[论文解读] Mechanochemistry: an hypothesis for shallow earthquakes

Didier Sornette|arXiv (Cornell University)|Jul 30, 1998

earthquake and tectonic studies参考文献 133被引用 7

一句话总结

本文提出了一种浅源地震的机械化学机制，其中断层泥中的局部应变会触发稳定矿物向更高能量的亚稳态多型相的水辅助相变。随着应变增加，朗道理论预测将发生爆炸性转变，产生超音速冲击波和高振幅声波，使断层核心液化，从而在构造应力下实现滑动，释放弹性能量并引发地震。

ABSTRACT

We advance the novel hypothesis that water in the presence of finite localized strain within fault gouges may lead to the phase transformation of stable minerals into metastable polymorphs of higher free energy density. Under increasing strain, the transformed minerals eventually become unstable, as shown from an application of Landau theory of structural phase transitions. We propose that this instability leads to an explosive transformation, creating a slightly supersonic shock wave propagating along the altered fault core leaving a wake of shaking fragments. As long as the resulting high-frequency acoustic waves remain of sufficient amplitude to lead to a fluidization of the fault core, the fault is unlocked and free to slip under the effect of the tectonic stress, thus releasing the elastic part of the stored energy. We briefly discuss observations that could be understood within this theory.

研究动机与目标

• 解释浅源地震背后的物理机制，尽管其发生频率高且破坏性强，但至今仍理解不足。
• 解决一个悖论：即在应力积累不足的情况下，断层如何能在构造应力下突然滑动。
• 提出一个新假说，将应变下矿物相变与地震能量释放联系起来。
• 将材料科学、热力学和地震动力学的概念整合为统一机制。
• 提供一个理论框架，解释观测到的高频声波和断层核心液化现象。

提出的方法

• 应用朗道结构相变理论，模拟断层泥中局部应变下形成的亚稳态多型相的不稳定性。
• 模拟由于水的存在和有限应变，稳定矿物向自由能密度更高的多型相的转变。
• 模拟相变的爆炸性特征，导致沿断层核心传播的超音速冲击波。
• 分析由此产生的高频声波及其使断层带液化的能力，降低摩擦并促进快速滑动。
• 运用热力学和力学原理，评估液化发生的条件以及断层解锁的持续性。
• 将理论模型与高频频段辐射和余震序列等观测地震现象联系起来。

实验结果

研究问题

• RQ1 尽管应力积累较低，是什么物理机制使得浅源地震中断层能突然滑动？
• RQ2 矿物在应变下发生相变如何导致爆炸性能量释放和冲击波传播？
• RQ3 声波场在何种条件下能达到足够振幅以使断层核心液化？
• RQ4 水在局部应变下促进亚稳态多型相形成中起什么作用？
• RQ5 所提出的机制如何解释浅源地震波形中观测到的高频成分？

主要发现

• 在水的存在下，断层泥中的局部应变可使稳定矿物转变为自由能密度更高的亚稳态多型相。
• 随着应变增加，朗道理论预测该相变变得不稳定，导致爆炸性转变。
• 爆炸性转变产生沿断层传播的超音速冲击波，形成破碎的、高能量物质尾迹。
• 由此产生的高振幅声波可使断层核心液化，降低摩擦，从而在构造应力下实现快速滑动。
• 液化维持了断层的解锁状态，使储存的弹性能量通过突然滑动释放，与浅源地震动力学一致。
• 该模型为高频地震辐射和浅源地震波形的观测特征提供了物理解释。