岩盐断层带黏滑及稳滑过程中声发射活动特征的初步分析

缪阿丽, 马胜利, 郭彦双, 刘培洵

1 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 2 江苏省地震局, 南京 210014 3 防灾科技学院, 河北三河 065201

0 引言

基于速率-状态摩擦本构关系(Dieterich,1979; Ruina, 1983),断层滑动方式受控于摩擦行为的速度依赖性.因此,通过岩石摩擦实验研究断层滑动的速度依赖性及其转换机制,是分析断层滑动方式的重要手段.由于浅源强震主要分布在上地壳,早期对上地壳最重要的花岗岩(及石英集合体)的摩擦速度依赖性及其变形机制进行了系统的研究(Lockner et al., 1986; Blanpied et al., 1991,1995; Chester and Higgs, 1992; Kilgore et al., 1993),随后扩展到对各类沉积岩的研究(如Verberne et al., 2010),特别是对碳酸盐岩摩擦性质进行了系统的研究(如Chen et al., 2015).鉴于大陆内部下地壳范围内也存在地震活动(如Maggi et al., 2000; Bai et al., 2017)以及板块边界下地壳震颤现象的发现(如Shelly and Hardebeck, 2010),对基性岩的摩擦速度依赖性及转换机制也进行研究(Morrow and Lockner,2001;He et al., 2006, 2007, 2013, 2016).野外观测发现在上地壳至中地壳深度上的断层带经常富含层状硅酸盐断层岩(如Shea and Kronenberg, 1992;Imber et al., 2008),因此对富含层状硅酸盐矿物断层泥的摩擦速度依赖性及其机理也进行了研究(Bos et al., 2000; Bos and Spiers, 2001, 2002; Niemeijer et al., 2005;Zhang and He, 2016),揭示了层状硅酸盐矿物在控制断层强度和稳定性方面的重要作用(Collettini et al., 2009; Niemeijer et al., 2010;Lu and He, 2014, 2018).摩擦实验结果已被用来约束断层强度和模拟野外断层带上的地震活动和地震成核现象(如Tse and Rice,1986; Blanpied et al., 1991; Evans and Meade, 2012; Hyndman,2013).

除了应用于断层强度和地震过程的模拟,断层滑动稳定性实验结果也可应用于断层带变形及地震活动特征的研究,这不仅需要了解断层带滑动稳定性转换及其机制,还需要了解这种转换所对应的野外断层可以观测的小震活动等.实验室与地震最为相似的观测信号是声发射,因此研究与断层滑动方式对应的声发射活动可为利用地震活动分析断层活动方式提供借鉴.由于断层摩擦滑动的速度依赖性实验大多是在三轴高温高压实验设备上进行的,而高温下的声发射观测技术难度较大,因此利用在常温下即可发生速度依赖性转换的材料作为断层物质,研究其摩擦活动过程中的声发射活动是很有意义的.被视作硅酸盐相似物的岩盐可在室温下观察到由于压力增加引起的速度依赖性转换(Shimamoto,1986),因此我们曾利用岩盐作为断层泥开展双轴摩擦实验,研究其摩擦滑动方式转换并观测相应的声发射活动(缪阿丽等,2012).但受限于声发射观测技术,我们仅在断层发生黏滑(速度弱化域)时观测到对应的声发射,黏滑前以及稳定滑动(速度强化域)时并未观测到声发射,因此难以进行对比分析.本文我们仍选择岩盐作为断层带介质,利用双轴摩擦实验对其在含水条件下摩擦滑动的速度依赖性进行研究,同时利用新的声发射观测技术观测和研究不同滑动方式下断层的声发射活动特征并分析断层带的微观结构,以期为利用小震活动推断断层变形性质和活动方式提供实验依据.此外,基于断层的黏滑实验,马瑾和郭彦双(2014)、马瑾(2016)提出了亚失稳模型,认为在亚失稳阶段断层带应变场、位移场、温度场等的变化不同于亚失稳阶段前,由此提出探索地震短临前兆的新思路.那么,在一次断层黏滑循环中声发射活动特征是否有变化,特别是亚失稳阶段的声发射特征有何不同?这方面的研究刚刚起步(Zhuo et al., 2018),值得深入研究.本文将首先介绍实验方法和数据计算方法,继而展示实验结果,最后将对黏滑失稳过程中声发射活动特征及其变化进行讨论.

