形成新生斷裂的臨界角度及其與強烈地震發生的關系

劉書花，王曉，張建偉

(1.山東省分析測試中心, 山東 濟南 250014; 2. 青島大學環境科學學院，山東 青島 266071)

形成新生斷裂的臨界角度及其與強烈地震發生的關系

劉書花1，王曉1，張建偉2

(1.山東省分析測試中心, 山東 濟南 250014; 2. 青島大學環境科學學院，山東 青島 266071)

選取具有薄弱面或破裂面的細粒花崗巖塊狀露頭標本，在實驗室模擬高溫高壓環境條件進行測試，研究巖石產生新破裂面的受力臨界角度。在溫度100 ℃、圍壓100MPa和溫度200 ℃、圍壓200MPa的環境條件下，按照與主應力夾角的不同度數變化分別進行實驗。實驗結果表明，當夾角α處于0°～30°時，巖石沿原破裂面穩滑；夾角α處于30°～60°時，以粘滑為主；夾角α處于60°～90°時，以新破裂面的產生為主；可能產生新破裂面的臨界角度范圍為50°～65°，當夾角α大于65°時，新破裂產生。對巖石出現的穩滑-粘滑-新破裂現象，通過分析切面所受應力(σ)與應變率(ε)的關系進行了解釋。根據莫爾圓理論認為，復雜斷裂背景下，巖石的受力角度對于新破裂面的產生將有著決定性作用，而作用力狀態一定時，新破裂產生的臨界角度60°是可能導致強烈地震發生的危險值。

高溫高壓；臨界角度；新生斷裂；強烈地震

“新生斷裂”指的是在現今區域應力場作用下巖石發生破裂而新形成的斷裂，是震源巖石經受的應力達到或超過其破裂極限強度時發生的宏觀脆性破裂，是產生構造型地震的基本力學機制之一[1-3]。Scholz等[4-6]指出，地震重復發生的機制是一定的溫度、壓力及應變率等條件下地殼巖石的滑動。而室內實驗結果可以加深對地震復發機制的認識，王繩祖等[7]認為高溫高壓條件下巖石破裂實驗與自然環境斷層破裂和摩擦滑移具有類似的孕育過程和發生機制。根據莫爾圓理論，巖石的受力角度對于新破裂面的產生將有著決定性作用[8]。因此，通過高溫高壓實驗，可以模擬研究形成新生斷裂的臨界角度及其與強烈地震發生的關系。

1 高溫高壓實驗

1.1 樣品采集及預處理

考慮到高溫高壓的實驗條件及巖石物理性質的變化，對比巖石的硬度、塑性、摩擦等因素，選取細粒花崗巖巖石標本作為實驗對象，進行溫壓測試。經過實地考察，從吉林省長春市周邊地區采集具有薄弱面或破裂面的細粒花崗巖塊狀露頭樣品。對采集的巖石樣品在實驗室內進行預處理加工，在原有破裂面基礎上，按照一定的角度，切割成所需的樣品形狀，規格為直徑2.5cm、高5cm的圓柱體。

1.2 實驗條件

高溫高壓實驗用于研究巖石圈深部地球科學問題具有良好的應用效果，一般采用活塞圓筒式高溫高壓三軸實驗系統完成。該套系統由實驗室自組裝，是在已有高溫高壓三軸壓力實驗裝置設備的基礎上組裝升級完善而成，主要包括溫度控制裝置、壓力控制裝置(含加壓和穩壓)、數據采集與分析的及測量裝置等。系統的相關參數為：溫度25～1 000 ℃、圍壓0～2GPa、差應力0～5Gpa、控制精度1/1 000。采用低電壓高電流內加熱方式和靜態高壓技術，通過電腦精確自動控制，分別由不同的裝置獨立產生，以提供穩定的高溫高壓實驗環境。

