断层失稳滑动瞬态过程的实验观测与分析

郭玲莉

（中国地震局地质研究所，北京100029）

断层失稳滑动瞬态过程的实验观测与分析

郭玲莉

（中国地震局地质研究所，北京100029）

地震过程伴随着岩体的破裂与断层的摩擦滑动失稳过程。断层的扩展与失稳过程一直是地震学研究的基本问题，观测变形过程物理场演化特征，建立失稳模式，对于理解和认识地震机制具有重要的参考和应用价值。

地震过程可以简单地划分为地震孕育阶段、地震发生阶段和震后调整阶段。3阶段中，地震发生过程瞬间的记录尤其缺乏，特别是对地震瞬间的近场力学过程所知甚少。但是，短时间内，大面积提高现场地震力学过程瞬态场的观测具有相当难度。因此，在实验室模拟断层失稳滑动过程，对近断层瞬态场进行高频细微研究，对理解现场地震过程具有重要意义。

本文以典型粘滑失稳模型和预制断层扩展模型为研究对象，实验样品选用房山花岗闪长岩，使用新研制的多通道高频高精度应变观测系统和速度测量系统，配合声发射系统和数字散斑系统进行观测，在双轴伺服加载系统上进行模拟实验。首先描述了断层带局部应变、断层扩展的声发射信号、断层宏观错动速度等结构参数，分析瞬态高速滑动过程中各种力学参数的变化规律。其次研究了断层破裂的启动、扩展、停止等阶段上各参数的变化特征、作用以及他们之间的相互关系，从微观、瞬态角度认识断层失稳滑动的物理本质。接下来在应力与应变空间上描述了地震过程的区域应力路径和局部应变路径，讨论自发地震与诱发地震的应变变形阶段，从另一角度为现场地应力观测以及区域应力分析提供参考。同时探讨了粘滑类型、应力降大小与震级的关系，为研究摩擦粘滑与天然地震的关系提供了基础。

研究内容和主要结论如下：

（1）三维断层扩展模型的实验结果显示，岩桥区断层贯通是一个快速过程，先多点局部扩展，后跳跃式连接。在断层贯通之后，样品整体崩垮之前，存在一个相对稳定的阶段，持续时间约几十毫秒。这为全程研究断层扩展过程提供了机会。

（2）通过多组双剪模型、斜面剪切模型和拐折模型的粘滑实验模拟，发现了断层粘滑失稳过程的演化具有特定的模式，可以划分为3阶段：预滑动阶段、高频震荡阶段和低频调整止滑阶段。失稳应力降不等同于地震，地震是应力降过程中的高频振荡阶段。该模式不受加载方式影响，是粘滑失稳过程的固有特征。系统一旦进入预滑状态，就进入了不可逆的地震过程，会依次完成各个阶段进程。

（3）粘滑模型实验结果显示，一次应力降过程可能出现1～3次高频振荡，形成“单震”事件、“双震”事件和“三震”事件。双剪模型的失稳模式单一，只发生“单震”事件，而斜面剪切模型和拐折模型则可能产生“双震”事件和“三震”事件，显示了多点震源错动现象。从速度频谱看，双剪模型含有3个主频峰值，斜面剪切模型具有双峰特征，拐折模型只有1个主频率峰；从子事件持续时间看，斜面剪切模型的高频振荡持续时间最短，双剪和拐折模型类似；从各子事件发生间隔看，斜面剪切模型几乎是连续发生，而拐折模型则具有几十毫秒的“平静期”。根据声发射的定位，各子事件的震源出现于断层的不同位置。

（4）从几何结构上看，双剪模型、斜面剪切模型和拐折模型实验所模拟的断层为近似平直断层。从变形结构看，这些貌似简单的断层模型呈现出一种复杂而稳定的变形像和非均匀的波动。在断层失稳之前，其预滑在空间上分布是不均匀的，会产生局部剪应变集中。在现场地应变观测中应注意这一基本现象。在总体应变能或应变强度基本不变的情况下，局部主应变轴的瞬时转动可以造成在断层带上剪应变与正应变的分配变化，破裂先从一个小区域开始，它使得临近区域的应力增加，导致破裂扩展，引发断层失稳。弹性回跳模型的力学机制可以用应变轴旋转过程来表达。

（5）使用双剪粘滑模型模拟自发地震和诱发地震的区域加载过程，利用应变观测系统多点连续观测发震断层附近的局部应变变化。在应力与应变空间上描述了地震过程的区域应力路径和局部应变路径。结果表明，远场动力学过程或者断层加载的方向与幅度难以从近断层带的应变观测中推测反演，近断层带的变形状态主要受构造部位控制，各点的应变路径明显不同。宏观加载应力路径与局部应变路径响应的转换阶段一致，存在一定映射关系，由多个局部应变获得的平均应变路径可能推测区域加载阶段，但加载主方向与近断层平均应变方向存在系统偏差。断层局部变形路径具有明确的物理意义，在γ-ε垂直空间的走向标明了断层所处的变形阶段。自发地震的应变路径可以划分为3个部分：应变积累阶段、剪应变的线性偏离阶段和失稳滑动阶段。诱发地震的应变路径包括4个阶段：正斜率的应变积累阶段、负斜率的稳态滑动阶段、亚稳态应变僵持阶段和扰动失稳滑动阶段。自发地震与诱发地震的应变路径差异较大，可以考虑从应变路径上判别断层稳定性与可能的地震类型。

（6）通过3种结构模型的粘滑地震实验模拟，利用高频速度连续观测系统获得了地震失稳过程的速度特征，讨论了最大位移量的选取方法，估算了实验室粘滑型地震的矩震级，探讨了粘滑类型、应力降大小与震级的关系。结果表明，实验室粘滑型地震的震级范围为-4．4～-3级，断层构造面的差异对各种粘滑模型的地震震级分布有明显影响。通过对比分析实验室地震、矿山微震、诱发微震及小震震群，确认在小尺度破裂滑动的范围内，应力降与地震震级没有明显的相关性。决定地震震级的主要因素应当是震源尺度。

粘滑；失稳模式；瞬态物理场；滑移速率；粘滑震级估算；地震尺度；应力和应变路径；断层稳定性判别；弹性回跳；断层扩展

（作者电子信箱，郭玲莉：ringlili＠126．com）

P315．8；

A；

10．3969／j．issn．0235-4975．2014．07．011