云 龍 郭彥雙 馬 瑾
(中國地震局地質(zhì)研究所,地震動力學國家重點實驗室,北京 100029)
5°拐折斷層在黏滑過程中物理場演化與交替活動的實驗研究
云 龍 郭彥雙 馬 瑾
(中國地震局地質(zhì)研究所,地震動力學國家重點實驗室,北京 100029)
在實驗室利用96通道應變記錄采集系統(tǒng)和分布式多通道瞬態(tài)信號采集系統(tǒng),觀測了預切5°拐折斷層的標本在變形失穩(wěn)過程中應變場和聲發(fā)射事件的時空演化。實驗在雙軸伺服加載系統(tǒng)上進行。在 Y 方向按位移控制方式加載,位移速率先后取 0.5μm/s、1μm/s、0.5μm/s和 0.1μm/s。觀測得到:1)標本沿斷層發(fā)生周期性的黏滑失穩(wěn),不同加載速率下黏滑事件表現(xiàn)出不同的特點,加載速率越小,周期越大,應力降也越大。2)斷層失穩(wěn)錯動時伴隨高能級的聲發(fā)射事件,之前只發(fā)生能級很小的事件。定位結(jié)果顯示,聲發(fā)射事件主要分布在拐折部位周圍、上斷層中部和下斷層中下部。斷層失穩(wěn)前聲發(fā)射事件的遷移過程是:開始發(fā)生在拐折部位,隨后在上、下斷層段間交替活動,最終在下斷層段發(fā)生失穩(wěn)大事件。3)應變觀測結(jié)果顯示拐點和斷層帶附近是高應變集中部位。在應變積累階段和釋放階段,應變增量場的分布有顯著差異,表現(xiàn)為拐點內(nèi)外側(cè)平均應變和最大剪應變的增減交替。4)平均應變在拐點和斷層段先后釋放可能是斷層失穩(wěn)的條件之一。對拐折構(gòu)造部位進行觀測十分重要,有利于判斷斷層活動狀態(tài)的轉(zhuǎn)變。
拐折斷層 聲發(fā)射 應變場 斷層交替活動
地殼內(nèi)部斷層的不穩(wěn)定活動是地震發(fā)生的主要機制。自然界的斷層面很少以簡單連續(xù)的面狀結(jié)構(gòu)出現(xiàn),通常都表現(xiàn)為復雜斷層帶,往往存在如拐折、雁列、階步、分支斷層等的非連續(xù)結(jié)構(gòu)。這些特殊的構(gòu)造形式對斷層應力集中、應變分配、斷層滑動以及地震孕育發(fā)生及破裂的傳播過程有重要影響。斷層拐折作為最常見的斷層結(jié)構(gòu)類型之一,與斷層分段、地震活動性有重要關聯(lián),一直為許多學者所關注。許多震例表明,與拐折斷層有關的地震活動往往存在一些有意義的現(xiàn)象。例如,多次Parkfield地震震中均位于一個5°拐折斷層的拐點附近,這些地震的前震位于拐點的西北段,主震開始于拐點附近,余震位于拐點的南東段(Lindh et al.,1981;Bakun et al.,1985)。有趣的是,在1934和1966年發(fā)生的2次主震前17min,拐折點西北測的斷層段上均發(fā)生了一次5級左右的前震(Bakun et al.,1979)。
不同作者從以下4方面討論了拐折斷層中位移錯動特點和地震活動規(guī)律:
(1)拐點的類型與作用。一些作者在研究了Landers地震附近的地質(zhì)構(gòu)造的基礎上,提出斷層拐折附近破裂形式十分復雜。并且注意到主破裂與平行的破裂之間存在相互作用及復雜的幾何結(jié)構(gòu)(如斷層尖端、拐折部位)對破裂的開始與傳播過程的影響(Aydin et al.,1995);Segall等(1993)在比較了1934和1966年2次Parkfield地震后,強調(diào)地震開始于拐點附近,而大位移分別發(fā)生在Gold Hill地區(qū)和其東南側(cè)的雁列部位。此外,King等(1985,1986)討論了障礙體的類型,認為破裂的傳播過程與障礙體的作用有重要關聯(lián)。呂政等(1989)在研究唐山地震的震源過程時,也提出了相似的看法。
