郭玲莉 劉力強(qiáng) 劉培洵

1)中國海洋大學(xué)海洋地球科學(xué)學(xué)院，青島 266100

2)中國地震局地質(zhì)研究所，地震動力學(xué)國家重點實驗室，北京 100029

3)海底科學(xué)與探測技術(shù)教育部重點實驗室，青島 266100

0 引言

地震的孕育發(fā)生過程是地殼運動形式之一，一般認(rèn)為地震本質(zhì)是力學(xué)過程，是一個從緩慢變形向突發(fā)失穩(wěn)轉(zhuǎn)換的過程。臨近地震階段或斷層運動進(jìn)入“不可逆”階段后的應(yīng)力狀態(tài)，一直是研究者關(guān)注的焦點。地震孕育階段的緩慢遞進(jìn)變形與地震發(fā)生前后的瞬態(tài)應(yīng)力場調(diào)整在信號頻段上有很大差別?，F(xiàn)場地殼運動觀測有高頻(如地震儀)和低頻(鉆孔應(yīng)變測量、GPS、InSAR技術(shù)等)2種技術(shù)系統(tǒng)，分別用于記錄地震和緩慢變形過程。低頻系統(tǒng)的采樣間隔大多在1d或幾h一個數(shù)據(jù)的周期上工作，測量間隔往往大于地震發(fā)生的時間長度，罕見地震期間的數(shù)據(jù)，對地震前后可能出現(xiàn)的瞬時高頻應(yīng)力變化信號記錄不全面(邱澤華等，2004，2010)。高頻系統(tǒng)地震儀的采樣頻率可達(dá)上百Hz，可以清楚記錄到地震過程。但由于低頻性能不夠好，不能與低頻系統(tǒng)在頻帶上構(gòu)成連續(xù)的覆蓋，不足以獲得完整的地震全過程。雖然近年來記錄到一些慢地震現(xiàn)象，但缺乏對地震發(fā)生過程的完整記錄，尤其缺少從緩慢變形到突發(fā)失穩(wěn)過程轉(zhuǎn)換階段的記錄，是造成難以判斷是否進(jìn)入亞臨界狀態(tài)，無法做出臨震預(yù)報的根本原因。與現(xiàn)場觀測體系類似，在地震模擬實驗系統(tǒng)中也廣泛使用聲發(fā)射儀(高頻系統(tǒng))與應(yīng)變儀(低頻系統(tǒng))來觀測樣品的應(yīng)力狀態(tài)。兩者之間，從頻帶上看也有一個明顯的缺失。聲發(fā)射儀的頻帶一般在2kHz～2MHz，應(yīng)變儀一般在DC～100Hz，缺失100Hz～2kHz頻段，即ms級別的信號記錄能力。實驗證明，實驗粘滑失穩(wěn)過程一般持續(xù)約幾百ms，其中高速滑動過程為幾十ms，臨界滑動或成核過程持續(xù)十幾ms。因此，在這個頻段上，能以ms間隔記錄變形信號對地震模擬實驗非常重要。

地震模擬實驗中，應(yīng)變測量是了解實驗樣品在力學(xué)載荷等作用下如何變形、破壞的重要途徑。巖石變形破壞過程中所產(chǎn)生的應(yīng)變信號具有很寬的頻譜，從緩慢變形到瞬時震蕩覆蓋了從DC～MHz的范圍。20世紀(jì)90年代，利用采樣速度為MHz量級的高速瞬態(tài)記錄儀，研究者對粘滑的初始滑動階段進(jìn)行過觀測，其結(jié)果揭示出斷層失穩(wěn)滑動初始階段的復(fù)雜性和不均勻滑動，為成核相的研究提供了實驗依據(jù)，確認(rèn)了高頻應(yīng)變信號的存在和可觀測性(Andrews et al.，1976;Ohnaka et al.，1986，1999;Okubo et al.，1984，1986;Kato et al.，1996)。然而早期瞬態(tài)記錄儀存在明顯的技術(shù)缺陷，緩沖過小導(dǎo)致只能記錄滑動初期幾百μm的變化，分辨率低(8bit)導(dǎo)致不能獲得足夠清晰的信號。馬瑾等(2007，2008，2012)利用低頻應(yīng)變系統(tǒng)(最高100Hz)，使用應(yīng)變場及斷層位移觀測等手段研究了粘滑失穩(wěn)前兆，獲得了斷層幾何結(jié)構(gòu)與失穩(wěn)類型及前兆特征的關(guān)系;劉力強(qiáng)等(1986，1995)，馬勝利等(1995，2003，2008)研究了粘滑前后變形場的時間和空間變化。但因采樣頻率不足，難以獲得斷層失穩(wěn)滑動過程的瞬態(tài)變形信息。近年來，高速光學(xué)測量技術(shù)引入到實驗中(采樣頻率250kHz，樣長2ms)，對失穩(wěn)滑動過程中斷層面的接觸面積、破裂擴(kuò)展速度及應(yīng)變場的形態(tài)進(jìn)行了觀測(Fiberge et al.，1999;Rosakis et al.，1999;Rosakis，2002;Ben-David et al.，2010a，b;Mello et al.，2010)。其研究結(jié)果顯示，失穩(wěn)滑動并非一次簡單的線性過程，而是可以劃分為幾個不同的階段;斷層面上的破裂過程也不是均勻的單向擴(kuò)展，而是存在多種模式與不同的擴(kuò)展速度，失穩(wěn)滑動過程在時間上和空間上均表現(xiàn)出復(fù)雜性。