1 实验方法和数据计算方法

1.1 实验方法

实验标本为花岗闪长岩,尺寸为300 mm×200 mm×50 mm,每个标本沿长方体一对角线预置一条与长轴呈30°夹角,厚度1 mm的断层带用岩盐(48 μm<粒径<76 μm)充填.实验前将岩盐样品溶于水中,充分搅拌,然后取过饱和析出物作为断层泥,由于标本结构是开放系统,断层带中的水不具备孔隙压力.实验在中国地震局地震动力学国家重点实验室双向加载伺服控制装置上进行(图1a),载荷和位移通过一套分辨率为16 bit的数据采集系统记录.标本表面布设声发射传感器(204b,Fuji,Japan),其峰值频率为100 kHz.用16通道连续声发射数据采集系统观测标本在实验过程中的微破裂,采样频率为3 MHz.标本结构和传感器布局如图1b所示.基于我们以前关于岩盐的摩擦实验结果(缪阿丽等,2012),从本文的目的出发,确定实验条件为σ2=3 MPa,加载点位移速率0.01～10 μm·s-1.实验过程中,首先以相同的应力速率使σ1和σ2同步加载至3 MPa后,保持σ2恒定,而后在σ1方向上以1 μm·s-1的位移速率加载,在滑动趋于稳定后,再改变加载点的位移速率,研究断层滑动的速度依赖性,并在此过程中记录声发射事件.

图1 实验加载系统和标本结构(a) 双轴液压伺服控制加载系统示意图; (b) 实验标本结构、加载方式和声发射传感器布局图,最大主应力σ1和最小主应力σ2的方向分别对应于Y轴和X轴,标本表面的小圆圈代表声发射传感器.Fig.1 Experimental loading system and specimen structure(a) Diagram of biaxial hydraulic servo control loading system; (b) Configuration of samples, loading mode and locations of acoustic emission transducers, the direction of the maximum principal stress σ1 and the minimum principal stress σ2 are correspond to Y axis and X axis respectively. The circle symbols on the surface of the sample denote acoustic emission transducers.

1.2 声发射数据处理方法

1.2.1 声发射能级

由于实验室高速数据采集系统的动态范围相对天然地震记录较窄,又采用的是定长信号记录,所以难以使用与天然地震相同的最大振幅或持续时间方法为声发射“震级”定标.因此我们定义声发射信号波上各点的应变能(W)增量之和的对数为声发射能级MAE(刘力强等,1999),即

式中n为采样点数,U为传感器的输出电压,E是标本的杨氏模量,C为常数.

1.2.2 声发射波形优势频率

声发射波形曲线是时间域的曲线,横轴是时间,纵轴为幅度.通过傅里叶变换变成频率域,横轴为频率,纵轴为幅度,也称为幅频曲线.在幅频曲线上的峰值对应的频率为峰值频率或优势频率.傅里叶变换公式如下:

傅里叶级数展开式为

(1)

式中

(2)

f(x)→{x0,x1,x2,…,xN-1}.

(3)

所以,公式(1)的离散形式为

(4)

式中

(5)

k=1,2,…,m

(6)

由该式可以看出,第k项为两个周期函数之和,一为正弦函数,一为余弦函数,它们的频率均为

(7)

(8)

利用公式(4)—(6)分离的各种频率的波,即xi的第k项为k次谐波.k次谐波的频率由公式(7)给出,周期由公式(8)给出.

将公式(4)中的求和号里的各次谐波利用三角函数转换后,则有

(9)

式中

(10)

其中,ck表示k次谐波的振幅大小.

