馬 瑾 郭彥雙

(中國地震局地質(zhì)研究所，地震動力學(xué)國家重點實驗室，北京 100029)

0 引言

近年來強(qiáng)烈地震對人類造成的危害使人們對提供地震危險性信息的期望增高。然而“預(yù)期的地震姍姍來遲，沒有預(yù)測的地震不期而至”(張國民，2013)的局面經(jīng)常發(fā)生。2004年12月蘇門答臘MW9.1地震發(fā)生后，2005年中國地震局的會商會上，人們從地球動力學(xué)條件出發(fā)達(dá)成共識，南北帶要發(fā)生強(qiáng)烈地震，并把它作為危險區(qū)加強(qiáng)了研究和監(jiān)視。然而，3年多過去了，預(yù)期的地震沒有發(fā)生。2008年的會商會上，因為看不到地震活動加強(qiáng)的跡象，有些人認(rèn)為預(yù)期的強(qiáng)震可能不會發(fā)生了，就在認(rèn)定當(dāng)年的年度震級水平較低時，汶川地震不期而至。其原因在于對地震的判斷是“可能或不可能”，而不是“是與否”，沒有判定哪條斷層真正進(jìn)入必震階段，也不知道什么時候會發(fā)震。

人類對地震的了解和記錄的歷史太短，對地震活動規(guī)律了解不多。近30年來一些斷層上地震準(zhǔn)周期性和特征震級現(xiàn)象被提出(Fedotov et al.，1971;Shimazaki et al.，1980;Nishenko，1991)，成為地震長期預(yù)報的一條主要根據(jù)。人們覺得可以利用它來預(yù)測未來地震的時間，但實際情況并非如此。根據(jù)日本東海地區(qū)1707年和1845年先后發(fā)生7級以上強(qiáng)震，相隔138a，日本科學(xué)家1978年推測日本東海地區(qū)隨時可能發(fā)生7級以上地震(Mogi，1981;Matsumura，1997;日本地震學(xué)會地震予知檢討委員會，2007)。30多年過去了，至今東海地區(qū)也沒有發(fā)生地震。美國加州Parkfield地區(qū)1857年至2004年共發(fā)生6次6級左右的地震，最大時間間隔38a，最小間隔12a，平均間隔22a。最大誤差為 +45%～－72%。1984年有學(xué)者發(fā)布長期預(yù)測，1993年前 Parkfield 會發(fā)生 6級左右地震(Schiwartz et al.，1984;Bakun et al.，1985;Shearer，1985;Ben-zion et al.，1993)，結(jié)果地震發(fā)生在2004年，誤差11a。類似的例子還有很多，這告訴我們一個事實，雖然利用地震的準(zhǔn)周期性可以用來分析長期的地震形勢，然而這種預(yù)測在時間上存在不確定性。我們做過相關(guān)實驗，在保持驅(qū)動力的方式和速率一致，以及實驗標(biāo)本和斷層面一致的實驗室條件下，得到準(zhǔn)周期性的斷層粘滑，周期誤差為5%～11%。按照300a的周期計算，誤差在15～33a。地震的發(fā)生時間間隔受到很多因素的影響，其中最重要的是，斷層不是孤立的，一條斷層只是塊體的一個邊界，它的運(yùn)動受塊體其他邊界共同控制。對于地殼運(yùn)動來說，地震周期的這種誤差微不足道，但對于人類要減輕地震災(zāi)害而言，這個誤差不可接受。何況自然界的誤差會遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過實驗室的誤差。因此，如何縮短對地震發(fā)生時間推測的誤差，如何判斷斷層上發(fā)生地震的部位是改進(jìn)對此類地震研究和預(yù)測的重要問題。

