基于实验室P波层析成像与微观结构对地壳岩石准静态与动态破裂期间及之后断旁损伤表征

岩石剪切破坏过程中释放的弹性应变能部分作为断裂能$\Gamma$消耗以进一步扩展破裂。$\Gamma$耗散于破裂尖端过程区内，并包含作为断旁损伤耗散的能量$\Gamma_\mathrm{off}$。量化破裂期间形成的断旁损伤对理解其对破裂动力学及破裂尖端后滑移弱化过程的影响及其对地震辐射的贡献至关重要。此处，我们量化准静态与动态破裂期间及之后的$\Gamma_\mathrm{off}$及相关的断旁力学性质变化。为此，我们在三轴条件下对完整Lanhélin花岗岩进行动态与准静态剪切破坏实验。我们通过失败期间及之后获得的时间分辨3D $P$波速度层析成像量化断层周围弹性模量的变化。失败后我们测量断旁微破裂损伤。层析成像显示，准静态与动态失败下剪切破坏界面周围$P$波速度均出现局部最大25%的下降。微破裂密度数据显示准静态失败后损伤带宽度约10 mm，动态失败后约20 mm。利用有效介质方法从$P$波速度层析成像模型获得的微破裂密度与实测断旁微破裂损伤吻合良好。由断旁微破裂测量得到的$\Gamma_\mathrm{off}$准静态破裂约3 kJm$^{2}$，动态破裂约5.5 kJm$^{2}$。我们认为对于达几mm的滑移，破裂速度决定了损伤带宽度，且剪切断裂能$\Gamma$随破裂速度增加而增加。