基于速率-状态依赖摩擦定律的平直走滑断层黏滑过程的连续-非连续方法模拟

鉴于利用传统的库仑摩擦定律不能很好地模拟断层黏滑过程,在自主开发的拉格朗日元与离散元耦合的连续-非连续方法的基础上,引入了速率-状态依赖摩擦定律.开展了双轴压缩条件下平直走滑断层黏滑过程的数值模拟研究,得到了下列结果.在一次黏滑中,岩样上端面平均差应力的绝对值-时步数目曲线可被分为近似线性阶段、偏离线性阶段和软化阶段,...     

基于速度-状态摩擦本构定律的三维DDA方法

原有三维非连续变形分析(DDA)方法采用常摩擦系数的Mohr-Coulomb定律作为切向破坏准则,然而当描述更大尺度构造块体的运动与变形时,常摩擦系数不再适用.速度-状态摩擦本构定律能够定量描述地震周期各阶段断层面剪应力变化,解释发震断层行为.本文将速度-状态摩擦定律与三维DDA方法相结合,首先推导了计算摩擦系数的实用公式,随后通过滑动-保持-滑动实验与速度步进实验算例对改进的三维DDA方法进行了验证.结果表明,应用速度-状态摩擦本构定律的三维DDA方法能够比较准确地模拟静摩擦的时间依赖性与动摩擦的速度依赖性,解决了将三维DDA方法在地学中应用的基本问题.     

正应力扰动对断层滑动失稳影响的实验研究

利用双轴伺服控制加载装置,采用三块花岗闪长岩标本组成的含有两个滑动面的直剪结构,开展了摩擦滑动实验.实验中通过在垂直滑动面的载荷上叠加正弦波状和方波状的扰动,研究了正应力扰动对断层黏滑失稳的影响.研究表明,在恒定的正应力和位移速率下,标本表现为规则的黏滑,叠加正应力扰动后,随扰动振幅的增加黏滑发生时间与扰动的相关性增大,黏滑应力降和时间间隔的分布趋于离散.黏滑应力降和时间间隔的平均值随平均正应力的增加呈线性增长,扰动叠加后黏滑应力降的离散度随平均正应力的增加而增大;黏滑应力降和时间间隔主要受应力变化幅度的影响,而与应力变化的速率关系不大.剪应力和正应力扰动都会对断层黏滑失稳产生影响,而正应力扰动的影响更明显.这两种扰动对断层黏滑失稳影响的机制存在差异,剪应力扰动只是改变断层滑动的推动力,而正应力扰动则改变了断层面上凹凸体的接触状态.     

平直走滑断层亚失稳状态的位移协同化特征——基于数字图像相关方法的实验研究

亚失稳阶段是断层临近失稳的最后阶段,识别断层亚失稳状态,对评估断裂区内的断层失稳危险性具有重要意义．含平直走滑断层的岩石样品在卧式双轴伺服控制压机上加载产生黏滑,同时用高速相机以1000帧S_的速度记录样品变形,失稳过程中的数字图像,然后采用数字图像相关分析方法计算样品表面变形场,并通过定义表征断层位移累计值相对离散程度的协同化系数来描述断层失稳过程的协同化特征,结果表明：（1）局部预滑区进入亚失稳阶段之前,扩展速率非常缓慢;进入亚失稳I阶段后,扩展速率有所增加,但仍很缓慢,属于准静态扩展;在亚失稳II阶段,在占整个亚失稳阶段～1．5％的时间段内,断层先是以～0．9mS。的速率扩展,继而快速贯通整个观测区域,此时断层已转为准动态扩展．（2）在亚失稳I阶段断层位移协同化系数降为进入亚失稳前的一半,在亚失稳II阶段这一系数再降为进入亚失稳前的四分之一．这一系数持续下降意味着断层位移协同化作用的加强,亦可作为断层进入亚失稳阶段的特征之一．（3）此外,在断层失稳滑动阶段,观测区内断层出现三次整体滑动：初始滑动,快速滑动和调整滑动．断层在三次滑动之间存在两次短暂的停顿过程．     