在地震發(fā)生后，往往會有不少人總結(jié)出若干地震“前兆”現(xiàn)象，并用以對以后地震的預(yù)測。但遺憾的是在后來發(fā)生的地震之前并沒有出現(xiàn)類似的“前兆”，卻出現(xiàn)一些別的現(xiàn)象。能不能找到地震前必然會出現(xiàn)的診斷性前兆?人們?yōu)閷ふ疫@類前兆進(jìn)行過很多工作，幾乎包括了所有被人們提到過的包括地形變、地下水、地震活動性、地磁、地電、重力等方面的前兆，但是真正被確認(rèn)的診斷性前兆很少(Wyss，1991，1997;陳運(yùn)泰，2009;Beroza et al.，2009;Cicerone et al.，2009;Johnson，2009)。一個地方發(fā)生地震前可能出現(xiàn)什么樣的前兆與當(dāng)?shù)氐牡刭|(zhì)背景以及應(yīng)力場條件密切相關(guān)，從另一個角度說，一條斷層發(fā)生強(qiáng)震后，應(yīng)力場就會出現(xiàn)相應(yīng)變化，后面的地震發(fā)生前所出現(xiàn)的前兆就可能與前面的地震不同。這可能就是尋找共同的診斷性前兆的困難所在。盡管地震預(yù)測很難，但研究工作不能停止或放棄(陳運(yùn)泰，2009)。

長、中、短、臨的地震預(yù)報概念在地震界廣為應(yīng)用，但是劃分這幾個階段的標(biāo)準(zhǔn)卻比較模糊，沒有一個明確的判定標(biāo)準(zhǔn)。由于不同斷層的復(fù)發(fā)周期不同，在相同的時間尺度上，它們的現(xiàn)象可以很不相同。在應(yīng)力－應(yīng)變曲線上，亞失穩(wěn)階段開始于峰值應(yīng)力點，結(jié)束于失穩(wěn)點，是失穩(wěn)前的關(guān)鍵時段(馬瑾等，2012)。對于一些復(fù)發(fā)周期很長的斷層來說，亞失穩(wěn)階段可以超過1a，而對另一些復(fù)發(fā)周期很短的斷層，1a可能代表了1%～10%的周期，其中包含偏離線性階段、亞失穩(wěn)階段以及失穩(wěn)的轉(zhuǎn)化過程。由此可見，與其從時間尺度討論地震發(fā)生的危險性，還不如用斷層所處的應(yīng)力狀態(tài)來討論更為科學(xué)。關(guān)鍵問題是如何把場上的信息與應(yīng)力－應(yīng)變－時間過程的關(guān)鍵時刻連接。

依靠在實驗室便于對壓機(jī)信息和場上物理量的觀測信息進(jìn)行對比的優(yōu)勢，利用多物理場的觀測結(jié)果，尋找亞失穩(wěn)階段的特點，開展過溫度場、斷層位移場、應(yīng)變場等的觀測研究。幾種不同的實驗結(jié)果(馬瑾等，2012;任雅瓊等，2013;卓燕群等，2013;劉遠(yuǎn)征等，2014)共同證明:分析標(biāo)本和區(qū)域整體應(yīng)力狀態(tài)不能從單個臺站出發(fā)，而是要從變形場的整體演化出發(fā);斷層的失穩(wěn)錯動是由斷層各個部位獨立活動向協(xié)同活動的轉(zhuǎn)化過程。在斷層協(xié)同作用達(dá)到一定程度后進(jìn)入亞失穩(wěn)階段;應(yīng)力－時間曲線上偏離線性階段就已經(jīng)是應(yīng)力釋放的開始，這時斷層上開始出現(xiàn)孤立的弱化斷層點，并逐步增多。在亞失穩(wěn)階段應(yīng)力釋放逐步占據(jù)優(yōu)勢，協(xié)同作用加速，并趨于完成。

臨失穩(wěn)的前兆是地震研究的焦點之一，上述研究對理解斷層和地震的機(jī)理以及分析地震前兆有重要意義。斷層應(yīng)力釋放在應(yīng)力－應(yīng)變曲線偏離線性時就已經(jīng)開始，并隨時間逐漸增強(qiáng)。如何區(qū)別不同變形階段的釋放特點，如何確認(rèn)必震信息，以及如何把這些研究結(jié)果與分析實際地震前兆相結(jié)合是一個非常重要的科學(xué)問題。以下通過實驗結(jié)果和野外觀測結(jié)果對以上問題進(jìn)行討論。