(2)拐點與斷層的位移量分布。Andrews(1989,1994)在討論斷層節(jié)點時,提出走向上相差較大的拐折部位必然會演化成為三聯(lián)點,同時指出拐折斷層段上位移量大,拐點附近位移量小,甚至為零。而Acharya(1997)在對比2次歷史地震(1906和1857年)的位移量分布與斷層的幾何形態(tài)時,強調(diào)位錯最大的部位位于斷層走向變化最大的部位。
(3)拐折斷層與地震活動特點。Kato等(1999)報道了通過實驗得到的拐點在黏滑過程中的作用。注意到拐折斷層往往是“雙震型”,第1次破裂開始于低角度斷層,終止于拐折部位,第2次破裂開始于高角度斷層,但并未在拐折部位終止,而是破裂貫穿了整個斷層。Xing等(2004)的有限元模擬也得出了類似的結(jié)果。馬瑾等(1995a,b,1996)利用實驗和數(shù)值模擬的方法研究了5°拐折斷層物理場的演化過程,比較了平直斷層與拐折斷層物理場不同的演化特點。根據(jù)實驗結(jié)果,作者強調(diào)了拐點兩側(cè)斷層段的交替活動以及拐點附近應力主軸方向的變化。此外,作者提出了不同構(gòu)造部位在變形過程中所起的作用不同,地震失穩(wěn)發(fā)生在易錯動單元,而前兆往往出現(xiàn)在高應力集中區(qū),拐點正是一個應力集中部位。
(4)影響破裂傳播過程的因素。Duan等(2005)認為是拐折部位正應力場的變化導致其成為破裂的起始或終止點。Poliakov(2002)和Aochi(2002)指出最大主應力與主斷層的夾角對破裂的傳播尺度有很大的影響。Kase等(2006)指出斷層上初始剪應力與正應力的分布也對拐折附近的破裂速度有影響。
以上提及的震例表明,許多地震發(fā)生在拐折斷層上,而拐折部位對地震活動起了控制作用。在拐點附近和斷層段的位移分布方面存在不同看法,影響拐折斷層破裂傳播過程的因素討論尚不充分,此外正應力在斷層失穩(wěn)中的作用也需要實驗室方面的證明。為了進一步認識拐點兩側(cè)斷層的相互作用、變形場演化調(diào)整過程、拐折部位在此類斷層錯動過程中的作用、以及失穩(wěn)過程,開展了以下實驗。作者所在實驗室以前雖曾進行過類似實驗,但是目前的實驗室的條件已今非昔比,無論在觀測手段的種類、分辨率和采樣速率上都提高很多。
試樣為房山花崗巖,尺寸為:300mm×300mm×50mm,對角線方向有一條預切斷層,將試樣分為兩塊,斷層表面經(jīng)過400目金剛砂打磨。其中,直接承受驅(qū)動力作用的巖塊稱為“主動盤”,間接受力的巖塊稱為“被動盤”。斷層以中點為界分為兩段,夾角為5°,從而形成一個拐折斷層。將與驅(qū)動力方向(Y向)夾角較小和較大的斷層分別稱為“上(小角度)斷層段”和“下(大角度)斷層段”,簡稱上斷層和下斷層。
實驗在雙軸伺服加載系統(tǒng)上進行,X向應力保持不變,Y向采取位移速率控制。加載分為2個階段:第1階段,采取500N/s的加載方式,分別使X向和Y向的應力同時達到5MPa;第2階段,X向應力保持不變,在 Y向繼續(xù)以0.5μm/s的位移速率加載,其間實現(xiàn)了1μm/s、0.5μm/s和0.1μm/s的3次變速,共進行了3次重復實驗。
實驗中除了采用應力傳感器和位移傳感器記錄了標本變形過程中的應力、位移外,還通過組合式應變片與聲發(fā)射探頭,記錄應變、聲發(fā)射等物理場。試樣表面共布設了87道應變片,分為32個應變組,采用96道應變記錄采集系統(tǒng)采集數(shù)據(jù),采樣頻率為100Hz(劉力強等,1995)。聲發(fā)射探頭共布設了14個,應用分布式多通道瞬態(tài)信號采集系統(tǒng)采集數(shù)據(jù)(劉力強等,2003),采取同步觸發(fā)的方式采集,運用聲發(fā)射定位程序,計算出各次失穩(wěn)事件發(fā)生的時間、位置及能級(劉培洵等,2007,2009)。其中,能級表示聲發(fā)射事件的相對大小。圖1給出了斷層的結(jié)構(gòu)與應變片和聲發(fā)射探頭的分布與編號。
圖1 試樣結(jié)構(gòu)和各種傳感器的布局圖Fig.1 The structure of sample and the distribution of sensors.
