云 龍 郭彥雙 馬 瑾

(中國(guó)地震局地質(zhì)研究所，地震動(dòng)力學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100029)

5°拐折斷層在黏滑過(guò)程中物理場(chǎng)演化與交替活動(dòng)的實(shí)驗(yàn)研究

云 龍 郭彥雙 馬 瑾

(中國(guó)地震局地質(zhì)研究所，地震動(dòng)力學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100029)

在實(shí)驗(yàn)室利用96通道應(yīng)變記錄采集系統(tǒng)和分布式多通道瞬態(tài)信號(hào)采集系統(tǒng)，觀測(cè)了預(yù)切5°拐折斷層的標(biāo)本在變形失穩(wěn)過(guò)程中應(yīng)變場(chǎng)和聲發(fā)射事件的時(shí)空演化。實(shí)驗(yàn)在雙軸伺服加載系統(tǒng)上進(jìn)行。在 Y 方向按位移控制方式加載，位移速率先后取 0.5μm/s、1μm/s、0.5μm/s和 0.1μm/s。觀測(cè)得到:1)標(biāo)本沿?cái)鄬影l(fā)生周期性的黏滑失穩(wěn)，不同加載速率下黏滑事件表現(xiàn)出不同的特點(diǎn)，加載速率越小，周期越大，應(yīng)力降也越大。2)斷層失穩(wěn)錯(cuò)動(dòng)時(shí)伴隨高能級(jí)的聲發(fā)射事件，之前只發(fā)生能級(jí)很小的事件。定位結(jié)果顯示，聲發(fā)射事件主要分布在拐折部位周圍、上斷層中部和下斷層中下部。斷層失穩(wěn)前聲發(fā)射事件的遷移過(guò)程是:開始發(fā)生在拐折部位，隨后在上、下斷層段間交替活動(dòng)，最終在下斷層段發(fā)生失穩(wěn)大事件。3)應(yīng)變觀測(cè)結(jié)果顯示拐點(diǎn)和斷層帶附近是高應(yīng)變集中部位。在應(yīng)變積累階段和釋放階段，應(yīng)變?cè)隽繄?chǎng)的分布有顯著差異，表現(xiàn)為拐點(diǎn)內(nèi)外側(cè)平均應(yīng)變和最大剪應(yīng)變的增減交替。4)平均應(yīng)變?cè)诠拯c(diǎn)和斷層段先后釋放可能是斷層失穩(wěn)的條件之一。對(duì)拐折構(gòu)造部位進(jìn)行觀測(cè)十分重要，有利于判斷斷層活動(dòng)狀態(tài)的轉(zhuǎn)變。

拐折斷層 聲發(fā)射 應(yīng)變場(chǎng) 斷層交替活動(dòng)

0 引言

地殼內(nèi)部斷層的不穩(wěn)定活動(dòng)是地震發(fā)生的主要機(jī)制。自然界的斷層面很少以簡(jiǎn)單連續(xù)的面狀結(jié)構(gòu)出現(xiàn)，通常都表現(xiàn)為復(fù)雜斷層帶，往往存在如拐折、雁列、階步、分支斷層等的非連續(xù)結(jié)構(gòu)。這些特殊的構(gòu)造形式對(duì)斷層應(yīng)力集中、應(yīng)變分配、斷層滑動(dòng)以及地震孕育發(fā)生及破裂的傳播過(guò)程有重要影響。斷層拐折作為最常見的斷層結(jié)構(gòu)類型之一，與斷層分段、地震活動(dòng)性有重要關(guān)聯(lián)，一直為許多學(xué)者所關(guān)注。許多震例表明，與拐折斷層有關(guān)的地震活動(dòng)往往存在一些有意義的現(xiàn)象。例如，多次Parkfield地震震中均位于一個(gè)5°拐折斷層的拐點(diǎn)附近，這些地震的前震位于拐點(diǎn)的西北段，主震開始于拐點(diǎn)附近，余震位于拐點(diǎn)的南東段(Lindh et al.，1981;Bakun et al.，1985)。有趣的是，在1934和1966年發(fā)生的2次主震前17min，拐折點(diǎn)西北測(cè)的斷層段上均發(fā)生了一次5級(jí)左右的前震(Bakun et al.，1979)。

不同作者從以下4方面討論了拐折斷層中位移錯(cuò)動(dòng)特點(diǎn)和地震活動(dòng)規(guī)律:

