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CAD技术应用概况

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CAD/CAM(计算机辅助设计及制造)技术产生于本世纪50年代后期发达国家的航空和军事工业中，随着计算机软硬件技术和计算机图形学技术的发展而迅速成长起来。1989年美国国家工程科学院将CAD/CAM技术评为当代(1964-1989)十项最杰出的工程技术成就之一。三十几年来CAD技术和系统有了飞速的发展，CAD/CAM的应用迅速普及。在工业发达国家，CAD/CAM技术的应用已迅速从军事工业向民用工业扩展，由大型企业向中小企业推广，由高技术领域的应用向日用家电、轻工产品的设计和制造中普及。这一技术正在从发达国家'流向'发展中国家。

CAD是一个包括范围很广的概念，概括来说，CAD的设计对象有两大类，一类是机械、电气、电子、轻工和纺织产品；另一类是工程设计产品，即工程建筑，国外简称AEC(Architecture、Engineering和Construction)。而如今，CAD技术的应用范围已经延伸到艺术、电影、动画、广告和娱乐等领域，产生了巨大的经济及社会效益，有着广泛的应用前景。

CAD在机械制造行业的应用最早，也最为广泛。采用CAD技术进行产品设计不但可以使设计人员'甩掉图板'，更新传统的设计思想，实现设计自动化，降低产品的成本，提高企业及其产品在市场上的竞争能力；还可以使企业由原来的串行式作业转变为并行作业，建立一种全新的设计和生产技术管理体制，缩短产品的开发周期，提高劳动生产率。如今世界各大航空、航天及汽车等制造业巨头不但广泛采用CAD/CAM技术进行产品设计，投入大量的人力物力及资金进行CAD/CAM软件的开发，以保持自己技术上的领先地位和国际市场上的优势。

计算机辅助建筑设计(ComputerAidedArchitectureDesign，简称CAAD)是CAD在建筑方面的应用，它为建筑设计带来了一场真正的革命。随着CAAD软件从最初的二维通用绘图软件发展到如今的三维建筑模型软件，CAAD技术已开始被广为采用，这不但可以提高设计质量，缩短工程周期，还可以节约2%至5%的建设投资，而近几年来我国每年的基本建设投资都有几千亿元之多，全国大小近万个工程设计单位都采用CAD技术，则可以大大提高基本建设的投资效益。

CAD技术还被用于轻纺及服装行业中。以前我国纺织品及服装的花样设计、图案的协调、色彩的变化、图案的分色、描稿及配色等均由人工完成，速度慢、效率低，而目前国际市场上对纺织品及服装的要求是批量小、花色多、质量高、交货要迅速，这使得我国纺织产品在国际市场上的竞争力不强。采用CAD技术以后，大大加快了我国纺织及服装企业走向国际市场的步伐。

如今，CAD技术已进入到人们的日常生活中，在电影、动画、广告和娱乐等领域大显身手。电影拍摄中利用CAD技术已有十余年的历史，美国好来坞电影公司主要利用CAD技术构造布景，可以利用虚拟现实的手法设计出人工不可能做到的布景。这不仅能节省大量的人力、物力，降低电影的拍摄成本，还可以给观众造成一种新奇、古怪和难以想像的环境，获得极大的票房收入。比如美国的《星球大战》、《外星人》、《侏罗纪公园》等科幻片以及完全用三维计算机动画制作的影片《玩具总动员》，都取得了极大的成功。轰动全球的大片《泰坦尼克》应用了大量的三维动画制作，用计算机真实地模拟了泰克尼克航行、沉船的全过程。此外，动画和广告制作中也充分利用了计算机造型技术，实质上也是一种虚拟现实技术。虚拟现实技术还被用于各种模拟器及景物的实时漫游、娱乐游戏中。

近十年来，在CIMS工程和CAD应用工程的推动下，我国计算%B

B�ㄖ�杓萍际跤τ迷嚼丛狡毡椋�嚼丛蕉嗟纳杓频ノ缓推笠挡捎谜庖患际趵刺岣呱杓菩�省⒉�分柿亢透纳评投�跫�D壳埃�夜�庸�庖��腃AD软件有好几十种，国内的一些科研机构、高校和软件公司也都立足于国内，开发出了自己的CAD软件，并投放市场，我国的CAD技术应用呈现出一片欣欣向荣的景象。

二、CAD/CAM领域的技术现状

1.CAD技术的特点

CAD技术是一项综合性的，集计算机图形学、数据库、网络通讯等计算机及其他领域知识于一体的高新技术；是先进制造技术的重要组成部分；也是提高设计水平、缩短产品开发周期、增强行业竞争能力的一项关键技术。CAD技术的特点是涉及面广而复杂、技术变化快、竞争激烈，投资大、风险高、产出高。现代有名的CAD/CAM软件都是规模巨大、功能众多、系统复杂，所以投资大、开发周期长，难以及时跟上硬件平台和开发环境的迅速发展，以及广大用户需求的变化和不断增长的要求。

2.CAD系统的硬件环境

当前CAD系统的硬件环境主要是工程工作站及个人计算机。工作站是具有高速的科学计算、丰富的图形处理及灵活的窗口与网络管理功能的交互式计算机系统，它一般具有32位或64位字长的中央处理器(CPU)，广泛采用精简指令(RISC)，超标量、超流水线及超长指令技术，具有Unix操作系统和X窗口管理系统，在一个分布式的网络环境下运行。目前流行的工作站主要有：Sun公司的SPARCStation10工作站，美国惠普(HP)公司的HP-PA工作站，DEC公司的Alpha工作站，SGI工作站及IBM公司的RS/6000工作站。工作站虽然性能优越，图形处理速度快，但价格却十分昂贵，这在当前一定程度上限制了CAD/CAM技术的推广。