從以往的地震模擬實驗研究可以看出，相對于失穩(wěn)過程的研究目的而言，以往的應(yīng)變測量系統(tǒng)存在2個主要缺陷，采樣頻率覆蓋范圍不全和采樣時長不夠。雖然低頻段記錄系統(tǒng)能夠連續(xù)記錄，但只能獲得緩慢變形過程，不能細(xì)致描述失穩(wěn)過程。雖然高頻段系統(tǒng)速度足夠，但是由于采用瞬態(tài)記錄方式(觸發(fā)記錄短時信號)，緩沖長度不足，只能記錄失穩(wěn)滑動過程中很小的一段。儀器對信號范圍覆蓋上的缺失導(dǎo)致了變形逐步積累到突發(fā)釋放的轉(zhuǎn)換過程缺少信息記錄，這對利用模擬實驗研究地震物理機(jī)制非常不利。為了更好地研究實驗變形失穩(wěn)過程中的應(yīng)變場快速調(diào)整階段和巖石結(jié)構(gòu)破壞過程中的復(fù)雜變形場，我們將高速、高分辨率、多通道的應(yīng)變觀測技術(shù)引入構(gòu)造物理實驗，搭建了用以觀測瞬態(tài)變形場的多通道動態(tài)應(yīng)變觀測系統(tǒng)(Multi-channel Dynamic Strain Observation System)，觀測斷層失穩(wěn)過程高速滑動階段的力學(xué)場時空變化。利用這套系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)了粘滑失穩(wěn)過程中的一些重要現(xiàn)象(郭玲莉等，2012，2014a，b;李普春等，2013)，利于從微觀、瞬態(tài)角度認(rèn)識斷層失穩(wěn)滑動的物理本質(zhì)。

1 多通道動態(tài)應(yīng)變觀測系統(tǒng)設(shè)計

本系統(tǒng)采用電阻應(yīng)變片作為傳感器，應(yīng)變片的頻響特性可以按照以下方法計算(圖1)。在樣品表面上A點粘貼柵長為l的應(yīng)變片，應(yīng)變波長為λ，A點處的真實應(yīng)變值為:

A點的應(yīng)變測量讀數(shù)ˉεA表示應(yīng)變片的輸出，它等于在應(yīng)變片柵長范圍內(nèi)各點應(yīng)變的平均值:

圖1 應(yīng)變片的頻響特性計算示意圖Fig.1 The diagram of the frequency response characteristics of strain gauge.

比較上2式可知，用柵長范圍內(nèi)的平均應(yīng)變表示柵長中點處的應(yīng)變，將產(chǎn)生誤差，其相對誤差δ為:

δ與λ/l比值有關(guān)，比值越大，誤差越小。當(dāng)λ/l比值為10～20，相對誤差 ＜1.6% ～0.4%。波長λ與頻率f之間有以下關(guān)系:

其中，v為應(yīng)變在樣品上傳播的波速，本實驗室主要使用花崗閃長巖作為實驗樣品，取應(yīng)變波速為3km/s，λ/l比值選用20，應(yīng)變片柵長5mm，根據(jù)公式可以計算得到λ值，確定5mm應(yīng)變片的最高頻響為30kHz。以應(yīng)變片作為傳感器，可以滿足瞬態(tài)高頻測量的需求。