1 實驗條件

1.1 實驗標(biāo)本與測點布局

實驗標(biāo)本為300mm×300mm×50mm的房山花崗閃長巖，在標(biāo)本上沿對角線方向切一條平直斷層。應(yīng)變的分辨率為1με，采樣速率為100Hz。考慮到垂直斷層方向應(yīng)變梯度很大，用距離斷層不同的應(yīng)變片進(jìn)行觀測，其結(jié)果可以有很大的差別。一組應(yīng)變花中不同應(yīng)變片與斷層的距離實際存在差別，在計算應(yīng)變張量時存在權(quán)重不同的問題，以下嚴(yán)格采用與斷層等距離的平行斷層應(yīng)變片和垂直斷層的應(yīng)變片進(jìn)行分析。平行斷層貼了30個應(yīng)變片，垂直斷層有14個應(yīng)變片分別記錄平直斷層粘滑失穩(wěn)過程中平行斷層方向和垂直斷層方向的應(yīng)變隨時間的變化。利用這組觀測結(jié)果分析斷層亞失穩(wěn)階段的變化特點(圖1)。應(yīng)變片縮短(擠壓應(yīng)變)為正，伸長(拉張應(yīng)變)為負(fù)。以下顯示的是在標(biāo)本變形過程中應(yīng)變片記錄的所在位置縮短和伸長的原始數(shù)據(jù)。

1.2 加載條件

實驗在壓力、位移可控的雙向伺服壓機(jī)上進(jìn)行。實驗中X方向的壓力保持不變(5MPa)。Y方向按位移控制方式加載，位移速率保持不變(0.1μm/s)。差應(yīng)力－時間的全過程見圖2。圖中用字母分別標(biāo)出應(yīng)力曲線中的關(guān)鍵變形階段及其時刻。L—M為線性變形階段，M—O為偏離線性階段，其中N—O為強(qiáng)偏離線性階段。O是峰值應(yīng)力，OAB是亞失穩(wěn)階段，OA是準(zhǔn)靜態(tài)釋放階段，AB2是準(zhǔn)動態(tài)釋放階段，B2點后進(jìn)入失穩(wěn)階段。

1.3 應(yīng)變曲線

從粘滑全過程的差應(yīng)變曲線看(圖3)，在開始階段平行和垂直斷層方向的所有測點應(yīng)變都在積累(擠壓為正)，分別把平行斷層和垂直斷層的應(yīng)變用SS和NS表示。在應(yīng)力時間曲線偏離線性后(約500s時)，不同部位的應(yīng)變變化開始分異。有的部位加速擠壓，有的部位轉(zhuǎn)向松弛(拉張為負(fù));平行斷層的應(yīng)變總變化幅度較大，在0～65με之間，垂直斷層的應(yīng)變變化幅度較小，在0～35με之間。除兩端(測點1和14)擠壓較大外，大多數(shù)測點應(yīng)變變化均在0～20με之間，測點間應(yīng)變的顯著差異出現(xiàn)較晚。沿走向的應(yīng)變大于垂直斷層的應(yīng)變。

圖1 實驗標(biāo)本與應(yīng)變片分布Fig.1 Specimen structure，loading way and arrangement of strain gauges.

圖2 差應(yīng)力－時間過程(a)與變形后期階段的放大圖(b)Fig.2 (a)Differential stress versus time and(b)enlarged meta-instable stage.

2 實驗室中亞失穩(wěn)階段平行斷層和垂直斷層的應(yīng)變變化特點

在大約660s后，應(yīng)力－時間曲線接近強(qiáng)偏離線性階段，取660s時刻的應(yīng)變數(shù)值歸0，以突出在亞失穩(wěn)階段不同部位的增量變化。

從壓機(jī)記錄的應(yīng)力曲線上看，標(biāo)本變形有N，O，A以及B1和B2幾個關(guān)鍵時刻(圖2)。壓機(jī)的應(yīng)力－時間曲線的變化代表的是標(biāo)本所有部位變化的總和，而標(biāo)本不同部位的變形過程不盡相同。以下對照應(yīng)力記錄的關(guān)鍵時刻對不同測點的應(yīng)變觀測結(jié)果進(jìn)行分析(圖4)。

總體上看，實驗在660s后斷層不同部位沿走向應(yīng)變的過程可以分為2類4段:測點1～8和21～24類似，測點9～19與25～30類似。

在斷層上段(1～8)表現(xiàn)為擠壓應(yīng)變緩升—加速以及臨近失穩(wěn)的突升—反向—失穩(wěn)的過程。在N時刻觀測到曲線7，6擠壓速率增大，O時刻擠壓速率進(jìn)一步加大，A時刻觀測到相鄰曲線4與5之間的間距縮小，B1時刻曲線3，2，1接近垂直上升，B2時刻全面失穩(wěn)，應(yīng)力降大。測點1，2失穩(wěn)滯后于4，5測點0.2～0.3s，應(yīng)力降小。測點7，6開始釋放之時，是測點5，4加速積累之時;而測點5開始釋放之時，又是測點4，3，2加速積累之時。由此可見，測點間的擠壓應(yīng)變沿斷層傳遞，傳遞速度在應(yīng)力峰值后加速(圖4a)，為便于比較，把9，10點的曲線也置于圖中。

