《International Journal of Mining Science and Technology》：Frictional slip and rupture propagation in porous sandstone faults: An improved DEM contact model
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为探究断层带摩擦滑动过程中破裂扩展的时空演化规律，本研究开展了与含锯切断层多孔砂岩试样位移驱动三轴压缩试验高度一致的数值模拟。模拟中采用了与试验完全相同的加载点速度和有效围压。本研究采用离散元方法（DEM）和一种改进的接触模型来再现试验中观察到的粘滑现象。此外
为探究断层带摩擦滑动过程中破裂扩展的时空演化规律，本研究开展了与含锯切断层多孔砂岩试样位移驱动三轴压缩试验高度一致的数值模拟。模拟中采用了与试验完全相同的加载点速度和有效围压。本研究采用离散元方法（DEM）和一种改进的接触模型来再现试验中观察到的粘滑现象。此外，基于改进的DEM声发射（AE）监测方法，系统计算了震级和b值（b-value）的演化规律。数值结果很好地再现了试验中的关键现象，差应力、剪应力和正应力曲线与试验数据高度吻合。研究成功捕捉到了前兆滑动和前兆AE事件的加速演化过程，以及慢滑事件与快滑事件之间AE事件的差异。这些发现凸显了改进模型在捕捉滑动弱化行为方面的优势，并验证了新模型与改进AE监测方法联合应用的有效性。总体而言，该集成框架为揭示摩擦滑动中前兆滑动与破裂扩展的潜在机制提供了可靠基础。
多孔砂岩断层摩擦滑动与破裂扩展的离散元模拟研究解读
一、研究背景与科学问题
断层摩擦滑动行为及其伴随的破裂扩展过程是岩石力学与地震断层力学领域的核心研究课题。学术界已提出多种理论框架来解释断层如何从稳定滑动过渡到动态失稳，包括滑动弱化本构关系和速率-状态摩擦定律。实验室三轴压缩试验为揭示断层滑动行为提供了关键手段。已有研究表明，围压、加载速率、孔隙压力、断层粗糙度及表面形态等因素及其变化显著影响断层从稳定滑动向粘滑失稳乃至地震触发的转变。其中，围压作为模拟深部原位应力状态的关键参数，在调控断层剪切强度、滑动稳定性及破裂扩展特征方面发挥着重要作用。
早期研究发现，围压升高通常促进断层从稳定滑动向粘滑失稳转变，并伴随更大的应力降。正应力通过影响断层表面的真实接触面积和摩擦本构特性来调节滑动稳定性。在粗糙花岗岩断层的粘滑试验中，高围压条件下断层表现出快慢破裂交替的复杂滑动模式，并伴随大量声发射（AE）爆发。值得注意的是，一个完整的粘滑事件并非单一均质过程，而是可分为两个具有不同物理机制的阶段：初始破裂扩展阶段和后续摩擦滑动阶段。在破裂扩展阶段，破裂前沿沿断层面传播，仅释放总滑动量和应力降的一小部分；在后续摩擦滑动阶段，断层发生大规模整体滑动，贡献了粘滑事件中大部分的滑动量和能量释放。
AE监测技术被广泛应用于实验室岩石力学试验中，以追踪微破裂活动的时空演化。研究表明，在试样破坏前，AE事件率通常趋于加速，事件的空间分布逐渐向未来破裂面集中。然而，关于先存断层摩擦滑动试验中AE活动如何随围压变化，特别是慢滑与快滑事件之间AE响应的差异，尚缺乏深入研究。