本次實驗采用100 ℃、100MPa和200 ℃、200MPa兩種條件進行(表1)。

表1 實驗條件

1.3 實驗過程及結果

模擬高溫高壓環境條件對柱狀樣品進行測試。將預處理后的圓柱體巖石樣品放入高溫高壓實驗系統的測試臺，控制并設定在所需的溫度和圍壓條件下，逐漸施加應力(σ0)，觀察巖石滑動特征及其物理狀態變化。

當在溫度100 ℃、圍壓100MPa的環境條件下，按照與主應力(σ0)的夾角(α)變化(圖1)，以10°為間隔，從10°開始至80°共做了8個級別實驗，每個級別重復兩次，重點考察不同夾角條件下沿裂隙的滑動特征。由實驗結果(表2)可見，當夾角小于30°時，以沿先存破裂面的穩滑為主要特征；在30°～60°之間，以粘滑為主；在大于60°時，以新破裂面的產生為主要特征。

在溫度200 ℃、圍壓200MPa的環境條件下，進一步進行實驗測試。按照與主應力(σ0)的夾角(α)變化，做了15°、30°、45°、60°、75°共5個級別實驗，每個級別重復兩次。結果與條件1的實驗結果相近，當α為15°和30°時，顯示為穩滑的特征；45°和60°時，顯示為粘滑的特征；75°時產生新破裂面。然后又從60°開始，以夾角(α)變化1°為間隔進行實驗；當α為65°時，產生新破裂面。之后又對α角45°～65°之間以3°為間隔進行實驗，發現此范圍中，尤其是50°～65°間，也可能產生新破裂面。

綜合兩種條件下的實驗結果可以看出，當夾角α處于0°～30°時，巖石沿先存破裂面的穩滑為主要特征；夾角α處于30°～60°時，以粘滑為主；夾角α處于60°～90°時，以新破裂面的產生為主。可能產生新破裂面的臨界角度范圍為50°～65°，當夾角α大于65°時，新破裂產生。圖2中灰色區域為臨界角度值的范圍。

圖1 樣品受力條件示意圖Fig.1 Schematic diagram of sample under the conditions of force

圖2 實驗結果分析示意圖Fig.2 Schematic diagram of experimental result analysis

夾角α樣品數特征0°～30°6穩滑30°～60°6粘滑60°～90°4新破裂

2 實驗結果分析

可以參照圖1來分析巖石受力情況，作用于巖石原破裂面上的應力σ與施加的應力σ0的關系為：

σ=σ0·sinα 。

巖石破裂面所受應力σ隨夾角α的增大而增加，因而巖石出現了穩滑-粘滑-新破裂的現象。不同角度的巖石切面所受應力(σ)與應變率(ε)的關系見圖3。穩滑狀態時，二者關系呈一較平滑曲線，隨著角度α的增大和受到的應力σ的變大，ε也穩步增大；粘滑狀態時，隨著受到的應力σ的變大，所受摩擦力等阻力隨之變大，不斷出現能量蓄積的過程，當破除前一阻力時，又進入下一能量的蓄積過程；新破裂產生狀態時，伴隨著破裂的不斷產生，實現能量的緩沖和釋放。

圖3 不同角度的巖石切面應力(σ)與應變率(ε)關系示意圖Fig.3 The slice stress(σ)versus strain rate (ε)of different angles

3 與強烈地震發生的關系

3.1 理論分析

根據莫爾圓理論，莫爾圓能較好地反映受力物體內一點任意截面的應力狀態，以及任意相互垂直截面上應力的關系。巖石的受力角度對于新破裂面的產生將有著決定性作用。巖體內一點的任意截面上的正應力和剪應力值與兩個相互垂直的主應力的大小和性質有關，也與這個截面和主平面的交角有關系。也就是說，如果知道一點的兩個方向主應力的大小和方位，就能把這點的應力狀態全部確定。而如果應力達到或超過巖石的強度極限時，巖石內部的結合力遭到破壞，將產生破裂面，使巖石失去連續完整性，這時巖石就發生斷裂變形，這是形成新斷裂和發生強烈地震的基礎[8-13]。

