博碩士論文 87228006 詳細資訊




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姓名 張正宜(Jeng-Yi Chang)  查詢紙本館藏   畢業系所 應用地質研究所
論文名稱 車籠埔斷層活動構造之數值模擬
(Numerical Modeling of Active Structures of The Chelungpu Fault)
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摘要(中) 921集集地震造成地表大幅度移位(同震變形),地表破裂長度超過96公里,地表最大位移量將近10公尺。根據GPS(全球衛星定位系統)在地震前後觀測所得之位移量,車籠埔斷層以東水平位移量向西北水平移位平均約3∼4公尺,最大在東勢達8.5公尺;高程抬升量則隨著車籠埔斷層由南往北遞增。值得注意的是在斷層以西的水平位移量朝向東南方,高程移位則呈下降;而在埔里、國姓一帶,其高程位移量也呈下降。本研究利用此區域長期GPS監測之地表變形資料及此次地震所發生的同震變形,藉由數值模擬方法,配合地質調查所得之地質背景資料,解釋此地區活動構造的運動模式,並藉以模擬台灣中部的活動構造。
本研究採用有限差分連續體分析軟體 FLAC (Fast Lagrangian Analysis of Continua)作分析工具,假設岩體為彈性物體,使用界面元素模擬斷層,分別進行車籠埔斷層地區之剖面及平面模擬,並且進行各項參數之敏感度分析,以瞭解各參數對活斷層錯動之影響。分析模式需考慮網格建立、重力平衡(剖面分析)、初始條件、邊界條件、材料參數、界面元素、同震變形等主要分析條件。
網格建立部分:剖面網格是參考Suppe (1987)之台灣中部構造剖面所建立的簡化剖面,大小為30公里寬,15公里深,並且各往東西兩側延伸30公里當邊界元素。平面網格範圍為一長200公里、寬100公里的矩形,長軸方向與板塊擠壓碰撞方向N55°W相同,且為避免邊界效應影響模擬,於網格矩形上下各延伸50公里當邊界元素。
剖面模擬分析結果顯示:車籠埔斷層以東,地盤大規模的向西逆衝上升,但在距斷層以東20公里處開始有發生位移量向下的現象,斷層以西地盤則有微量向東及向下位移現象,分析結果大致符合GPS所監測之同震變形位移資料。
水平模擬分析結果顯示:在斷層上盤主要沿車籠埔斷層向西北位移,下盤則相對的向東南位移,若是考慮斷層分段錯動,網格位移向量會更相似GPS所監測之同震變形位移向量,斷層南邊水平位移量偏西,越往北邊偏北的分量越多。
摘要(英) Associated with the chi-chi earthquake, surface rupture extended more than 96 km long. The largest displacement was about 10 m according to GPS data measured before and after the earthquake. To the east side of the Chelungpu fault, the average horizontal displacement is about 3~4m and oriented northwest. The largest displacement in Tungshih reached 8.5 m. The vertical displacement shows uplifting and increases from south to north. To the west side of the Chelungpu fault, the horizontal slip direction is oriented southeast and the vertical displacement is subsiding. Besides, in the farther eastern side of the Chelungpu fault, such as Puli and Kaohsing, the vertical displacement also shows descending.
This earthquake resulted in surface rupture and ground displacement. It’s a good opportunity to verify the relation between crust deformation and coseismic motion in this area. In this study, we apply numerical modeling to simulate the active structure of the central part of Taiwan, and compare the result with the GPS data obtained before and after the earthquake.
This study used finite difference analysis software ‘’FLAC’’ (Fast Lagrangian Analysis of Continua). We assume the rock is elastomer and use interface elements to simulate the fault. Then we proceed to simulate the profile and the horizontal plane projects. Special steps which are used to simulate coseismic displacement are different from previous study. We also proceed parameter sensitivity analysis. We consider the relationship with each parameter and the surface displacement. Finally we attempt to interpret how the fault dislocated.
The profile simulation shows that the eastern side of the Chelungpu fault thrusts and uplifts relative to the western side. The western side of the Chelungpu fault and the eastern side from 20 Km away, these areas’’ vertical displacement were descended. It is the same phenomenon with GPS observations.
