岩石粘滑的自锁模型及数值模拟

本文根据岩石摩擦的自锁模型,通过数值模拟讨论了围压和围压介质刚度对粘滑及其应力降的影响。结果表明:围压的增大有利于发生粘滑;粘滑应力降随围压的增大而增大;天然地震应力降低于室内粘滑应力降是由围压介质刚度引起的。     

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。     

断层同震滑动的实验模拟——岩石高速摩擦实验的意义、方法与研究进展

岩石摩擦实验是断层力学和震源物理实验研究中主要的手段之一.传统低速率的岩石摩擦实验与以之为基础建立的速率状态变量摩擦本构关系理论体系,对于认识断层摩擦滑动稳定性和地震成核等地震成因机制问题具有重要意义.近20年来,断层力学领域兴起了用于模拟断层同震动态滑动的岩石高速摩擦实验.这种新的实验模拟方法揭示出断层同震滑动存在明显的摩擦生热效应,断层的力学性状主要表现为显著的滑移弱化和速度弱化,断层带物质在断层高速滑移过程中经历了各种复杂的物理化学变化.这些研究成果对于认识和评估断层同震弱化机制、断层带强度、地震能量分配、断层破裂模式、断层愈合等问题均具有重要启示.本文对岩石高速摩擦实验的意义、方法与研究进展进行了总结,提出了目前的前沿性问题和值得开展的工作.     

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。      

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Chester-Higgs-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.

     

鲜水河断裂带的地震模拟

本文运用由弹簧—滑块模型来模拟走滑断层的地震活动,讨论了模型中断层强度、断层滑块间弹簧强度、滑块与驱动盘之间片簧强度、滑块摩擦力的影响,以及初始条件敏感性。并以我国最为典型的一条走滑断层———鲜水河断裂带为例,运用试错法调整模型参数以使发生的地震最大限度地逼近实际发生的地震,并利用最终结果讨论了鲜水河断裂带今后的活动性。     

剪切载荷扰动对断层摩擦影响的实验研究

利用双轴伺服控制加载装置,采用3块花岗闪长岩标本组成的含有2个滑动面的直剪结构,开展了摩擦滑动实验。实验中通过在剪切方向上叠加正弦波状的位移扰动,研究了剪应力扰动对断层粘滑失稳的影响。研究表明,在恒定的正应力和位移速率下,标本表现出较为规则的粘滑;当在剪切方向叠加位移扰动后,随扰动振幅的增加,粘滑发生时间与扰动的相关性增大,粘滑的应力降和时间间隔的分布趋于离散,其中扰动能产生明显影响的临界振幅大致为0.05MPa;粘滑应力降和时间间隔随扰动振幅增大而逐渐离散的现象在较高正应力下更为明显,而相同扰动振幅下粘滑失稳发生时间与扰动的相关性也随正应力增加而增大;扰动周期对摩擦性状的影响不明显。研究结果意味着,地震引起的同震剪应力的变化不仅会引起邻近断层上地震发生时间的变化,也可能引起地震强度的变化     

两种摩擦本构关系的对比研究

目前有两种最常用的岩石摩擦本构关系,其主要区别在于是否与静接触时间有关。对这两种本构关系的基本性质进行了对比研究,得出如下结论：（１）在匀速滑动的稳态附近,两种本构关系趋向一致;（２）在正应力恒定条件下,两种本构关系的主要差异在于克服摩擦力所需能量的大小。与静接触时间相关的本构关系在粘滑中需消耗较大的能量来克服摩擦阻力,在粘滑的减速段,这种本构关系可达到的最低速率比另一种本构关系低１０个数量级;（３）在正应力变化条件下,与静接触时间相关的本构关系基本继承了正应力恒定条件下的行为特征,而另一种本构关系在剪应力－速度相平面上却出现了一个长尾巴,使最低滑动速率降到比正应力恒定时的值低１０多个数量级     

