断层力学概论

黄福明，男，壮族，1941年11月30日生，广西壮族自治区都安瑶族自治县人。中共党员。1968年北京大学地球物理系研究生毕业，同年分配到地质部地震地质大队工作，1986年该队更名为国家地震局地壳应力研究所。1986年晋升为副研究员，1993年评聘为研究员，硕士生导师。1993年获国务院政府特殊津贴。历任地壳应力研究所断层力学研究室副主任，地震预报研究室主任，中国地震局地震科学联合基金会项目主任，高级技术专业职称评委，中国地震学会地震学专业委员会委员，中国地震学会地应力专业委员会委员，中华全国青年联合会第五届委员会特邀委员，《地震》与《地壳构造与地壳应力》编委。讲求科研道德。科研领域比较广泛，主要从事断层力学（特别是弹性位错理论在地震预报中）的基础研究与应用研究。提出一些新的科学概念（如广义影响场，广义地震特征量等），并开展研究，获得有意义的成果。1993年以来侧重研究地震的综合预报问题。先后在国内外学术会议上与学术刊物上发表中、英文文章40多篇，撰写研究报告10余篇。1983年以来，共获得局级（副部级）与所级科技进步奖15项。在长期科研工作中坚持的座右铭是：勤于观察，善于思考，勇于探索，敢于创新。