图2a和图2c为一次声发射事件的波形曲线.我们取最先到达传感器的通道波形做频谱分析(如图2a事件中的通道5).如果频谱分析结果显示单一峰值,则对应的声发射事件有一个优势频率,如图2b所示.如果频谱分析结果显示多个峰值,则对应的声发射事件有多个优势频率,如图2d所示.

图2 一个典型声发射事件的波形(a) 声发射波形; (b) 图(a)通道5声发射波形的频谱分析; (c) 声发射波形; (d) 图(c)通道5声发射波形的频谱分析.Fig.2 Waveforms of a typical acoustic emission event(a) Acoustic emission waveform; (b) Spectrum analysis of AE waveform of Chanel5 in Fig.(a); (c) Acoustic emission waveform; (d) Spectrum analysis of AE waveform of Chanel5 in Fig.(c).

2 实验结果

2.1 力学性质与声发射活动特征

图3和图4分别展示了含水条件下岩盐断层带在σ2=3 MPa、不同滑动速率下摩擦滑动过程中的差应力-时间曲线、声发射M-t图及对应的声发射波优势频率.由图3a和图4a可见,以1 μm·s-1为界,随着加载速率的增大,岩盐断层带摩擦强度逐渐降低,黏滑应力降逐渐减小,表现为速度弱化的性质,随着加载速率的减小,岩盐断层带摩擦滑动趋于稳定,摩擦强度降低,表现出速度强化的性质.这与我们以前的实验结果(缪阿丽等,2012)完全相同.但与以前实验中一次黏滑仅对应一个声发射事件、稳定滑动过程中未记录到声发射事件的结果不同,本次实验中记录到大量声发射事件.由图3b可见,一次黏滑事件除与其对应的大声发射事件外,黏滑前后特别是黏滑前对应一丛小声发射事件,这些声发射事件能级很小,约为黏滑对应的声发射事件能级的10-7～10-5.由图4b可见,在速度强化控制的稳定滑动条件下,也记录到很多的声发射事件,其能级与黏滑前的小声发射事件能级在同一级别,而且声发射活动受滑动速率的影响,滑动速率0.1 μm·s-1时的声发射活动频度明显高于滑动速率0.01 μm·s-1时的声发射活动频度.

图3 岩盐断层带在滑动速率0.5～10 μm·s-1条件下的差应力-时间曲线、声发射M-t图及声发射优势频率F-t图图中的方框表示一次声发射事件的波形优势频率.Fig.3 Differential stress-time curve, M-t diagram of acoustic emission and F-t diagram of acoustic emission dominant frequency for halite gouge fault zone under the sliding rate of 0.5～10 μm·s-1 The square in the figure denotes the dominant frequency of an acoustic emission event.

图4 岩盐断层带在滑动速率0.01～0.1 μm·s-1条件下的差应力-时间曲线、声发射M-t图及优势频率F-t图图中的方框表示一次声发射事件的波形优势频率.Fig.4 Differential stress-time curve, M-t diagram of acoustic emission and F-t diagram of acoustic emission dominant frequency for halite gouge fault zone under the sliding rate of 0.01～0.1 μm·s-1The square in the figure denotes the dominant frequency of an acoustic emission event.

图3和图4同时也展示了黏滑事件前后以及稳定滑动阶段记录到的小声发射事件优势频率的分布.由图3c可见,黏滑前后出现的小声发射事件优势频率可分3类:低频(10 kHz左右)、中频(100 kHz左右)和高频(370 kHz左右).在稳定滑动的两种速度下,声发射事件优势频率大致相同,仅见低频和中频事件,缺少高频事件(图3b).

