本项目使用的Itasca软件
项目简介
加拿大某深埋储存库（deep geological repository, 以下简称DGR）项目选址，该储存库将用于封存隔离该国核电站所产生的高放射性核废料。加拿大核废料管理组织（Nuclear Waste Management Organization，以下简称NWMO）与Itasca公司合作，对DGR附近发生大型地震的可能性进行风险评估，大型地震产生的次级裂缝有可能形成足以损坏核废料存储罐的变形或位移，从而导致放射性物质泄露。虽然低地震活动性是决定DGR选址的关键因素，但由于项目涉及的存储时间尺度长达100万年，因此仍需考虑由于应力或其他条件变化而产生大规模断层滑动的可能性。
本项目对断层破裂及其对断层外裂缝变形的影响进行了数值分析，以确定核废料存储罐与主要震源断层间的安全放置距离。
Itasca项目职能
本项目中Itasca工程师采用3DEC软件对DGR场地进行数值分析。首先，为了验证3DEC软件对于地震模拟的适用性，通过对南加州地震中心/美国地质调查局自发破裂代码验证项目（SCEC/USGS Spontaneous Rupture Code Verification Project）（Harris等人，2009）模拟计算进行基准测试。随后，为了研究地震滑动对现有裂缝的影响，构建了一个尺寸为100km x 100km x 60km的整体模型（图1），模型中主断层倾角30°及40°（基础案例），选用遵循库仑滑移剪切破坏准则的理想弹塑性节理本构模型。以加拿大安大略省西北部的一个通用场地为基础，考虑三种不同矩震级事件（基础案例矩震级Mw 6.1、6.6和6.9）。通过采用3DEC软件中随机裂隙网（下简称DFN）技术专门构建了3km x 3km x 0.3km（图1）的区域以模拟断层外的裂隙。岩石属性基于安大略省西北部花岗岩的p波速度，原位应力基于当前原位应力加上冰川周期结束时冰川诱导应力（即冰盖导致的垂直应力为零，但水平方向仍存在冰川诱导应力）。在模型中，通过将断层强度以70%的剪切波速，从震源点开始径向逐渐降低至残余值的方式在岩体中表征地震。
图1. 地震事件数值模型：（a）模型域中含一用于展示内部断层的截面；（b）断层区域离散为块体；（c）DFN与断层区域相交；（d）DFN区域。
项目结果
对于该基准测试的验证结果显示，3DEC软件分析结果与其他模型结果极为吻合。对于DGR现场模型而言，基础案例结果表明，主断层在滑移过程中平均剪切位移为1.6米，最大剪切位移为3.4米。同时，本案例中采用了五组不同DFN进行重复计算，所有结果均显示断层外裂缝的滑移不会超过5cm（图2）。
地震事件矩震级的增加则会导致滑移超过5cm的裂缝数量增多，同时包含这种大位移裂缝的距离也会增大。6.6矩震级情况下，滑动超过5cm的裂缝出现在活化断层600m范围内。6.9矩震级情况下，这一距离增加至1.5公里以上。然而，即使在极为罕见的6.9矩震级情况下，活化断层200 m范围内的裂缝最大位移也小于20 cm。
图2：地震前后裂缝剪切应力的变化，剪切应力变化为零或负值的断层仅显示为轮廓。
参考文献：
原文介绍：Fault Reactivation of Fractures Near a Generic Deep Nuclear Repository
基于3DEC软件的核废料深埋储存库附近的断层活化研究