以前，个人计算机和工作站相比在计算、图形、网络及并行处理等方面均有较大的差别。个人计算机上运行的DOS及Windows等系统软件在可靠性、安全性及效率等方面也不如工作站上的系统软件。然而，随着计算机硬件技术的飞速发展，个人计算机的计算能力、图形处理能力的不断提高和操作系统的逐渐完善，使其与专业RISC/Unix工作站的性能差距逐渐缩小。尤其是Intel的PentiumPro和PentiumⅡ芯片以及Microsoft的WindowsNT的发布，使得个人计算机在性能上完全具备了与中低档工作站竞争的实力，加之个人计算机价格低廉，这使其在普及CAD应用中起到了工作站所不能代替的作用。

3.当今CAD/CAM领域的主流技术

(1)基础造型技术(参数化设计、变量化设计及特征造型技术)

在CAD技术发展的初期，CAD仅限于计算机辅助绘图，随着计算机软、硬件技术的飞速发展，CAD技术才从二维平面绘图发展到三维产品建模，随之也就产生了三维线框造型、曲面造型以及实体造型技术。而如今参数化及变量化设计思想和特征造型则代表了当今CAD技术的发展方向。

传统的CAD绘图软件都是用固定的尺寸值定义几何元素，要进行图面修改只有删除原有的线条后重画，而新产品的打样设计不可避免的要进行多次的修改，进行零件形状和尺寸的综合协调、优化，大多数设计工作都是在原有设计基础上的改进。因此，新的CAD系统都增加了参数化和变量化设计模块，使得产品的设计图可以随着某些结构尺寸的修改和使用环境的变化而自动修改图形，这可以减少大量的重复劳动，减轻设计工作量。

参数化设计一般是指设计对象的结构形状比较定型，可以用一组参数来约定尺寸关系，参数的求解较简单，参数与设计对象的控制尺寸有显式对应关系，设计结果的修改受尺寸驱动。生产中最常用的系列化标准件就是属于这一类型。变量化设计(Variationaldesign)是指设计对象的修改需要更大的自由度，通过求解一组约束方程来确定产品的尺寸和形状。约束方程可以是几何关系，也可以是工程计算条件，设计结果的修改受到约束方程驱动。变量化设计允许尺寸欠约束的存在，这样设计者便可以采用先形状后尺寸的设计方式，将满足设计要求的几何形状放在第一位而暂不用考虑尺寸细节，设计过程相对宽松。变量化设计可以用于公差分析、运动机构协调、设计优化、初步方案设计选型等，尤其在做概念设计时更显得得心应手。

谈到变量化设计，就不能不提及美国SDRC公司的VGX技术。VGX是VariationalGeometryExtended(超变量化几何)的缩写，是变量化技术发展的一个里程碑。它的思想最早体现在SDRC公司的软件产品I-DEASMasterSeries第一版的变量化构图中。VGX技术为CAD软件带来了空前的易用性，设计人员可以非常直观地、实时地进行产品三维几何模型的操作和修改，只需在一个主模型中，就可以动态地捕捉设计、分析和制造的意图并一气呵成地进行操作。VGX技术极大地改进了交互操作的直观性及可靠性，从而使CAD软件更加易于使用，富有效率。

特征造型是CAD建模方法的一个新里程碑，它是在CAD/CAM技术的发展和应用达到一定的水平，要求进一步提高生产组织的集成化和自动化程度的历史进程中孕育成长起来的。过去的CAD技术从二维绘图起步，经历了三维线框、曲面和实体造型发展阶段，都是着眼于完善产品的几何描述能力，亦即只描述了产品的几何信息；而特征造型则是着眼于更好地表达产品完整的功能和生产管理信息，为建立产品的集成信息模型服务。特征(feature)在这里作为一个专业术语，兼有形状和功能两种属性，它包括产品的特定几何形状、拓扑关系、典型功能、绘图表示方法、制造技术和公差要求。特征造型技术使得产品的设计工作在更高的层次上进行，设计人员的操作对象不再是原始的线条和体素，而是产品的功能要素。特征的引用直接体现了设计意图，使得建立的产品模型更容易为人理解和组织生产，为开发新一代的基于统一产品信息模型的CAD/CAPP/CAM集成系统创造了前提。

(2)CAD的数据交换格式及标准化(DXF格式、IGES格式及STEP标准)

随着CAD技术的不断发展和日益成熟以及各行业CAD应用的不断深入，CAD标准化工作越来越显示出了它的重要性。CAD标准化工作作为高新技术标准化的一部分，在CAD技术工作中占有很重要的位置，国家科委工业司和国家技术监督局标准司于'八五'期间共同发布了《CAD通用技术规范》，规定了我国CAD技术各方面的标准，而其中CAD数据交换问题是CAD广泛应用后各行业所面临的重要问题。由于CAD数据的急剧膨胀，而不同的CAD系统产生的数据文件又采用不同的数据格式，甚至各个CAD系统中数据元素的类型也不尽相同，这种状况潜在地阻碍了CAD技术的进一步应用和发展。所以，如何能使企业的CAD技术信息实现最大限度的共享并进行有效的管理是标准化所面临的非常重要的课题。

目前，在微机和工作站上用于数据交换的图形文件标准主要有：AutoCAD系统的DXF(DataExchangeFile)文件，美国标准IGES(InitialGraphicsExchangeSpecification即初始图形交换规范)及国际标准STEP(StandardfortheExchangeofProductmodeldata)。其他一些较为重要的标准还有：在ESPRIT(欧洲信息技术研究与开发战略规划)资助下的CAD-I标准(仅限于有限元和外形数据信息)；德国的VDA-FS标准(主要用于汽车工业)；法国的SET标准(主要应用于航空航天工业)等等。

