平直斷層失穩前應變場演化特征的實驗研究

郭彥雙 馬 瑾 卓燕群

（中國地震局地質研究所，地震動力學國家重點實驗室，北京 100029）

了解與認識地震發生前一段時間內斷層的應力應變等物理場的演化過程及其變化特征對于識別斷層的狀態信息與地震的孕育與發生機理十分重要。斷層上何時何地進入亞失穩狀態的識別對于預測可能發生的失穩事件尤其關鍵。在實驗室采用300 mm×300 mm×50 mm 房山花崗閃長巖樣品，并沿樣品對角線方向預切一條平直斷層，并沿斷層布置14 組應變花（圖1a 符號圈碼1～14），在側壓（σ2=5 MPa）保持的條件下，主壓方向σ1分別以0.5、1.0 和0.1 μm/s 的加載速率進行加載，記錄每次粘滑事件的應變數據。

實驗結果表明：不同斷層段的最大名義摩擦系數μL（剪切應變與正應變之比）在1.0～2.8 之間（14 組數據的平均值約為1.5），遠大于由樣品端部應力計算得到最大靜摩擦系數μS=0.74。這一觀測結果表明斷層面的實際接觸面積約為斷層面的一半，而且各斷層段的接觸狀態存在顯著差異，其中1 號、13 號和14號3 個測點區域的斷層摩擦狀態最強。不同斷層段體應變隨著荷載的遞增亦呈現不同趨勢的變化特征，斷層失穩前229 s，13 號區域開始由體應變增強轉為減弱，隨后14 號與12 號測點先后轉為體應變減弱，而此時各測點相應區域的剪應變并未見明顯的變化。這種差異性斷層狀態性意味著斷層面的非均勻性（幾何與材料非均勻性）對斷層失穩過程起著重要的影響，可以通過這種差異識別斷層段上活動區域（如14 號和12 號測點）。而臨近斷層失穩前12 s 時，2 號、3 號、11 號和12 號測點區域的體應變與剪應變開始同步增強，而其他各測點則相對減弱，階段斷層呈現協同變形特征，這意味著斷層失穩即將啟動。

對于同一組應變數據，不同物理參量的演化過程將呈現不同的特征。這種差異特征對于識別斷層段的活動區域及其活動趨勢具有指導意義，分析研究不同物理參量的物理意義有助于深入理解斷層失穩機制。

圖1 樣品結構圖與加載過程