Frictional Stabilities on Induced Earthquake Fault Planes at Fox Creek, Alberta: A Pore Fluid Pressure Dilemma
水力压裂作业期间引发的地震已在许多地区发生。然而，旨在辨别触发机制的现场研究在性质上仍然完全是统计性的。在这里，我们计算了11个水力压裂诱发地震的断层滑动趋势在历史上平静的地区，使用最近建立的定量模型的地应力。结果表明，附近Duvernay非常规储层的环境孔隙压力可以提供足够的Pf触发断层运动。如果在断层和扩展的水力裂缝之间存在水力连接，则作用在断层上的局部流体压力可以容易地增加到临界值以上。诱发滑移所需的临界压力，估计使用的概率模型，包括应力和故障的机械性能的不确定性。这些临界压力大于预期的静水压力，但小于附近非常规储层的孔隙压力。
2019-07-20 physics.geo-ph
Frictional heating processes and energy budget during laboratory earthquakes
在地震期间，部分释放的弹性应变能通过摩擦和破裂过程在滑动带内消散，其余的通过弹性波辐射出去。因此，地震加热在地震能量收支中起着至关重要的作用，但迄今为止，它还不能通过地震学数据来解决。在这里，我们调查的动力学实验室地震，通过测量摩擦热耗散的剪切不稳定性传播过程中，在典型的孕震深度应力条件。我们执行，第一次，地震破裂的全部能量预算，并证明，增加辐射效率，即通过弹性波辐射的能量与本地耗散的能量的比率，随着热摩擦弱化的增加而增加。使用原位碳温度计，我们绘制了断层表面的摩擦加热温度不均匀性（“热”凹凸不平）。结合我们的显微结构，温度和力学观测，我们表明，故障强度的增加对应于从一个弱故障多个强粗糙，但很少的整体辐射，高辐射故障，表现为一个单一的强粗糙的过渡。
2018-06-04 physics.geo-ph
Frictional sliding modes along an interface between identical elastic plates subject to shear impact loading
对冲击剪切载荷作用下两相同各向同性弹性板间界面的滑移问题进行了实验和数值研究。板通过压应力保持在一起，并且一个板在界面附近受到边缘冲击。实验表明，裂纹样和脉冲样的滑动模式。平面应力有限元计算模拟实验配置进行，其特征在于由速率和状态依赖的摩擦法的接口。当初始压应力和冲击速度较低时，滑动以裂纹状模式发生。对于较高的初始压缩应力和/或冲击速度值，滑动发生在脉冲状模式。计算中得到了各种滑动模式，这些模式取决于冲击速度、初始压应力和界面变量的值。一种脉冲状模式涉及分离良好的脉冲，其中脉冲幅度随着传播距离而增加。另一种脉冲状模式涉及基本上恒定幅度的脉冲训练。前导脉冲（或裂纹状滑动区域的尖端）的传播速度接近于纵波速度，并且从不小于$\sqrt{2}$乘以剪切波速。实验和计算都可以看到超声速拖尾脉冲。在计算中的趋势进行了比较，在实验中所看到的。这些观测结果可能会导致对地震机制的新见解。
2004-06-24 physics.comp-ph physics.geo-ph
Velocity-driven frictional sliding: Coarsening and steady-state pulse trains
本研究针对速率弱化区间内速度驱动的均匀速率-状态摩擦系统，揭示其存在自愈合滑动脉冲与粗化动力学，形成稳态脉冲序列，结合理论与数值模拟阐明其特性及小高度下的弹摩擦不稳定性。
2021-04-27 cond-mat.mtrl-sci cond-mat.soft nlin.PS
Frictional sliding without geometrical reflection symmetry
摩擦界面的动力学在许多物理系统中起着重要的作用。众所周知，分离两种不同材料的摩擦界面耦合界面滑移和法向应力变化，这种耦合对它们的稳定性、失效机制和断裂方向性具有重要影响。相反，由于对称性的考虑，传统上认为分离相同材料的界面不具有这种耦合。我们表明，理论和实验相结合，分离的宏观上相同的材料制成的机构，但缺乏几何反射对称性的接口，一般功能这样的耦合。我们讨论了这一新功能的两个应用程序。首先，我们表明，它占一个独特的，以前无法解释的，实验观察到的摩擦裂纹的削弱效果。其次，我们证明了它可以破坏摩擦滑动，否则是稳定的。这一新兴框架有望在广泛的系统中得到应用。