AutoCAD的DXF文件是具有专门格式的ASCII码文本文件，它比较好读，易于被其它程序处理，主要用于实现高级语言编写的程序与AutoCAD系统的连接，或其他CAD系统与AutoCAD之间的图形文件交换。由于AutoCAD在世界范围内的应用极为广泛，已经深入到各行各业之中，所以它的数据文件格式已经成为一种事实上的工业标准。DXF图形数据交换文件为推广应用CAD/CAM技术提供了很大的便利，但由于DXF文件开发较早，从现在的目光来看，它当然存在很多的不足：它不能描述产品的完整几何模型，难以进一步发展；其信息定义不完整，它仅保留了原有系统数据结构中的几何和部分属性信息，而大量的拓扑信息已不复存在；其信息描述方面也有许多缺陷，致使一些信息量过分冗长；文件格式比较复杂，也不尽合理。所以，Autodesk公司近来强调了用二进制的DWG和网络上的DWF格式作为它的数据传输标准，但二者的格式都不公开，因此很难再作为工业标准为其他CAD系统所利用。

IGES标准最早是ANSI于80年代初制定的，是建筑在波音公司CAD/CAM集成信息网络、通用电气公司的中心数据库和其他各种数据交换格式之上。其最初版本仅限于描述工程图纸的几何图形和注释，随后又将电气、有限元、工厂设计和建筑设计纳入其中。1988年6月公布的IGES4.0又吸收了ESP中的CSG(ConstructiveSolidGeometry，意译为体素构造法)和装配模型，后经扩充又收入了新的图形表示法、三维管道模型以及对FEM(有限元模型)功能的改进。而B-rep(边界表示法)模型则在IGES5.0中定义。然而，IGES在文件结构中却又不合理地定义了直接存取的指针系统。其在应用中暴露的主要问题有：

数据文件过大，数据转换处理时间过长；

某些几何类型转换不稳定；

只注意了图形数据转换而忽略了其他信息的转换。

尽管如此，IGES仍然是目前为各国广泛使用的事实上的国际标准数据交换格式，我国于1993年9月起将IGES3.0作为国家推荐标准。

产品模型数据交换标准STEP是国际标准化组织(ISO)所属技术委员会TC184(工业自动化系统技术委员会)下的“产品模型数据外部表示”(ExternalRepresentationofProductModelData)分委员会SC4所制订的国际统一CAD数据交换标准。所谓产品模型数据是指为在覆盖产品整个生命周期中的应用而全面定义的产品所有数据元素，它包括为进行设计、分析、制造、测试、检验和产品支持而全面定义的零部件或构件所需的几何、拓扑、公差、关系、属性和性能等数据，另外，还可能包含一些和处理有关的数据。产品模型对于下达生产任务、直接质量控制、测试和进行产品支持功能可以提供全面的信息。

STEP为产品在它的生命周期内规定了惟一的描述和计算机可处理的信息表达形式。这种形式独立于任何特定的计算机系统，并能保证在多种应用和不同系统中的一致性。这一标准还允许采用不同的实现技术，便于产品数据的存取、传输和归档。STEP标准是为CAD/CAM系统提供中性产品数据而开发的公共资源和应用模型，它涉及到了建筑、工程、结构、机械、电气、电子工程及船体结构等无所不包的所有产品领域。在产品数据共享方面，STEP标准提供四个层次的实现方法：ASCII码中性文件；访问内存结构数据的应用程序界面；共享数据库以及共享知识库。无疑，这将会给商业和制造业带来一场大变革，STEP标准在下述几个方面有着明显的优越性：一是经济效益显著；二是数据范围广、精度高，通过应用协议消除了产品数据的二义性；三是易于集成，便于扩充；四是技术先进、层次清楚，分为通用资源(子标准40系列)、应用资源(子标准100系列)和应用协议(子标准200系列)三部分。如今，STEP标准已经成为国际公认的CAD数据文件交换全球统一标准，许多国家都依据STEP标准制订了相应的国家标准。我国STEP标准的制订工作由CSBTSTC159/SC4完成，STEP标准在我国的对应标准号为GB16656。STEP标准存在的问题是整个体系极其庞大，标准的制订过程进展缓慢，数据文件比IGES更大。目前商用CAD系统提供的STEP应用协议还只有AP203“配置控制设计”，内容包括产品的配置管理、曲面和线框模型、实体模型的小平面边界表示和曲面边界表示等以及AP214“汽车机械设计过程的核心数据”两种。

三、国内CAD市场状况及CAD/CAM主流软件产品

1.概述

我国自60年代开始研究开发CAD软件以来，经过'六五'、'七五'、'八五'的成果积累，CAD软件产业在建筑、石化、轻工、造船、机械、电子等行业，以及二维参数化绘图、有限元分析、曲面造型和数控加工编程等方面都已经初具规模，成绩显著，而其中建筑CAD软件已经在国内占据统治地位，比较有名的有：中国建筑科学研究院的ABD建筑、结构、设备系列软件及BICAD民用建筑结构集成化CAD系统，还有它的PKPM系列建筑工程软件以及北京华夏正邦科技有限公司的德赛建筑装修软件系列。我国目前推出的自主版权CAD软件基本上都是微机版本，价格合适，符合我国设计人员的设计习惯，虽然与国外同类CAD软件相比，在资金投入、商品化包装以及企业的集团化规模化方面存在一定的差距，但仍有着广阔的市场前景和发展潜力。下面对目前国内市场上主要的CAD/CAM产品作一介绍。

2.引进的国外主要软件

(1)AutoCAD及MDT

AutoCAD系统是美国Autodesk公司为微机开发的一个交互式绘图软件，它基本上是一个二维工程绘图软件，具有较强的绘图、编辑、剖面线和图案绘制、尺寸标注以及方便用户的二次开发功能，也具有部分的三维作图造型功能。它是目前世界上应用最广的CAD软件，占整个世界个人微机CAD/CAE/CAM软件市场的37%左右，是诸多微机CAD软件的佼佼者，把其他微机CAD软件，如Cadkey、EagleCAD、CAD-Plan等等远远地抛在后面。如今AutoCAD已经推出了R14版本，并且有中文化的最新版本面市。

