基于亚临界裂纹扩展的长期构造模拟脆性本构定律
地球物理
2024-01-30 v1
摘要
脆性变形（断裂与断层作用）的恰当表示是长期构造模拟的关键要素。此类模型通常依赖于 Mohr Coulomb 塑性，并结合随累积塑性应变预设的内聚力和/或摩擦力软化。该方法捕捉了脆性破坏的基本性质，但对无法通过实验确定的经验软化参数过于敏感。在此，我们设计了一种脆性本构定律，它捕捉了脆性变形的关键过程，并且可以简便地实现于标准地球动力学模型中。在我们的亚临界改变 Maxwell（SCAM）流动定律中，脆性破坏始于分布式脆性损伤的积累，这代表了由预存剪切缺陷上的滑动所促使的拉伸微裂纹的亚临界伸长。损伤逐渐且永久地削弱岩石的弹性模量，直到裂纹发生灾难性相互作用并合并，最终导致宏观破坏。该模型的微观力学参数可以完全通过岩石变形实验进行校准，从而免除了对特定软化参数的需求。在将 SCAM 流动定律实现于岩石变形实验的二维平面应变模拟后，我们发现它能够产生源于损伤带的 Coulomb 取向剪切带。SCAM 模型还可用于将岩石强度从实验室条件外推至构造应变率，并细化了将 Byerlee 定律作为岩石圈应力上限的应用。我们进一步表明，SCAM 模型可被放大尺度，用于模拟厚达 10 km 的脆性板块在数百万年间的构造变形。这些特性使 SCAM 流变学成为进一步跨尺度研究脆性行为复杂性的极具前景的工具。
引用
@article{arxiv.2401.15784,
title = {A brittle constitutive law for long-term tectonic modeling based on sub-critical crack growth},
author = {Léo Petit and Jean-Arthur Olive and Alexandre Schubnel and Laetitia Le Pourhiet and Harsha S. Bhat},
journal= {arXiv preprint arXiv:2401.15784},
year = {2024}
}