断层亚失稳阶段变形场时空演化的实验研究

卓燕群

(中国地震局地质研究所， 北京100029)



断层亚失稳阶段变形场时空演化的实验研究

卓燕群

(中国地震局地质研究所， 北京100029)

断层粘滑过程的差应力-时间曲线可以分成线性、 偏离线性、 亚失稳和失稳4个阶段。 亚失稳阶段是指差应力从峰值时刻到产生快速应力降起始时刻之间的阶段， 也是断层失稳之前的最后阶段。 利用在实验室既能通过压机观测到标本应力状态， 又能使用多物理场观测手段获取标本表面变形信息的优势， 通过分析标本表面全场变形的时空演化， 寻找识别标本进入亚失稳阶段的标志， 有助于分析野外断层所处的应力状态， 进而判断地震危险时刻是否临近。 本文以断层粘滑过程变形场的时空演化作为研究对象， 采用高速相机采集标本变形图像， 以数字图像相关方法为主要分析手段， 结合其他物理场观测手段(如应变片、 声发射等)， 研究了不同加载速率下含平直断层的花岗闪长岩标本的变形时空演化特征。 此外， 基于粘土材料对基底断层活动引起盖层变形场演化的过程进行了模拟。 取得的主要认识如下：

(1) 断层局部预滑区的加速扩展是断层进入亚失稳阶段的标志之一。 标本通过断层局部预滑释放应力， 在偏离线性阶段标本应力以积累为主释放为辅， 局部预滑区开始出现， 进入亚失稳阶段后标本以应力释放为主并从平稳释放向加速释放转变， 局部预滑区也同时出现明显的加速扩展。 采用断层局部预滑区归一化长度(W)随时间的变化对局部预滑区的扩展程度进行定量分析， 结果表明，W的曲率峰值时刻可作为断层进入亚失稳阶段的近似识别标志。

(2) 断层各部位位移方向趋向一致过程的加速是断层进入亚失稳阶段的另一标志。 采用度量断层位移方向空间分布无序程度的断层位移方向归一化信息熵(S)随时间的变化进行定量分析， 结果表明，S的曲率峰值时刻可作为断层进入亚失稳阶段的另一近似识别标志。

(3) 亚失稳阶段后期观测到应变的条带状分布和动态传递过程。 通过对样品的全场应变高速采样观测(空间分辨率0.15 mm， 时间分辨率1 ms)， 发现亚失稳阶段后期平行于断层的应变和体应变呈条带状分布和动态传递的现象。 结合早期应变片观测结果， 分析此类应变波随着失稳的临近存在频率加快、 幅度增大并向震源初始破裂位置传递的特点。 对这个现象的进一步研究， 将有助于认识人们在地震前发现并讨论的前兆波现象。

(4) 盖层变形模式受基底断层活动方式控制。 基底断层活动引起上覆盖层中出现盆地系， 这些盆地变形过程可分为初始的独立扩展与后期的相互作用两个阶段。 通过分析盖层变形了解基底断层的活动性质， 有助于进一步通过盖层变形研究基底断层的亚失稳阶段。

关键词亚失稳阶段; 变形场; 时空演化； 局部预滑区； 数字图像相关方法

(作者电子信箱， 卓燕群： zhuoyq@163.com)

中图分类号：P315；

文献标识码：A；

doi:10.3969/j.issn.0235-4975.2016.07.013