數之擷取…………………………………… 5-8
5.2.2運動學模式假設之討論…………………………………… 5-10
第六章 結論與建議……………………………………………… 6-1
6.1結論…………………………………………………………… 6-1
6.1.1運動學模式模擬褶皺型態之結果………………………… 6-1
6.1.2動力學分析之結果………………………………………… 6-1
6.2建議…………………………………………………………… 6-2
參考文獻………………………………………………………… R-1
附錄A 正算模擬程式原始碼……………………………………… A-1
附錄B 反算搜尋程式原始碼……………………………………… B-1
附錄C 數值模擬FLAC程式輸入檔………………………………… C-1
附錄D 單斜褶皺構造之野外照…………………………………… D-1
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