斷層亞失穩(wěn)階段變形場時空演化的實驗研究

卓燕群

(中國地震局地質(zhì)研究所， 北京100029)

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斷層亞失穩(wěn)階段變形場時空演化的實驗研究

卓燕群

(中國地震局地質(zhì)研究所， 北京100029)

斷層粘滑過程的差應(yīng)力-時間曲線可以分成線性、 偏離線性、 亞失穩(wěn)和失穩(wěn)4個階段。 亞失穩(wěn)階段是指差應(yīng)力從峰值時刻到產(chǎn)生快速應(yīng)力降起始時刻之間的階段， 也是斷層失穩(wěn)之前的最后階段。 利用在實驗室既能通過壓機(jī)觀測到標(biāo)本應(yīng)力狀態(tài)， 又能使用多物理場觀測手段獲取標(biāo)本表面變形信息的優(yōu)勢， 通過分析標(biāo)本表面全場變形的時空演化， 尋找識別標(biāo)本進(jìn)入亞失穩(wěn)階段的標(biāo)志， 有助于分析野外斷層所處的應(yīng)力狀態(tài)， 進(jìn)而判斷地震危險時刻是否臨近。 本文以斷層粘滑過程變形場的時空演化作為研究對象， 采用高速相機(jī)采集標(biāo)本變形圖像， 以數(shù)字圖像相關(guān)方法為主要分析手段， 結(jié)合其他物理場觀測手段(如應(yīng)變片、 聲發(fā)射等)， 研究了不同加載速率下含平直斷層的花崗閃長巖標(biāo)本的變形時空演化特征。 此外， 基于粘土材料對基底斷層活動引起蓋層變形場演化的過程進(jìn)行了模擬。 取得的主要認(rèn)識如下：

(1) 斷層局部預(yù)滑區(qū)的加速擴(kuò)展是斷層進(jìn)入亞失穩(wěn)階段的標(biāo)志之一。 標(biāo)本通過斷層局部預(yù)滑釋放應(yīng)力， 在偏離線性階段標(biāo)本應(yīng)力以積累為主釋放為輔， 局部預(yù)滑區(qū)開始出現(xiàn)， 進(jìn)入亞失穩(wěn)階段后標(biāo)本以應(yīng)力釋放為主并從平穩(wěn)釋放向加速釋放轉(zhuǎn)變， 局部預(yù)滑區(qū)也同時出現(xiàn)明顯的加速擴(kuò)展。 采用斷層局部預(yù)滑區(qū)歸一化長度(W)隨時間的變化對局部預(yù)滑區(qū)的擴(kuò)展程度進(jìn)行定量分析， 結(jié)果表明，W的曲率峰值時刻可作為斷層進(jìn)入亞失穩(wěn)階段的近似識別標(biāo)志。

(2) 斷層各部位位移方向趨向一致過程的加速是斷層進(jìn)入亞失穩(wěn)階段的另一標(biāo)志。 采用度量斷層位移方向空間分布無序程度的斷層位移方向歸一化信息熵(S)隨時間的變化進(jìn)行定量分析， 結(jié)果表明，S的曲率峰值時刻可作為斷層進(jìn)入亞失穩(wěn)階段的另一近似識別標(biāo)志。

(3) 亞失穩(wěn)階段后期觀測到應(yīng)變的條帶狀分布和動態(tài)傳遞過程。 通過對樣品的全場應(yīng)變高速采樣觀測(空間分辨率0.15 mm， 時間分辨率1 ms)， 發(fā)現(xiàn)亞失穩(wěn)階段后期平行于斷層的應(yīng)變和體應(yīng)變呈條帶狀分布和動態(tài)傳遞的現(xiàn)象。 結(jié)合早期應(yīng)變片觀測結(jié)果， 分析此類應(yīng)變波隨著失穩(wěn)的臨近存在頻率加快、 幅度增大并向震源初始破裂位置傳遞的特點(diǎn)。 對這個現(xiàn)象的進(jìn)一步研究， 將有助于認(rèn)識人們在地震前發(fā)現(xiàn)并討論的前兆波現(xiàn)象。

(4) 蓋層變形模式受基底斷層活動方式控制。 基底斷層活動引起上覆蓋層中出現(xiàn)盆地系， 這些盆地變形過程可分為初始的獨(dú)立擴(kuò)展與后期的相互作用兩個階段。 通過分析蓋層變形了解基底斷層的活動性質(zhì)， 有助于進(jìn)一步通過蓋層變形研究基底斷層的亞失穩(wěn)階段。

關(guān)鍵詞亞失穩(wěn)階段; 變形場; 時空演化； 局部預(yù)滑區(qū)； 數(shù)字圖像相關(guān)方法

(作者電子信箱， 卓燕群： zhuoyq@163.com)

中圖分類號：P315；

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A；

doi:10.3969/j.issn.0235-4975.2016.07.013