速率-状态依赖摩擦定律引入连续-非连续方法的检验及断层倾角的影响

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作者 王学滨 张钦杰 +2 位作者 李继翔 白雪元 陈双印 《地球物理学进展》 CSCD 北大核心 2024年第1期111-118,共8页

断层黏滑是一种摩擦失稳,能够诱发地震、矿震等诸多地质灾害.目前,断层黏滑(包括断层亚失稳)研究,主要集中在实验方面和基于连续方法或非连续方法的数值模拟方面.为了弥补连续方法和非连续方法各自的不足,一些兼具二者优势的连续-非连... 断层黏滑是一种摩擦失稳,能够诱发地震、矿震等诸多地质灾害.目前,断层黏滑(包括断层亚失稳)研究,主要集中在实验方面和基于连续方法或非连续方法的数值模拟方面.为了弥补连续方法和非连续方法各自的不足,一些兼具二者优势的连续-非连续方法应运而生.为了检验引入速率-状态依赖摩擦定律的自主开发的拉格朗日元与离散元耦合连续-非连续方法的正确性并探究断层倾角对断层黏滑的影响,首先,模拟了滑块-底板模型的滑动-保持-滑动实验;然后,模拟了双轴压缩岩样的断层倾角的影响,重点考察了断层黏滑过程中亚失稳阶段摩擦系数的演化规律.研究发现,随着断层倾角的增大,岩样上表面平均差应力的绝对值-时步数目曲线的锯齿形由规则向不规则变化;初次黏滑发生时的时步数目、平均应力降、平均黏滑周期和平均峰值应力均减小.当断层处于黏滑前阶段时,断层面各处的摩擦系数和剪应力相差较小.当断层进入亚失稳阶段后,断层面上摩擦系数的平均值下降速度加快,这可作为断层进入亚失稳阶段的特征之一.引入速率-状态依赖摩擦定律后的拉格朗日元与离散元耦合连续-非连续方法的断层黏滑结果能与现有结果(例如,断层黏滑实验结果)基本吻合,但更加丰富,这在一定程度上体现了数值模拟研究的优越性. 展开更多

关键词 断层 黏滑 断层倾角 速率-状态依赖摩擦定律 亚失稳 数值模拟

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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 被引量：4

2

作者 王学滨 钱帅帅 +1 位作者 薛承宇 田锋 《地球物理学进展》 CSCD 北大核心 2022年第1期443-449,共7页

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... 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,其中,软化阶段又可被分为亚失稳Ⅰ阶段、亚失稳Ⅱ阶段和失稳滑动阶段.在平均差应力的绝对值-时步数目曲线的偏离线性阶段,位于断层上部的监测单元的剪应力最先开始释放.在亚失稳Ⅰ阶段,所有监测单元均完成了由应力累积到应力释放的转化;各测点的位移值有协同化的趋势;在亚失稳Ⅱ阶段,所有监测单元均完成了由应力缓慢释放到应力加速释放的转化;各测点的位移值协同化程度加强. 展开更多

关键词 速率-状态依赖摩擦定律 黏滑 连续-非连续方法 亚失稳 位移 剪应力

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汶川地震同震过程中断层间的相互作用及子事件触发 被引量：1

3

作者 刘博研 史保平 《地震地质》 EI CSCD 北大核心 2015年第2期357-373,共17页

2008年5月12日四川省汶川县发生了MS8.0地震,造成了重大人员伤亡和经济、财产损失。主震发生时,龙门山前山断层从都江堰北部开始错动,且一直破裂到地表。文中利用映秀-北川断裂和灌县-江油断裂2条断层模型,着重研究和深入探讨了灌县-江... 2008年5月12日四川省汶川县发生了MS8.0地震,造成了重大人员伤亡和经济、财产损失。主震发生时,龙门山前山断层从都江堰北部开始错动,且一直破裂到地表。文中利用映秀-北川断裂和灌县-江油断裂2条断层模型,着重研究和深入探讨了灌县-江油断裂的触发机制以及错动时间。基于滑移速率和状态相依赖的摩擦定律,推导出在剪切应力变化率是否为0的2种前提条件下的地震触发新破裂的时间延迟,并将结果用于研究汶川地震是否为同震触发的时间过程上。通过与绵竹清平和汶川卧龙台站的三分量强地面运动观测资料计算出的时间延迟对比,得到了比较一致的结果,发现汶川地震中映秀-北川断裂和灌县-江油断裂并不是同时错动的,而是映秀-北川破裂产生的动态地震波(应力波)触发了灌县-江油断裂,并造成了几秒到十几秒的触发延迟。 展开更多

