任雅瓊　馬　瑾　劉培洵　陳順云

(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)

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平直斷層黏滑過程熱場演化及失穩(wěn)部位識別的實驗研究

任雅瓊馬瑾劉培洵陳順云

(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)

實驗室斷層黏滑伴隨有溫度變化、溫度不但與摩擦滑動有關(guān)、還與樣本的應(yīng)力狀態(tài)相關(guān)。文中利用紅外熱像儀進(jìn)行全場觀測、研究平直斷層黏滑不同階段的熱場演化。實驗不僅觀測到了峰值前后從應(yīng)力積累轉(zhuǎn)變?yōu)獒尫艑?dǎo)致的溫度由升轉(zhuǎn)降的現(xiàn)象、還觀測到了失穩(wěn)后斷層升溫和塊體降溫的相反變化。更重要的是通過分析沿斷層各個部位的溫度隨時間的變化、發(fā)現(xiàn)了識別失穩(wěn)部位的溫度前兆：失穩(wěn)部位的溫度從強(qiáng)偏離線性階段開始、一直是相對高值、在亞失穩(wěn)階段升溫速率突然增大、遠(yuǎn)高于其他部位。分離摩擦和應(yīng)力的作用后、發(fā)現(xiàn)亞失穩(wěn)階段失穩(wěn)部位的升溫發(fā)生于圍巖上而非斷層帶上、說明斷層處于閉鎖狀態(tài)而相鄰的圍巖區(qū)域處于應(yīng)力集中狀態(tài)、推測滿足這2個條件的部位可能是未來的失穩(wěn)部位。此現(xiàn)象或許有助于野外發(fā)震位置的判斷。

亞失穩(wěn)失穩(wěn)部位地震前兆溫度平直斷層溫度變化機(jī)理

0　引言

黏滑是伴隨有應(yīng)力降的突然滑動、Brace等(1966)將此作為地震機(jī)制。斷層失穩(wěn)釋放的能量中、熱能占了較大部分(Kanoetal.、2006)、斷層作用的熱效應(yīng)分析是研究斷層活動的途徑之一。以往的實驗對斷層黏滑失穩(wěn)過程中的聲發(fā)射、位移、應(yīng)變演化進(jìn)行過深入研究(馬勝利等、1995; 劉力強(qiáng)等、1995; 鄧志輝等、1995)、對溫度的關(guān)注較少。馬瑾等(2007、2012)利用鉑電阻溫度傳感器分析了雁列斷層、拐折斷層失穩(wěn)前后的溫度變化、得到了有意義的結(jié)果(Maetal.、2010)、但這種觀測方式屬于 “點”觀測、難以看到整個樣本的 “熱場”變化。能連續(xù)記錄變形過程中樣本表面熱場變化的紅外熱像儀、將更有助于獲得黏滑失穩(wěn)過程中的時空演化特征。

一般認(rèn)為巖石變形過程中的生熱主要來源于不可逆過程、如摩擦、損傷、塑性變形等。實際上、實驗與理論研究證實(耿乃光等、1998; 劉力強(qiáng)等、2004; 劉培洵等、2004; 陳順云等、2009; 劉善軍等、2009; 張艷博等、2011)：可逆過程(彈性變形過程)也會引起溫度變化、即在絕熱環(huán)境下、巖石等受熱膨脹的材料、擠壓升溫、拉張降溫。也就是說、通過對變形過程中的溫度觀測、還能獲得標(biāo)本的應(yīng)力狀態(tài)變化信息。因此、利用紅外熱像儀作為觀測手段、共有3個優(yōu)點：一是可以獲得斷層作用產(chǎn)生的熱效應(yīng)、二是可以獲得場觀測數(shù)據(jù)、三是可能獲得失穩(wěn)過程中應(yīng)力變化產(chǎn)生的熱信息、進(jìn)而獲得失穩(wěn)時的應(yīng)力變化情況。

先前的研究對雁列斷層、拐折斷層的溫度場演化進(jìn)行過分析(馬瑾等、2007、2012; 劉培洵等、2007; Maetal.，2010；任雅瓊等、2013)、發(fā)現(xiàn)了一些有前兆意義的溫度變化、例如壓性雁列斷層失穩(wěn)前巖橋區(qū)的降溫和斷層帶的升溫(馬瑾等、2007)。然而、這些溫度變化可能包含斷層結(jié)構(gòu)的影響。復(fù)雜結(jié)構(gòu)的存在會產(chǎn)生應(yīng)力集中等局部化效應(yīng)、在沒有復(fù)雜結(jié)構(gòu)的情況下是否會觀測到與應(yīng)力有關(guān)的溫度變化？本文選擇平直斷層(45°單斷層)作為研究對象、試圖回答這一問題。

