郭玲莉

（中國地震局地質(zhì)研究所，北京100029）

斷層失穩(wěn)滑動瞬態(tài)過程的實驗觀測與分析

郭玲莉

（中國地震局地質(zhì)研究所，北京100029）

地震過程伴隨著巖體的破裂與斷層的摩擦滑動失穩(wěn)過程。斷層的擴展與失穩(wěn)過程一直是地震學(xué)研究的基本問題，觀測變形過程物理場演化特征，建立失穩(wěn)模式，對于理解和認識地震機制具有重要的參考和應(yīng)用價值。

地震過程可以簡單地劃分為地震孕育階段、地震發(fā)生階段和震后調(diào)整階段。3階段中，地震發(fā)生過程瞬間的記錄尤其缺乏，特別是對地震瞬間的近場力學(xué)過程所知甚少。但是，短時間內(nèi)，大面積提高現(xiàn)場地震力學(xué)過程瞬態(tài)場的觀測具有相當(dāng)難度。因此，在實驗室模擬斷層失穩(wěn)滑動過程，對近斷層瞬態(tài)場進行高頻細微研究，對理解現(xiàn)場地震過程具有重要意義。

本文以典型粘滑失穩(wěn)模型和預(yù)制斷層擴展模型為研究對象，實驗樣品選用房山花崗閃長巖，使用新研制的多通道高頻高精度應(yīng)變觀測系統(tǒng)和速度測量系統(tǒng)，配合聲發(fā)射系統(tǒng)和數(shù)字散斑系統(tǒng)進行觀測，在雙軸伺服加載系統(tǒng)上進行模擬實驗。首先描述了斷層帶局部應(yīng)變、斷層擴展的聲發(fā)射信號、斷層宏觀錯動速度等結(jié)構(gòu)參數(shù)，分析瞬態(tài)高速滑動過程中各種力學(xué)參數(shù)的變化規(guī)律。其次研究了斷層破裂的啟動、擴展、停止等階段上各參數(shù)的變化特征、作用以及他們之間的相互關(guān)系，從微觀、瞬態(tài)角度認識斷層失穩(wěn)滑動的物理本質(zhì)。接下來在應(yīng)力與應(yīng)變空間上描述了地震過程的區(qū)域應(yīng)力路徑和局部應(yīng)變路徑，討論自發(fā)地震與誘發(fā)地震的應(yīng)變變形階段，從另一角度為現(xiàn)場地應(yīng)力觀測以及區(qū)域應(yīng)力分析提供參考。同時探討了粘滑類型、應(yīng)力降大小與震級的關(guān)系，為研究摩擦粘滑與天然地震的關(guān)系提供了基礎(chǔ)。

研究內(nèi)容和主要結(jié)論如下：

（1）三維斷層擴展模型的實驗結(jié)果顯示，巖橋區(qū)斷層貫通是一個快速過程，先多點局部擴展，后跳躍式連接。在斷層貫通之后，樣品整體崩垮之前，存在一個相對穩(wěn)定的階段，持續(xù)時間約幾十毫秒。這為全程研究斷層擴展過程提供了機會。

（2）通過多組雙剪模型、斜面剪切模型和拐折模型的粘滑實驗?zāi)M，發(fā)現(xiàn)了斷層粘滑失穩(wěn)過程的演化具有特定的模式，可以劃分為3階段：預(yù)滑動階段、高頻震蕩階段和低頻調(diào)整止滑階段。失穩(wěn)應(yīng)力降不等同于地震，地震是應(yīng)力降過程中的高頻振蕩階段。該模式不受加載方式影響，是粘滑失穩(wěn)過程的固有特征。系統(tǒng)一旦進入預(yù)滑狀態(tài)，就進入了不可逆的地震過程，會依次完成各個階段進程。

（3）粘滑模型實驗結(jié)果顯示，一次應(yīng)力降過程可能出現(xiàn)1～3次高頻振蕩，形成“單震”事件、“雙震”事件和“三震”事件。雙剪模型的失穩(wěn)模式單一，只發(fā)生“單震”事件，而斜面剪切模型和拐折模型則可能產(chǎn)生“雙震”事件和“三震”事件，顯示了多點震源錯動現(xiàn)象。從速度頻譜看，雙剪模型含有3個主頻峰值，斜面剪切模型具有雙峰特征，拐折模型只有1個主頻率峰；從子事件持續(xù)時間看，斜面剪切模型的高頻振蕩持續(xù)時間最短，雙剪和拐折模型類似；從各子事件發(fā)生間隔看，斜面剪切模型幾乎是連續(xù)發(fā)生，而拐折模型則具有幾十毫秒的“平靜期”。根據(jù)聲發(fā)射的定位，各子事件的震源出現(xiàn)于斷層的不同位置。

