區(qū)域加載應(yīng)力與斷層帶周邊應(yīng)變場(chǎng)分析

郭玲莉 劉力強(qiáng)

（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）

斷層兩側(cè)應(yīng)力的積累與釋放是產(chǎn)生地震的直接原因，因此在活動(dòng)斷層周邊建立了大量的地應(yīng)變觀測(cè)站。地殼里面包含有多種結(jié)構(gòu)面，各種力學(xué)性質(zhì)不同的巖石以某種疊加層序或侵入關(guān)系混雜在一起，它們必然影響變形場(chǎng)的形態(tài)與變化。因此，區(qū)域變形場(chǎng)的時(shí)空演化進(jìn)程與地震的關(guān)系表現(xiàn)出非常復(fù)雜的模式。單個(gè)應(yīng)變測(cè)量點(diǎn)的應(yīng)變狀態(tài)是否受控于一個(gè)統(tǒng)一的動(dòng)力學(xué)過程，從多個(gè)測(cè)點(diǎn)能否推測(cè)出區(qū)域應(yīng)力狀態(tài)，成為一個(gè)重要的問題。在實(shí)驗(yàn)室地震模擬實(shí)驗(yàn)中，經(jīng)常用巖石摩擦粘滑過程來重現(xiàn)淺源地震機(jī)制。實(shí)驗(yàn)室模擬與野外觀測(cè)的不同之處在于精確知道對(duì)實(shí)驗(yàn)樣品的加載過程、加載量和加載方向等條件，可以全面對(duì)比研究局部變形與宏觀加載之間的關(guān)系。本文從加載條件相對(duì)確定的地震過程物理模擬實(shí)驗(yàn)出發(fā)，討論地震過程中區(qū)域應(yīng)力場(chǎng)的演化過程以及局部變形行為之間的關(guān)系。同時(shí)引入應(yīng)力空間的概念，試圖在應(yīng)力與應(yīng)變空間上對(duì)比分析區(qū)域加載應(yīng)力路徑和地震斷層帶周邊應(yīng)變路徑兩者之間的關(guān)系，闡釋地震過程的發(fā)生機(jī)理以及變化規(guī)律，為現(xiàn)場(chǎng)地應(yīng)力觀測(cè)以及區(qū)域應(yīng)力研究提供物理模擬依據(jù)和參考。

利用雙軸伺服控制加載裝置，采用三塊花崗閃長(zhǎng)巖標(biāo)本組成的含有兩個(gè)滑動(dòng)面的雙剪結(jié)構(gòu)，配合超動(dòng)態(tài)應(yīng)變場(chǎng)觀測(cè)系統(tǒng)，開展摩擦滑動(dòng)實(shí)驗(yàn)。沿?cái)鄬訋г谥胁繋r塊上布有大量應(yīng)變片，以有效地獲得粘滑應(yīng)變場(chǎng)的全過程。宏觀加載過程投影到剪應(yīng)力與正應(yīng)力所構(gòu)成的應(yīng)力空間上，描述樣品受力的應(yīng)力路徑。每個(gè)應(yīng)變測(cè)量點(diǎn)所獲得的變形過程投影在正應(yīng)變與剪應(yīng)力所構(gòu)成的應(yīng)變空間上，描述樣品變形的應(yīng)變路徑。對(duì)比兩者的異同，分析斷層周邊變形如何響應(yīng)宏觀加載過程。

實(shí)驗(yàn)中產(chǎn)生的典型粘滑事件加載應(yīng)力路徑見圖1a，剪應(yīng)力在正應(yīng)力保持不變的情況下線性增長(zhǎng)達(dá)到穩(wěn)滑狀態(tài)（A-B段），在正應(yīng)力方向施加擾動(dòng)0.53 MPa，引發(fā)斷層失穩(wěn)滑動(dòng)，產(chǎn)生應(yīng)力降。在Fn方向的擾動(dòng)使應(yīng)力路徑曲線呈現(xiàn)“甩鞭式”向右擺動(dòng)，隨后沿B-C路徑剪應(yīng)力突然下降了約1 MPa，正應(yīng)力也下降0.5 MPa。這種在應(yīng)力空間上勾畫出來類似“甩鞭式”似的路徑圖是擾動(dòng)觸發(fā)粘滑過程的標(biāo)準(zhǔn)宏觀加載圖形。

圖1 實(shí)驗(yàn)中的典型粘滑事件

為了與宏觀加載相對(duì)比，計(jì)算得出了斷層帶上多個(gè)應(yīng)變測(cè)量點(diǎn)的平均應(yīng)變特征，其應(yīng)變路徑軌跡如圖1b所示。對(duì)比宏觀加載的應(yīng)力路徑與斷層帶應(yīng)變響應(yīng)路徑，簡(jiǎn)單的加載過程所派生出的變形過程不同。多點(diǎn)應(yīng)變路徑顯示沿?cái)鄬訋Σ粱瑒?dòng)所產(chǎn)生剪切應(yīng)變分布比正應(yīng)變分布有更大的起伏波動(dòng)。從應(yīng)變場(chǎng)角度看，斷層粘滑過程的變形是一種具有特定結(jié)構(gòu)的變形。

綜合實(shí)驗(yàn)結(jié)果，可以得出以下幾點(diǎn)認(rèn)識(shí)：①從形變測(cè)量角度看，變形體內(nèi)部各個(gè)部位的變形過程與外部對(duì)變形體施加的動(dòng)力過程之間不是簡(jiǎn)單對(duì)應(yīng)關(guān)系，微觀變形與宏觀變形的應(yīng)力路徑不同。從斷層帶附近少數(shù)幾個(gè)測(cè)點(diǎn)的應(yīng)變演化過程不能簡(jiǎn)單推論整個(gè)斷層帶的宏觀動(dòng)力學(xué)加載過程。②從粘滑全過程看，簡(jiǎn)單的加載過程，可以產(chǎn)生復(fù)雜的變形場(chǎng)分布。沿?cái)鄬訋?，由于摩擦滑?dòng)所產(chǎn)生的剪切應(yīng)變分布，比正應(yīng)變分布有更大的起伏波動(dòng)。③粘滑全過程的應(yīng)變路徑具有特定運(yùn)動(dòng)軌跡，可以劃分為4個(gè)階段：正斜率的應(yīng)變積累階段；負(fù)斜率的趨近失穩(wěn)階段；變形階段或亞臨界失穩(wěn)或者震源競(jìng)爭(zhēng)階段；正斜率的失穩(wěn)滑動(dòng)階段。