Μελέτη της θερμοπορομηχανικής συμπεριφοράς των γεωυλικών

Abstract

Earthquakes and catastrophic landslides occur because fault strength weakens with increasing slip or slip rate [1]. What physical processes determine how that weakening occurs? Recent field observations suggest that slip in individual events may then be extremely localized, and may occur primarily within a thin shear zone, 1 - 5 mm thick, lying within an ultracataclastic fault core of typically tens to hundreds millimeter thickness. Evidence for that morphology has emerged from studies of the San Andreas system in southern California, and of the famous Vaiont slide, northern Italy, where thick (5 - 15 cm) clay layers are embedded within the limestone strata. In this work we study the behavior of thermo-viscoplastic fault materials under steady shear. We present the governing equations, derived from first principles of continuum thermodynamics, and several constitutive behaviors are studied with respect to thermal and rate dependent friction. It is shown that shear heating (heat produced due to friction) may lead to unstable behavior and localization of deformation and dissipation towards the structure described in the introduction. The effects of multi-physics mechanisms such as the effect of chemical reactions on the evolution of these unstable processes are also considered. Through numerical bifurcation analyses we verify that an endothermic chemical reaction caps the unstable softening and determines the later stages of sliding, at elevated temperatures. Numerical solution of the full dynamical system indicates that such kind of models could provide stick-slip instabilities and the time scales of each of these phases are extracted. A thermochemomechanical model for unraveling the physics of moving faults is developed. Through the mechanisms of thermal energy production due to friction and energy consumption due to the triggering of endothermic chemical reactions at elevated temperatures we may determine whether a fault will creep stably (aseismically), pass from aseismic creep to seismic slip or provide directly seismic slip.

Οι σεισμοί και οι καταστροφικές κατολισθήσεις συμβαίνουν λόγω δυναμικής απομείωσης των ρηγμάτων και των πρανών όσο αυξάνει η μετατόπιση και η ταχύτητα. Ποιες είναι όμως οι φυσικές διαδικασίες που καθορίζουν πως συμβαίνει αυτή η μείωση της αντίστασης? Η ερώτηση αυτή απευθύνεται στη συγκεκριμένη εργασία σε ρήγματα με κατακερματισμένους πυρήνες, ικανά να παράγουν ισχυρούς σεισμούς ή καταστροφικές, βαθιές κατολισθήσεις. Πρόσφατες έρευνες πεδίου προτείνουν ότι η ολίσθηση σε ορισμένα συμβάντα μπορεί να είναι εξαιρετικά εντοπισμένες, μέσα σε μια ζώνη ολίσθησης πάχους < 1 – 5 mm. Αυτή η λεπτή ζώνη εντοπισμού βρίσκεται μέσα σε ένα κατακερματισμένο πυρήνα του ρήγματος, τυπικού πάχους δεκάδων έως εκατοντάδων mm. Αποδείξεις αυτής της μορφολογίας μπορούμε να βρούμε στο ανενεργό ρήγμα του San Gabriel, στο ρήγμα του Αιγίου, καθώς και στο ρήγμα του Punchbowl στην περιοχή του San Andreas California, στο Median Tectonic Line της Ιαπωνίας, και στο ρήγμα του σεισμού του Chi-Chi. Επίσης, αποδείξεις αυτής της δομής μπορούν να βρεθούν στην κοιλάδα της κατολίσθησης της Vaiont στη ΒΑ Ιταλία, όπου παχιές στρώσεις (5-15 cm) αργιλικού υλικού βρίσκονται ανάμεσα σε αβεστολιθικά πετρώματα. Σε αυτή την εργασία μελετάμε την συμπεριφορά ενός θερμοιξωδοπλαστικού υλικού υπό διάτμηση κάτω από σταθερό φορτίο. Παρουσιάζουμε τις διέπουσες εξισώσεις του προβλήματος και μελετάμε πλήθος καταστατικών νόμων τριβής, ως προς τη θερμική και δυναμική τους εξάρτηση με το συντελεστή τριβής του υλικού. Δείχνουμε ότι όλοι οι νόμοι σε χαμηλές θερμοκρασίες παρουσιάζουν την ίδια συμπεριφορά, και ότι η θερμότητα που παράγεται λόγω τριβής στη βάση ενός ρήγματος/πρανούς μπορεί να είναι αρκετή ώστε να οδηγήσει σε ασταθή εξέλιξη του φαινομένου, εντοπισμό της ενέργειας και της παραμόρφωσης σε μια κεντρική ζώνη μέσα στην αρχική, οδηγώντας στη δομή που παρουσιάσαμε προηγουμένως. Αυτή η αστάθεια δείχνουμε ότι θα οδηγήσει τις θερμοκρασίες να αυξηθούν έως ότου ενεργοποιήσουν την πρώτη ενδόθερμη αντίδραση που μπορεί να συμμετάσχει το υλικό. Μέσω αριθμητικών αναλύσεων ευστάθειας επιβεβαιώνουμε αυτόν τον ισχυρισμό και, εφαρμόζοντας το μοντέλο στην κατολίσθηση της κοιλάδας της Vajont, δείχνουμε ότι η συνολική κίνηση μπορεί να παρέχει αστάθειες τύπου stick-slip, καθώς οι χρονοκλίμακες του φαινομένου του ερπυσμού με αυτές των αντιδράσεων απέχουν σημαντικά. Το μοντέλο επίσης παρέχει τις περιοχές θερμικών και μηχανικών συνθηκών φόρτισης για τις οποίες ένα δεδομένο υλικό θα έρπει ευσταθώς (aseismic creep), θα μεταβεί από ευσταθή ερπυσμό σε ασταθή σεισμική ολίσθηση (aseismic creep to seismic slip transition) ή θα εισέλθει απ' ευθείας σε σεισμική ολίσθηση.