(1)拐點(diǎn)的類型與作用。一些作者在研究了Landers地震附近的地質(zhì)構(gòu)造的基礎(chǔ)上，提出斷層拐折附近破裂形式十分復(fù)雜。并且注意到主破裂與平行的破裂之間存在相互作用及復(fù)雜的幾何結(jié)構(gòu)(如斷層尖端、拐折部位)對(duì)破裂的開始與傳播過(guò)程的影響(Aydin et al.，1995);Segall等(1993)在比較了1934和1966年2次Parkfield地震后，強(qiáng)調(diào)地震開始于拐點(diǎn)附近，而大位移分別發(fā)生在Gold Hill地區(qū)和其東南側(cè)的雁列部位。此外，King等(1985，1986)討論了障礙體的類型，認(rèn)為破裂的傳播過(guò)程與障礙體的作用有重要關(guān)聯(lián)。呂政等(1989)在研究唐山地震的震源過(guò)程時(shí)，也提出了相似的看法。

(2)拐點(diǎn)與斷層的位移量分布。Andrews(1989，1994)在討論斷層節(jié)點(diǎn)時(shí)，提出走向上相差較大的拐折部位必然會(huì)演化成為三聯(lián)點(diǎn)，同時(shí)指出拐折斷層段上位移量大，拐點(diǎn)附近位移量小，甚至為零。而Acharya(1997)在對(duì)比2次歷史地震(1906和1857年)的位移量分布與斷層的幾何形態(tài)時(shí)，強(qiáng)調(diào)位錯(cuò)最大的部位位于斷層走向變化最大的部位。

(3)拐折斷層與地震活動(dòng)特點(diǎn)。Kato等(1999)報(bào)道了通過(guò)實(shí)驗(yàn)得到的拐點(diǎn)在黏滑過(guò)程中的作用。注意到拐折斷層往往是“雙震型”，第1次破裂開始于低角度斷層，終止于拐折部位，第2次破裂開始于高角度斷層，但并未在拐折部位終止，而是破裂貫穿了整個(gè)斷層。Xing等(2004)的有限元模擬也得出了類似的結(jié)果。馬瑾等(1995a，b，1996)利用實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬的方法研究了5°拐折斷層物理場(chǎng)的演化過(guò)程，比較了平直斷層與拐折斷層物理場(chǎng)不同的演化特點(diǎn)。根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，作者強(qiáng)調(diào)了拐點(diǎn)兩側(cè)斷層段的交替活動(dòng)以及拐點(diǎn)附近應(yīng)力主軸方向的變化。此外，作者提出了不同構(gòu)造部位在變形過(guò)程中所起的作用不同，地震失穩(wěn)發(fā)生在易錯(cuò)動(dòng)單元，而前兆往往出現(xiàn)在高應(yīng)力集中區(qū)，拐點(diǎn)正是一個(gè)應(yīng)力集中部位。

(4)影響破裂傳播過(guò)程的因素。Duan等(2005)認(rèn)為是拐折部位正應(yīng)力場(chǎng)的變化導(dǎo)致其成為破裂的起始或終止點(diǎn)。Poliakov(2002)和Aochi(2002)指出最大主應(yīng)力與主斷層的夾角對(duì)破裂的傳播尺度有很大的影響。Kase等(2006)指出斷層上初始剪應(yīng)力與正應(yīng)力的分布也對(duì)拐折附近的破裂速度有影響。

以上提及的震例表明，許多地震發(fā)生在拐折斷層上，而拐折部位對(duì)地震活動(dòng)起了控制作用。在拐點(diǎn)附近和斷層段的位移分布方面存在不同看法，影響拐折斷層破裂傳播過(guò)程的因素討論尚不充分，此外正應(yīng)力在斷層失穩(wěn)中的作用也需要實(shí)驗(yàn)室方面的證明。為了進(jìn)一步認(rèn)識(shí)拐點(diǎn)兩側(cè)斷層的相互作用、變形場(chǎng)演化調(diào)整過(guò)程、拐折部位在此類斷層錯(cuò)動(dòng)過(guò)程中的作用、以及失穩(wěn)過(guò)程，開展了以下實(shí)驗(yàn)。作者所在實(shí)驗(yàn)室以前雖曾進(jìn)行過(guò)類似實(shí)驗(yàn)，但是目前的實(shí)驗(yàn)室的條件已今非昔比，無(wú)論在觀測(cè)手段的種類、分辨率和采樣速率上都提高很多。

1 實(shí)驗(yàn)方法

試樣為房山花崗巖，尺寸為:300mm×300mm×50mm，對(duì)角線方向有一條預(yù)切斷層，將試樣分為兩塊，斷層表面經(jīng)過(guò)400目金剛砂打磨。其中，直接承受驅(qū)動(dòng)力作用的巖塊稱為“主動(dòng)盤”，間接受力的巖塊稱為“被動(dòng)盤”。斷層以中點(diǎn)為界分為兩段，夾角為5°，從而形成一個(gè)拐折斷層。將與驅(qū)動(dòng)力方向(Y向)夾角較小和較大的斷層分別稱為“上(小角度)斷層段”和“下(大角度)斷層段”，簡(jiǎn)稱上斷層和下斷層。

