[论文解读] Energy dissipation in earthquakes

David S. Kammer, Gregory C. McLaskey+11 more|arXiv (Cornell University)|Mar 11, 2024

Earthquake Detection and AnalysisEarth and Planetary Sciences被引用 3

一句话总结

本文通过区分破裂尖端的局部过程与尾部的广泛过程，重新审视地震破裂中的能量耗散问题，挑战经典线弹性断裂力学（LEFM）框架。研究提出，断裂能仅应适用于尖端局部耗散，而‘破裂耗功’更能描述非局部化的能量损失，从而解决实验室测量与天然地震测量之间的差异。

ABSTRACT

Earthquakes are rupture-like processes that propagate along tectonic faults and cause seismic waves. The propagation speed and final area of the rupture, which determine an earthquake's potential impact, are directly related to the nature and quantity of the energy dissipation involved in the rupture process. Here we present the challenges associated with defining and measuring the energy dissipation in laboratory and natural earthquakes across many scales. We discuss the importance and implications of distinguishing between energy dissipation that occurs close to and far behind the rupture tip and we identify open scientific questions related to a consistent modeling framework for earthquake physics that extends beyond classical Linear Elastic Fracture Mechanics.

研究动机与目标

• 解决实验室测得的断裂能与天然地震中地震学反演值之间长期存在的差异。
• 澄清地震能量耗散中的术语使用，区分尖端局部化的断裂能与非局部化的破裂耗功。
• 识别线弹性断裂力学（LEFM）在模拟具有有限宽度区域、分支结构及非共面破裂的复杂构造断层时的局限性。
• 提出一个统一框架，整合实验室实验、野外观测与数值模拟，以跨尺度建模能量耗散。
• 引导未来研究解决断裂能的尺度律及其对破裂动力学与地面运动预测的影响。

提出的方法

• 提出一个概念性框架，区分‘尖端过程’（破裂前沿的局部能量耗散）与‘尾部过程’（破裂尖端后的耗散）。
• 主张使用精确术语：仅将‘断裂能’用于描述尖端局部耗散；将‘破裂耗功’用于描述破裂过程中总耗散能量，尤其是非局部化情况。
• 综述地震学、实验室及数值模拟数据，比较不同尺度下的能量耗散推断值，识别不一致之处。
• 利用数值模拟分离尖端与尾部过程对破裂速度与能量平衡的影响，检验LEFM假设。
• 分析天然地震与实验室地震中，断裂能与破裂耗功随总滑移量与地震规模的尺度趋势。
• 呼吁改进传感技术与多尺度观测，以量化真实断层系统中尖端与尾部耗散的贡献。

Figure 1: Schematic of an earthquake with its rupture front and seismic waves. (left) Earthquake fault complexity includes fault geometry, depth variation in geological units, wear and gouge formation within the fault zone, and fault branching. The red zone near the rupture front indicates regions w

实验结果

研究问题

• RQ1 地震中的能量耗散在多大程度上局限于破裂尖端？这如何影响LEFM的有效性？
• RQ2 为何实验室测得的断裂能与天然地震中地震学估算值相差数个数量级？
• RQ3 尾部过程（如非共面破裂与分布滑移）如何影响全球能量收支与破裂动力学？
• RQ4 破裂耗功随滑移量或地震规模的观测尺度关系，是否可由应力超调而非断裂能真实增加来解释？
• RQ5 如何标准化术语与建模框架，以调和不同尺度与研究群体之间的测量差异？

主要发现

• 实验室与天然地震断裂能估算值之间的差异，可能源于将局部尖端耗散（断裂能）与非局部尾部耗散（破裂耗功）进行比较。
• 天然地震中的能量耗散并不局限于破裂尖端，这挑战了LEFM的核心假设——耗散集中于裂纹尖端。
• 地震学估算的破裂耗功随总滑移量与地震规模增加，这一趋势在实验室地震与数值模型中亦被观测到，表明存在共同的物理机制。
• 数值研究显示，应力超调可能模拟出断裂能随规模增加的表象，提示在解释尺度趋势时应谨慎，避免将其误认为材料本征属性的变化。
• 尖端与尾部过程之间的界限模糊，现有测量技术无法可靠分离其贡献，因此亟需改进传感与建模手段。
• 一致的建模框架必须区分尖端局部化的断裂能与全局破裂耗功，以准确反映动态破裂模拟中的能量收支。

Figure 2: (Figure for Box 1): Schematic of the fundamental principles for crack growth in Linear Elastic Fracture Mechanics.