不同含水量花岗岩-玄武岩界面粘滑剪切破坏机理研究

来源 :杨武松 | 被引量 : 0次 | 上传用户:sabot
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地震破坏能力强,破坏范围广,对全世界都造成了大量的人员伤亡和严重的经济损失。但是地震的震源处于地表以下,突发性强,预测难度大。直到上世纪90年代,Brace和Byerlee两位科学家才提出粘滑理论可用于解释地震的形成机理,在大量科学家将室内实验与自然界地震对比后,现如今粘滑理论用于解释地震的形成机理已经成为了大家的共识,粘滑理论在其他工程领域也应用广泛。地震资料显示,90%的天然地震发生在近海地区和海洋,为了更全面地认识近海地区或者海洋地震的形成机理以及其他领域水对粘滑特征的影响,本文的实验设置了干燥、非饱和、饱和三组不同含水量断层进行实验,用采样率“100ks/s”的多通道采集系统捕捉断层发生粘滑失稳前后沿断层面的应力变化,观察粘滑瞬态失稳过程。本文主要探究不同含水量断层发生粘滑剪切破坏的典型特征以及动态失稳过程,同时还探究了正应力与剪切速率对粘滑典型特征的影响。本文得出的主要结论如下:(1)含水量对断层发生粘滑特征的影响:水对断层摩擦系统产生强化作用。断层含水量增加,断层发生粘滑的应力降增大,粘滑时间间隔增加,断层摩擦愈合率越大,粘滑的滑移总量、共震滑移量、前兆滑移量增加。(2)断层发生粘滑失稳的动态过程:1)三组断层发生粘滑失稳前,沿断层面局部的正应力与剪应力分布高度不均匀,含水量对正应力与剪应力沿断层面的不均匀性分布影响不大;一般情况下,应力比沿加载端到自由端从大到小分布;沿干燥组断层面分布的局部应力比值几乎都高于断层整体的最大静摩擦系数,沿饱和与非饱和断层则相反。2)断层发生粘滑失稳时,沿断层面各摩擦接触点的剪应力达到峰值时刻有先后顺序,即接触点破裂有先后顺序。根据破裂传播的速度,粘滑失稳的过程可以分为“成核区”和“动态破裂区”。成核区的断层面接触点最先开始破坏,破裂点传播速度相对缓慢同时也在快速增长,动态破裂区的断层接触点破裂速度很快并处于稳定传播状态。3)根据不同含水量断层局部的剪应力跌落过程可知,断层在干燥条件下摩擦界面接触点更容易发生“脆性破坏”,而在饱和与非饱和条件下更容易发生“塑形破坏”(3)剪切速率对粘滑特征的影响:剪切速率增加,剪应力降逐渐降低,不同含水量断层发生粘滑的滑移总量、共震滑移量、前兆滑移量变化趋势不同;剪切速率与粘滑滑时间间隔成幂指数关系;断层含水量越高,剪切速率与粘滑时间间隔关系TR=m(VL)n中,m和n的值越大,时间强化效应越显著,前兆滑移量与剪切速率呈幂指数关系的相关系数越高。(4)正应力对粘滑特征的影响:随着正应力增加,断层发生粘滑剪应力降呈非线性增长;剪切速率较高时,正应力对粘滑的时间间隔的影响较小;剪切速率较低时,正应力对不同含水量断层影响不一样;前兆滑移、共震滑移是随正应力的增加而增加,前兆滑移量增长速度较快,同震滑移量增长较慢。本文的研究结果对认识海洋地震或近海地区地震的形成机理以及这些地区的地震预测和抗震设防有指导意义,对其他领域关于水对粘滑特征的影响也具备一定的参考价值,如采矿领域冲击地压、交通铁轨、机械领域刹车制动等。
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