Modeling supershear rupture in rocks

Superscher-Erdbeben stellen eine der gefährlichsten Bruchformen dar, da Bruchgeschwindigkeiten, die die Scherwellengeschwindigkeit überschreiten, die Bodenbewegung durch eine Mach-Kegel-ähnliche Wellenfokussierung stark verstärken können. Die hochgeladene Arbeit entwickelt ein zweidimensionales hybrides FEM/Peridynamik-Framework zur Untersuchung des Übergangs von sub-Rayleigh- zu Superscher-Bruchausbreitung sowohl in trockenen als auch in fluidgesättigten Medien. In diesem Framework wird die Peridynamik zur Modellierung der Festkörperdeformation, der Schädigung und der Bruchausbreitung eingesetzt, während die FEM zur Lösung der Porendruckdiffusion und der Fluidströmung in gesättigten porösen Medien verwendet wird. Das Modell wird anhand von Homalite-Aufprallexperimenten und PMMA-Experimenten an Reibungsgrenzflächen validiert und anschließend auf trockene und gesättigte störungsähnliche Medien angewendet. Ein zentrales Ergebnis ist, dass trockene Medien entweder einen direkten Übergang zur Superscher-Bruchausbreitung oder den Burridge-Andrews-Mutter-Tochter-Rissmechanismus zeigen können, während fluidgesättigte Medien aufgrund poroelastischer Effekte nahe der Bruchfront einen direkten Superscher-Übergang begünstigen. Die Studie zeigt außerdem, dass Porendruckstörungen die Bruchausbreitung beschleunigen und es der Bruchgeschwindigkeit ermöglichen können, sich in gesättigten Medien der schnellen Kompressionswellengeschwindigkeit anzunähern. Dennoch bestehen weiterhin mehrere wichtige Einschränkungen. Die aktuellen Simulationen behandeln Gesteine überwiegend als linear-elastische Materialien und verwenden ein lineares Slip-Weakening-Reibungsgesetz. Natürliche Störungszonen hingegen umfassen plastisches Fließen, permanente Schädigung, raten- und temperaturabhängige Reibung, heterogene Permeabilität, sich entwickelnden Porendruck sowie komplexe Geometrien der Störungszone. Diese Prozesse können die Bruchbeschleunigung, den Superscher-Übergang, die Schädigung außerhalb der Störung und die seismische Energieabstrahlung maßgeblich beeinflussen. Das vorgeschlagene Projekt wird daher das bestehende FEM/PD-Framework zu einem realistischeren poro-elasto-plastischen und thermo-hydro-mechanischen Modell für dynamische Erdbebenbruchprozesse in ausgereiften fluidgesättigten Störungszonen erweitern.