A phase‐field model for quasi‐dynamic nucleation, growth, and propagation of rate‐and‐state faults
A phase‐field model for quasi‐dynamic nucleation, growth, and propagation of rate‐and‐state faults
复制标题
速率和状态断层的准动态成核、生长和传播的相场模型
DOI：
10.1002/nag.3465
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发表时间：
2022
影响因子：
4
通讯作者：
Choo, Jinhyun
中科院分区：
文献类型：
--
作者：
Fei, Fan;Mia, Md Shumon;Elbanna, Ahmed E.;Choo, Jinhyun
尽管它在地震过程研究中的关键作用，断层破裂的整个阶段的数值模拟仍然是一个艰巨的任务。模拟断层破裂过程的主要挑战包括断层几何形状的复杂演化、摩擦接触以及在广泛的空间和时间尺度上的断层外损害。在这里，我们开发了一个准动态故障成核，生长和传播的相场模型，它具有两个突出的优点：（i）它不需要任何复杂的算法来表示故障的几何形状及其演变;（ii）它允许用一个单一的公式来建模故障成核，传播和离故障损伤过程。基于最近开发的摩擦接触剪切断裂相场框架，所提出的公式包含速率和状态相关的摩擦，辐射阻尼及其对断层力学和断层外损伤的影响。我们表明，相场模型的数值结果与将断层建模为不连续表面的经过充分验证的方法所获得的结果一致，而不会受到现有断层破裂连续方法中的网格收敛问题（例如，应力过剩方法）。此外，通过在各种设置中的断层传播的数值例子，我们表明，相场方法可能会打开新的机会，调查复杂的地震过程，仍然过于具有挑战性的现有数值方法。
Despite its critical role in the study of earthquake processes, numerical simulation of the entire stages of fault rupture remains a formidable task. The main challenges in simulating a fault rupture process include the complex evolution of fault geometry, frictional contact, and off‐fault damage over a wide range of spatial and temporal scales. Here, we develop a phase‐field model for quasi‐dynamic fault nucleation, growth, and propagation, which features two standout advantages: (i) it does not require any sophisticated algorithms to represent fault geometry and its evolution; and (ii) it allows for modeling fault nucleation, propagation, and off‐fault damage processes with a single formulation. Built on a recently developed phase‐field framework for shear fractures with frictional contact, the proposed formulation incorporates rate‐ and state‐dependent friction, radiation damping, and their impacts on fault mechanics and off‐fault damage. We show that the numerical results of the phase‐field model are consistent with those obtained from well‐verified approaches that model the fault as a surface of discontinuity, without suffering from the mesh convergence issue in the existing continuous approaches to fault rupture (e.g., the stress glut method). Further, through numerical examples of fault propagation in various settings, we demonstrate that the phase‐field approach may open new opportunities for investigating complex earthquake processes that have remained overly challenging for the existing numerical methods.
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