實(shí)驗(yàn)在雙軸伺服加載系統(tǒng)上進(jìn)行，X向應(yīng)力保持不變，Y向采取位移速率控制。加載分為2個(gè)階段:第1階段，采取500N/s的加載方式，分別使X向和Y向的應(yīng)力同時(shí)達(dá)到5MPa;第2階段，X向應(yīng)力保持不變，在 Y向繼續(xù)以0.5μm/s的位移速率加載，其間實(shí)現(xiàn)了1μm/s、0.5μm/s和0.1μm/s的3次變速，共進(jìn)行了3次重復(fù)實(shí)驗(yàn)。

實(shí)驗(yàn)中除了采用應(yīng)力傳感器和位移傳感器記錄了標(biāo)本變形過(guò)程中的應(yīng)力、位移外，還通過(guò)組合式應(yīng)變片與聲發(fā)射探頭，記錄應(yīng)變、聲發(fā)射等物理場(chǎng)。試樣表面共布設(shè)了87道應(yīng)變片，分為32個(gè)應(yīng)變組，采用96道應(yīng)變記錄采集系統(tǒng)采集數(shù)據(jù)，采樣頻率為100Hz(劉力強(qiáng)等，1995)。聲發(fā)射探頭共布設(shè)了14個(gè)，應(yīng)用分布式多通道瞬態(tài)信號(hào)采集系統(tǒng)采集數(shù)據(jù)(劉力強(qiáng)等，2003)，采取同步觸發(fā)的方式采集，運(yùn)用聲發(fā)射定位程序，計(jì)算出各次失穩(wěn)事件發(fā)生的時(shí)間、位置及能級(jí)(劉培洵等，2007，2009)。其中，能級(jí)表示聲發(fā)射事件的相對(duì)大小。圖1給出了斷層的結(jié)構(gòu)與應(yīng)變片和聲發(fā)射探頭的分布與編號(hào)。

圖1 試樣結(jié)構(gòu)和各種傳感器的布局圖Fig.1 The structure of sample and the distribution of sensors.

在獲得了每個(gè)應(yīng)變片的應(yīng)變數(shù)據(jù)后，根據(jù)平面應(yīng)變的轉(zhuǎn)換公式及應(yīng)變花理論(劉力強(qiáng)等，1995)，利用平面上某一點(diǎn)在3個(gè)方向上的應(yīng)變值，求出測(cè)點(diǎn)的應(yīng)變張量。

式(1)中，εA、εB和εC分別為A，B，C 3個(gè)測(cè)線的應(yīng)變值，每個(gè)應(yīng)變組中總有一個(gè)應(yīng)變片平行或垂直Y向。A與B間的夾角為α，B與C間的夾角為β。根據(jù)上述已知的5個(gè)量，分別計(jì)算了各測(cè)點(diǎn)的最大、最小主應(yīng)變?chǔ)?和ε2，以及ε1和測(cè)線A(實(shí)驗(yàn)中為Y向)之間的夾角θ。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

2.1 差應(yīng)力-時(shí)間曲線和聲發(fā)射積累數(shù)目-時(shí)間曲線

差應(yīng)力時(shí)間曲線(圖2)表明，試樣的變形過(guò)程可分為2個(gè)階段:第1階段(1，617s之前)，差應(yīng)力保持準(zhǔn)線性增加，基本沒(méi)有聲發(fā)射事件產(chǎn)生;第2階段(1，617～9，503s)，當(dāng)應(yīng)力水平超過(guò)摩擦強(qiáng)度后，黏滑事件開始出現(xiàn)，單獨(dú)的一個(gè)黏滑過(guò)程可以分為應(yīng)變能的積累階段與釋放階段。在該階段，聲發(fā)射事件急劇增加，且表現(xiàn)為伴隨著差應(yīng)力的突增，聲發(fā)射數(shù)目也出現(xiàn)突增，加載速率越小，單位時(shí)間內(nèi)的聲發(fā)射數(shù)目也越少。黏滑事件存在準(zhǔn)周期性，為了比較不同加載速率對(duì)黏滑周期和應(yīng)力降的影響，實(shí)驗(yàn)中實(shí)現(xiàn)了3次變速，統(tǒng)計(jì)了不同加載速率下黏滑事件的發(fā)生頻率，0.1μm/s、0.5μm/s和 1μm/s下分別為 8.64 次/h、66.96 次/h 和 189 次/h。以上結(jié)果表明:加載速率越大，黏滑的周期越小。同時(shí)從圖2中也可看出，加載速率越大，應(yīng)力降越小。

圖2 差應(yīng)力-時(shí)間曲線(a)、Y向位移-時(shí)間曲線(b)和聲發(fā)射累積數(shù)-時(shí)間曲線(c)Fig.2 Variation of differential stress curve(a)，DY-time curve(b)and accumulated number of AE events-time curve(c).