断层黏滑动态变形过程的实验研究

实验研究断层黏滑过程的变形演化,尤其是失稳黏滑瞬间的断层位移演化特征,对于了解地震从孕育到发生的全过程具有重要意义.本文基于数字散斑相关方法(digital speckle correlation method, DSCM),用三套图像采集系统(两套低速和一套高速图像采集系统)搭建了断层黏滑过程的多观测区域、多时间尺度的变形场测量系统,并用此系统对一种花岗岩双剪滑动模型的黏滑过程进行了实验研究.对间黏滑期和黏滑期断层位移演化特征进行深入分析的结果表明:间黏滑期断层位移演化体现出空间上的非均匀性和时间上的"趋同化"特征,断层滑动趋同化也许是断层错动匀阻化的一种宏观表现形式;断层黏滑动态过程持续时间非常短(本文300 mm断层黏滑过程持续时间约在1 ms量级),黏滑失稳前会出现预滑,预滑出现到黏滑失稳发生所经历的时间与黏滑失稳过程所用时间相差一个量级;断层的一次黏滑由若干个滑动速度不同的、小的失稳滑动组成,黏滑失稳过程中断层的滑动速度呈现出波动性,整个滑动过程中断层经历了多个高速滑动和低速滑动的交错.     

平直断层黏滑过程热场演化及失稳部位识别的实验研究

实验室断层黏滑伴随有温度变化,温度不但与摩擦滑动有关,还与样本的应力状态相关。文中利用红外热像仪进行全场观测,研究平直断层黏滑不同阶段的热场演化。实验不仅观测到了峰值前后从应力积累转变为释放导致的温度由升转降的现象,还观测到了失稳后断层升温和块体降温的相反变化。更重要的是通过分析沿断层各个部位的温度随时间的变化,发现了识别失稳部位的温度前兆:失稳部位的温度从强偏离线性阶段开始,一直是相对高值,在亚失稳阶段升温速率突然增大,远高于其他部位。分离摩擦和应力的作用后,发现亚失稳阶段失稳部位的升温发生于围岩上而非断层带上,说明断层处于闭锁状态而相邻的围岩区域处于应力集中状态,推测满足这2个条件的部位可能是未来的失稳部位。此现象或许有助于野外发震位置的判断。     

汶川地震失稳机制的数值模拟研究

考虑断层的软化特性,建立垂直于龙门山断裂带并包含四川盆地和川西高原在内的汶川地震不稳定性地震力学模型.采用有限元方法计算得到了描述整个岩石力学系统稳定性状态和过程的平衡路径曲线.在此基础上,采用稳定性理论研究了汶川地震从孕育到发生的过程,讨论了断层倾角和断层材料参数对地震失稳的影响.数值模拟结果显示,系统只存在稳定的断层无震滑动和不稳定的地震失稳2种状态.断层倾角、初始内摩擦系数、初始黏聚力和强度曲线形状参数的增加会导致系统趋向不稳定的地震失稳状态.而强度曲线胖度参数的增加有助于系统进入稳定的断层缓慢无震滑动状态.地震失稳前,在平衡路径曲线的应力峰值点和失稳点之间,断层错动加速,应变能开始释放并且应力开始减小,是失稳的前兆.最后在失稳点发生应力突跳,地震发生,其间伴随应变能的急剧释放、应力降和断层突然错动.无论是稳定的断层无震滑动还是不稳定的地震失稳,系统重新进入应力和应变能增加状态后应力和应变能的增速由远场加载速度、岩石力学系统的结构和围岩材料属性决定,与断层软化特性参数无关.     

模拟断层泥摩擦滑动速度依赖性转换的实验研究

基于岩石摩擦的速率-状态摩擦定律,速度弱化是断层失稳的必要条件,速度弱化向速度强化的转换控制着断层从不稳定滑动向稳定滑动的转换.因此,断层摩擦滑动的速度依赖性转换涉及断层带上地震活动特征、地震成核深度以及慢地震机制等重要问题.     

