Preview

Геодинамика и тектонофизика

Расширенный поиск

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ДЕФОРМАЦИОННОГО ПРОЦЕССА НА РАЗЛОМЕ В МЕТАСТАБИЛЬНОМ СОСТОЯНИИ ПЕРЕД ЗЕМЛЕТРЯСЕНИЕМ

https://doi.org/10.5800/GT-2020-11-2-0483

Полный текст:

Аннотация

Предлагается новый подход к выделению предвестников землетрясения в зоне разлома с высоким уровнем напряжений, опирающийся на понятия его устойчивого состояния и энергетического баланса. В условиях экспериментального воспроизведения модели прерывистого «stick-slip» в пределах полного цикла медленной нагрузки и быстрой разгрузки деформируемого образца с разрезом, имитирующим разлом, предельные состояния его метастабильности и метанестабильности при пиковом критическом напряжении определяются как переходная фаза от устойчивости к неустойчивости со спонтанной генерацией импульсной подвижки (т.е. генерации землетрясения). С переходом модельного разлома в состояние метанестабильности стартует процесс медленного, пространственно-дискретного, избирательного высвобождения накопленных на нем напряжений. Выявление этого процесса до его перехода в стадию быстрой нестабильности имеет важное прогнозное значение для превентивной оценки риска в тектонически активных регионах. В выполненном авторами экспериментальном исследовании проанализированы вариации тензора напряжений в нагруженном гранитном образце с прямолинейным разрезом в течение метанестабильной стадии, а также проведено наблюдение пространственно-временных особенностей этого параметра в течение всего процесса деформации модельного разлома.

Установлено, что по простиранию разлома имеют место сегменты с низкими и высокими значениями объемной деформации, которым соответствуют два типа нестабильности. Первые закладываются на участках с пониженной прочностью и становятся сегментами начального высвобождения энергии в начальную стадию нестабильности. Вторые, наоборот, характерны для участков упрочнения разлома, где происходит блокировка напряжений, и впоследствии превращаются в начальные области быстрой нестабильности.

В рамках процесса нестабильности разлома выделены две стадии. В первую стадию происходит реализация небольших медленных сдвиговых смещений на разломе в пределах сегментов первого типа, именуемых в литературе предсмещениями, низкочастотными, медленными или тихими землетрясениями и т.д. Сегментация развивается с ускорением, что способствует переходу деформационного процесса во вторую стадию, когда происходит быстрое динамической объединение сегментов обоих типов с реализацией большого смещения по разлому, что соответствует сильному землетрясению в природе.

В условиях нестабильности разлома зафиксированы два типа деформации вдоль его простирания: фронтальная миграция деформации вдоль сегментов первого типа при смещениях по ним к сегментам второго и импульс деформации сжатия после реализации объемной деформации после смещения, распространяющийся на определенное расстояние в условиях роста приложенной к образцу нагрузки. В выполненных экспериментах фронтальная деформация возникала примерно за 12 с до быстрой нестабильности разлома, а импульс сжатия начинается менее чем за 0,1 с до неё. Динамическая деформация на разломе проявляется квазисинхронно по простиранию разлома во всех точках измерения.

Об авторах

Юаншуан Гуо
Государственная центральная лаборатория динамики землетрясений, Институт геологии, Администрация по землетрясениям Китая
Китай
ЮАНШУАН ГУО
PhD
100029, г. Пекин


Янцюнь Чжуо
Государственная центральная лаборатория динамики землетрясений, Институт геологии, Администрация по землетрясениям Китая
Китай
ЯНЦЮНЬ ЧЖУО
PhD
100029, г. Пекин


Пэйксунь Лю
Государственная центральная лаборатория динамики землетрясений, Институт геологии, Администрация по землетрясениям Китая
Китай
ПЭЙКСУНЬ ЛЮ
B.A.
100029, г. Пекин


Шуньюнь Чен
Государственная центральная лаборатория динамики землетрясений, Институт геологии, Администрация по землетрясениям Китая
Китай
ШУНЬЮНЬ ЧЕН
PhD
100029, г. Пекин


Цзинь Ма
Государственная центральная лаборатория динамики землетрясений, Институт геологии, Администрация по землетрясениям Китая
Китай
ЦЗИНЬ МА
PhD
100029, г. Пекин


Список литературы

1. Aochi H., Fukuyama E., 2002. Three-Dimensional Nonplanar Simulation of the 1992 Landers Earthquake. Journal of Geophysical Research: Solid Earth 107 (B2), 2035. https://doi.org/10.1029/2000JB000061.