MDT(MechanicalDesktop)是Autodesk公司在机械行业推出的基于参数化特征实体造型和曲面造型的微机CAD/CAM软件，据称目前已经装机2万余套，MDT的用户主要有：中国一汽集团、荷兰菲利浦公司、德国西门子公司、日本东芝公司、美国休斯公司等等。

(2)Pro/Engineer

Pro/Engineer系统是美国参数技术公司(ParametricTechnologyCorporation简称PTC)的产品，它刚一面世(1988年)，就以其先进的参数化设计、基于特征设计的实体造型而深受用户的欢迎，随后各大CAD/CAM公司也纷纷推出了基于约束的参数化造型模块。此外，Pro/Engineer一开始就建立在工作站上，使系统独立于硬件，便于移植；该系统用户界面简洁，概念清晰，符合工程人员的设计思想与习惯。Pro/Engineer整个系统建立在统一的数据库上，具有完整而统一的模型，能将整个设计至生产过程集成在一起，它一共有20多个模块供用户选择。基于以上原因，Pro/Engineer在最近几年已成为三维机械设计领域里最富有魅力的系统，其销售额和用户群仍以最快的速度向前发展，PTC公司不久前又将Computervision(简称CV)公司收购于旗下，更加壮大了PTC的实力。

(3)I-DEASMasterSeries5

I-DEASMasterSeries是美国SDRC(StructuralDynamicsResearchCorporation)公司自1993年推出的新一代机械设计自动化软件，也是SDRC公司在CAD/CAE/CAM领域的旗舰产品，并以其高度一体化、功能强大、易学易用等特点而著称。I-DEASMasterSeries5于今年6月20日在美国首次展示，其最大的突破在于VGX技术的面市，极大地改进了交互操作的直观性和可靠性。另外，该版本还增强了复杂零件设计、高级曲面造型以及有限元建模和耐用性分析等模块的功能。在我国，正式使用I-DEASMasterSeries软件的用户已经超过400家，居于三维实体机械设计自动化软件的主导地位。由于SDRC公司早期是以工程与结构分析为主逐步发展起来的，所以工程分析是该公司的特长。SDRC公司近期还集中了优势力量大力加强数控加工功能的开发。

(4)CATIA

CATIA系统是法国达索(Dassault)飞机公司DassaultSystems工程部开发的产品。该系统是在CADAM系统(原由美国洛克希德公司开发，后并入美国IBM公司)基础上扩充开发的，在CAD方面购买原CADAM系统的源程序，在加工方面则购买了有名的APT系统的源程序，并经过几年的努力，形成了商品化的系统。CATIA系统如今已经发展为集成化的CAD/CAE/CAM系统，它具有统一的用户界面、数据管理以及兼容的数据库和应用程序接口，并拥有20多个独立计价的模块。该系统的工作环境是IBM主机以及RISC/6000工作站。如今CATIA系统在全世界30多个国家拥有近2000家用户，美国波音飞机公司的波音777飞机便是其杰作之一。

(5)EUCLID

EUCLID软件是法国MATRA公司信息部的产品，它是由法国国家科学研究中心为英法联合研制的协和号超音速客机而开发的软件。该软件具有统一的面向对象的分布式数据库，在三维实体、复杂曲面、二维图形及有限元分析模型间不需作任何数据的转换工作。由于数据是彼此引用，而不是简单的复制，所以用户在修改某部分设计时，其他相关数据会自行更新。该软件主要在SGI、DEC、Sun和HP工作站上运行，据称现在近40个国家中有1200家以上的用户，其主要用户有：法国MATRA公司、雷诺汽车公司、YEMA公司，德国奔驰汽车公司、大众/奥迪汽车公司，美国通用动力公司，日本Nissan汽车公司、NEC公司，瑞士OMEGA手表公司等。

(6)Unigraphics(UG)

UG起源于美国麦道(MD)公司的产品，1991年11月并入美国通用汽车公司EDS分部。如今EDS是全世界最大的信息技术(IT)服务公司，UG由其独立子公司UnigraphicsSolutions开发。UG是一个集CAD、CAE和CAM于一体的机械工程辅助系统，适用于航空航天器、汽车、通用机械以及模具等的设计、分析及制造工程。该软件可在HP、Sun、SGI等工作站上运行，自称安装总数近3万台。UG采用基于特征的实体造型，具有尺寸驱动编辑功能和统一的数据库，实现了CAD、CAE、CAM之间无数据交换的自由切换，它具有很强的数控加工能力，可以进行2轴～2.5轴、3轴～5轴联动的复杂曲面加工和镗铣。UG还提供了二次开发工具GRIP、UFUNG、ITK，允许用户扩展UG的功能。UG自90年初进入中国市场，至今已装机2000台套左右。

(7)SolidWorks

SolidWorks是一套基于Windows的CAD/CAE/CAM/PDM桌面集成系统，是由美国SolidWorks公司于1995年11月研制开发的，其价格仅为工作站CAD系统的四分之一。该软件采用自顶向下的设计方法，可动态模拟装配过程，它采用基于特征的实体建模，自称100%的参数化设计和100%的可修改性，同时具有中英文两种界面可供选择其先进的特征树结构使操作更加简便和直观。该软件于1996年8月由生信国际有限公司正式引入中国，由于其基于Windows平台，价格合理，在我国具有广阔的市场前景。

3.国内开发的主要软件

(1)PICAD

PICAD系统及系列软件是中科院凯思软件集团及北京凯思博宏应用工程公司开发的具有自主版权的CAD软件。该软件具有智能化、参数化和较强的开放性，对特征点和特征坐标可自动捕捉及动态导航；系统提供局部图形参数化、参数化图素拼装及可扩充的参数图符库；提供交互环境下的开放的二次开发工具，用户可以任意增加功能或开发专业应用软件。PICAD是国内商品化最早、市场占有率最大的CAD支撑平台及交互式工程绘图系统，自从1991年推出中国第一个商品化的二维CAD系统以来，经过几年的发展，PICAD的用户已经遍及各行业及各省市，至1997年底装机已近8000套。

