斷層局部破裂的三維動力學特性與臨震前兆現(xiàn)象研究

近震觀測表明，地震破裂開始時有一個清楚的成核相，其特征是矩釋放率低，成核時間與地震震級成正比。由此根據(jù)成核時間和尺度，可估算最終地震事件的大小。研究發(fā)現(xiàn)，地震成核相的存在是斷層非均勻性的客觀反映。由于巖石介質的強度不一，斷層臨近失穩(wěn)時，強度相對較低的區(qū)域會首先發(fā)生動態(tài)破裂，導致應力重分布，并觸發(fā)整個斷層的失穩(wěn)破壞。因此，研究成核過程中這種局部破裂所激發(fā)的三維彈性波特性，弄清楚他們與斷層失穩(wěn)破壞之間的關系，對于臨震預測具有重要的意義。 此項研究內容包括: (1) 研究斷層局部破裂所激發(fā)的三維彈性波特性。通過研究，探討彈性波在時空域中的分布規(guī)律。(2)分析斷層局部破裂所導致的應力重分布規(guī)律，探討在什么樣的條件下，局部破裂所激發(fā)的彈性波可作為一種臨震前兆現(xiàn)象。(3) 研究一種根據(jù)實測波動過程進行破裂區(qū)定位的方法。 取得了如下成果：(1) 分析了半平面形斷層由于斷層面上弱聯(lián)結的破裂所激發(fā)的彈性波，得到這一問題的短時精確解。（2）得到了橫觀各向同性體半平面剪切斷層瞬態(tài)擴展問題的精確解。（3）建立了斷層的隨機模型，提出了隨機動態(tài)斷裂的分析方法。（4）通過有限元數(shù)值模擬，揭示了彈性波在時空域中的分布規(guī)律。（5）提出了一種利用單一測點的彈性波時域信號直接識別破裂位置、方向和大小的方法。 理論分析和數(shù)值結果顯示，斷層局部破裂會激發(fā)三維彈性波，可以作為臨震前兆現(xiàn)象。但彈性波的空間傳播具有局部特性，只有在斷層附近的特定地表范圍才能被儀器所測量。 2100433B

研究斷層局部破裂時所激發(fā)的三維彈性波現(xiàn)象。通過研究，確定彈性波在時空域中的分布規(guī)律，探討在什么樣的條件下，這種彈性波能為現(xiàn)有觀測技術所測量。分析斷層局部破裂所導致的應力重分布規(guī)律，探討局部破裂和斷層整體失穩(wěn)之間的關系，從而解決在什么樣的條件下，局部破裂所激發(fā)的彈性波能作為一種臨震前兆現(xiàn)象。在此基礎上，研究一種根據(jù)實測波動過程進行破裂區(qū)定位的方法。這一研究對于認識斷層內部的物理活動環(huán)境有重要意義，是地震發(fā)生前進行臨震預測的物理基礎。

利用聲發(fā)射前兆現(xiàn)象預報巖石破裂是近些年巖石力學領域的熱點問題，但由于聲發(fā)射前兆現(xiàn)象復雜多變的顯現(xiàn)形式，這一問題仍舊沒有得到很好的解決。本項目從“巖石破裂的實質是微裂紋萌生、擴展直至形成宏觀裂紋的過程”這一學術觀點出發(fā)，首先，通過室內實驗研究巖石破裂的聲發(fā)射前兆現(xiàn)象，結合矩張量分析、地球物理學理論、掃描電子顯微鏡以及數(shù)字圖像處理技術建立聲發(fā)射數(shù)據(jù)與裂紋幾何參數(shù)間的函數(shù)關系。然后，結合損傷本構關系計算并不斷修正數(shù)值模型直至模擬的損傷過程可以再現(xiàn)巖石內部裂紋的發(fā)展過程?；诖罅康穆暟l(fā)射實測數(shù)據(jù)及損傷模擬結果，建立聲發(fā)射參數(shù)及損傷變量間的統(tǒng)計關聯(lián)性，進而利用損傷力學理論揭示聲發(fā)射前兆現(xiàn)象的顯現(xiàn)機理。最后，基于實際工況建立數(shù)值模型，結合聲發(fā)射參數(shù)與損傷變量間的關系，通過模擬實際工況的損傷場對裂紋及監(jiān)測數(shù)據(jù)的發(fā)展趨勢進行預測，幫助提高巖石破壞預報結果的準確率。 2100433B