断层力学与地震机理-杭州

1.研究意义及主要科学问题 研究意义
➢ Brace and Byerlee（1966）提出断层粘滑是地震产生 的机制，开创了地震机理研究的新纪元，确立了断 层力学在地震研究中的重要地位。
➢ 岩石摩擦实验是研究断层力学行为与地震机理的重 要手段。围绕断层强度、断层滑动稳定性已开展了 大量研究，为认识地震物理过程和机制、探索地震 预测提供了重要基础。
对地震数值预报而言，断层物理力 学实验研究的意义体现在： ➢ 理解地震断层作用的物理过程并
通过数理方程进行描述 ➢ 获取地下介质在相应条件下的物
理力学性质
主要科学问题
地震机理研究需要了解断层从准静态到动态滑 动的全过程，其中重点关注的科学问题包括：
➢断层滑动稳定性与地震成核 ➢断层失稳预滑与地震前兆 ➢断层失稳过程与地震同震滑动
Five important factors for numerical prediction: (1) understand the physical process and construct equations based on physical principles, (2) ability to numerically solve these equations, (3) knowledge of structures and material properties in the Earth, (4) boundary conditions and their variation with time, (5) initial conditions.
地震模拟与地震数值预测
(Barbot et al., 2012, Science)
(Shi et al., 2014, Earthquake Sci.)
Deformation monitoreห้องสมุดไป่ตู้ by various arrays of instruments (e.g. GPS, broadband seismometer)
基性岩石低速摩擦实验
eff
0.8
(a)
0.7
1.22
1.22
0.122
0.6
0.122 1.22m/s
0.5
0.4
0.3 Hgbr03, =210MPa, 199oC
0.2 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 4.0
displacement, mm
0.010
0.005
0.000
摩擦滑动失稳与地震旋回模拟
➢ 关于滑动稳定性即粘滑产生的机制，早期主要用滑 动弱化模型来解释（如：Byerlee，1970；Rice, 1980），模型无法解释粘滑的重复发生，但至今仍 广泛应用于震源过程模拟。
➢ 突破性的进展是速率—状态摩擦定律（Dieterich, 1979；Ruina，1983）的提出，以此建立的滑动稳定 性判据可解释粘滑的重复发生，实现了断层滑动发 生的地震旋回的模拟。
-0.005
-0.010 -0.015 -0.020
0
=300 MPa, Pp=10 MPa, standard Neff
=200 MPa, Pp=10 MPa, standard Neff
=200 MPa, Pp=100 MPa, standard Neff
=130 MPa, Pp=30 MPa, slow 3
石英和花岗岩断层泥稳态摩擦随温度 件下的摩擦性状进行研究。
的变化（据Blanpied et al., 1995)。
实验室依托自主研发的气体介质高温高压岩石摩擦 实验装置开展了相关研究，技术指标：正压力 ~500MPa，孔隙压力~200MPa，温度~700ºC，
气体介质高温高压摩擦实验装置
He et al., Tectonophysics, 2006
=130 MPa, Pp=30 MPa, standard 3
=180 MPa, Pp=30 MPa, slow 3
=180 MPa, Pp=30 MPa, standard 3
100
200
300
400
500
600
700
T, oC
对下地壳典型岩石辉长岩 进行了研究，干燥条件下 所有温度条件下均为速度 强化，而含水条件下在 200~300℃ 出 现 了 速 度 弱 化行为，更高温度下 （400~500 ℃），较慢的 滑动速率有利于速度弱化 的出现。表明下地壳具备 发生地震成核的条件。
岩石摩擦强度与岩石圈强度剖面
Shear strength
Depth
Brittle/frictional (Byerlee)
10-20 km
Byerlee 定律
0.85 n n 200MPa 50 0.6 n n 200MPa
Dislocation creep of quartz
断层力学与地震机理
——实验研究的若干进展
马胜利
中国地震局地质研究所 地震动力学国家重点实验室
致谢
报告内容取自地震动力学国家重点 实验室构造物理团队多位同事、研究生 及合作者的研究成果。
报告提纲
研究意义及主要科学问题 断层低速摩擦性状与地震成核条件 断层亚失稳特征与地震前兆机理 断层高速摩擦性状与同震滑动机制 小结及研究展望
(a-b)<0 速度弱化
(a-b)<0 速度弱化是失稳的必要条件
➢ 岩石摩擦滑动的稳定性取决于 摩擦强度的速度依赖性，实验 研究岩石在不同条件下的摩擦 本构参数极为重要。
➢ 国际上开展了大量研究，其中 最关注的是石英断层泥和花岗 岩断层泥的研究，揭示了其速 度依赖性随环境条件的变化。
➢ 构造环境和介质分布的多样性 要求对不同岩石在不同环境条
Microseismicity, Field investigations, Paleoseismic studies
Rate- & statedependent friction & stability (nucleation); rate weakening during dynamic rupture
2.断层低速摩擦性状与地震成核条件
速率—状态摩擦本构关系
基本公式：
0 a ln(V /V *) b d / dt (V / Dc )[ ln(V /V *)] 0 n
稳态摩擦： ss (a b)ln(V /V *)
(a-b)>0 速度强化
失稳准则：K cr (a b)σn /Dc