平直走滑断层亚失稳状态的位移场协同化特征——基于岩石数字图像变形相关分析方法

卓燕群 马 瑾 郭彦双

（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）

亚失稳阶段在断层的粘滑过程中是非常短暂的时段，并有可能导致断层的快速失稳，故识别断层亚失稳状态，对评估断裂区内的地震危险性具有重要意义。实验选择平直走滑断层的粘滑事件作为研究对象，研究亚失稳过程中位移场的时空响应特征，进而探索亚失稳状态的变形场标志。选用300 mm×300 mm×50 mm的房山花岗岩样品，沿对角线切开形成平直走滑断层，在平卧式双轴伺服压机下进行实验，用高速相机以1000帧/秒的速度记录样品中部区域的断层滑动前后的数字图像，采用汲云涛撰写的高精度二维数字图像相关方法计算失稳滑动前31 s到失稳滑动后3 s之间的断层位移（失稳滑动的最大滑动速率起点定为时间零点）。

断层位移的演化过程如下：

（1）断层位移时空分布显示，断层不同部位具有左行（负值位移）与右行（正值位移）两种运动方式（断层总体的运动是右行，这种左行与右行运动是相对的，体现了断层两侧不同部位的位移速率的差异），但随着加载时间的增加，断层各部位的运动方式趋向右行，显示出一致性的协同化活动。这说明断层失稳过程也是其各部位由独立活动趋向协同化活动的过程，失稳可以理解为位移协同化的完成。

（2）150～190号数字断层位移计之间在约-20 s以后出现明显的正值大位移区，该区范围在约-5 s和约-1.5 s出现两次突然扩展，同时伴随负值位移区的突然缩小，这两个时间点与荷载的亚失稳I与亚失稳II的时间起点相接近。这说明，标志亚失稳阶段的区域应力场的整体释放在位移场上的响应特征，即断层位移协同化作用的加强。

（3）各数字断层位移计所测得的平均断层位移变化曲线（图 1b）表明，断层失稳前的整体位移变化趋势呈现非线性特征。

综上所述：

（1）在荷载偏离线性阶段，断层位移也呈现非线性的特征。失稳过程是断层各部分由独立活动向协同化活动的转化过程，失稳代表协同化的完成。

（2）断层位移场对亚失稳状态的响应特征表现为位移协同化的加强。

图1 观测区域布置(a)及断层位移-时间曲线(b)