（4）從幾何結(jié)構(gòu)上看，雙剪模型、斜面剪切模型和拐折模型實驗所模擬的斷層為近似平直斷層。從變形結(jié)構(gòu)看，這些貌似簡單的斷層模型呈現(xiàn)出一種復(fù)雜而穩(wěn)定的變形像和非均勻的波動。在斷層失穩(wěn)之前，其預(yù)滑在空間上分布是不均勻的，會產(chǎn)生局部剪應(yīng)變集中。在現(xiàn)場地應(yīng)變觀測中應(yīng)注意這一基本現(xiàn)象。在總體應(yīng)變能或應(yīng)變強度基本不變的情況下，局部主應(yīng)變軸的瞬時轉(zhuǎn)動可以造成在斷層帶上剪應(yīng)變與正應(yīng)變的分配變化，破裂先從一個小區(qū)域開始，它使得臨近區(qū)域的應(yīng)力增加，導(dǎo)致破裂擴展，引發(fā)斷層失穩(wěn)。彈性回跳模型的力學(xué)機制可以用應(yīng)變軸旋轉(zhuǎn)過程來表達。

（5）使用雙剪粘滑模型模擬自發(fā)地震和誘發(fā)地震的區(qū)域加載過程，利用應(yīng)變觀測系統(tǒng)多點連續(xù)觀測發(fā)震斷層附近的局部應(yīng)變變化。在應(yīng)力與應(yīng)變空間上描述了地震過程的區(qū)域應(yīng)力路徑和局部應(yīng)變路徑。結(jié)果表明，遠場動力學(xué)過程或者斷層加載的方向與幅度難以從近斷層帶的應(yīng)變觀測中推測反演，近斷層帶的變形狀態(tài)主要受構(gòu)造部位控制，各點的應(yīng)變路徑明顯不同。宏觀加載應(yīng)力路徑與局部應(yīng)變路徑響應(yīng)的轉(zhuǎn)換階段一致，存在一定映射關(guān)系，由多個局部應(yīng)變獲得的平均應(yīng)變路徑可能推測區(qū)域加載階段，但加載主方向與近斷層平均應(yīng)變方向存在系統(tǒng)偏差。斷層局部變形路徑具有明確的物理意義，在γ-ε垂直空間的走向標(biāo)明了斷層所處的變形階段。自發(fā)地震的應(yīng)變路徑可以劃分為3個部分：應(yīng)變積累階段、剪應(yīng)變的線性偏離階段和失穩(wěn)滑動階段。誘發(fā)地震的應(yīng)變路徑包括4個階段：正斜率的應(yīng)變積累階段、負斜率的穩(wěn)態(tài)滑動階段、亞穩(wěn)態(tài)應(yīng)變僵持階段和擾動失穩(wěn)滑動階段。自發(fā)地震與誘發(fā)地震的應(yīng)變路徑差異較大，可以考慮從應(yīng)變路徑上判別斷層穩(wěn)定性與可能的地震類型。

（6）通過3種結(jié)構(gòu)模型的粘滑地震實驗?zāi)M，利用高頻速度連續(xù)觀測系統(tǒng)獲得了地震失穩(wěn)過程的速度特征，討論了最大位移量的選取方法，估算了實驗室粘滑型地震的矩震級，探討了粘滑類型、應(yīng)力降大小與震級的關(guān)系。結(jié)果表明，實驗室粘滑型地震的震級范圍為-4．4～-3級，斷層構(gòu)造面的差異對各種粘滑模型的地震震級分布有明顯影響。通過對比分析實驗室地震、礦山微震、誘發(fā)微震及小震震群，確認在小尺度破裂滑動的范圍內(nèi)，應(yīng)力降與地震震級沒有明顯的相關(guān)性。決定地震震級的主要因素應(yīng)當(dāng)是震源尺度。

粘滑；失穩(wěn)模式；瞬態(tài)物理場；滑移速率；粘滑震級估算；地震尺度；應(yīng)力和應(yīng)變路徑；斷層穩(wěn)定性判別；彈性回跳；斷層擴展

（作者電子信箱，郭玲莉：ringlili＠126．com）

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10．3969／j．issn．0235-4975．2014．07．011