多通道應(yīng)變觀測系統(tǒng)的硬件組成包括高精度電橋箱、電橋激勵源、數(shù)據(jù)采集器與中心控制器，由3臺32通道應(yīng)變采集器組成，采集器可獨立使用，也可以3臺聯(lián)合使用。為保證聯(lián)合使用時采樣的同步性，將各個采集器的最后一個通道并聯(lián)，同時向其輸入脈沖信號，實現(xiàn)同步對時。該應(yīng)變觀測系統(tǒng)可以同時對93個測點進(jìn)行高速應(yīng)變測量，采用連續(xù)記錄方式工作。

工作原理如圖2所示。當(dāng)惠斯登電橋(Wheatstone bridge)中的應(yīng)變片發(fā)生變形時，其電阻值的變化引起電橋輸出端電壓的變化。電壓值經(jīng)過差動輸入電橋放大器放大后進(jìn)入主放大器進(jìn)行再次放大，放大后的模擬信號通過數(shù)據(jù)采集模數(shù)轉(zhuǎn)換器變換為數(shù)字信號。數(shù)字信號輸入到系統(tǒng)控制總線后，依次進(jìn)入數(shù)據(jù)并行接口，通過IEEE1284接口電纜與并行接口(EPP接口)，被讀入到PC機(jī)。經(jīng)過數(shù)據(jù)整理，配準(zhǔn)采樣時間后，數(shù)據(jù)流導(dǎo)入到硬盤中記錄。

若應(yīng)變信號零點需要校正，可通過軟件向系統(tǒng)控制總線發(fā)送偏置指令，指令傳送給數(shù)模轉(zhuǎn)換器。數(shù)模轉(zhuǎn)換器將與指令對應(yīng)的模擬電壓信號疊加在主放大器的輸入零點，調(diào)整信號差動量調(diào)節(jié)達(dá)到預(yù)期校正效果。差動輸入電橋放大器配有1、50、100、200和500倍5級增益檔位，主放大器配有1、2、4、8、16和32倍6級增益檔位。因此，可以從這2級增益的配比中獲得30種以上的放大范圍，適應(yīng)不同的靈敏度需求。主放大器增益可以通過軟件指令動態(tài)改變。

圖2 多通道動態(tài)應(yīng)變觀測系統(tǒng)工作原理流程圖Fig.2 The working principle diagram of the dynamic strain observation system.

在保證信號不失真的情況下，壓制電橋箱的噪聲和提高系統(tǒng)頻率上限是本系統(tǒng)研發(fā)的難題。對高精度直流電橋的激勵電源，采用了隔離電源與強(qiáng)濾波技術(shù)，使供給電橋的電源紋波噪聲＜100μV。橋臂電阻選用溫度漂移系數(shù)＜5ppm的電阻，具有高溫度穩(wěn)定性。模數(shù)轉(zhuǎn)換電路采用了專用的低噪聲電路設(shè)計，選用高分辨率的16Bit分辨率模數(shù)轉(zhuǎn)換器，3.4kHz采樣速度的均方差噪聲≯2LSB。

多通道高頻連續(xù)應(yīng)變測量在短時間內(nèi)會產(chǎn)生大量的數(shù)據(jù)，若本系統(tǒng)96通道以3.4kHz速度采集應(yīng)變信號，則每秒鐘產(chǎn)生約650kBytes數(shù)據(jù)。為了保證數(shù)據(jù)能順利存儲與實時顯示當(dāng)前各個通道的應(yīng)變狀態(tài)，系統(tǒng)軟件采用了雙線程工作方式。采集線程在后臺負(fù)責(zé)管理模數(shù)轉(zhuǎn)換，收集存儲數(shù)據(jù)。顯示對話線程在前臺實時繪制應(yīng)變時間過程曲線，隨時響應(yīng)用戶的指令。

在上述軟件與硬件技術(shù)的支持之下，為實驗室應(yīng)變測量提供了一個多通道高速高分辨率的連續(xù)觀測系統(tǒng)。與以往相比，這個系統(tǒng)具有更高的采樣頻率，在高頻下具有更低的噪聲、更低的漂移與更好的穩(wěn)定性。因此可以滿足ms級別范圍的應(yīng)變觀測需求。

