武漢巖土所深部開挖誘發斷層滑移機理研究取得進展

2020-11-22 中國巖土網

深部能源開採及地下工程（如隧道、巷道等）開挖過程中，圍巖應力場擾動誘發工程區臨近斷層/結構面失穩滑動，從而導致誘發地震或結構面巖爆的情況屢有發生。研究地下工程開挖誘發斷層滑動地震機理一方面有益於該類型突發災害的預測及防控，另一面能夠驗證實驗室觀測到的地震模式、並建立實驗室地震與自然界地震之間的聯繫。

伴隨著國家「深地」戰略目標的實施，我國深部巖石工程越來越多，同時面臨更為複雜的地質環境和一系列工程災害風險。深部能源開採及地下工程（如隧道、巷道等）開挖過程中，圍巖應力場擾動誘發工程區臨近斷層/結構面失穩滑動，從而導致誘發地震或結構面巖爆的情況屢有發生。研究地下工程開挖誘發斷層滑動地震機理一方面有益於該類型突發災害的預測及防控，另一面能夠驗證實驗室觀測到的地震模式、並建立實驗室地震與自然界地震之間的聯繫。

斷層滑動存在準靜態穩定滑動（quasi-static slip）、動態失穩滑動（dynamic slip）、粘結-滑動（stick-slip, 一般稱為粘滑）等幾種滑動模式。其中，地下工程開挖誘發滑動較多呈現出粘滑特徵，現場觀測表現為間斷性的、頻發的微震事件，它與開挖導致的斷層面應力分布的非均勻性和斷層面自身的複雜結構密切相關。穩定滑動或粘滑在一定條件下可能會演化為失穩滑動。目前，地下工程開挖誘發斷層動態滑動形成機理及臨界條件研究尚不充分。

本研究採用斷層滑移弱化摩擦模型，通過數值方法研究了斷層滑動長度、滑動位移及摩擦應力隨斷層空間位置、力學參數及應力場的演化規律，並通過理論方法研究了無量綱化斷層滑動長度的表達方法。研究結果表明臨近斷層動態失穩滑動之前，一般存在準靜態穩定滑動和有限失穩滑動（arrested slip，斷層失穩滑動有限長度後再次穩定）兩種滑動模式，有限失穩滑動的原因在於地下工程開挖引起的斷層面上應力分布不均勻，斷層面臨近開挖區因法向應力較小易於滑動，而遠離開挖區局部位置可能會出現法向應力集中從而捕獲斷層失穩擴展。其次，通過斷層滑動位移、摩擦應力分布及圍巖應變能變化，採用能量方法研究了有限失穩滑動釋放的能量。斷層滑移弱化模型中的臨界滑移弱化距離參數非常重要，該參數的降低能夠顯著降低有限失穩滑動及動態失穩滑動的臨界應力，並減小動態失穩滑動地震輻射能量。論文研究結果對揭示斷層失穩滑動機理及評估地震輻射能量具有一定參考作用。

本研究得到國家自然科學基金(No.U1765108,U1806226)、國家重點基礎研究發展計劃(2015CB057906)、中科院青年創新促進會及巖土力學與工程國家重點實驗室開放基金(No.Z018003)的資助，相關成果發表於著名地學期刊《Journal of Geophysical Research: Solid Earth》，第一作者為武漢巖土所楊建平研究員，通訊作者為楊建平研究員和澳大利亞聯邦科學院張浠教授。

圖1  不同位置(d/a)無量綱化斷層滑動長度與應力關係（斷層傾角= 35°)

圖2  斷層動態失穩滑動臨界應力比相圖

圖3  斷層動態失穩滑動不同能量演化過程


論文題目：Energy Budget and Fast Rupture on a Near-Excavation Fault: Implications for Mitigating Induced Seismicity

原文連結：https://doi.org/10.1029/2020JB019360




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