在獲得了每個應變片的應變數(shù)據(jù)后,根據(jù)平面應變的轉(zhuǎn)換公式及應變花理論(劉力強等,1995),利用平面上某一點在3個方向上的應變值,求出測點的應變張量。
式(1)中,εA、εB和εC分別為A,B,C 3個測線的應變值,每個應變組中總有一個應變片平行或垂直Y向。A與B間的夾角為α,B與C間的夾角為β。根據(jù)上述已知的5個量,分別計算了各測點的最大、最小主應變ε1和ε2,以及ε1和測線A(實驗中為Y向)之間的夾角θ。
差應力時間曲線(圖2)表明,試樣的變形過程可分為2個階段:第1階段(1,617s之前),差應力保持準線性增加,基本沒有聲發(fā)射事件產(chǎn)生;第2階段(1,617~9,503s),當應力水平超過摩擦強度后,黏滑事件開始出現(xiàn),單獨的一個黏滑過程可以分為應變能的積累階段與釋放階段。在該階段,聲發(fā)射事件急劇增加,且表現(xiàn)為伴隨著差應力的突增,聲發(fā)射數(shù)目也出現(xiàn)突增,加載速率越小,單位時間內(nèi)的聲發(fā)射數(shù)目也越少。黏滑事件存在準周期性,為了比較不同加載速率對黏滑周期和應力降的影響,實驗中實現(xiàn)了3次變速,統(tǒng)計了不同加載速率下黏滑事件的發(fā)生頻率,0.1μm/s、0.5μm/s和 1μm/s下分別為 8.64 次/h、66.96 次/h 和 189 次/h。以上結(jié)果表明:加載速率越大,黏滑的周期越小。同時從圖2中也可看出,加載速率越大,應力降越小。
圖2 差應力-時間曲線(a)、Y向位移-時間曲線(b)和聲發(fā)射累積數(shù)-時間曲線(c)Fig.2 Variation of differential stress curve(a),DY-time curve(b)and accumulated number of AE events-time curve(c).
圖3a給出了第4階段(參見圖2)的6次黏滑事件(ⅰ~ⅵ號)所對應的聲發(fā)射相對能級-時間分布圖。對于一個黏滑過程來說,積累階段有多次聲發(fā)射事件產(chǎn)生,除ⅱ號黏滑事件在積累階段有一個能級>14級外,其他5次事件在積累階段的聲發(fā)射能級都相對較小。對于每次黏滑事件來說,與失穩(wěn)事件相對應的只有1~2次聲發(fā)射事件,且能級較積累階段的各次聲發(fā)射事件的都要大。
圖3 第4階段(參見圖2)的聲發(fā)射能級-時間過程及對應的差應力-時間曲線(a)和可定位的聲發(fā)射事件的空間分布圖(b)Fig.3 Magnitude-time curve and differential stress-time curve(a)at the fourth stage(refer to Fig.2)and the spatial distribution of AE events which can be located(b).