在斷層中段(9～19)，應(yīng)變表現(xiàn)為緩升(9～13)或不升(14～19)，緩降至突降，反向以及臨失穩(wěn)時的突升—再失穩(wěn)的過程。其中測點19沒有反向—突升—再失穩(wěn)的過程。強(qiáng)偏離線性時刻N(yùn)是測點9～13由擠壓積累轉(zhuǎn)為釋放的時刻。O時刻較多測點參與下降，A時刻，許多測點都開始加速釋放，測點19最明顯。B1時刻，除19點外多數(shù)測點到達(dá)最低點，然后折返上升，B2時刻，到達(dá)峰值后失穩(wěn)(圖4b)。

在斷層下段又可分為上、下兩部分:下段的下部(25～30)與中段(14～19)類似，表現(xiàn)為緩降—陡降，而且一直沒有回升，直到失穩(wěn)時才恢復(fù)。與此相反，斷層下段上部(21～24)與上段(1～8)類似，表現(xiàn)為緩升—加速—突升—反向—失穩(wěn)的過程(圖4c)。

圖3 沿斷層不同測點平行(SS)(a)和垂直(NS)(b)斷層走向的應(yīng)變隨時間的變化Fig.3 Strain changes at measurement points along(SS)(a)and perpendicular to(NS)fault with time(b).

失穩(wěn)前不同部位的變化幅度也不相同:上段變化幅度最大(上升量可達(dá)0～37με)，與之變化類似的下段上部上升量最大為12με;下段下降量較大，可達(dá)－25με;中段變化幅度最小，增減幅度都在5～6με之間。相鄰測點間應(yīng)變變化的順序在不同段落的表現(xiàn)也不相同。初期階段各測點均觀測到擠壓增大，在變形程度增大后，出現(xiàn)差異。

垂直斷層走向的應(yīng)變變化比較簡單，失穩(wěn)前的變化幅度也不大(在－10～+20με之間)。以下分別描述幾個斷層段的應(yīng)變變化曲線(圖5)。上斷層段(紅線)擠壓應(yīng)變增大，下斷層段擠壓應(yīng)變減小(藍(lán)線)，中斷層段變化較小(細(xì)黑線)。在時刻N(yùn)上斷層段從4點開始由積累轉(zhuǎn)為釋放，它的釋放使相鄰的3點加速積累，然后依次應(yīng)變傳遞到1點。中斷層段的測點應(yīng)變緩慢轉(zhuǎn)為下降;A時刻在上斷層段的應(yīng)變傳遞明顯加速，在中、下斷層段應(yīng)變釋放加速?？傊琒S的低值區(qū)與NS的低值區(qū)位置相符。與平行斷層相鄰測點間應(yīng)變逐漸傳遞式的變化不同，垂直斷層相鄰測點間的應(yīng)變轉(zhuǎn)變比較突然，可能由于測點間距較大，不能很好地反映所致。

3 亞失穩(wěn)階段應(yīng)變協(xié)同化過程

由前述事實可以看到，從單測點的應(yīng)變過程很難識別標(biāo)本整體所處的應(yīng)力狀態(tài)。當(dāng)把斷層各部位集合在一起時，應(yīng)力狀態(tài)的變化就明朗起來。

圖4 沿斷層走向(SS)各測點應(yīng)變在660s后的增量變化Fig.4 Variations of strain increments along fault(SS)after 660s with time at points on upper(a)，middle(b)and lower segment(c).