实验室尺度典型断层系统破坏、前兆及粘滑过程数值模拟

尽管实验室尺度典型断层模型的基本物理、力学参数已知,载荷、边界条件明确,但其变形、破坏、前兆及稳定性的综合数值模拟并不容易。实验室尺度模型的数值模拟可为大尺度模型的模拟积累经验,并提供某些必要的技术基础。文中主要从数值模型的角度,评述实验室尺度模型中引入非均质性和粘滑过程模拟的各种方法,着重介绍了2种模型:断层-岩石系统的非均质应变弱化模型和摩擦强化-摩擦弱化模型。在第1种模型中,提出利用事件的频次-能量释放关系的斜率绝对值的不同演变规律评价断层的不同应力状态。在挤压雁列区贯通过程中,剪切应变降对岩石破裂具有更为灵敏的指示作用,可能比声发射更为有效。在第2种模型中,通过控制内摩擦角在粘着和滑动两阶段不同的演变规律实现断层粘滑过程的模拟。尽管在提出的摩擦强化-摩擦弱化模型中未引入速度,但由于对节点的运动方程进行求解,所以节点速度在粘着和滑动两阶段将发生变化。指出以下需要进一步研究的问题:1)亟待发展适于地质体材料变形、破坏及运动整个过程模拟的计算力学模型;2)亟待发展复杂断层系统中断层稳定性的可靠判别方法;3)亟待发展动力学方程的高效求解方法。     

水热条件下含橄榄石大洋玄武岩的摩擦特性实验研究

玄武岩作为大洋地壳上的主要成分, 研究其摩擦特性是更好地探究逆冲板块边界上大地震等力学行为机理的基础.为了研究少量橄榄石矿物是否会影响玄武岩的摩擦特性, 本研究选用了国际大洋钻探计划(IODP)349航次获取的玄武岩样品, 其中含有少量的橄榄石矿物.本次研究的实验温度范围为100~600 ℃, 施加的有效正压力和孔隙水压分别为150 MPa和100 MPa.实验中玄武岩样品在300~400 ℃的温度条件下表现出不稳定的准静态震荡现象, 并且在高温条件下(T＞400 ℃)其剪切强度表现出显著的位移弱化现象, 即摩擦系数随着剪切位移的进行而持续减小.在3 mm的剪切位移范围内, 摩擦系数的变化范围为0.7~0.55.通过初步的微观剪切变形研究, 我们推测橄榄石在摩擦实验过程中对一种弱矿物的生成可能起到了催化作用, 但生成的弱矿物含量不足以显著地弱化断层泥的摩擦强度.同时微观构造分析也发现, 随着温度的升高, 断层泥的剪切构造由局部剪切向整体弥散性剪切变形转变, 同时伴随着孔隙度的显著降低, 因此我们认为剪切强度的位移弱化现象与流体参与下的颗粒间的压溶过程的逐步增强有关.

     

岩石摩擦-滑动中的声发射b值动态特征及其地震学意义

双剪试验的结果表明,岩石摩擦滑动过程中的AE b 值动态曲线可归纳为锯齿状和台柱状两类,分别对应于不规则粘滑和规则粘滑.滑动瞬间滑面上摩擦系数变化△μ的分布决定岩石的滑动方式,不均匀分布易发生不规则粘滑.均匀分布易引起规则粘滑;破裂和滑动是摩擦滑动过程中的两类AE 机制,两类AE 的能量分别与破裂面面积及△μ成正比.研究结果提示,平直光滑的地震断层可能显示出特征地震的发震特点.     

摩擦滑动对石英和方解石热释光性质的影响及其地震地质意义

通过高温高压实验及热释光测量建立了石英在100MPa和方解石在30MPa围压下剩余热释光强度随温度的变化曲线,以此为据,通过三轴摩擦实验前后样品的热释光测量,研究了相应围压、不同错动速率下摩擦滑动对石英和方解石剩余热释光强度的影响及其反映的温度变化。在此基础上,根据已有理论结果和实际资料,对利用热释光方法断代及推测断层活动方式的可能性等问题进行了讨论     

侧向应力扰动对断层摩擦影响的实验研究

利用双向伺服控制装置,对含有与最大主压应力σ1呈45°夹角的预切面的花岗闪长岩标本进行了摩擦实验,结果表明,在σ1方向位移速率恒定、侧向应力σ2恒定的条件下,粘滑间隔随滑动面上正应力的增加而增加,粘滑应力降也随滑动面上正应力的增加而呈线性增加。但当σ2叠加了高频小振幅的正弦波扰动时,这种相关性发生了明显的变化,应力降大小和粘滑间隔的离散度均显著提高,特别是应力降可能会大幅度增加。与σ1扰动的实验结果相比,σ2扰动对断层粘滑的影响更为显著,这主要归因于正应力变化使滑动面的非均匀性加剧     