第1章 断层概述

1.1 断层、断层要素与断层带

1.2 断层的分类

1.2.1 断层的几何分类

1.2.2 断层的成因分类

1.3 活动断层

1.3.1 活动断层的定义

1.3.2 活动断层的标志

1.3.3 中国活动断层的分布

1.3.4 一些世界著名的活动断层

1.4 转换断层

1.5 地震断层

第2章 力学基础

2.1 均匀介质中的应力与应变

2.1.1 内力与应力

2.1.2 单向压缩情况下斜截面上的应力

2.1.3 双向压缩情况下斜截面上的应力

2.1.4 地壳应力的几个基本概念

2.1.5 变形与应变

2.2 弹性力学基础

2.2.1 三维弹性体的应力分析

2.2.2 三维弹性体的应变分析

2.2.3 应力与应变的关系

2.3 断裂力学基础

2.3.1 裂纹的三种基本类型

2.3.2 裂纹顶端应力分布的特征

2.3.3 裂纹系统的能量分析

2.3.4 裂纹的扩展过程与断裂

2.3.5 复合型裂纹的脆性断裂判据

2.3.6 弹塑性断裂力学简介

2.3.7 断层力学研究中应用断裂力学需注意的问题

2.4 岩石力学基础

2.4.1 岩石的物理力学性质

2.4.2 岩石的脆性破裂

2.4.3 岩石的力学模型

2.4.4 对应原理

第3章 断层的摩擦滑动

3.1 摩擦力

3.1.1 外摩擦力与内摩擦力、静摩擦力与滑动摩擦力

3.1.2 初始摩擦力、最大摩擦力与残余摩擦力

3.2 摩擦定律概述

3.2.1 Amontons定律

3.2.2 Jaeger定律

3.2.3 Byerlee定律

3.3 断层面的接触类型

3.3.1 尖点接触

3.3.2 平面接触

3.3.3 齿合接触

3.4 岩石断面的摩擦滑动

3.4.1 稳滑与粘滑

3.4.2 影响稳滑与粘滑的因素

3.4.3 粘滑前的重要特点——前兆性滑动

3.4.4 稳滑与粘滑产生的物理机制

第4章 断层的应力状态

4.1 断层形成时的应力状态

4.1.1 一般断层

4.1.2 次生断层

4.1.3 地震断层与构造应力状态

4.2 断层上的应力

4.2.1 活断层上的应力

4.2.2 老断层上的应力

4.3 断层附近的应力

4.3.1 断层附近的应力集中

4.3.2 断层附近的应力积累

4.4 剪切生热与断层的应力状态

第5章 断层的力学模型

5.1 断层的弹簧—滑块模型

5.2 断层的障碍体（Barrier）模型

5.2.1 障碍体模型的主要内容

5.2.2 障碍体模型的数值试验依据

5.2.3 障碍体模型的野外证据

5.2.4 障碍体的分类及其作用

5.2.5 地震断层障碍体参数的估计方法

5.2.6 断层障碍体模型的应用

5.3 断层的凹凸体（Asperity）模型

5.3.1 凹凸体模型的主要内容

5.3.2 凹凸体模型的应用

5.4 断层的多重凹凸体模型

5.4.1 多重凹凸体模型的主要内容

5.4.2 多重凹凸体模型的野外观测依据

5.4.3 多重凹凸体模型的一些应用

第6章 断层的运动学模型

6.1 位错理论的提出与发展

6.2 弹性静位错理论的基本概念

6.2.1 位错、位错线与位错面

6.2.2 两种类型的位错

6.2.3 刃型位错与螺型位错

6.3 断层的三维弹性静位错模型

6.3.1 Volterra位错产生的位移场与应力场

6.3.2 断层的弹性静位错模型

6.4 断层的弹性动态位错模型

6.4.1 Heaviside模型

6.4.2 Haskell模型

6.4.3 Brune模型

6.5 断层的粘弹性位错模型

6.5.1 粘弹性位错模型的建立

6.5.2 粘弹性位错模型的应用

6.6 断层位错模型的局限性

第7章 断层的动力学模型

7.1 无摩擦的二维裂纹破裂模型

7.1.1 Knopoff模型

7.1.2 Starr模型

7.1.3 无摩擦二维裂纹模型的应用

7.1.4 无摩擦二维裂纹模型的局限性及其初步改进

7.2 二维剪切裂隙自发（spontaneous）破裂传播模型

7.2.1 Kostrov的法平面（antiplane）剪切裂隙自发传播模型

7.2.2 法平面剪切裂纹自发传播的一般理论

7.2.3 法平面剪切裂纹自发传播的时间过程

7.3 三维介质中摩擦断层复杂破裂传播数值模拟

7.3.1 平面摩擦断层破裂传播模型

7.3.2 平面断层上圆形凹凸体破裂传播数值模拟

7.4 三维倾斜断层运动不对称性的动力学模拟

7.4.1 物理模型和分析途径

7.4.2 数值模拟方法和结果

7.5 断层动力学模拟地震强度分布统计特征