圖6顯示了平行斷層(SS)和垂直斷層(NS)應(yīng)變的時空變化。從左圖可以看出標(biāo)本下部測點(26～30)最早應(yīng)變釋放(665s)開始于29，30點，依次向左擴(kuò)展到26點，隨著釋放程度加大，釋放范圍也逐漸增大(擴(kuò)展速率1.25mm/s)。與此同時，在斷層上段以8點為中心的擠壓應(yīng)變開始積累。隨著積累程度加大，擠壓區(qū)的范圍先擴(kuò)大，后縮小，擠壓中心也逐漸向左遷移(遷移速率為1.34mm/s);其后，在標(biāo)本中段19點出現(xiàn)第2個應(yīng)變釋放區(qū)，在N時刻開始，其應(yīng)變釋放范圍向左擴(kuò)大(擴(kuò)展速率增大為2.47mm/s);O時刻開始，原來應(yīng)變積累區(qū)的測點10由擠壓轉(zhuǎn)為拉張，應(yīng)變釋放部位又多了一個。新出現(xiàn)的應(yīng)變釋放區(qū)，在A時刻，以較快的速度向右擴(kuò)展(擴(kuò)展速率達(dá)74.1mm/s)，并與以19點為中心的應(yīng)變釋放區(qū)連接。與此同時，以29，30點為中心最早出現(xiàn)應(yīng)變釋放的區(qū)域也在A時刻擴(kuò)展。以8點為中心的擠壓應(yīng)變進(jìn)一步增大，擠壓中心由8點向左側(cè)加速遷移到7，6，5，4，3點，最終失穩(wěn)。

圖5 垂直斷(NS)層應(yīng)變在660s后的增量變化Fig.5 Variations of strain increments(NS)along fault after 660s with time.

圖6 平行斷層(SS)和垂直斷層(NS)應(yīng)變的時空變化Fig.6 Variations of strains(SS)(a)and(NS)(b)with time at varied points along fault.

由此可見，早在應(yīng)力曲線偏離線性階段時，局部應(yīng)變的緩慢釋放就開始了。在強(qiáng)偏離線性階段N時刻應(yīng)變釋放區(qū)逐步增多，在O時刻開始出現(xiàn)應(yīng)變釋放區(qū)的擴(kuò)大，在A時刻出現(xiàn)應(yīng)變釋放區(qū)的加速擴(kuò)大和連接，這時，應(yīng)變釋放已不可逆轉(zhuǎn)，直到失穩(wěn)發(fā)生。

把斷層應(yīng)變釋放區(qū)的擴(kuò)展和相互連接的現(xiàn)象稱為協(xié)同化。應(yīng)變釋放區(qū)的出現(xiàn)代表區(qū)域整體應(yīng)變釋放的開始，應(yīng)變釋放區(qū)的擴(kuò)展和增多代表斷層的協(xié)同化過程的開始，而加速協(xié)同化是區(qū)域整體進(jìn)入準(zhǔn)動態(tài)亞失穩(wěn)階段的標(biāo)志，也是必震標(biāo)志。

4 野外實例的探索

在實驗室看到的失穩(wěn)前的斷層活動協(xié)同化，即應(yīng)變釋放區(qū)的擴(kuò)展、加速擴(kuò)展和連接的現(xiàn)象能否在野外發(fā)現(xiàn)是檢驗實驗室結(jié)果的重要根據(jù)。實驗室是在走滑斷層失穩(wěn)錯動條件下通過應(yīng)變觀測得到的協(xié)同化過程。老虎山－毛毛山斷裂帶恰好也是一個走滑斷層帶，這里嘗試?yán)?000年6月6日ML6.2地震前的小震活動揭示該斷層的協(xié)同化過程。

海原斷裂是位于鄂爾多斯地塊西部的一條走向NW的大型走滑斷層。該斷層由9條次級斷層組成，按照活動習(xí)性和地貌特征被劃分為3段(國家地震局地質(zhì)研究所等，1990;張培震等，2003)。其中，中段和西段為左型走滑斷層，東段則為具有逆沖擠壓分量的左型走滑斷層。1920年的M8.5地震就發(fā)生在該斷裂帶中段，在該地震發(fā)生的同月，在其西北部白銀發(fā)生過5級地震(1920－12－17)，然后在其東南部發(fā)生過7級地震(1920－12－25)。在海原斷裂西部景泰附近發(fā)育另一組斷裂(圖7):老虎山斷裂、毛毛山斷裂以及金強(qiáng)河斷裂(后面簡稱老虎山－毛毛山斷裂帶)，它們之間以左型左階方式排列。這組斷裂走向更接近EW，與海原斷裂有一個5°左右的夾角，二者也以左階方式排列，兩斷層端點在平行和垂直走向上的距離均在10km左右。鑒于老虎山等斷裂與海原斷裂相距很近，也都是左型錯動，考慮到海原地震對它們的影響和發(fā)生強(qiáng)烈地震的可能性而備受關(guān)注。

圖7 老虎山－毛毛山斷裂帶與1920年以來的地震分布Fig.7 Laohushan-Maomaoshan Fault zone and distribution of earthquakes since 1920.