The plane-view model simulation shows that the fault of the hanging wall thrusted toward northwest, and the foot wall moved toward southeast. If we consider that the fault begin to fracture from south to north segment, the surface displacement vectors are conformable with GPS data.
關鍵字(中) ★ 同震變形
★ FLAC
★ 車籠埔斷層
★ 數值模擬
關鍵字(英) ★ Coseismic
★ FLAC
★ Chelungpu Fault
★ Numerical Modeling
論文目次 目 錄
論文摘要Ⅰ
英文摘要Ⅱ
誌謝Ⅲ
目錄Ⅳ
圖目錄Ⅶ
表目錄Ⅹ
照片目錄XI
第一章緒論1
1. 1 研究動機與目的1
1. 2 研究內容2
第二章 文獻回顧4
2. 1 中部地區地質背景4
2. 2 車籠埔斷層之相關研究7
2. 3 數值模擬之研究8
第三章 FLAC程式簡介11
3. 1 FLAC程式概述11
3. 2 FLAC程式的運算程序11
3. 3 FLAC程式的理論架構12
3. 3. 1 運動方程式12
3. 3. 2 應變─位移關係12
3. 3. 3 應力張量的決定13
3. 3. 4 不平衡力的決定14
3. 4 組合律模式15
3. 5 FLAC基本術語定義及指令說明16
3. 6 界面元素18
3. 7 FLAC用於模擬斷層錯動之分析步驟18
第四章 研究方法19
4. 1 研究範圍19
4. 2 研究區域大地測量資料20
4. 2. 1 中部地區之同震變形21
4. 2. 2 中部地區同震變形水準資料處理模式21
4. 3 數值模擬參數收集22
4. 3. 1 斷層泥力學試驗23
4. 3. 2 前人之參數研究24
4. 4 剖面模擬24
4. 5 剖面參數敏感度分析26
4. 6 平面模擬29
4. 7 平面參數敏感度分析30
第五章 研究成果33
5. 1 剖面分析結果33
5. 2 剖面參數敏感度分析34
5. 2. 1 斷層出露在地表之角度34
5. 2. 2 斷層延伸至地表下深度34
5. 2. 3 地層材料參數34
5. 2. 4 界面材料參數35
5. 2. 5 地層層間滑動35
5. 3 平面模擬分析結果36
5. 4 平面模擬參數敏感度分析36
5. 4. 1 界面元素錯動順序37
5. 4. 2 北港基盤高區37
5. 4. 3 界面材料參數38
5. 4. 4 邊界效應38
5. 4. 5 斷層分斷38
5. 5 應變能釋放39
第六章 結論與討論40
6. 1 結論 40
6. 2 討論與建議41
參考文獻42
附錄99
附錄A:剖面模擬分析步驟介紹 A-1
附錄B:平面模擬分析步驟介紹 B-1
附錄C:剖面網格應變能釋放之變化 C-1
圖 目 錄
圖1-1:車籠埔斷層附近之地質圖及主要之地表破裂位置45
圖1-2:集集地震造成之地表水平位移46
圖1-3:集集地震造成之地表高程位移47
圖2-1:台灣地質分區圖48
圖2-2:台灣三度空間地體構造圖49
圖2-3:台灣地區1999年,地震規模ML<6之地震分佈圖50
圖3-1:FLAC運算流程圖51
圖3-2:FLAC程式計算過程51
圖3-3:質量分配法52
圖3-4:FLAC簡例模式模擬逆衝斷層52
圖3-5:Interface(界面元素)之簡圖53
圖3-6:FLA程式進行活動構造分析之流程圖54
圖4-1:平面模擬研究區域範圍55
圖4-2:Suppe(1987)所繪製之台灣中部地區剖面圖56
圖4-3:中部剖面位置(A-A’剖面),標準剖面網格總長90公里57
圖4-4:全台灣相對於澎湖白沙的水平位移速度場58