岩芯电阻率成像系统的数值仿真

根据全井眼地层电阻率成像测井仪（ＦＭＩ）的工作原理及技术指标,设计了一套岩芯电阻率成像系统,针对该系统用三维有限元法编制了数值仿真程序,并运用该程序对具有不同几何形状、尺寸、分布和电阻率对比度的电阻率模型进行仿真成像,给出仿真结果及有关岩芯电阻率成像的几点结论,为成像测井资料的定量解释提供参考．     

FRICTIONAL SLIDING OF PLAGIOCLASE GOUGE UNDER LOWER-CRUST TEMPERATURE AND RELATIVELY LOW EFFECTIVE NORMAL STRESS

The discovery of tremors on the lower crust portion of the San Andreas Fault has attracted more attention on the mechanical properties of the lower crust in recent years, and some experimental studies have been carried out to understand the mechanical behavior. Previous experiments under effective normal stresses of 200MPa have shown that pyroxene and plagioclase mineral separated from the gabbro and their mixtures all show velocity weakening in the lower-crust temperature range, which results in unstable slip when frictional sliding is the dominant deformation mechanism. This work is to examine whether the velocity-weakening behavior of plagioclase gouge also applies to relatively lower effective normal stress. Our experiments were performed under effective normal stress of about 100MPa, with a constant confining pressure control, with pore pressure of 30MPa and temperature of 100℃ to 600℃. We found that the frictional sliding of plagioclase are basically the same with the previous results obtained under effective normal stress of 200MPa, both of which show velocity weakening over the entire temperature range. The only difference is the out-of-trend drop of constitutive parameter a at 600℃ for the lower effective normal stress of 100MPa. It is thus concluded that reducing the effective normal stress has little effect on the sliding stability of plagioclase, and the previous conclusion made for mechanical behavior of the lower crust that unstable slips are possible therein also applies to the lower effective normal stress of 100MPa.     

热水条件下斜长石和辉石断层泥的摩擦滑动研究

在热水条件下对辉长岩的2种主要组成矿物斜长石和辉石进行了摩擦滑动实验研究。结果表明:1)斜长石在整个实验温度范围内(<607℃)显示速度弱化,而辉石除了在200℃附近表现出微弱的速度强化外,在其他温度范围也都表现为速度弱化;2)斜长石在低温时强度随温度的升高而略有增加,高温时强度则随温度的升高而降低。辉石的摩擦强度随着温度的增加没有系统性的变化,在0.74上下波动;3)在热水条件下辉长岩的摩擦性质并不是这2种主要矿物的叠加,有可能是辉长岩中的次要矿物的存在导致了辉长岩的速度强化;4)本实验所得热水条件下的实验结果与干燥条件下的结果有很大差异,再一次表明水的存在极大地影响了岩石的摩擦稳定性     

甘宁交界地区弧形断裂失稳理论的模拟研究

以１０２°～１０９°Ｅ,３５．５°～４２°Ｎ为界,通过对该区地质构造,地壳结构的归纳总结,采用临界失稳函数的概念及断裂失稳理论,通过有限元法定量地模拟研究了甘、宁交界地区弧形断裂的稳定状态,认为１．在平面上,临界失稳函数的分布具有不均匀性与断裂活动具有一定的相关性。２．中强地震往往发生在临界失稳函数变化较大的地段。３．临界失稳函数在横向上、纵向上分布不均匀区域容易形成应力集中,从而产生地震     

孕震过程中波速比及S波分裂时空变化的数值模拟

本文利用有限元方法模拟计算了强震发生前孕震区的波速比及Ｓ波分裂的时空变化，结果表明，孕震过程中，随着应力的局部集中，岩体发生扩容，引起裂隙的增生及定向排列，从而使孕震区产生各向异性，引起波速比的变化及Ｓ波分裂现象，在不同阶段，穿过同一路径的地震射线其波速比和Ｓ波分裂特征不同；在同一时刻，沿不同路径传播的地震射线其波速比及Ｓ波分裂也不同。总体看来，平行于孕震断层传播的地震波速比变化比垂直于其波速比及