基于断层亚失稳模型(马瑾和郭彦双,2014;马瑾,2016),一次黏滑过程中从峰值摩擦到动态滑动发生前这个阶段被定义为亚失稳阶段.亚失稳阶段开始时间在应力-时间曲线上具体表现为曲线斜率由正值向负值转换的交界点.为了分析亚失稳阶段声发射活动特征,首先对图3a中25个黏滑事件循环中的声发射事件发生频率和优势频率进行了统计.图5展示了其中两个黏滑事件循环中的声发射特征,其中给出了声发射事件的累计频度和高、中、低三种优势频率声发射事件的发生率(每2 s内的事件次数).可见,随着应力水平增加,声发射活动整体上表现为增强的趋势,接近峰值摩擦时增强趋势更为明显;声发射事件优势频率涵盖了低频、中频和高频信号,但接近摩擦峰值时,高频事件有减少、而中频和低频事件有增加的趋势.其他黏滑事件循环均有相似的特征.

图5 含水岩盐断层带在滑动速率1 μm·s-1条件下两次黏滑事件循环中对应的声发射活动图中N表示声发射累计频度, Fh代表高频, Fm代表中频, Fl代表低频,↓对应的时间表示亚失稳阶段开始时间.Fig.5 AE activities during two stick-slip events of wet halite gouge fault zone under the frictional sliding rate of 1 μm·s-1N denotes cumulative frequency of AE, Fh represents high frequency, Fm represents intermediate frequency, Fl represents low frequency,↓shows the start of the meta-instability.

进一步分析了摩擦超过峰值进入亚失稳阶段后的声发射事件特征,图6给出了4个黏滑事件的结果.可见,进入亚失稳阶段后,声发射事件的优势频率普遍只有低频和中频,几乎不再出现高频信号.

图6 含水岩盐断层带在滑动速率1 μm·s-1条件下几次黏滑事件亚失稳阶段对应的声发射活动图中Fh代表高频, Fm代表中频, Fl代表低频.Fig.6 AE activities responding to a few meta-instability stage of stick-slip events of wet halite gouge fault zone under the sliding rate of 1 μm·s-1Fh represents high frequency, Fm represents intermediate frequency, Fl represents low frequency.

2.2 断层带微观结构

关于岩盐断层带不同条件下摩擦滑动的变形结构和变形机制,前期基于对实验标本微观结构的光学显微镜观察进行过讨论(缪阿丽等,2012).本次研究中我们聚焦声发射事件的产生机制,通过中国地震局地质研究所地震动力学国家重点实验室Zeiss Sigma扫描电镜观察断层带更精细的变形特征.实验后,我们沿断层带方向横切断层面制成样本薄片.这里仍参照Bartlett等(1981)提出的剪切带内部结构术语来描述断层带内的变形(见图7a).图7展示了不同条件下经摩擦滑动后断层带在扫描电镜下的微观结构.在速度弱化条件下经历了黏滑后的岩盐断层带(图7b—e),带内发育R1、R2和P等次级剪切面,多数次级剪切面在局部区域发育或被其他次级剪切面截断,但个别次级剪切面贯通了整个断层带(图7b);断层带内颗粒破碎且大小不一,颗粒边界清晰、形状不规则、排列无序,大颗粒边缘可见更细小的颗粒碎屑,大颗粒内部可见与次级剪切面平行的微破裂或存在呈阶梯状的裂缝(图7c);也可以清晰地见到两组破碎的岩盐颗粒在近乎垂直的方向上排列呈阶梯状分布(图7c,7d),反映了岩盐颗粒在R2剪切和X剪切的作用下发生碎裂并沿这两组次级剪切方向排列的变形过程;沿次级剪切R1的颗粒破碎现象显著,岩盐颗粒粒径极为细小,剪切面凹凸不平,且存在大颗粒岩盐被贯通切穿的现象.这些特征说明,断层内以次级剪切面的发育和颗粒破碎作用为主,其中沿次级剪切颗粒高度破碎,表明其在控制断层滑动中具有重要作用.

