锁固段损伤过程中的能量转化与分配原理 全文替换
发布时间：2021-08-19 15:32
锁固段是主控构造地震产生的地质结构,研究其损伤过程中的能量转化与分配原理,可加深对其损伤行为和能量演化机制的理解.基于能量守恒原理,阐明了受载锁固段内裂纹扩展时储存弹性应变能的转化与分配关系,提出了锁固段破裂事件的地震波辐射能计算公式.据此,在孕震断层多锁固段脆性破裂理论框架下,推导了主震判识的震级准则,论证了锁固段累积Benioff应变比与剪切应变比的等效性,提出了锁固段破裂事件的震源参数计算方法.实例分析表明,该方法可靠.该研究成果在主震判识、震源参数估算与复核等方面具有良好的应用前景.
【文章来源】：东北大学学报(自然科学版). 2020,41(07)北大核心EICSCD
【文章页数】：7 页
【部分图文】：
伊斯兰堡—加德满都地震区地震构造图
当锁固段承受的荷载超过裂纹起裂点时，其内部已存裂纹开始扩展且能产生新裂纹．在弹性应变能的驱动下，伴随着锁固段内部的裂纹扩展(此时有应力降产生)，储存弹性应变能的一部分将转化为耗散能，即地震能，主要包括表面能、摩擦热能与地震波辐射能，剩余部分仍以弹性应变能形式留存在锁固段内(图1)．随着每次已存裂纹的扩展或新裂纹的生成，其所需的部分弹性应变能也将转换为耗散能，导致总耗散能逐渐增加．由此可见，耗散能是部分弹性应变能转化的结果，即耗散能由弹性应变能提供，弹性应变能是导致锁固段损伤断裂的根源．根据Griffith理论[19]的核心思想———能量平衡思想，当裂纹扩展驱动力等于裂纹扩展阻力时，裂纹扩展将终止．每次裂纹的扩展过程对应着一次地震的产生过程．由上述分析知，裂纹扩展驱动力由储存在锁固段中的弹性应变能提供，而裂纹扩展阻力主要源自裂纹扩展过程中的摩擦热能和形成新表面的表面能．如图1所示，当锁固段被加载至点C，裂纹开始扩展时，伴随有应力降产生，这相当于沿路径CA卸载．随裂纹扩展，阻力随之增大，相应地用于驱动裂纹扩展的弹性应变能减小，因此当卸载至点B时，阻力与驱动力达到平衡，裂纹停止扩展，同时应力降产生过程完成．由此可见，从裂纹开始扩展到停止，是自发的能量平衡过程，即裂纹扩展前储存在锁固段中的弹性应变能密度(三角形面积SACE)=裂纹扩展后留存在锁固段中的弹性应变能密度(三角形面积SABF)+耗散能密度(梯形面积SBCEF，由储存的弹性应变能转换而成)，其中:耗散能密度(梯形面积SBCEF)=地震波辐射能密度(三角形面积SBCD)+表面能密度与摩擦热能密度之和(矩形面积SBDEF)．因此，在一次裂纹扩展过程中，锁固段内减少的弹性应变能全部转化为耗散能，应力降大小决定了耗散能中地震波辐射能的占比，该过程遵循着能量守恒原理．以单锁固段为例，在其峰值强度点前处于宏观加载状态，对应着能量积累阶段;而在峰后阶段(含峰值强度点)处于宏观卸载状态，对应着能量释放阶段．显然，锁固段峰前积累的弹性应变能与峰后可释放的弹性应变能守恒．
图2 伊斯兰堡—加德满都地震区地震构造图1950年8月15日至今，伊斯兰堡-加德满都地震区发生的不小于Mv的地震，均为当前地震周期第5锁固段破裂事件．参照不同学者给出的1950年8月15日中国西藏察隅MW8.6地震、2005年10月8日巴基斯坦穆扎法拉巴德MW7.6地震、2015年4月25日尼泊尔廓尔喀MW7.8地震和2015年5月12日尼泊尔科达里MW7.3地震最大滑动量反演结果，可拟合锁固段破裂最大滑动量(D)与震级(MW)关系[20]．从图4可看出，线性拟合结果良好，且斜率与式(29)的理论结果一致，验证了该式的合理性．可以预料，式(29)在估算与复核震级、应力降与滑移量等震源参数方面具有良好的应用前景．
【参考文献】：
期刊论文
[1]2017年伊拉克MW7.3地震的类型界定及其震后趋势分析[J]. 杨百存,秦四清,薛雷,张珂. 地球物理学报. 2018 (02)
[2]环太平洋、大洋海岭与大陆裂谷地震带主要地震区主震事件判识[J]. 秦四清,李培,杨百存,薛雷,吴晓娲. 地球物理学进展. 2016(02)
[3]欧亚地震带主要地震区主震事件判识[J]. 秦四清,杨百存,薛雷,李培,吴晓娲. 地球物理学进展. 2016(02)
[4]中国大陆某些地震区主震事件判识（Ⅱ）[J]. 秦四清,杨百存,吴晓娲,薛雷,李培. 地球物理学进展. 2016(01)