摩擦生热对断层演化过程的影响:Ruina-和Chester-Higgs-模型的对比分析

利用速率-状态摩擦定律(Rate-and State-Dependent Friction Law:简称RSF定律),结合McKenzie-Brune摩擦生热模型,本文分别从Ruina提出的RSF定律和Chester-Higgs提出的RSF定律出发,通过一维弹簧-滑块模型,采用四阶变步长的Dormand-Prince算法,对断层演化过程进行了数值模拟,探讨了摩擦生热对断层演化进程的影响.模拟结果显示,与Ruina-模型相比,Chester-Higgs-模型在断层高速滑动时存有更大的摩擦强度,表明摩擦生热对断层具有一定的强化作用,且同临界滑移距离的取值相关.而且,Chester-Higgs-模型在失稳时的断层面温度远远低于Ruina-模型,表明摩擦生热在断层演化过程中能抑制断层面温度的剧烈升高,且正应力和临界滑移距离越大,两种模型的温差越为明显,而断层的刚度和尺度则对温度的影响很小.模拟两种模型周期演化过程的结果表明,在相同的初始条件下,Chester-Higgs-模型给出的断层失稳周期明显比Ruina-模型更短,说明摩擦生热对断层自身演化最显著的影响是较大地缩短了地震重复发生周期.当断层进入周期性演化后,Chester-Higgs-模型给出的摩擦强度大于Ruina-模型,且对第一次非周期性失稳的摩擦强度和剩余应力的继承性更好.另外,由ChesterHiggs-模型给出的静态应力降远小于Ruina-模型给出的结果,所对应的单个事件的滑移量也小于Ruina-模型.     

几种模拟断层泥摩擦滑动速度依赖性转换的实验研究

基于速率-状态摩擦定律,速度弱化是断层失稳的必要条件,速度弱化向速度强化的转换控制着断层从不稳定滑动向稳定滑动的转换.因此,断层摩擦滑动的速度依赖性转换是涉及断层带上地震活动特征、地震成核深度等的重要问题.     

不同摩擦本构关系对断层自发破裂动力学过程的影响

地震是断层的摩擦失稳过程.摩擦本构关系对断层的破裂成核、破裂传播、破裂速度、能量释放、破裂终止等起着至关重要的控制作用.为了比较不同摩擦关系在断层自发破裂动力学过程中的影响,文中引入目前应用最为广泛的4种典型摩擦本构关系,它们分别是：滑移弱化摩擦关系,速率弱化摩擦关系,以及速率-状态相依摩擦关系中的老化定律和滑动定律.研究中利用有限单元方法对上述4种摩擦关系控制的断层自发破裂过程分别进行模拟计算,模拟结果显示：当模型参数相同时,不同摩擦关系模拟的破裂行为总体上具有一致性,都可以产生亚剪切破裂或超剪切破裂,并且破裂传播速度的大小与摩擦本构关系的类型无关.此外,它们之间还存在着较大的差异：（1）速率弱化摩擦关系可以模拟脉冲型破裂;而其他3个摩擦关系只能模拟裂纹性破裂.（2）不同摩擦关系模拟的超剪切破裂转换长度不同,速率-状态相关摩擦关系的老化定律相比其他摩擦关系需要更大的转换长度才能实现亚剪切破裂转变为超剪切破裂;而速率弱化的摩擦关系的超剪切转换长度可以为0,即不需要转换距离就直接产生超剪切破裂.（3）速率弱化摩擦关系模拟的破裂速度自成核后很快就达到稳定值;而其他类型摩擦关系模拟的破裂传播则要经历由缓慢破裂到逐渐加速直至达到稳定破裂的过程.值得特别指出的是,本文所使用的4种摩擦关系都不能完整地反映实际大地震破裂过程的摩擦属性,需要进一步深入研究.     

亚失稳阶段雁列断层热场演化的实验研究

寻找地震前兆是国内外地震预报的难点.在实验室开展岩石变形实验,观测相关物理量的演化特征和规律,是前兆探索中重要的基础工作.本文对压性雁列断层进行变形实验,根据应力时间曲线将具有前兆意义的变形阶段分为强偏离线性阶段、亚失稳阶段和失稳阶段,利用红外热像仪记录各个阶段的热场变化,特别是亚失稳阶段的热场表现.研究结果显示:强偏离线性阶段,岩桥区挤压升温;亚失稳阶段,断层带增温,且高温点扩展连通,断层带内侧卸载降温,断层带上的协同化增温和断层带内侧(包含岩桥区)的协同化降温是失稳前的重要信号;失稳阶段,应力释放,标本整体降温,只有断层带因摩擦升温.总之,亚失稳阶段的热场具有明显特征,利于识别出亚失稳态;不同变形阶段、不同构造部位温度变化不同,在寻找与构造活动相关的热异常时,应考虑变形所处的阶段及异常所处的构造部位.     

