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。     

应力途径与岩石的摩擦滑动

用双剪法对济南辉长岩和点苍山大理岩进行了摩擦滑动实验.实验中的应力变化方式有两种.A 型实验:先使断层面上的正应力增加到一定值,然后保持正应力不变,并增加剪应力使断层发生粘滑;B 型实验:先使断层面上的正应力增加到一定的值,保持正应力不变,并增加剪应力到断层发生粘滑前的某一应力状态,再保持剪应力不变,减小正应力直到粘滑发生.实验表明,B 型实验中岩石的摩擦强度高于 A 型实验.A 型实验中粘滑发生前有声发射率增加的前兆,B 型实验中粘滑发生前看不到声发射率的明显增加.由实验得到一个启示,即闭锁断层的开锁可能采取两种形式:一种是冲开闭锁,即以剪应力的增加使断层发生错动;另一种是解开闭锁,即以正应力的减小使断层发生错动.断层的粘滑采取哪种形式,由断层带的应力变化途径决定.      

岩石摩擦弱化及失稳序列的数值模拟

通过基于“瞬间闭锁”假定的多滑块-弹簧模型对摩擦滑动进行模拟,讨论了强度分布不均匀性及系统刚度构成对整个系统稳定性的影响.通过图示平均剪应力和平均位移的关系,对断层模型随错动的演化作了清晰的描述.结果表明:(1)均匀的滑动面及外部系统刚度较小的情况(这相当于高压条件下形成的光滑剪切破裂面的情况)易于发生粘-滑振荡.(2)随着错动次数的不断增加,错动的空间分布向不均匀方向发展,从而使平均应力降减小,系统整体趋向稳定,即断层活动历史越长越趋向稳定.(3)由于导入了具有负刚度效果的力和位移组合控制,通常加载方式条件下只能产生不稳定的过程可以转变为一个平均效果上的准静态弱化过程,类似于滑动弱化过程.     

断层自发破裂动力过程的有限单元法模拟

断层自发破裂动力过程的研究对于认识地震过程及减轻地震灾害有着重要的科学意义.为合理地模拟断层的自发破裂过程,本文首先对经典的滑移弱化摩擦关系进行了改进,然后利用有限单元方法对破裂过程进行动态数值模拟.模拟结果表明,利用改进后的摩擦关系能够产生脉冲型(pulse-like)破裂模式,而经典的滑移弱化摩擦关系不能产生这种破裂形态.模拟结果还显示,断层自发破裂过程受初始应力场及摩擦关系影响,当初始应力场中剪应力水平较低时,容易产生脉冲型破裂;但当初始剪应力较高时,会产生裂纹型(crack-like)破裂.这个现象与在实验室里进行的岩石破裂实验结果是一致的.在相同的初始应力情况下,若滑移弱化摩擦本构关系中的动摩擦系数较大,断层将易于产生脉冲型破裂;若动摩擦系数较小,将倾向于产生裂纹型破裂.此外,本文也采用速率弱化摩擦关系对断层自发破裂过程进行了模拟,结果发现,在初始场及其他条件不变时,如果摩擦关系中的b-a值较小,容易产生脉冲型破裂;如果b-a值较大,会产生裂纹型破裂.     

断层自发破裂动力过程的有限单元法模拟

断层自发破裂动力过程的研究对于认识地震过程及减轻地震灾害有着重要的科学意义.为合理地模拟断层的自发破裂过程,本文首先对经典的滑移弱化摩擦关系进行了改进,然后利用有限单元方法对破裂过程进行动态数值模拟.模拟结果表明,利用改进后的摩擦关系能够产生脉冲型（pulse-like）破裂模式,而经典的滑移弱化摩擦关系不能产生这种破裂形态.模拟结果还显示,断层自发破裂过程受初始应力场及摩擦关系影响,当初始应力场中剪应力水平较低时,容易产生脉冲型破裂;但当初始剪应力较高时,会产生裂纹型（crack-like）破裂.这个现象与在实验室里进行的岩石破裂实验结果是一致的.在相同的初始应力情况下,若滑移弱化摩擦本构关系中的动摩擦系数较大,断层将易于产生脉冲型破裂;若动摩擦系数较小,将倾向于产生裂纹型破裂.此外,本文也采用速率弱化摩擦关系对断层自发破裂过程进行了模拟,结果发现,在初始场及其他条件不变时,如果摩擦关系中的b-a值较小,容易产生脉冲型破裂;如果b-a值较大,会产生裂纹型破裂.     

