[论文解读] 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 3

一句话总结

本文提出一种基于物理的连续介质模型，采用剪切形变区（STZ）理论，模拟干燥剪切断层泥中的非热应变局部化。模型表明，较高的围压、较低的体积膨胀率以及较松散的初始条件会促进延性剪切带形成，而较低的围压、较高的加载速率以及较高的体积膨胀率则导致脆性破坏并伴随显著的强度下降。

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.

研究动机与目标

• 开发一种连续尺度模型，以捕捉干燥、剪切作用下断层泥中应变局部化的动力学行为。
• 理解围压、加载速率和初始密度的变化如何影响从延性到脆性行为的转变。
• 通过STZ理论将微观颗粒动力学与宏观断层带流变性质及强度演化相联系。
• 为地震过程中断层带失稳和能量分配提供预测框架。
• 弥合实验室观测与断层力学物理多尺度模型之间的差距。

提出的方法

• 该模型基于剪切形变区（STZ）理论，这是一种用于非平衡态非晶态材料粘塑性变形的非平衡统计热力学框架。
• 采用有限应变计算框架，模拟在不同边界条件下应变局部化的演化过程。
• 通过STZ激活来模拟颗粒尺度的塑性变形，控制局部剪切带的形核与扩展。
• 模型引入了体积膨胀效应和初始密度变化，以捕捉材料状态对变形模式的影响。
• 系统地改变加载条件——包括围压、应变率和初始孔隙率——以评估其对破坏行为的影响。
• 数值模拟追踪复杂剪切带图案的形成，并量化局部化过程中的强度下降。

实验结果

研究问题

• RQ1 围压在干燥断层泥中如何影响从延性到脆性应变局部化的转变？
• RQ2 初始密度和体积膨胀率在决定剪切局部化过程中变形模式（延性与脆性）方面起什么作用？
• RQ3 加载速率如何影响颗粒状断层泥中应变局部化过程的强度下降幅度？
• RQ4 基于STZ的连续介质建模在多大程度上能再现实验室和野外环境中观察到的剪切带图案？
• RQ5 这些变形模式对地震事件中能量分配和断层带流变性质有何影响？

主要发现

• 模型重现了与实验室实验和天然断层带观测一致的复杂剪切带图案。
• 较高的围压导致更明显的延性响应，局部应变分布在更广的区域。
• 较低的围压和较高的加载速率促进局部化、类似脆性的破坏，伴随强度急剧下降。
• 初始体积膨胀率的增加会提高脆性破坏的可能性，并在局部化过程中导致更大的强度降低。
• 初始状态较松散有利于延性变形，而更致密的初始状态则促进更早且更强烈的应变局部化。
• 模型表明，强度演化强烈受围压、应变率以及材料状态（密度和体积膨胀率）之间相互作用的调控。