7.5.1 滑块和弹簧系统的动力学模型

7.5.2 滑块和弹簧系统的地震强度分布统计特征模拟

第8章 断层运动产生的应力波

8.1 波动方程

8.2 地震波

8.2.1 体波

8.2.2 面波

8.3 地震前的长周期形变波

8.3.1 一些初步的观测研究

8.3.2 长周期形变波的基本特征

8.3.3 长周期形变波产生的物理机制

8.4 慢地震

8.4.1 慢地震的主要特征

8.4.2 慢地震与正常地震的关系

8.4.3 中国一些慢地震的例子

8.4.4 慢地震产生的物理机制

第9章 断层运动产生的位移、形变与应力场

9.1 位移场

9.1.1 直立断层错动产生的弹性位移场

9.1.2 倾斜断层错动产生的弹性位移场

9.1.3 断层错动产生的粘弹性位移场

9.2 应变场与倾斜场

9.2.1 直立断层错动产生的弹性应变场与倾斜场

9.2.2 倾斜断层错动产生的弹性应变场与倾斜场

9.2.3 粘弹性介质中的应变场与倾斜场

9.3 应力场

9.3.1 弹性介质中的应力场

9.3.2 粘弹性介质中的应力场

第10章 断层蠕变滑动

10.1 断层蠕变现象

10.1.1 美国圣安德烈斯断层的蠕变现象

10.1.2 土耳其北安纳托利亚断层的蠕变现象

10.1.3 中国一些断层的蠕变现象

10.2 断层蠕变类型

10.2.1 稳态蠕变

10.2.2 间歇性蠕变

10.2.3 地震前兆性蠕变

10.2.4 地震后断层蠕变

10.3 断层蠕变的传播方式

10.4 断层蠕变事件的经验定律

10.5 影响断层蠕变的因素与断层蠕变随深度的变化

10.6 断层蠕变的物理机制

第11章 断层的非稳态滑动

第12章 断层的相互作用

第13章 断层运动的科学观察

第14章 断层运动与地震预报

参考文献 2100433B

《断层力学概论》由断层概述、力学基础、断层的摩擦滑动、断层的应力状态、断层的力学模型、断层的三维弹性静位错模型、断层的非稳态滑动、断层的相互作用、断层运动的科学观察、断层运动与地震预报等14章构成。

能产生大震和具有以下至少一点特征的活断层是能动断层：

在3.5万年以来至少产生过一次近地表或在地表发生的运动。

发生过地震运动（3.5级或者更高），并且有仪器测定的记录其精确度能够证明地震运动与断层有直接关系。

对于能动断层来说，断层一边发生地震运动，另一边也会受到影响。

仪器记录到历史上有小震活动产生，且跟断层有关。

能动断层（capable fault）

可能引起地表或近地表明显错动的断层。2100433B

岩层或岩体在构造应力作用下，发生破裂，并沿破裂面两侧岩块发生明显位移的构造。断层在地壳中广泛发育，常常构成一定地区的构造格架，区域性的大断层不仅控制或影响区域地质的结构和发展，而且以其为背景形成区域成矿带;矿区内的断层，有的控制着矿床分布、矿体的形态产状和矿石品位的贫富，有的则对矿体起破坏作用，使矿床开采复杂化。对断层的调查、观察、测定其产状要素、确定其类型、分析它与成矿的关系，对指导开采十分重要。

断层要素：指断层的几何要素，包括断层面、断层线、断盘、滑距、断距等。(1)断层面：即岩层或岩体的破裂和错位面，其产出状态由该面的走向、倾向、倾角确定。(2)断层线：指断层面与地面的交线，即断层在地表的出露线。(3)断盘：指断层面两侧的岩块。断层面倾斜时，面的上侧岩块叫上盘；下侧岩块称下盘；断层面垂直时，则两盘以方位命名，如东盘、西盘、南盘、北盘等。(4)滑距：指断层面上同一地质现象点错断后的实际距离称总滑距；总滑距在断层面走向线上的分量叫走向滑距；总滑距在断层面倾斜线上的分量为倾斜滑距；总滑距在水平面上的投影长度称水平滑距。(5)断距：断层面上对应层之间的垂直断距；对应层间的水平距离称水平断距。

断层的工程地质性质：①逆断层面呈舒缓波状，有时有镜面，挤压面常集中出现构成挤压带，断层面矿物定向排列，抗剪强度低，常具有隔水性能。②正断层面粗糙，有时呈锯齿状，抗剪强度较逆断层高，透水排水性能好，常为地下水的通道，在石灰岩地区容易沿其形成喀斯特洞穴。③平移断层面平直光滑，有镜面，产状稳定，倾角一般较陡，延伸长，在平面上常成X形分布，抗剪强度亦较低。

1)绝大多数强震震中分布于活动断层带内。

2)世界上破坏性地震所产生的地表新断层与原来存在的断层走向一致或完全重合。

3)在许多活动断层上都发现了古地震及其重要现象，重复的时间在几百年至上万年。

4）大多数强震的极震区和等震线的延长方向与当地断层走向一致。

5）震源力学分析得出，震源错动面产生状态大部分和地表断层一致。总之，地震带与活动断层有着成因上的密切联系。活动断层的作用又是产生地震和地震带分布的根本因素。