2016-09-29 cond-mat.mtrl-sci cond-mat.soft physics.geo-ph
The temporal limits of predicting fault failure
使用地震发射的机器学习模型可以预测瞬时断层特征，例如实验室实验中的位移和地球中的缓慢滑动。在这里，我们解决声发射（AE）从实验室实验是否包含有关不久的未来摩擦行为的信息。该方法使用包含Transformer层的卷积编码器-解码器。我们使用的输入越来越大的AE输入时间窗口和越来越大的输出摩擦时间窗口。来自Transformer的注意力图用于解释AE的哪些区域包含对应于未来摩擦行为的隐藏信息。我们发现，非常近期的预测信息确实包含在AE信号中，但在更远的未来，预测是逐步恶化。值得注意的是，用于预测不久的将来的摩擦故障和恢复的信息被发现包含在AE信号中。这是用机器学习预测未来断层摩擦行为的第一次努力，将指导在地球上的应用。
2022-02-07 physics.geo-ph
PINN-based short-term forecasting of fault slip evolution during the 2010 slow slip event in the Bungo Channel, Japan
Disaster Prevention Research Institute, Kyoto University（京都大学防灾研究所）；Department of Geophysics, Stanford University（斯坦福大学地球物理学系）
该研究针对日本丰后水道2010年慢滑事件，提出基于物理信息神经网络的数据同化框架，结合大地测量观测与断层力学，能计算断层滑动演化、优化摩擦特性分布，成功预测慢瞬态滑动，凸显了该方法结合观测与力学的能力。
2026-07-15 physics.geo-ph
Physics-informed deep learning links geodetic data and fault friction
Stanford University（斯坦福大学）；Disaster Prevention Research Institute, Kyoto University（京都大学防灾研究所）；Japan Agency for Marine-Earth Science and Technology（日本海洋地球科学技术机构）；RIKEN Center for Advanced Intelligence Project（理化学研究所先进智能项目中心）；Kagawa University（香川大学）；Graduate School of Science, Kyoto University（京都大学理学研究科）
该研究旨在填补大地测量观测中摩擦非均匀性定量评估的空白，利用基于物理信息的神经网络（PINNs）将摩擦非均匀性与大地测量观测联系起来，以日本西南部2010年本哥慢滑事件为目标，实现了力学一致的断层滑动模型及预测，证明了PINN的潜力。
2026-09-14 physics.geo-ph
Finite element modeling of dynamic frictional rupture with rate and state friction
大量的实验室实验已经证明了摩擦系数对界面滑移速率和接触历史的依赖性，这种行为一般称为速率和状态摩擦。虽然数值模型已被广泛用于分析速率和状态摩擦，在一般情况下，他们认为无限的弹性域周围的滑动界面，并依赖于边界积分公式。更少的工作一直致力于建模有限大小的系统，以考虑与边界的相互作用。本文用显式动力学有限元方法研究了有限尺寸系统中的速率和状态摩擦界面。我们调查两种不同的摩擦法的滑动界面的长期行为：速度弱化法，其中的摩擦单调地随着滑动速度的增加而减小，和速度弱化-强化法，其中的摩擦系数首先减小，然后增加到临界速度以上。我们表明，这两个摩擦法在有限的时间，也就是说，波从边界反射回来的滑动界面，达到一个临时的恒定状态滑动，在界面上定义良好的应力降。这种应力下降引起应力集中，并导致摩擦和断裂之间的类比。然而，在更长的时间，即在多次波反射之后，应力降基本上为零，导致失去与断裂力学的类比。最后，模拟结果表明，速度减弱是不稳定的，在长时间尺度，因为它会导致滑块的加速。另一方面，速度减弱-加强达到一个恒定状态的滑动配置。