(2)高华CAD

北京高华计算机有限公司是由清华大学和广东科龙(容声)集团联合创建的高技术企业，其总部位于清华大学。高华CAD系列产品包括计算机辅助绘图支撑系统GHDrafting、机械设计及绘图系统GHMDS、工艺设计系统GHCAPP、三维几何造型系统GHGEMS、产品数据管理系统GHPDMS及自动数控编程系统GHCAM。高华CAD也是基于参数化设计的CAD/CAE/CAM集成系统，是全国CAD应用工程的主推产品之一，其中GHGEMS5.0曾获第二届全国自主版权CAD支撑软件评测第一名。如今，高华CAD软件已为300多家大中型企业及科研院所采用，其装机量据称已经超过一万套。

(3)清华XTMCAD

清华XTMCAD是清华大学机械CAD中心和北京清华艾克斯特CIMS技术公司共同开发的基于Win95和AutoCADR12及R13二次开发的CAD软件。它具有动态导航、参数化设计及图库建立与管理功能，还具有常用零件优化设计、工艺模块及工程图纸管理等模块。作为Autodesk注册认可的软件增值开发商，可直接得到Autodesk公司的技术支持，其优势体现在对CIMS工程支持数据的交换与共享上。

(4)开目CAD

开目CAD是华中理工大学机械学院开发的具有自主版权的基于微机平台的CAD和图纸管理软件，它面向工程实际，模拟人的设计绘图思路，操作简便，机械绘图效率比AutoCAD高得多。开目CAD支持多种几何约束种类及多视图同时驱动，具有局部参数化的功能，能够处理设计中的过约束和欠约束的情况。开目CAD实现了CAD、CAPP、CAM的集成，适合我国设计人员的习惯，是全国CAD应用工程主推产品之一。

参考资料：

欧亚大陆的活断层和现代地球动力学

V.Trifonov G.Vostrikov R.Trifonov O.Soboleva

（Geological Institute of Russian Academy of Sciences,7 Pyzhevsky,Moscow,109017,Russia）

摘要　本文叙述在完成国际岩石圈计划项目Ⅱ－2《世界主要活断层图》的过程中对欧亚大陆活断层的研究结果；讨论了欧亚大陆活断层作用的一般规律性：板块边界区的宽断层带，以走向滑动运动为主，现代拆离构造的表现，以及计算活动带内现代地球动力学参数的方法和结果。

关键词　活断层　全新世　晚更新世　拆离构造　变形率张量

1　引言

在40年代美洲作者和欧洲作者分别引用同义词“active fault”和“Living fault”（中文译为“活动断层”和“活断层”），来标明与新近发生的或最近的将来可能发生的构造运动有关的断裂。由于断层构造运动在时间上是不均一的，这就产生了用于恰当说明断层活动、运动方向、平均速率和有关的自然现象的特征时间问题。对于活动带，这种时间段为晚更新世和全新世，即约为最近10万年[1,2]。但是，这个时间段不足以估算地台区活断层作用的参数，那里的断层运动强度要低得多，与强地震有关的脉动也比活动带内的要少得多。因此，确定地台断层的活动性不仅应基于最近10万年间发生的运动，而且还应基于中更新世即最近70万年间发生的运动[3]。

1989年，考虑到研究活断层的重要性，国际岩石圈计划确定了以V.G.Trifonov为组长的项目Ⅱ－2“世界主要活断层图”[4]。此项目的参加者建立了世界上唯一的活断层数据库，包括断层的表现、参数和地震效应的数据库。对欧亚大陆的研究进展最大。欧亚大陆的活断层已编制成1∶500万的初步图件，对许多地区还编制了较详细的图件和说明书。

本文提供了对欧亚大陆活断层的分析结果，讨论了活断层位置和位移的一般规律性，以及利用活断层数据计算现代地球动力学参数的结果。

2　欧亚大陆活断层的构造位置和位移的一般特征

分析欧亚大陆活断层的断错表明，其位移的垂直分量通常是由于冲断层或逆断层运动产生的，而不是由于正断层运动产生的。这对于活动带及中等和弱活动区域的断层是真实的。因此，本大陆的大部分现在处于附加的侧向挤压状态下，这与利用不同方法得出的现今应力的估算值是一致的[5]。

欧亚大陆活动带的活断层半数以上具有走向滑动的运动分量，这个分量相当于或大于垂直分量。在走向滑动带，最常观测到内陆运动的最大速率。这个事实说明，走向滑动消耗的能量，小于冲断层、逆断层甚至正断层的运动消耗的能量。我们对近几十年来最强的大陆地震震级与每次地震产生的效应作了相关分析。这种效应表现为地震破裂长度及长度乘最大地震位移。走向滑动地震断层的这些特征比起相同震级地震产生的其他特征要明显得多[6]。

欧亚大陆主要活断层图（图1）上标出运动速率大于1mm/a的活断层。该图说明最长的断层构成现代板块和小板块的边界。这种边界通常不以单一断层显示，而是表现为活动断裂带。大多数活断层集中在活动断裂带内及活动断裂带之内的活动构造带内。图2给出所有的活断层，不管其运动速率大小，这两种带都表现得很好（图2）。

造山带（例如亚洲的阿尔卑斯造山带）上的活动带，在地形上表现为山脉或山脉系，其间的稳定断块形成具有现代沉积作用的相对坳陷。这种稳定断块在活动带汇聚的地区是窄的，形成山间盆地。这正是在塔里木小板块延续部分的帕米尔与天山之间各个盆地的成因。活动带内的活断层控制着较小的抬升（山脉）与下降（盆地）的新构造形态。与相邻的山脉相比，这类盆地通常对应于较致密岩石（例如超基性岩体中的蛇绿岩及其碎块）构成的地区。盆地的地表已在新构造运动前发生了均衡沉降。所以现代挤压造山带的许多或者全部山间盆地，不能定为Argan的（术语）“基底向斜”[7]。它们是由于基底不均一性决定的，相当于活动带之间的稳定断块的残余，或者相当于活动带内密度较高的地壳区。

