地殼淺表層巖體中含有大量不同尺度的非連續結構面，如斷層、節理等。在長期複雜的地質作用下，斷層、節理等通常被斷層泥、石英砂等散體材料充填，形成充填結構面。巖體工程地質力學研究發現，充填結構面作為巖體中的軟弱界面對地震應力波的傳播和巖體的穩定性具有重要影響。實際地震監測資料揭示地震應力波傳播到近震斷層時其能量顯著衰減，同時可使近震斷層發生動態弱化，誘發二次地震。前人提出聲致流化理論（acoustic fluidization）來解釋近震斷層的動態弱化過程，指出當地震應力波的頻率接近於斷層的自振頻率時，充填物質內部可產生共振聲壓，斷層的有效法向應力降低，充填物質從固態轉化為流態，斷層的變形模量（剛度）和剪切強度迅速降低，同時該過程又反饋影響地震應力波的傳播。然而，聲致流化效應是否近震斷層動態弱化的唯一原因，至今仍有疑問。
中國科學院地質與地球物理研究所頁巖氣與地質工程重點實驗室工程地質動力學學科組博士後黃曉林所在的祁生文研究團隊，從巖體工程地質力學角度出發，對充填結構面的動態弱化過程及其對應力波傳播的反饋影響規律開展了深入系統的研究。
首先，他們設計了充填結構面壓縮變形試驗，發現當壓縮應力從0逐漸升高時，充填顆粒逐漸被壓密，其形貌保持不變（如圖1a），此時充填結構面發生初始應變硬化變形，其剛度非線性增加；當壓縮應力超過臨界值時，充填顆粒被壓碎細粒化，且隨著壓縮應力的增加破碎顆粒數量逐漸增多（如圖1b-圖1d），此時充填結構面發生應變軟化變形，其剛度非線性減小；當壓縮應力超過一定值時，隨著壓縮應力繼續增加，破碎顆粒的數量基本不變（如圖1e-圖1f），此時充填結構面發生二次應變硬化變形，其剛度再次非線性增加。
然後，他們對充填結構面的壓縮變形過程進行定量刻畫，發現前人提出的基於單調雙曲函數的Bandis-Barton（B-B）模型只能刻畫充填結構面的初始應變硬化變形過程。為刻畫充填結構發生初始應變硬化—應變軟化—二次應變硬化三階段的壓縮變形過程，建立了基於分段雙曲函數的修正Bandis-Barton（MB-B）模型，通過擬合試驗數據發現該模型具有較好的刻畫效果。
最後，他們基於建立的本構模型提出了壓縮應力波與充填結構面耦合互饋作用理論模型，並結合充填結構面動力響應分離式霍普金森壓杆（SHPB）試驗進行深入分析，發現壓縮應力波通過充填結構面的透射係數並不隨應力波幅值（PPV）增大而單調增加，而是在PPV超過3 m/s後透射係數急劇減小（如圖2），該異常現象與結構面剛度急劇降低密切相關，因而從側面反映了充填結構面發生了動態弱化，究其原因是充填顆粒被壓碎發生了應變軟化變形。通過對比SHPB試驗結果和理論預測結果表明，MB-B模型較B-B模型能更好地刻畫壓縮應力波作用下充填結構面的動態弱化過程及其對應力波傳播的反饋影響規律。
通過以上研究，他們發現除聲致流化作用外，充填顆粒的壓碎變形效應也能引起充填結構面的動態弱化，並給出了定量刻畫模型，從巖體工程地質力學的全新角度豐富了對近震斷層動態弱化過程和機理的認識。
研究成果發表於Journal of Geophysical Research: Solid Earth。
論文信息：Huang X, Qi S, Xia K, et al. Particle crushing of a filled fracture during compression and its effect on stress wave propagation[J]. Journal of Geophysical Research: Solid Earth, 2018,123:5559–5587. DOI: 10.1029/2018JB016001。
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圖1 不同壓縮應力作用後充填顆粒的形貌變化。(a) 20 MPa；(b) 30 MPa；(c) 40 MPa；(d) 50 MPa；(e) 60 MPa；(f) 80 MPa
圖2 SHPB試驗得到的壓縮應力波通過充填結構面後透射係數隨應力波幅值（PPV：峰值質點速度）的變化規律，以及分別根據B-B模型和MB-B模型的預測結果