壓性雁列斷層亞失穩階段亮溫場演化的實驗研究

任雅瓊 馬 瑾 劉培洵 陳順云

（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）

利用熱紅外遙感影像對斷層活動的研究表明，與構造活動相關的熱場和GPS數據得到的變形場密切相關。實驗室對熱場和變形場之間關系的研究是解釋其機理的重要基礎。本實驗室的新設備德國制冷型InfraTec-8800熱像觀測系統，熱靈敏度提高至25 mK，通過平滑差值等數據處理方法，其溫度分辨率可達5 mK；采樣速率最高可達90 Hz；圖像空間分辨率為512×640像素，每個像素對應于實際尺寸的0.35 mm。熱像儀對溫度變化響應迅速，能記錄到溫度的突升突降，且記錄到的數據溫度耗散小，更能接近樣品的真實溫度。利用新設備對壓性雁列變形過程進行觀測，有望得到新的有用的結果。

在實驗室利用雙向伺服壓機對標本進行變形實驗，應用紅外熱像儀和接觸式測溫儀同步記錄巖石破裂過程中的溫度場。樣品為500 mm×300 mm×50 mm的花崗閃長巖，斷層段充填石膏。在實驗過程中首先在x和y方向同時加載至5 MPa，然后令x方向的載荷保持常數，y方向按位移控制方式加載，位移速率保持常數 0.5 μm/s。

巖石標本失穩發生在加載開始后第5 643 s，差應力-時間曲線顯示變形包含了彈性變形、粘滑、破裂3個階段。在破裂前約1 600 s的N點出現了強烈的偏離線性現象，強偏離線性階段差應力仍以較低速率增加，峰值點O之后差應力開始緩慢下降，在臨界點A之后差應力出現加速釋放，持續2～3 s后速率變緩，十多秒之后到達失穩點B，發生失穩。這一過程可由N、O、A、B劃分為4個階段：NO稱之為“強偏離線性階段”，OA稱之為“亞失穩階段Ⅰ”，AB稱之為“亞失穩階段Ⅱ”，B之后是“破裂失穩階段”。新熱像儀的溫度分辨率顯著提高，不經處理的熱像圖即可觀測到破裂失穩階段的斷層及巖橋區溫度變化（圖1），通過空間和時間的平滑處理及背景去除可以獲得更加詳細的信息。

對巖橋區和斷層帶的熱像圖進行分析，結果顯示：①不同階段發生溫度變化的空間位置和特點都不同：強偏離線性階段，巖橋區明顯增溫，個別位置降溫，上斷層出現高溫點并開始擴展；亞失穩階段Ⅰ，上斷層增溫加速；亞失穩階段Ⅱ，斷層帶出現兩次增溫加速以及協同化加速, 巖橋區內側降溫；破裂階段，樣品除了斷層帶及其鄰近區域增溫之外都降溫，降溫最明顯的區域在巖橋區。②斷層錯動的方式：從多點開始，分別向兩邊擴展，逐步連接，在失穩前出現增溫協同化。③溫度變化的機理：強偏離線性階段的巖橋區增溫是由應力集中引起的，個別位置降溫是巖橋區局部破裂導致；亞失穩階段的斷層帶增溫現象是應力增加和帶內充填物發生微破裂相互摩擦共同作用的結果，巖橋區降溫是由于斷層擴展，出現裂縫。據此可推測變形過程分為4個階段:巖橋區破裂、斷層局部損傷、裂縫擴展、失穩錯動。

總之，實驗表明熱場與應力應變場關系密切，可以通過熱場對樣品的應力狀態進行分析判斷，為利用遙感熱紅外資料研究現今構造運動提供物理依據。

圖1 破裂失穩階段的熱像圖