2.2 聲發(fā)射時(shí)空演化特征

2.2.1 聲發(fā)射事件的相對(duì)能級(jí)分布和空間分布

圖3a給出了第4階段(參見圖2)的6次黏滑事件(ⅰ～ⅵ號(hào))所對(duì)應(yīng)的聲發(fā)射相對(duì)能級(jí)-時(shí)間分布圖。對(duì)于一個(gè)黏滑過(guò)程來(lái)說(shuō)，積累階段有多次聲發(fā)射事件產(chǎn)生，除ⅱ號(hào)黏滑事件在積累階段有一個(gè)能級(jí)＞14級(jí)外，其他5次事件在積累階段的聲發(fā)射能級(jí)都相對(duì)較小。對(duì)于每次黏滑事件來(lái)說(shuō)，與失穩(wěn)事件相對(duì)應(yīng)的只有1～2次聲發(fā)射事件，且能級(jí)較積累階段的各次聲發(fā)射事件的都要大。

圖3 第4階段(參見圖2)的聲發(fā)射能級(jí)-時(shí)間過(guò)程及對(duì)應(yīng)的差應(yīng)力-時(shí)間曲線(a)和可定位的聲發(fā)射事件的空間分布圖(b)Fig.3 Magnitude-time curve and differential stress-time curve(a)at the fourth stage(refer to Fig.2)and the spatial distribution of AE events which can be located(b).

圖3b給出了所有可定位的聲發(fā)射事件的空間分布圖，由于預(yù)切斷層的存在，聲發(fā)射事件主要分布在斷層周圍。對(duì)于單獨(dú)的一個(gè)聲發(fā)射事件來(lái)說(shuō)，可以最少通過(guò)5個(gè)聲發(fā)射探頭記錄的波形(如圖4，b)，識(shí)別其到時(shí)來(lái)計(jì)算該次聲發(fā)射發(fā)生的位置。對(duì)于拐折斷層來(lái)說(shuō)，聲發(fā)射事件主要集中在3個(gè)區(qū)域:上斷層的中部、拐點(diǎn)附近及下斷層的中下部。且不同部位的聲發(fā)射事件的數(shù)目不同，下斷層的聲發(fā)射事件數(shù)目多，能級(jí)大;拐折附近的數(shù)目少，能級(jí)較小;而上斷層的數(shù)目最少，能級(jí)較大和較小的事件均有分布。

2.2.2 一個(gè)周期性黏滑過(guò)程中聲發(fā)射的發(fā)生次序

在分析了多個(gè)周期性的黏滑過(guò)程后，圖4以發(fā)生在6045～6110s的一個(gè)黏滑過(guò)程為例(事件發(fā)生時(shí)間見圖2標(biāo)M字符的位置，以下簡(jiǎn)稱M事件)，揭示聲發(fā)射事件的相對(duì)能級(jí)-時(shí)間過(guò)程及相應(yīng)的6個(gè)聲發(fā)射事件的波形圖。

由圖4a可見，M黏滑過(guò)程中共發(fā)生了8次聲發(fā)射事件，在失穩(wěn)前密集地出現(xiàn)了5次聲發(fā)射事件(Ⅰ～Ⅴ號(hào))。圖4b給出了Ⅰ～Ⅵ號(hào)事件對(duì)應(yīng)的波形圖。由圖可見，Ⅰ號(hào)和Ⅱ號(hào)事件在探頭4到時(shí)最早，說(shuō)明微破裂事件發(fā)生在拐點(diǎn)附近。Ⅲ號(hào)和Ⅳ號(hào)事件在探頭5到時(shí)最早，說(shuō)明微破裂事件發(fā)生在下斷層的中上部。Ⅴ號(hào)事件在探頭2到時(shí)最早，說(shuō)明微破裂事件發(fā)生在上斷層的中上部。Ⅵ號(hào)事件對(duì)應(yīng)的是大失穩(wěn)事件，6號(hào)探頭到時(shí)最早，說(shuō)明失穩(wěn)事件開始于下斷層的中下部。以上聲發(fā)射發(fā)生的順序表明，斷層失穩(wěn)錯(cuò)動(dòng)前的微破裂事件，首先在拐點(diǎn)附近發(fā)生，隨后交替地出現(xiàn)在上斷層段和下斷層段上，最終失穩(wěn)發(fā)生在下斷層段上。聲發(fā)射的這種遷移現(xiàn)象在其他事件過(guò)程中屢屢見到(如5355—5380s的事件等)，不一一列舉。

失穩(wěn)前的各次微破裂事件對(duì)應(yīng)的波形振幅都未溢出，而失穩(wěn)事件對(duì)應(yīng)的波形振幅已經(jīng)溢出，說(shuō)明失穩(wěn)事件釋放的能量比前面發(fā)生的微破裂大得多，MAE-t圖 (圖4a)也充分表明了這一點(diǎn)。

圖4 發(fā)生在6045—6110s的M黏滑過(guò)程的差應(yīng)力-時(shí)間曲線和聲發(fā)射能級(jí)-時(shí)間分布圖(a)以及Ⅰ～Ⅵ號(hào)事件對(duì)應(yīng)的聲發(fā)射波形圖(b)Fig.4 Differential stress-time curve and magnitude-time curve of the M stick-slip event which occurred in 6045-6110s and the map of AE waveforms corresponding toⅠ～Ⅵ events.

