自然界中的岩石大都含有孔隙，而非理想的连续体。在某些情形下（如石油圈闭、水库建设或水力压裂开采页岩油时），会有流体进入岩石的孔隙中，改变介质的物理特性和断层带上的应力，从而可能诱发地震，并对地震破裂过程产生影响。数值模拟有助于了解孔隙流体如何影响地震破裂过程，然而，孔弹性介质中三维自发破裂的数值模拟仍然是一个极具挑战性的任务。

为了解决这个问题，张海明副教授指导本科生李政泽首先研究了孔弹性介质中的时域Green函数，发现当频率f和源场距离r在一定范围内时，Biot孔弹性动力学模型存在闭合形式的时域Green函数。时域Green函数的适用范围不仅包括了地震学关注的频率和空间尺度范围，还与声学关注的范围有重叠。他们在f-r参数空间内计算了多种孔弹性介质中孔弹性波传播的相图（图1），指出在实验室中模拟真实尺度的同震震相时，样品需要达到一定尺度，并显示简化的无排水孔弹性控制方程能够用来模拟孔弹性介质中的地震波传播。基于孔弹性介质时域Green函数，他们进一步发展了可以模拟孔弹性介质中三维自发破裂的边界积分方程，通过对比弹性和孔弹性介质中三维自发破裂过程，发现在相同条件下，流体饱和介质比干燥介质更容易发生超剪切破裂（图2），这意味着孔隙流体可能会促进超剪切破裂的激发。

该研究为北京大学本科生科研项目，同时受到科技部重点研发项目和国家自然科学基金项目资助，相关成果近期发表于Geophysical Journal International。论文第一作者为2018级本科生李政泽（目前就读于美国南加州大学），张海明副教授为通讯作者。

Zhengze Li and Haiming Zhang (2023) Time-domain Green’s function in poroelastic mediums and its application to 3-D spontaneous rupture simulation, Geophysical Journal International, 234, 2231–2254, https://doi.org/10.1093/gji/ggad192

论文链接：

https://academic.oup.com/gji/article/234/3/2231/7157103

图1 . 孔弹性介质中的地震波传播相图：以Pecos sandstone为例。

图2. 流体饱和介质（第二、四列）与弹性介质（第一、三列）中的自发破裂模拟对比图：破裂前锋对比。