摘要gydF4y2Ba
地壳中成熟的断层上发生的大的破坏性地震，是由于一层细颗粒状物质——断层泥——在滑动过程中粉碎而产生的滑动gydF4y2Ba1gydF4y2Ba，gydF4y2Ba2gydF4y2Ba．断层的摩擦阻力是控制地震成核、动态传播和停止的主要因素之一，因此是地震的破坏性地面震动gydF4y2Ba2gydF4y2Ba，gydF4y2Ba3.gydF4y2Ba-在小样本中施加空间均匀滑移的实验中得到gydF4y2Ba2gydF4y2Ba，gydF4y2Ba4gydF4y2Ba，gydF4y2Ba5gydF4y2Ba，gydF4y2Ba6gydF4y2Ba，gydF4y2Ba7gydF4y2Ba，gydF4y2Ba8gydF4y2Ba，gydF4y2Ba9gydF4y2Ba，gydF4y2Ba10gydF4y2Ba，gydF4y2Ba11gydF4y2Ba，gydF4y2Ba12gydF4y2Ba，gydF4y2Ba13gydF4y2Ba，gydF4y2Ba14gydF4y2Ba，gydF4y2Ba15gydF4y2Ba，gydF4y2Ba16gydF4y2Ba，gydF4y2Ba17gydF4y2Ba，gydF4y2Ba18gydF4y2Ba，gydF4y2Ba19gydF4y2Ba，gydF4y2Ba20.gydF4y2Ba，gydF4y2Ba21gydF4y2Ba．然而，由于样本量和充分成像的巨大挑战，在实验室中很难研究凿泥摩擦的各种特征如何结合起来确定地震的自发进展gydF4y2Ba22gydF4y2Ba．在这里，通过实验室实验，我们展示了自发传播的动态破裂在具有细岩泥的断层区域中通过复杂的、间歇性的滑动过程和剧烈的摩擦演化。这些包括在较低滑移率下摩擦增强引起的破裂扩展的重复停止，以及在与闪速加热一致的较高滑移率下明显的快速摩擦减弱引起的动态地震再成核gydF4y2Ba8gydF4y2Ba，gydF4y2Ba12gydF4y2Ba，gydF4y2Ba23gydF4y2Ba．细岩泥中摩擦的自发反复弱化和强化，突出了摩擦对滑移速率和剪切加热、剪切局部化和离域化、剪切层膨胀和压实等相关过程的基本依赖gydF4y2Ba6gydF4y2Ba，gydF4y2Ba7gydF4y2Ba，gydF4y2Ba9gydF4y2Ba，gydF4y2Ba10gydF4y2Ba，gydF4y2Ba11gydF4y2Ba，gydF4y2Ba12gydF4y2Ba，gydF4y2Ba13gydF4y2Ba，gydF4y2Ba14gydF4y2Ba，gydF4y2Ba15gydF4y2Ba，gydF4y2Ba16gydF4y2Ba，gydF4y2Ba17gydF4y2Ba，gydF4y2Ba18gydF4y2Ba，gydF4y2Ba19gydF4y2Ba，gydF4y2Ba20.gydF4y2Ba，gydF4y2Ba21gydF4y2Ba．我们的发现扩大了实验支持gydF4y2Ba9gydF4y2Ba，gydF4y2Ba11gydF4y2Ba同震减弱可以使地震破裂突破稳定断裂带的概念gydF4y2Ba24gydF4y2Ba，gydF4y2Ba25gydF4y2Ba，这对地震风险有重大影响。gydF4y2Ba
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确认gydF4y2Ba
这项研究得到了美国国家科学基金会(NSF) (EAR-2045285和EAR-1651235)、美国地质调查局(USGS)(资助G20AP00037和G16AP00106)、加州理工学院地质力学和地质灾害减灾中心(GMG)的NSF- iucrc和南加州地震中心(SCEC)的支持，资助号为11854。SCEC由美国国家科学基金会合作协议EAR-1600087和美国地质调查局合作协议G17AC00047资助。gydF4y2Ba
作者信息gydF4y2Ba
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AJ.R种内观浪漫。n.l在发展主要思想、解释结果和制作手稿方面做出了贡献。V.R.进行了测量并分析了数据。gydF4y2Ba
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扩展的数据图形和表格gydF4y2Ba