图7f—h展示的是经历了稳定慢速摩擦滑动后岩盐断层带的微观结构.由图7f—h可知,断层带内发育Y剪切带,存在颗粒大小不一的特点,这是断层带在早期阶段经历黏滑过程形成的特征.后期断层带在速度强化条件下经历了稳定慢速摩擦滑动后,岩盐断层带的微观结构发生了改变,在原先脆性变形的基础上叠加了反映塑性变形的S型构造、拖尾构造发育,类似于页理状的条带构造呈波浪形覆盖整个剪切带(图7f);类页理状构造的延伸方向在多数区域内与低角度的R1剪切带和Y剪切带平行(特别是靠近断层带和围岩交界的区域),在有些区域内则与高角度的R2剪切带平行;类页理状构造间隙内的岩盐颗粒极为细小,颗粒粒径非常均匀,且具有一定程度的定向性(图7g);某些区域可以看到超级细的岩盐颗粒(<1 μm)(图7h)沿次级剪切带分布,其边界非常清晰,说明局部剪切带上存在进一步的变形局部化.这些特征说明,岩盐断层带总体已呈现出塑性变形的特征,但在类页理状构造带上和次级剪切带上岩盐颗粒的碎裂流动也是重要的变形机制.

3 讨论

(1) 本文利用双轴摩擦实验装置在σ2=3 MPa条件下对含水岩盐断层带的实验结果表明,以1 μm·s-1为界,随着加载速率的增大,岩盐断层带摩擦强度逐渐降低,黏滑应力降逐渐减小,表现为速度弱化的性质,而随着加载速率的减小,岩盐断层带摩擦滑动趋于稳定,摩擦强度降低,表现出速度强化的性质.这与我们以前的实验结果(缪阿丽等,2012)完全相同.对断层带变形显微结构的观察已表明,由边界滑动面和内部次级剪切面控制的局部滑动和脆性破裂是岩盐断层带速度弱化域的主要变形机制,而包括晶体塑性和压溶作用的塑性变形是岩盐断层带速度强化域的主要变形机制(Shimamoto,1986;缪阿丽等,2012).本文利用扫描电镜对断层带微观变形结构的观测表明,在速度弱化域沿断层带次级剪切面颗粒高度破碎、变形局部化显著,说明次级剪切面的形成以及沿它们的滑动是控制断层黏滑的主导因素;而在塑性变形占主导的速度强化域也可见次级剪切面及沿其上显著的碎裂变形,说明断层带尚未达到典型的塑性变形条件,塑性变形尚不能完全吸收变形,需要脆性变形来调节变形,但脆性变形对断层的整体滑动行为影响不大.

(2) 受触发式声发射观测系统性能的限制,以前关于岩盐断层泥的实验中仅观测到黏滑对应的声发射事件,黏滑前后和稳定滑动过程中均未记录到声发射事件(缪阿丽等,2012).而本文在含水岩盐断层带的实验中记录到大量声发射事件,不仅在速度弱化域记录到与黏滑对应的大声发射事件和黏滑过程中发生的小声发射事件,而且在速度强化域稳滑过程中也记录到小声发射事件.黏滑过程中与稳滑过程中的小声发射事件存在共同之处,即两者均表现为能级低.但黏滑过程中的小声发射事件的优势频率既有低频(10 kHz左右)和中频(100 kHz左右),也有高频(370 kHz左右),而在稳定滑动过程中,小声发射事件的优势频率仅有低频和中频,缺少高频事件.岩石变形破坏中声发射事件的频谱与激发声发射的微破裂尺度和岩性有关,微破裂尺度越小则声发射频谱越高,强度大且脆性强的岩石则易产生频谱高的声发射(如Sondergeld and Estey,1981;刘力强等,2001),后者实际上反映出声发射频谱与破裂速度相关,即频谱与速度成正比.在断层的摩擦互动中,凹凸体脆性破裂产生高频信号,而断层无震滑移则产生低频信号(McLaskey and Kilgore,2013).速度弱化域发生黏滑的岩盐断层带以脆性变形占主导作用,岩盐颗粒的脆性破裂、不同尺度次级破裂面的形成、沿次级剪切面的滑动及其导致的岩盐颗粒的进一步破碎等,使得断层带滑动过程中必然产生不同频谱的声发射事件.速度强化域发生稳滑的岩盐断层带总体上已呈现出塑性变形特征,虽然也产生发育了不同尺度的次级剪切面,且沿剪切面伴有碎裂流动,但这些破裂的速度必然低于典型的脆性破裂速度,因此仅会产生低频或中频声发射信号,高频声发射信号缺失.岩盐断层带在速度弱化域和速度强化域声发射事件频谱特征的差异可为基于小震活动判断断层的滑动方式提供参考,而速度强化域高频声发射信号的缺失可为理解震颤等慢地震现象的物理机制提供参考.