关键词 汶川地震 地震触发 滑移速率和状态相依赖的摩擦定律 时间延迟

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断层演化过程中的周期和非周期地震滑移及非地震滑移——一维断层模型分析 被引量：3

4

作者 解孟雨 史保平 《地震学报》 CSCD 北大核心 2016年第4期590-608,658,共19页

本文首先根据Dieterich和Ruina提出的含速率和状态的摩擦定律(Dieterich-Ruina定律),基于一维弹簧-滑块模型推导了地震复发周期的解析表达式,然后将该近似解与数值模拟结果以及Barbot等的相关研究进行了对比分析.此外,本文还利用数值模... 本文首先根据Dieterich和Ruina提出的含速率和状态的摩擦定律(Dieterich-Ruina定律),基于一维弹簧-滑块模型推导了地震复发周期的解析表达式,然后将该近似解与数值模拟结果以及Barbot等的相关研究进行了对比分析.此外,本文还利用数值模拟与理论分析研究了断层周期和非周期演化的力学成因机制以及非地震滑移形成的另类力学机制,并讨论了一维弹簧-滑块模型的优点及其局限性.结果表明:1震后滑移和自加速/成核阶段的持续时间在整个演化过程中不能被忽略;2在修正后的复发周期模型中,复发周期的长短除了与断层特征尺度、作用于断层面上的有效正应力和远场加载速率相关外,还受Dieterich-Ruina定律中摩擦参数的取值以及临界滑移距离的影响;3当给定各个物理参数和几何参数时,目前所得到的解析近似解可以很好地估计地震的复发周期,其相对误差可小于5%;4在断层演化过程中,施加剪切应力加载会产生非周期的地震滑移,而在自加速/成核阶段后期或震后滑移阶段早期,施加较大的剪切应力加载,则会出现非地震滑移. 展开更多

关键词 含速率和状态的摩擦定律 地震循环 地震复发周期 非地震滑移

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断层几何形态对阿拉斯加中南部俯冲带慢滑移特征的影响 被引量：1

5

作者 李昊天 周仕勇 《地震学报》 CSCD 北大核心 2019年第6期681-694,808,共15页

本文采用三种不同的俯冲带几何模型,在速率-状态依赖型摩擦律和准动态算法的框架下,对阿拉斯加库克湾的慢滑移事件进行了数值模拟,以探究断层几何形状对慢滑移特征的影响。结果表明:几何因素对慢滑移的时空演化有较大影响;慢滑移区域的... 本文采用三种不同的俯冲带几何模型,在速率-状态依赖型摩擦律和准动态算法的框架下,对阿拉斯加库克湾的慢滑移事件进行了数值模拟,以探究断层几何形状对慢滑移特征的影响。结果表明:几何因素对慢滑移的时空演化有较大影响;慢滑移区域的宽度对数值模拟的结果起着至关重要的作用;断层几何形态更平缓的区域将导致更大、更快的事件。这一结果有助于我们进一步了解慢滑移的成因以及断层几何形态对慢滑移时空演化的影响。 展开更多

关键词 慢滑移 阿拉斯加中南部俯冲带 断层几何效应 速率-状态依赖型摩擦律

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利用应力加载速率变化与地震活动性模型探讨2013年吉林前郭震群成因的力学机制 被引量：1

6

作者 尚园程 史保平 《地球物理学报》 SCIE EI CAS CSCD 北大核心 2022年第1期26-36,共11页

理解震群的成因机制是地震科学的重要挑战.本文基于速率-状态摩擦定律,利用Dieterich断层失稳模型探讨了流体运移、慢滑移和震群触发三者之间的关系,研究结果表明:(1)断层内部或周边流体流动所导致的孔隙压力升高可诱发断层发生慢滑或... 理解震群的成因机制是地震科学的重要挑战.本文基于速率-状态摩擦定律,利用Dieterich断层失稳模型探讨了流体运移、慢滑移和震群触发三者之间的关系,研究结果表明:(1)断层内部或周边流体流动所导致的孔隙压力升高可诱发断层发生慢滑或非地震滑移,慢滑或非地震滑移可使区域内临近断层上库仑应力加载速率升高,进而导致震群产生;(2)基于Dieterich地震活动性模型所给出的慢滑或非地震滑移触发的震群的地震发生率表达式可定量描述时间域内震群发生率上升、平稳以及快速下降的过程;(3)活动断层可能在震群期间重复失稳.针对2013年前郭震群的分析表明,前郭震群序列的产生与序列中b值(古登堡-里克特定律)的降低可能同整个震源区域内库仑应力加载速率的突然上升相关,而孔隙压力上升所诱发的断层慢滑或非地震滑移则可能为导致该区域内库仑应力加载速率上升的关键原因之一. 展开更多

