代樹(shù)紅

（中國(guó)地震局地質(zhì)研究所，北京100029）

中國(guó)地震局地質(zhì)研究所2013屆博士論文摘要（Ⅵ）

基于數(shù)字圖像相關(guān)方法的斷層破裂擴(kuò)展實(shí)驗(yàn)研究

代樹(shù)紅

（中國(guó)地震局地質(zhì)研究所，北京100029）

活斷層是發(fā)生構(gòu)造地震和引起相關(guān)地質(zhì)災(zāi)害的主要原因，其中受第四系松散沉積物覆蓋的活斷層相對(duì)于地表出露的斷層更具隱蔽性和危險(xiǎn)性。因此，活斷層破裂及其在沉積層中的擴(kuò)展研究是地震地質(zhì)科學(xué)和防震減災(zāi)工程中的重要課題。為了深入理解活斷層破裂擴(kuò)展特征和機(jī)理，本文基于數(shù)字圖像相關(guān)方法開(kāi)展了破裂在巖石和斷層基巖上覆沉積層擴(kuò)展的斷裂實(shí)驗(yàn)和地質(zhì)力學(xué)模型實(shí)驗(yàn)研究。主要的研究工作如下：

（1）為揭示典型性斷層破裂在沉積層的擴(kuò)展規(guī)律及地表破裂帶的分布特征，研制了針對(duì)走滑斷層和逆斷層破裂擴(kuò)展研究的模型實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)和相似材料，通過(guò)模型實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的模型架可以方便地調(diào)整斷層構(gòu)造的幾何參數(shù)，從而達(dá)到研究斷層的幾何參數(shù)對(duì)其破裂擴(kuò)展影響的研究目標(biāo)，模型實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)通過(guò)由伺服電機(jī)控制的加載系統(tǒng)可以精確地實(shí)現(xiàn)對(duì)斷層基巖錯(cuò)動(dòng)方式的控制；由石英砂和石膏等材料配比而成的相似材料具有成本低、填裝方便和強(qiáng)度可調(diào)整、范圍大的優(yōu)點(diǎn)，能夠有效模擬活斷層基巖和沉積層的物理力學(xué)性質(zhì)，適合于開(kāi)展大規(guī)模和具可重復(fù)性的活斷層破裂擴(kuò)展的實(shí)驗(yàn)研究。為觀測(cè)模型實(shí)驗(yàn)中斷層的破裂擴(kuò)展過(guò)程，本文基于DICM（Digital Image Correlation Method）的基本原理，討論了應(yīng)用DICM觀測(cè)非連續(xù)變形場(chǎng)的技術(shù)，系統(tǒng)化了3D-DICM的理論和觀測(cè)方法，研制了3D-DICM的觀測(cè)系統(tǒng)，經(jīng)改進(jìn)的DICM可以有效地觀測(cè)模型實(shí)驗(yàn)中活斷層破裂在沉積層的擴(kuò)展過(guò)程及地表變形場(chǎng)和地表破裂帶的演化過(guò)程。為解決巖石裂紋擴(kuò)展過(guò)程中測(cè)定裂紋尖端斷裂參數(shù)的難題，論文提出了一種基于DICM測(cè)定巖石裂紋擴(kuò)展過(guò)程中，裂紋尖端應(yīng)力強(qiáng)度因子、裂紋尖端位置和裂紋擴(kuò)展長(zhǎng)度的巖石斷裂實(shí)驗(yàn)方法。該方法能夠直接測(cè)定巖石裂紋尖端的斷裂參數(shù)，為揭示斷層基巖破裂擴(kuò)展特征和力學(xué)機(jī)理提供了有效的實(shí)驗(yàn)方法。