2019-08-03 physics.comp-ph physics.geo-ph
Dynamic instabilities of frictional sliding at a bimaterial interface
我们研究了二维线性稳定性分析的可变形固体的有限高度$H$，稳定地滑动的刚性固体的顶部内的一个通用的速率和状态摩擦型本构框架，充分考虑弹性动力学效应。我们推导出的线性稳定性谱，量化的摩擦本构关系和不稳定相关的弹性动力学双材料之间的耦合正常的应力变化和界面滑移，和有限的尺寸效应的稳定之间的相互作用。与摩擦本构关系有关的稳定效应包括速度强化摩擦（即~摩擦阻力随着滑动速度的增加而增加，瞬时的和在稳态条件下）以及对法向应力变化的规则化响应。我们首先考虑小波数$k$限制，并证明在这种情况下，均匀滑动是普遍不稳定的，独立的摩擦法的细节。这种普遍的不稳定性是由传播的波导状模式介导的，其增长最快的模式的特征在于满足$k H\!\sim\!{\cal O}(1)$的波数和与$H^{-1}$成比例的增长率。然后，我们考虑极限$k H\!\to\!\infty$，并推导出在这种情况下的稳定相图。我们表明，占主导地位的不稳定模式的传播速度在相反的方向上的滑动方向的接近的摩擦波的速度。在一定的物理参数范围内，也存在沿滑动方向以接近剪切波速传播的失稳模态。最后，我们表明，在广义速率和状态摩擦模型的框架内，有限时间正则化的正常应力变化的反应，往往会促进稳定性。
2015-07-01 cond-mat.mtrl-sci cond-mat.soft nlin.PS
Fault friction under thermal pressurization during large coseismic-slip Part I: Numerical analyses
在本文中，我们研究的作用，热增压的摩擦响应的断层在大同震滑动。我们调查的地震滑动速度，混合物的可压缩性，特征粒度和粘度参数的耦合热-水-力学问题的摩擦响应中的作用，考虑到故障的微观结构。从Cosserat连续统的质量、能量和动量平衡出发，导出了模型的方程。在材料的本构行为中，我们采用理想塑性和Perzyna粘塑性来完成数学描述。我们研究了速率无关和速率相关的摩擦响应，并与文献中现有的模型，即速率和状态摩擦定律（Dieterich（1992），Ruina（1983 a））进行了比较。我们表明，我们的模型是能够预测应变率硬化和速度软化，而无需假设的状态变量。我们观察到层内的不稳定性，导致断层摩擦响应的振荡，如Portevin Le Chatelier（PLC）效应。Rattez等人（2018 c，b，a）提出的现有数值分析没有捕捉到这种行为，并且超出了已建立的均匀剪切模型（Lachenbruch（1980））和数学平面上的剪切模型（Rice（2006 a）），这些模型预测了剪切过程中的严格单调行为。最近的实验分析，已设法从其他削弱机制（Badt等人）隔离热加压，证实了我们的数值结果。
2022-04-30 physics.geo-ph
Non-monotonicity of the frictional bimaterial effect
沿分离不同弹性材料的摩擦界面的滑动与沿分离相同材料的界面的滑动性质不同，这是由于在前一种情况下存在界面滑移和法向应力扰动之间的弹性动力学耦合。这种双材料耦合的摩擦界面的动力学，包括其稳定性和破裂沿他们的传播具有重要意义。我们表明，虽然这种双材料耦合是一个单调递增的函数的双材料对比度，当它耦合到界面剪切应力扰动通过摩擦法，各种物理量表现出非单调依赖于双材料对比度。特别是，我们表明，对于一个正规化的库仑摩擦，不稳定的界面扰动的均匀滑动的最大增长率是一个非单调函数的双材料对比度，并提供分析洞察这种非单调性的起源。我们进一步表明，对于速度加强率和状态摩擦，均匀滑动的不稳定界面扰动的最大增长率也是双材料对比度的非单调函数。沿双材料界面滑动削弱摩擦的动态破裂模拟结果提供的证据表明，理论预测的非单调性持续在非稳态，瞬态摩擦动力学。
2017-07-04 cond-mat.mtrl-sci cond-mat.soft physics.geo-ph