亞失穩(wěn)階段是失穩(wěn)前的最后階段(馬瑾等、2012、2014)、研究這個變形階段各種物理場的演化特點對于判斷失穩(wěn)至關(guān)重要。亞失穩(wěn)研究的主要內(nèi)容之一是分析未來震源區(qū)及其相關(guān)物理場特征、并研究其影響因素。前述研究已得出斷層失穩(wěn)具有 “多點錯動”的特征(任雅瓊等、2013)、但起始錯動點、即失穩(wěn)部位、是否在亞失穩(wěn)階段存在可識別的溫度變化特征、仍需要進(jìn)一步研究。

基于上述原因、本文利用紅外熱像儀對平直斷層黏滑失穩(wěn)過程的溫度場進(jìn)行分析、以期獲得1個黏滑周期內(nèi)的溫度演化特征、特別關(guān)注失穩(wěn)部位溫度隨時間的變化、希望從亞失穩(wěn)階段的溫度變化中得到能提前判斷失穩(wěn)部位的信息。

1　實驗條件和數(shù)據(jù)處理

實驗標(biāo)本為300mm×300mm×50mm的房山花崗閃長巖。密度2.7g/cm3、彈性模量60GPa、泊松比0.34、單軸抗拉強(qiáng)度9.34MPa、單軸抗壓強(qiáng)度154MPa。標(biāo)本中沿對角線方向切1條平直斷層。

實驗使用的紅外熱像儀為德國制冷型InfraTec-8800熱像觀測系統(tǒng)、其基本參數(shù)為：光譜范圍8～12μm；AD轉(zhuǎn)換14bit；測溫范圍設(shè)定為0～40℃時、AD轉(zhuǎn)換的最小溫度分辨率為2.5mK(1mK的溫度變化量等價于0.001℃的溫度變化量)；單像素噪聲等效溫差25mK；空間分辨率640像素×512像素、本次實驗每個像素對應(yīng)于實際尺寸的0.55mm、實驗中熱像采集頻率為50幀/s。

利用雙向伺服壓機(jī)對標(biāo)本進(jìn)行加載、首先在x和y方向同時加載至5MPa；然后令x方向的載荷保持常數(shù)、y方向按位移控制方式加載；位移速率先后保持常數(shù)0.5μm/s、0.1μm/s、0.05μm/s。加載時左側(cè)和下方固定、稱樣本下盤為固定盤；右側(cè)和上方滑動、稱樣本上盤為活動盤(圖1a)。圖1b表示實驗過程中差應(yīng)力和位移隨時間的變化、每1個應(yīng)力降代表1次黏滑事件。

圖1　樣本結(jié)構(gòu)和研究區(qū)域(a)及加載過程(b)Fig. 1　Specimen structure and study area (a) and loading process (b).a中σX和σY分別為X向和Y向荷載應(yīng)力、虛線標(biāo)示斷層位置、長方形1—17為圖6 中剖面1的位置、左下角插圖中的紅、藍(lán)色線分別表示圖7 中剖面2、3的位置、正方形虛線框示意熱像增量圖的范圍；b為實驗過程差應(yīng)力σD(σD=σY-σX)與Y向位移dY隨時間變化的曲線；箭頭所示為本文重點分析的事件

圖2　差應(yīng)力時間過程及變形階段的劃分Fig. 2　Variation of differential-stress with time and division of deformation stages.b為a變形后期的放大圖、圖中字母標(biāo)出了變形的關(guān)鍵時刻

隨著加載速率的減小、黏滑周期變長、應(yīng)力降增大。為了在較長的時間周期里看到更明顯的溫度隨時間的變化、選取0.05μm/s速率下的第3個黏滑事件、分析其熱場變化。依照應(yīng)力時間曲線對其失穩(wěn)階段進(jìn)行劃分、如圖2a所示：L—M為線性變形階段(L時刻是第3次事件的起始點、考慮到上一次事件的溫度影響還存在、到L′時刻才恢復(fù)、在后續(xù)分析中、將L′作為溫度場研究的起點)、M—O為偏離線性階段、其中N—O為強(qiáng)偏離線性階段。從圖2b的濾波結(jié)果(紅線)可以看出、O時刻是應(yīng)力峰值點、在O時刻差應(yīng)力由上升轉(zhuǎn)為下降。OAB是亞失穩(wěn)階段、OA是準(zhǔn)靜態(tài)釋放階段、AB是準(zhǔn)動態(tài)釋放階段；A時刻之后、下降速率迅速增加、B時刻后進(jìn)入失穩(wěn)階段。

