郭彥雙 馬 瑾 云 龍

(中國地震局地質研究所，地震動力學國家重點實驗室，北京 100029)

拐折斷層黏滑過程的實驗研究

郭彥雙 馬 瑾 云 龍

(中國地震局地質研究所，地震動力學國家重點實驗室，北京 100029)

采用位移、應變和聲發(fā)射等測量手段，研究了預置5°拐折斷層的房山花崗巖樣品的黏滑過程，分析了不同加載速率下5°拐折斷層失穩(wěn)的黏滑特征及相關物理場的演化過程。實驗結果表明：1)5°拐折斷層的黏滑周期與加載速率在數值上呈負對數相關關系;2)在不同的加載速率下，大多數的5°拐折斷層失穩(wěn)是雙震事件，2次子事件的間隔時間大多在100～200ms之間;3)采用不同的觀測手段，即使采樣速率一致，其臨震響應也存在差異性，如斷層失穩(wěn)前沿斷層的應變測量結果呈現明顯的應變弱化，斷層位移則未見明顯的變化;4)斷層黏滑過程中的聲發(fā)射事件呈現明顯的沿斷層遷移的特征。認識強震的發(fā)生機理和余震特征需要進一步研究斷層失穩(wěn)過程的動力學信息。

拐折斷層 黏滑過程 雙震事件 物理場

0 引言

黏滑(stick slip)是巖石摩擦實驗中常出現的現象，一般是指斷層間斷性突然性發(fā)生的滑動方式，常被用來解釋淺源地震的發(fā)震模式(Brace et al.，1966)。拐折斷層作為一種典型的斷層組合，常常是構造地震發(fā)生的區(qū)域，易于導致不同斷層段發(fā)生錯動，形成雙震型地震。King等(1985)、King(1986)研究了大量的拐折斷層帶，認為世界上許多大地震都發(fā)生在斷層的2個5°拐折部位上。1976年唐山7.8級地震與灤縣7.1級地震(國家地震局《一九七六年唐山地震》編寫組，1982;呂政等，1989;鄭天榆等，1993;杜晨曉等，2010)亦位于一個含拐折的斷層帶上，2次地震相隔約15h，距離不到50km。2008年汶川8.0級地震的震源過程可分為4次子事件(張勇等，2008，2009)，分別在汶川和北川造成了重大破壞。這一現象不能說與中央斷裂帶斷層走向的變化無關，尤其是在安縣附近的斷層走向變化可能是造成北川嚴重損失的一個重要的構造因素。一般認為，大角度的拐折斷層應力難以傳遞，相互作用比較困難，而小角度的拐折斷層相互作用強烈，大震易于連發(fā);并對此開展了相關的實驗研究，如Andrews(1989，1994)、劉力強等(1995)、馬瑾等(1995，1996，1999)和Kato等(1999)研究了拐折斷層物理場的演化過程，并分析了幾種典型斷層與拐折斷層物理場不同的演化特征，討論了相關研究在分析地震破裂過程中的作用。

以往有關拐折斷層的實驗研究主要集中在拐折斷層失穩(wěn)前后物理場演化的對比分析上，而缺乏對斷層失穩(wěn)過程的關注。Kato等(1999)曾在室內實驗中采用斷層相對位移和剪應變觀測數據討論過拐折斷層失穩(wěn)的雙震事件。但是，Kato等采用應變片進行跨斷層測量，雖然作者聲明基于彈性形變理論，其拉伸形變的影響低于10%滑動量，但文中并未考慮拐折斷層滑動過程中在小角度斷層段的相對拉分作用，即隨著拐點的移動，小角度斷層在拐折附近的拉分位移將遠大于彈性形變分量，這將導致采用應變片直接跨斷層測量所獲得結果的可靠程度大大降低。在我們開展的相關實驗中發(fā)現，雙震事件的時間間隔與Kato等人的結果存在很大的差異。另一方面，加載速率與黏滑周期之間的關系未見報道，且各種測量手段在高采樣速率下的響應特征亦未討論?；诖耍覀兝貌罘质綌鄬游灰朴?、應變片和聲發(fā)射儀等，研究了不同加載速率下的拐折斷層黏滑過程及其物理場演化特征，尤其是滑動失穩(wěn)過程中相關物理場的演化特征。

圖1 樣品結構及傳感器布局圖Fig.1 Sample structure and distribution of sensors.

