粘滑過程中的多點(diǎn)錯(cuò)動(dòng)

李普春 劉力強(qiáng) 郭玲莉 劉培洵

（中國地震局地質(zhì)研究所，地震動(dòng)力學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100029）

最近十多年來，通過高密度寬頻帶臺網(wǎng)對許多地震的觀測發(fā)現(xiàn)，一些大地震并非只由一個(gè)震源引起，在地震的瞬間可能有多個(gè)震源存在。例如汶川地震就曾經(jīng)被拆解為多個(gè)順序發(fā)生的次級地震。那么在實(shí)驗(yàn)室尺度上的粘滑事件可能存在類似于天然大地震的多震源或多點(diǎn)位錯(cuò)現(xiàn)象嗎？本文從聲發(fā)射和應(yīng)變場兩方面來分析粘滑過程中震源多點(diǎn)錯(cuò)動(dòng)的現(xiàn)象，包括對粘滑事件的定位，近場聲發(fā)射波的初動(dòng)方位空間分布，應(yīng)變場形態(tài)，快速滑動(dòng)應(yīng)變波振蕩頻率和失穩(wěn)瞬間的應(yīng)變增量初動(dòng)方位空間分布等。

實(shí)驗(yàn)中使用一臺多通道聲發(fā)射儀記錄AE全波形數(shù)據(jù)。儀器設(shè)定參數(shù)為：16個(gè)信號通道，采樣頻率10 MHz，一次觸發(fā)波形的采樣點(diǎn)數(shù)為4 096（對應(yīng)采樣時(shí)窗寬度為400 μs），系統(tǒng)死時(shí)間約為10 ms。由于本次實(shí)驗(yàn)是對粘滑期間的大應(yīng)力降事件進(jìn)行研究，希望僅僅記錄能量較大的AE事件，因此將系統(tǒng)的增益設(shè)定得較低（100倍），觸發(fā)門檻值設(shè)定得較高（50%），以盡量減少處理小能量事件造成的系統(tǒng)死時(shí)間。

本實(shí)驗(yàn)采用一套新研制的多通道高頻應(yīng)變儀記錄粘滑應(yīng)力降期間的瞬態(tài)應(yīng)變場。該應(yīng)變儀具有 64個(gè)信號通道，應(yīng)變分辨率約為1 μs，每個(gè)通道的采樣頻率均為3 400 Hz，采用連續(xù)記錄方式工作。在突發(fā)應(yīng)力降的幾百毫秒期間，利用本系統(tǒng)可以記錄多點(diǎn)的瞬時(shí)應(yīng)變變化過程，其采樣間隔約為300 μs，與AE的采樣時(shí)窗大體相當(dāng)，因此可以有效地與AE事件對比分析。

圖1 實(shí)驗(yàn)樣品和雙軸臥式壓機(jī)實(shí)驗(yàn)記錄系統(tǒng)示意圖（蘭框?yàn)閼?yīng)變片，灰圈為AE傳感器）

實(shí)驗(yàn)研究表明：①一次粘滑過程是由發(fā)生在斷層上不同位置上的多次次級滑動(dòng)子事件組成的。高速應(yīng)變系統(tǒng)清楚地記錄到粘滑過程明確劃分為 2～3次子事件，每個(gè)子事件對應(yīng)的最早的聲發(fā)射波出現(xiàn)在斷層的不同部位，表現(xiàn)出第一層次的多點(diǎn)滑動(dòng)特征。②沿?cái)鄬訋Р荚O(shè)的AE傳感器可以記錄到每個(gè)次級滑動(dòng)瞬間各個(gè)位置接收到的AE振動(dòng)信號。各點(diǎn)的AE信號起跳時(shí)間并不符合從最早的起點(diǎn)向外傳播的規(guī)律，由此推測每個(gè)子事件的錯(cuò)動(dòng)也是通過多點(diǎn)錯(cuò)動(dòng)完成的。③觀測顯示沿著剪切面存在一個(gè)起伏變化的復(fù)雜應(yīng)變場，高速瞬時(shí)滑動(dòng)過程中沿?cái)鄬訋?yīng)變能的釋放不均勻。應(yīng)變增量場中出現(xiàn)的局部極大值點(diǎn)的位置與聲發(fā)射事件的位置大體相符，AE初動(dòng)方位和應(yīng)變增量場的變化方向之間密切相關(guān)等特性都說明應(yīng)變場的基本框架與能量釋放特征構(gòu)成了多點(diǎn)錯(cuò)動(dòng)的基本力學(xué)條件。④在以往的一些研究中，常常將一些大粘滑事件對應(yīng)的聲發(fā)射事件無法定位歸結(jié)于信號的噪聲太大，到時(shí)的拾取誤差和算法以及系統(tǒng)的時(shí)間不同步等等。從多點(diǎn)錯(cuò)動(dòng)的角度上看，恰好說明了多點(diǎn)錯(cuò)動(dòng)現(xiàn)象早已經(jīng)被觀測過。⑤本實(shí)驗(yàn)所采用的觀測系統(tǒng)相對于斷層的距離相當(dāng)于現(xiàn)場的極近場觀測，它有效地揭示出了震源的多點(diǎn)錯(cuò)動(dòng)現(xiàn)象?，F(xiàn)場地震臺相對于觀測網(wǎng)內(nèi)的大地震也變成了極近場觀測，因此也能夠獲得地震過程中的多點(diǎn)錯(cuò)動(dòng)現(xiàn)象。對于小地震而言，地震臺網(wǎng)又相對變成了遠(yuǎn)場情況，各次微小錯(cuò)動(dòng)之間的差別可能被掩蓋。尺度的大小是同時(shí)相對于事件強(qiáng)度與觀測距離而言的。在實(shí)踐中，需要根據(jù)實(shí)際情況，判斷選擇合理的震源物理模型。