[논문 리뷰] A Model for Athermal Strain Localization in Dry Sheared Fault Gouge

Xiao Ma, Ahmed Elbanna|arXiv (Cornell University)|2017. 01. 11.

earthquake and tectonic studies참고 문헌 62인용 수 3

한 줄 요약

이 논문은 건조하고 비틀림으로 가공된 고장 퇱에 대한 비열역학적 변형 국부화를 시뮬레이션하기 위해 절점 변형 영역(STZ) 이론을 활용한 물리 기반 연속체 모델을 제시한다. 모델은 높은 비압력, 낮은 팽창성 및 느슨한 初기 조건이 연성 파손대 형성에 유리하며, 반대로 낮은 압력, 높은 하중 속도 및 높은 팽창성은 심한 강도 감소를 동반한 연약한 파손을 유도함을 보여준다.

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.

연구 동기 및 목표

• 건조하고 비틀림으로 가공된 고장 퇱에서 변형 국부화의 역학을 기술하는 연속체 척도 모델을 개발하는 것.
• 비압력, 하중 속도 및 초기 밀도의 변화가 연성에서 연약한 거동로의 전이에 미치는 영향을 이해하는 것.
• STZ 이론에 기반한 미세구조 입자 운동을 매크로스케일 고장대 유변학 및 강도 변화에 연결하는 것.
• 지진 기간 동안 고장대 불안정성과 에너지 분배를 예측할 수 있는 프레임워크를 제공하는 것.
• 실험 관측과 물리 기반 다중스케일 고장역학 모델 간 격차를 메우는 것.

제안 방법

• 모델는 비균형 통계역학 프레임워크인 절점 변형 영역(STZ) 이론에 기반하며, 비정질 재료의 점성플라스틱 변형을 기술한다.
• 유한 변형 수치 계산 프레임워크를 사용하여 다양한 경계 조건 하에서 변형 국부화의 진화를 시뮬레이션한다.
• 입자 척도의 플라스틱 변형은 국부적 파손대 형성과 성장을 지배하는 STZ 활성화를 통해 모델링된다.
• 팽창성 효과 및 초깃밀도 변화를 포함하여 재료 상태가 변형 방식에 미치는 영향을 포괄한다.
• 비압력, 변형률 속도 및 초기 다공도와 같은 하중 조건을 체계적으로 변화시켜 파손 거동에 미치는 영향을 평가한다.
• 수치 시뮬레이션은 복잡한 파손대 패턴의 발달을 추적하고 국부화 기간 동안의 강도 감소를 정량화한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 비압력은 건조한 고장 퇱에서 연성에서 연약한 변형 국부화로의 전이에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ2 초기 밀도와 팽창성은 비틀림 국부화 기간 동안 변형 방식(연성 대 연약성)을 결정하는 데 어떤 역할을 하는가?
• RQ3 하중 속도는 입자 고장 퇱에서 변형 국부화 기간 동안 강도 감소의 크기에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ4 STZ 기반 연속체 모델링은 실험 및 현장 조건에서 관측된 파손대 패턴을 어느 정도 재현할 수 있는가?
• RQ5 이러한 변형 방식은 지진 기간 동안 에너지 분배 및 고장대 유변학에 어떤 함의를 지닌다?

주요 결과

• 모델은 실험 및 자연 고장대 관측 결과와 일치하는 복잡한 파손대 패턴을 재현한다.
• 높은 비압력은 국부적 변형이 더 넓은 영역에 분포하는 더 연성적인 반응을 유도한다.
• 낮은 비압력과 높은 하중 속도는 날카로운 강도 감소를 동반한 국부적이고 연약한 파손을 촉진한다.
• 초기 팽창성이 증가할수록 연약한 파손의 가능성과 국부화 기간 동안의 강도 감소가 증가한다.
• 느슨한 초깃 상태는 연성 변형을 유도하지만, 더 조밀한 초깃 상태는 더 이른 시점과 더 강한 국부화를 유도한다.
• 모델은 강도 변화가 비압력, 변형률 속도 및 재료 상태(밀도 및 팽창성) 간의 상호작용에 의해 강하게 지배됨을 보여준다.