关键词 速率-状态摩擦定律 Dieterich模型 震群 慢滑移 流体运移 2013年前郭震群

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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

7

作者 高雅琪 史保平 《地球物理学报》 SCIE EI CAS CSCD 北大核心 2020年第6期2297-2310,共14页

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-Princ... 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. 展开更多

关键词 Ruina-模型 Chester-Higgs-模型 McKenzie-Brune摩擦生热模型 一维弹簧-滑块模型 摩擦生热 速率和状态相依赖的摩擦

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2008年和2014年于田地震对周边断层发震概率的影响 被引量：6

8

作者 刘博研 史保平 雷建设 《地球物理学报》 SCIE EI CAS CSCD 北大核心 2015年第2期463-473,共11页

大震后区域静态库仑应力变化直接影响地震活动性速率的变化、主震断层外余震和即将失稳断层的发震概率的变化.利用滑移速率和状态相依赖的摩擦定律,结合2008年3月21日于田地震前后的地震活动性水平,定量计算了2008年于田地震后该地区周... 大震后区域静态库仑应力变化直接影响地震活动性速率的变化、主震断层外余震和即将失稳断层的发震概率的变化.利用滑移速率和状态相依赖的摩擦定律,结合2008年3月21日于田地震前后的地震活动性水平,定量计算了2008年于田地震后该地区周边断层发震概率的变化,着重解释了2014年于田地震发震的可能根源.此外,本文还对库仑应力明显变化的周边三条断层进行了发震概率的定量计算.贡嘎错断裂中段、贡嘎错断裂西南段和康西瓦断裂中段分别经历了发震概率先降后升、先升后升和先降后降两个阶段,充分显示了库仑应力的细微变化造成的周边断层的危险性的变化.这三条断裂发生7.0级以上地震的发震概率超越95%均需要500年左右;贡嘎错断裂西南段发生中强地震的可能性较大,而康西瓦断裂中段活跃度较低. 展开更多

关键词 滑移速率和状态相依赖的摩擦定律 发震概率 库仑应力变化

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M_S8.1昆仑山口西地震和M_S8.0汶川地震余震序列的时空分布特征和持续时间的对比 被引量：8

9

作者 刘博研 史保平 《地球物理学报》 SCIE EI CAS CSCD 北大核心 2012年第6期1942-1951,共10页

2001年MS8.1昆仑山口西地震和2008年MS8.0汶川地震发生在同一构造单元,但其余震序列无论在个数、空间分布,还是持续时间上都表现了显著的差别.余震通常由主震区域内背景场地震活动性受到的扰动所引起,这样的扰动则来自于主震造成的应力... 2001年MS8.1昆仑山口西地震和2008年MS8.0汶川地震发生在同一构造单元,但其余震序列无论在个数、空间分布,还是持续时间上都表现了显著的差别.余震通常由主震区域内背景场地震活动性受到的扰动所引起,这样的扰动则来自于主震造成的应力场状态的变化.本文从滑移速率和状态相依赖的摩擦定律(Rate-and State-Dependent Friction Law)出发,结合区域主震前后的地震活动性资料,定量地估算了这两个大地震后余震序列可能的持续时间,并对不同模型所得的结果进行了比较和对比.结果表明,汶川地震余震持续时间约为昆仑山口西地震余震持续时间的20倍,这是由于昆仑山口西地震和汶川地震余震序列的个数和持续时间不仅与地震成核过程的状态变化有关,还与作用在断层面上的正应力σN和剪应力加载速率τ.的大小有关.主震前后剪应力速率τ.的差别导致了在相同大小应力扰动ΔCFS之后的余震的活动性变化率的明显不同,导致了所触发的余震的个数和余震序列的持续时间的巨大差别.通过对昆仑山口西地震和汶川地震余震序列的时空分布特征和持续时间的定量化认识,可以为地震灾害定量评估提供合理和有益的物理参数. 展开更多

关键词 应力降 滑移速率和状态相依赖的摩擦定律 库仑失稳准则

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汶川地震对芦山地震及周边断层发震概率的影响 被引量：11

