[論文レビュー] A Model for Athermal Strain Localization in Dry Sheared Fault Gouge

Xiao Ma, Ahmed Elbanna|arXiv (Cornell University)|Jan 11, 2017

earthquake and tectonic studies参考文献 62被引用数 3

ひとこと要約

本稿では、乾燥したせん断応力下の断層ゴージュにおける熱的でないひずみ局在化をシミュレートするために、剪断変形ゾーン（STZ）理論を用いた物理的連続体モデルを提示する。モデルは、高い垂直圧力、低い体積変化率、およびゆるい初期状態が延性のせん断帯形成を促進するのに対し、低い圧力、高い変形速度、および高い体積変化率は、顕著な強度低下を伴う破壊的破壊を引き起こすことを示している。

ABSTRACT

Shear banding is widely observed in natural fault zones as well as in gouge layers in laboratory experiments. Understanding the dynamics of strain localization under different loading conditions is essential for quantifying strength evolution of fault gouge, energy partitioning during earthquakes and characterizing rheological transitions and fault zone structure changes. To that end, we develop a physics-based continuum model for strain localization in sheared granular materials. The grain-scale dynamics is described by the Shear Transformation Zone (STZ) theory, a non-equilibrium statistical thermodynamic framework for viscoplastic deformation in amorphous materials. Using a finite strain computational framework, we investigate the initiation and growth of complex shear bands under a variety of loading conditions and identify implication for strength evolution and ductile to brittle transition. Our numerical results show similar localization patterns to field and lab observations and suggest that shear zones show more ductile response at higher confining pressures, lower dilatancy and loose initial conditions. Lower pressures, higher loading rates and higher dilatancy favor a brittle response and larger strength drops. These findings shed light on a range of mechanisms for strength evolution in dry sheared gouge and provide a critical input to physics-based multiscale models of fault zone instabilities.

研究の動機と目的

• 乾燥したせん断応力下の断層ゴージュにおけるひずみ局在化のダイナミクスを捉える連続体スケールのモデルを開発すること。
• 垂直圧力、変形速度、初期密度の変化が延性から破壊的挙動への遷移に与える影響を理解すること。
• STZ理論による微視的粒子のダイナミクスを、マクロスケールの断層帯の流れ応力および強度の変化に結びつけること。
• 地震中の断層帯の不安定性およびエネルギー分配を予測可能なフレームワークを提供すること。
• 実験的観察と物理的マルチスケールモデルの間のギャップを埋めること。

提案手法

• モデルは、非平衡統計熱力学的枠組みとしての剪断変形ゾーン（STZ）理論に裏打ちされており、非晶質材料における粘塑性変形を記述する。
• 有限ひずみの計算フレームワークを用いて、さまざまな境界条件下でのひずみ局在化の進化をシミュレートする。
• 粒子スケールの塑性変形はSTZの活性化によってモデル化され、局所的なせん断帯の核形成および成長を支配する。
• 体積変化効果および初期密度の変動を組み込むことで、材料状態が変形モードに与える影響を捉える。
• 垂直圧力、ひずみ速度、初期空隙率といった荷重条件を系統的に変化させ、破壊挙動への影響を評価する。
• 数値シミュレーションにより、複雑なせん断帯パターンの発展を追跡し、局在化中の強度低下を定量する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 垂直圧力は、乾燥した断層ゴージュにおける延性的から破壊的ひずみ局在化への遷移にどのように影響するか？
• RQ2 初期密度および体積変化率は、せん断局在化時の変形モード（延性対破壊的）を決定づける役割を果たすか？
• RQ3 変形速度は、粒子状断層ゴージュにおけるひずみ局在化中の強度低下の大きさにどのように影響するか？
• RQ4 STZに基づく連続体モデルは、実験的および現場設定での観察されたせん断帯パターンをどれほど正確に再現できるか？
• RQ5 これらの変形モードは、地震発生時のエネルギー分配および断層帯の流れ応力にどのような意味を持つのか？

主な発見

• モデルは、実験的観察および自然の断層帯の観察と整合する複雑なせん断帯パターンを再現している。
• 高い垂直圧力は、局在化ひずみが広範囲に分散するより延性的な応答をもたらす。
• 低い垂直圧力および高い変形速度は、鋭い強度低下を伴う局在的で破壊的挙動を促進する。
• 初期の体積変化率が高くなると、破壊的破壊の可能性が増し、局在化中の強度低下も大きくなる。
• ゆるい初期状態は延性変形を好むのに対し、密度の高い初期状態は、より早期かつより強いひずみ局在化を促進する。
• モデルは、強度の変化が垂直圧力、ひずみ速度、および材料状態（密度および体積変化率）の相乗的相互作用によって強く支配されることを示している。