斷層失穩滑動瞬態過程的實驗觀測與分析

郭玲莉

（中國地震局地質研究所，北京100029）

斷層失穩滑動瞬態過程的實驗觀測與分析

郭玲莉

（中國地震局地質研究所，北京100029）

地震過程伴隨著巖體的破裂與斷層的摩擦滑動失穩過程。斷層的擴展與失穩過程一直是地震學研究的基本問題，觀測變形過程物理場演化特征，建立失穩模式，對于理解和認識地震機制具有重要的參考和應用價值。

地震過程可以簡單地劃分為地震孕育階段、地震發生階段和震后調整階段。3階段中，地震發生過程瞬間的記錄尤其缺乏，特別是對地震瞬間的近場力學過程所知甚少。但是，短時間內，大面積提高現場地震力學過程瞬態場的觀測具有相當難度。因此，在實驗室模擬斷層失穩滑動過程，對近斷層瞬態場進行高頻細微研究，對理解現場地震過程具有重要意義。

本文以典型粘滑失穩模型和預制斷層擴展模型為研究對象，實驗樣品選用房山花崗閃長巖，使用新研制的多通道高頻高精度應變觀測系統和速度測量系統，配合聲發射系統和數字散斑系統進行觀測，在雙軸伺服加載系統上進行模擬實驗。首先描述了斷層帶局部應變、斷層擴展的聲發射信號、斷層宏觀錯動速度等結構參數，分析瞬態高速滑動過程中各種力學參數的變化規律。其次研究了斷層破裂的啟動、擴展、停止等階段上各參數的變化特征、作用以及他們之間的相互關系，從微觀、瞬態角度認識斷層失穩滑動的物理本質。接下來在應力與應變空間上描述了地震過程的區域應力路徑和局部應變路徑，討論自發地震與誘發地震的應變變形階段，從另一角度為現場地應力觀測以及區域應力分析提供參考。同時探討了粘滑類型、應力降大小與震級的關系，為研究摩擦粘滑與天然地震的關系提供了基礎。

研究內容和主要結論如下：

（1）三維斷層擴展模型的實驗結果顯示，巖橋區斷層貫通是一個快速過程，先多點局部擴展，后跳躍式連接。在斷層貫通之后，樣品整體崩垮之前，存在一個相對穩定的階段，持續時間約幾十毫秒。這為全程研究斷層擴展過程提供了機會。

（2）通過多組雙剪模型、斜面剪切模型和拐折模型的粘滑實驗模擬，發現了斷層粘滑失穩過程的演化具有特定的模式，可以劃分為3階段：預滑動階段、高頻震蕩階段和低頻調整止滑階段。失穩應力降不等同于地震，地震是應力降過程中的高頻振蕩階段。該模式不受加載方式影響，是粘滑失穩過程的固有特征。系統一旦進入預滑狀態，就進入了不可逆的地震過程，會依次完成各個階段進程。

（3）粘滑模型實驗結果顯示，一次應力降過程可能出現1～3次高頻振蕩，形成“單震”事件、“雙震”事件和“三震”事件。雙剪模型的失穩模式單一，只發生“單震”事件，而斜面剪切模型和拐折模型則可能產生“雙震”事件和“三震”事件，顯示了多點震源錯動現象。從速度頻譜看，雙剪模型含有3個主頻峰值，斜面剪切模型具有雙峰特征，拐折模型只有1個主頻率峰；從子事件持續時間看，斜面剪切模型的高頻振蕩持續時間最短，雙剪和拐折模型類似；從各子事件發生間隔看，斜面剪切模型幾乎是連續發生，而拐折模型則具有幾十毫秒的“平靜期”。根據聲發射的定位，各子事件的震源出現于斷層的不同位置。

（4）從幾何結構上看，雙剪模型、斜面剪切模型和拐折模型實驗所模擬的斷層為近似平直斷層。從變形結構看，這些貌似簡單的斷層模型呈現出一種復雜而穩定的變形像和非均勻的波動。在斷層失穩之前，其預滑在空間上分布是不均勻的，會產生局部剪應變集中。在現場地應變觀測中應注意這一基本現象。在總體應變能或應變強度基本不變的情況下，局部主應變軸的瞬時轉動可以造成在斷層帶上剪應變與正應變的分配變化，破裂先從一個小區域開始，它使得臨近區域的應力增加，導致破裂擴展，引發斷層失穩。彈性回跳模型的力學機制可以用應變軸旋轉過程來表達。

（5）使用雙剪粘滑模型模擬自發地震和誘發地震的區域加載過程，利用應變觀測系統多點連續觀測發震斷層附近的局部應變變化。在應力與應變空間上描述了地震過程的區域應力路徑和局部應變路徑。結果表明，遠場動力學過程或者斷層加載的方向與幅度難以從近斷層帶的應變觀測中推測反演，近斷層帶的變形狀態主要受構造部位控制，各點的應變路徑明顯不同。宏觀加載應力路徑與局部應變路徑響應的轉換階段一致，存在一定映射關系，由多個局部應變獲得的平均應變路徑可能推測區域加載階段，但加載主方向與近斷層平均應變方向存在系統偏差。斷層局部變形路徑具有明確的物理意義，在γ-ε垂直空間的走向標明了斷層所處的變形階段。自發地震的應變路徑可以劃分為3個部分：應變積累階段、剪應變的線性偏離階段和失穩滑動階段。誘發地震的應變路徑包括4個階段：正斜率的應變積累階段、負斜率的穩態滑動階段、亞穩態應變僵持階段和擾動失穩滑動階段。自發地震與誘發地震的應變路徑差異較大，可以考慮從應變路徑上判別斷層穩定性與可能的地震類型。

（6）通過3種結構模型的粘滑地震實驗模擬，利用高頻速度連續觀測系統獲得了地震失穩過程的速度特征，討論了最大位移量的選取方法，估算了實驗室粘滑型地震的矩震級，探討了粘滑類型、應力降大小與震級的關系。結果表明，實驗室粘滑型地震的震級范圍為-4．4～-3級，斷層構造面的差異對各種粘滑模型的地震震級分布有明顯影響。通過對比分析實驗室地震、礦山微震、誘發微震及小震震群，確認在小尺度破裂滑動的范圍內，應力降與地震震級沒有明顯的相關性。決定地震震級的主要因素應當是震源尺度。

粘滑；失穩模式；瞬態物理場；滑移速率；粘滑震級估算；地震尺度；應力和應變路徑；斷層穩定性判別；彈性回跳；斷層擴展

（作者電子信箱，郭玲莉：ringlili＠126．com）

P315．8；

A；

10．3969／j．issn．0235-4975．2014．07．011