断层粘滑摩擦增温的理论分析及其对TL,ESR测龄的意义

采用断层位错模式,考虑了具有一定宽度的断层在其粘滑过程中,断层摩擦应力和滑动速度随粘滑过程的变化情况,由此计算了粘滑所产生的摩擦增温,并将结果与不考虑摩擦应力变化、不考虑滑动速度变化或忽略断层宽度时的情况作了比较。结果表明:断层滑动时,摩擦应力和滑动速度随时间的改变及断层的宽度将对断层摩擦增温产生较大影响。由于岩石中孔隙和孔隙流体的存在,摩擦应力在断层粘滑过程中有较大变化。取断层滑动速度为Brune 震源时间函数形式,考虑摩擦应力的变化及一定的断层宽度,计算得到的摩擦增温值较以往的计算结果偏小。这个结论对测定断层活动年代的热释光(TL)和电子自旋共振(ESR) 法具有一定的理论指导意义     

地震失稳的滑动弱化模型的有限元分析

本文采用有限元方法,对直立的、无限长的二维走滑断层上的地震不稳定性的滑动弱化模型进行分析,研究断层参数对失稳的影响,从理论上探索当断层强、弱区均有弱化现象时,断层破裂的前兆信息,进而分析摩擦应力弱化规律与地震预报的关系,讨论失稳前后位移场、应变场和应力场的演变过程。     

横向非均匀黏性对走滑断层地震循环影响的三维数值模拟

<正>1研究背景构造地震的发生可描述为构造断层的粘滑行为,是构造断层经过长时间的应力加载后产生的摩擦失稳现象。这种粘滑行为可以用实验得到的摩擦定律来表示,如摩擦弱化准则、速率状态准则等。粘滑行为的数学描述,为地震过程的数值模拟带来了可能。     

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     

断层滑动速率变化对滑动稳定性的影响

在与主压应力方向斜交的断层上,正应力与剪应力之间存在线性相关关系,以此为基础导出了小扰动条件下决定稳定性的临界刚度与滑动速率的关系。由于这一关系具有临界刚度随滑动速率增加而减小的特点,因此速率增加可能导致周期性粘滑向稳定滑动转化,而速率减小可能使本来稳定的滑动转化为周期性粘滑过程。在这种斜交断层中,速率增加虽然可能抑制周期性粘滑,但是稳滑时超过一定限度的速率增加会导致一次性不稳定滑动。三轴摩擦实验提供了关于粘滑与稳滑可相互转化的支持证据     

含有单-粗糙面的走滑断层的滑动弱化不稳定性h

本文研究了有限长度含有单一粗糙面的垂直走滑断层的滑动弱化不稳定性.我们假定断层强度在其深度方向是均匀的,而在走滑方向是不均匀的,即存在一个高强度段.并假定断层上的粗糙段及断层上的其它部分具有相同类型的本构律,只是峰值应力不同.断层周围的地壳材料用上、下表面应力自由的弹性平板来模拟.我们用有限元方法研究了理论位移场、应力场和应变场随远场位移的演变情况.此时,断层位移和摩擦应力并不是预先给定的,而是在求解过程中同时确定的.根据计算结果,我们比较了理论位移场及断层上摩擦应力分布在稳定和不稳定滑动情况时的差别.并与内部含有低强度段的走滑断层的场合做了比较.      

安宁河断层地震成核条件研究——来自天然花岗岩断层泥摩擦实验的启示

安宁河断层历史上发生过多次强震,现存的地震空区反映了其断层中部近30年来的断层闭锁和应变积累情况,是潜在的大地震危险区.本研究采用断层带内的新鲜花岗岩断层泥样品,在水热条件下开展了摩擦滑动实验,以研究安宁河断层摩擦特性和地震成核条件.实验有效正应力200MPa,孔隙水压30 MPa,温度25～600℃,剪切滑移速率在1...     

地壳深部稳定性——震源体破裂机制和摩擦滑动机制的综合研究

本文通过地壳应力测量结果和地震资料的综合分析,对深部应力状态与断层运动的关系作了讨论:进而应用库仑准则,推导了三维应力作用下完整岩体和已有的任意空间方向断层面的失稳条件及其滑动方式的解析表达式.通过建立描述岩体和已有断层稳定性的两个函数————破裂函数 Fm 和摩擦函数 Ff,给出了应用破裂机制和摩擦滑动机制综合分析地壳稳定性和失稳性态的方法:根据这种分析方法并结合华北平原区的水压致裂应力测量资料,以及孔隙压力、大地热流等观测结果,定量研究了本区地壳的稳定问题,计算并图示了地壳内破裂函数沿深度的分布,以及各种走向和倾向断层面上的摩擦函数和剪应力分布;计算中以 Byerlee 定律作为断层运动的约束条件,并考虑了地壳密度纵向非均匀性导致的垂直应力沿深度的非线性增长以及深部超静水压力的异常孔隙压力作用.结果表明,华北平原区地壳失稳性态主要表现为已有断层的滑动;伴有高剪应力降的断层运动的深度范围在8至2.0多公里之间:陡断层稳定性低于缓断层,其运动方式以走滑为主;本区 NNE-NE 走向的陡断层是一组易震断层,其震时错动为右旋走滑;孔隙压力的增长对地壳稳定性有显著的影响;华北平原区深部高异常孔隙压力是地震活动的一种重要背景.      