紅外熱像儀的數(shù)據(jù)處理主要包含3個方面：一是去除環(huán)境溫度影響、二是去除高頻噪聲影響、三是熱像儀與壓機(jī)的對時。圖3a中的黑線是0.05μm/s加載速率下體應(yīng)力(x與y方向的應(yīng)力之和)隨時間的變化、藍(lán)線是紅外熱像儀溫度隨時間的變化。由圖可知、溫度呈上升趨勢、升溫包含環(huán)境溫度的增加以及應(yīng)力積累導(dǎo)致的升溫。本文在已知應(yīng)力積累升溫幅度(約1mK/MPa(劉培洵等、2004))的前提下、間接推算環(huán)境溫度的影響。以t1、t2作為計算的起點和終點、將2個時刻的紅外觀測溫度變化量減去應(yīng)力增加導(dǎo)致的升溫量再除以時間長度、即得到環(huán)境溫度隨時間的變化速率。在本次實驗中、計算結(jié)果為0.02mK/s。圖3a中的紅線為去除環(huán)境溫度影響后的溫度曲線。

圖3　去除環(huán)境影響前后及低通濾波前后的紅外熱像儀溫度-時間曲線Fig. 3　Temperature variation of infra-red imaging system with time before and after removal of influence of environmental factors and low pass filtering.a中的黑色曲線為體應(yīng)力隨時間的變化、藍(lán)色曲線為原始數(shù)據(jù)、紅色曲線為去除環(huán)境因素后的溫度變化； b為原始數(shù)據(jù)與不同濾波窗口的結(jié)果

時間域的噪聲通過鄰域平均進(jìn)行低通濾波。圖3b中的黑色曲線為所分析黏滑事件去環(huán)境影響后的溫度變化放大圖、可見其受高頻噪聲影響較大。為消除噪聲、利用多個不同大小窗口進(jìn)行低通濾波、結(jié)果表明窗口為0.22s(11個采集數(shù)據(jù))時、能最大程度地保持原數(shù)據(jù)的細(xì)微趨勢變化。對數(shù)據(jù)進(jìn)行噪聲評價：加載條件下巖石樣本紅外測量原始數(shù)據(jù)的均方差為3.82mK、去環(huán)境影響及低通濾波后變?yōu)?.93mK?？臻g域的噪聲通過均值濾波去除。在數(shù)據(jù)處理過程中、為突出顯示溫度變化、在時間上、對所有數(shù)據(jù)相對于某穩(wěn)態(tài)時刻歸零；在空間上、以某幅圖像作為背景求取熱像增量圖。

紅外熱像儀與雙向伺服壓機(jī)的對時一直是此類實驗中的關(guān)鍵問題。壓機(jī)輸出的應(yīng)力變化階段對應(yīng)熱像儀的何種溫度變化、必須在精確對時的前提下才能回答。本次實驗缺少紅外熱像儀與壓機(jī)的對時、只能通過將熱像儀快速升溫起始點和壓機(jī)快速應(yīng)力降起始點對齊的方法進(jìn)行對時、這種方法(稱其為方法一)是否可行需要通過補充實驗進(jìn)行驗證。補充實驗對同樣的樣本、以相同的方式加載、通過CCD相機(jī)間接對熱像儀和壓機(jī)進(jìn)行對時。具體方法(稱其為方法二)為：在樣本上方架設(shè)紅外熱像儀和相機(jī)、調(diào)整其位置使斷層位于二者的視域正中、黏滑后待溫度變化恢復(fù)后在樣本上方將標(biāo)志物閉合、保證閉合圖像同時出現(xiàn)在熱像儀和相機(jī)的視域中；分別在紅外輸出結(jié)果和相機(jī)輸出結(jié)果中找到每次對時標(biāo)志物閉合的時刻；首先將壓機(jī)與相機(jī)對時、即壓機(jī)差應(yīng)力最大應(yīng)力降速率起點與相機(jī)得到的最大位移速率起點一致；然后將紅外熱像儀與相機(jī)對時、輸出的紅外熱像儀時間序列與壓機(jī)時間序列為對時后的結(jié)果。結(jié)果顯示、快速升溫起始點與快速應(yīng)力降起始點相差0.1～0.5s、也就是說假定方法二的對時結(jié)果是正確的、方法一的對時結(jié)果誤差最大為0.5s、本文分析的實驗結(jié)果中、升降溫現(xiàn)象持續(xù)時間多>2s、因此在本次實驗中通過方法一對時是可行的。

2　實驗結(jié)果

2.1峰值前后的溫度增量場

圖4a為O時刻相對于L′時刻的溫度增量場、作圖范圍參見圖1a。此階段以應(yīng)力積累為主(參見圖2a)、溫度場表現(xiàn)為增溫。圖4b和圖4c為亞失穩(wěn)階段臨失穩(wěn)時刻A和失穩(wěn)時刻B相對于峰值時刻O的溫度增量場。OA階段和OB階段以應(yīng)力釋放為主(參見圖2b)、溫度場表現(xiàn)為降溫、且OB階段降溫幅度更大。峰值前相對高溫的部位在峰值后也是相對低溫的部位、說明峰值前的升溫屬于彈性變形引起的升溫、是可逆的。