2.3 一個(gè)周期性黏滑過(guò)程中平均應(yīng)變和最大剪應(yīng)變的時(shí)空演化

對(duì)于一個(gè)單獨(dú)的應(yīng)變組，實(shí)驗(yàn)中α=β=45°，根據(jù)公式(1)可得出各應(yīng)變組的平均應(yīng)變和最大剪應(yīng)變。平均應(yīng)變相對(duì)增加時(shí)，樣品處于擠壓加大狀態(tài);相對(duì)減小時(shí)，處于拉張?jiān)龃鬆顟B(tài)。

在分析了32個(gè)應(yīng)變組在6045—6110s的M黏滑事件變化特征的基礎(chǔ)上，圖5給出了沿?cái)鄬臃植嫉牡?個(gè)應(yīng)變組的平均應(yīng)變和最大剪應(yīng)變的時(shí)間演化過(guò)程。選取差應(yīng)力-時(shí)間曲線上變化突出的位置，把時(shí)間劃分為0A、AB、BC、CD和DE 5個(gè)階段。由圖5a可以看出，在0A階段，拐點(diǎn)附近的9和10號(hào)應(yīng)變組的平均應(yīng)變比較平穩(wěn)，略有下降;而拐點(diǎn)兩側(cè)斷層段上的8和11號(hào)應(yīng)變組的平均應(yīng)變上升。在AB階段，9和10號(hào)的平均應(yīng)變轉(zhuǎn)為上升，并保持到B時(shí)刻;上下斷層段的平均應(yīng)變開始出現(xiàn)差別，上斷層段(11號(hào))的平均應(yīng)變?nèi)匀辉黾?，而下斷層?8號(hào))首先在F(6096.885s)時(shí)刻平均應(yīng)變達(dá)到最大值，隨后緩慢下降，在G(6101.785s)時(shí)刻后轉(zhuǎn)陡降。BC階段是一個(gè)變化劇烈的階段，B時(shí)刻后拐點(diǎn)附近(9，10號(hào))和上斷層段(11號(hào))的平均應(yīng)變都出現(xiàn)突降，而下斷層段(8號(hào))的平均應(yīng)變由陡降轉(zhuǎn)平。經(jīng)過(guò)CD階段的波動(dòng)后在D點(diǎn)出現(xiàn)失穩(wěn)。AB段變化比較復(fù)雜，又根據(jù)應(yīng)變曲線的變化，增加了F點(diǎn)和G點(diǎn)。由圖可見，平均應(yīng)變的變化開始于F點(diǎn)，空間上開始于下斷層段。

與圖5a各階段對(duì)應(yīng)，最大剪應(yīng)變 (圖5b)在失穩(wěn)前也相應(yīng)的分為5個(gè)階段:0A'、A'B'、B'C'、C'D'和D'E'階段。在0A'階段，拐點(diǎn)附近和斷層段的測(cè)點(diǎn)最大剪應(yīng)變均保持增加，下斷層段(8號(hào))增加速率大于上斷層段(11號(hào))。A'B'階段，拐點(diǎn)附近的32和9號(hào)轉(zhuǎn)折下降，隨后又拐平。其中，32號(hào)較早開始下降，且變化幅度較大。上斷層段(11號(hào))上變化較小，下斷層段(8號(hào))的最大剪應(yīng)變?cè)谂R近B'點(diǎn)時(shí)出現(xiàn)小幅波動(dòng)。B'C'階段拐點(diǎn)附近(9和32號(hào))最大剪應(yīng)變?cè)黾?，下斷層?8號(hào))增大，上斷層段(11號(hào))下降。經(jīng)過(guò)C'D'階段的波動(dòng)后在D'點(diǎn)最大剪應(yīng)變均快速下降。在AB階段中，最大剪應(yīng)變變化開始于F點(diǎn)前，位置在拐點(diǎn)附近的32號(hào)。

圖5 發(fā)生在6045—6110s的M黏滑過(guò)程中差應(yīng)力-時(shí)間曲線及平均應(yīng)變(a)和最大剪應(yīng)變(b)的時(shí)間變化過(guò)程Fig.5 Differential stress-time curve，mean strain-time curve(a)and maximum shear strain-time curve(b)of the M stick-slip occurring in 6045-6110s.