圖3b給出了所有可定位的聲發(fā)射事件的空間分布圖,由于預切斷層的存在,聲發(fā)射事件主要分布在斷層周圍。對于單獨的一個聲發(fā)射事件來說,可以最少通過5個聲發(fā)射探頭記錄的波形(如圖4,b),識別其到時來計算該次聲發(fā)射發(fā)生的位置。對于拐折斷層來說,聲發(fā)射事件主要集中在3個區(qū)域:上斷層的中部、拐點附近及下斷層的中下部。且不同部位的聲發(fā)射事件的數(shù)目不同,下斷層的聲發(fā)射事件數(shù)目多,能級大;拐折附近的數(shù)目少,能級較小;而上斷層的數(shù)目最少,能級較大和較小的事件均有分布。
在分析了多個周期性的黏滑過程后,圖4以發(fā)生在6045~6110s的一個黏滑過程為例(事件發(fā)生時間見圖2標M字符的位置,以下簡稱M事件),揭示聲發(fā)射事件的相對能級-時間過程及相應的6個聲發(fā)射事件的波形圖。
由圖4a可見,M黏滑過程中共發(fā)生了8次聲發(fā)射事件,在失穩(wěn)前密集地出現(xiàn)了5次聲發(fā)射事件(Ⅰ~Ⅴ號)。圖4b給出了Ⅰ~Ⅵ號事件對應的波形圖。由圖可見,Ⅰ號和Ⅱ號事件在探頭4到時最早,說明微破裂事件發(fā)生在拐點附近。Ⅲ號和Ⅳ號事件在探頭5到時最早,說明微破裂事件發(fā)生在下斷層的中上部。Ⅴ號事件在探頭2到時最早,說明微破裂事件發(fā)生在上斷層的中上部。Ⅵ號事件對應的是大失穩(wěn)事件,6號探頭到時最早,說明失穩(wěn)事件開始于下斷層的中下部。以上聲發(fā)射發(fā)生的順序表明,斷層失穩(wěn)錯動前的微破裂事件,首先在拐點附近發(fā)生,隨后交替地出現(xiàn)在上斷層段和下斷層段上,最終失穩(wěn)發(fā)生在下斷層段上。聲發(fā)射的這種遷移現(xiàn)象在其他事件過程中屢屢見到(如5355—5380s的事件等),不一一列舉。
失穩(wěn)前的各次微破裂事件對應的波形振幅都未溢出,而失穩(wěn)事件對應的波形振幅已經(jīng)溢出,說明失穩(wěn)事件釋放的能量比前面發(fā)生的微破裂大得多,MAE-t圖 (圖4a)也充分表明了這一點。
圖4 發(fā)生在6045—6110s的M黏滑過程的差應力-時間曲線和聲發(fā)射能級-時間分布圖(a)以及Ⅰ~Ⅵ號事件對應的聲發(fā)射波形圖(b)Fig.4 Differential stress-time curve and magnitude-time curve of the M stick-slip event which occurred in 6045-6110s and the map of AE waveforms corresponding toⅠ~Ⅵ events.
對于一個單獨的應變組,實驗中α=β=45°,根據(jù)公式(1)可得出各應變組的平均應變和最大剪應變。平均應變相對增加時,樣品處于擠壓加大狀態(tài);相對減小時,處于拉張增大狀態(tài)。
在分析了32個應變組在6045—6110s的M黏滑事件變化特征的基礎上,圖5給出了沿斷層分布的的4個應變組的平均應變和最大剪應變的時間演化過程。選取差應力-時間曲線上變化突出的位置,把時間劃分為0A、AB、BC、CD和DE 5個階段。由圖5a可以看出,在0A階段,拐點附近的9和10號應變組的平均應變比較平穩(wěn),略有下降;而拐點兩側(cè)斷層段上的8和11號應變組的平均應變上升。在AB階段,9和10號的平均應變轉(zhuǎn)為上升,并保持到B時刻;上下斷層段的平均應變開始出現(xiàn)差別,上斷層段(11號)的平均應變?nèi)匀辉黾樱聰鄬佣?8號)首先在F(6096.885s)時刻平均應變達到最大值,隨后緩慢下降,在G(6101.785s)時刻后轉(zhuǎn)陡降。BC階段是一個變化劇烈的階段,B時刻后拐點附近(9,10號)和上斷層段(11號)的平均應變都出現(xiàn)突降,而下斷層段(8號)的平均應變由陡降轉(zhuǎn)平。經(jīng)過CD階段的波動后在D點出現(xiàn)失穩(wěn)。AB段變化比較復雜,又根據(jù)應變曲線的變化,增加了F點和G點。由圖可見,平均應變的變化開始于F點,空間上開始于下斷層段。
