伴隨著國家“深地”戰(zhàn)略目標(biāo)的實(shí)施，我國深部巖石工程越來越多，同時面臨更為復(fù)雜的地質(zhì)環(huán)境和一系列工程災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)。深部能源開采及地下工程（如隧道、巷道等）開挖過程中，圍巖應(yīng)力場擾動誘發(fā)工程區(qū)臨近斷層/結(jié)構(gòu)面失穩(wěn)滑動，從而導(dǎo)致誘發(fā)地震或結(jié)構(gòu)面巖爆的情況屢有發(fā)生。研究地下工程開挖誘發(fā)斷層滑動地震機(jī)理一方面有益于該類型突發(fā)災(zāi)害的預(yù)測及防控，另一面能夠驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)室觀測到的地震模式、并建立實(shí)驗(yàn)室地震與自然界地震之間的聯(lián)系。

　　斷層滑動存在準(zhǔn)靜態(tài)穩(wěn)定滑動（quasi-static slip）、動態(tài)失穩(wěn)滑動（dynamic slip）、粘結(jié)-滑動（stick-slip, 一般稱為粘滑）等幾種滑動模式。其中，地下工程開挖誘發(fā)滑動較多呈現(xiàn)出粘滑特征，現(xiàn)場觀測表現(xiàn)為間斷性的、頻發(fā)的微震事件，它與開挖導(dǎo)致的斷層面應(yīng)力分布的非均勻性和斷層面自身的復(fù)雜結(jié)構(gòu)密切相關(guān)。穩(wěn)定滑動或粘滑在一定條件下可能會演化為失穩(wěn)滑動。目前，地下工程開挖誘發(fā)斷層動態(tài)滑動形成機(jī)理及臨界條件研究尚不充分。

　　本研究采用斷層滑移弱化摩擦模型，通過數(shù)值方法研究了斷層滑動長度、滑動位移及摩擦應(yīng)力隨斷層空間位置、力學(xué)參數(shù)及應(yīng)力場的演化規(guī)律，并通過理論方法研究了無量綱化斷層滑動長度的表達(dá)方法。研究結(jié)果表明臨近斷層動態(tài)失穩(wěn)滑動之前，一般存在準(zhǔn)靜態(tài)穩(wěn)定滑動和有限失穩(wěn)滑動（arrested slip，斷層失穩(wěn)滑動有限長度后再次穩(wěn)定）兩種滑動模式，有限失穩(wěn)滑動的原因在于地下工程開挖引起的斷層面上應(yīng)力分布不均勻，斷層面臨近開挖區(qū)因法向應(yīng)力較小易于滑動，而遠(yuǎn)離開挖區(qū)局部位置可能會出現(xiàn)法向應(yīng)力集中從而捕獲斷層失穩(wěn)擴(kuò)展。其次，通過斷層滑動位移、摩擦應(yīng)力分布及圍巖應(yīng)變能變化，采用能量方法研究了有限失穩(wěn)滑動釋放的能量。斷層滑移弱化模型中的臨界滑移弱化距離參數(shù)非常重要，該參數(shù)的降低能夠顯著降低有限失穩(wěn)滑動及動態(tài)失穩(wěn)滑動的臨界應(yīng)力，并減小動態(tài)失穩(wěn)滑動地震輻射能量。論文研究結(jié)果對揭示斷層失穩(wěn)滑動機(jī)理及評估地震輻射能量具有一定參考作用。

　　本研究得到國家自然科學(xué)基金(No.U1765108,U1806226)、國家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃(2015CB057906)、中科院青年創(chuàng)新促進(jìn)會及巖土力學(xué)與工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開放基金(No.Z018003)的資助，相關(guān)成果發(fā)表于著名地學(xué)期刊《Journal of Geophysical Research: Solid Earth》，第一作者為武漢巖土所楊建平研究員，通訊作者為楊建平研究員和澳大利亞聯(lián)邦科學(xué)院張浠教授。

圖1  不同位置(d/a)無量綱化斷層滑動長度與應(yīng)力關(guān)系（斷層傾角= 35°)

圖2  斷層動態(tài)失穩(wěn)滑動臨界應(yīng)力比相圖

圖3  斷層動態(tài)失穩(wěn)滑動不同能量演化過程

　　論文題目：Energy Budget and Fast Rupture on a Near-Excavation Fault: Implications for Mitigating Induced Seismicity

　　原文鏈接：https://doi.org/10.1029/2020JB019360

                                        （文/圖  施工過程組 楊建平）