拐折断层黏滑过程的实验研究

郭彦双 马 瑾 云 龙

(中国地震局地质研究所，地震动力学国家重点实验室，北京 100029)

拐折断层黏滑过程的实验研究

郭彦双 马 瑾 云 龙

(中国地震局地质研究所，地震动力学国家重点实验室，北京 100029)

采用位移、应变和声发射等测量手段，研究了预置5°拐折断层的房山花岗岩样品的黏滑过程，分析了不同加载速率下5°拐折断层失稳的黏滑特征及相关物理场的演化过程。实验结果表明：1)5°拐折断层的黏滑周期与加载速率在数值上呈负对数相关关系;2)在不同的加载速率下，大多数的5°拐折断层失稳是双震事件，2次子事件的间隔时间大多在100～200ms之间;3)采用不同的观测手段，即使采样速率一致，其临震响应也存在差异性，如断层失稳前沿断层的应变测量结果呈现明显的应变弱化，断层位移则未见明显的变化;4)断层黏滑过程中的声发射事件呈现明显的沿断层迁移的特征。认识强震的发生机理和余震特征需要进一步研究断层失稳过程的动力学信息。

拐折断层 黏滑过程 双震事件 物理场

0 引言

黏滑(stick slip)是岩石摩擦实验中常出现的现象，一般是指断层间断性突然性发生的滑动方式，常被用来解释浅源地震的发震模式(Brace et al.，1966)。拐折断层作为一种典型的断层组合，常常是构造地震发生的区域，易于导致不同断层段发生错动，形成双震型地震。King等(1985)、King(1986)研究了大量的拐折断层带，认为世界上许多大地震都发生在断层的2个5°拐折部位上。1976年唐山7.8级地震与滦县7.1级地震(国家地震局《一九七六年唐山地震》编写组，1982;吕政等，1989;郑天榆等，1993;杜晨晓等，2010)亦位于一个含拐折的断层带上，2次地震相隔约15h，距离不到50km。2008年汶川8.0级地震的震源过程可分为4次子事件(张勇等，2008，2009)，分别在汶川和北川造成了重大破坏。这一现象不能说与中央断裂带断层走向的变化无关，尤其是在安县附近的断层走向变化可能是造成北川严重损失的一个重要的构造因素。一般认为，大角度的拐折断层应力难以传递，相互作用比较困难，而小角度的拐折断层相互作用强烈，大震易于连发;并对此开展了相关的实验研究，如Andrews(1989，1994)、刘力强等(1995)、马瑾等(1995，1996，1999)和Kato等(1999)研究了拐折断层物理场的演化过程，并分析了几种典型断层与拐折断层物理场不同的演化特征，讨论了相关研究在分析地震破裂过程中的作用。

以往有关拐折断层的实验研究主要集中在拐折断层失稳前后物理场演化的对比分析上，而缺乏对断层失稳过程的关注。Kato等(1999)曾在室内实验中采用断层相对位移和剪应变观测数据讨论过拐折断层失稳的双震事件。但是，Kato等采用应变片进行跨断层测量，虽然作者声明基于弹性形变理论，其拉伸形变的影响低于10%滑动量，但文中并未考虑拐折断层滑动过程中在小角度断层段的相对拉分作用，即随着拐点的移动，小角度断层在拐折附近的拉分位移将远大于弹性形变分量，这将导致采用应变片直接跨断层测量所获得结果的可靠程度大大降低。在我们开展的相关实验中发现，双震事件的时间间隔与Kato等人的结果存在很大的差异。另一方面，加载速率与黏滑周期之间的关系未见报道，且各种测量手段在高采样速率下的响应特征亦未讨论。基于此，我们利用差分式断层位移计、应变片和声发射仪等，研究了不同加载速率下的拐折断层黏滑过程及其物理场演化特征，尤其是滑动失稳过程中相关物理场的演化特征。

图1 样品结构及传感器布局图Fig.1 Sample structure and distribution of sensors.