1920年海原地震后整個海原－老虎山－毛毛山斷裂帶的地震活動情況:1920—1958年沒有地震記錄，情況不明。1959—1961年先后在老虎山右側(cè)的張性巖橋區(qū)發(fā)生過3次5級左右的地震。1970年開始地震記錄相對連續(xù)和完整，以下分析將基于1970后的地震目錄進(jìn)行。由地震M－t圖(圖8)可以看到，1960年以來整個海原－老虎山－毛毛山斷裂帶上發(fā)生的地震不大，保持4～5級水平，僅在1990和2000年發(fā)生過2次6.2級地震，1970—1990年地震水平逐步上升，2000年后逐步下降。相對活躍時期從1984－12－07金強(qiáng)河斷裂上發(fā)生5.1級地震開始，中強(qiáng)地震從西向東遷移。1990－10－20在老虎山斷裂帶發(fā)生最大震級為6.2的震群。其后在2000－06－06和 2000－12－27，在老虎山東側(cè)的巖橋區(qū)發(fā)生6.2級和5.2級地震。其間伴隨著若干主要發(fā)生在老虎山－毛毛山斷裂帶的4級地震。2000年后地震活動水平轉(zhuǎn)為下降。

在震中時空遷移圖(圖9)上看到，老虎山東側(cè)的海原斷裂地震不很活動，而1990—2000年間老虎山斷裂和其東部的巖橋區(qū)出現(xiàn)了一次相對活躍的時段。在相對活躍期前后地震事件多發(fā)區(qū)往往保持位置不變，很少見到地震沿斷層的擴(kuò)展和遷移，說明不同斷層段之間活動的獨立性。但在臨近地震相對活躍期前，特別是在張性巖橋區(qū)2000年6.2級地震前觀測到1次斷層活動協(xié)同化過程。1990年前后出現(xiàn)一個隨時間由東南(老虎山)向西北擴(kuò)展的3級地震條帶(淺藍(lán)色)，1997年后，金強(qiáng)河斷裂帶地震密集區(qū)出現(xiàn)由西向東擴(kuò)展的包括3，4級地震的條帶。這樣金強(qiáng)河、毛毛山－老虎山斷層就構(gòu)成了活動協(xié)同化狀態(tài)，為2000－06－06的6.2級地震創(chuàng)造了失穩(wěn)的條件。6.2級地震后老虎山東側(cè)巖橋區(qū)活動水平相對提高。可見，沿老虎山－毛毛山斷裂以穩(wěn)速向西擴(kuò)展的協(xié)同作用開始較早，而在1996年后由金強(qiáng)河斷裂帶由西向東的擴(kuò)展使協(xié)同作用加速，其后，發(fā)生2000－12－27的6.2級地震。這個過程與實驗室失穩(wěn)前的應(yīng)變觀測結(jié)果很相似。

圖8 老虎山－毛毛山地區(qū)地震活動M－t圖Fig.8 M－t diagram of earthquakes in Laohushan-Maomaoshan Fault zone.

5 討論

(1)斷層最大的特點是幾何上的復(fù)雜性以及作為圍巖的巖體和巖石的非均勻性、非各向同性。從任何尺度看斷層，在力學(xué)性質(zhì)上都是復(fù)雜的(Konca et al.，2008)。與其他材料一樣，巖石材料也服從力學(xué)定律，但是它們在性態(tài)上有很大的差異(Jaeger et al.，1979)。在非均勻的介質(zhì)中，斷層上很容易形成相對的弱段和強(qiáng)段，在應(yīng)力作用下前者首先成為應(yīng)變釋放部位，后者成為應(yīng)變積累部位，最終成為快速失穩(wěn)的開始部位。斷層的成核并不一定是由一點開始，也可以從多點開始，向外連接而成。

圖9 沿老虎山－毛毛山斷裂帶地震時空分布圖Fig.9 Temporal-spatial distribution of earthquakes along Laohushan-Maomaoshan Fault zone.