幾條曲線尚不足以說(shuō)明應(yīng)變場(chǎng)的變化，為了進(jìn)一步研究平均應(yīng)變和最大剪應(yīng)變?cè)诓煌A段的空間演化過(guò)程，選取應(yīng)變積累階段0A和失穩(wěn)階段DE全部測(cè)點(diǎn)的資料分析平均應(yīng)變和最大剪應(yīng)變的增量場(chǎng)(圖6)。在0A階段，隨著差應(yīng)力的增大，平均應(yīng)變?cè)谠嚇拥拇蟛糠謪^(qū)域表現(xiàn)為增大(擠壓)，唯有被動(dòng)盤上拐點(diǎn)右下側(cè)出現(xiàn)強(qiáng)烈減小(拉張)，在其右側(cè)又是相對(duì)擠壓區(qū) (圖6a)，這說(shuō)明拐點(diǎn)附近應(yīng)變場(chǎng)的分布十分復(fù)雜，局部拉張明顯。在失穩(wěn)前后(DE階段)，平均應(yīng)變?cè)隽繄?chǎng)與0A階段有明顯差別(圖6b)。沿?cái)鄬悠骄鶓?yīng)變普遍減小;0A階段拐點(diǎn)右下側(cè)的平均應(yīng)變下降區(qū)變?yōu)樵黾訁^(qū);而主動(dòng)盤上拐點(diǎn)左上側(cè)出現(xiàn)平均應(yīng)變急劇減小區(qū)。這個(gè)事實(shí)說(shuō)明在失穩(wěn)階段，斷層上積累的應(yīng)變能伴隨著斷層的錯(cuò)動(dòng)而釋放。此外，在此階段拐點(diǎn)附近平均應(yīng)變發(fā)生了急劇變化。拐點(diǎn)內(nèi)側(cè)平均應(yīng)變由應(yīng)變積累期的遞增轉(zhuǎn)變?yōu)獒尫牌诘亩附?，而拐點(diǎn)外側(cè)由遞減轉(zhuǎn)變?yōu)榫徳觥?/p>

圖60A和DE階段平均應(yīng)變(a)、(b)和最大剪應(yīng)變(c)、(d)的增量圖Fig.6 Increment of average strain(a)(b)and maximum shear strain(c)(d)in the 0A and DE stages.

最大剪應(yīng)變?cè)隽繄?chǎng)與此類似。從圖6c中看出，在0A'階段，最大剪應(yīng)變?cè)谠嚇拥拇蟛糠謪^(qū)域均表現(xiàn)為增大，斷層上的增量大于非斷層區(qū)。最令人矚目的是拐點(diǎn)附近的應(yīng)變集中現(xiàn)象，拐點(diǎn)內(nèi)側(cè)最大剪應(yīng)變負(fù)增量最大，而外側(cè)正增量最大。斷層失穩(wěn)錯(cuò)動(dòng)后(圖6d)，斷層上最大剪應(yīng)變釋放，與此同時(shí)，拐點(diǎn)的內(nèi)側(cè)出現(xiàn)了一個(gè)最大剪應(yīng)變?cè)隽繀^(qū)。

2.4 臨失穩(wěn)階段平均應(yīng)變和最大剪應(yīng)變的演化過(guò)程

前面討論的是比較平穩(wěn)的應(yīng)變積累階段和釋放階段的變化情況。在斷層失穩(wěn)錯(cuò)動(dòng)前(AB和BC階段)，沿?cái)鄬臃植嫉?個(gè)應(yīng)變組的平均應(yīng)變和最大剪應(yīng)變出現(xiàn)了復(fù)雜的變化 (圖5)，這里嘗試討論一下這兩階段內(nèi)平均應(yīng)變和最大剪應(yīng)變的演化過(guò)程。由圖5可見，平均應(yīng)變?cè)贕B段(如8號(hào))和BC段(如9、10和11號(hào))變化較大;最大剪應(yīng)變?cè)贔'G'段(如32號(hào))和B'C'段(如11號(hào))變化較大。接下來(lái)著重研究這3個(gè)時(shí)段的應(yīng)變?cè)隽繄?chǎng)。

在GB階段，平均應(yīng)變?cè)谌嬖黾拥谋尘跋?，下斷層段?號(hào)點(diǎn)首先釋放，表現(xiàn)為應(yīng)變負(fù)增量 (圖5a，7a);在BC階段，平均應(yīng)變?cè)?號(hào)維持不變，拐點(diǎn)附近的9和10號(hào)點(diǎn)以及上斷層段的11號(hào)點(diǎn)隨后釋放(圖5a，7b)。以上現(xiàn)象說(shuō)明，在整個(gè)斷層段平均應(yīng)變大釋放的基礎(chǔ)上，迎來(lái)了斷層的整體失穩(wěn)錯(cuò)動(dòng)(圖5a，6b)。

圖7 3個(gè)特殊時(shí)段平均應(yīng)變和最大剪應(yīng)變的增量圖Fig.7 Increment of mean strain and maximum shear strain in 3 special stages.