1 实验设计及观测设备

实验中采用房山花岗闪长岩样品，尺寸为300mm×300mm×50mm，沿样品对角线方向预切1条拐折断层，使得断层上、下2段在样品中心形成1个5°的转角，样品结构如图1所示。断层表面用800号金刚砂研磨，粗糙度约为100μm。为了解拐折断层黏滑过程中在不同断层段上的相对位移特征，在上、下断层段上沿走向各贴1只差分式断层位移计(图1中的F1和F2)，用于直接测量断层的相对位移。断层位移数据采用8通道高精度采样仪进行记录，实验中采样速率设置为100Hz，位移分辨率约为1.0μm。为分析黏滑过程中的声发射特征，在样品前、后表面贴有16只声发射传感器(图1中的A1—A16)，其中8只沿断层走向贴在样品后表面上，用来分析黏滑事件的发生过程;另外8只分散贴在样品的前、后表面，与沿断层贴着的传感器一起进行黏滑事件的声发射定位分析。声发射数据采用16通道声发射全波形记录仪进行微破裂信息的采集(刘力强等，2003)和精定位分析(刘培洵等，2007，2009)。声发射仪的AD转换分辨率为12bit，最高采样频率为40MHz，最大采样长度为8kwords;实验中的采样速率设置为10MHz，采样长度为2kwords。为分析黏滑过程中的应变场演化过程，在样品前表面上按直角贴法贴有87片直线型金属应变片，共组成32组应变张量测点(图1中的T1—T32)。应变数据采用96通道0～100Hz采样仪进行应变数据采集，该设备的AD转换分辨率为16bit，应变分辨精度约为1.0με(1.0με=10-6)，实验中的采样速率设置为100Hz。将准备好的样品放在双轴卧式压力机上进行加载，压力机的量程为1～120t，可实现双向位移和荷载独立控制方式进行加、卸载，控制频率为20Hz。实验中，样品端部荷载及位移的采样速率为10Hz。由于传感器数量众多和样品表面空间的限制，实验分2组进行，每组3块样品，其中1组进行声发射信号和断层位移观测，另1组进行应变场的观测。

2 实验结果

2.1 差应力与断层位移曲线的基本特征

实验的加载过程如下：首先在X，Y方向上以0.5 kN/s的荷载控制速率同步加载至6.5t静水压，然后将X向荷载保持在6.5t的水平上，Y方向则切换为位移速率控制模式，分别以0.5μm/s、0.1μm/s、0.05μm/s和0.01μm/s的加载速率进行加载，在每个加载速率下发生数次黏滑事件后再改变至下一个加载速率。为分析黏滑过程中断层面的应力水平，这里采用平均剪应力作为参考量(需要说明的是，尽管断层面上的微观应力分布是非均匀的，但宏观上断层平均应力水平仍会保持在相对稳定的数值上)。图2表示断层上的平均剪应力和位移随时间变化的过程。从整个黏滑过程来看，在恒定的Y向位移加载速率下，平均剪应力均表现为位移强化的趋势。统计不同加载速率下的各黏滑事件发生的平均周期(Tp，即间震期)、平均应力降和平均滑动距离(前3种速率下分别统计了15次事件;但0.01μm/s速率下，因加载周期较大，仅统计了3次事件)，得到Tp与加载速率v之间在数值上存在良好的对数负相关关系：log Tp=-1.21log v+1.84，加载速率越低，黏滑事件周期越大(图3a)。此外，断层上的平均剪应力降和断层滑动距离随加载速率的降低而增大(图3b)，但是两者与加载速率在数值上的关系并不明确，需要进一步研究。

断层滑动前未见有明显的位移变化。进一步分析断层在滑动阶段的滑动数据发现，大多数滑动失稳事件并不是一次完成的，而是常常分为2个子事件(极少数由3个子事件组成)。这里以事件A(图2)为例描述断层的滑动失稳过程。图4为事件A失稳过程中典型的滑动位移响应曲线，在第1次子事件A1中，2条断层同步滑动，在41ms内上、下断层段分别错动了72.6μm和81.6μm，上、下断层段的平均滑动速度约为1,700μm/s和2000μm/s;经过152ms的短暂停顿后，事件A2开始活动，37ms内上、下断层段分别错动了36.6μm和33.0μm，上、下断层段的滑动速度约为1,000μm/s和900μm/s。在事件 A的失稳过程中，整条断层的总错动量为106.2μm。

图2 实验加载过程及断层位移曲线Fig.2 Curves of loading and fault displacement versus time.