圖4　峰值前L′O(a)和峰值后OA(b)、OB(c) 3個變形階段的溫度增量場Fig. 4　Temperature increment contour maps before (a) and after (b、c) the peak of stress.黑色虛線指示斷層位置；a以L′時刻為背景；b、c以O(shè)時刻為背景、二者同一色標(biāo)

2.2失穩(wěn)后不同部位的溫度變化

E(7 587s)、F(7 592.5s)、G(7 594s)為失穩(wěn)后的3個時刻；其中E為初始升溫時刻、F為升溫最高時刻、G為升溫峰值后時刻。本節(jié)根據(jù)溫度增量場研究樣本失穩(wěn)后的特點。

圖5a是時刻E的溫度增量場、斷層上端是斷層上最初出現(xiàn)升溫的地方、此時刻斷層圍巖降溫仍比較明顯；圖5b是時刻F的溫度增量場、斷層溫度高于前一時刻且高值區(qū)向斷層中部擴(kuò)展、最初出現(xiàn)升溫的部位也是升溫最強(qiáng)烈的部位、圍巖區(qū)仍處于降溫狀態(tài)、但溫度開始恢復(fù)；圖5c是時刻G的溫度增量場、斷層帶溫度開始回落、圍巖區(qū)溫度繼續(xù)恢復(fù)。斷層帶與圍巖相反的溫度變化是失穩(wěn)后熱場的重要特點。

圖5　失穩(wěn)后階段各時刻的溫度增量場Fig. 5　Temperature increment contour maps of different time after instability.黑色虛線指示斷層位置；溫度增量場均以O(shè)時刻為背景

圖6　沿斷層(剖面1、圖1a)溫度隨時間變化的等值線圖(a)及溫度-時間曲線圖(b、c、d)Fig. 6　Contour map of temperature variation with time along the fault(a) and curves of temperature variation with time(b、c、and d).b、c、d分別為a中虛線所示3個時段內(nèi)的溫度-時間曲線；部位1的升溫速率在N點后一直領(lǐng)先、且在時段2(圖b)加速升溫；失穩(wěn)后、部位1的升溫最高

2.3失穩(wěn)部位的識別

圖6a是沿斷層剖面1(圖1a)溫度的時空演化圖、剖面1寬7.7mm、包括斷層及周邊塊體。橫坐標(biāo)是距離、數(shù)值代表每個點距離剖面起始點的距離；縱坐標(biāo)是時間。圖6a顯示了以下現(xiàn)象：

(1)不同變形階段的溫度變化：強(qiáng)偏離線性階段(NO階段)、整條剖面的溫度以升溫為主；亞失穩(wěn)階段(OB階段)出現(xiàn)降溫現(xiàn)象、且降溫區(qū)域逐漸擴(kuò)展、同時降溫幅度增大、6s后溫度降至最低、這時降溫區(qū)域涉及范圍最大；B點后、整條斷層都升溫。

(2)失穩(wěn)部位的溫度變化特征：從強(qiáng)偏離線性階段開始、剖面上出現(xiàn)3處升溫區(qū)域、分別距離剖面起始點64mm、107mm、219mm、稱之為部位1、2、3(圖6a中的紫紅色和紅色五角星所示部位)；設(shè)了3個時段來比較這3個部位溫度隨時間的變化、圖6a中的紅色虛線之間為時段1、藍(lán)色虛線之間為時段2、紫紅色虛線之間為時段3、分別對應(yīng)圖6b、c、d。圖6b、c、d是圖6a橫坐標(biāo)所示17個區(qū)域平均溫度隨時間的變化、重點分析部位的顏色加粗；其中、部位4距離剖面起始點304mm(圖6a中的綠色五角星所示部位)、其溫度在失穩(wěn)前無明顯變化、但失穩(wěn)后升溫僅次于部位1。由圖可見、時段1之前、3條增溫條帶(部位1、2、3)變化較為平穩(wěn)。第1時段(圖6b)、部位1、2是溫度高值區(qū)；第2時段(圖6c)、部位1處溫度迅速升高(紫紅色曲線)、升溫速率遠(yuǎn)大于其他部位；第3時段即失穩(wěn)后(圖6d)、部位1快速升溫、雖然部位4也相繼升溫、但升高速率低于部位1?？傊?、在標(biāo)本變形過程中沿斷層雖然存在過幾處溫度升高部位、然而、部位1卻能在多個升溫點中脫穎而出、成為堅持到最后的升溫最高的部位。其中、失穩(wěn)后溫度最高、說明該部位是快速錯動最大的部位、升溫的機(jī)理是摩擦。失穩(wěn)前升溫最高、可能是摩擦升溫、也可能是應(yīng)力升溫。摩擦升溫說明此處有預(yù)滑現(xiàn)象、應(yīng)力升溫說明此處是應(yīng)力集中的部位。從理論上分析、若在失穩(wěn)前開始緩慢預(yù)滑、相當(dāng)于應(yīng)力松弛、能量釋放、此部位不可能積累大量能量、失穩(wěn)時就不會有大的錯動。