2 應(yīng)用實例

2.1 粘滑失穩(wěn)過程中的應(yīng)變信息

雙剪斷層模型的實驗標(biāo)本由3塊房山花崗閃長巖組成，中部滑動巖塊尺寸為350mm×100mm×50mm，兩側(cè)固定巖塊尺寸為300mm×50mm×50mm。3塊巖石樣品形成2個滑動面(圖3a)，在中部巖塊一側(cè)斷層上布設(shè)10組30個應(yīng)變片，應(yīng)變片尺寸為3mm×5mm，每3個應(yīng)變片組成應(yīng)變花，監(jiān)測斷層帶附近應(yīng)變變化過程。實驗時，在X方向?qū)悠肥┘觽?cè)向壓力Fn，當(dāng)Fn達(dá)到35MPa后保持恒定;以1μm/s位移速率推動中部端塊，使得剪應(yīng)力Fs逐漸增加，并逐漸產(chǎn)生粘滑失穩(wěn)。實驗加載曲線如圖3b所示。

圖3 雙剪粘滑實驗布局及斷層失穩(wěn)滑動過程中的應(yīng)力、應(yīng)變變化Fig.3 Configuration of the test sample and strain gauges distribution，and the stress and strain curve during the unstable sliding process.

以第3次粘滑失穩(wěn)事件為例(圖3b中箭頭所示，t=5 253.5s)，其剪應(yīng)力降放大曲線顯示的應(yīng)力降過程如圖3c所示，在失穩(wěn)滑動的瞬間，應(yīng)力降呈現(xiàn)非線性變化，限于目前的觀測精度(10Hz采樣頻率)，還不清楚應(yīng)力降過程的細(xì)節(jié)。同時，高頻應(yīng)變場觀測系統(tǒng)所記錄的斷層附近應(yīng)變變化曲線如圖3d所示，在應(yīng)力降過程中，應(yīng)變變化不是簡單的線性下降，而是表現(xiàn)為復(fù)雜的變形過程，近斷層帶的應(yīng)變包含有復(fù)雜的頻率成分，擺動幅度很大，同時又表現(xiàn)出規(guī)則清晰的階段遞進(jìn)特征(圖3d，e)。整體上看瞬態(tài)滑動過程表現(xiàn)為3個階段:Ⅰ預(yù)滑動階段，Ⅱ高頻應(yīng)變震蕩階段，Ⅲ低頻調(diào)整止滑階段(圖3d，3e)。每個階段的持續(xù)時間、應(yīng)變速率、頻率特性、振幅等都具有自身特點。Ⅰ預(yù)滑動階段:預(yù)滑持續(xù)時間約為150ms，預(yù)滑動階段后期，應(yīng)變速率明顯加快，最大預(yù)滑量約80με。Ⅱ高頻應(yīng)變震蕩階段(圖3 e):持續(xù)時間約70ms，振蕩周期約25個周期，最大振幅170με，主頻為300～400Hz，該頻段屬于人耳可識別的聲頻范圍，正是該信號讓人們在實驗室“聽”到粘滑，感到“地震”。Ⅲ低頻振蕩調(diào)整止滑階段:這一階段斷層上的滑動結(jié)束，應(yīng)變開始在各個部位進(jìn)行調(diào)整至滑動停止，持續(xù)時間約800ms，一般調(diào)整1～2個周期。第1個周期振幅較大，約250με，第2周期振幅明顯變小，以致逐漸趨于停止。

使用高頻應(yīng)變觀測系統(tǒng)可以獲得粘滑失穩(wěn)過程中更豐富的細(xì)節(jié)，為進(jìn)一步研究斷層失穩(wěn)瞬態(tài)過程及可能的物理機(jī)制提供更詳細(xì)的數(shù)據(jù)支持。

2.2 裂紋擴(kuò)展過程中的應(yīng)變信息

實驗樣品為房山花崗閃長巖制作。樣品尺寸200mm×135mm×35mm(圖4a)。樣品上預(yù)制2條弧形裂紋，其長度為33mm，裂紋與加載方向的夾角為30°。2個裂紋連線與水平方向的夾角為90°。預(yù)制裂紋用石膏充填。裂紋擴(kuò)展實驗在單軸實驗加載機(jī)上進(jìn)行，加載速率0.1kN/s。

裂紋擴(kuò)展至樣品崩垮階段的應(yīng)變曲線如圖4b所示，該階段持續(xù)時間為0.1s。各處應(yīng)變急劇變化后，斷層開始擴(kuò)展，在某些區(qū)域應(yīng)變集中，并逐步產(chǎn)生微裂紋，這些微裂紋互相貫通，使得斷層得以擴(kuò)展。具體的變化過程如下。

