地震临界成核长度与断层尺度关系的实验研究

earthquake nucleation is an important theory describing the initiation of earthquake. The theory supposes that earthquakes will only occur when the rupture or slip region reaches a critical nucleation length. The nucleation process is more likely detected as the critical nucleation length gets longer. At present, it is still controversial whether the critical nucleation length is related to the fault scale. It is an effective way to solve the above-mentioned controversy by conducting experiments on samples of multiple scales in a laboratory that can control experimental conditions to obtain the relationship between the critical nucleation length and the fault scale. With the advantage of large-scale press capable of loading samples of different scales, the following studies are planned for this project: (1) to perform stick-slip tests on samples of different scales to simulate the seismic process of faults at different scales; (2) to obtain the critical nucleation lengths for unstable slips of faults in different experiment; (3) to quantitatively describe the fault inhomogeneity considering that it may be an important cause of fault scale affecting the critical nucleation length; (3) to explore the relationships among fault scale, fault inhomogeneity and critical nucleation length. The results of this study can provide evidence for the size estimation of the critical nucleation length of natural earthquake and help to deepen the understanding of the earthquake initiation process. The results also have practical application value for earthquake prevention and disaster reduction.

地震成核是描述地震如何启动的重要理论。该理论认为只有当破裂或滑动区域的扩展达到临界成核长度后地震才会发生。临界成核长度越长，成核过程越可能被探测到。目前研究对临界成核长度是否与断层尺度有关尚存争议。在条件可控的实验室对多个尺度的样品进行实验，获得失稳临界成核长度与断层尺度的关系，是解决上述争议的有效途径。利用大尺度压机可对不同尺度样品进行加载的优势，本项目拟开展以下研究：（1）对含厘米-米级断层的样品进行粘滑实验以模拟不同尺度断层的地震过程；（2）获取不同尺度断层失稳滑动的临界成核长度；（3）考虑到断层非均匀性可能是断层尺度影响临界成核长度的主要因素，对断层的非均匀性进行定量描述；（4）探索断层尺度、非均匀性与临界成核长度的关系。研究结果可为野外地震临界成核长度的大小估算提供实验室证据，有助于加深对地震启动过程的认识和理解，并对防震减灾具有实际应用价值。

地震成核是描述地震如何启动的重要理论。该理论认为只有当破裂或滑动区域的扩展达到临界成核长度后地震才会发生。临界成核长度越长，成核过程越可能被探测到。目前研究对临界成核长度是否与断层尺度有关尚存争议。在条件可控的实验室对多个尺度的样品进行实验，获得失稳临界成核长度与断层尺度的关系，是解决上述争议的有效途径。慢滑是地震成核过程中一个重要现象，野外观测发现一些地震前存在预滑现象，是地震危险性增加的重要信号，而与预滑类似的慢滑现象，反而通过能量释放降低了地震发生的可能。我们面临的问题是如何区别预滑与常规慢滑。目前在小样品上开展的粘滑实验所获得的预滑特征与野外观测到的预滑现象不一致，原因是小样品尺度较小，结构成分均一，与野外实际断层差异太大。在大尺度，非均匀性高的模拟断层上研究预滑的特征，是解决上述问题的必要途径。基于上述背景，本项目拟对含厘米-米级断层的样品进行粘滑实验以模拟不同尺度断层的地震过程，着重分析米尺度断层成核过程中的预滑特征，探索断层尺度、非均匀性与地震成核过程的关系。研究结果显示：（1）米尺度断层上的失稳破裂，并非是沿整条断层的滑动失稳，而是局部失稳。这与野外断层的破裂形式更为接近，更有利于研究地震起始与停止的物理机制。（2）米尺度断层的亚失稳持续时间和预滑量都随断层尺度成比例增加，表明野外存在可观测到成核阶段的可能。（3）米尺度断层上的预滑除了具有加速和扩展特征外，还表现为分段性以及迁移性，其本质原因是断层的非均匀性，结合这些特征有助于野外识别普通慢滑事件和前兆性慢滑事件。（4）结合应变和位移观测结果，我们可以提前确定未来震源的位置。这些结果可为野外地震临界成核长度的大小估算提供实验室证据，有助于加深对地震启动过程的认识和理解，并对防震减灾具有实际应用价值。