多通道动态应变观测系统在地震模拟实验中的应用

郭玲莉 刘力强 刘培洵

1)中国海洋大学海洋地球科学学院，青岛 266100

2)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

3)海底科学与探测技术教育部重点实验室，青岛 266100

0 引言

地震的孕育发生过程是地壳运动形式之一，一般认为地震本质是力学过程，是一个从缓慢变形向突发失稳转换的过程。临近地震阶段或断层运动进入“不可逆”阶段后的应力状态，一直是研究者关注的焦点。地震孕育阶段的缓慢递进变形与地震发生前后的瞬态应力场调整在信号频段上有很大差别。现场地壳运动观测有高频(如地震仪)和低频(钻孔应变测量、GPS、InSAR技术等)2种技术系统，分别用于记录地震和缓慢变形过程。低频系统的采样间隔大多在1d或几h一个数据的周期上工作，测量间隔往往大于地震发生的时间长度，罕见地震期间的数据，对地震前后可能出现的瞬时高频应力变化信号记录不全面(邱泽华等，2004，2010)。高频系统地震仪的采样频率可达上百Hz，可以清楚记录到地震过程。但由于低频性能不够好，不能与低频系统在频带上构成连续的覆盖，不足以获得完整的地震全过程。虽然近年来记录到一些慢地震现象，但缺乏对地震发生过程的完整记录，尤其缺少从缓慢变形到突发失稳过程转换阶段的记录，是造成难以判断是否进入亚临界状态，无法做出临震预报的根本原因。与现场观测体系类似，在地震模拟实验系统中也广泛使用声发射仪(高频系统)与应变仪(低频系统)来观测样品的应力状态。两者之间，从频带上看也有一个明显的缺失。声发射仪的频带一般在2kHz～2MHz，应变仪一般在DC～100Hz，缺失100Hz～2kHz频段，即ms级别的信号记录能力。实验证明，实验粘滑失稳过程一般持续约几百ms，其中高速滑动过程为几十ms，临界滑动或成核过程持续十几ms。因此，在这个频段上，能以ms间隔记录变形信号对地震模拟实验非常重要。

地震模拟实验中，应变测量是了解实验样品在力学载荷等作用下如何变形、破坏的重要途径。岩石变形破坏过程中所产生的应变信号具有很宽的频谱，从缓慢变形到瞬时震荡覆盖了从DC～MHz的范围。20世纪90年代，利用采样速度为MHz量级的高速瞬态记录仪，研究者对粘滑的初始滑动阶段进行过观测，其结果揭示出断层失稳滑动初始阶段的复杂性和不均匀滑动，为成核相的研究提供了实验依据，确认了高频应变信号的存在和可观测性(Andrews et al.，1976;Ohnaka et al.，1986，1999;Okubo et al.，1984，1986;Kato et al.，1996)。然而早期瞬态记录仪存在明显的技术缺陷，缓冲过小导致只能记录滑动初期几百μm的变化，分辨率低(8bit)导致不能获得足够清晰的信号。马瑾等(2007，2008，2012)利用低频应变系统(最高100Hz)，使用应变场及断层位移观测等手段研究了粘滑失稳前兆，获得了断层几何结构与失稳类型及前兆特征的关系;刘力强等(1986，1995)，马胜利等(1995，2003，2008)研究了粘滑前后变形场的时间和空间变化。但因采样频率不足，难以获得断层失稳滑动过程的瞬态变形信息。近年来，高速光学测量技术引入到实验中(采样频率250kHz，样长2ms)，对失稳滑动过程中断层面的接触面积、破裂扩展速度及应变场的形态进行了观测(Fiberge et al.，1999;Rosakis et al.，1999;Rosakis，2002;Ben-David et al.，2010a，b;Mello et al.，2010)。其研究结果显示，失稳滑动并非一次简单的线性过程，而是可以划分为几个不同的阶段;断层面上的破裂过程也不是均匀的单向扩展，而是存在多种模式与不同的扩展速度，失稳滑动过程在时间上和空间上均表现出复杂性。