2. Ben-David O., Cohen G., Fineberg J., 2010. The Dynamics of the Onset of Frictional Slip. Science 330 (6001), 211–214. https://doi.org/10.1126/science.1194777.

3. Brace W.F., Byerlee J.D., 1966. Stick-Slip as a Mechanism for Earthquakes. Science 153 (3739), 900–992. https://doi.org/10.1126/science.153.3739.990.

4. Brace W.F., Byerlee J.D., 1970. California Earthquake: Why Only Shallow Focus? Science 168 (3939), 1573–1575. https://doi.org/10.1126/science.168.3939.1573.

5. Byerlee J.D., 1967. Frictional Characteristics of Granite under High Confining Pressure. Journal of Geophysical Research 72 (14), 3639–3648. https://doi.org/10.1029/JZ072i014p03639.

6. Byerlee J.D., 1978. Friction of Rocks. Pure and Applied Geophysics 116, 615–626. https://doi.org/10.1007/978-3-0348-7182-2_4.

7. Chang J.C., Lockner D.A., Reches Z., 2012. Rapid Acceleration Leads to Rapid Weakening in Earthquake-Like Laboratory Experiments. Science 338, 101–105. https://doi.org/10.1126/science.1221195.

8. Dieterich J.H., 1978. Time Dependent Friction and the Mechanics of Stick-Slip. Pure and Applied Geophysics 116, 790–806. https://doi.org/10.1007/978-3-0348-7182-2_15.

9. Dieterich J.H., 1979. Modeling of Rock Friction: 1. Experimental Results and Constitutive Equations. Journal of Geophysical Research: Solid Earth 84 (В5), 2161–2168. https://doi.org/10.1029/JB084iB05p02161.

10. Dieterich J.H., 1986. Model for the Nucleation of Earthquake Slip. In: Sh. Das, J. Boatwright, Ch.H. Scholz (Eds) Earthquake Source Mechanics. American Geophysical Union 37 (6). https://doi.org/10.1029/GM037p0037.

11. Dieterich J.H., 1992. Earthquake Nucleation of Faults with Rate and State Dependent Strength. Tectonophysics 211 (1–4), 115–134. https://doi.org/10.1016/0040-1951(92)90055-B.

12. Dieterich J.H., Richards-Dinger K.B., 2010. Earthquake Recurrence in Simulated Fault Systems. In: M.K. Savage, D.A. Rhoades, E.G.C. Smith, M.C. Gerstenberger, D. Vere-Jones (Eds), Seismogenesis and Earthquake Forecasting: The Frank Evison, Vol. II, 223–250. https://doi.org/10.1007/978-3-0346-0500-7_15.

13. Dieterich J.H., Smith D.E., 2009. Nonplanar Faults: Mechanics of Slip and Off-Fault Damage. Pure and Applied Geophysics 166 (10), 1799–1815. https://doi.org/10.1007/978-3-0346-0138-2_12.

14. Ellsworth W.L., Beroza G.C., 1995. Seismic Evidence for an Earthquake Nucleation Phase. Science 268, 851–855. https://doi.org/10.1126/science.268.5212.851.

15. Fukuyama E., 2009. Fault-Zone Properties and Earthquake Rupture Dynamics. International Geophysics 94, 1–13. https://doi.org/10.1016/S0074-6142(08)00001-6.

16. He Changrong, 2000. Numerical Simulation of Earthquake Nucleation and Precursory Process in Slipping Fault Planes. Earthquake Research in China 16 (1), 1–13 (in Chinese). He Changrong, 2003. The Interaction of a Double Slider System under Rate- and State-Dependent Friction Law. Science in China (Series D) 33 (Suppl.), 53–59 (in Chinese). He Chang-Rong, Tao Qing-Feng, Wang Ze-Li, 2004. Frictional Strength and Rate Dependence of Gouge under Elevated Temperature and Pressure. Seismology and Geology 26 (3), 450–459 (in Chinese).