與圖5a各階段對應,最大剪應變 (圖5b)在失穩(wěn)前也相應的分為5個階段:0A'、A'B'、B'C'、C'D'和D'E'階段。在0A'階段,拐點附近和斷層段的測點最大剪應變均保持增加,下斷層段(8號)增加速率大于上斷層段(11號)。A'B'階段,拐點附近的32和9號轉(zhuǎn)折下降,隨后又拐平。其中,32號較早開始下降,且變化幅度較大。上斷層段(11號)上變化較小,下斷層段(8號)的最大剪應變在臨近B'點時出現(xiàn)小幅波動。B'C'階段拐點附近(9和32號)最大剪應變增加,下斷層段(8號)增大,上斷層段(11號)下降。經(jīng)過C'D'階段的波動后在D'點最大剪應變均快速下降。在AB階段中,最大剪應變變化開始于F點前,位置在拐點附近的32號。
圖5 發(fā)生在6045—6110s的M黏滑過程中差應力-時間曲線及平均應變(a)和最大剪應變(b)的時間變化過程Fig.5 Differential stress-time curve,mean strain-time curve(a)and maximum shear strain-time curve(b)of the M stick-slip occurring in 6045-6110s.
幾條曲線尚不足以說明應變場的變化,為了進一步研究平均應變和最大剪應變在不同階段的空間演化過程,選取應變積累階段0A和失穩(wěn)階段DE全部測點的資料分析平均應變和最大剪應變的增量場(圖6)。在0A階段,隨著差應力的增大,平均應變在試樣的大部分區(qū)域表現(xiàn)為增大(擠壓),唯有被動盤上拐點右下側(cè)出現(xiàn)強烈減小(拉張),在其右側(cè)又是相對擠壓區(qū) (圖6a),這說明拐點附近應變場的分布十分復雜,局部拉張明顯。在失穩(wěn)前后(DE階段),平均應變增量場與0A階段有明顯差別(圖6b)。沿斷層平均應變普遍減小;0A階段拐點右下側(cè)的平均應變下降區(qū)變?yōu)樵黾訁^(qū);而主動盤上拐點左上側(cè)出現(xiàn)平均應變急劇減小區(qū)。這個事實說明在失穩(wěn)階段,斷層上積累的應變能伴隨著斷層的錯動而釋放。此外,在此階段拐點附近平均應變發(fā)生了急劇變化。拐點內(nèi)側(cè)平均應變由應變積累期的遞增轉(zhuǎn)變?yōu)獒尫牌诘亩附?,而拐點外側(cè)由遞減轉(zhuǎn)變?yōu)榫徳觥?/p>
圖60A和DE階段平均應變(a)、(b)和最大剪應變(c)、(d)的增量圖Fig.6 Increment of average strain(a)(b)and maximum shear strain(c)(d)in the 0A and DE stages.
最大剪應變增量場與此類似。從圖6c中看出,在0A'階段,最大剪應變在試樣的大部分區(qū)域均表現(xiàn)為增大,斷層上的增量大于非斷層區(qū)。最令人矚目的是拐點附近的應變集中現(xiàn)象,拐點內(nèi)側(cè)最大剪應變負增量最大,而外側(cè)正增量最大。斷層失穩(wěn)錯動后(圖6d),斷層上最大剪應變釋放,與此同時,拐點的內(nèi)側(cè)出現(xiàn)了一個最大剪應變增量區(qū)。
前面討論的是比較平穩(wěn)的應變積累階段和釋放階段的變化情況。在斷層失穩(wěn)錯動前(AB和BC階段),沿斷層分布的4個應變組的平均應變和最大剪應變出現(xiàn)了復雜的變化 (圖5),這里嘗試討論一下這兩階段內(nèi)平均應變和最大剪應變的演化過程。由圖5可見,平均應變在GB段(如8號)和BC段(如9、10和11號)變化較大;最大剪應變在F'G'段(如32號)和B'C'段(如11號)變化較大。接下來著重研究這3個時段的應變增量場。
在GB階段,平均應變在全面增加的背景下,下斷層段的8號點首先釋放,表現(xiàn)為應變負增量 (圖5a,7a);在BC階段,平均應變在8號維持不變,拐點附近的9和10號點以及上斷層段的11號點隨后釋放(圖5a,7b)。以上現(xiàn)象說明,在整個斷層段平均應變大釋放的基礎上,迎來了斷層的整體失穩(wěn)錯動(圖5a,6b)。
圖7 3個特殊時段平均應變和最大剪應變的增量圖Fig.7 Increment of mean strain and maximum shear strain in 3 special stages.