（2）文中應(yīng)用新近提出的DICM研究了半圓盤(pán)巖石試件在三點(diǎn)彎曲加載條件下I型和I-II復(fù)合型裂紋擴(kuò)展過(guò)程中應(yīng)力強(qiáng)度因子和裂紋擴(kuò)展長(zhǎng)度的演化過(guò)程。研究表明，巖石裂紋擴(kuò)展過(guò)程中具有亞臨界擴(kuò)展階段，通過(guò)裂紋擴(kuò)展過(guò)程中的應(yīng)力強(qiáng)度因子和裂紋擴(kuò)展速率的變化特征，可以有效地判別裂紋的亞臨界擴(kuò)展階段，亞臨界擴(kuò)展過(guò)程對(duì)于斷層基巖破裂擴(kuò)展和地震前兆信息的研究具有重要的地震地質(zhì)意義。裂紋在輝綠巖中含石英夾層、砂泥巖互層和層狀巖石模擬試件擴(kuò)展過(guò)程中，層狀巖石中的界面層、界面層滑動(dòng)效應(yīng)和界面層兩側(cè)的巖石強(qiáng)度差異性，對(duì)破裂在界面層兩側(cè)的巖體擴(kuò)展具有止裂和改變擴(kuò)展方向的作用。該研究有助于揭示斷層在不同巖性的層狀蓋層中擴(kuò)展的規(guī)律和機(jī)理。

（3）論文基于地質(zhì)力學(xué)模型試驗(yàn)方法和系統(tǒng)，研究了走滑斷層破裂在沉積層中的擴(kuò)展形跡，沉積層厚度和斷層錯(cuò)動(dòng)位移這兩個(gè)關(guān)鍵參數(shù)對(duì)地表變形場(chǎng)和地表破裂帶演化過(guò)程的影響，以及破裂帶內(nèi)的破裂類(lèi)型。研究表明，破裂在上覆沉積層和地表的擴(kuò)展受斷層基巖的錯(cuò)動(dòng)位移量控制，地表變形帶寬度隨斷層位移量呈近二次曲線增大，并最終趨于穩(wěn)定；地表破裂帶（變形帶）影響范圍隨沉積層厚度增大而增大，地表破裂帶內(nèi)的破裂是破裂自基巖和沉積層的接觸面呈螺旋曲面向地表擴(kuò)展的結(jié)果，擴(kuò)展至地表后破裂呈間距性分布，破裂間距同沉積層厚度成正比。

（4）通過(guò)地質(zhì)力學(xué)模型實(shí)驗(yàn)，研究了逆沖斷層基巖錯(cuò)動(dòng)條件下，破裂自基巖上斷點(diǎn)向沉積層地表擴(kuò)展過(guò)程中，斷層傾角、沉積層厚度和斷層錯(cuò)動(dòng)位移量對(duì)地表變形場(chǎng)演化過(guò)程的影響規(guī)律，以及地表破裂帶的演化及分布。研究表明，沉積層表面圍繞基巖斷層上斷點(diǎn)的投影線形成垂直位移梯度帶（形變帶），形變帶寬度和帶內(nèi)最大垂直位移隨基巖斷層位移的增加而線性地增加，但當(dāng)破裂擴(kuò)展至沉積層表面后帶寬逐漸趨于穩(wěn)定；隨沉積層厚度增加，地表變形帶的影響范圍增大但帶內(nèi)變形強(qiáng)度減弱，沉積層中分別出現(xiàn)了剪切和拉張破裂帶；沉積層表面形變帶的寬度將隨基巖斷層傾角的增加而減小，但同時(shí)基巖斷層傾角越大，形變帶內(nèi)最大位移量就越大，在沉積層表面引起的變形破壞的程度也越強(qiáng)烈。

數(shù)字圖像相關(guān)方法；活斷層；走滑斷層；逆沖斷層；沉積層；地質(zhì)力學(xué)模型實(shí)驗(yàn)；地表破裂帶；巖石斷裂；應(yīng)力強(qiáng)度因子；裂紋擴(kuò)展；界面層；層狀巖石

（作者電子信箱，代樹(shù)紅：dsh3000＠126.com）

P315.8；

A；

10.3969／j.issn.0235-4975.2014.11.003