在造山运动期间，山脉与山间盆地的地形差异增大了。山脉受侵蚀，成为负荷较轻的，而盆地受碎屑物质充填，成为负荷较重的。这种均衡不平衡在深部得到岩石侧向运动所补偿。侧向运动体现在较为破碎的或较塑性的、因而其密度比相邻层位要低的岩层中。于是，盆地的基底富含有与盆地成因无关的较重的组分。

3　活动的拆离构造

地表上确定的大部分活断层只切割上地壳，不一定能切割到下岩石圈中，在下岩石圈中是以其他方式变形的。有关现代拆离构造作用的证据已发表在V.G.Trifonov et al.,1984,Yu.M.Pushcharovsky和V.G.Trifonov,1990的文章中。与受侵蚀出露地表的较老的拆离构造特征不同，现代拆离构造不能被直接观察到。它们呈现为近水平带内的震中密集分布，或表现为岩石圈不同层位上构造形式和活断层作用的差异。在这种情况下，无法用有关的地球物理和地球化学异常确定出深部活动构造单元。这种构造单元与地表活动构造相比，有时在地表上表现为不一致的构造特征。活动构造在不同深度的差异，大多是由流变性质不同的岩石对基本上同等载荷的不同反应引起的。然而，在日本中部、东天山，以及其他一些地区，岩石圈不同层位上的应力定向和运动方向是不同的。在受挤压的活动带内，已发现最复杂的活动拆离构造特征。它们的表现形式取决于区域的构造位置。

俯冲作用是大洋岩石圈和次大洋岩石圈的特征，而且在亚洲东缘普遍与俯冲岩板的碎块或受改造的物质以相当低的角度下冲在外来板块的地壳之下有关[10]。克里特岛和小安德烈斯型的岛弧是特殊情况，因为那里的俯冲作用伴有外来板块或它的地壳部分的上叠。在爱琴海地区，这种上叠现象是由于向西运动的安纳托里亚小板块侧向挤压，以及由于该区域岩石圈构造破坏产生的异常地幔上升引起的同时拉张造成的。这种机制是在分析活断层作用后得出的[3]，并为GPS测量数据解释结果所证实[11]。同样的上叠现象也有可能出现在太平洋诸岛弧上[12]，但是，那里大多是以俯冲作用为主。

图1　欧亚大陆主要活断层图（图上只表示出运动速率大于1mm/a的断层）

本图是由V.G.Trifonov、丁国瑜、A.I.Kozhurin和R.V.Trifonov利用国际岩石圈计划项目Ⅱ－2“世界主要活断层图”数据库编制而成

图2　欧亚大陆活断层初步图

由V.G.Trifonov利用国际岩石圈计划项目Ⅱ－2“世界主要活断层图”数据库编制而成

在最大板块汇聚和挤压的地区，典型的碰撞和相互作用是地壳和地幔的解耦和独立变形，有时伴有地壳分层成几个滑块（如旁遮普－帕米尔和阿拉伯－小高加索山弧束）。这两个山弧束内的上地壳活动构造基本上是相似的。这里推覆－褶皱构造发育，活动的走滑断层广泛分布。除转换作用的走向滑动使断层一侧相对另一侧呈整体位移（如阿拉伯板块和印度板块之间接西边界和东北边界上的断层）之外，还有旋转的和使岩体拆离最大挤压区的走滑断层清晰可辨[6]。后两种走滑断层使碰撞带横向缩短，并使两侧岩体重新分布。

在所述的山弧束内，下地壳和地幄（地幔顶层）的性状是不同的。在帕米尔－喜马拉雅地区，地幔顶层与上覆的地壳拆离开来，在某些地方已亏损和榴辉岩化了，比起周围岩层较冷，因而密度较大，下沉在变形相当大的地幔中[13]。这种地幔的震源带处在达270km的深度。下地壳作为不同变形的上地壳与地幔顶层之间的边界带，具有最大差异运动和最强烈变形的特征。

在阿拉伯－小高加索山弧束内及其周围地区，地幔顶层受异常加热，并且可能富含深地幔分异作用的产物。这种受加热的地区呈现为年轻的横向火山带，在山弧束的北部称为外高加索隆起[14]。在南面直至北面的大高加索，晚第四纪火山带把不均质的构造带同前寒武纪阿拉伯板块分割开来。在地壳厚度约35km的阿拉伯板块内，出现具有较浅（30～40km）岩浆源的裂谷型玄武岩火山活动。这个带向北分割着具有地壳厚度不等（30～40km）的阿尔卑斯期强烈变形带和其下的可能为中生代特提斯大洋地壳的榴辉岩化岩板。这里晚第四纪火山活动属于钙碱性序列，以安山岩为主。在大高加索，由于南带俯冲，地壳厚度增至45km，基本上为酸性火山活动[15]。根据这些资料我们可以认为，深部加热带的顶部位于30～40km的深度。这个带不仅占据地幔，而且在南部还占据下地壳。它的存在使地壳更易于拆离，并向北挤出。最后，它使原先存在于高加索山脉的准特提斯盆地完全上冲在早中新世地层之上。在高加索以西和以东，如黑海和南里海，仍保存着这个盆地系的已改组的碎块。在高加索地区，受岩浆分异产物的加热作用，和富含此产物的较轻的地幔顶层，没有下沉到地幔中。但在邻近的东面，在阿普歇伦海底山脊，向北倾斜的地幔震源带处于深达100km的深度。