断层阶区对滑动行为影响的实验研究

研究断层带几何非规则体对断层活动的力学影响,对于理解断层带上的地震活动具有重要的理论和实际意义．通过中尺度标本岩石力学实验,研究了走滑断层带最常见的一种非规则体．断层阶区对滑动行为的影响．研究表明,拉张断层阶区由于强度较低而很容易发生破裂,破裂后的阶区对断层的滑动无明显阻碍作用,但阶区的微破裂对断层滑动失稳具有指示作用;含拉张阶区的断层带具有速度弱化特征,可用速率一状态摩擦定律表述．挤压阶区由于破坏强度很高,使得断层滑动较为困难,但随着应力水平的增加,阶区外断层端部拉张区的微破裂为断层在阶区未破裂之前发生粘滑失稳提供了变位条件,并因此可作为断层失稳的前兆;挤压阶区可作为断层分段的稳定标志,直到阶区完全破裂使两条断层完全连通．     

基于Chester-Higgs模型探讨摩擦生热对断层演化进程的影响

速率和状态相依赖的摩擦定律是本文采用的重要定律。结合Chester-Higgs摩擦模型和McKenzie-Brune摩擦生热模型,在一维弹簧-滑块-断层近似模型下,利用四阶变步长的Dormand-Prince算法,研究探讨了断层摩擦生热对断层演化的影响。结果表明:与忽略温度影响的情形相比,摩擦生热造成的温度上升可导致断层滑移时刻的略微提前,并伴随着摩擦系数和状态变量的下降,同时也使得断层的滑移量和应力降略有减小,而滑移速率有所增大;另外,在考虑温度影响时,有效正应力和临界滑移距离也会影响断层的演化过程,断层上的有效正应力越大,断层失稳时刻越提前,温度上升越明显;断层的临界滑移距离越大,断层失稳时刻则越迟,温度上升越显著,但当临界滑移距离超过5 cm时,具有不同临界滑移距离的断层,失稳时的温度则基本保持一致。      

中国地震学会第14次学术大会各专题分会场交流纪要 (七)断层失稳与强震短临前兆的观测、实验和模拟专题

"断层失稳与强震短临前兆的观测、实验和模拟"专题交流由构造物理与地震预报两个专业委员会联合举行。会议由构造物理专业委员会主任马胜利主持,包括马瑾院士在内的40多人参加了讨论会。本专题共有13位学者作了学术报告,报告涉及到断层摩擦滑动实验、断层亚失稳     

均匀和非均匀断层滑动失稳成核过程的实验研究

基于均匀和非均匀断层摩擦滑动中应变、断层位移的实验测量结果,分析了粘滑失稳的成核过程。研究表明,在加载点速度恒定的条件下,均匀断层上粘滑的成核过程具有微弱的滑动弱化特征,断层上较小尺度“弱段”的存在使得粘滑成核过程中滑动弱化现象更明显,而较大尺度“弱段”的存在则改变了粘滑的成核过程,表现出局部加速滑动——断层带上剪应力快速增加的特征,更符合速率-状态摩擦定律。断层闭锁期间,剪应力的增加引起断层附近的横向弹性膨胀,这种弹性膨胀在失稳时的回跳引起断层面上正应力的瞬时增加,从而成为使断层迅速闭锁、强度恢复的重要因素。     

