粘滑過程中的多點錯動

李普春 劉力強 郭玲莉 劉培洵

（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）

最近十多年來，通過高密度寬頻帶臺網(wǎng)對許多地震的觀測發(fā)現(xiàn)，一些大地震并非只由一個震源引起，在地震的瞬間可能有多個震源存在。例如汶川地震就曾經(jīng)被拆解為多個順序發(fā)生的次級地震。那么在實驗室尺度上的粘滑事件可能存在類似于天然大地震的多震源或多點位錯現(xiàn)象嗎？本文從聲發(fā)射和應(yīng)變場兩方面來分析粘滑過程中震源多點錯動的現(xiàn)象，包括對粘滑事件的定位，近場聲發(fā)射波的初動方位空間分布，應(yīng)變場形態(tài)，快速滑動應(yīng)變波振蕩頻率和失穩(wěn)瞬間的應(yīng)變增量初動方位空間分布等。

實驗中使用一臺多通道聲發(fā)射儀記錄AE全波形數(shù)據(jù)。儀器設(shè)定參數(shù)為：16個信號通道，采樣頻率10 MHz，一次觸發(fā)波形的采樣點數(shù)為4 096（對應(yīng)采樣時窗寬度為400 μs），系統(tǒng)死時間約為10 ms。由于本次實驗是對粘滑期間的大應(yīng)力降事件進(jìn)行研究，希望僅僅記錄能量較大的AE事件，因此將系統(tǒng)的增益設(shè)定得較低（100倍），觸發(fā)門檻值設(shè)定得較高（50%），以盡量減少處理小能量事件造成的系統(tǒng)死時間。

本實驗采用一套新研制的多通道高頻應(yīng)變儀記錄粘滑應(yīng)力降期間的瞬態(tài)應(yīng)變場。該應(yīng)變儀具有 64個信號通道，應(yīng)變分辨率約為1 μs，每個通道的采樣頻率均為3 400 Hz，采用連續(xù)記錄方式工作。在突發(fā)應(yīng)力降的幾百毫秒期間，利用本系統(tǒng)可以記錄多點的瞬時應(yīng)變變化過程，其采樣間隔約為300 μs，與AE的采樣時窗大體相當(dāng)，因此可以有效地與AE事件對比分析。

圖1 實驗樣品和雙軸臥式壓機實驗記錄系統(tǒng)示意圖（蘭框為應(yīng)變片，灰圈為AE傳感器）

實驗研究表明：①一次粘滑過程是由發(fā)生在斷層上不同位置上的多次次級滑動子事件組成的。高速應(yīng)變系統(tǒng)清楚地記錄到粘滑過程明確劃分為 2～3次子事件，每個子事件對應(yīng)的最早的聲發(fā)射波出現(xiàn)在斷層的不同部位，表現(xiàn)出第一層次的多點滑動特征。②沿斷層帶布設(shè)的AE傳感器可以記錄到每個次級滑動瞬間各個位置接收到的AE振動信號。各點的AE信號起跳時間并不符合從最早的起點向外傳播的規(guī)律，由此推測每個子事件的錯動也是通過多點錯動完成的。③觀測顯示沿著剪切面存在一個起伏變化的復(fù)雜應(yīng)變場，高速瞬時滑動過程中沿斷層帶應(yīng)變能的釋放不均勻。應(yīng)變增量場中出現(xiàn)的局部極大值點的位置與聲發(fā)射事件的位置大體相符，AE初動方位和應(yīng)變增量場的變化方向之間密切相關(guān)等特性都說明應(yīng)變場的基本框架與能量釋放特征構(gòu)成了多點錯動的基本力學(xué)條件。④在以往的一些研究中，常常將一些大粘滑事件對應(yīng)的聲發(fā)射事件無法定位歸結(jié)于信號的噪聲太大，到時的拾取誤差和算法以及系統(tǒng)的時間不同步等等。從多點錯動的角度上看，恰好說明了多點錯動現(xiàn)象早已經(jīng)被觀測過。⑤本實驗所采用的觀測系統(tǒng)相對于斷層的距離相當(dāng)于現(xiàn)場的極近場觀測，它有效地揭示出了震源的多點錯動現(xiàn)象。現(xiàn)場地震臺相對于觀測網(wǎng)內(nèi)的大地震也變成了極近場觀測，因此也能夠獲得地震過程中的多點錯動現(xiàn)象。對于小地震而言，地震臺網(wǎng)又相對變成了遠(yuǎn)場情況，各次微小錯動之間的差別可能被掩蓋。尺度的大小是同時相對于事件強度與觀測距離而言的。在實踐中，需要根據(jù)實際情況，判斷選擇合理的震源物理模型。