在F'G'階段，最大剪應(yīng)變?cè)谌嬖鰪?qiáng)的基礎(chǔ)上，拐點(diǎn)右下側(cè)(32號(hào))首先出現(xiàn)負(fù)增量 (圖7c)，隨后又變?yōu)橄聜?cè)應(yīng)變積累，上側(cè)釋放(9號(hào))(圖7d)。這說(shuō)明失穩(wěn)前最大剪應(yīng)變的變化十分復(fù)雜。

從應(yīng)變的積累和釋放過(guò)程看，產(chǎn)生失穩(wěn)錯(cuò)動(dòng)的應(yīng)變條件是:1)在錯(cuò)動(dòng)前，斷層上不同部位的平均應(yīng)變先后下降，斷層上壓力相對(duì)減小;2)最大剪應(yīng)變?cè)诠拯c(diǎn)附近交替積累和釋放。

3 結(jié)論

(1)加載速率對(duì)黏滑事件的周期、應(yīng)力降及聲發(fā)射數(shù)目的影響。在一定的加載速率下，黏滑事件存在準(zhǔn)周期性。在高加載速率下，黏滑事件的周期短，應(yīng)力降小;而在低加載速率下，黏滑事件的周期長(zhǎng)，應(yīng)力降大。一般情況下，黏滑事件的周期隨著加載速率的減小呈非線性地增大。

(2)黏滑過(guò)程中聲發(fā)射事件的時(shí)空強(qiáng)分布。拐折斷層上聲發(fā)射的時(shí)間分布有明顯的規(guī)律:一個(gè)周期性黏滑過(guò)程可以分為應(yīng)變能的積累階段和釋放階段，積累階段內(nèi)的聲發(fā)射事件多、能級(jí)小;斷層失穩(wěn)錯(cuò)動(dòng)伴隨著高能級(jí)的聲發(fā)射事件發(fā)生。以上特點(diǎn)表明，積累階段應(yīng)變能慢速積累，此階段僅有小部分能量以聲發(fā)射的形式釋放。進(jìn)入釋放階段后，應(yīng)變能主要通過(guò)斷層的失穩(wěn)錯(cuò)動(dòng)而釋放。

拐折斷層上聲發(fā)射的分布主要集中在3個(gè)部位:拐折部位周圍、上斷層中部和下斷層中下部。從聲發(fā)射事件的數(shù)目和能級(jí)來(lái)看，下斷層的聲發(fā)射事件最多，能級(jí)最大;拐折部位事件較多，但能級(jí)較小;而上斷層的事件最少，能級(jí)有大有小，但以能級(jí)小的居多。拐點(diǎn)往往是錯(cuò)動(dòng)的起點(diǎn)或終點(diǎn)，大事件主要發(fā)生在與驅(qū)動(dòng)力夾角較大的下斷層段上。

(3)失穩(wěn)前拐點(diǎn)兩側(cè)斷層段的交替活動(dòng)。伴隨斷層失穩(wěn)的高能級(jí)聲發(fā)射發(fā)生前，往往會(huì)出現(xiàn)若干次小事件。AE的到時(shí)顯示了這些小事件的遷移規(guī)律:事件往往開始于拐折部位，隨后在下斷層和上斷層間發(fā)生一次或幾次交替，最終的高能級(jí)事件發(fā)生在下斷層段。這種遷移特點(diǎn)表明拐折斷層在最大失穩(wěn)事件前存在一個(gè)應(yīng)變調(diào)整的過(guò)程。該過(guò)程預(yù)示著失穩(wěn)的臨近，而在調(diào)整過(guò)程中，拐折部位成為一個(gè)關(guān)鍵部位。

(4)平均應(yīng)變和最大剪應(yīng)變的時(shí)空演化過(guò)程和失穩(wěn)錯(cuò)動(dòng)的條件。隨著應(yīng)變積累和釋放，平均應(yīng)變的高增值區(qū)在拐點(diǎn)內(nèi)外交替出現(xiàn)增減，最大剪應(yīng)變的高增值區(qū)在拐點(diǎn)附近交替。臨近失穩(wěn)時(shí)，拐點(diǎn)附近應(yīng)變變化劇烈。平均應(yīng)變?cè)诠拯c(diǎn)和斷層段的先后減小可能是斷層失穩(wěn)的必要條件。

