On the role of the sliding surface macrostructure in the origin and development of dynamic instability in the upper part of the Earth’s crust

Cover Page

Cite item

Full Text

Open Access Open Access
Restricted Access Access granted
Restricted Access Subscription Access

Abstract

The heterogeneous structure of the future rupture surface plays an important role at all stages of the evolution of dynamic instability processes in rock massifs. The presence of heterogeneities leads to the appearance of stress concentration areas on large-scale irregularities (asperities) and relatively unloaded areas of the interface with radically different frictional properties. The influence of the interaction of such zones may be more complex than just stress concentration. According to published data from geodetic and seismological observations, with certain structures of the fault zone structure, various slip modes along the fault can be observed — from slow slip events to supershear ruptures. The article presents the results of laboratory experiments on the shear of meter-scale rock blocks, the contact between which contained zones of increased strength, which have the property of velocity weakening. In order to compare the results of laboratory experiments with the effects observed in nature, a database containing rupture models for more than 150 earthquakes in different regions of the world was used. A joint analysis of the results of laboratory experiments and seismological observations showed that the development of a rupture occurs according to several scenarios determined by the mutual arrangement of asperity zones. Information on the location of such areas, for use in numerical modeling of the deformation process of a specific region of the crust, can be obtained from the results of satellite and seismological observations. For areas of preparation of relatively small earthquakes, where geodetic observations are ineffective, the necessary information can be obtained using observations of microseismicity.

