區域加載應力與斷層帶周邊應變場分析

郭玲莉 劉力強

（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）

斷層兩側應力的積累與釋放是產生地震的直接原因，因此在活動斷層周邊建立了大量的地應變觀測站。地殼里面包含有多種結構面，各種力學性質不同的巖石以某種疊加層序或侵入關系混雜在一起，它們必然影響變形場的形態與變化。因此，區域變形場的時空演化進程與地震的關系表現出非常復雜的模式。單個應變測量點的應變狀態是否受控于一個統一的動力學過程，從多個測點能否推測出區域應力狀態，成為一個重要的問題。在實驗室地震模擬實驗中，經常用巖石摩擦粘滑過程來重現淺源地震機制。實驗室模擬與野外觀測的不同之處在于精確知道對實驗樣品的加載過程、加載量和加載方向等條件，可以全面對比研究局部變形與宏觀加載之間的關系。本文從加載條件相對確定的地震過程物理模擬實驗出發，討論地震過程中區域應力場的演化過程以及局部變形行為之間的關系。同時引入應力空間的概念，試圖在應力與應變空間上對比分析區域加載應力路徑和地震斷層帶周邊應變路徑兩者之間的關系，闡釋地震過程的發生機理以及變化規律，為現場地應力觀測以及區域應力研究提供物理模擬依據和參考。

利用雙軸伺服控制加載裝置，采用三塊花崗閃長巖標本組成的含有兩個滑動面的雙剪結構，配合超動態應變場觀測系統，開展摩擦滑動實驗。沿斷層帶在中部巖塊上布有大量應變片，以有效地獲得粘滑應變場的全過程。宏觀加載過程投影到剪應力與正應力所構成的應力空間上，描述樣品受力的應力路徑。每個應變測量點所獲得的變形過程投影在正應變與剪應力所構成的應變空間上，描述樣品變形的應變路徑。對比兩者的異同，分析斷層周邊變形如何響應宏觀加載過程。

實驗中產生的典型粘滑事件加載應力路徑見圖1a，剪應力在正應力保持不變的情況下線性增長達到穩滑狀態（A-B段），在正應力方向施加擾動0.53 MPa，引發斷層失穩滑動，產生應力降。在Fn方向的擾動使應力路徑曲線呈現“甩鞭式”向右擺動，隨后沿B-C路徑剪應力突然下降了約1 MPa，正應力也下降0.5 MPa。這種在應力空間上勾畫出來類似“甩鞭式”似的路徑圖是擾動觸發粘滑過程的標準宏觀加載圖形。

圖1 實驗中的典型粘滑事件

為了與宏觀加載相對比，計算得出了斷層帶上多個應變測量點的平均應變特征，其應變路徑軌跡如圖1b所示。對比宏觀加載的應力路徑與斷層帶應變響應路徑，簡單的加載過程所派生出的變形過程不同。多點應變路徑顯示沿斷層帶摩擦滑動所產生剪切應變分布比正應變分布有更大的起伏波動。從應變場角度看，斷層粘滑過程的變形是一種具有特定結構的變形。

綜合實驗結果，可以得出以下幾點認識：①從形變測量角度看，變形體內部各個部位的變形過程與外部對變形體施加的動力過程之間不是簡單對應關系，微觀變形與宏觀變形的應力路徑不同。從斷層帶附近少數幾個測點的應變演化過程不能簡單推論整個斷層帶的宏觀動力學加載過程。②從粘滑全過程看，簡單的加載過程，可以產生復雜的變形場分布。沿斷層帶，由于摩擦滑動所產生的剪切應變分布，比正應變分布有更大的起伏波動。③粘滑全過程的應變路徑具有特定運動軌跡，可以劃分為4個階段：正斜率的應變積累階段；負斜率的趨近失穩階段；變形階段或亞臨界失穩或者震源競爭階段；正斜率的失穩滑動階段。