基于數(shù)字圖像相關(guān)方法的斷層破裂擴(kuò)展實(shí)驗(yàn)研究

代樹紅

（中國地震局地質(zhì)研究所，北京100029）

中國地震局地質(zhì)研究所2013屆博士論文摘要（Ⅵ）

基于數(shù)字圖像相關(guān)方法的斷層破裂擴(kuò)展實(shí)驗(yàn)研究

代樹紅

（中國地震局地質(zhì)研究所，北京100029）

活斷層是發(fā)生構(gòu)造地震和引起相關(guān)地質(zhì)災(zāi)害的主要原因，其中受第四系松散沉積物覆蓋的活斷層相對于地表出露的斷層更具隱蔽性和危險性。因此，活斷層破裂及其在沉積層中的擴(kuò)展研究是地震地質(zhì)科學(xué)和防震減災(zāi)工程中的重要課題。為了深入理解活斷層破裂擴(kuò)展特征和機(jī)理，本文基于數(shù)字圖像相關(guān)方法開展了破裂在巖石和斷層基巖上覆沉積層擴(kuò)展的斷裂實(shí)驗(yàn)和地質(zhì)力學(xué)模型實(shí)驗(yàn)研究。主要的研究工作如下：

（1）為揭示典型性斷層破裂在沉積層的擴(kuò)展規(guī)律及地表破裂帶的分布特征，研制了針對走滑斷層和逆斷層破裂擴(kuò)展研究的模型實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)和相似材料，通過模型實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的模型架可以方便地調(diào)整斷層構(gòu)造的幾何參數(shù)，從而達(dá)到研究斷層的幾何參數(shù)對其破裂擴(kuò)展影響的研究目標(biāo)，模型實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)通過由伺服電機(jī)控制的加載系統(tǒng)可以精確地實(shí)現(xiàn)對斷層基巖錯動方式的控制；由石英砂和石膏等材料配比而成的相似材料具有成本低、填裝方便和強(qiáng)度可調(diào)整、范圍大的優(yōu)點(diǎn)，能夠有效模擬活斷層基巖和沉積層的物理力學(xué)性質(zhì)，適合于開展大規(guī)模和具可重復(fù)性的活斷層破裂擴(kuò)展的實(shí)驗(yàn)研究。為觀測模型實(shí)驗(yàn)中斷層的破裂擴(kuò)展過程，本文基于DICM（Digital Image Correlation Method）的基本原理，討論了應(yīng)用DICM觀測非連續(xù)變形場的技術(shù)，系統(tǒng)化了3D-DICM的理論和觀測方法，研制了3D-DICM的觀測系統(tǒng)，經(jīng)改進(jìn)的DICM可以有效地觀測模型實(shí)驗(yàn)中活斷層破裂在沉積層的擴(kuò)展過程及地表變形場和地表破裂帶的演化過程。為解決巖石裂紋擴(kuò)展過程中測定裂紋尖端斷裂參數(shù)的難題，論文提出了一種基于DICM測定巖石裂紋擴(kuò)展過程中，裂紋尖端應(yīng)力強(qiáng)度因子、裂紋尖端位置和裂紋擴(kuò)展長度的巖石斷裂實(shí)驗(yàn)方法。該方法能夠直接測定巖石裂紋尖端的斷裂參數(shù)，為揭示斷層基巖破裂擴(kuò)展特征和力學(xué)機(jī)理提供了有效的實(shí)驗(yàn)方法。

（2）文中應(yīng)用新近提出的DICM研究了半圓盤巖石試件在三點(diǎn)彎曲加載條件下I型和I-II復(fù)合型裂紋擴(kuò)展過程中應(yīng)力強(qiáng)度因子和裂紋擴(kuò)展長度的演化過程。研究表明，巖石裂紋擴(kuò)展過程中具有亞臨界擴(kuò)展階段，通過裂紋擴(kuò)展過程中的應(yīng)力強(qiáng)度因子和裂紋擴(kuò)展速率的變化特征，可以有效地判別裂紋的亞臨界擴(kuò)展階段，亞臨界擴(kuò)展過程對于斷層基巖破裂擴(kuò)展和地震前兆信息的研究具有重要的地震地質(zhì)意義。裂紋在輝綠巖中含石英夾層、砂泥巖互層和層狀巖石模擬試件擴(kuò)展過程中，層狀巖石中的界面層、界面層滑動效應(yīng)和界面層兩側(cè)的巖石強(qiáng)度差異性，對破裂在界面層兩側(cè)的巖體擴(kuò)展具有止裂和改變擴(kuò)展方向的作用。該研究有助于揭示斷層在不同巖性的層狀蓋層中擴(kuò)展的規(guī)律和機(jī)理。

（3）論文基于地質(zhì)力學(xué)模型試驗(yàn)方法和系統(tǒng)，研究了走滑斷層破裂在沉積層中的擴(kuò)展形跡，沉積層厚度和斷層錯動位移這兩個關(guān)鍵參數(shù)對地表變形場和地表破裂帶演化過程的影響，以及破裂帶內(nèi)的破裂類型。研究表明，破裂在上覆沉積層和地表的擴(kuò)展受斷層基巖的錯動位移量控制，地表變形帶寬度隨斷層位移量呈近二次曲線增大，并最終趨于穩(wěn)定；地表破裂帶（變形帶）影響范圍隨沉積層厚度增大而增大，地表破裂帶內(nèi)的破裂是破裂自基巖和沉積層的接觸面呈螺旋曲面向地表擴(kuò)展的結(jié)果，擴(kuò)展至地表后破裂呈間距性分布，破裂間距同沉積層厚度成正比。

（4）通過地質(zhì)力學(xué)模型實(shí)驗(yàn)，研究了逆沖斷層基巖錯動條件下，破裂自基巖上斷點(diǎn)向沉積層地表擴(kuò)展過程中，斷層傾角、沉積層厚度和斷層錯動位移量對地表變形場演化過程的影響規(guī)律，以及地表破裂帶的演化及分布。研究表明，沉積層表面圍繞基巖斷層上斷點(diǎn)的投影線形成垂直位移梯度帶（形變帶），形變帶寬度和帶內(nèi)最大垂直位移隨基巖斷層位移的增加而線性地增加，但當(dāng)破裂擴(kuò)展至沉積層表面后帶寬逐漸趨于穩(wěn)定；隨沉積層厚度增加，地表變形帶的影響范圍增大但帶內(nèi)變形強(qiáng)度減弱，沉積層中分別出現(xiàn)了剪切和拉張破裂帶；沉積層表面形變帶的寬度將隨基巖斷層傾角的增加而減小，但同時基巖斷層傾角越大，形變帶內(nèi)最大位移量就越大，在沉積層表面引起的變形破壞的程度也越強(qiáng)烈。

數(shù)字圖像相關(guān)方法；活斷層；走滑斷層；逆沖斷層；沉積層；地質(zhì)力學(xué)模型實(shí)驗(yàn)；地表破裂帶；巖石斷裂；應(yīng)力強(qiáng)度因子；裂紋擴(kuò)展；界面層；層狀巖石

（作者電子信箱，代樹紅：dsh3000＠126.com）

P315.8；

A；

10.3969／j.issn.0235-4975.2014.11.003