圖7　斷層帶(剖面2、位置示意見圖1a)(a)與圍巖上鄰近斷層帶(剖面3、位置示意見圖1a)(b)的溫度時空變化Fig. 7　Temperature variation with time along the fault(a) and near the fault(in the rock)(b).a 斷層帶上箭頭所示位置無升溫；b 圍巖上箭頭所示位置升溫

為進(jìn)一步分析升溫機(jī)制、分別選取寬1.54mm的斷層帶(剖面2、位置參見圖1a)和距離斷層2mm、相同寬度的圍巖區(qū)(剖面3、位置參見圖1a)進(jìn)行分析。為突出細(xì)節(jié)、將整條斷層剖面進(jìn)一步細(xì)分為28個區(qū)域。在B時刻之前、對比斷層帶(圖7a)與圍巖區(qū)(圖7b)可見、圍巖區(qū)64mm處(紅色箭頭所示部位、即圖6 中的部位1)一直處于升溫狀態(tài)、且在亞失穩(wěn)階段有增強(qiáng)的趨勢、而斷層帶相同位置無升溫現(xiàn)象。其他幾個部位在斷層和圍巖區(qū)都可看到升溫。因此部位1在圍巖上表現(xiàn)為應(yīng)力集中、在斷層帶上表現(xiàn)為閉鎖(無斷層位移、無摩擦滑動升溫)、其升溫機(jī)理是應(yīng)力致熱。B時刻之后、圍巖區(qū)的增溫是斷層帶摩擦熱效應(yīng)傳導(dǎo)所致。在亞失穩(wěn)階段、應(yīng)力集中加劇的原因可能與斷層帶預(yù)滑區(qū)擴(kuò)展有關(guān)、圖b中無法觀測到預(yù)滑現(xiàn)象的原因是整個樣本體應(yīng)力下降導(dǎo)致的降溫掩蓋了升溫現(xiàn)象。在遠(yuǎn)離斷層帶的圍巖上選取相同面積的對照區(qū)域、減去其平均溫度以去除體應(yīng)力導(dǎo)致的降溫。可觀測到亞失穩(wěn)階段斷層帶非閉鎖區(qū)有升溫加劇的現(xiàn)象(圖8 中的紅色虛線框所示)、此升溫應(yīng)是預(yù)滑所致。本實驗室早期的研究(馬勝利等、1995)發(fā)現(xiàn)、在某些黏滑發(fā)生前的一段時間、源區(qū)應(yīng)變增加、斷層位移幾乎無增加甚至反向、鄰區(qū)應(yīng)變可能下降、臨近黏滑有預(yù)滑現(xiàn)象。最近的研究(馬瑾等、2014)還發(fā)現(xiàn)亞失穩(wěn)階段應(yīng)變釋放加速擴(kuò)展、應(yīng)變積累則在范圍上縮小、幅度上增大。本文結(jié)果印證了上述觀點、并進(jìn)一步揭示了應(yīng)力應(yīng)變、斷層位移與失穩(wěn)部位的關(guān)系以及熱場上的表現(xiàn)。由于應(yīng)力導(dǎo)致的升溫一般較低、而圖7b顯示的升溫較高、可能高應(yīng)力集中導(dǎo)致微破裂產(chǎn)生、在不斷加載的條件下也會發(fā)生摩擦升溫的現(xiàn)象、此推測還需進(jìn)一步驗證。

圖8　斷層帶(剖面2)去除體應(yīng)力致熱后的溫度時空變化Fig. 8　Temperature variation with time along the fault excluding the temperature changes caused by volumetric stress variation.紅色虛線框顯示亞失穩(wěn)階段斷層帶非閉鎖區(qū)存在升溫現(xiàn)象

3　結(jié)論與討論

本文利用紅外熱像儀觀測平直斷層黏滑過程溫度場的變化。在研究不同變形階段溫度變化的基礎(chǔ)上、探索失穩(wěn)部位在失穩(wěn)前的溫度變化特征、得到以下實驗結(jié)果：

(1)峰值前后的熱場演化特征及機(jī)理：峰值前樣本以升溫為主、峰值后亞失穩(wěn)階段樣本溫度在以降溫為主的背景上起伏變化；峰值前的升溫主要由應(yīng)力積累引起、峰值后亞失穩(wěn)階段塊體降溫由應(yīng)力松弛引起、斷層區(qū)域升溫則是摩擦和應(yīng)力集中互相交錯、共同作用的結(jié)果。

(2)失穩(wěn)后不同部位的熱場演化特征及機(jī)理：失穩(wěn)時刻、樣本塊體降溫、斷層迅速升溫；塊體降溫的機(jī)理是應(yīng)力松弛、斷層升溫的機(jī)理是摩擦滑動；2個部位相反的溫度變化是失穩(wěn)后熱場的主要特征。