从以往的地震模拟实验研究可以看出，相对于失稳过程的研究目的而言，以往的应变测量系统存在2个主要缺陷，采样频率覆盖范围不全和采样时长不够。虽然低频段记录系统能够连续记录，但只能获得缓慢变形过程，不能细致描述失稳过程。虽然高频段系统速度足够，但是由于采用瞬态记录方式(触发记录短时信号)，缓冲长度不足，只能记录失稳滑动过程中很小的一段。仪器对信号范围覆盖上的缺失导致了变形逐步积累到突发释放的转换过程缺少信息记录，这对利用模拟实验研究地震物理机制非常不利。为了更好地研究实验变形失稳过程中的应变场快速调整阶段和岩石结构破坏过程中的复杂变形场，我们将高速、高分辨率、多通道的应变观测技术引入构造物理实验，搭建了用以观测瞬态变形场的多通道动态应变观测系统(Multi-channel Dynamic Strain Observation System)，观测断层失稳过程高速滑动阶段的力学场时空变化。利用这套系统发现了粘滑失稳过程中的一些重要现象(郭玲莉等，2012，2014a，b;李普春等，2013)，利于从微观、瞬态角度认识断层失稳滑动的物理本质。

1 多通道动态应变观测系统设计

本系统采用电阻应变片作为传感器，应变片的频响特性可以按照以下方法计算(图1)。在样品表面上A点粘贴栅长为l的应变片，应变波长为λ，A点处的真实应变值为:

A点的应变测量读数¯εA表示应变片的输出，它等于在应变片栅长范围内各点应变的平均值:

图1 应变片的频响特性计算示意图Fig.1 The diagram of the frequency response characteristics of strain gauge.

比较上2式可知，用栅长范围内的平均应变表示栅长中点处的应变，将产生误差，其相对误差δ为:

δ与λ/l比值有关，比值越大，误差越小。当λ/l比值为10～20，相对误差 ＜1.6% ～0.4%。波长λ与频率f之间有以下关系:

其中，v为应变在样品上传播的波速，本实验室主要使用花岗闪长岩作为实验样品，取应变波速为3km/s，λ/l比值选用20，应变片栅长5mm，根据公式可以计算得到λ值，确定5mm应变片的最高频响为30kHz。以应变片作为传感器，可以满足瞬态高频测量的需求。

多通道应变观测系统的硬件组成包括高精度电桥箱、电桥激励源、数据采集器与中心控制器，由3台32通道应变采集器组成，采集器可独立使用，也可以3台联合使用。为保证联合使用时采样的同步性，将各个采集器的最后一个通道并联，同时向其输入脉冲信号，实现同步对时。该应变观测系统可以同时对93个测点进行高速应变测量，采用连续记录方式工作。

工作原理如图2所示。当惠斯登电桥(Wheatstone bridge)中的应变片发生变形时，其电阻值的变化引起电桥输出端电压的变化。电压值经过差动输入电桥放大器放大后进入主放大器进行再次放大，放大后的模拟信号通过数据采集模数转换器变换为数字信号。数字信号输入到系统控制总线后，依次进入数据并行接口，通过IEEE1284接口电缆与并行接口(EPP接口)，被读入到PC机。经过数据整理，配准采样时间后，数据流导入到硬盘中记录。

若应变信号零点需要校正，可通过软件向系统控制总线发送偏置指令，指令传送给数模转换器。数模转换器将与指令对应的模拟电压信号叠加在主放大器的输入零点，调整信号差动量调节达到预期校正效果。差动输入电桥放大器配有1、50、100、200和500倍5级增益档位，主放大器配有1、2、4、8、16和32倍6级增益档位。因此，可以从这2级增益的配比中获得30种以上的放大范围，适应不同的灵敏度需求。主放大器增益可以通过软件指令动态改变。

图2 多通道动态应变观测系统工作原理流程图Fig.2 The working principle diagram of the dynamic strain observation system.

在保证信号不失真的情况下，压制电桥箱的噪声和提高系统频率上限是本系统研发的难题。对高精度直流电桥的激励电源，采用了隔离电源与强滤波技术，使供给电桥的电源纹波噪声＜100μV。桥臂电阻选用温度漂移系数＜5ppm的电阻，具有高温度稳定性。模数转换电路采用了专用的低噪声电路设计，选用高分辨率的16Bit分辨率模数转换器，3.4kHz采样速度的均方差噪声≯2LSB。

多通道高频连续应变测量在短时间内会产生大量的数据，若本系统96通道以3.4kHz速度采集应变信号，则每秒钟产生约650kBytes数据。为了保证数据能顺利存储与实时显示当前各个通道的应变状态，系统软件采用了双线程工作方式。采集线程在后台负责管理模数转换，收集存储数据。显示对话线程在前台实时绘制应变时间过程曲线，随时响应用户的指令。

在上述软件与硬件技术的支持之下，为实验室应变测量提供了一个多通道高速高分辨率的连续观测系统。与以往相比，这个系统具有更高的采样频率，在高频下具有更低的噪声、更低的漂移与更好的稳定性。因此可以满足ms级别范围的应变观测需求。