扩展数据图1试件加载时间历史。gydF4y2Ba
试样在轴向受到载荷的压缩gydF4y2BaPgydF4y2Ba，这导致在倾斜角度的界面上有一个分解的法向应力和剪应力gydF4y2Ba\α(\ \)gydF4y2Ba，由gydF4y2Ba\({\sigma}_{0}=P{{\rm{\cos}}}^{2}\alpha \)gydF4y2Ba而且gydF4y2Ba\({\τ}_ {0}= P {\ rm{\罪}}\α{\ rm{\因为}}\α\)gydF4y2Ba,分别。荷载准静态增加到gydF4y2BaPgydF4y2Ba= 14.3 MPa时，W1导线放电触发第一个断裂序列。在记录事件的第一个序列之后，以及在记录结束后发生的附加滑移之后，负载下降到gydF4y2BaPgydF4y2Ba= 13.3 MPa。远场载荷随后增加到gydF4y2BaPgydF4y2Ba= 14.4 MPa，第二个事件序列是由W2放电触发的。右边的插图显示了带有凿槽的样品的下半部分，以及使用数字图像相关方法分析图像序列的散斑图的下半部分视场位置。gydF4y2Ba
图2滑移速度时间历程。gydF4y2Ba
一个gydF4y2Ba，gydF4y2BabgydF4y2Ba，滑移速度图如图所示。gydF4y2Ba1 b, cgydF4y2Ba在相同的时间和空间范围内绘制，但使用不同的滑动速度尺度4米秒gydF4y2Ba−1gydF4y2Ba9m sgydF4y2Ba−1gydF4y2Ba,分别。gydF4y2BacgydF4y2Ba，在Homalite界面中传播的参考破裂的滑移速度时间历史，显示了超剪切破裂，随后是拖尾瑞利特征(数据来自ref。gydF4y2Ba37gydF4y2Ba)．gydF4y2BadgydF4y2Ba，该位置第二次破裂序列的滑移速度时间历史gydF4y2Ba\ ({x} _ {1} = 6.9 \)gydF4y2Ba用白虚线表示gydF4y2BabgydF4y2Ba．gydF4y2Ba
图3第一次破裂序列初始阶段断层平行粒子速度和剪应力变化的全场分布快照。gydF4y2Ba
全场图从上到下显示了在gydF4y2BatgydF4y2Ba= 38.6 μs时，亚瑞利破裂(事件B)的到来gydF4y2BatgydF4y2Ba= 44.6 μs，其传播(gydF4y2BatgydF4y2Ba= 50.6 μs)，随后的骤停(gydF4y2BatgydF4y2Ba= 56.6 μs)。注意，事件B停止时的应力集中相对较小，并且与事件E后来动态再成核的位置不同(扩展数据图)。gydF4y2Ba4gydF4y2Ba)．gydF4y2Ba
图4第一次破裂序列后期断层平行粒子速度和剪应力变化的全场分布快照。gydF4y2Ba
的触发尝试(事件D)传播的全场映射gydF4y2BatgydF4y2Ba= 72.6 μs(上一行)表明，即使在事件B在56.6 μs停止之间的中间时间(扩展数据图)。gydF4y2Ba3.gydF4y2Ba)和E事件的动态启动gydF4y2BatgydF4y2Ba= 87.6 μs(第二行)时，最大应力集中不在事件E开始的位置，突出了剪切应力变化的动态和瞬态性质，平衡了摩擦阻力的演变。第三行和底部行说明了事件E的后续传播(gydF4y2BatgydF4y2Ba= 88.6 μs和92.6 μs)。gydF4y2Ba
图5第二次破裂序列早期断层平行粒子速度和剪应力变化的全场分布快照。gydF4y2Ba
全场图显示亚瑞利断裂(事件B)在gydF4y2BatgydF4y2Ba= 30.8 μs;在边缘发生的较慢的滑移gydF4y2BatgydF4y2Ba= 35.8 μs，相应的剪应力增大说明了增强的过程;事件C在gydF4y2BatgydF4y2Ba= 41.8 μs;以及它的进展(gydF4y2BatgydF4y2Ba= 54.8 μs和gydF4y2BatgydF4y2Ba= 65.8 μs)。gydF4y2Ba
图6第二次破裂序列后期断层平行粒子速度和剪应力变化的全场分布快照。gydF4y2Ba
