平直断层失稳前应变场演化特征的实验研究

郭彦双 马 瑾 卓燕群

（中国地震局地质研究所，地震动力学国家重点实验室，北京 100029）

了解与认识地震发生前一段时间内断层的应力应变等物理场的演化过程及其变化特征对于识别断层的状态信息与地震的孕育与发生机理十分重要。断层上何时何地进入亚失稳状态的识别对于预测可能发生的失稳事件尤其关键。在实验室采用300 mm×300 mm×50 mm 房山花岗闪长岩样品，并沿样品对角线方向预切一条平直断层，并沿断层布置14 组应变花（图1a 符号圈码1～14），在侧压（σ2=5 MPa）保持的条件下，主压方向σ1分别以0.5、1.0 和0.1 μm/s 的加载速率进行加载，记录每次粘滑事件的应变数据。

实验结果表明：不同断层段的最大名义摩擦系数μL（剪切应变与正应变之比）在1.0～2.8 之间（14 组数据的平均值约为1.5），远大于由样品端部应力计算得到最大静摩擦系数μS=0.74。这一观测结果表明断层面的实际接触面积约为断层面的一半，而且各断层段的接触状态存在显著差异，其中1 号、13 号和14号3 个测点区域的断层摩擦状态最强。不同断层段体应变随着荷载的递增亦呈现不同趋势的变化特征，断层失稳前229 s，13 号区域开始由体应变增强转为减弱，随后14 号与12 号测点先后转为体应变减弱，而此时各测点相应区域的剪应变并未见明显的变化。这种差异性断层状态性意味着断层面的非均匀性（几何与材料非均匀性）对断层失稳过程起着重要的影响，可以通过这种差异识别断层段上活动区域（如14 号和12 号测点）。而临近断层失稳前12 s 时，2 号、3 号、11 号和12 号测点区域的体应变与剪应变开始同步增强，而其他各测点则相对减弱，阶段断层呈现协同变形特征，这意味着断层失稳即将启动。

对于同一组应变数据，不同物理参量的演化过程将呈现不同的特征。这种差异特征对于识别断层段的活动区域及其活动趋势具有指导意义，分析研究不同物理参量的物理意义有助于深入理解断层失稳机制。

图1 样品结构图与加载过程