(3)失穩(wěn)部位的熱場特征：將失穩(wěn)時最先升溫、且升溫幅度最高的部位稱為失穩(wěn)部位、研究發(fā)現(xiàn)、失穩(wěn)部位在強(qiáng)偏離線性階段后升溫就處于相對高值、在亞失穩(wěn)階段升溫速率突升。此現(xiàn)象或許有助于利用溫度數(shù)據(jù)推測可能的發(fā)震位置。

(4)失穩(wěn)部位的溫度機(jī)理分析：失穩(wěn)前的溫度變化機(jī)理比較復(fù)雜、分析顯示升溫存在于圍巖上而非斷層上、說明升溫是圍巖上的高應(yīng)力集中所致。斷層帶上無摩擦導(dǎo)致的升溫說明斷層帶處于閉鎖狀態(tài)。機(jī)理分析的結(jié)果表明滿足斷層帶閉鎖且附近圍巖應(yīng)力集中這2個條件的部位可能是未來的失穩(wěn)部位。

巖石黏滑失穩(wěn)過程中的溫度變化對于監(jiān)測地震前兆具有一定的意義。震源深處摩擦產(chǎn)生的熱量難以傳導(dǎo)到地表、然而、地震發(fā)生前后斷層周圍淺表巖石的應(yīng)力也會隨著深處的變化而變化、其導(dǎo)致的溫度變化更可能被觀測到。汶川地震前后斷裂帶附近存在4.8～6.1MPa的應(yīng)力下降(郭啟良等、2009; 陳順云等、2014)。每MPa的應(yīng)力改變會導(dǎo)致大約1mK的溫度變化(劉培洵等、2004)、因此汶川地震同震引起的溫度變化約為幾mk；而單點地下溫度觀測精度多>1mK、且不受地表因素影響、因此觀測地下溫度、理論上應(yīng)能看到圍巖上的同震降溫。關(guān)鍵是測溫儀是否處于溫度變化大的構(gòu)造部位上。作者所在的實驗室于青藏高原東部鮮水河斷裂帶布設(shè)了無線地溫遙測臺網(wǎng)、觀測到了與周圍小震活動對應(yīng)良好的溫度突變現(xiàn)象(陳順云等、2013)。本文的研究意義在于發(fā)現(xiàn)了震前溫度變化的特殊部位、在野外布點時可予以考慮。由于溫度變化可同時反映應(yīng)力及斷層的摩擦狀態(tài)、實驗結(jié)果對地震前兆相關(guān)的應(yīng)力數(shù)據(jù)及位移數(shù)據(jù)分析也有一定的啟示意義。

此項研究才剛剛開始、鑒于應(yīng)變片對熱場存在干擾、以往的實驗中應(yīng)變與溫度這2個物理量往往分別進(jìn)行測量。為進(jìn)一步認(rèn)識溫度場與應(yīng)變場的關(guān)系、采用不會影響溫度場的數(shù)字圖像方法研究應(yīng)變場、開展溫度場與應(yīng)變場同步觀測的實驗十分必要。

致謝汲云濤助理研究員和卓燕群為實驗提供了幫助、深表感謝。

陳順云、劉力強(qiáng)、劉培洵、等. 2009. 應(yīng)力應(yīng)變與溫度響應(yīng)關(guān)系的理論與實驗研究 [J]. 中國科學(xué)(D輯)、52(11): 1825—1834.

CHEN Shun-yun、LIU Li-qiang、LIU Pei-xun、etal. 2009. Theoretical and experimental study on relationship between stress strain and temperature variation [J]. Science in China(Ser D)、52(11): 1825—1834(in Chinese).

陳順云、劉培洵、劉力強(qiáng)、等. 2013. 蘆山地震前康定地溫變化現(xiàn)象 [J]. 地震地質(zhì)、35(3): 634—640. doi: 10.3969/j.issn.0253-4967.2013.03.017.

CHEN Shun-yun、LIU Pei-xun、LIU Li-qiang、etal. 2013. A phenomenon of ground temperature change prior to Lushan earthquake observed in Kangding [J]. Seismology and Geology、35(3): 634—640(in Chinese).

陳順云、馬瑾、劉培洵、等. 2014. 利用衛(wèi)星遙感熱場信息探索現(xiàn)今構(gòu)造活動：以汶川地震為例 [J]. 地震地質(zhì)、36(3): 775—793. doi: 10.3969/j.issn.0253-4967.2014.03.01.

CHEN Shun-yun、MA Jin、LIU Pei-xun、etal. 2014. Exploring the current tectonic activity with satellite remote sensing thermal information: A case of the Wenchuan earthquake [J]. Seismology and Geology、36(3): 775—793(in Chinese).

鄧志輝、馬勝利、馬瑾、等. 1995. 黏滑失穩(wěn)及其物理場時空分布的實驗研究 [J]. 地震地質(zhì)、17(4): 305—310.