圖4-5:平面模擬研究區域內,1990-1995年間地殼水平位移速度場資料59
圖4-6:二維地表同震變形高程位移等值圖60
圖4-7:三維地表同震變形高程位移位移圖61
圖4-8:同震變形之水平位移向量62
圖4-9:車籠埔斷層泥採樣地點63
圖4-10:斷層泥直接剪力試驗之結果64
圖4-11:中部剖面示意圖65
圖4-12:依照圖4-11所建立之剖面模擬網格65
圖4-13:剖面模擬標準網格66
圖4-14 斷層出露在地表的角度之網格示意圖67
圖4-15 斷層延伸至地表下深度之網格示意圖67
圖4-16:車籠埔斷層沿線發生背衝斷層之區域68
圖4-17:豐原中正公園附近之背衝斷層(底圖為1/25000地形圖)69
圖4-18:平面模擬之標準網格70
圖4-19:平面模擬之標準簡單網格70
圖5-1(a):由圖4-6切A-A’剖面之地表垂直位移分量同震變形圖71
圖5-1(b):剖面標準網格模擬之地表垂直位移量(單位:公尺)71
圖5-2(a):模擬結果與監測所得之同震變形地表高程位移量比較圖72
圖5-2(b):網格內部之橫向主應力大於縱向主應力72
圖5-2(c):界面元素發生錯動區域73
圖5-2(d):網格內部模擬同震變形所釋放應變能73
圖5-3:斷層出露在地表角度與地表高程位移量之關係圖74
圖5-4:斷層延伸至地表下深度與地表高程位移量之關係圖75
圖5-5(a) :上盤E=30GPa、下盤E=5GPa75
圖5-5(b) :上盤E=5GPa、下盤E=30GPa76
圖5-5(c) :上下盤E值相同,E=30GPa76
圖5-5(d) :上下盤E值相同,E=5GPa77
圖5-6(a) :錯動時之界面摩擦角角度為10度77
圖5-6(b) :錯動時之界面摩擦角角度為20度78
圖5-6(c) :錯動時之界面摩擦角角度為30度78
圖5-7:地層層間滑動之分析網格79
圖5-8(a) :有層間滑動比無層間滑動易形成塑性區破壞80
圖5-8(b) :有層間滑動與無層間滑動之地表高程位移量81
圖5-9:平面模擬之簡單標準網格模擬結果82
圖5-10:斷層分段錯動與不分段錯動之位移向量比較83
圖5-11:北港基盤高區位置(摘自蕭銘璽,1996)84
圖5-12:北港基盤高區周圍之位移場(蕭銘璽,1996)84
圖5-13(a) :加入北港基盤高區之模擬85
圖5-13(b) :未加入北港基盤高區之模擬。其周圍之位移向量並無太大改變85
圖5-14:模擬斷層錯動時界面元素之摩擦角與地表位移向量之影響86
圖5-15(a) :上圖(標準網格)、下圖(未加大分析範圍網格)之X方向位移量87
圖5-15(b) :上圖(標準網格)、下圖(未加大分析範圍網格)之Y方向位移量88
圖5-16:台中一江橋附近斷層出現分段情形89
圖5-17:數值模擬斷層分段89
圖5-18(a) :模擬同震變形網格所釋放之應變能等值圖90
圖5-18(b) :集集地震主震及餘震之震源分佈位置90
圖5-18(c) :地震能量等高線圖90
表 目 錄
表4-1:本研究區域內1990-1995年間地殼位移資料91
表4-2:同震變形之高程資料92
表4-3:同震變形之水平位移資料93
表4-4:車籠埔斷層地表斷層泥之直接剪力試驗結果95
表4-5:車籠埔斷層地表斷層泥基本物性試驗結果與前人研究比較96
表4-6:材料參數整理96
表4-7:剖面模擬所使用之參數列表97
表4-8:平面模擬所使用之參數列表97
照 片 目 錄
照片4-1:車籠埔斷層泥採樣地點98
照片4-2:車籠埔斷層泥烘乾前與烘乾後之試體照片98
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指導教授 林銘郎、洪日豪(Jih-Hao Hung) 審核日期 2000-7-17
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