“推压作用”是造成现代最大碰撞区以北变形分布和运动的主要机制。这在中亚和东亚的广大地区是很特征的。这种机制与印度板块向北漂移，引起邻近小板块和地壳断块变形和运动有关，而后两者又引起相邻构造带运动。这种变形和运动集中在小板块之间和断块之间的边界上，这主要取决于它们的形态。新构造褶皱作用和拆离作用的强度向最大碰撞区以北和东北减弱，并被走滑运动为主的纯断层型构造所取代。拉伸构造（贝加尔和山西裂谷系）发育在大型剪切带的弯曲段上。

现代地壳的拆离作用和“推压作用”发生在欧洲阿尔卑斯和地中海区域，但是不很明显，具有局部特征，与岩石圈的拉伸特征有关，后者以裂谷带和对称盆地为代表，如潘诺宁和爱琴海盆地。这种构造的广泛产出，可能与地壳较薄和岩石圈较热（如与中亚相比）的环境中板块和断块相互作用产生的地幔底辟作用有关。

4　利用活断层数据确定现代上地壳地球动力学

现在讨论中亚碰撞区（北纬26°～56°、东经64°～104°）（图2）。它包括天山、阿尔泰、萨彦、帕米尔、兴都库什、昆仑山脉、西喜马拉雅山脉和邻近的阿富汗、巴基斯坦、蒙古西部及包括西藏在内的中国西部。

我们利用活断层参数计算了现代地球动力场。在计算过程中不考虑活动褶皱产生的变形，因为很难对它进行测量，而且与总体变形相比是较小的。利用本区域的活断层数据建立了活断层参数数据库。这些数据是在实施国际岩石圈计划项目Ⅱ－2“世界主要活断层图”过程中收集的。首先利用了丁国瑜、N.V.Lukina、P.Molnar、T.Nakata、A.A.Nikonov、V.P.Solonenko、P.Tapponier、V.G.Trifonov、K.E.Abdrakhmatov、邓起东、V.S.Butman、S.D.Khilko、K.G.Levi、V.I.Makarov、S.I.Sherman、A.Sinha、A.V.Timush和R.S.Yeats的文章资料建立了数据库。

这个数据库包括每条断层的如下参数：①数目和名称（若有名称）；②信息来源；③位置，以明确的地理坐标的点数表示；④断层面倾斜方向：NO（NE,N,NW和W），或ZU（SW,S,SE和E）；⑤倾角，度：min-mp-max；⑥运动的侧向分量方向：D（右旋）或S（左旋）；⑦拉张分量的存在，E；⑧运动的垂直分量方向：R（冲断或逆断）或N（正断）；⑨侧向运动平均速率，mm/a:min-mp-max；⑩拉张的平均速率，mm/a:min-mp-max；⑪垂直运动的平均速率：mm/a,min-mp-max。其中，“min”表示参数的最小值，“mp”表示最可能的数值，“max”表示最大值。计算了晚更新世和全新世的平均速率。如果倾斜或平均速率无法用野外数据确定，我们就用断层区的一般新构造和地震数据计算它们的可能值范围。平均速率可能是稀少强震时的蠕动或位移的脉动。对此我们是利用地质、地貌和较稀少的地震或测地资料计算的。如果沿断层的任何参数（④～⑪）有变化，就把它分为各单独的段。

提出一个上地壳的“流体动力学”模型。如把活断层的分散位移从形式上表示为大的时空范围的粘性流体流动的统一过程。这种分散－连续流动过程的宏观参数之一是应变率张量。把它计算为大的时空范围的有效平均参数。这个参数乘以粘度系数便是应力张量。

时间条件是完全满足的，因为采用了晚更新世—全新世（10万年）。我们只考虑上地壳层（15km）。为了满足空间条件，这一范围的横向尺度（基本窗的线性尺度）必须比最大断层要长。另一方面，窗的尺度不能太大，因为我们把它考虑为流动的基本体积。选用于计算平均变形窗的尺度将在下面叙述。

首先将断层各单独段再分为具有恒定走向和倾向、长20～30km的基本单元。为避免位移幅度的衰减，切去断层的端部，其长度不超过断层总长的5%。单元的宽度（断层穿透深度）与断层长度相对应。根据文献[16]：

第30届国际地质大会论文集　第5卷　现代岩石圈运动　地震地质

式中：L为断层总长度；L3为单元宽度，不能超过15km。我们引入数值：

第30届国际地质大会论文集　第5卷　现代岩石圈运动　地震地质

式中：S为沿单元的位移向量大小，L1为单元长度。我们称M为“几何矩”。按这个值的意义，它乘上断层的干摩擦系数即为作用于单元的力矩。它类似于一个震源的地震矩[17]，对于任何一个基本窗，可以引入正交坐标系x,y,z（分别为东、北和垂直向上方向）。然后，由下式确定几何矩张量M的分量：

第30届国际地质大会论文集　第5卷　现代岩石圈运动　地震地质

式中：l,m=x,y,z;ls、ln和ms、mn为局部坐标系方向的余弦（n是垂直于单元面的法线，s是沿单元的位移向量方向）。每个窗内张量的所有相似分量（3）经求和与归一化处理，变为单位窗体积和时间的量：

第30届国际地质大会论文集　第5卷　现代岩石圈运动　地震地质

式中：n是任何窗内的单元数量；△V是窗面积乘以活动层厚度（15km）；△T是晚更新世和全新世时间段。根据B.V.Kostrov[17]，

是活断层运动所造成的应变率张量的某分量在窗内的平均值。

利用已知的岩石力学方法[18]，计算了主变形率（M1,M2,M3），并把它规定在窗中心。

将研究的区域按地理经纬度划分成两种方式的基本窗：第一种是大小为1°×1.25°、不重叠的窗，第二种是大小为3°×3.75°，步长分别为1°和1.25°的窗。第一种划分较详细，只用于计算基本变形的方向。第二种划分显示平滑的图案，用于计算基本变形的方向和大小。于是，变形率向量用基本缩短和伸长的方向（图3和图4）和大小的等值线表示（图5和图6）。