The dynamic energy balance in earthquakes expressed by fault surface morphology
动态能量平衡是地震研究的基础。能量平衡方法是断裂力学中最著名的发展之一。为了解释地震学数据，裂缝模型和摩擦面（断层）上的滑动模型被广泛使用。宏观上可观察到的能量收支和微观过程可以通过断裂能$G_c$联系起来。断层面形貌是裂纹尖端或摩擦界面上微观过程的直接结果。这里，我们表明，在地震中的动态能量平衡可以表示的断层表面形态，它们是定量的联系。直剪实验结果验证了理论分析的正确性，并表明应变速率对动态能量平衡有重要影响。
2021-01-18 physics.geo-ph
Coupled mechano-electrokinetic Burridge-Knopoff model of fault sliding events and transient geoelectric signals
我们介绍了第一个完全自洽模型相结合的地震微破裂发生在广义Burridge-Knopoff弹簧块模型的成核和传播的电荷脉冲内的耦合机械电动系统。该模型为地震地电前兆的建模和分析提供了一个通用的理论框架。特别是，它可以重现单极脉冲，经常被报道之前的大震波迹象，以及各种观察到的异常的统计时刻的环境电场和幂律指数过渡的功率谱的电场。
2019-07-24 physics.geo-ph
Estimating Fault Friction from Seismic Signals in the Laboratory
地震破裂的几乎所有方面都受到沿断层的摩擦力的控制，这种摩擦力随着构造力的增加而逐渐增加，但通常无法直接测量。我们表明，断层摩擦可以确定在任何时候，从连续的地震信号。在重复地震的经典实验室实验中，我们发现地震信号遵循与断层摩擦有关的特定模式，使我们能够确定断层在其故障周期内的位置。使用机器学习，我们表明，地震信号的瞬时统计特征是断层带剪切应力和摩擦状态的指纹。进一步分析这个指纹导致一个简单的状态状态方程定量地将地震信号功率和断层上的摩擦力联系起来。这些结果表明，至少在实验室中，可以从地震波中推断断层带摩擦特性和断层周围的应力状态。
2018-01-18 physics.geo-ph
An equation of motion for unsteady frictional slip pulses
针对摩擦滑移脉冲基本理解不完整的问题，提出速率-状态摩擦滑移脉冲的解析运动方程，以单一自由度描述其非稳态时空演化，并通过大规模模拟验证，揭示不稳定性缓慢发展的起源，解释其在自然和人造摩擦系统中的动力学相关性。
2025-06-19 cond-mat.mtrl-sci cond-mat.soft physics.geo-ph
On the scale dependence in the dynamics of frictional rupture: constant fracture energy versus size-dependent breakdown work
地震期间，断层周围的构造载荷所储存的势能在地震期间以辐射能、热和断裂能的形式释放。后者是最重要的，因为它控制着地震破裂的成核、传播和停止。一方面，天然地震的断裂能估计（击穿功）显示出明显的滑动依赖性。另一方面，最近的实验研究强调，断裂能是一种材料性质，其受到与完整材料的断裂能相对应的上限值的限制，而与事件的大小无关。为了调和这些相互矛盾的意见，我们进行了粘滑实验中的双轴剪切配置。通过应变片阵列获取断层附近的应力-滑移曲线，分析了摩擦破裂过程中断层的弱化。我们首先通过将测量的应变与线弹性断裂力学和粘聚区模型的理论预测进行比较来估计断裂能。通过比较这些值的应力-滑移曲线的积分得到的击穿工作，我们表明，在我们的实验规模，故障弱化分为两个阶段;第一个符合估计的断裂能，和长尾弱化对应于一个较大的能量不本地化的破裂尖端，增加与滑动。通过数值模拟，我们证明，只有第一个弱化阶段控制破裂的启动和长尾弱化引起的破裂工作可以增强破裂传播过程中的滑动，并允许破裂，以克服沿断层的应力不均匀性。我们的结论是，起源的地震学估计的崩溃工作可能涉及到的能量耗散在长尾弱化，而不是一个附近的尖端耗散。
2021-04-30 physics.geo-ph
Nucleation of frictional slip: A yielding or a fracture process?