4 討論

存在5°拐折的條件下，上下斷層段與主壓應(yīng)力的夾角分別為42.5°和47.5°，前者較后者易于錯(cuò)動(dòng)，后者比前者積累更多的應(yīng)變能。在區(qū)域應(yīng)力增強(qiáng)的條件下，上斷層先達(dá)到錯(cuò)動(dòng)的條件。上斷層的錯(cuò)動(dòng)促進(jìn)了拐點(diǎn)和下斷層的應(yīng)變積累，拐點(diǎn)的應(yīng)變積累又促進(jìn)了下斷層的錯(cuò)動(dòng)和拐點(diǎn)的應(yīng)變釋放。在應(yīng)變積累和斷層錯(cuò)動(dòng)的交替中，拐點(diǎn)成為控制上下斷層錯(cuò)動(dòng)的制動(dòng)單元。從應(yīng)變?cè)隽繄?chǎng)看，拐折部位應(yīng)變最高，變化最大。在應(yīng)變積累和釋放階段，平均應(yīng)變的最大增量在拐點(diǎn)內(nèi)、外側(cè)出現(xiàn)交替增減，最大剪應(yīng)變的增量極值在拐點(diǎn)上下變換。因此，一個(gè)黏滑過(guò)程中，隨著應(yīng)變的積累和釋放，平均應(yīng)變和最大剪應(yīng)變的增量極值表現(xiàn)出在拐點(diǎn)上下側(cè)交替活動(dòng)的特點(diǎn)。

在野外不可能實(shí)現(xiàn)對(duì)地震斷層的全變形過(guò)程觀測(cè)，斷層往往處于黏滑周期的某一加載階段。在實(shí)驗(yàn)室研究的基礎(chǔ)上，開展野外現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)，有利于了解該斷層所處變形階段，識(shí)別失穩(wěn)前兆。

實(shí)驗(yàn)中加載速率越低，黏滑的周期越長(zhǎng)，應(yīng)力降越大。在自然界的條件下，地震斷層的滑動(dòng)速率更低，斷層帶內(nèi)的物質(zhì)有較長(zhǎng)的時(shí)間進(jìn)行物理、化學(xué)愈合，同時(shí)能夠積累更多的應(yīng)變能。因此，斷層一旦失穩(wěn)，其規(guī)模更大，震級(jí)也更高。

從一個(gè)黏滑事件的積累和釋放的過(guò)程中，看到在大失穩(wěn)前，沿?cái)鄬拥钠骄鶓?yīng)變先后下降(圖6b，7b)。這是否意味著在錯(cuò)動(dòng)前，拐折斷層上發(fā)生過(guò)一個(gè)全面松動(dòng)的過(guò)程，而這個(gè)松動(dòng)是造成斷層全面錯(cuò)動(dòng)的條件?值得進(jìn)一步研究。

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AN EXPERIMENTAL STUDY OF EVOLUTION OF PHYSICAL FIELD AND THE ALTERNATIVE ACTIVITIES DURING STICK-SLIP OF 5°BEND FAULT

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

The spatial-temporal evolution process of strain field and acoustic emission(AE)events was investigated during the deformation of 5°bend faults，with 96-channels strain acquisition system and 16-channels distributed AE acquisition system in the laboratory.The loading was applied by controlling the Y-displacement and holding the X-load in a biaxial servo-control loading system，and the Y-loading rate was altered by 0.5μm/s，1μm/s，0.5μm/s and 0.1μm/s in sequence.The observation results show that:(1)quasi-periodic stick-slip always occurred under different loading rates，and the smaller the loading rate，the greater the period and stress drop;(2)low energy AE events increased before faults slid，but high energy AE events appeared as faults slid.AE events distributed near the bends and the upper and lower fault segments which were located by arrival time of AE wave.From the AE location results，AE sources mostly scattered in bend zones，and upper and lower fault segments，and the fault instability appeared first near bend point，then the alternative activities happened between upper and lower fault segments.Large instability took place in the lower fault segment，finally;(3)High strain concentration zone located near bend point and fault segment.And it is significantly different that mean strain and maximum shear strain increment changed alternately at the inside and outside of bend during strain accumulation and release stage;(4)Strain observation results illustrate that mean strain release first occurred near the bend，then released in the whole fault.It would be a critical instability condition for a bend fault.The observation to bend faults is important and helpful to investigate fault activity state.

bend fault，acoustic emission，strain field，alternative activities of fault

P313

A

0253-4967(2011)02-0356-13

10.3969/j.issn.0253-4967.2011.02.009

2010-11-28收稿，2011-04-21改回。

國(guó)家自然科學(xué)基金(40872129)和國(guó)家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃課題(2004CB418405)共同資助。

云龍，男，1985年生，2008年畢業(yè)于中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(北京)工程技術(shù)學(xué)院，現(xiàn)為中國(guó)地震局地質(zhì)研究所碩士研究生，主要研究方向?yàn)楣照蹟鄬拥奈锢韴?chǎng)演化特征，電話:010-62009076，E-mail:yunl 1985@126.com。