基于数字图像相关方法的地震断层动态破裂的实验研究

The initiation and propagation process of dynamic fault rupture is an essential and difficult issue on earthquake source dynamics. Laboratory material test is a widely used means of the dynamic rupture research on earthquake fault. Previously, because of the many experimental technique restrictions in laboratory on the dynamic rupture research of earthquake fault, the experimental materials were usually employing transparent and photoelastic polymers for investigating the dynamic rupture phenomena. However, the lack of experiments on rock samples limits the ability to understand the dynamic rupture phenomena as well as effectively figure out the main control factor of rupture velocity and the occurrence of the supershear rupture in nature field. Therefore, this research will attempt to develop an experimental method to investigate the dynamic rupture behavior of crustal rock samples using digital image correlation (DIC) method..The dynamic rupture process of rock faults can be recorded by ultra-high speed photography system. The variation of rupture velocity, rupture energy and other important fracture parameters in the dynamic rupture process will be determined from a coupling technique of DIC method and dynamic fracture mechanics theory. Then the influence of rock strength, loading rate and compression stress on rupture velocity of strike-slip faults are investigated. And the major influence factor of the rupture velocity, the occurrence conditions for supershear rupture and the mechanism of dynamic fault rupture will be explored. The research results will establish a milestone and cornerstone on earthquake supershear rupture of crustal rock faults and facilitated the development of the earthquake rupture mechanism.

地震断层动态破裂的发生和发展过程是地震震源动力学的关注重点与研究难点。实验室实验测试是研究地震断层动态破裂的重要手段。然而，受实验技术的诸多限制，至今多采用透明或光弹性高聚物等材料模拟，致使难以很好刻画天然地震断层动态破裂现象，并不能有效地定义断层破裂速度的主要影响因素及超剪切破裂的发生条件。本项目拟基于超高速摄影技术和数字图像相关方法，突破过去实验技术之障碍，发展岩石材料断层动态破裂的实验方法，研究地震断层动态破裂行为。通过超高速摄影系统记录动态破裂过程，并结合数字图像相关方法与动态断裂力学理论，确定断层动态破裂过程中破裂速度和破裂能等参量变化。进而以走滑断层为例，研究岩石强度、加载速率和静态预压应力水平的变化对动态破裂的影响，讨论影响断层破裂速度的主要因素及出现超剪切破裂的条件，探索断层动态破裂的机理，为地震断层超剪切破裂研究奠定基础，促进地震震源破裂机理研究的发展。

地震的发生是由于地壳中裂纹（断层）在合适的条件下由稳态扩展逐渐发展到动态失稳扩展的结果，地震断层动态破裂被认为是地震发生的主要机制之一，而断层破裂扩展速度是地震断层破裂的关键参数，在一定条件下甚至可能达到或超过剪切波速而发生与强震相关的超剪切破裂现象。为研究地震断层动态破裂的影响因素及破裂机理，本项目基于数字图像相关技术为主的现代实验力学方法，并结合动态断裂力学理论分析，研究了岩石材料断层在不同加载率、预应力下的动态破裂问题，探索断层动态破裂的物理机制。本项目研究的主要成果有：1）基于数字图像相关技术，结合霍普金森压杆、真三轴试验机等不同速率加载系统，发展了不同加载速率和预应力下的地震断层动态破裂的实验方法；2）结合动态断裂力学理论和实验结果，获得并修正了剪切及混合型断裂下，裂纹扩展速度、断层滑动速度以及应力强度因子等参数；3）采用超高速摄影系统和霍普金森压杆冲击系统，开展了不同加载率条件下岩石断层的动态破裂行为研究，获得了不同加载率下岩石破坏的强度特征、破坏模式、断层面附近最大运动速度与断层面滑动速度、断层破裂速度等；4）研究了动静联合荷载作用下岩石动态破裂行为，分析了预应力和加载速度对岩石动态破裂行为的影响，验证了加载率效应和预应力对破裂扩展的抑制作用；5）建立了断层破裂韧性与预应力间的半解析关系，分析了预应力对破裂的影响，并初步分析探讨了地震断层动态破裂的物理机制。本项目研究成果为地震断层超剪切破裂研究奠定基础，对于地震震源破裂机理研究具体重要意义。