1 實驗設計及觀測設備

實驗中采用房山花崗閃長巖樣品，尺寸為300mm×300mm×50mm，沿樣品對角線方向預切1條拐折斷層，使得斷層上、下2段在樣品中心形成1個5°的轉角，樣品結構如圖1所示。斷層表面用800號金剛砂研磨，粗糙度約為100μm。為了解拐折斷層黏滑過程中在不同斷層段上的相對位移特征，在上、下斷層段上沿走向各貼1只差分式斷層位移計(圖1中的F1和F2)，用于直接測量斷層的相對位移。斷層位移數據采用8通道高精度采樣儀進行記錄，實驗中采樣速率設置為100Hz，位移分辨率約為1.0μm。為分析黏滑過程中的聲發(fā)射特征，在樣品前、后表面貼有16只聲發(fā)射傳感器(圖1中的A1—A16)，其中8只沿斷層走向貼在樣品后表面上，用來分析黏滑事件的發(fā)生過程;另外8只分散貼在樣品的前、后表面，與沿斷層貼著的傳感器一起進行黏滑事件的聲發(fā)射定位分析。聲發(fā)射數據采用16通道聲發(fā)射全波形記錄儀進行微破裂信息的采集(劉力強等，2003)和精定位分析(劉培洵等，2007，2009)。聲發(fā)射儀的AD轉換分辨率為12bit，最高采樣頻率為40MHz，最大采樣長度為8kwords;實驗中的采樣速率設置為10MHz，采樣長度為2kwords。為分析黏滑過程中的應變場演化過程，在樣品前表面上按直角貼法貼有87片直線型金屬應變片，共組成32組應變張量測點(圖1中的T1—T32)。應變數據采用96通道0～100Hz采樣儀進行應變數據采集，該設備的AD轉換分辨率為16bit，應變分辨精度約為1.0με(1.0με=10-6)，實驗中的采樣速率設置為100Hz。將準備好的樣品放在雙軸臥式壓力機上進行加載，壓力機的量程為1～120t，可實現雙向位移和荷載獨立控制方式進行加、卸載，控制頻率為20Hz。實驗中，樣品端部荷載及位移的采樣速率為10Hz。由于傳感器數量眾多和樣品表面空間的限制，實驗分2組進行，每組3塊樣品，其中1組進行聲發(fā)射信號和斷層位移觀測，另1組進行應變場的觀測。

2 實驗結果

2.1 差應力與斷層位移曲線的基本特征

實驗的加載過程如下：首先在X，Y方向上以0.5 kN/s的荷載控制速率同步加載至6.5t靜水壓，然后將X向荷載保持在6.5t的水平上，Y方向則切換為位移速率控制模式，分別以0.5μm/s、0.1μm/s、0.05μm/s和0.01μm/s的加載速率進行加載，在每個加載速率下發(fā)生數次黏滑事件后再改變至下一個加載速率。為分析黏滑過程中斷層面的應力水平，這里采用平均剪應力作為參考量(需要說明的是，盡管斷層面上的微觀應力分布是非均勻的，但宏觀上斷層平均應力水平仍會保持在相對穩(wěn)定的數值上)。圖2表示斷層上的平均剪應力和位移隨時間變化的過程。從整個黏滑過程來看，在恒定的Y向位移加載速率下，平均剪應力均表現為位移強化的趨勢。統(tǒng)計不同加載速率下的各黏滑事件發(fā)生的平均周期(Tp，即間震期)、平均應力降和平均滑動距離(前3種速率下分別統(tǒng)計了15次事件;但0.01μm/s速率下，因加載周期較大，僅統(tǒng)計了3次事件)，得到Tp與加載速率v之間在數值上存在良好的對數負相關關系：log Tp=-1.21log v+1.84，加載速率越低，黏滑事件周期越大(圖3a)。此外，斷層上的平均剪應力降和斷層滑動距離隨加載速率的降低而增大(圖3b)，但是兩者與加載速率在數值上的關系并不明確，需要進一步研究。

斷層滑動前未見有明顯的位移變化。進一步分析斷層在滑動階段的滑動數據發(fā)現，大多數滑動失穩(wěn)事件并不是一次完成的，而是常常分為2個子事件(極少數由3個子事件組成)。這里以事件A(圖2)為例描述斷層的滑動失穩(wěn)過程。圖4為事件A失穩(wěn)過程中典型的滑動位移響應曲線，在第1次子事件A1中，2條斷層同步滑動，在41ms內上、下斷層段分別錯動了72.6μm和81.6μm，上、下斷層段的平均滑動速度約為1,700μm/s和2000μm/s;經過152ms的短暫停頓后，事件A2開始活動，37ms內上、下斷層段分別錯動了36.6μm和33.0μm，上、下斷層段的滑動速度約為1,000μm/s和900μm/s。在事件 A的失穩(wěn)過程中，整條斷層的總錯動量為106.2μm。

圖2 實驗加載過程及斷層位移曲線Fig.2 Curves of loading and fault displacement versus time.