剪切载荷作用下接触体间摩擦滑动的发生是由局部滑移斑准静态增长而成的。在达到一定的临界尺寸后，这些斑块变得不稳定并继续动态增长，最终导致整个界面的滑动。两种不同的理论已被用来计算这种补丁的成核长度取决于驱动其增长的主导过程。如果只是接触凸体的屈服（大规模屈服），则应用基于线性稳定性分析的应力准则，而如果断裂占主导地位，则应用基于断裂力学和经典成核理论的能量准则。这两种方法都包含重要的基本假设，非常适合描述其中一种情况。然而，两者之间发生的事情并没有被任何一个捕捉到。在这项工作中，我们使用数值模拟来研究什么是主导的基本过程驱动成核不同条件的异质性和什么是成核动力学和摩擦滑动的发病的影响。我们发现，大的摩擦异质性，使从屈服驱动的成核阶段的过渡到一个crossre-driven。这种转变只发生在一定程度的非均匀性之上，并且可以是准静态（稳定）或动态（不稳定），这取决于沿界面的摩擦强度的相关长度以及最强点和最弱点之间的强度差（振幅）。不稳定的转变产生本地化的动态滑移事件，其幅度增加与更高的相关长度和更大的振幅减小。我们的工作揭示了新的光的非均匀性和断裂的摩擦滑移成核的作用，弥合了两个主要的成核理论之间的差距。
2022-09-16 cond-mat.soft physics.geo-ph
Dilatancy toughening of shear cracks and implications for slow rupture propagation
与断层滑动相关的膨胀产生瞬时孔隙压力下降，从而增加摩擦强度。这种影响进行了分析，在一个稳定的传播破裂模型，包括摩擦弱化，滑动依赖故障扩张和流体流动。膨胀被示出为增加传播破裂尖端所需的应力强度因子。随着破裂速度的增加，不排水（强化）区域在尖端附近发展，并延伸到不排水弱化区之外。远离不排水区域，孔隙流体扩散逐渐补充断层，强度恢复到排水的弱化值。对于足够大的破裂尺寸，尖端附近的膨胀引起的强度增加相当于韧性的增加，其与破裂速度的平方根成比例。一般来说，膨胀具有通过减小沿着裂纹的应力降来增加断裂增长所需的应力的效果。热加压有可能补偿增粘剂强化效应，但代价是加热速率增加，这可能导致过早的摩擦熔化。使用合理的实验室参数，韧性增韧效应导致破裂动力学，定量与观察到的慢滑事件在俯冲带的动力学一致。
2021-10-28 physics.geo-ph
Network Theory, Cracking and Frictional Sliding
我们已经开发了不同的网络方法来处理复杂的摩擦界面（接触面积的发展）。在这里，我们分析了静摩擦的动力学。我们发现，在相关性的措施，三角形的分数相关的剥离锋。此外，对于所有类型的循环（如三角形），节点的度和模体之间存在普适的幂律，其中模体的频率遵循幂律。这表明高能局域化的特征在于环分数的快速变化。这也证明了环路的拥塞发生在枢纽周围。此外，模体分布和网络的模块化空间-在模块内的程度和参与系数-显示出普遍的趋势，表明在剪切断裂的能量流的共同方面。此外，我们证实，缓慢破裂一般持有小的本地化，而定期破裂进行高水平的能量本地化。我们提出，介电性，作为一个指标的节点的程度的相关性，可以揭示界面的声学特征。我们发现，增加的反导性诱导一个几乎沉默期的故障的活动。此外，我们提出，缓慢破裂导致的模块内的发展，而不是额外的模块的网络。我们的方法提出了一个全新的视角剪切破裂的演变。
2012-02-22 cs.CE nlin.AO physics.geo-ph
Dynamic restrengthening and fault heterogeneity explain megathrust earthquake complexity
Institute of Geophysics and Planetary Physics, Scripps Institution of Oceanography University of California, San Diego（加州大学圣地亚哥分校斯克里普斯海洋研究所地球物理与行星物理中心）
本研究通过动态摩擦再强化和断层异质性解释了巨型断层地震的复杂破裂动力学，展示了其对地震和海啸危害评估的重要性。
2026-03-11 physics.geo-ph
Unstable Slip in Fault Gouge Driven by Temperature and Water