在F'G'階段,最大剪應變在全面增強的基礎上,拐點右下側(cè)(32號)首先出現(xiàn)負增量 (圖7c),隨后又變?yōu)橄聜?cè)應變積累,上側(cè)釋放(9號)(圖7d)。這說明失穩(wěn)前最大剪應變的變化十分復雜。
從應變的積累和釋放過程看,產(chǎn)生失穩(wěn)錯動的應變條件是:1)在錯動前,斷層上不同部位的平均應變先后下降,斷層上壓力相對減小;2)最大剪應變在拐點附近交替積累和釋放。
(1)加載速率對黏滑事件的周期、應力降及聲發(fā)射數(shù)目的影響。在一定的加載速率下,黏滑事件存在準周期性。在高加載速率下,黏滑事件的周期短,應力降小;而在低加載速率下,黏滑事件的周期長,應力降大。一般情況下,黏滑事件的周期隨著加載速率的減小呈非線性地增大。
(2)黏滑過程中聲發(fā)射事件的時空強分布。拐折斷層上聲發(fā)射的時間分布有明顯的規(guī)律:一個周期性黏滑過程可以分為應變能的積累階段和釋放階段,積累階段內(nèi)的聲發(fā)射事件多、能級小;斷層失穩(wěn)錯動伴隨著高能級的聲發(fā)射事件發(fā)生。以上特點表明,積累階段應變能慢速積累,此階段僅有小部分能量以聲發(fā)射的形式釋放。進入釋放階段后,應變能主要通過斷層的失穩(wěn)錯動而釋放。
拐折斷層上聲發(fā)射的分布主要集中在3個部位:拐折部位周圍、上斷層中部和下斷層中下部。從聲發(fā)射事件的數(shù)目和能級來看,下斷層的聲發(fā)射事件最多,能級最大;拐折部位事件較多,但能級較小;而上斷層的事件最少,能級有大有小,但以能級小的居多。拐點往往是錯動的起點或終點,大事件主要發(fā)生在與驅(qū)動力夾角較大的下斷層段上。
(3)失穩(wěn)前拐點兩側(cè)斷層段的交替活動。伴隨斷層失穩(wěn)的高能級聲發(fā)射發(fā)生前,往往會出現(xiàn)若干次小事件。AE的到時顯示了這些小事件的遷移規(guī)律:事件往往開始于拐折部位,隨后在下斷層和上斷層間發(fā)生一次或幾次交替,最終的高能級事件發(fā)生在下斷層段。這種遷移特點表明拐折斷層在最大失穩(wěn)事件前存在一個應變調(diào)整的過程。該過程預示著失穩(wěn)的臨近,而在調(diào)整過程中,拐折部位成為一個關鍵部位。
(4)平均應變和最大剪應變的時空演化過程和失穩(wěn)錯動的條件。隨著應變積累和釋放,平均應變的高增值區(qū)在拐點內(nèi)外交替出現(xiàn)增減,最大剪應變的高增值區(qū)在拐點附近交替。臨近失穩(wěn)時,拐點附近應變變化劇烈。平均應變在拐點和斷層段的先后減小可能是斷層失穩(wěn)的必要條件。
存在5°拐折的條件下,上下斷層段與主壓應力的夾角分別為42.5°和47.5°,前者較后者易于錯動,后者比前者積累更多的應變能。在區(qū)域應力增強的條件下,上斷層先達到錯動的條件。上斷層的錯動促進了拐點和下斷層的應變積累,拐點的應變積累又促進了下斷層的錯動和拐點的應變釋放。在應變積累和斷層錯動的交替中,拐點成為控制上下斷層錯動的制動單元。從應變增量場看,拐折部位應變最高,變化最大。在應變積累和釋放階段,平均應變的最大增量在拐點內(nèi)、外側(cè)出現(xiàn)交替增減,最大剪應變的增量極值在拐點上下變換。因此,一個黏滑過程中,隨著應變的積累和釋放,平均應變和最大剪應變的增量極值表現(xiàn)出在拐點上下側(cè)交替活動的特點。
在野外不可能實現(xiàn)對地震斷層的全變形過程觀測,斷層往往處于黏滑周期的某一加載階段。在實驗室研究的基礎上,開展野外現(xiàn)場觀測,有利于了解該斷層所處變形階段,識別失穩(wěn)前兆。
實驗中加載速率越低,黏滑的周期越長,應力降越大。在自然界的條件下,地震斷層的滑動速率更低,斷層帶內(nèi)的物質(zhì)有較長的時間進行物理、化學愈合,同時能夠積累更多的應變能。因此,斷層一旦失穩(wěn),其規(guī)模更大,震級也更高。
從一個黏滑事件的積累和釋放的過程中,看到在大失穩(wěn)前,沿斷層的平均應變先后下降(圖6b,7b)。這是否意味著在錯動前,拐折斷層上發(fā)生過一個全面松動的過程,而這個松動是造成斷層全面錯動的條件?值得進一步研究。
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AN EXPERIMENTAL STUDY OF EVOLUTION OF PHYSICAL FIELD AND THE ALTERNATIVE ACTIVITIES DURING STICK-SLIP OF 5°BEND FAULT
YUN Long GUO Yan-shuang MA Jin
(State Key Laboratory of Earthquake Dynamics,Institute of Geology,China Earthquake Administration,Beijing 100029,China)