圖3 加載速率與黏滑周期(a)、斷層位移和應力降(b)之間的關系Fig.3 Relationship of stick-slip cycle(a)，slip and stress drop(b)against loading rate.

圖4 A事件黏滑過程的典型斷層位移曲線(v=0.5μm/s)Fig.4 Typical slip process of instability of Event A(v=0.5μm/s).

2.2 應變場特征

拐折斷層樣品表面共布置了87道應變片，每3片形成1組應變花(圖1)，并在拐點附近進行了加密布置，共計組成32組應變花。但是，在加載過程中有4只應變片(Ch38、Ch44、Ch54和Ch73)損壞，最終可計算的應變花為28個。下面分析事件A的黏滑過程中應變場的特征。圖5為在1個典型黏滑周期內斷層附近的平均應變和最大剪應變的時間變化曲線(時間起算點以前1次黏滑事件結束為時間零點，圖5a中的平均應變以壓縮應變?yōu)檎羟袘円皂槙r針方向為正，即右旋剪切為正)。如圖5a1所示，斷層滑動前，斷層兩側主要以壓縮應變?yōu)橹?，峰值平均壓縮應變量可達15με(1με=10-6);拐點右下方的應變張量測點(T13和T14)則處于拉張狀態(tài)，最大平均拉張應變量為-7.5με。如圖5b1所示，斷層滑動前整條斷層主要以左旋剪切為主，拐點附近的T5和T6測點處則以右旋剪切形變?yōu)橹鳌?/p>

圖5a2，b2分別為快速滑動過程中(0.6s內)沿斷層測點的平均應變和最大剪應變的時間演化過程。應變測量結果表明，拐折斷層的快速滑動過程亦是由2次子事件組成的，此測量結果與斷層位移相一致。當加載至57.11s時，沿斷層的應變張量測點出現明顯的應變松弛現象，持續(xù)約1.3s，這意味著斷層開始進入成核階段，但不足以引起斷層失穩(wěn)滑動;在57.14s斷層發(fā)生第1次快速滑動(子事件A1)，57.16s第1次快速滑動結束，形變過程持續(xù)到57.19s才恢復至穩(wěn)定水平。在57.21s斷層進入第2次成核階段，此階段持續(xù)了0.19s后(至57.40s)斷層開始第2次快速滑動(子事件A2)，斷層滑動57.42s結束，形變過程持續(xù)到57.5s后恢復至穩(wěn)定水平，整個滑動過程結束。

圖6為A事件中2次滑動過程(A1事件和A2事件)的應變增量場圖，其中圖6a為平均應變增量場(正值代表相對擠壓，負值代表相對拉張)，圖6b為最大剪應變增量場。在第1次快速滑動的過程中，平均應變增量的高值區(qū)主要在T5，T6測點(圖1)附近，此處的變化量約為13.0με;最大剪應力增量的高值區(qū)則出現在T1、T2，T5、T6和T9—11(圖1)這3個區(qū)域上，相應的最大剪應變增量分別為13.1με、17.4με和13.4με，其余各測點處的應變增量均在10με之下。這表明在拐折斷層失穩(wěn)過程中，下斷層段及其拐點區(qū)域為主要的能量釋放區(qū)。A1子事件發(fā)生時，拉張應變松弛區(qū)域主要集中在拐點附近，形成1個明顯的相對拉張區(qū)，并在下斷層段上形成1條剪應變增量集中區(qū)。此階段的平均應變增量高值區(qū)出現在拐點附近，最大剪應變增量場則集中在下斷層段。第2次斷層滑動時，相對擠壓區(qū)向下斷層段遷移(圖6a)。

2.3 聲發(fā)射特征

對樣品黏滑過程中的聲發(fā)射信號進行精定位分析發(fā)現，拐折斷層黏滑過程中的微破裂分布具有明顯的分區(qū)特征，即聲發(fā)射信號源主要集中在拐點附近和上、下斷層段的部分區(qū)域，而在其他區(qū)域很少(圖7)。在斷層黏滑過程中，微破裂的時間過程具有明顯的遷移特征，并成對出現，如下斷層段的AE249和AE303微破裂事件發(fā)生0.014s左右之后，AE250和AE304事件隨之出現在上斷層段。聲發(fā)射定位結果亦表明拐折斷層滑動為雙震事件。圖7b為定位事件的全波形圖，斷層快速滑動時，幾乎所有通道的波形峰值均出現溢出，這意味著斷層失穩(wěn)時伴隨強烈的彈性能釋放。

3 結論與討論

采用荷載、斷層位移、變形場和聲發(fā)射等多種測量手段，研究了5°拐折斷層黏滑過程的物理場演化特征，獲得如下初步認識：

圖5 沿斷層分布測點的應變曲線Fig.5 Strain near fault versus time.