全场图显示了C事件被捕后的场(gydF4y2BatgydF4y2Ba= 72.6 μs)，具有相对温和的应力集中，最终触发事件E;的触发尝试(事件D)gydF4y2BatgydF4y2Ba= 73.6 μs;事件E的动态成核gydF4y2BatgydF4y2Ba= 81.8 μs，自事件D以来剪应力动态显著增加;和事件E的后续传播gydF4y2BatgydF4y2Ba= 85.8 μs和89.8 μs。破裂最初向两侧扩散(gydF4y2BatgydF4y2Ba= 83.8 - 87.8 μs)，左锋面最终失去蒸汽，右锋面以强烈破裂的形式退出视场。的明显剪切应力降gydF4y2Ba\(\三角\tau \)gydF4y2Ba= 7.5 MPa (gydF4y2BatgydF4y2Ba= 83.8 ~ 89.8 μs)。gydF4y2Ba
扩展数据图7显示实际和表观破裂速度的模型。gydF4y2Ba
一个gydF4y2Ba，图中显示了从O处凿泥层开始的动态破裂，并在某时到达观测点a处的地表gydF4y2Ba\ ({t} _ {0} \)gydF4y2Ba，同时以破裂速度传播gydF4y2BaVgydF4y2Ba行为gydF4y2Ba．当破裂锋在测量的自由表面上滑动时，会产生一个明显的破裂速度gydF4y2BaVgydF4y2Ba应用程序gydF4y2Ba．gydF4y2BabgydF4y2Ba，gydF4y2BacgydF4y2Ba， E段断裂滑移速度历史图，黑线表示断裂前缘位置。gydF4y2BadgydF4y2Ba，gydF4y2BaegydF4y2Ba，破裂锋等高线(黑线)，同中gydF4y2BabgydF4y2Ba，gydF4y2BacgydF4y2Ba，用文中描述的分析模型拟合(蓝线)。gydF4y2BafgydF4y2Ba，gydF4y2BaggydF4y2Ba，分别为序列1和2中的事件E在自由表面上的表观破裂速度，显示非物理的初始超音速破裂速度。使用的模型gydF4y2Ba一个gydF4y2Ba，这些非物理表观破裂速度可以用实际破裂速度0.16来解释gydF4y2BacgydF4y2Ba年代gydF4y2Ba和0.36gydF4y2BacgydF4y2Ba年代gydF4y2Ba,分别。gydF4y2Ba
图8岩石凿泥内的摩擦和滑移速度时间历史，具有明显和重复的强化、增强弱化和愈合。gydF4y2Ba
摩擦与时间的关系(gydF4y2Ba一个gydF4y2Ba，gydF4y2BabgydF4y2Ba，gydF4y2BaegydF4y2Ba，gydF4y2BafgydF4y2Ba)和滑移率随时间的变化(gydF4y2BacgydF4y2Ba，gydF4y2BadgydF4y2Ba，gydF4y2BaggydF4y2Ba，gydF4y2BahgydF4y2Ba)或沿界面选定位置的两个破裂序列。如Fig。gydF4y2Ba4gydF4y2Ba，但摩擦和滑移率与时间的关系，而不是与滑移的关系。颜色与图中相同。gydF4y2Ba2gydF4y2Ba．与滑动的摩擦演化相似(图2)。gydF4y2Ba4gydF4y2Ba)，此处所示的摩擦时间历史以显著加强为特征，滑移率高达0.5-2 m sgydF4y2Ba−1gydF4y2Ba，然后在与闪热一致的更高滑移率下急剧减弱。在这两个序列中，第一次超剪切断裂被抑制，具有速度增强的行为，而拖尾-瑞利断裂和随后的动态事件导致速度显著减弱。摩擦与时间的关系图强调了强化，而滑动与摩擦的关系图则更加压缩。滑移率时间历史记录显示了滑移率变化的速度。gydF4y2Ba
扩展数据图9实验室地震的两个序列沿界面的摩擦应力和剪应力时间历史。gydF4y2Ba
一个gydF4y2Ba，gydF4y2BabgydF4y2Ba，首先(gydF4y2Ba一个gydF4y2Ba)及第二(gydF4y2BabgydF4y2Ba)断裂序列(如图1所示)。gydF4y2Ba1 egydF4y2Ba)．该图将两种情况放在一起进行比较。破裂前的摩擦系数，gydF4y2Ba\({f}_{0}={\tau}_{0}/{\sigma}_{0}=0.55\)gydF4y2Ba，以黑色表示，红色区域表示摩擦系数增加与增强有关，蓝色区域对应明显的减弱，与闪蒸加热一致。与摩擦面相交的平面显示在图中分析的两个位置。gydF4y2Ba4gydF4y2Ba和扩展数据图。gydF4y2Ba8gydF4y2Ba．