含颗粒物模拟断层粘滑运动机制的实验研究

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粘滑现象在自然界中广泛存在,地震研究领域将其作为地震发震机理的模拟。相关研究表明,发震断层内部的断层泥对断层摩擦性质起到了关键的控制作用,因此采用颗粒模拟断层研究粘滑事件过程中各种关键参数的变化,可以帮助我们深入了解地震的发震机理。本文采用实验室双直剪实验方法,重点研究颗粒模拟断层粘滑现象受法向应力、断层厚度、环境湿度、颗粒材料性质等物理量的影响,进而提出对颗粒模拟断层粘滑过程中微观机制认识的改进。主要工作和研究成果如下:(1)系统地进行了不同厚度断层在变法向应力下的粘滑实验研究,探讨了法向应力和断层厚度对于粘滑事件关键参数的影响,提出在粘滑动态破坏过程中的摩擦系数降主要受断层粘滞过程中法向应变控制这一观点并用数据进行了佐证,基于实验数据中断层厚度的变化以及断层剪切模量受法向应力控制等现象,对原有的描述颗粒模拟断层粘滑过程微观机理的应力链理论模型提出了改进。(2)通过进行较低法向应力下颗粒模拟断层剪切实验,细致地研究了在法向应力低于8MPa时,断层摩擦系数降、粘滑重现时间(包括弹性和非弹性加载时间)、震前蠕滑距离、声发射信号b值、系统刚度等随法向应力变化的规律,并说明了在变法向应力实验中,剪切应变历史对粘滑现象的影响相对于法向应力可以忽略。(3)进行了不同湿度下的颗粒模拟断层剪切实验,基于对结果的分析,研究了湿度对断层粘滑事件的影响,指出湿度对粘滑事件的等比放大作用,并通过在蠕滑状态下对断层进行蒸馏水注入在实验室重现了水对断层粘滑运动的再激发。(4)采用将不同性质颗粒材料分层放置进入同一断层的实验方法,并改变两种材料层的分别厚度,研究了当断层内部有两种不同性质的材料分层存在时的剪切运动模式,揭示了玻璃珠材料层的存在对断层滑动模式的决定性作用,证明了少量厚度的球形玻璃珠层的存在即可使得断层整体呈现粘滑模式。(5)介绍了在较低法向应力下颗粒模拟断层剪切过程中从粘滑运动到稳定蠕滑运动的转变现象;通过进行速度步实验,确定了玻璃珠断层的速率和状态相关参数a-b的值,并通过设计几组不同物理条件变化的实验研究了这种转变发生的控制性物理量,提出了断层剪切应变是控制这种滑动模式转变的关键变量,并通过在断层中设置应变记号的方式解释了剪切应变集中可能是导致转变发生的关键原因。
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