China University of Geosciences（中国地质大学）；Chengdu University of Technology（成都理工大学）；University of Oslo（奥斯陆大学）
研究通过分子动力学模拟揭示温度对断层碎屑摩擦的影响机制，发现摩擦系数和摩擦力随温度升高而单调降低，表明温度驱动的接触重构是摩擦削弱的主要因素。
2026-03-11 cond-mat.mtrl-sci physics.geo-ph
Effect of boundary vibration on the frictional behavior of a dense sheared granular layer
我们报告的三维离散元方法（DEM）模拟的结果，旨在调查的作用，边界振动诱导剪切颗粒层的摩擦弱化。我们研究的作用，不同的振动振幅施加在不同的剪切应力水平，在粘滑制度和稳定滑动制度的颗粒层。结果报告的摩擦下降和动能释放与摩擦弱化事件。我们发现，较大的振动振幅诱导较大的摩擦弱化事件。结果表明，一个阈值以下，没有诱导摩擦弱化发生的证据。摩擦滴的大小被发现是依赖于在振动时的剪切应力。一个显着的增加之间的比例的滑动接触的数量在颗粒层中的粘附接触的数量观察到大的振动振幅。这些振动诱导的接触重排增强颗粒移动并诱导摩擦下降和动能释放。这一观察结果提供了一些洞察力的颗粒尺度机制的摩擦削弱边界振动在一个致密的剪切颗粒层。除了描述振动诱发剪切弱化的基本物理特性外，我们还试图了解断层在地震波作用下是如何破坏的。这是众所周知的动态地震触发现象。我们相信，颗粒物理学是理解这一点的关键。
2014-01-24 cond-mat.soft physics.geo-ph
A two-scale model for sheared fault gouge: Competition between macroscopic disorder and local viscoplasticity
我们开发了一个模型，剪切断层泥层，占在滑动过程中的晶粒接触的局部温度升高。我们使用剪切转变区（STZ）理论，统计热力学理论，描述不可逆的宏观塑性形变由于局部重排的凿颗粒。我们使用一维热扩散方程跟踪晶粒接触处的温度演化。在低温下，粗糙体的强度受到流动强度的限制，正如位错蠕变模型所预测的那样。在高温下，晶粒的一些成分可能熔化，导致粗糙度强度降低。我们的模型预测的对数速率依赖的稳态剪切应力在准静态政权。在密相流区，由于颗粒界面处的热软化效应，摩擦强度随滑移率的增大而迅速降低。应变率阶跃后的瞬态响应包括直接效应和随动演化效应，这两种效应都依赖于速度阶跃的大小和方向。除了摩擦热之外，能量预算还包括一个额外的能量汇，代表增加局部无序所消耗的外部功的一部分。该模型将断层泥层的低速和高速摩擦响应联系起来，并为地震破裂的多尺度建模提供了一个重要的组成部分，增强了同震弱化。
2014-02-05 cond-mat.mtrl-sci cond-mat.soft physics.geo-ph
Surviving in Ocean Worlds: Experimental Characterization of Fiber Optic Tethers across Europa-like Ice Faults and Unraveling the Sliding Behavior of Ice
作为对海洋世界内部进行原位探索以使用低温机器人架构寻找生命的第一步，我们测试了各种通信系绳在潜在的欧罗巴样压力条件下的行为。通过冻结两种类型的预张紧绝缘光纤电缆内的冰块，我们模拟系绳被重新冻结在探测器的尾流，因为它穿过海洋世界的冰壳。使用低温双轴装置，我们模拟剪切运动的预先存在的断层在不同的速度和温度。这些剪切试验用于评估冰的机械行为，表征通信系绳的行为，并探索其部署的限制。我们确定（a）最大剪切应力系绳可以维持从冰故障，故障（可行/不可行的制度部署）和（b）光学系绳通信性能。我们发现，这些系绳在木卫二上预期的温度和速度条件范围内（T（K）= 95至260;速度（m/s）= 5 x 10-7至3 x 10-4）相当稳健。然而，在测试的最冷温度下，系绳外套的损坏和内部纤维的拉伸都表明需要进一步开发系绳原型。总的来说，这些研究限制了在海洋世界使用的光学系绳的行为，提高了探测着陆任务可能遇到的动态冰壳的热机械特性的能力，并指导未来的技术开发，以访问（潜在的可居住/有人居住的）海洋世界的内部。
2022-11-18 astro-ph.EP astro-ph.IM physics.geo-ph
