速率和状态摩擦准则下断层滑动特征的数值模拟研究

发布时间：2025-06-24 06:05

　　本文详细介绍了基于岩石摩擦实验提出的速率和状态摩擦准则,并研究了其在数值模拟震源参数变化、地震复杂性以及破裂动力学中的作用。断层滑动和地震破裂的物理机制主要受接触面上摩擦准则的控制,对岩石摩擦的认识是理解断层和地震行为的关键。因此本文首先详细回顾了速率和状态摩擦准则的发现过程及其基本特征,系统分析了该准则在简单的单自由度弹簧滑块模型下的稳定性问题,也简要介绍了最近十年来岩石高速摩擦下的最新实验室发现,以及相关的强弱化理论。总之对岩石摩擦的全面且系统的认识有助于理解断层和地震现象的本质。 观察震源参数随地震矩的变化一直是地震学家了解地震自相似性的手段之一。本文利用简单的单自由度弹簧滑块模型,数值模拟了速率和状态准则控制下的系统所表示的震源参数的变化。在该模型下,地震的大小主要由断层的尺度W(与模型中弹性刚度k成反比)控制。震源参数的变化受断层相对尺度(断层尺度W与成核尺度hc。的比值)的影响,对较小的地震,因为非震滑移和断裂能的比重比较大,震源参数有尺度效应；对较大的地震,非震滑移和断裂能可忽略,震源参数可视为自相似的。但是当考虑了热增压效应后,震源参数呈现非常明显的变化,视应力和应...

【文章页数】：193 页

【学位级别】：博士

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摘要
ABSTRACT
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第一章 绪论
    1.1 本研究的背景及意义
    1.2 断层滑动行为的研究回顾
        1.2.1 速率和状态摩擦准则
        1.2.2 地震的破裂动力学数值模拟
        1.2.3 断层滑动复杂性的起源
    1.3 本研究的主要内容和目标
第二章 岩石和断层上的摩擦
    2.1 经典的摩擦准则
    2.2 速率和状态摩擦准则
        2.2.1 摩擦准则的提出和发展
        2.2.2 摩擦准则的稳定性
        2.2.3 断层上的摩擦参数
    2.3 断层上的强弱化机制
        2.3.1 强弱化作用的实验室证据
        2.3.2 断层上的润滑作用
        2.3.3 其他的热效应
    2.4 本章小结
第三章 单自由度弹簧滑块模型下的震源参数比例关系
    3.1 断层上的能量和地震辐射能
        3.1.1 地震辐射能
        3.1.2 Madariaga模型
        3.1.3 McGarr模型
        3.1.4 简单模型下的能量分异
    3.2 震源参数变化研究回顾
    3.3 基于单自由度弹簧滑块模型的数值模拟
        3.3.1 含阻尼的动态模型
        3.3.2 加载速率的影响
        3.3.3 干断层下的震源参数比例关系
        3.3.4 湿断层下的震源参数比例关系
    3.4 小结与讨论
第四章 断层长期滑动行为的复杂性
    4.1 准动态数值模拟方法
    4.2 RSF下地震的准静态成核过程
    4.3 单断层地震活动复杂性的研究回顾
        4.3.1 固有离散的数值模型
        4.3.2 速率和状态准则下的数值模型
    4.4 断层滑动模式的准动态数值模拟
        4.4.1 较小相对尺度下断层的典型滑动特征
        4.4.2 断层滑动特征随断层尺度W的变化
        4.4.3 断层上震源参数的空间分布
        4.4.4 断层滑动特征随d_c的变化
        4.4.5 充分大W/h_c时小震的出现
        4.4.6 震源参数随W/h_c的变化
        4.4.7 计算中网格的影响
    4.5 小结与讨论
第五章 断层滑动行为的动力学数值模拟
    5.1 断层稳定性及特征尺度介绍
        5.1.1 弹性体间滑动的稳定性
        5.1.2 模型的相关特征尺度
    5.2 边界积分方法的实现
        5.2.1 地震破裂传播的动力学模拟
        5.2.2 长期滑动行为的动力学模拟
        5.2.3 数值模拟的空间网格和时间步长
        5.2.4 动力学破裂的算例
    5.3 不同摩擦准则控制下的破裂特征
        5.3.1 滑动弱化准则下的裂纹扩展
        5.3.2 速率弱化准则下的脉冲(自愈合)扩展
        5.3.3 速率和状态准则下的破裂模式
        5.3.4 破裂分岔现象
        5.3.5 自发形成的不同破裂特征
    5.4 准动态和动态模拟的比较
        5.4.1 简单均匀模型的比较
        5.4.2 半空间及存在速率强化区下的比较
        5.4.3 存在障碍体的模型
        5.4.4 破裂风格的比较
    5.5 小结与讨论
第六章 结论和展望
    6.1 讨论与结论
    6.2 未来的研究
参考文献
附录A 断层的静态和动态自相似模型
    A.1 静态模型
    A.2 断层的自相似模型
附录B 应力强度因子
    B.1 静态解
    B.2 动态解
附录C 常见积分核的表达形式
    C.1 静态积分核
        C.1.1 二维反平面/平面应变断层
        C.1.2 二维半空间垂直走滑平面断层
        C.1.3 三维平面剪切断层
    C.2 动态积分核
        C.2.1 二维反平面/平面应变断层
        C.2.2 二维半空间垂直走滑断层模型
        C.2.3 三维平面剪切断层
致谢
在读期间发表的学术论文与取得的研究成果



本文编号：4052598