(2)實驗室的研究結(jié)果表明，當(dāng)斷層應(yīng)力積累到偏離線性階段時，斷層上應(yīng)變開始分化，出現(xiàn)分段性，產(chǎn)生應(yīng)變高值段和低值段。斷層上一個部位的小震或滑動，無論這是一個準(zhǔn)靜態(tài)的作用(位移)(Stein，1999)還是一個動態(tài)的作用(Gomberg，2003;West，2005)，都可以引起其他部位的應(yīng)力改變。斷層變形失穩(wěn)過程一般包括應(yīng)變釋放區(qū)產(chǎn)生、釋放區(qū)擴(kuò)展和增加以及釋放區(qū)的連接3個階段。在釋放區(qū)產(chǎn)生階段，區(qū)域小，數(shù)量多;隨著應(yīng)力增強(qiáng)，釋放區(qū)進(jìn)入擴(kuò)展階段，由于釋放區(qū)的擴(kuò)展涉及斷層圍巖顆粒間連接的破壞和礦物晶體化學(xué)鍵的破壞，擴(kuò)展速度慢，擴(kuò)展范圍有限;當(dāng)應(yīng)力達(dá)到一定水平時，已有釋放區(qū)達(dá)到一定長度，釋放區(qū)間的距離縮小到一定程度后，進(jìn)入釋放區(qū)連接階段。在偏離線性階段開始時，見到斷層帶出現(xiàn)應(yīng)變釋放區(qū)和應(yīng)變積累區(qū);應(yīng)變釋放區(qū)的平穩(wěn)擴(kuò)展和增加與亞失穩(wěn)初期階段的準(zhǔn)靜態(tài)失穩(wěn)有關(guān);當(dāng)斷層帶上釋放區(qū)足夠多，已有釋放區(qū)擴(kuò)展足夠大后，釋放區(qū)間的相互作用增強(qiáng)了，這時釋放區(qū)就會加速擴(kuò)展(杜異軍等，1989)，斷層進(jìn)入亞失穩(wěn)后期，即準(zhǔn)動態(tài)失穩(wěn)階段。實驗中得到3個階段中釋放區(qū)沿斷層的擴(kuò)展速度分別為約1mm/s、2.5mm/s以及74mm/s。前面2個階段的速度變化只是平穩(wěn)增加，而第3階段擴(kuò)展速度是數(shù)量級的增加。加速協(xié)同化開始于由準(zhǔn)靜態(tài)擴(kuò)展向準(zhǔn)動態(tài)擴(kuò)展的轉(zhuǎn)化，其本質(zhì)在于擴(kuò)展機(jī)制發(fā)生了變化，即由弱化斷層段的孤立擴(kuò)展轉(zhuǎn)變?yōu)閿鄬佣沃g相互作用下的連接，斷層進(jìn)入必震階段。

(3)前述地震沿老虎山－毛毛山斷層時空演化過程表明，當(dāng)斷層上多個部位出現(xiàn)中、小地震密集，但互不關(guān)聯(lián)時，斷層還處于偏離線性階段。當(dāng)斷層上中、小地震沿斷層從老虎山向西北發(fā)生穩(wěn)態(tài)擴(kuò)展時，斷層應(yīng)已進(jìn)入亞失穩(wěn)前期，即穩(wěn)態(tài)擴(kuò)展階段。斷層上的中、小地震活動由金強(qiáng)河向東北的加速擴(kuò)展應(yīng)該屬于亞失穩(wěn)后期，準(zhǔn)動態(tài)擴(kuò)展階段。斷層加速協(xié)同化是進(jìn)入亞失穩(wěn)后期的標(biāo)志。雖然不知道還需要多少時間才會發(fā)生地震，但是斷層失穩(wěn)已經(jīng)在所難免。