2 应用实例

2.1 粘滑失稳过程中的应变信息

双剪断层模型的实验标本由3块房山花岗闪长岩组成，中部滑动岩块尺寸为350mm×100mm×50mm，两侧固定岩块尺寸为300mm×50mm×50mm。3块岩石样品形成2个滑动面(图3a)，在中部岩块一侧断层上布设10组30个应变片，应变片尺寸为3mm×5mm，每3个应变片组成应变花，监测断层带附近应变变化过程。实验时，在X方向对样品施加侧向压力Fn，当Fn达到35MPa后保持恒定;以1μm/s位移速率推动中部端块，使得剪应力Fs逐渐增加，并逐渐产生粘滑失稳。实验加载曲线如图3b所示。

图3 双剪粘滑实验布局及断层失稳滑动过程中的应力、应变变化Fig.3 Configuration of the test sample and strain gauges distribution，and the stress and strain curve during the unstable sliding process.

以第3次粘滑失稳事件为例(图3b中箭头所示，t=5 253.5s)，其剪应力降放大曲线显示的应力降过程如图3c所示，在失稳滑动的瞬间，应力降呈现非线性变化，限于目前的观测精度(10Hz采样频率)，还不清楚应力降过程的细节。同时，高频应变场观测系统所记录的断层附近应变变化曲线如图3d所示，在应力降过程中，应变变化不是简单的线性下降，而是表现为复杂的变形过程，近断层带的应变包含有复杂的频率成分，摆动幅度很大，同时又表现出规则清晰的阶段递进特征(图3d，e)。整体上看瞬态滑动过程表现为3个阶段:Ⅰ预滑动阶段，Ⅱ高频应变震荡阶段，Ⅲ低频调整止滑阶段(图3d，3e)。每个阶段的持续时间、应变速率、频率特性、振幅等都具有自身特点。Ⅰ预滑动阶段:预滑持续时间约为150ms，预滑动阶段后期，应变速率明显加快，最大预滑量约80με。Ⅱ高频应变震荡阶段(图3 e):持续时间约70ms，振荡周期约25个周期，最大振幅170με，主频为300～400Hz，该频段属于人耳可识别的声频范围，正是该信号让人们在实验室“听”到粘滑，感到“地震”。Ⅲ低频振荡调整止滑阶段:这一阶段断层上的滑动结束，应变开始在各个部位进行调整至滑动停止，持续时间约800ms，一般调整1～2个周期。第1个周期振幅较大，约250με，第2周期振幅明显变小，以致逐渐趋于停止。

使用高频应变观测系统可以获得粘滑失稳过程中更丰富的细节，为进一步研究断层失稳瞬态过程及可能的物理机制提供更详细的数据支持。

2.2 裂纹扩展过程中的应变信息

实验样品为房山花岗闪长岩制作。样品尺寸200mm×135mm×35mm(图4a)。样品上预制2条弧形裂纹，其长度为33mm，裂纹与加载方向的夹角为30°。2个裂纹连线与水平方向的夹角为90°。预制裂纹用石膏充填。裂纹扩展实验在单轴实验加载机上进行，加载速率0.1kN/s。

裂纹扩展至样品崩垮阶段的应变曲线如图4b所示，该阶段持续时间为0.1s。各处应变急剧变化后，断层开始扩展，在某些区域应变集中，并逐步产生微裂纹，这些微裂纹互相贯通，使得断层得以扩展。具体的变化过程如下。

端部的Ch－1和Ch－2的应变首先开始加速变化，特别是Ch－2由压缩状态转换为拉张，岩桥区中部Ch－13的应变值以更高的应变速率急剧增加使得应变片张裂，说明裂纹首先在此处产生，接着Ch－1位置破裂。10ms后Ch－2由拉张状态突然变为压缩状态，同时Ch－8加速压缩，此后岩桥区中部Ch－12拉张破裂，使得Ch－8，Ch－9，Ch－10压缩应变能释放，产生翼裂纹。而Ch－9和Ch－10应变突变为拉张，同时Ch－8再次压缩。样品背面的横向应变(Ch－26)急剧上升，破裂，表示岩桥区的裂纹中部贯通到底部。断层扩展完成。经历了一个20ms的相对“稳定期”，随着继续加载，样品开始滑动，Ch－8、Ch－9、Ch－10随载荷加载波动。滑动顺序为:裂纹穿过Ch－3，通过预制裂纹，传向Ch－9，Ch－10，Ch－11促使应变释放，2ms后滑向Ch－14位置应变释放，然后移向Ch－20位置直至样品底部。样品从断层扩展贯通到样品崩垮之间存在一个短暂的稳定期。