DENG Zhi-hui、MA Sheng-li、MA Jin、etal. 1995. Experimental study on stick-slip instability and evolution of its physical fields [J]. Seismology and Geology、17(4): 305—310(in Chinese).

耿乃光、于萍、鄧明德、等. 1998. 熱紅外震兆成因的模擬實驗研究 [J]. 地震、18(1)：83—88.

GENG Nai-guang、YU Ping、DENG Ming-de、etal. 1998. The simulated experimental studies on cause of thermal infrared precursor of earthquakes [J]. Earthquake、18(1)：83—88(in Chinese).

郭啟良、王成虎、馬洪生、等. 2009. 汶川MS8.0大震前后的水壓致裂原地應(yīng)力測量 [J]. 地球物理學(xué)報、52(5): 1395—1401.

GUO Qi-liang、WANG Cheng-hu、MA Hong-sheng、etal. 2009. In-situ hydro-fracture stress measurement before and after the WenchuanMS8.0 earthquake of China [J]. Chinese Journal of Geophysics、52(5): 1395—1401(in Chinese).

劉力強(qiáng)、陳國強(qiáng)、劉培洵、等. 2004. 巖石變形實驗熱紅外觀測系統(tǒng) [J]. 地震地質(zhì)、26(3): 492—501.

LIU Li-qiang、CHEN Guo-qiang、LIU Pei-xun、etal. 2004. Infrared measurement system for rock deformation experiment [J]. Seismology an d Geology、26(3): 492—501(in Chinese).

劉力強(qiáng)、馬瑾、馬勝利. 1995. 典型構(gòu)造背景應(yīng)變場特征及其演化趨勢 [J]. 地震地質(zhì)、17(4): 349—356.

LIU Li-qiang、MA Jin、MA Sheng-li. 1995. Characteristics and evolution of background strain field on typical structure models [J]. Seismology and Geology、17(4): 349—356(in Chinese).

劉培洵、劉力強(qiáng)、陳順云、等. 2004. 地表巖石變形引起熱紅外輻射的實驗研究 [J]. 地震地質(zhì)、26(3): 502—511.

LIU Pei-xun、LIU Li-qiang、CHEN Shun-yun、etal. 2004. An experiment on the infrared radiation of surficial rocks during deformation [J]. Seismology and Geology、26(3): 502—511(in Chinese).

劉培洵、馬瑾、劉力強(qiáng)、等. 2007. 壓性雁列構(gòu)造變形過程中熱場演化的實驗研究 [J]. 自然科學(xué)進(jìn)展、17(4): 454— 459.

LIU Pei-xun、MA Jin、LIU Li-qiang、etal. 2007. An experimental study on variation of thermal fields during the deformation of a compressive en-echelon fault set [J]. Progress in Natural Science、17(4): 454—459(in Chinese).

劉善軍、吳立新、張艷博、等. 2009. 拐折非連通斷層加載失穩(wěn)的熱輻射演化特征 [J]. 巖土力學(xué)與工程學(xué)報、28(S2): 3342—3348.

LIU Shan-jun、WU Li-xin、ZHANG Yan-bo、etal. 2009. Evolutive features of thermal radiation of tortuously non-connected fault in the loading and instability process [J]. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering、28(S2): 3342—3348(in Chinese).

馬瑾、郭彥雙. 2014. 失穩(wěn)前斷層加速協(xié)同化的實驗室證據(jù)和地震實例 [J]. 地震地質(zhì)、36(3)：548—561. doi: 10.3969/j.issn.0253-4967.2014.03.00.

MA Jin、GUO Yan-shuang. 2014. Accelerated synergism prior to fault instability: Evidence from laboratory experiments and an earthquake case [J]. Seismology and Geology、36(3): 548—561(in Chinese).

馬瑾、劉力強(qiáng)、劉培洵、等. 2007. 斷層失穩(wěn)錯動熱場前兆模式: 雁列斷層的實驗研究 [J]. 地球物理學(xué)報、50(4): 1141—1149.

MA Jin、LIU Li-qiang、LIU Pei-xun、etal. 2007. Thermal precursory pattern of fault unstable sliding: An experimental study of en echelon faults [J]. Chinese J Geophys、50(4): 1141—1149(in Chinese).

馬瑾、Sherman S I、郭彥雙. 2012. 地震前亞失穩(wěn)應(yīng)力狀態(tài)的識別：以5°拐折斷層變形溫度場演化的實驗為例 [J]. 中國科學(xué)(D輯)、42(5): 633— 645.

MA Jin、SHERMAN S I、GUO Yan-shuang. 2012. Identification of meta-instable stress state based on experimental study of evolution of the temperature field during stick-slip instability on a 5°bending fault [J]. Science in China(Ser D)、42(5): 633—645(in Chinese).

馬勝利、馬瑾、劉力強(qiáng). 1995. 典型構(gòu)造變形過程中物理場時空演化的實驗和理論研究 [J]. 地震、(S1): 55— 65.

