繁星 力学说 2025年11月30日 17:27 河南

前言

断层界面剪切破裂传播过程中力学行为的可视化与定量表征，对揭示动态破裂机理具有关键作用。实验室尺度的断层建模研究近年来取得重要进展，通过联合运用数字图像相关法、光弹性法和真实接触区监测等光学测量技术，显著提升了对动态剪切破裂过程的表征能力。尽管这些方法的时间序列分析已带来重要发现，但具有多级条纹的光弹性图案时序演化——作为表征动态剪切破裂行为的关键诊断特征——在动态破裂研究中仍未得到充分探索。本研究中，中国矿业大学鞠杨教授团首次通过冲击荷载诱发的多级时序光弹性条纹来研究动态剪切破裂机制。采用3D印制备断层模型，在不同边界条件下开展动态剪切实验，通过高速成像捕捉断层附近的光弹条纹演化，并从中提取时序条纹。基于这些时序条纹的观测变化，系统分析了破裂尖端传播特性、破裂速度转变、应力场时空演化、局部断层滑移分布及断层的成核与破裂过程。该技术通过提供直接观测依据，证实了时序光弹性条纹在阐明动态剪切破裂内在机理方面的潜力。

图文速览

图1：实验布置与模型。(a) 本研究所采用的实验系统。(b) 测试模型示意图，标注有冲击加载点、施加的正应力、观测区域及模型尺寸。(c) 在3.27 MPa正应力和30 m/s冲击速度下捕获的光弹性条纹。(d) 在与图1(c)相同边界条件下，沿断层表面最近路径获取的时序光弹性条纹。(e) 在14.29 MPa正应力和30 m/s冲击速度下捕获的光弹性条纹。(f) 在与图1(e)相同边界条件下，沿断层表面最近路径获取的时序光弹性条纹

图2：不同破裂速度下的破裂尖端特征。(a) 从图1(d)提取的局部条纹图案。(b) 从图1(f)获取的对应较高破裂速度的局部条纹图案。(c) 从图1(f)获取的对应较低破裂速度的局部条纹图案。(d) 不同边界条件下断层表面的实测破裂速度

图3：在20 m/s冲击速度及不同正应力条件下的时序光弹性条纹。(a) 正应力为21.43 MPa时的断层模型。(b) 正应力为28.57 MPa时的断层模型

文章小结

本研究首次应用高阶时序光弹性条纹表征断层系统的动态剪切破裂传播。通过在缩比断层模型上开展受控冲击加载及变正应力条件的室内实验，利用时序光弹性条纹系统分析了破裂尖端传播特性、破裂速度转变、应力场时空演化、局部断层滑移行为及断层成核与破裂过程。主要发现如下：首次报道了冲击荷载诱发的多阶时序光弹性条纹：通过条纹图案变化（如偏离初始斜线或新暗/亮条纹产生）识别破裂尖端位置，据此构建传播轨迹并计算传播速度。实验观测到持续超剪切破裂及超剪切向亚剪切破裂的转变现象。揭示了主应力差值非均匀分布与局部滑移行为：初始破裂尖端后方应力差值呈时序波动，高正应力下波动幅度小于低正应力条件。滑移事件发生于标定线断裂或跃迁处，通常对应应力降低区域，证实"滑移受阻时应力累积、滑移释放时应力衰减"的关联机制。解析了高正应力与冲击荷载下的成核-破裂过程：时序光弹性条纹演化显示压缩区与回弹区交替出现，引起法向应力与摩擦应力相应涨落，该机制被认定为驱动断层成核与破裂的核心因素。