17. He Changrong, Wang Zeli, Yao Wenming, 2007. Frictional Sliding of Gabbro Gouge under Hydrothermal Conditions Tectonophysics 445 (3–4), 353–362. https://doi.org/10.1016/j.tecto.2007.09.008.

18. He Changrong, Yao Wenming, Wang Zeli et al., 2006. Strength and Stability of Frictional Sliding of Gabbro Gouge at Elevated Temperatures. Tectonophysics 427 (1–4), 217– 229. https://doi.org/10.1016/j.tecto.2006.05.023.

19. Heaton T.H., 1990. Evidence for and Implications of SelfHealing Pulses of Slip in Earthquake Rupture. Physics of the Earth and Planetary Interiors 64 (1), 1–20. https://doi.org/10.1016/0031-9201(90)90002-F.

20. Hirose T., Shimamoto T., 2005. Slip-Weakening Distance of Faults during Frictional Melting as Inferred from Experimental and Natural Pseudotachylytes. Bulletin of the Seismological Society of America 95 (5), 1666–1673. https://doi.org/10.1785/0120040131.

21. Ikuta R., Satomura M., Fujita A. et al., 2012. A Small Persistent Locked Area Associated with the 2011 Mw 9.0 TohokuOki Earthquake Deduced from GPS Data. Journal of Geophysical Research: Solid Earth 117, B11408. https://doi.org/10.1029/2012JB009335.

22. Kato N., 2012. Dependence of Earthquake Stress Drop on Critical Slip-Weakening Distance. Journal of Geophysical Research: Solid Earth 117, B01301. https://doi.org/10.1029/2011JB008359.

23. Liu Liqiang, Lei Xinglin, 2003. An Observation System of Acoustic Emission Signal Based on Ultra High Speed Parallel Network. Seismology and Geology 25 (3), 477–479 (in Chinese).

24. Liu Peixun, Liu Liqiang, Huang Yuanmin et al., 2009. Robust Arithmetic for Acoustic Emission Location. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering 28 (S1), 2760– 2764 (in Chinese).

25. Ma Jin, 2016. On «Whether Earthquake Precursors Help for Prediction Do Exist». Chinese Science Bulletin 61 (4–5), 409–414 (in Chinese). https://doi.org/10.1360/N972015-01239.

26. Ma J., Guo Y., Sherman S.I., 2014. Accelerated Synergism along a Fault: A Possible Indicator for an Impending Major Earthquake. Geodynamics & Tectonophysics 5 (2), 387–399. https://doi.org/10.5800/GT-2014-5-2-0134.

27. Ma J., Sherman S.I., Guo Y.S., 2012. Identification of MetaInstable Stress State Based on Experimental Study of Evolution of the Temperature Field during Stick-Slip Instability on a 5° Bending Fault. Science China Earth Sciences 55, 869– 881. https://doi.org/10.1007/s11430-012-4423-2.

28. Ma Shengli, Liu Liqiang, Ma Jin et al., 2003. An Experimental Study on the Nucleation Process of Instable Slip for Homogenous and Heterogeneous Fault. Science in China (Series D) 33 (Suppl.), 45–52 (in Chinese).

29. Ma Shengli, Ma Jin, Liu Liqiang, 2002. Experimental Evidence for Earthquake Nucleation Phase. Chinese Science Bulletin 47 (5), 387–391 (in Chinese).

30. Moore D.E., Rymer M.J., 2007. Talc-Bearing Serpentinite and the Creeping Section of the San Andreas Fault. Nature 448, 795–797. https://doi.org/10.1038/nature06064.

31. Ohnaka M., 1992. Earthquake Source Nucleation: A Physical Model for Short-Term Precursors. Tectonophysics 211 (1–4), 149–178. https://doi.org/10.1016/0040-1951(92)90057-D.

32. Ohnaka M., Akatsu M., Mochizuki H. et al., 1997. A Constitutive Law for the Shear Failure of Rock under Lithospheric Conditions. Tectonophysics 277 (1–3), 1–27. https://doi.org/10.1016/S0040-1951(97)00075-9.

33. Ohnaka M., Kuwahara Y., 1990. Characteristic Feature of Local Breakdown near a Crack-Tip in the Transition Zone from Nucleation to Unstable Rupture during Stick-Slip Shear Failure. Tectonophysics 175 (1–3), 197–220. https://doi.org/10.1016/0040-1951(90)90138-X.

