Nội dung được dịch bởi AI, chỉ mang tính chất tham khảo
Âm thanh động đất của một khối trượt dọc theo đứt gãy
Tóm tắt
Sự không ổn định ma sát là cơ chế có khả năng gây ra các trận động đất nông. Để hiểu rõ hơn về hành vi của đứt gãy, chúng tôi đã tiến hành các thí nghiệm thực địa về biến dạng cắt của một mô hình đứt gãy. Nghiên cứu này tập trung vào việc phát hiện các dấu hiệu âm thanh động đất của hành vi đứt gãy. Toàn bộ phổ của các chế độ trượt đã được thực hiện trong suốt các thí nghiệm quy mô 1 mét - từ trượt ổn định đến trượt đầy đủ, và các đặc điểm âm thanh động đất của chúng đã được khảo sát. Nghiên cứu cho thấy rằng các xung động đất với tần số đặc trưng nhỏ hơn 500 Hz chỉ được phát ra trong các sự kiện trượt. Phát xạ âm (AE) được quan sát cả trong các sự kiện trượt và ở giai đoạn chuẩn bị cho chúng. Phân tích thống kê đã chỉ ra rằng sự phân bố AE thường là sự chồng chất của một phân bố theo quy luật lũy thừa cho các xung năng lượng thấp và một phân bố kiểu đỉnh cho các xung lớn nhất. Phân bố có đỉnh đặc trưng chiếm ưu thế trong chế độ trượt đều, trong khi (quasi) trượt ổn định được đặc trưng bởi phân bố theo quy luật lũy thừa trên toàn bộ dải biên độ. Cả hai phân bố - “có đỉnh” và “không có đỉnh” - đều được quan sát cho chế độ trượt không đều (các sự kiện trượt ngẫu nhiên với các biên độ khác nhau). Việc áp dụng thuật toán Grassberger-Procaccia phi tuyến vào việc phân tích chuỗi thời gian của dữ liệu AE đã cho phép xếp hạng các chế độ trượt của đứt gãy. Kích thước tương quan đã tính toán đặc trưng cho động lực học của đứt gãy. Kích thước cao nhất là đặc trưng cho trạng thái trượt ổn định. Sự giảm đi của kích thước tương quan chỉ ra một xác suất cao hơn cho các sự kiện trượt biên độ cao. Sự hình thành của các sự kiện trượt lớn nhất được quan sát trong chế độ trượt đều với kích thước tương quan nhỏ nhất.
Từ khóa
#đứt gãy #sự không ổn định ma sát #âm thanh động đất #phát xạ âm #chế độ trượt ổn địnhTài liệu tham khảo
Abarbanel, H. D., Brown, R., Sidorovich, J. J., & Tsimring, L. S. H. (1993). The analysis of observed chaotic data in physical systems. Reviews of Modern Physics,65(4), 1331–1392.
Adushkin, V. V., Kocharyan, G. G., & Ostapchuk, A. A. (2016). Parameters determining the portion of energy radiated during dynamic unloading of a section of rock massif. Doklady Earth Sciences,467, 275–279. https://doi.org/10.1134/S1028334X16030016.
Barton, N., & Choubey, V. (1977). The shear strength of rock joints in theory and practice. Rock Mechanics,10, 1–54. https://doi.org/10.1007/BF01261801.
Ben-Zion, Y. (2008). Collective behavior of earthquakes and faults: Continuum-discrete transitions, progressive evolutionary changes, and different dynamic regimes. Reviews of Geophysics,46(4), 1–70. https://doi.org/10.1029/2008RG000260.
Ben-Zion, Y. (2012). Episodic tremor and slip on a frictional interface with critical zero weakening in elastic solid. Geophysical Journal International,189, 1159–1168.
Bird, P., & Kagan, Y. Y. (2004). Plate-tectonic analysis of shallow seismicity: Apparent boundary width, beta, corner magnitude, coupled lithosphere thickness, and coupling in seven tectonic settings. Bulletin of the Seismological Society of America,94, 2380–2399.
Chelidze, T., De Rubeis, V., Matcharashvili, T., & Tosi, P. (2006). Influence of strong electromagnetic discharges on dynamics of earthquakes time distribution in the Bishkek test area (Central Asia). Annals of Geophysics,49(4/5), 961–975.
Chlieh, M., Mothes, P. A., Nocquet, J.-M., Jarrin, P., Charvis, P., Cisneros, D., et al. (2014). Distribution of discrete seismic asperities and aseismic slip along the Ecuadorian megathrust. Earth and Planetary Science Letters,400, 292–301. https://doi.org/10.1016/j.epsl.2014.05.027.
Dorostkar, O., & Carmeliet, J. (2018). Potential energy as metric for understanding stick-slip dynamics in sheared granular fault gouge: A coupled CFD–DEM study. Rock Mechanics and Rock Engineering,51, 3281–3294. https://doi.org/10.1007/s00603-018-1457-6.