高频应变系统可以提供各个位置ms级的应变变化及裂纹扩展时序，可以通过瞬态应变信息区分出断层扩展和断层失稳过程，记录到的应变信息可以获得如下几点启示:1)裂纹扩展与样品崩垮之间存在一个稳定期(持续时间约20ms)。裂纹扩展完成，样品应变状态调整到一个新的平衡状态，随着压机对样品继续加载，使得扩展后的样品更容易崩垮破裂，在短暂的平静期之后，样品失稳。2)岩桥区裂纹贯通是一个快速过程(约40ms)，且发生在最后时刻。3)岩桥区裂纹贯通不是一个连续线性过程，而是先多点同时扩展，并逐渐连接直至互相贯通。

3 结论与展望

图4 裂纹扩展过程的应变响应曲线及相应应变测点位置Fig.4 The strain response curves of crack propagation process and the corresponding strain gauges distribution.

(1)多通道动态应变观测系统研发成功填补了在地震模拟与岩石力学实验中应变观测频带的空缺，可以获得高密度、高精度的动态应变场，研究瞬态应变场演化与应变波时空过程，为理解从缓慢递进变形到突发失稳释放过程提供了技术支持。

(2)利用多通道动态应变观测系统，第1次观测到了失稳滑动过程中的高频应变震颤现象，震颤过程分为预滑、高频振荡与调整止滑3个阶段，震颤特征与构造部位密切相关。该频段的应变观测为地震模拟实验研究开辟了新的视野，应当开展失稳阶段的瞬时变形过程研究。

多通道动态应变观测系统不仅限于应变观测。在配装了其他传感器与二次仪表之后，它可用于速度、位移及电磁电位的多点中频信号观测，前期尝试性实验中已经获得了相应的成果，这使构造物理实验多物理量观测和对比分析成为可能，接下来我们希望对这一成果进行深入分析，开展多物理量的瞬态失稳场观测与分析，从多方位了解地震失稳和岩石破裂过程的详细信息。

郭玲莉，刘力强.2014a.区域加载过程与发震断层变形演化的实验研究［J］.地震地质，36(1):243—252.

GUO Ling-li，LIU Li-qiang.2014a.Experimental research on regional loading process and local deformation evolution of the seismogenic fault［J］.Seismology and Geology，36(1):253—252(in Chinese).

郭玲莉，刘力强，马瑾.2014b.粘滑实验的震级评估和应力降分析［J］.地球物理学报，57(3):867—876.

GUO Ling-li，LIU Li-qiang，MA Jin，2014b.The magnitude estimation on stick-slip experiments and analysis on stress drop［J］.Chinese Journal of Geophysics，57(3):867—876(in Chinese).

李普春，刘力强，郭玲莉，等.2013.粘滑过程中的多点错动［J］.地震地质，35(1):125—137.

LI Pu-chun，LIU Li-qiang，GUO Ling-li，et al.2013.Multi-point dislocation in stick-slip process［J］.Seismology and Geology，35(1):125—137(in Chinese).

刘力强，马瑾，马胜利.1995.典型构造背景应变场特征及其演化趋势［J］.地震地质，17(4):349—356.

LIU Li-qiang，MA Jin，MA Sheng-li.1995.Characteristics and evolution of background strain field on typical structure models［J］.Seismology and Geology，17(4):349—356(in Chinese).

刘力强，马瑾，吴秀泉.1986.雁列式断层变形与失稳过程的实验研究［J］.地震学报，8(4):393—403.

LIU Li-qiang，MA Jin，WU Xiu-quan.1986.An experimental study on the process of deformation and instability for en-echelon faults［J］.Acta Seismologica Sinica，8(4):393—402(in Chinese).

马瑾，刘力强，刘培洵，等.2007.断层失稳错动热场前兆模式:雁列断层的实验研究［J］.地球物理学报，50(4):1141—1149.

MA Jin，LIU Li-qiang，LIU Pei-xun，et al.2007.Thermal precursory pattern of fault unstable slip:An experimental study of en echelon faults［J］.Chinese Journal of Geophysics，50(4):995—1004.

马瑾，马少鹏，刘培洵，等.2008.识别断层活动和失稳的热场标志—实验室的证据［J］.地震地质，30(2):363—382.

MA Jin，MA Shao-peng，LIU Pei-xun，et al.2008.Thermal field indicators for identifying active fault and its instability from laboratory experiments［J］.Seismology and Geology，30(2):363—382(in Chinese).