34. Ohnaka M., Kuwahara Y., Yamamoto K., 1987. Constitutive Relation between Dynamic Physical Parameters near a Tip of the Propagating Slip Zone during Stick-Slip Shear Failure. Tectonophysics 144 (1–3), 109–125. https://doi.org/10.1016/0040-1951(87)90011-4.

35. Peselnic L., Dieterich J.H., Mjachkin V.I., Sobolev G.A., 1976. Variation of compressional velocities in simulated fault gouge under normal and direct shear stress. Geophysical Research Letters 3 (7), 369–372. https://doi.org/10.1029/GL003i007p00369.

36. Rebetskii Yu. L., Lementueva R.A., D’yaur et al., 2005. Subordination of Misrostructure Deformations and Brittle Macrodestruction. Doklady Earth Sciences 403 (5), 812–815. Reches Z., Lockner D.A., 2010. Fault Weakening and Earthquake Instability by Powder Lubrication. Nature 467, 452– 455. https://doi.org/10.1038/nature09348.

37. Ren Y.-Q., Liu P.-X., Ma J. et al., 2013. An Experimental Study on Evolution of the Thermal Field of En Echelon Faults during the Meta-Instability Stage. Chinese Journal of Geophysics 56 (5), 612–622. https://doi.org/10.1002/cjg2.20057.

38. Rice J.R., 2006. Heating and Weakening of Faults during Earthquake Slip. Journal of Geophysical Research: Solid Earth 111, B05311. https://doi.org/10.1029/2005JB004006.

39. Rice J.R., Ruina A.L, 1983. Stability of Steady Frictional Slipping. Journal of Applied Mechanics 50 (2), 343–349. https://doi.org/10.1115/1.3167042.

40. Ruina A.L., 1983. Slip Instability and State Variable Friction Laws. Journal of Geophysical Research: Solid Earth 88 (В12), 10359–10370. https://doi.org/10.1029/JB088iB12p10359.

41. Scholz C.H., 1988. The Critical Distance for Seismic Faulting. Nature 336, 761–763. https://doi.org/10.1038/336761a0.

42. Zhuo Y.Q., Guo Y.S., Ji Y.T. et al., 2013. Slip Synergism of Planar Strike-Slip Fault during Meta-Instable State: Experimental Research Based on Digital Image Correlation Analysis. Science China: Earth Sciences 56, 1881–1887. https://doi.org/10.1007/s11430-013-4623-4.

43. Zhuo Y.S., He C.R., 2009. The Rheological Structures of Crust and Mechanics of High-Angle Reverse Fault Slip for Wenchuan Ms8.0 Earthquake. Chinese Journal of Geophysics 52 (2), 474–484 (in Chinese).

44. Zhuo Y.Q., Ma J., Guo Y.S. et al., 2015. Identification of the Meta-Instability Stage via Synergy of Fault Displacement: An Experimental Study Based on the Digital Image Correlation Method. Physics and Chemistry of the Earth, Parts A/B/C 85–86, 216–224. https://doi.org/10.1016/j.pce.2015.03.002.


Для цитирования:


Гуо Ю., Чжуо Я., Лю П., Чен Ш., Ма Ц. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ДЕФОРМАЦИОННОГО ПРОЦЕССА НА РАЗЛОМЕ В МЕТАСТАБИЛЬНОМ СОСТОЯНИИ ПЕРЕД ЗЕМЛЕТРЯСЕНИЕМ. Геодинамика и тектонофизика. 2020;11(2):417-430. https://doi.org/10.5800/GT-2020-11-2-0483

For citation:


Guo Y., Zhuo Y., Liu P., Chen S., Ma J. EXPERIMENTAL STUDY OF OBSERVABLE DEFORMATION PROCESS IN FAULT META-INSTABILITY STATE BEFORE EARTHQUAKE GENERATION. Geodynamics & Tectonophysics. 2020;11(2):417-430. https://doi.org/10.5800/GT-2020-11-2-0483

Просмотров: 141


Creative Commons License
Контент доступен под лицензией Creative Commons Attribution 4.0 License.


ISSN 2078-502X (Online)