[5]台湾海峡地震区大震预测[J]. 秦四清,杨百存,薛雷,李培,吴晓娲. 地球物理学进展. 2015(05)
[6]孕震断层的多锁固段脆性破裂机制与地震预测新方法的探索[J]. 秦四清,徐锡伟,胡平,王媛媛,黄鑫,泮晓华. 地球物理学报. 2010(04)
本文编号：3351669
【文章来源】：东北大学学报(自然科学版). 2020,41(07)北大核心EICSCD
【文章页数】：7 页
【部分图文】：
伊斯兰堡—加德满都地震区地震构造图
当锁固段承受的荷载超过裂纹起裂点时，其内部已存裂纹开始扩展且能产生新裂纹．在弹性应变能的驱动下，伴随着锁固段内部的裂纹扩展(此时有应力降产生)，储存弹性应变能的一部分将转化为耗散能，即地震能，主要包括表面能、摩擦热能与地震波辐射能，剩余部分仍以弹性应变能形式留存在锁固段内(图1)．随着每次已存裂纹的扩展或新裂纹的生成，其所需的部分弹性应变能也将转换为耗散能，导致总耗散能逐渐增加．由此可见，耗散能是部分弹性应变能转化的结果，即耗散能由弹性应变能提供，弹性应变能是导致锁固段损伤断裂的根源．根据Griffith理论[19]的核心思想———能量平衡思想，当裂纹扩展驱动力等于裂纹扩展阻力时，裂纹扩展将终止．每次裂纹的扩展过程对应着一次地震的产生过程．由上述分析知，裂纹扩展驱动力由储存在锁固段中的弹性应变能提供，而裂纹扩展阻力主要源自裂纹扩展过程中的摩擦热能和形成新表面的表面能．如图1所示，当锁固段被加载至点C，裂纹开始扩展时，伴随有应力降产生，这相当于沿路径CA卸载．随裂纹扩展，阻力随之增大，相应地用于驱动裂纹扩展的弹性应变能减小，因此当卸载至点B时，阻力与驱动力达到平衡，裂纹停止扩展，同时应力降产生过程完成．由此可见，从裂纹开始扩展到停止，是自发的能量平衡过程，即裂纹扩展前储存在锁固段中的弹性应变能密度(三角形面积SACE)=裂纹扩展后留存在锁固段中的弹性应变能密度(三角形面积SABF)+耗散能密度(梯形面积SBCEF，由储存的弹性应变能转换而成)，其中:耗散能密度(梯形面积SBCEF)=地震波辐射能密度(三角形面积SBCD)+表面能密度与摩擦热能密度之和(矩形面积SBDEF)．因此，在一次裂纹扩展过程中，锁固段内减少的弹性应变能全部转化为耗散能，应力降大小决定了耗散能中地震波辐射能的占比，该过程遵循着能量守恒原理．以单锁固段为例，在其峰值强度点前处于宏观加载状态，对应着能量积累阶段;而在峰后阶段(含峰值强度点)处于宏观卸载状态，对应着能量释放阶段．显然，锁固段峰前积累的弹性应变能与峰后可释放的弹性应变能守恒．
图2 伊斯兰堡—加德满都地震区地震构造图1950年8月15日至今，伊斯兰堡-加德满都地震区发生的不小于Mv的地震，均为当前地震周期第5锁固段破裂事件．参照不同学者给出的1950年8月15日中国西藏察隅MW8.6地震、2005年10月8日巴基斯坦穆扎法拉巴德MW7.6地震、2015年4月25日尼泊尔廓尔喀MW7.8地震和2015年5月12日尼泊尔科达里MW7.3地震最大滑动量反演结果，可拟合锁固段破裂最大滑动量(D)与震级(MW)关系[20]．从图4可看出，线性拟合结果良好，且斜率与式(29)的理论结果一致，验证了该式的合理性．可以预料，式(29)在估算与复核震级、应力降与滑移量等震源参数方面具有良好的应用前景．
【参考文献】：
期刊论文
[1]2017年伊拉克MW7.3地震的类型界定及其震后趋势分析[J]. 杨百存,秦四清,薛雷,张珂. 地球物理学报. 2018 (02)
[2]环太平洋、大洋海岭与大陆裂谷地震带主要地震区主震事件判识[J]. 秦四清,李培,杨百存,薛雷,吴晓娲. 地球物理学进展. 2016(02)
[3]欧亚地震带主要地震区主震事件判识[J]. 秦四清,杨百存,薛雷,李培,吴晓娲. 地球物理学进展. 2016(02)
[4]中国大陆某些地震区主震事件判识（Ⅱ）[J]. 秦四清,杨百存,吴晓娲,薛雷,李培. 地球物理学进展. 2016(01)
[5]台湾海峡地震区大震预测[J]. 秦四清,杨百存,薛雷,李培,吴晓娲. 地球物理学进展. 2015(05)
[6]孕震断层的多锁固段脆性破裂机制与地震预测新方法的探索[J]. 秦四清,徐锡伟,胡平,王媛媛,黄鑫,泮晓华. 地球物理学报. 2010(04)
本文编号：3351669
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