端部的Ch－1和Ch－2的應(yīng)變首先開始加速變化，特別是Ch－2由壓縮狀態(tài)轉(zhuǎn)換為拉張，巖橋區(qū)中部Ch－13的應(yīng)變值以更高的應(yīng)變速率急劇增加使得應(yīng)變片張裂，說明裂紋首先在此處產(chǎn)生，接著Ch－1位置破裂。10ms后Ch－2由拉張狀態(tài)突然變?yōu)閴嚎s狀態(tài)，同時Ch－8加速壓縮，此后巖橋區(qū)中部Ch－12拉張破裂，使得Ch－8，Ch－9，Ch－10壓縮應(yīng)變能釋放，產(chǎn)生翼裂紋。而Ch－9和Ch－10應(yīng)變突變?yōu)槔瓘?，同時Ch－8再次壓縮。樣品背面的橫向應(yīng)變(Ch－26)急劇上升，破裂，表示巖橋區(qū)的裂紋中部貫通到底部。斷層擴(kuò)展完成。經(jīng)歷了一個20ms的相對“穩(wěn)定期”，隨著繼續(xù)加載，樣品開始滑動，Ch－8、Ch－9、Ch－10隨載荷加載波動?；瑒禹樞驗?裂紋穿過Ch－3，通過預(yù)制裂紋，傳向Ch－9，Ch－10，Ch－11促使應(yīng)變釋放，2ms后滑向Ch－14位置應(yīng)變釋放，然后移向Ch－20位置直至樣品底部。樣品從斷層擴(kuò)展貫通到樣品崩垮之間存在一個短暫的穩(wěn)定期。

高頻應(yīng)變系統(tǒng)可以提供各個位置ms級的應(yīng)變變化及裂紋擴(kuò)展時序，可以通過瞬態(tài)應(yīng)變信息區(qū)分出斷層擴(kuò)展和斷層失穩(wěn)過程，記錄到的應(yīng)變信息可以獲得如下幾點啟示:1)裂紋擴(kuò)展與樣品崩垮之間存在一個穩(wěn)定期(持續(xù)時間約20ms)。裂紋擴(kuò)展完成，樣品應(yīng)變狀態(tài)調(diào)整到一個新的平衡狀態(tài)，隨著壓機(jī)對樣品繼續(xù)加載，使得擴(kuò)展后的樣品更容易崩垮破裂，在短暫的平靜期之后，樣品失穩(wěn)。2)巖橋區(qū)裂紋貫通是一個快速過程(約40ms)，且發(fā)生在最后時刻。3)巖橋區(qū)裂紋貫通不是一個連續(xù)線性過程，而是先多點同時擴(kuò)展，并逐漸連接直至互相貫通。

3 結(jié)論與展望

圖4 裂紋擴(kuò)展過程的應(yīng)變響應(yīng)曲線及相應(yīng)應(yīng)變測點位置Fig.4 The strain response curves of crack propagation process and the corresponding strain gauges distribution.

(1)多通道動態(tài)應(yīng)變觀測系統(tǒng)研發(fā)成功填補(bǔ)了在地震模擬與巖石力學(xué)實驗中應(yīng)變觀測頻帶的空缺，可以獲得高密度、高精度的動態(tài)應(yīng)變場，研究瞬態(tài)應(yīng)變場演化與應(yīng)變波時空過程，為理解從緩慢遞進(jìn)變形到突發(fā)失穩(wěn)釋放過程提供了技術(shù)支持。

(2)利用多通道動態(tài)應(yīng)變觀測系統(tǒng)，第1次觀測到了失穩(wěn)滑動過程中的高頻應(yīng)變震顫現(xiàn)象，震顫過程分為預(yù)滑、高頻振蕩與調(diào)整止滑3個階段，震顫特征與構(gòu)造部位密切相關(guān)。該頻段的應(yīng)變觀測為地震模擬實驗研究開辟了新的視野，應(yīng)當(dāng)開展失穩(wěn)階段的瞬時變形過程研究。

多通道動態(tài)應(yīng)變觀測系統(tǒng)不僅限于應(yīng)變觀測。在配裝了其他傳感器與二次儀表之后，它可用于速度、位移及電磁電位的多點中頻信號觀測，前期嘗試性實驗中已經(jīng)獲得了相應(yīng)的成果，這使構(gòu)造物理實驗多物理量觀測和對比分析成為可能，接下來我們希望對這一成果進(jìn)行深入分析，開展多物理量的瞬態(tài)失穩(wěn)場觀測與分析，從多方位了解地震失穩(wěn)和巖石破裂過程的詳細(xì)信息。

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