Dublanchet, P., Bernard, P., & Favreau, P. (2013). Interactions and triggering in a 3-D rate-and-state asperity model. Journal of Geophysical Research: Solid Earth,118(5), 2225–2245.
Erickson, B., Birnir, B., & Lavallée, D. (2008). A model for aperiodicity in earthquakes. Nonlinear Processes in Geophysics,15, 1–12. https://doi.org/10.5194/npg-15-1-2008.
Fagereng, A., & Sibson, R. (2010). Melange rheology and seismic style. Geology,38(8), 751–754. https://doi.org/10.1130/g30868.1.
Feng, L., Hill, E. M., Elósegui, P., Qiu, Q., Hermawan, I., Banerjee, P., et al. (2015). Hunt for slow slip events along the Sumatran subduction zone in a decade of continuous GPS data. Journal of Geophysical Research-Solid Earth,120, 8623–8632. https://doi.org/10.1002/2015JB012503.
Frank, W., Shapiro, N. M., Husker, A., Kostoglodov, V., Gusev, A. A., & Campillo, M. (2016). The evolving interaction of low-frequency earthquakes during transient slip. Science Advances,2(4), e1501616. https://doi.org/10.1126/sciadv.1501616.
Grassberger, P., & Procaccia, I. (1983). Measuring the strangeness of strange attractors. Physica D: Nonlinear Phenomena,9(1–2), 189–208.
Hayman, N. W., Ducloue, L., Foco, K. L., & Daniels, K. (2011). Granular controls on periodicity of stick-slip events: Kinematics and force-chains in an experimental fault. Pure and Applied Geophysics,168(12), 2239–2257. https://doi.org/10.1007/s00024-011-0269-3.
Johnson, P. A., Ferdowsi, B., Kaproth, B. M., Scuderi, M., Griffa, M., Carmeliet, J., et al. (2013). Acoustic emission and microslip precursors to stick-slip failure in sheared granular material. Geophysical Research Letters,40, 1–5. https://doi.org/10.1002/2013GL057848.
Kocharyan, G. G., Novikov, V. A., Ostapchuk, A. A., & Pavlov, D. V. (2017a). A study of different fault slip modes governed by the gouge material composition in laboratory experiments. Geophysical Journal International,208, 521–528.
Kocharyan, G. G., Ostapchuk, A. A., & Martynov, V. S. (2017b). Alteration of fault deformation mode under fluid injection. Journal of Mining Science,53(2), 216–223. https://doi.org/10.1134/S1062739117022043.
Kocharyan, G. G., Ostapchuk, A. A., Pavlov, D. V., & Markov, V. K. (2018). The effects of weak dynamic pulses on the slip dynamics of a laboratory fault. Bulletin of the Seismological Society of America,108(5B), 2983–2992. https://doi.org/10.1785/0120170363.
Kocharyan, G. G., Ostapchuk, A. A., Pavlov, D. V., Ruzhich, V. V., Batukhtin, I. V., Vinogradov, E. A., et al. (2017c). Experimental study of different modes of block sliding along interface Part 2 Field experiments and phenomenological model of the phenomenon. Physical Mesomechanics,20(2), 193–202. https://doi.org/10.1134/s1029959917020102.
Lapusta, N., & Rice, J. R. (2003). Nucleation and early seismic propagation of small and large events in a crustal earthquake model. Journal of Geophysical Research: Solid Earth,108(B4), 2205. https://doi.org/10.1029/2001jb000793.
Leeman, J. R., Saffer, D. M., Scuderi, M. M., & Marone, C. (2016). Laboratory observations of slow earthquakes and the spectrum of tectonic fault slip modes. Nature Communications,7, 11104. https://doi.org/10.1038/ncomms11104.
Lei, X., & Ma, S. (2014). Laboratory acoustic emission study for earthquake generation process. Earthquake Science,27(6), 627–646. https://doi.org/10.1007/s11589-014-0103-y.
Mair, K., Frye, K. M., & Marone, C. (2002). Influence of grain characteristics on the friction of granular shear zones. Journal of Geophysical Research,107(B10), 2219. https://doi.org/10.1029/2001JB000516.
Marone, C. (1998). Laboratory derived friction laws and their application to seismic faulting. Annual Review of Earth and Planetary Sciences.,26, 643–696.
Morgan, J. K., & Boettcher, M. S. (1999). Numerical simulations of granular shear zones using the distinct element method: 1. Shear zone kinematics and the micromechanics of localization. Journal of Geophysical Research: Solid Earth,104(B2), 2703–2719. https://doi.org/10.1029/1998jb900056.
Nanjo, K. Z., et al. (2016). Seismicity prior to the 2016 Kumamoto earthquakes. Earth Planets Space,68, 187. https://doi.org/10.1186/s40623-016-0558-2.