MA Sheng-li、MA Jin、LIU Li-qiang. 1995. Theoretical and experimental studies on spatial-temporal evolution of physical field during deformation of fault system with typical geometric textures [J]. Earthquake、(S1): 55— 65(in Chinese).

任雅瓊、劉培洵、馬瑾，等. 2013. 亞失穩(wěn)階段雁列斷層熱場演化的實驗研究 [J]. 地球物理學(xué)報、56(7): 2348—2357.

REN Ya-qiong、LIU Pei-xun、MA jin、etal. 2013. An experimental study on evolution of the thermal field of en echelon faults during the meta-instability stage [J].Chinese J Geophys、56(5): 612— 622.

張艷博、劉善軍. 2011. 含孔巖石加載過程的熱輻射溫度場變化特征 [J]. 巖土力學(xué)、32(4): 1013—1024.

ZHANG Yan-bo、LIU Shan-jun. 2011. Thermal radiation temperature field variation of hole rock in loading process [J]. Rock and Soi1 Mechanics、32(4): 1013—1024(in Chinese).

Brace W F、Byerlee J D. 1966. Stick-slip as a mechanism for earthquakes [J]. Science、153: 990—992.

Kano Y、Mori J、Fujio R、etal. 2006. Heat signature on the Chelungpu fault associated with the 1999 Chi-Chi、Taiwan earthquake [J]. Geophysical Research Letters、33、L14306.

Ma Jin、Ma Shao-peng、Liu Li-qiang、etal. 2010. Experimental study of thermal and strain fields during deformation of en echelon faults and its geological implications [J]. Geodynamics & Tectonophysics、1(1): 24—35.

Abstract

Stick-slip of fault in laboratory accompanies change of temperature. Temperature change is not only concerned with sliding friction、but also with the stress state of the sample. In this article、we use infra-red thermal imaging system as wide-range observation means to study the temperature variation of different stages during the deformation of sample. The rock sample for the experiment is made of granodiorite from Fangshan County with a size of 300mm×300mm×50mm. It is cut obliquely at an angle of 45°、forming a planar fault. Two-direction servo-control system was used to apply load on the sample. The load in both directions was forced to 5MPa and maintained constant (5MPa) in the X direction、then the load in the Y direction was applied by a displacement rate of 0.5μm/s、0.1μm/s and 0.05μm/s successively. The left and below lateral of the sample were fixed、and the right and top lateral of the sample were slidable when loaded. The experiment results show not only the temperature change from increase to decrease caused by conversion of stress accumulation to relaxation before and after the peak stress、but also opposite variation of temperature increase on fault and temperature decrease in rock during instability stage. Most important of all、we have found the temperature precursor identifying the position of instability through the temperature variation with time along the fault. It shows that rate of temperature increase of instability position keeps relative high value since the stage of strongly off-linear stage、and accelerates in stage of meta-instability. After separating the effect of friction and stress、we found that temperature increase occurs in the rock near the fault instead of on the fault、which means the mechanism of temperature increase is stress accumulation. Temperature of fault at the instability position does not increase、which means the position is locked. We speculate that the position of locked area on fault with high stress accumulation near the fault may be the future instability position. It is of significance of studying temperature variation during stick-slip to the monitoring of earthquake precursors. Heat caused by friction of earthquake needs long time to transfer to the surface and could not be detected as a precursor. While the stress of surface rock near the fault would change as the stress of interior rock changes、which could cause detectable temperature variations. The research purpose of this article is to find special change positions before instability. As the temperature variations are caused by stress and slip of fault、the results are also meaningful to analysis of stress and displacement data related to earthquake precursors.

EXPERIMENTAL STUDY OF TEMPERATURE EVOLUTION AND IDENTIFICATION OF INSTABILITY POSITION OF PLANAR STRIKE-SLIP FAULT DURING PROCESS OF STICK-SLIP

REN Ya-qiongMA JinLIU Pei-xunCHEN Shun-yun

(StateKeyLaboratoryofEarthquakeDynamics、InstituteofGeology，ChinaEarthquakeAdministration、Beijing100029、China)

meta-instability state、earthquake precursors、temperature、thermal field、planar strike-slip fault、mechanism of thermal anomaly

10.3969/j.issn.0253-4967.2016.01.005

2014-12-11收稿、2015-10-10改回。

國家自然科學(xué)基金(41172180、41474162)與中國地震局地球物理研究所基本科研業(yè)務(wù)費(DQJB15B07)共同資助。

P315.2

A

0253-4967(2016)01-0065-12

任雅瓊、女、1985年生、2015年畢業(yè)于中國地震局地質(zhì)研究所、獲博士學(xué)位、現(xiàn)為中國地震局地球物理研究所博士后、從事與地震機(jī)理有關(guān)的構(gòu)造物理實驗研究、電話：010-68729304、E-mail: renyaqiongj@163.com。