岩体的蝶形破裂与大地震机理

来源 :中国矿业大学(北京) | 被引量 : 0次 | 上传用户:yangpengjx
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地震发生机理是数百年来世界范围内持续争论的热点问题和重大科学难题,迄今为止科学界仍未形成具有明确物理意义的地震力学模型。“大地震机制及其物理预测方法”在第二十一届中国科协年会上与“对激光核聚变新途径的探索”等一起,被列入了 2019年20个对科学发展具有导向作用、对技术和产业创新具有关键作用的前沿科学问题和工程技术难题。2016年《煤炭学报》刊载了马念杰教授团队关于巷道蝶形冲击地压机理等论文,乔建永教授提出其同复解析动力系统的关联:在Leau-Fatou花瓣出现时,系统对初始值具有敏感依赖性,给出研究成果基本思想的数学原理解释。此后,经过双方科研团队合作三年来潜心研究,将这一理论框架应用于对地震发生机理等地球科学领域的研究,形成了“基于动力系统结构稳定性的共轭剪切破裂-地震复合模型”、“X型共轭剪切破裂-地震产生的力学机理及其演化规律”和“基于蝶形破坏理论的地震能量来源”系列论文。本文在上述三篇论文的基础上,采用计算机数值模拟和地震伴随客观物理力学现象综合分析等方法,对“共轭剪切破裂-地震复合模型”的计算结果进行了进一步验证,取得了如下主要结论和创新成果:(1)进一步阐明了 X共轭剪切破裂引发大地震的力学机理。地球板块运动的边缘区域(生长边缘、消亡边缘和剪切边缘)易产生垂直、水平与剪切高偏应力场,处于该应力环境中的地壳狭长形态、软弱缺陷体(比周围岩体强度低)周围会形成蝶形破坏区,它是X型共轭剪切破裂生成的标志,即蝶形破坏蝶叶的扩展在地壳岩体中形成了显性或隐性X型共轭剪切破裂。蝶形破坏区周围集聚了巨大能量,每当受到同向触发事件的突然加(减)载作用时,蝶叶就发生一次突然扩展,并伴随地震能量的瞬时向外传播,发生一次相应级别的地震。大地震的力学机理是极限应力状态下缺陷体围岩的X共轭剪切破裂(蝶形破裂)在局部微小触发应力作用下突然的剧烈扩展,并释放大量弹性能,引起地壳的剧烈振动。(2)明确了蝶形破裂与地震的“裂震共伴性”关系。蝶形破裂扩展与地震能量释放同时发生,蝶形破裂扩展诱发了地震,地震发生又促成了 X型共轭剪切破裂的生成与演化。(3)采用理论公式计算与计算机数值模拟等方法,进一步量化描述地震的突发性、条带多震性、能量集中释放特征与板块边缘地震的多发性。地震突发性是单位时间微小应力扰动(10-3MPa/s),引发X型共轭剪切破裂的瞬态扩展;条带多震性是每次岩体X型共轭剪切破裂总会伴随着一定能量的释放和一定级别的地震;能量集中释放是X型共轭剪切破裂的形成,改变周围岩体应力环境,使得破裂区域集中大量弹性能,只要破裂范围扩展,就会伴随释放新破裂的“内部能”与新破裂区边界附近岩石弹性形变的“系统能”,计算得到的地震能量域值区间包含于0~1018J的范围内,符合当前认知的里氏0~9级地震;板块边缘地震多发性是不同特征高偏应力场主导下的缺陷体围岩蝶形破坏引发不同级别地震,处于消亡边缘的缺陷体蝶形破裂地震震级要比生长边缘的震级级别高,且地震频繁,可引发7级以上的大地震,符合已有规律。(4)揭示了X共轭破裂型大地震的仿蝶存亡规律。对应于X型共轭破裂的物理演化时期,地震活动存在着“仿蝶存亡”的规律性,即地震与蝴蝶的完整生命周期具有很高的仿生性,将伴随X型共轭破裂物理演化的地震活动的弱震期,中强震期与强震期仿生为蝴蝶的“卵化期”,“虫化期”,“化蛹期”与“羽化期”,可以较好的描述X共轭破裂型大地震的孕育、演化与消亡的物理过程。(5)阐明了 X型共轭剪切破裂的物理演化过程。X型共轭剪切破裂的演化过程是由稳态渐进式向加速跃迁式的。在这一过程中,缺陷体围岩形成了由圆形、椭圆形、蝶形过渡到X型的破坏形态变化。破裂的扩展对周围岩体的强度敏感依赖,会呈现出非X型的“V”、“Y”、“/”等共轭破裂特征。(6)总结X共轭剪切破裂引发地震的必要条件。主要包括:缺陷岩体的存在条件,围岩体的强度条件(P1>Rc),构造与板块运动形成的高偏应力条件(P1/P3>3)与地震的触发应力条件(ΔP1≥0.001MPa/s),以上条件同时具备一定会促使地壳中缺陷体围岩突然的蝶形的形成与扩展,同时发生相应级别的地震。大地震的发生机理是极为复杂且高度非线性的。本文研究成果仅仅是从数学力学理论推演与一个不完全实际的数值模拟假想检验,去认识并探讨X共轭破裂这种特定破裂模式引发大地震的机理与物理演化过程。需要进一步开展对该理论研究成果的应用性分析与实践性检验。
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