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为何地震应力降远小于岩石失稳应力降? 精选

已有 6041 次阅读 2018-12-24 10:55 |个人分类:科研随想|系统分类:科研笔记| 地震应力降, 岩石破裂应力降

实测天然地震应力降数据的统计结果表明,地震应力降通常不超过10 MPaKanamori and Anderson1975Hanks1977;臧绍先,1984)。然而,在室内不同温度和围压条件下进行岩石破裂(图1)或粘滑(图2)实验模拟地震过程,岩样失稳时的应力降通常为数十至数百兆帕,比地震应力降高出1~2个量级。

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1 岩石破裂前的轴压与轴向变形(耿乃光等,1986

a)轴向应力;(b)轴向位移

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2 花岗岩的差应力—轴向应变关系(臧绍先,1984))

影响岩样失稳应力降的因素包括:岩样几何特性(尺度、形状)、非均匀性、含水量以及加载条件(温度、围压、加载速率、压机刚度等),而主控因素为非均匀性、温压、加载速率和压机刚度。

天然地震的主要发震载体为锁固段,锁固段具有大尺度、扁平状的几何特征,且承受极其缓慢的构造应力加载以及高温、高压作用。试想,如果对类锁固段的岩样进行压剪试验,在峰值强度点(或近峰后点)破裂失稳应力降该与天然地震的应力降差不多吧?很遗憾,某些实验和数值模拟结果表明,地震应力仍然远小于岩石破裂失稳应力降。

为此,学者们进行了长达数十年的探索,仍百思不得其解。

欲科学解答这一难题,还得从地震机理入手。过去人们进行的岩样实验,实质上相当于单锁固段实验,而地震区则存在多锁固段。那么,考虑多锁固段时,地震应力降的情况怎样呢?

我们以前的研究已经证实,当第k个锁固段损伤至其峰值强度点时,第k+1个锁固段“恰好”演化至其体积膨胀点。然而,是第k个锁固段在其峰值强度点处发震还是第k+1个锁固段在其体积膨胀点处发震,仍然是笔糊涂账。在2018年,事情有了转机,我们建立了断层锁固段力学模型(图3),以断层中存在两个锁固段的情况为例,进行了力学分析和数值模拟,指出锁固段之间的强作用模式能够很好地描述地震产生过程,这样终于把这笔糊涂账算清楚了。答案是第k+1个锁固段在其体积膨胀点处发震,发震载体是第k+1个锁固段,而不是第k个锁固段

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3 受剪切作用的断层锁固段力学模型

根据锁固段强作用模式,除主震(最后一次标志性地震)外,所有标志性地震均为锁固段体积膨胀点处发生的地震。这意味着这些地震只能产生局部应力降。只有当最后一个锁固段损伤累积至峰值强度点时,发生的最后一次标志性事件,即该地震周期的主震,能量得以充分释放,才能产生显著的峰后应力降。

由于全球62个地震区当前地震周期的主震均尚未发生(吴晓娲等,2016),过去学者们测量统计的即使为标志性地震的应力降,如1976年唐山MS7.8地震和2008年汶川MS8.1地震等,也只是某个地震区锁固段破裂的局部应力降,而岩石力学实验测量的均为岩样峰后应力降,自然会远大于现有的地震应力降观测结果。可以预料,在当前地震周期的主震发生时,地震区在该周期内积累的应变能将得到较充分的释放,估计其应力降量级可能接近室内实验的测量结果。

总结下,解答任何科学难题的关键在于对自然现象演化机理的正确认识,否则只能是蜓蜓点水而不得要领。

参考(略)

 




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