(1)在其他條件不變的條件下，5°拐折斷層的黏滑周期與加載速率在數值上具有對數負相關關系，黏滑應力降和斷層位移隨著加載速率的降低而增大，但數值上關系不明確，需進一步研究。這一實驗結果有助于認識構造強震的發(fā)生機理和相關強余震特征，具有重要的借鑒價值，亦有利于研究地震監(jiān)測區(qū)的地震復發(fā)周期。

圖6 斷層快速滑動過程中的應變增量場Fig.6 Strain increment field during slip.

(2)5°拐折斷層的失穩(wěn)過程很少是單一事件，斷層位移、應變場和聲發(fā)射測量結果均表明拐折斷層的失穩(wěn)大多數是雙震事件，2次子事件的間隔時間大多在100～200ms之間。在斷層失穩(wěn)過程中，第1次事件明顯強于第2次事件，彈性能釋放主要發(fā)生在第1次事件中。下斷層段及其拐點區(qū)為主要的能量釋放區(qū)，亦是拐折斷層的控震區(qū)域。

(3)實驗中發(fā)現，同一采樣速率條件下，對于不同的觀測手段，臨震響應存在差異性。例如，斷層滑動失穩(wěn)前存在1個明顯的應變弱化階段，而斷層位移觀測則未見明顯的變化。這表明不同的觀測手段對地震發(fā)生前后響應的靈敏度存在差異性。實驗結果表明沿斷層的應變測量結果的靈敏性更高些。另一方面，不同測量參量可能反映出了斷層失穩(wěn)機制的不同方面，如何在實驗與野外測量中識別各物理參量所對應的物理機制，能夠給地震發(fā)生機制的研究帶來新的信息和認識。

圖7 聲發(fā)射定位結果及相應的典型波形曲線Fig.7 AE sources and the typical corresponding waveforms.

(4)不同采樣頻率的觀測手段獲得的觀測結果對分析黏滑事件尤其是快速滑動階段的斷層特征是不一致的，10Hz采樣的荷載記錄幾乎無法分辨雙震事件，而100Hz采樣的斷層位移記錄和應變記錄結果則可分辨這樣的雙震事件。10MHz的聲發(fā)射數據則可分辨不同斷層段的微破裂的時間過程。

目前的研究結果為了解拐折斷層的快速失穩(wěn)過程提供了一些初步的認識，仍無法獲得完整的黏滑事件的時空演化規(guī)律，需要借助于更高采樣速率的測量手段研究斷層失穩(wěn)的動力學特征。進一步的研究將為地震動力學研究提供更為豐富細致的實驗室證據，如不同幾何構造和不同物性特征的斷層黏滑過程等。

感謝中國地震局地質研究所劉力強研究員和劉培洵副研究員在實驗與數據分析過程中給予的寶貴建議和意見。

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EXPERIMENTAL STUDY ON STICK-SLIP PROCESSOF BENDING FAULTS

GUO Yan-shuang MA Jin YUN Long
(State key Laboratory of Earthquake Dynamics，Institute of Geology，China Earthquake Administration，Beijing 100029，China)

The stick-slip process of pre-cut bending faultswith a 5°angle at bending point between the two fault segments is investigated by use of fault displacementmeasurement，strain tensor analysis and acoustic emission(AE)technique in the laboratory.The dynamic process and corresponding properties of physical evolution are discussed.The experimental results from bending faults show that：1)A negative relationship was revealed between the logarithms of the stick-slip cycle and the logarithms of loading rate;2)Under different loading rate，most of instabilities of bending faults are earthquake doublets，and the interval time between the two sub-events are primarily from 100ms to 200ms;3)For different observational approaches，even if with the same sampling rate，the differences of the coseismic response were observed，such as the significant strain weakening stage indicated by strain measurements，but there was no significant change in fault displacement before fault instability;and 4)AE sources obviouslymigrated along faults during fault sliding.More dynamic information about fault instability process is needed to know the mechanism of strong earthquakes and the features of aftershocks.

bending faults，stick-slip process，earthquake doublet，physical field

P315.8

A

0253-4967(2011)01-0026-10

10.3969/j.issn.0253-4967.2011.01.003

2010-12-12收稿，2011-03-11改回。

國家自然科學基金(40872129)、國家重點基礎研究發(fā)展計劃項目(2004CB418405)、國家自然科學青年基金(40802044)和中國博士后科學基金(20070420414)共同資助。

郭彥雙，男，1976年出生，2007年畢業(yè)于山東大學工程力學專業(yè)，獲博士學位，主要從事斷層擴展與失穩(wěn)機制等方面的研究工作，電話：010-62009112，E-mail：guoysh@126.com。