飞机在gydF4y2BaxgydF4y2Ba1gydF4y2Ba= 8mm和gydF4y2BaxgydF4y2Ba1gydF4y2Ba= 18mm, atgydF4y2BaxgydF4y2Ba1gydF4y2Ba= 5毫米和gydF4y2BaxgydF4y2Ba1gydF4y2Ba= 40 mm，分别为第一和第二序列。gydF4y2BacgydF4y2Ba，gydF4y2BadgydF4y2Ba，分别为第一和第二序列剪应力图，显示了应力场的高变异性和瞬态性。横过整个视野的剪应力增加(从黄色到红色)和减少(蓝色)(分别从第一个和第二个序列的大约35微秒到大约80微秒和大约20微秒到大约60微秒)与事件B中的滑移有关，然后对应于压力和横波的持续传播，增加应力，以及瑞利波，减少与破裂B的先前滑移相关的应力(现在已经停止);注意，(动态)剪切应力的减小与界面上发生的滑移无关。滑动事件的停止导致应力集中，应力集中与Homalite界面上持续滑动的动态应力波以及凿泥中间断滑动的动态应力波和动态弱化一起，促进了后续滑动事件的动态成核。gydF4y2Ba
扩展数据图10石英泥中速度增强的额外证据。gydF4y2Ba
摩擦与滑动(gydF4y2Ba一个gydF4y2Ba，gydF4y2BabgydF4y2Ba)及滑移率与滑移率(gydF4y2BacgydF4y2Ba，gydF4y2BadgydF4y2Ba)为断层泥层边缘的破裂序列1，gydF4y2Ba\ ({x} _ {1} = 1 rm {mm}} {\ \)gydF4y2Ba而且gydF4y2Ba\ ({x} _ {2} = 2 rm {mm}} {\ \)gydF4y2Ba．这些图表明，在事件A发生的大约5 μm滑移上，摩擦增加，而滑移速度从大约0.5 m s开始增加gydF4y2Ba−1gydF4y2Ba峰值超过1 m sgydF4y2Ba−1gydF4y2Ba．在事件B(红色)中，随着滑移率的增加，仅在2 μm左右的滑移尺度上，摩擦系数显著降低~0.15。在gydF4y2Ba\ ({x} _ {1} = 8 rm {mm}} {\ \)gydF4y2Ba(无花果。gydF4y2Ba4gydF4y2Ba)，滑移尺度约为5 μm时，摩擦衰减为0.22，表明滑移尺度为2 ~ 3 μm时，摩擦衰减为0.1。因此，在相似的滑移尺度上发生的增强和减弱表明两者都是持续的摩擦响应。请注意，如果这种强化是由于速率-弱化速率-状态摩擦的直接影响，那么与弱化相比，这种强化将发生在可忽略不计的滑移上。gydF4y2Ba
补充信息gydF4y2Ba
补充视频1gydF4y2Ba
沿着凿岩断层的第一组实验室地震期间粒子速度的实验测量。该视频显示了成像窗口上的全场断层平行(左上)和断层正向(右上)粒子速度，以及它们沿界面(底部面板)的轨迹。第一个破裂序列显示了超剪切破裂(在图集中标记为a)的到来，在gydF4y2Ba\ (t = 34.6 {\ rm{\μ}}{\ rm s} {} \)gydF4y2Ba不久之后就部分被捕了。超剪切破裂之后是亚瑞利破裂(标记为B)gydF4y2Ba\ (t = 41.6 {\ rm{\μ}}{\ rm s} {} \)gydF4y2Ba，反过来，它也在进入凿槽界面部分后不久失去蒸汽，在它的尾迹中留下更慢的滑移。这些断裂的全场模式与Homalite超剪切断裂和亚瑞利断裂的观测结果一致gydF4y2Ba37gydF4y2Ba．此后观察到几次穿透岩石凿泥层的尝试。最值得注意的是，在gydF4y2Ba\ (t = 65.6 {\ rm{\μ}}{\ rm s} {} \)gydF4y2Ba，和一个较弱的尝试(D)gydF4y2Ba\ (t = 78.6 {\ rm{\μ}}{\ rm s} {} \)gydF4y2Ba．接下来，与之前从左侧穿透断层泥的尝试形成鲜明对比的是，从断层泥内部出现了一个显著的动态破裂gydF4y2Ba\ (t = 86.6 {\ rm{\μ}}{\ rm s} {} \)gydF4y2Ba(在图集中标记为E)。这种动态破裂开始于先前破裂事件停止的位置附近(gydF4y2Ba\ ({x} _{1} \大约12 rm {mm}} {\ \)gydF4y2Ba)，集中剪应力。破裂最初在两侧生长，然后扩展到凿泥中，最后在视野范围内减慢并停止。gydF4y2Ba
补充视频2gydF4y2Ba
