平直斷層失穩(wěn)前應(yīng)變場演化特征的實驗研究

郭彥雙 馬 瑾 卓燕群

（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）

了解與認識地震發(fā)生前一段時間內(nèi)斷層的應(yīng)力應(yīng)變等物理場的演化過程及其變化特征對于識別斷層的狀態(tài)信息與地震的孕育與發(fā)生機理十分重要。斷層上何時何地進入亞失穩(wěn)狀態(tài)的識別對于預(yù)測可能發(fā)生的失穩(wěn)事件尤其關(guān)鍵。在實驗室采用300 mm×300 mm×50 mm 房山花崗閃長巖樣品，并沿樣品對角線方向預(yù)切一條平直斷層，并沿斷層布置14 組應(yīng)變花（圖1a 符號圈碼1～14），在側(cè)壓（σ2=5 MPa）保持的條件下，主壓方向σ1分別以0.5、1.0 和0.1 μm/s 的加載速率進行加載，記錄每次粘滑事件的應(yīng)變數(shù)據(jù)。

實驗結(jié)果表明：不同斷層段的最大名義摩擦系數(shù)μL（剪切應(yīng)變與正應(yīng)變之比）在1.0～2.8 之間（14 組數(shù)據(jù)的平均值約為1.5），遠大于由樣品端部應(yīng)力計算得到最大靜摩擦系數(shù)μS=0.74。這一觀測結(jié)果表明斷層面的實際接觸面積約為斷層面的一半，而且各斷層段的接觸狀態(tài)存在顯著差異，其中1 號、13 號和14號3 個測點區(qū)域的斷層摩擦狀態(tài)最強。不同斷層段體應(yīng)變隨著荷載的遞增亦呈現(xiàn)不同趨勢的變化特征，斷層失穩(wěn)前229 s，13 號區(qū)域開始由體應(yīng)變增強轉(zhuǎn)為減弱，隨后14 號與12 號測點先后轉(zhuǎn)為體應(yīng)變減弱，而此時各測點相應(yīng)區(qū)域的剪應(yīng)變并未見明顯的變化。這種差異性斷層狀態(tài)性意味著斷層面的非均勻性（幾何與材料非均勻性）對斷層失穩(wěn)過程起著重要的影響，可以通過這種差異識別斷層段上活動區(qū)域（如14 號和12 號測點）。而臨近斷層失穩(wěn)前12 s 時，2 號、3 號、11 號和12 號測點區(qū)域的體應(yīng)變與剪應(yīng)變開始同步增強，而其他各測點則相對減弱，階段斷層呈現(xiàn)協(xié)同變形特征，這意味著斷層失穩(wěn)即將啟動。

對于同一組應(yīng)變數(shù)據(jù)，不同物理參量的演化過程將呈現(xiàn)不同的特征。這種差異特征對于識別斷層段的活動區(qū)域及其活動趨勢具有指導(dǎo)意義，分析研究不同物理參量的物理意義有助于深入理解斷層失穩(wěn)機制。

圖1 樣品結(jié)構(gòu)圖與加載過程