基于连续-离散单元法的汶川地震动力学二维自发破裂全周期模拟研究

首先利用地震地质调查、地震剖面探测结果对汶川地震的发震断层几何形态及周边块体介质参数进行约束,建立了3个包含有不同主断层的龙门山断裂带二维黏弹性有限元模型;然后基于连续-离散单元法对汶川地震的孕育与发生进行了全周期模拟,包括震间应力积累阶段、同震应力释放阶段及震后恢复调整阶段。模型对比研究结果表明,龙门山断裂带中由于断层几何结构及断层面剪切应力与正应力的综合作用,使得最先达到断层破裂准则阈值的灌县-江油断层率先破裂,初始破裂在深度15~20km处,破裂进一步传导至映秀-北川断层;同时由于灌县-江油断层与映秀-北川断层的破裂导致系统内应力大幅度降低,使得灌县-江油断层不具备产生同震破裂的应力条件。然而,尽管汶川-茂汶断层上的应力水平与汶川地震前相比有所减弱,但仍积累了较高的震间应力,可能预示其在汶川地震后具有较高的地震危险性。模拟结果还表明,铲型逆冲断层系统的深部断层破裂能够推动浅部高倾角区域发生被动破裂,因而其发震断层的倾角上限很可能比传统认识的大。     

白云母对岩盐断层带摩擦速度依赖性影响的实验研究

为更好地理解层状硅酸盐对断层强度、滑动速度依赖性及地震活动特征的影响,利用双轴摩擦实验对含白云母岩盐断层带在干燥及含水条件下摩擦的速度依赖性进行了实验研究,并观测了摩擦滑动过程中的声发射,分析了断层带的微观结构.实验结果表明,干燥条件下含白云母岩盐断层带在0.1 ～ 100μm/s的速度范围内表现为黏滑和速度弱化,增大σ2会使断层带从速度弱化向速度强化转化,速度依赖性转换出现在0.1 μm/s,其中断层滑动表现为稳滑或应力释放时间较长的黏滑事件;含水条件下含白云母岩盐断层带在0.05 ～0.01μm/s的速度范围内表现为速度强化,0.1 ～10μm/s的速度范围内表现为速度弱化,50～100μm/s的速度范围内又转换为速度强化行为.含白云母岩盐断层带在干燥条件下一次黏滑伴随一个或一丛声发射事件,而在含水条件下与稳滑相对应,滑动过程中并未记录到声发射事件.显微结构观察表明,速度弱化域的主要变形机制是岩盐颗粒的脆性破裂和局部化的滑动;干燥条件下,速度强化域的主要变形机制是岩盐颗粒的均匀破裂;含水条件下2个速度强化域对应不同的微观机制,高速域的速度强化受控于岩盐颗粒在白云母相互连结形成的网状结构上的滑动及其均匀碎裂作用,而低速域的速度强化还受岩盐的压溶作用控制.通过与岩盐断层带摩擦实验结果对比可知,白云母的存在对于燥岩盐断层带摩擦滑动方式和速度依赖性没有显著影响,而在含水条件下白云母的存在使得岩盐断层带滑动趋于稳定.实验结果为分析含层状硅酸盐断层的强度和稳定性提供了依据.此外,在速度依赖性转换域上观察到的应力缓慢释放的现象进一步证实了在岩盐断层带摩擦滑动过程中观察到的现象,这对慢地震机制研究具有参考意义.     

基于声发射实验结果讨论大震前地震活动平静现象的机制

基于岩石变形声发射实验结果讨论了大震前地震活动平静现象的机制。在双轴压缩、等位移速率加载条件下 ,挤压型雁列断层、含宏观凹凸体断层、Ⅲ型剪切断层等非连续断层在临近滑动失稳前 ,声发射活动均出现了明显的相对平静现象 ,表现为声发射事件的发生率和应变能释放水平显著降低。与此阶段相对应 ,断层带 (特别是非连续部位上新形成的一小段断层 )发生了蠕滑和匀阻化作用 ,并使得标本的差应力开始下降。根据实验结果提出 ,大地震前断层的“蠕滑 -匀阻化”过程是造成地震活动平静现象的可能机制     

2016年门源MS6.4地震前亚失稳短期前兆综合分析

1 研究背景 地震预报要取得防灾减灾实效,关键在于短—临预报.亚失稳是断层失稳前区域应力由积累为主转变为释放为主的最后阶段,马瑾等(2012,2014)总结了震前应力积累、亚稳态、亚失稳态3个阶段的不同特点,指出失稳错动是由断层各部位独立活动向协同化活动的转化过程,偏离线性的亚稳态是应力释放、协同作用的开始,亚失稳阶段应力释放已占据优势.