沿着岩石凿泥断层的第二序列实验室地震期间粒子速度的实验测量。该视频显示了成像窗口上的全场断层平行(左上)和断层正向(右上)粒子速度，以及它们沿界面(底部面板)的轨迹。第二个破裂序列显示超剪切破裂(在图集中标记为a)的到来，在gydF4y2Ba\ (t = 13.8 {\ rm{\μ}}{\ rm s} {} \)gydF4y2Ba不久之后就部分被捕了。在超剪切破裂发生之前，在早期滑移中存在一些扰动，与破裂成核压力波到达时的触发尝试相一致。超剪切断裂之后是亚瑞利断裂(B)gydF4y2Ba\ (t = 21.8 {\ rm{\μ}}{\ rm s} {} \)gydF4y2Ba，在穿透一部分凿槽界面后也会被拦截。值得注意的是，在这种情况下，破裂到达时间更短，因为与之前的序列相比，破裂序列在更接近视场的位置成核(扩展数据图1)。这些破裂的全场模式与前面序列中观察到的相似。然而，与第一个序列不同的是，滑动在整个视野中继续，滑动率为0.5-1 m sgydF4y2Ba−1gydF4y2Ba．几微秒后，在gydF4y2Ba\ (t = 41.8 {\ rm{\μ}}{\ rm s} {} \)gydF4y2Ba时，滑移速率加速，事件C沿界面大部分区域传播，滑移速率峰值为9 m sgydF4y2Ba−1gydF4y2Ba，并部分阻住周围gydF4y2Ba\ ({x} _ {1} = 40 rm {mm}} {\ \)gydF4y2Ba．与先前事件不同的是，从断层泥的另一侧开始，加速的，尽管很小的滑动(事件D)从断层泥的另一侧传播gydF4y2Ba\ (t = 73.8 {\ rm{\μ}}{\ rm s} {} \)gydF4y2Ba也会失去动力。然后一个明显的动态再成核(破裂E)发生在gydF4y2Ba\ (t = 81.8 {\ rm{\μ}}{\ rm s} {} \)gydF4y2Ba在事件D所跨越的区域内，相关的滑移率为6米秒gydF4y2Ba−1gydF4y2Ba．gydF4y2Ba
补充视频3gydF4y2Ba
沿着岩石凿泥断层的第二序列实验室地震期间摩擦的实验测量。视频显示了摩擦系数随时间和随界面距离的变化。破裂前的摩擦系数gydF4y2Ba\({f}_{0}={\tau}_{0}/{\sigma}_{0}=0.55\)gydF4y2Ba用黑色表示。红色区域表示与直接效应相关的摩擦系数增加，蓝色区域表示闪速加热导致的明显减弱。划出的飞机gydF4y2BaxgydF4y2Ba1gydF4y2Ba=常数(浅灰色)，值不断增加gydF4y2BaxgydF4y2Ba1gydF4y2Ba与摩擦面相交，产生摩擦时间历史(显示为绿色曲线)。当飞机到达地点时gydF4y2BaxgydF4y2Ba1gydF4y2Ba= 5毫米和gydF4y2BaxgydF4y2Ba1gydF4y2Ba= 40mm(与图3c所示对应，图4分析)，摩擦时程以时间为递增值绘制(红色曲线)。然后旋转摩擦表面以显示地形。gydF4y2Ba
权利和权限gydF4y2Ba
关于本文gydF4y2Ba
引用本文gydF4y2Ba
Rubino, V, Lapusta, N. & Rosakis, A.J.间断实验室地震在动态削弱断层泥。gydF4y2Ba自然gydF4y2Ba606gydF4y2Ba， 922-929(2022)。https://doi.org/10.1038/s41586-022-04749-3gydF4y2Ba
收到了gydF4y2Ba：gydF4y2Ba
接受gydF4y2Ba：gydF4y2Ba
发表gydF4y2Ba：gydF4y2Ba
发行日期gydF4y2Ba：gydF4y2Ba
DOIgydF4y2Ba：gydF4y2Bahttps://doi.org/10.1038/s41586-022-04749-3gydF4y2Ba
这篇文章被引用gydF4y2Ba
蠕变前沿和实验室地震序列的复杂性说明了延迟地震触发gydF4y2Ba
自然通讯gydF4y2Ba(2022)gydF4y2Ba
地震破裂带断裂、摩擦和损伤过程的综合gydF4y2Ba
纯地球物理与应用地球物理gydF4y2Ba(2022)gydF4y2Ba
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