(4)實驗結(jié)果顯示，在部分?jǐn)鄬佣螒?yīng)變釋放過程中，另一些斷層段出現(xiàn)應(yīng)變積累。隨著應(yīng)變釋放區(qū)范圍擴(kuò)大和釋放程度增大，應(yīng)變積累區(qū)的范圍收縮，應(yīng)變積累程度增高。當(dāng)應(yīng)變釋放范圍和釋放程度極大時，應(yīng)變積累段被收縮到最小范圍。當(dāng)積累的應(yīng)變極高時，動態(tài)失穩(wěn)發(fā)生在高應(yīng)變梯度帶附近。由此可見，斷層活動協(xié)同化和失穩(wěn)過程就是斷層上力學(xué)性質(zhì)不同的段落相互作用的過程，高應(yīng)變積累區(qū)不是先存的。此外，引起動態(tài)失穩(wěn)的斷層段的長度遠(yuǎn)小于失穩(wěn)斷層的長度(Jordan et al.，2011)。

(5)級聯(lián)反應(yīng)指的是在一系列連續(xù)事件中前面發(fā)生的事件能激發(fā)后面事件的反應(yīng)。通過多次的逐級放大使較弱的輸入信號轉(zhuǎn)變?yōu)闃O強(qiáng)的輸出信號(Ellsworth et al.，1995;馬勝利等，2002，2003)。在實驗中弱斷層段開始應(yīng)變釋放，這些釋放區(qū)的產(chǎn)生，通過斷層上的應(yīng)力調(diào)整影響到相鄰斷層段的應(yīng)力變化。在斷層面上引起沿斷層滑動方向剪應(yīng)力的增加，就使斷層更趨近于破裂，而垂直斷層面上正應(yīng)力(壓力)的增加則會增加斷層的摩擦強(qiáng)度而抑制破裂。斷層上一些弱段的應(yīng)變釋放既可以使其他弱段應(yīng)變釋放，也可以使斷層上強(qiáng)段應(yīng)變水平增大。在如此反復(fù)的連鎖作用下，應(yīng)變釋放斷層段長度達(dá)到臨界值，應(yīng)變積累段的應(yīng)力水平極高，從而造成強(qiáng)烈失穩(wěn)錯動。斷層的復(fù)雜性和級聯(lián)作用(馬勝利等，2002)增加了地震預(yù)測的很多不確定因素。

6 結(jié)論

基于不同斷層幾何和不同物理觀測手段在實驗室進(jìn)行的實驗，得到斷層亞失穩(wěn)階段變形特征，結(jié)合一些震例做了一些討論，結(jié)論如下:

(1)斷層帶上存在相對弱和相對強(qiáng)的部位，前者往往首先弱化，表現(xiàn)為斷層預(yù)滑、慢地震或弱震，成為應(yīng)變釋放開始部位，后者則為應(yīng)力閉鎖部位，并成為快速失穩(wěn)開始部位(Noda et al.，2013)。

(2)偏離線性階段和亞失穩(wěn)階段的應(yīng)變釋放的區(qū)別:自偏離線性階段開始，斷層上陸續(xù)出現(xiàn)應(yīng)變釋放區(qū)和應(yīng)變積累區(qū)，不同段落間相對獨立;而在亞失穩(wěn)階段初期，應(yīng)變釋放區(qū)擴(kuò)大和增多。應(yīng)變積累區(qū)范圍收縮和遷移，應(yīng)變水平提高;在亞失穩(wěn)后期應(yīng)變釋放區(qū)加速擴(kuò)展，相互連接，逐步貫通整個斷層段。斷層帶應(yīng)變釋放區(qū)的加速擴(kuò)展是進(jìn)入必震階段的標(biāo)志。

(3)斷層上應(yīng)變釋放區(qū)的擴(kuò)展和連接體現(xiàn)了斷層活動的協(xié)同化程度，指示了失穩(wěn)的必然性和時間上的臨近。但是，斷層的粘滑過程中實際存在2次失穩(wěn)，前者與弱部位的釋放有關(guān)，后者與強(qiáng)部位的快速釋放有關(guān)，表現(xiàn)為強(qiáng)震。前者的加速擴(kuò)展促進(jìn)了后者的發(fā)生。

研究仍在進(jìn)行中，有待進(jìn)一步解決的問題很多。例如，亞失穩(wěn)階段和加速協(xié)同化的識別給出失穩(wěn)臨近的啟示，尚不能提示失穩(wěn)的部位和震級大小;發(fā)震時刻意味著動態(tài)爆發(fā)，斷層破裂達(dá)到地震波速度所需要的速度和慣性條件尚不清楚;斷層不是孤立的，塊體不同邊界斷層的相互作用對失穩(wěn)的影響以及不同動力學(xué)條件可能引起的變化等。

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