马瑾，Sherman S I，郭彦双.2012.地震前亚失稳应力状态的识别:以5°拐折断层变形温度场演化的实验为例［J］.中国科学(D 辑)，42(5):633—645.

MA Jin，Sherman S I，Guo Yan-shuang.2012.Identification of meta-instable stress state based on experimental study of evolution of the temperature field during stick-slip instability on a 5°bending fault［J］.Science in China(Ser D)，55(6):869—881.

马胜利，陈顺云，刘培洵，等.2008.断层阶区对滑动行为影响的实验研究［J］.中国科学(D辑)，38(7):842—851.

MA Sheng-li，CHEN Shun-yun，LIU Pei-xun，et al.2008.Experimental study on the influence of the sliding behavior of fault step-over zone［J］.Science in China(Ser D)，38(7):842—851(in Chinese).

马胜利，刘力强，马谨，等.2003.均匀和非均匀断层滑动失稳成核过程的实验研究［J］.中国科学(D辑)，33(增刊):45—52.

MA Sheng-li，LIU Li-qiang，MA Jin，et al.2003.Experimental study on nucleation process of stick-slip instability on homogeneous and non-homogeneous faults［J］.Science in China(Ser D)，33(suppl):45—52(in Chinese).

马胜利，马瑾，刘力强.1995.典型构造变形过程中物理场时空演化的实验和理论研究［J］.地震，(S1):55—65.

MA Sheng-li，MA Jin，LIU Li-qiang，1995.Theoretical and experimental studies on spatial-temporal evolution of physical field during deformation of fault system with typical geometric textures［J］.Earthquake，(S1):55—65(in Chinese).

邱泽华，石耀霖.2004.国外钻孔应变观测的发展现状［J］.地震学报，26(5):162—168.

QIU Ze-hua，SHI Yao-lin.2004.Developments of borehole strain observation outside China［J］.Acta Seismologica Sinica，17(1):172—178.

邱泽华，张宝红，池顺良，等.2010.汶川地震前姑咱台观测的异常应变变化［J］.中国科学(D辑)，40(8):1031—1039.

QIU Ze-hua，ZHANG Bao-hong，CHI Shun-liang，et al.2011.Abnormal strain changes observed at Guza before the Wenchuan earthquake［J］.Science in China(Ser D)，54(2):233—240.

Andrews D J.1976.Rupture velocity of plane strain shear cracks［J］.Journal of Geophysical Research，81(32):5679—5687.

Ben-David O，Cohen G，Fineberg J.2010a.The dynamics of the onset of frictional slip ［J］.Science，330(6001):211—214.

Ben-David O，Rubinstein S M，Fineberg J.2010b.Slip-stick and the evolution of frictional strength［J］.Nature，463(7277):76—79.

Fineberg J，Marder M.1999.Instability in dynamic fracture［R］.Physics Reports，313(1－2):2—108.

Lingli Guo，Wong R H C，Liu L Q，et al.2012.Analysis on 3D surface crack transient propagation process［J］.Advances in Civil Engineering and Building Materials，429—432.

Kato N，Hirasawa T.1996.Effects of strain rate and strength nonuniformity on the slip nucleation process:A numerical experiment［J］.Tectonophysics，265(3－4):299—311.

Mello M，Bhat H S，Rosakis A J，et al.2010.Identifying the unique ground motion signatures of supershear earthquakes:Theory and experiments［J］.Tectonophysics，493:297—326.

Ohnaka M，Kuwahara Y，Yamamoto K，et al.1986.Dynamic breakdown processes and the generating mechanism for high-frequency elastic radiation during stick-slip instabilities［J］.Earthquake Source Mechanics，13—24.

Ohnaka M，Shen L F.1999.Scaling of the rupture process from nucleation to dynamic propagation:Implications of geometric irregularity of the rupturing surfaces［J］.Journal of Geophysical Research，104:817—844.

Okubo P G，Dieterich J H.1984.Effects of physical fault properties on frictional instabilities produced on simulated faults［J］.Journal of Geophysical Research，89(B7):5817—5827.

Okubo P G，Dieterich J H.1986.State variable fault constitutive relations for dynamic slip［J］.Earthquake Source Mechanics，25—35.

Rosakis A J.2002.Intersonic shear cracks and fault ruptures［J］.Advances in Physics，51:1189—1257.

Rosakis A J，Samudrala O，Coker D.1999.Cracks faster than the shear wave speed［J］.Science，284:1337—1340.