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

1

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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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

2

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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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

3

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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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

4

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

5

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

6

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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M_s8.0汶川地震对M_s7.0芦山地震成核失稳的影响Mw 被引量：6

7

作者 解朝娣 雷兴林 +3 位作者 吴小平 虎雄林 赵小艳 朱荣欢 《地球物理学报》 SCIE EI CAS CSCD 北大核心 2014年第6期1825-1835,共11页

依据速率-状态依赖性摩擦本构关系,并结合中下地壳和上地幔的黏弹性松弛效应,以震后库仑破裂应力变化和同震动态库仑破裂应力变化的计算为基础,模拟了两种应力变化对芦山地震断层的失稳发震时间的影响,研究了2008年Ms8.0汶川地震与2013... 依据速率-状态依赖性摩擦本构关系,并结合中下地壳和上地幔的黏弹性松弛效应,以震后库仑破裂应力变化和同震动态库仑破裂应力变化的计算为基础,模拟了两种应力变化对芦山地震断层的失稳发震时间的影响,研究了2008年Ms8.0汶川地震与2013年Ms7.0芦山地震之间的触发关系.计算得到,汶川地震在芦山地震震源断层面上产生的动态应力变化的峰值为0.127 MPa;此外,经过近5年中下地壳和上地幔的黏弹性松弛效应,芦山地震震源断层面上受到的震后应力变化值为0.025 MPa.结果表明,芦山地震的震源断层在应力积累逐渐接近临界状态的某一特定时期内,受到了汶川地震产生的动态应力变化、静态应力变化以及黏弹性松弛效应造成应力变化的共同触发作用,且动态应力的延迟触发作用可能更为显著.最后对芦山地震之后研究区域的应力变化场进行了初步探讨. 展开更多

关键词 汶川地震 芦山地震 库仑破裂应力变化 速率-状态依赖性摩擦本构关系

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鲜水河断裂的几何形态对地震发生的影响 被引量：5

8

作者 李晓帆 闫伟 《震灾防御技术》 CSCD 北大核心 2015年第1期77-86,共10页

本文整理分析了鲜水河断裂的几何特征以及从1327年有记录以来6级以上历史地震的断层破裂位置和长度。选用速率和状态依赖性摩擦本构关系代表断裂区域物理性质,构建了鲜水河断裂3D物理模型模拟强震周期性。模拟结果与历史地震的发震有较... 本文整理分析了鲜水河断裂的几何特征以及从1327年有记录以来6级以上历史地震的断层破裂位置和长度。选用速率和状态依赖性摩擦本构关系代表断裂区域物理性质,构建了鲜水河断裂3D物理模型模拟强震周期性。模拟结果与历史地震的发震有较好的一致性,主要表现在:1模拟结果在第二次地震周期之后,明显出现分段现象与鲜水河断裂分段的几何特征较为一致;2断裂北西端结构较为简单,地震发震情况也偏单一,在7级以上地震发震之前有6级以上地震的发生,此类现象与模拟结果一致;3断裂中段结构复杂,不仅存在分段还有轻度弯曲,模拟结果显示中段地震逐渐减小,破裂长度逐步缩短,并且出现级联破裂现象与历史地震较为吻合;43D模拟结果中,地震破裂区域起始与终止位置大都发生在断层转折的区域,特别是在乾宁和康定两处断层出现弯曲的位置,这与鲜水河断裂历史地震发震情况十分相似。 展开更多

关键词 鲜水河断裂 断裂几何形态 速率和状态依赖性摩擦本构关系

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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

9

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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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

10

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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潮汐应力对2007年M_s6.4宁洱地震震源断层成核失稳过程的影响 被引量：11

11

作者 解朝娣 LEI XingLin +4 位作者 吴小平 付虹 熊子瑶 虎雄林 李莎 《中国科学：地球科学》 CSCD 北大核心 2015年第9期1409-1420,共12页

在潮汐库仑破裂应力计算和相关性检验的基础上,采用速率-状态依赖性摩擦本构关系,进行潮汐应力对宁洱地震震源断层成核失稳过程影响的数值模拟研究,并讨论潮汐正应力和潮汐剪应力在潮汐应力触发中的作用,以及应力的振幅和周期振荡性对... 在潮汐库仑破裂应力计算和相关性检验的基础上,采用速率-状态依赖性摩擦本构关系,进行潮汐应力对宁洱地震震源断层成核失稳过程影响的数值模拟研究,并讨论潮汐正应力和潮汐剪应力在潮汐应力触发中的作用,以及应力的振幅和周期振荡性对潮汐触发的影响.结果发现,宁洱地震与潮汐应力之间存在潮汐触发相关性.宁洱地震震源断层的成核过程存在一个转变周期,当潮汐应力周期接近和大于转变周期时,潮汐应力的周期性将直接影响潮汐触发作用的效果.潮汐应力振幅值的增加也有助于潮汐应力对断层地震成核失稳过程的影响,正应力和剪应力振幅值的影响效果差别不大,但是潮汐剪应力比正应力能更迅速的起到潮汐触发作用.潮汐应力触发地震的过程中,主要是正值的潮汐正应力和剪应力对地震起到触发作用,而负值的潮汐应力对断层的影响小于正值的潮汐应力,断层对负的潮汐应力不敏感. 展开更多

关键词 潮汐库仑破裂应力 宁洱地震 速率-状态依赖性摩擦本构关系 潮汐周期

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本构参数对断层成核周期影响的模拟研究

12

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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