图3 加载速率与黏滑周期(a)、断层位移和应力降(b)之间的关系Fig.3 Relationship of stick-slip cycle(a)，slip and stress drop(b)against loading rate.

图4 A事件黏滑过程的典型断层位移曲线(v=0.5μm/s)Fig.4 Typical slip process of instability of Event A(v=0.5μm/s).

2.2 应变场特征

拐折断层样品表面共布置了87道应变片，每3片形成1组应变花(图1)，并在拐点附近进行了加密布置，共计组成32组应变花。但是，在加载过程中有4只应变片(Ch38、Ch44、Ch54和Ch73)损坏，最终可计算的应变花为28个。下面分析事件A的黏滑过程中应变场的特征。图5为在1个典型黏滑周期内断层附近的平均应变和最大剪应变的时间变化曲线(时间起算点以前1次黏滑事件结束为时间零点，图5a中的平均应变以压缩应变为正，剪切应变以顺时针方向为正，即右旋剪切为正)。如图5a1所示，断层滑动前，断层两侧主要以压缩应变为主，峰值平均压缩应变量可达15με(1με=10-6);拐点右下方的应变张量测点(T13和T14)则处于拉张状态，最大平均拉张应变量为-7.5με。如图5b1所示，断层滑动前整条断层主要以左旋剪切为主，拐点附近的T5和T6测点处则以右旋剪切形变为主。

图5a2，b2分别为快速滑动过程中(0.6s内)沿断层测点的平均应变和最大剪应变的时间演化过程。应变测量结果表明，拐折断层的快速滑动过程亦是由2次子事件组成的，此测量结果与断层位移相一致。当加载至57.11s时，沿断层的应变张量测点出现明显的应变松弛现象，持续约1.3s，这意味着断层开始进入成核阶段，但不足以引起断层失稳滑动;在57.14s断层发生第1次快速滑动(子事件A1)，57.16s第1次快速滑动结束，形变过程持续到57.19s才恢复至稳定水平。在57.21s断层进入第2次成核阶段，此阶段持续了0.19s后(至57.40s)断层开始第2次快速滑动(子事件A2)，断层滑动57.42s结束，形变过程持续到57.5s后恢复至稳定水平，整个滑动过程结束。

图6为A事件中2次滑动过程(A1事件和A2事件)的应变增量场图，其中图6a为平均应变增量场(正值代表相对挤压，负值代表相对拉张)，图6b为最大剪应变增量场。在第1次快速滑动的过程中，平均应变增量的高值区主要在T5，T6测点(图1)附近，此处的变化量约为13.0με;最大剪应力增量的高值区则出现在T1、T2，T5、T6和T9—11(图1)这3个区域上，相应的最大剪应变增量分别为13.1με、17.4με和13.4με，其余各测点处的应变增量均在10με之下。这表明在拐折断层失稳过程中，下断层段及其拐点区域为主要的能量释放区。A1子事件发生时，拉张应变松弛区域主要集中在拐点附近，形成1个明显的相对拉张区，并在下断层段上形成1条剪应变增量集中区。此阶段的平均应变增量高值区出现在拐点附近，最大剪应变增量场则集中在下断层段。第2次断层滑动时，相对挤压区向下断层段迁移(图6a)。

2.3 声发射特征

对样品黏滑过程中的声发射信号进行精定位分析发现，拐折断层黏滑过程中的微破裂分布具有明显的分区特征，即声发射信号源主要集中在拐点附近和上、下断层段的部分区域，而在其他区域很少(图7)。在断层黏滑过程中，微破裂的时间过程具有明显的迁移特征，并成对出现，如下断层段的AE249和AE303微破裂事件发生0.014s左右之后，AE250和AE304事件随之出现在上断层段。声发射定位结果亦表明拐折断层滑动为双震事件。图7b为定位事件的全波形图，断层快速滑动时，几乎所有通道的波形峰值均出现溢出，这意味着断层失稳时伴随强烈的弹性能释放。

3 结论与讨论

采用荷载、断层位移、变形场和声发射等多种测量手段，研究了5°拐折断层黏滑过程的物理场演化特征，获得如下初步认识：

图5 沿断层分布测点的应变曲线Fig.5 Strain near fault versus time.