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作者 刘博研 史保平 雷建设 《地震学报》 CSCD 北大核心 2013年第5期642-651,1,共10页

大震后区域静态库仑应力变化常常被用于解释区域地震活动性速率的变化、主震断层外余震的发生以及即将失稳断层的地震发生概率的变化.2013年4月20日芦山MS7.0地震的发生重新引起了对2008年5月12日汶川MS8.0大地震的热议.利用含(滑移)速... 大震后区域静态库仑应力变化常常被用于解释区域地震活动性速率的变化、主震断层外余震的发生以及即将失稳断层的地震发生概率的变化.2013年4月20日芦山MS7.0地震的发生重新引起了对2008年5月12日汶川MS8.0大地震的热议.利用含(滑移)速率和状态的摩擦定律,结合汶川大地震前后的地震活动性水平,定量化计算了汶川地震后雅安地区发震概率的变化,并着重解释了芦山地震发震的可能根源.此外,还对库仑应力明显增加的鲜水河断层和熊坡断层进行了发震概率的定量化计算,计算结果与中国地震台网中心的地震目录基本符合.鲜水河断层从汶川地震后至今近5年来未发生M>6.0地震,而M>6.0的发震概率已约为60%;熊坡断层自汶川地震以来尚未发生M>4.0地震,芦山地震后M>4.0的发震概率已接近90%.所以,我们认为鲜水河断层附近将成为M>6.0地震的重点防范地区,熊坡地区将来仍旧存在发生中强地震的危险性. 展开更多

关键词 含（滑移）速率和状态的摩擦定律 地震发生概率 库仑应力变化

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静态库仑破裂应力对断层地震失稳过程影响的模拟研究 被引量：1

11

作者 赵淑芳 解朝娣 +2 位作者 徐晓雅 林凤仙 杨思梦 《高原地震》 2018年第2期16-22,共7页

基于速率—状态依赖性摩擦滑动定律,建立断层黏滑模型,采用阶跃形式的应力扰动加载于断层模型上,利用Runge-Kutta数值积分方法,主要分析了应力扰动值的正负、大小和加载时间t0对断层滑移时间的影响。结果发现,当库伦破裂应力为常数,不... 基于速率—状态依赖性摩擦滑动定律,建立断层黏滑模型,采用阶跃形式的应力扰动加载于断层模型上,利用Runge-Kutta数值积分方法,主要分析了应力扰动值的正负、大小和加载时间t0对断层滑移时间的影响。结果发现,当库伦破裂应力为常数,不论是正应力起主导作用还是剪应力起主导作用,对后续断层的作用几乎一样。静态应力扰动作用下断层的成核周期会发生提前或者延后,具体表现为:当库伦应力为正时引起断层的成核时间提前,且提前量小于原有周期值;库伦应力为负时引起时间延迟,且延迟时间不受原有成核周期限制。库伦应力扰动的幅值越大,引起的滑移时间改变量越大。成核时间提前量与应力扰动的加载时间有关,在前期施加同样大小的应力扰动,时间提前量呈现随加载时间增加而增加的趋势。 展开更多

关键词 速率—状态依赖性摩擦滑动定律 黏滑 断层 静态库仑破裂应力

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本构参数对断层成核周期影响的模拟研究

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作者 杨思梦 解朝娣 王英楠 《云南大学学报（自然科学版）》 CAS CSCD 北大核心 2017年第S2期241-247,254,共8页

基于描述断层摩擦滑动的速率-状态依赖性摩擦定律,采用数值模拟法检验了相关本构参数对断层成核失稳周期的影响.模拟结果表明,a-b的值对于断层成核失稳是一个比较敏感的参数,不仅决定了黏滑成核是否发生,还对滑移的量级产生一定的影响;... 基于描述断层摩擦滑动的速率-状态依赖性摩擦定律,采用数值模拟法检验了相关本构参数对断层成核失稳周期的影响.模拟结果表明,a-b的值对于断层成核失稳是一个比较敏感的参数,不仅决定了黏滑成核是否发生,还对滑移的量级产生一定的影响;临界滑移距离L值不仅决定断层是否会产生黏滑,还决定了断层成核是否有具有稳定的周期,也是一个临界滑移位移量,是断层的固有性质;成核尺度d主要影响断层的成核周期和滑移量的大小. 展开更多

关键词 速率-状态依赖性摩擦定律 数值模拟 断层 成核周期

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