(3) 实验表明,在断层黏滑循环中声发射活动随应力水平提高有增加的趋势,声发射事件优势频率涵盖了低频、中频和高频信号;接近摩擦峰值时声发射发生率明显增加,但高频事件减少、中频和低频事件增加.进入亚失稳阶段后,声发射只有低频和中频信号,几乎不再出现高频信号.这种变化与断层带变形方式密切相关.在临近黏滑的高应力水平作用下,断层带内岩盐颗粒脆性破裂的连接、次级破裂面的形成和扩展占主导地位,这不仅会导致声发射活动的加速,且更易产生频谱较低的声发射信号.而进入亚失稳阶段后,应力开始释放,断层发生预滑,缓慢的预滑过程中沿滑动面的颗粒滚动占主导地位,必然导致更多的低频声发射信号.断层进入亚失稳阶段意味着失稳已不可逆,因此判断野外断层是否进入亚失稳阶段对于地震短临预测很有意义(马瑾和郭彦双,2014; 马瑾,2016),显然,临近黏滑前声发射活动的加速,特别是峰值后声发射低频信号增加而高频信号几乎消失等现象,对于识别断层是否进入亚失稳阶段具有参考意义.另外,实验室声发射活动可类比于野外天然地震,黏滑前的声发射活动可类比大地震前的微震活动,因此,实验结果为通过研究实际断层微震活动性及其频率变化分析强震前兆提供了新思路.

4 结论

本文利用双轴摩擦实验对含水条件下岩盐断层带摩擦滑动性状进行了实验研究,观测和分析了摩擦滑动过程中的声发射活动,并利用扫描电镜分析了断层带的微观变形结构.结果表明,含水岩盐断层带在伴随黏滑的速度弱化域和伴随稳定滑动的速度强化域,摩擦过程中均产生了大量声发射事件;黏滑过程与稳滑过程中的小声发射事件存在共同之处,即两者均表现为能级低;但黏滑过程中的小声发射事件的优势频率既有低频(10 kHz左右)和中频(100 kHz左右),也有高频(370 kHz左右),而在稳定滑动过程中,小声发射事件的优势频率仅有低频和中频,缺少高频事件.这种差异与两者变形主导机制的不同密切相关,黏滑过程受断层带伴有显著局部化的脆性变形和滑动所控制,而稳定滑动过程受断层带塑性变形及局部碎裂流动所控制.在断层黏滑循环中声发射事件优势频率涵盖了低频、中频和高频信号,接近摩擦峰值时声发射发生率明显增加,但高频事件减少、中频和低频事件增加;进入亚失稳阶段后,声发射只有低频和中频信号,几乎不再出现高频信号.这种差异与断层带变形方式的变化密切相关,接近峰值时断层带内脆性破裂的连接、次级破裂面的形成和扩展不仅会导致声发射活动的加速且更易产生频谱较低的声发射信号,而进入亚失稳阶段后,断层缓慢的预滑过程中沿滑动面的颗粒滚动导致更多的低频声发射信号.这些结果对基于小震活动判断断层的滑动方式、理解震颤等慢地震现象的物理机制以及识别断层是否进入亚失稳阶段具有参考意义.