About the authors

G. G. Kocharyan

Sadovsky Institute of Geospheres Dynamics

Email: gevorgkidg@mail.ru
Moscow, Russia

A. A. Ostapchuk

Sadovsky Institute of Geospheres Dynamics

Moscow, Russia

G. A. Gridin

Sadovsky Institute of Geospheres Dynamics

Moscow, Russia

S. B. Kishkina

Sadovsky Institute of Geospheres Dynamics

Moscow, Russia

D. V. Pavlov

Sadovsky Institute of Geospheres Dynamics

Moscow, Russia

References

  1. Будков А.М., Кишкина С.Б., Кочарян Г.Г. Моделирование сверхсдвигового режима распространения разрыва по разлому с гетерогенной поверхностью // Физика Земли. 2022. № 4. С. 135–150.
  2. Будков А.М., Кочарян Г.Г. Формирование зоны нарушенного материала в окрестности динамического сдвига по разлому в кристаллическом массиве горных пород // Физическая мезомеханика. 2024. № 1.
  3. Гамбурцев Г.А. Избранные труды. М.: АН СССР. 1960. С. 461.
  4. Гридин Г.А., Кочарян Г.Г., Морозова К.Г., Новикова Е.В., Остапчук А.А., Павлов Д.В. Развитие процесса скольжения по гетерогенному разлому. Крупномасштабный лабораторный эксперимент// Физика Земли. 2023. № 3. С. 139–147.
  5. Гусев А.А. Фрактальный очаг землетрясения с зоной скольжения порождает временные функции ускорения с плоскими спектрами // Докл. РАН. 2013. Т. 448. № 4. С. 465.
  6. Добровольский И.П. Теория подготовки тектонического землетрясения. М.: ИФЗ РАН. 1991. 224 с.
  7. Завьялов А.Д. Среднесрочный прогноз землетрясений: основы, методика, реализация. М.: Наука. 2006. 254 с.
  8. Касахара К. Механика землетрясений. М.: Мир. 1985. 264 с.
  9. Киссин И.Г. Флюиды в земной коре. Геофизические и тектонические аспекты. М.: Наука. 2015. 328 с.
  10. Кочарян Г.Г., Беседина А.Н., Гридин Г.А., Морозова К.Г., Остапчук А.А. Трение как фактор, определяющий излучательную эффективность подвижек по разломам и возможность их инициирования. Состояние вопроса // Физика Земли. 2023. № 3. С. 3–32. doi: 10.31857/S0002333723030067
  11. Кочарян Г.Г., Будков А.М., Кишкина С.Б. Влияние структуры зоны скольжения разлома на скорость распространения разрыва при землетрясении // Физическая мезомеханика. 2022. Т. 25. № 4. С. 84–93.
  12. Кочарян Г.Г., Остапчук А.А. Мезоструктура зоны скольжения тектонического разлома // Физическая мезомеханика. 2022. Т. 25. № 5. С. 94–105.
  13. Кочарян Г.Г., Шатунов И.В. Актуальные вопросы гидрогеологии сейсмогенных разломных зон // Физика Земли. 2024. № 4. С. 182–211. doi: 10.31857/S0002333724040121
  14. Кочарян Г.Г. Возникновение и развитие процессов скольжения в зонах континентальных разломов под действием природных и техногенных факторов. Обзор современного состояния вопроса // Физика Земли. 2021. № 4. С. 3–41. doi: 10.31857/S0002333721040062
  15. Кочарян Г.Г. Геомеханика разломов. М.: ГЕОС. 2016. 424 с.
  16. Кочарян Г.Г., Кишкина С.Б. Физическая мезомеханика очага землетрясения // Физическая мезомеханика. 2020. Т. 23. №6. С. 9–24.
  17. Попов В.Л. Механика контактного взаимодействия и физика трения. От нанотрибологии до динамики землетрясений. М.: ФИЗМАТЛИТ. 2013.
  18. Смирнов В.Б., Пономарёв А.В. Физика переходных режимов сейсмичности. М.: РАН. 2020. 412 с.
  19. Соболев Г.А. Физические основы прогноза землетрясений. М.: Наука. 1993. 314 с.
  20. Соболев Г.А. Концепция предсказуемости землетрясений на основе динамики сейсмичности при триггерном воздействии. М.: ИФЗ РАН. 2011. 56 с.
  21. Соболев Г.А. Модель лавинно-неустойчивого трещинообразования (ЛНТ) // Физика Земли. 2019. № 1. С. 166–179.
  22. Соболев Г.А., Пономарев А.В. Физика землетрясений и предвестники. М.: Наука. 2003. 270 с.
  23. Уломов В.И. Глобальная упорядоченность сейсмогеодинамических структур и некоторые аспекты сейсмического районирования и долгосрочного прогноза землетрясений. Сейсмичность и сейсмическое районирование Северной Евразии. Вып. 1. М.: ИФЗ РАН. 1993. С. 24–44.
  24. Andrews D.J. Rupture velocity for plane strain shear cracks // J. Geophys. Res. 1976. V. 81. P. 5679.
  25. Archard J.F. Elastic deformation and the laws of friction // Proc. R. Soc. London. Ser. A. 1957. V. 243. P. 190–205.
  26. Avouac J.P. From geodetic imaging of seismic and aseismic fault slip to dynamic modeling of the seismic cycle // Annu. Rev. Earth Planet. Sci. 2015. V. 43. P. 233–271. doi: 10.1146/annurevearth-060614-105302.
  27. Brown S.R., Scholz C.H. Closure of random elastic surfaces in contact // J. Geophys. Res. 1985a. V. 90. P. 5531–5545.
