Dynamische und quasi-dynamische Modellierung von injectionsinduzierte Erdbeben in poroelastischen Medien

Zusammenfassung Erdbebenbrüche in poroelastischen Medien umfassen eine Vielzahl komplexer Phänomene, die aus der Haft- und Gleitrissreibung sowie thermo-hydromechanischen Kopplungen resultieren. In dieser Studie schlagen wir ein vollständig implizites, zeitadaptives und monolithisch gekoppeltes Finite-Elemente-Modell vor, um dynamische Erdbebensequenzen in poroviskoelastischen Medien zu simulieren. Wir betrachten ein Kelvin-Voigt viskoelastisches Material und charakterisieren den Einfluss von Trägheitseffekten auf injectionsinduzierte Erdbeben. Zum ersten Mal präsentieren wir dynamische Simulationen von Brüchen in Geschwindigkeits- und Zustandsfehlern in poroelastischen Medien. Unsere Simulationen erfassen den gesamten Erdbebenzyklus, einschließlich der interseismischen Phase, der spontanen Erdbeben-Nukleation und der dynamischen Bruchphase. Wir vergleichen dynamische Simulationen mit quasi-dynamischen, bei denen die Trägheitseffekte vernachlässigt werden und die Gleit-Singularität durch eine Strahlungsdämpfungsannäherung gelöst wird. Viskose Dissipation modelliert den physikalischen Prozess der Dämpfung von seismischen Wellen: Wenn die viskose Dämpfung zunimmt, werden die Patchgröße und die maximale Fault-Gleitrate kleiner, was die erwartete Erdbebenmagnitude verringert. Aus computationaler Perspektive hilft die Viskoelastizität, spurious hochfrequente Oszillation während der Wellenpropagation zu vermeiden. Durch die Einbeziehung von Trägheitseffekten berücksichtigt das dynamische Modell transiente Schwankungen der Drücke und festen Spannungen während des Bruchs, die im quasi-dynamischen Ansatz vernachlässigt werden. Das Verständnis dieser transienten Störungen könnte Aufschluss über die Rolle des Porenwasserdrucks im Mechanismus der dynamischen Erdbeben-Auslösung geben. Der poroviskoelastische dynamische Ansatz ist ein guter Kompromiss zwischen dem idealen, vollständig dynamischen Modell und dem quasi-dynamischen. Eine kleine Menge viskoser Dämpfung ermöglicht effizientere Berechnungen, während die relevantesten Merkmale dynamischer Brüche, insbesondere Gleitraten, akkumulierte Gleite und freigesetzten seismischen Moment, erhalten bleiben.