地壳深部稳定性——震源体破裂机制和摩擦滑动机制的综合研究

本文通过地壳应力测量结果和地震资料的综合分析,对深部应力状态与断层运动的关系作了讨论:进而应用库仑准则,推导了三维应力作用下完整岩体和已有的任意空间方向断层面的失稳条件及其滑动方式的解析表达式.通过建立描述岩体和已有断层稳定性的两个函数——破裂函数 F_m 和摩擦函数 F_f,给出了应用破裂机制和摩擦滑动机制综合分析地壳稳定性和失稳性态的方法:根据这种分析方法并结合华北平原区的水压致裂应力测量资料,以及孔隙压力、大地热流等观测结果,定量研究了本区地壳的稳定问题,计算并图示了地壳内破裂函数沿深度的分布,以及各种走向和倾向断层面上的摩擦函数和剪应力分布;计算中以 Byerlee 定律作为断层运动的约束条件,并考虑了地壳密度纵向非均匀性导致的垂直应力沿深度的非线性增长以及深部超静水压力的异常孔隙压力作用.结果表明,华北平原区地壳失稳性态主要表现为已有断层的滑动;伴有高剪应力降的断层运动的深度范围在8至2.0多公里之间:陡断层稳定性低于缓断层,其运动方式以走滑为主;本区 NNE-NE 走向的陡断层是一组易震断层,其震时错动为右旋走滑;孔隙压力的增长对地壳稳定性有显著的影响;华北平原区深部高异常孔隙压力是地震活动的一种重要背景.     

剪切破裂与粘滑——浅源强震发震机制的研究

周口店花岗闪长岩的高温高压三轴实验和理论分析表明,剪切破裂和摩擦滑移具有类似的孕育过程和发生机制。剪切破裂贯通强度就是一种摩擦强度。剪切破裂和摩擦滑移各自都有渐进式和突发式之分。突发式摩擦滑移是已有断层的粘滑滑移。突发式剪切破裂则是完整岩石的初始粘滑滑移。考虑到地壳温度随深度增加,完整岩石剪裂强震要求较高的围压,因此,多数浅源强震的发震方式很可能是已有断层的粘滑     

水库地震成因的新看法——弱化象力模式

以前的水库地震成因学说大多是认为地下断层积累了较高的应力,难以错动,当水库蓄水后,水通过裂隙渗透到断层面上,从而降低了断层面上的有效正压力或摩擦系数,导致断层的快速错动形成地震。然而这个学说对解释极浅源地震是有困难的。根据模拟实验,产生粘滑要有一定的正应力,否则仅能产生稳滑。在地下几公里的深度上围压比较小,因之在这样的深度是否存在粘滑条件还值得商榷。在这种情况下,用水去帮助断层错动更没有必要了。本文作者认为水库地区坚硬介质中大量小裂缝的接通是某些水库发生大量小震的原因。水进入裂缝后可加强裂纹的蠕滑,它使裂纹端部形成应力集中,有利于诸裂纹间的接通,而不是水进入断层后使断层本身发生错动而形成地震。当大量小裂缝互相接通时,即大量水库小震发生后,水又进一步渗透到小震活动区,使这一软弱区的范围(面积和深度)进一步扩大,形成应力调整区。如果在库区下方较深处有隐伏的蠕滑断层(走滑或倾滑),这可成为水库区另一个调整单元。它们之间相对完整的介质区即为应力积累区——震源区。在区域应力场的作用下,隐伏的蠕滑断层端部有剪应力集中,另外水库弱化区下方也有应力集中,这就使两个调整单元有接通的趋势,当积累单元的应力达到极限值时,这种接通就必然产生,并形成较大水库地震。另外,水库弱化区的下界面对蠕滑断层端部还有象力作用,它也有使该断层向弱化区传播的趋势,从而导致较大的水库地震。本模式说明,如果建水库前对未来诱发的地震进行预测时,应注意库区更深部是否有隐伏断层存在。     

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     

Ms8.0汶川地震断层的应力状态以及对余震危险性的影响

利用中国地震局在汶川地震前后对四川盆地以及龙门山断裂进行的水压致裂绝对应力测量数据、近断层强震记录、以及由美国USGS公布的包括地震矩和地震波能量等在内的远场震源参数解,从简单断层模型出发,应用地震能量分配原理和库仑摩擦准则,初步估算和判断了2008年Ms8.0汶川地震断层破裂过程和震源参数,以及滑移弱化模型下应力变化...     

广西河池地区的地震活动及发震机制的岩石实验解释

本文讨论了广西河池地区地震活动的时空分布、应力场“窗口”效应和小震级高烈度等特征,並利用岩石实验的某些结果对该区地震的发震机制作了一些定性解释。该区是一个两组断裂交汇的应力敏感区,地震是在低应力条件下在极不均匀介质宁原有裂隙发生粘滑的结果,其特殊的地体环境下可能构成蕴育大震的条件,其地震活动不会对邻近的龙滩库坝区造成威胁。     

应力扰动对断层摩擦声发射活动影响的实验研究

利用中尺度岩石摩擦实验开展了应力扰动对断层摩擦滑动过程中声发射活动影响的实验研究,据此讨论同震应力变化引起的小震活动特征及其预测意义.实验结果表明方波状应力扰动对粘滑失稳前的声发射活动有明显影响,即触发了一些声发射事件,使得粘滑发生前声发射活动增强并使出现的时间提前.这种影响随平均正应力的提高和扰动振幅的增大而增强,其...