Obara, K., & Kato, A. (2016). Connecting slow earthquakes to huge earthquakes. Science,353(6296), 253–257. https://doi.org/10.1126/science.aaf1512.
Ostapchuk, A. A., Pavlov, D. V., Markov, V. K., & Krasheninnikov, A. V. (2016). Study of acoustic emission signals during fracture shear deformation. Acoustical Physics,62, 505–513.
Peng, Z., & Gomberg, J. (2010). A n integrated perspective of the continuum between earthquakes and slow-slip phenomena. Nature Geoscience,3, 599–607.
Radiguet, M., Perfettini, H., Cotte, N., Gualandi, A., Valette, B., Kostoglodov, V., et al. (2016). Triggering of the 2014 Mw7.3 Papanoa earthquake by a slow slip event in Guerrero, Mexico. Nature Geoscience, 9, 829–833. https://doi.org/10.1038/ngeo2817.
Rivière, J., Lv, Z., Johnson, P. A., & Marone, C. (2018). Evolution of b-value during the seismic cycle: Insights from laboratory experiments on simulated faults. Earth and Planetary Science Letters,482, 407–413. https://doi.org/10.1016/j.epsl.2017.11.036.
Rundle, J. B., Holliday, J. R., Yoder, M., Sachs, M. K., Donnellan, A., Turcotte, D. L., et al. (2011). Earthquake precursors: activation or quiescence? Geophysical Journal International,187(1), 225–236. https://doi.org/10.1111/j.1365-246X.2011.05134.x.
Ruzhich, V. V., Chernykh, E. N., & Ponomareva, E. I. (2014). Experimental modeling of mechanisms of seismic oscilation sources in case of interactions of uneven surfaces in faults. Geodynamics and Tectonophysics,5(2), 563–576.
Sammis, C., King, G., & Biegel, R. (1987). The kinematics of gouge deformation. PAGEOPH,125(5), 777–812. https://doi.org/10.1007/BF00878033.
Scholz, C. H. (2002). The mechanics of earthquakes and faulting. Cambridge: Cambridge University Press.
Seno, T. (2003). Fractal asperities, invasion of barriers, and interplate earthquakes. Earth Planets Space,55, 649–665. https://doi.org/10.1186/BF03352472.
Sykes, L., & Seeber, L. (1985). Great earthquakes and great asperities, San Andreas fault, southern California. Geology,13(12), 835–838.
Tormann, T., Eneuscu, B., Woessner, J., & Wiemer, S. (2015). Randomness of megathrust earthquakes implied by rapid stress recovery after the Japan earthquake. Nature Geoscience. https://doi.org/10.1038/NGEO2343.
Turuntaev, S., & Razumnaya, O. (2002). An application of induced seismicity data analysis for detection of spatial structures and temporal regimes of deformation processes in hydrocarbon fields. PAGEOPH,159(1), 421–447. https://doi.org/10.1007/PL00001259.
Turuntaev, S., & Riga, V. (2018). Non-linear effects of pore pressure increase on seismic event generation in a multi-degree-of-freedom rate-and-state model of tectonic fault sliding. Nonlinear Processes in Geophysics,24(2), 215–225. https://doi.org/10.5194/npg-24-215-2017.
Turuntaev, S. B., Vorokhobina, S. V., & Mel’chaeva, O. Y. (2012). Identifying induced variations in the seismic regime by the methods of nonlinear dynamics, Izvestiya. Physics of the Solid Earth,48(3), 228–240.
Veedu, D. M., & Barbor, S. (2016). The Parkfield tremors reveal slow and fast ruptures on the same asperity. Nature,532, 361–365. https://doi.org/10.1038/nature17190.
Villegas-Lanza, J. C., Nocquet, J.-M., Rolandone, F., Vallée, M., Tavera, H., Bondoux, F., et al. (2016). A mixed seismic–aseismic stress release episode in the Andean subduction zone. Nature Geoscience,9, 150–154. https://doi.org/10.1038/NGEO2620.
Vorobieva, I., Shebalin, P., & Narteau, C. (2016). Break of slope in earthquake size distribution and creep rate along the San Andreas Fault system. Geophysical Research Letters,43, 6869–6875. https://doi.org/10.1002/2016GL069636.
Wiemer, S., & Wyss, M. (2002). Mapping spatial variability of the frequency-magnitude distribution of earthquakes. Advances in Geophysics,45, 259–302. https://doi.org/10.1016/s0065-2687(02)80007-3.
Yamanaka, Y., & Kikuchi, M. (2004). Asperity map along the subduction zone in northeastern Japan inferred from regional seismic data. Journal of Geophysical Research,109, B07307. https://doi.org/10.1029/2003JB002683.
Zigone, D., Voisin, C., Larose, E., & Renard, F. (2011). Slip acceleration generates seismic tremor like signals in friction experiments. Geophysical Research Letters,38, L01315. https://doi.org/10.1029/2010GL045603.