鎖固段是主控構(gòu)造地震產(chǎn)生的地質(zhì)結(jié)構(gòu),研究其損傷過程中的能量轉(zhuǎn)化與分配原理,可加深對其損傷行為和能量演化機制的理解.基于能量守恒原理,闡明了受載鎖固段內(nèi)裂紋擴展時儲存彈性應(yīng)變能的轉(zhuǎn)化與分配關(guān)系,提出了鎖固段破裂事件的地震波輻射能計算公式.據(jù)此,在孕震斷層多鎖固段脆性破裂理論框架下,推導(dǎo)了主震判識的震級準則,論證了鎖固段累積Benioff應(yīng)變比與剪切應(yīng)變比的等效性,提出了鎖固段破裂事件的震源參數(shù)計算方法.實例分析表明,該方法可靠.該研究成果在主震判識、震源參數(shù)估算與復(fù)核等方面具有良好的應(yīng)用前景. 

【文章來源】：東北大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版). 2020,41(07)北大核心EICSCD

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【部分圖文】：

伊斯蘭堡—加德滿都地震區(qū)地震構(gòu)造圖

當鎖固段承受的荷載超過裂紋起裂點時，其內(nèi)部已存裂紋開始擴展且能產(chǎn)生新裂紋．在彈性應(yīng)變能的驅(qū)動下，伴隨著鎖固段內(nèi)部的裂紋擴展(此時有應(yīng)力降產(chǎn)生)，儲存彈性應(yīng)變能的一部分將轉(zhuǎn)化為耗散能，即地震能，主要包括表面能、摩擦熱能與地震波輻射能，剩余部分仍以彈性應(yīng)變能形式留存在鎖固段內(nèi)(圖1)．隨著每次已存裂紋的擴展或新裂紋的生成，其所需的部分彈性應(yīng)變能也將轉(zhuǎn)換為耗散能，導(dǎo)致總耗散能逐漸增加．由此可見，耗散能是部分彈性應(yīng)變能轉(zhuǎn)化的結(jié)果，即耗散能由彈性應(yīng)變能提供，彈性應(yīng)變能是導(dǎo)致鎖固段損傷斷裂的根源．根據(jù)Griffith理論[19]的核心思想———能量平衡思想，當裂紋擴展驅(qū)動力等于裂紋擴展阻力時，裂紋擴展將終止．每次裂紋的擴展過程對應(yīng)著一次地震的產(chǎn)生過程．由上述分析知，裂紋擴展驅(qū)動力由儲存在鎖固段中的彈性應(yīng)變能提供，而裂紋擴展阻力主要源自裂紋擴展過程中的摩擦熱能和形成新表面的表面能．如圖1所示，當鎖固段被加載至點C，裂紋開始擴展時，伴隨有應(yīng)力降產(chǎn)生，這相當于沿路徑CA卸載．隨裂紋擴展，阻力隨之增大，相應(yīng)地用于驅(qū)動裂紋擴展的彈性應(yīng)變能減小，因此當卸載至點B時，阻力與驅(qū)動力達到平衡，裂紋停止擴展，同時應(yīng)力降產(chǎn)生過程完成．由此可見，從裂紋開始擴展到停止，是自發(fā)的能量平衡過程，即裂紋擴展前儲存在鎖固段中的彈性應(yīng)變能密度(三角形面積SACE)=裂紋擴展后留存在鎖固段中的彈性應(yīng)變能密度(三角形面積SABF)+耗散能密度(梯形面積SBCEF，由儲存的彈性應(yīng)變能轉(zhuǎn)換而成)，其中:耗散能密度(梯形面積SBCEF)=地震波輻射能密度(三角形面積SBCD)+表面能密度與摩擦熱能密度之和(矩形面積SBDEF)．因此，在一次裂紋擴展過程中，鎖固段內(nèi)減少的彈性應(yīng)變能全部轉(zhuǎn)化為耗散能，應(yīng)力降大小決定了耗散能中地震波輻射能的占比，該過程遵循著能量守恒原理．以單鎖固段為例，在其峰值強度點前處于宏觀加載狀態(tài)，對應(yīng)著能量積累階段;而在峰后階段(含峰值強度點)處于宏觀卸載狀態(tài)，對應(yīng)著能量釋放階段．顯然，鎖固段峰前積累的彈性應(yīng)變能與峰后可釋放的彈性應(yīng)變能守恒．

圖2 伊斯蘭堡—加德滿都地震區(qū)地震構(gòu)造圖1950年8月15日至今，伊斯蘭堡-加德滿都地震區(qū)發(fā)生的不小于Mv的地震，均為當前地震周期第5鎖固段破裂事件．參照不同學(xué)者給出的1950年8月15日中國西藏察隅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日尼泊爾廓爾喀MW7.8地震和2015年5月12日尼泊爾科達里MW7.3地震最大滑動量反演結(jié)果，可擬合鎖固段破裂最大滑動量(D)與震級(MW)關(guān)系[20]．從圖4可看出，線性擬合結(jié)果良好，且斜率與式(29)的理論結(jié)果一致，驗證了該式的合理性．可以預(yù)料，式(29)在估算與復(fù)核震級、應(yīng)力降與滑移量等震源參數(shù)方面具有良好的應(yīng)用前景．

【參考文獻】：
期刊論文
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