  28. Brown S.R., Scholz C.H. Broad bandwidth study of the topography of natural rock surfaces // J. Geophys. Res. 1985b. V. 90. P. 12575–12582.
  29. Bürgmann R. The Geophysics, geology and mechanics of slow fault slip // Earth Planet. Sci. Lett. 2018. V. 495. P. 112–134. doi: 10.1016/j.epsl.2018.04.062.
  30. Candela T., Renard F., Klinger Y., Mair K., Schmittbuhl J., Brodsky E.E. Roughness of fault surfaces over nine decades of length scales // J. Geophys. Res. 2012. V. 117. P. B08409. doi: 10.1029/2011JB009041.
  31. Chen X., Carpenter B.M., Reches Z. Asperity failure control of stick–slip along brittle faults // Pure and Applied Geophysics. 2020. V. 177. P. 3225–3242. doi: 10.1007/s00024-020-02434-y.
  32. Chen X., Madden A.S., Bickmore B.R., Reches Z. Dynamic weakening by nanoscale smoothing during high-velocity fault slip // Geology. 2013. V. 41. № 7. P. 739–742. doi: 10.1130/G34169.1.
  33. Ide S. Frequent observations of identical onsets of large and small earthquakes // Nature. 2019. V. 573. P. 112–116. https://doi.org/10.1038/s41586-019-1508-5
  34. Métois M., Vigny C. Socquet A. Interseismic Coupling, Megathrust Earthquakes and Seismic Swarms Along the Chilean Subduction Zone (38°–18°S) // Pure Appl. Geophys. 2016. V. 173. P. 1431–1449. doi: 10.1007/s00024-016-1280-5.
  35. Miachkin V. I., Brace W. F., Sobolev G. A., Dieterich J. H. Two models for earthquake forerunners // Pure appl. Geophys. 1975. V. 113. № 1/2. P. 169–181.
  36. Mikhailov V.O., Timoshkina E.P., Diament M., Smirnov V.B. Enigma of the Olyutorskii earthquake resolved by SAR interferometry// Pure and Applied Geophysics. 2023. Т. 180. № 10. С. 3423–3433.
  37. Mindlin R D. Compliance of elastic bodies in contact // J. Appl. Mech. 1949. V. 16. P. 259–268.
  38. Mindlin R.D., Deresiewicz H. Elastic spheres in contact under varying oblique forces // J. Appl. Mech. Trans. ASME. 1953. V. 20. P. 327–344.
  39. Obara K., Kato A. Connecting slow earthquakes to huge earthquakes // Science. 2016. V. 353. P. 253–257. DOI: 10.1126 /science.aaf1512.
  40. Ostapchuk A., Polyatykin V., Popov M., Kocharyan G. Seismogenic patches in a tectonic fault interface// Frontiers in Earth Science. 2022. Т. 10. С. 904814.
  41. Peng Z., Gomberg J. An integrated perspective of the continuum between earthquakes and slow-slip phenomena // Nature geosciences. 2010. V. 3. P. 599–607. doi: 10.1038/ngeo940.
  42. Plata-Martinez R., Ide S., Shinohara M., et al. Shallow slow earthquakes to decipher future catastrophic earthquakes in the Guerrero seismic gap // Nat Commun. 2021. V. 12. P. 3976. https://doi.org/10.1038/s41467-021-24210-9
  43. Radiguet M., Perfettini H., Cotte N., Gualandi A., Valette B., Kostoglodov V., Lhomme T., Walpersdorf A., Cabral Cano E., Campillo M. Triggering of the 2014 Mw7.3 Papanoa earthquake by a slow slip event in Guerrero, Mexico // Nat. Geosci. 2016. V. 9. P. 829–833. DOI: 10.1038 /ngeo2817
  44. Reid H.F. The Mechanics of the Earthquake. The California Earthquake of April 18, 1906. Report of the State Investigation Commission. V. 2. Washington D.C.: Carnegie Inst. 1910. P. 16–28.
  45. Rice J.R. Fault stress states, pore pressure distributions, and the weakness of the San Andreas fault // International Geophysics. 1992. V. 51. P. 475–504. doi: 10.1016/S0074-6142(08)62835-1.
  46. Scholz C.H. The mechanics of earthquakes and faulting. Cambridge: Cambridge University Press. 2019. 512 p. doi: 10.1017/9781316681473
  47. Vallée M., Charléty J., Ferreira A.M.G., Delouis B., Vergoz J. SCARDEC: A new technique for the rapid determination of seismic moment magnitude, focal mechanism and source time functions for large earthquakes using body-wave deconvolution // Geophysical Journal International. 2011. V. 184 (1). P. 338–358. doi: 10.1111/j.1365-246X.2010.04836.x.
  48. Ye L., Kanamori H., Lay T. Global variations of large megathrust earthquake rupture characteristics // Sci. Adv. 2018. V. 21. № 4. P. eaao4915. doi: 10.1126/sciadv
  49. Ye L., Lay T., Kanamori H., Rivera L. Rupture characteristics of major and great (Mw ≥ 7.0) megathrust earthquakes from 1990 to 2015: 1. Source parameter scaling relationships // J. Geophys. Res. 2016. V. 121. P. 826–844.

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
Download

Copyright (c) 2025 Russian Academy of Sciences

Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».