3.2 形成新生斷裂過程

通過形成新生斷裂的臨界角度分析示意圖(圖4)，對新生斷裂的形成過程及臨界角度進行簡述：即在復雜斷裂背景下，實線表示已有斷裂，左右兩雙線箭頭表示所受應力；已有斷裂縱橫交錯，接受應力作用，應力作用點在點虛線與斷層A相交點；應力作用線與斷層A相交的交角為α。

結合高溫高壓模擬實驗結果，當作用力狀態一定時，在α角度的一定范圍內(<50°)，地層將沿已有斷層A發生滑動，如圖4中A斷層兩側用反向兩箭頭標出；而當α進入另一范圍時(>65°)，地層將不再沿已有斷層A滑動，而是產生新的斷層.因此，α角度50°～65°范圍內，原有地層為不斷積累能量階段，直至巖石破裂，形成新的斷層，這將導致破壞性強烈地震的發生。α角度50°～65°為強烈地震發生的臨界角度危險值。

圖4 形成新生斷裂的臨界角度分析示意圖Fig.4 Schematic diagram of the critical angle to generate new rupture

4 結論

(1)采取長春市周邊地區具有薄弱面或破裂面的細粒花崗巖塊狀露頭樣品，在吉林大學深部地質實驗室模擬高溫高壓環境條件進行測試。結果顯示，夾角α處于0°～30°時，巖石沿原破裂面穩滑；夾角α處于30°～60°時，以粘滑為主；夾角α處于60°～90°時，以新破裂面的產生為主。產生新破裂面的臨界角度范圍為50°～65°，當夾角α大于65°時，新破裂產生。并對文中上述現象進行了闡釋。

(2)結合莫爾圓理論和實際地層的復雜斷裂背景，巖石斷裂變形是形成新斷裂和發生強烈地震的基礎，強烈地震發生臨界角度危險值為α角度50°～65°。

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Thecriticalanglewhichenablestheformationofanewfractureanditsrelationwithstrongearthquake

LIUShu-hua1,WANGXiao1,ZHANGJian-wei2

(1.ShandongAnalysisandTestCenter，Jinan250014，China. 2.DepartmentofEnvironmentalSciences,QingdaoUniversity,Qingdao266071,China)

∶Thefine-grainedmassivegraniteoutcropsampleswithaweakorbrokensurfacewereselected,theforcecriticalanglewhichledtothenewrupturesurfaceoftherockwasstudiedunderhightemperatureandhighpressuresimulatedinthelab.Underthetemperature100 ℃,confiningpressure100MPaandthetemperature200 ℃,confiningpressure200MPa,theexperimentsweremadeseparatelythroughchangingtheanglewithprincipalstress.Theresultsshowedthatwhentheangleαwas0°～30°,therocksteadilyslippedalongtheoriginalrupturesurface;whentheangleαwas30°～60°,thefaultwasdominatedbystick-slip;whentheangleαwas60°～90°,mainlyledtothegenerationofthenewrupturesurface;thecriticalanglelikelytogenerateanewrupturesurfacerangesbetween50°～65°;thenewruptureoccurredwhentheangleαwasgreaterthan65°.Thephenomenon,whichoccurredonrocks,suchasstablesliding,stick-slip,andanewrupturesurfacegeneration,wasexplainedbyanalyzingtherelationshipbetweenthestressfromdifferentslices(σ)andstrainrate(ε) .AsisshowedinMohr′scircletheory,underthecomplexfracturebackground,therockstressanglehasdominanteffectonthegenerationofthenewfracture,andforagivenactioncondition,thecriticalangle60°ledtothenewfracturewaspossiblythedangerousvaluewhichcouldcausethestrongearthquake.

∶hightemperatureandhighpressure;criticalangle;newfracture;strongearthquake

2016-12-12

山東省科技發展計劃(2014GGH202004)

劉書花(1980 —)，女，博士，研究方向為環境監測。E-mail：liushuhuaosso@126.com

P

A

1002-4026(2017)02-0098-05