(1)在其他条件不变的条件下，5°拐折断层的黏滑周期与加载速率在数值上具有对数负相关关系，黏滑应力降和断层位移随着加载速率的降低而增大，但数值上关系不明确，需进一步研究。这一实验结果有助于认识构造强震的发生机理和相关强余震特征，具有重要的借鉴价值，亦有利于研究地震监测区的地震复发周期。

图6 断层快速滑动过程中的应变增量场Fig.6 Strain increment field during slip.

(2)5°拐折断层的失稳过程很少是单一事件，断层位移、应变场和声发射测量结果均表明拐折断层的失稳大多数是双震事件，2次子事件的间隔时间大多在100～200ms之间。在断层失稳过程中，第1次事件明显强于第2次事件，弹性能释放主要发生在第1次事件中。下断层段及其拐点区为主要的能量释放区，亦是拐折断层的控震区域。

(3)实验中发现，同一采样速率条件下，对于不同的观测手段，临震响应存在差异性。例如，断层滑动失稳前存在1个明显的应变弱化阶段，而断层位移观测则未见明显的变化。这表明不同的观测手段对地震发生前后响应的灵敏度存在差异性。实验结果表明沿断层的应变测量结果的灵敏性更高些。另一方面，不同测量参量可能反映出了断层失稳机制的不同方面，如何在实验与野外测量中识别各物理参量所对应的物理机制，能够给地震发生机制的研究带来新的信息和认识。

图7 声发射定位结果及相应的典型波形曲线Fig.7 AE sources and the typical corresponding waveforms.

(4)不同采样频率的观测手段获得的观测结果对分析黏滑事件尤其是快速滑动阶段的断层特征是不一致的，10Hz采样的荷载记录几乎无法分辨双震事件，而100Hz采样的断层位移记录和应变记录结果则可分辨这样的双震事件。10MHz的声发射数据则可分辨不同断层段的微破裂的时间过程。

目前的研究结果为了解拐折断层的快速失稳过程提供了一些初步的认识，仍无法获得完整的黏滑事件的时空演化规律，需要借助于更高采样速率的测量手段研究断层失稳的动力学特征。进一步的研究将为地震动力学研究提供更为丰富细致的实验室证据，如不同几何构造和不同物性特征的断层黏滑过程等。

感谢中国地震局地质研究所刘力强研究员和刘培洵副研究员在实验与数据分析过程中给予的宝贵建议和意见。

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EXPERIMENTAL STUDY ON STICK-SLIP PROCESSOF BENDING FAULTS

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

The stick-slip process of pre-cut bending faultswith a 5°angle at bending point between the two fault segments is investigated by use of fault displacementmeasurement，strain tensor analysis and acoustic emission(AE)technique in the laboratory.The dynamic process and corresponding properties of physical evolution are discussed.The experimental results from bending faults show that：1)A negative relationship was revealed between the logarithms of the stick-slip cycle and the logarithms of loading rate;2)Under different loading rate，most of instabilities of bending faults are earthquake doublets，and the interval time between the two sub-events are primarily from 100ms to 200ms;3)For different observational approaches，even if with the same sampling rate，the differences of the coseismic response were observed，such as the significant strain weakening stage indicated by strain measurements，but there was no significant change in fault displacement before fault instability;and 4)AE sources obviouslymigrated along faults during fault sliding.More dynamic information about fault instability process is needed to know the mechanism of strong earthquakes and the features of aftershocks.

bending faults，stick-slip process，earthquake doublet，physical field

P315.8

A

0253-4967(2011)01-0026-10

10.3969/j.issn.0253-4967.2011.01.003

2010-12-12收稿，2011-03-11改回。

国家自然科学基金(40872129)、国家重点基础研究发展计划项目(2004CB418405)、国家自然科学青年基金(40802044)和中国博士后科学基金(20070420414)共同资助。

郭彦双，男，1976年出生，2007年毕业于山东大学工程力学专业，获博士学位，主要从事断层扩展与失稳机制等方面的研究工作，电话：010-62009112，E-mail：guoysh@126.com。