本区的主缩短轴（图3）全是近水平的，大部分地区内大致为北走向。这点在平滑的图上更清楚，但在详细的图上可以清楚地看到偏离这个总方向的残差。它们出现在旁遮普山弧束两侧：在山弧束以东的塔吉克盆地东部、卑路支斯坦和阿富汗东北部，以及更显著的是在山弧束以东的活动带内，如阿尔金山脉的走滑带、西藏北部、戈壁阿尔泰、杭爱（蒙古北部）和萨彦东北部。在西藏东缘和柴达木，主缩短轴几乎为正东走向。

在这两个“异常”带内主伸长轴（图4）也是近水平的，说明沿这两个带的运动是走滑的。更复杂的情况出现在塔吉克盆地东部和卑路支斯坦，那里的主伸长轴是近直立的，相当于冲断层运动。

在本区大部分范围内，缩短轴和伸长轴都是近平行的，具有大致正北向的主缩短。它显示走滑运动为主。后者似乎是研究区的最普遍的运动类型。同时，有些地区主伸长的方向几乎成为直立的。如喜马拉雅大部分地区、天山西部和东南部、阿尔泰东南部和萨彦。显然，这些地区的主要运动类型是冲断层活动。有趣的是，有些被活断层轻微破坏的断块内，往往观察到近直立的主伸长方向，如西藏北部、柴达木、准噶尔盆地北部和内蒙古。除西藏之外，这些地区大多以大规模弱变形的山间盆地为代表。这些盆地内的地壳根部和上地壳底部相对于邻近山脉是隆起的。盆地内垂向伸长和地表相对沉陷相结合是不平常的，需要补充研究。

主缩短率M3（图5）和主伸长率大小M1的空间分布（图6）表明，它们在本区的大部分范围内差别不大。这意味着变形显然是双轴的，相当于岩石力学的纯剪切变形。然而，有些地区具有较大幅度的主缩短率M3（图5）和主伸长率M1，而且M3M1。最大幅度的M2，即M3与M1的最大差值出现在蒙古阿尔泰的科布多断层北端、塔拉斯—费尔干断层带、天山南部和中部的邻近部分、帕米尔北部（彼得一世山脉）、阿富汗法伊扎巴德以南的查曼断层和赫拉特断层交接带，以及喜马拉雅山脉的阿萨姆和比哈尔地震的震中带。在西藏东北侧，M2也相当大，但较上述地区为小。

图3　研究区主缩短的方向线长同它们与垂线形成的夹角成比例

图4　研究区主伸长的方向线长同它们与垂线形成的夹角成比例

图5　研究区主缩短率（M3）的大小按窗口大小为3°×3.75°计算；图中数字的数量级为10-9

图6　研究区主伸长率（M1）的大小按窗口大小为3°×3.75°计算；图中数字的数量级为10-9

在分析变形率大小时，我们注意到，最大变形率出现在印度板块的现代北界：喜马拉雅山脉、帕米尔—喀拉昆仑断层、帕米尔山脉北侧和邻近的南天山部分（包括塔拉斯—费尔干断层中段）、达尔瓦兹断层和查曼断层。较小而足够大的变形率出现在西藏东边界（云南北部）、阿尔金山脉中部和海源走滑断层带（即柴达木盆地西北和东北侧）、准噶尔断层西北端及蒙古的阿尔泰等地。所有这些地区都是造山带内小板块的现代边界带。

5　结论

曾有人指出[19]，现代构造现象的形成是开放构造体系相互作用的结果。这些体系是一组相互联结在特定规模地质环境中的自然作用。这些自然作用直接或间接导致岩石圈运动和各种形态的构造发育。同时，一个构造体系即一种构造－应力体系，是介质组织在某种程度上由于一种参数偏离其平衡状态而出现的，这些参数可以把它描述为热力学体系。这个体系的等级是用其中各单元间联结闭合的区域规模来表示的。在此意义下，我们有全球规模体系和不同等级的局部区域体系。

全球体系是板块构造的变更形式，它考虑岩石圈各层的拆离作用、各层相对独立的变形以及这些作用的地球动力学和构造结果[20]。局部体系的规模和构造表现不一。它们是由外部因素即全球体系或更大的局部体系内的各种作用产生的。例如，异常地幔的上隆造成上地壳变形。另一方面，由于地壳断块间的相互作用引起的岩石圈破裂，会使密度减低，引起地幔加热，导致火山和构造形成。

我们讨论过由于侵蚀和沉积作用导致均衡丧失的补偿对山脉隆起和山间盆地发育的影响。构造体系的更复杂的相互作用表现在芬兰斯堪的纳维亚的全新世断层活动，在那里作为厚的大陆岩石圈对大西洋扩张的反应的横向（NW-SE）挤压，与冰川载荷消除后的不均一均衡隆起相互作用。地震与活断层的联系是明显的，但我们还发现，在阿拉伯－高加索区域强震与具有超基性岩的蛇绿岩带之间的对应关系[21]。大概超基性岩转变为蛇纹岩时会增大岩石的体积，产生一种参与地震蕴育过程的附加应力。

Teilhard de Chardin[22]用无限时间结构的瞬间断面表示现今的时间。地质构造决定着该区域的活动构造的多种特殊性。类似的而不同发育的构造，可以根据活动构造特征来判别。例如，亚得里亚山弧束，在渐新世时类似于现今的阿拉伯－小高加索和旁遮普－帕米尔山弧束，后来受到改造。它的活断层作用显示出一些新的构造单元与老的继续发育的山弧束片段的结合。

因此，活动断层作用是现今处于不同演化阶段的不同构造体系复杂相互作用的结果。

致谢　本研究由国际岩石圈计划项目Ⅱ－2和国际科学基金会项目MPJ000资助完成的。

（沈德富泽，叶洪校）

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[22]P.Teihard de Chardin.Le Phenomane humain.Paris,1958.

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