The spatial-temporal evolution process of strain field and acoustic emission(AE)events was investigated during the deformation of 5°bend faults,with 96-channels strain acquisition system and 16-channels distributed AE acquisition system in the laboratory.The loading was applied by controlling the Y-displacement and holding the X-load in a biaxial servo-control loading system,and the Y-loading rate was altered by 0.5μm/s,1μm/s,0.5μm/s and 0.1μm/s in sequence.The observation results show that:(1)quasi-periodic stick-slip always occurred under different loading rates,and the smaller the loading rate,the greater the period and stress drop;(2)low energy AE events increased before faults slid,but high energy AE events appeared as faults slid.AE events distributed near the bends and the upper and lower fault segments which were located by arrival time of AE wave.From the AE location results,AE sources mostly scattered in bend zones,and upper and lower fault segments,and the fault instability appeared first near bend point,then the alternative activities happened between upper and lower fault segments.Large instability took place in the lower fault segment,finally;(3)High strain concentration zone located near bend point and fault segment.And it is significantly different that mean strain and maximum shear strain increment changed alternately at the inside and outside of bend during strain accumulation and release stage;(4)Strain observation results illustrate that mean strain release first occurred near the bend,then released in the whole fault.It would be a critical instability condition for a bend fault.The observation to bend faults is important and helpful to investigate fault activity state.
bend fault,acoustic emission,strain field,alternative activities of fault
P313
A
0253-4967(2011)02-0356-13
10.3969/j.issn.0253-4967.2011.02.009
2010-11-28收稿,2011-04-21改回。
國家自然科學基金(40872129)和國家重點基礎研究發(fā)展計劃課題(2004CB418405)共同資助。
云龍,男,1985年生,2008年畢業(yè)于中國地質(zhì)大學(北京)工程技術學院,現(xiàn)為中國地震局地質(zhì)研究所碩士研究生,主要研究方向為拐折斷層的物理場演化特征,電話:010-62009076,E-mail:yunl 1985@126.com。