数值模拟方法，特别是离散元方法（DEM），为在细观尺度研究断层摩擦滑动和破裂扩展提供了有效手段。DEM能够显式模拟颗粒间的接触、滑动和分离行为，天然适合处理不连续介质问题。然而，传统DEM模型在模拟断层粘滑行为时存在若干关键局限：部分研究产生的粘滑事件与试验观测不一致；另一些研究虽模拟了三轴试验，但未能完整再现粘滑事件，仅识别出部分微滑动。这些不足严重限制了DEM在断层粘滑数值模拟中的深入应用，也阻碍了室内试验结果在数值模型中的反馈与验证。特别是，缺乏对不同围压条件下断层破裂扩展阶段与摩擦滑动阶段之间滑动位移和应力降分配的系统性数值研究。
二、研究内容与技术方法
针对上述问题，研究人员对含人工锯切断层的多孔砂岩开展了DEM数值模拟，与已有的位移驱动三轴加载试验相对应。数值算例采用与试验相同的围压范围，系统研究围压对断层摩擦滑动和破裂扩展行为的影响。本研究的主要贡献包括：开发了包含更符合物理实际的摩擦本构关系的改进接触模型，以准确再现不同围压下的粘滑现象和滑动弱化行为；开发了DEM框架中优化的AE监测方法，实现震级和b值演化的定量计算；系统分析了围压对前兆滑动、AE事件加速演化特征以及慢滑与快滑事件AE响应差异的影响；定量确定了破裂扩展阶段与摩擦滑动阶段之间滑动量和应力降随围压的分配关系。
研究采用的关键技术方法主要包括：建立倾角为30°的锯切断层模型，模型长100 mm、直径50 mm，包含约42,000个颗粒和250,000个接触；采用平行粘结模型（PBM）描述岩石基质颗粒间的力学行为；开发了新的动态光滑节理模型（nDSJM）描述断层颗粒间的相互作用，该模型是光滑节理模型（SJM）的改进版本；采用伺服控制方法施加围压，以恒定加载速率施加轴向荷载；基于单轴压缩标定试验确定基质颗粒接触模型参数，基于剪切试验结果标定断层颗粒接触模型参数；采用改进的AE监测方法实现震级和b值的定量计算。
三、主要研究结果
3.1 数值模型与试验结果的对比验证
数值模拟结果很好地再现了试验中的关键现象。差应力、剪应力和正应力曲线与试验数据高度吻合，验证了改进接触模型和AE监测方法的有效性。模型成功捕捉到了前兆滑动和前兆AE事件的加速演化过程，以及慢滑事件与快滑事件之间AE事件的差异。
3.2 围压对断层摩擦滑动行为的影响
研究系统分析了不同围压条件下断层的摩擦滑动行为。数值结果揭示了围压对断层滑动稳定性的调控作用，以及不同围压条件下粘滑事件特征的差异。改进的接触模型能够准确再现试验中观察到的滑动弱化行为，这是传统DEM模型难以实现的关键能力。
3.3 前兆滑动与AE事件的演化特征
研究成功捕捉到了前兆滑动和前兆AE事件的加速演化过程。局部化的前兆滑动伴随着小震级AE事件的迁移，前兆滑动和AE事件均逐渐加速，最终演化为慢滑或快滑事件。慢滑事件与快滑事件在AE响应上表现出显著差异，这一发现深化了对断层失稳前兆特征的理解。
3.4 破裂扩展阶段与摩擦滑动阶段的分配关系
研究定量确定了破裂扩展阶段与摩擦滑动阶段之间滑动位移和应力降的分配关系。结果表明，破裂扩展阶段仅释放总滑动量和应力降的一小部分，而摩擦滑动阶段贡献了大部分滑动量和能量释放。这一分配关系随围压条件的变化而系统演化。
四、讨论与结论
本研究的数值结果与实验室试验结果高度一致，验证了改进接触模型和AE监测方法的有效性。改进的接触模型在捕捉滑动弱化行为方面展现出明显优势，为理解多孔砂岩断层在不同围压条件下的摩擦滑动和破裂扩展细观机制提供了可靠的数值框架。该集成框架为揭示摩擦滑动中前兆滑动与破裂扩展的潜在机制提供了可靠基础，对深化断层失稳机理认识和地震前兆研究具有重要意义。该研究发表于《International Journal of Mining Science and Technology》。
