壓性雁列斷層亞失穩(wěn)階段亮溫場(chǎng)演化的實(shí)驗(yàn)研究

任雅瓊 馬 瑾 劉培洵 陳順云

（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）

利用熱紅外遙感影像對(duì)斷層活動(dòng)的研究表明，與構(gòu)造活動(dòng)相關(guān)的熱場(chǎng)和GPS數(shù)據(jù)得到的變形場(chǎng)密切相關(guān)。實(shí)驗(yàn)室對(duì)熱場(chǎng)和變形場(chǎng)之間關(guān)系的研究是解釋其機(jī)理的重要基礎(chǔ)。本實(shí)驗(yàn)室的新設(shè)備德國(guó)制冷型InfraTec-8800熱像觀測(cè)系統(tǒng)，熱靈敏度提高至25 mK，通過平滑差值等數(shù)據(jù)處理方法，其溫度分辨率可達(dá)5 mK；采樣速率最高可達(dá)90 Hz；圖像空間分辨率為512×640像素，每個(gè)像素對(duì)應(yīng)于實(shí)際尺寸的0.35 mm。熱像儀對(duì)溫度變化響應(yīng)迅速，能記錄到溫度的突升突降，且記錄到的數(shù)據(jù)溫度耗散小，更能接近樣品的真實(shí)溫度。利用新設(shè)備對(duì)壓性雁列變形過程進(jìn)行觀測(cè)，有望得到新的有用的結(jié)果。

在實(shí)驗(yàn)室利用雙向伺服壓機(jī)對(duì)標(biāo)本進(jìn)行變形實(shí)驗(yàn)，應(yīng)用紅外熱像儀和接觸式測(cè)溫儀同步記錄巖石破裂過程中的溫度場(chǎng)。樣品為500 mm×300 mm×50 mm的花崗閃長(zhǎng)巖，斷層段充填石膏。在實(shí)驗(yàn)過程中首先在x和y方向同時(shí)加載至5 MPa，然后令x方向的載荷保持常數(shù)，y方向按位移控制方式加載，位移速率保持常數(shù) 0.5 μm/s。

巖石標(biāo)本失穩(wěn)發(fā)生在加載開始后第5 643 s，差應(yīng)力-時(shí)間曲線顯示變形包含了彈性變形、粘滑、破裂3個(gè)階段。在破裂前約1 600 s的N點(diǎn)出現(xiàn)了強(qiáng)烈的偏離線性現(xiàn)象，強(qiáng)偏離線性階段差應(yīng)力仍以較低速率增加，峰值點(diǎn)O之后差應(yīng)力開始緩慢下降，在臨界點(diǎn)A之后差應(yīng)力出現(xiàn)加速釋放，持續(xù)2～3 s后速率變緩，十多秒之后到達(dá)失穩(wěn)點(diǎn)B，發(fā)生失穩(wěn)。這一過程可由N、O、A、B劃分為4個(gè)階段：NO稱之為“強(qiáng)偏離線性階段”，OA稱之為“亞失穩(wěn)階段Ⅰ”，AB稱之為“亞失穩(wěn)階段Ⅱ”，B之后是“破裂失穩(wěn)階段”。新熱像儀的溫度分辨率顯著提高，不經(jīng)處理的熱像圖即可觀測(cè)到破裂失穩(wěn)階段的斷層及巖橋區(qū)溫度變化（圖1），通過空間和時(shí)間的平滑處理及背景去除可以獲得更加詳細(xì)的信息。

對(duì)巖橋區(qū)和斷層帶的熱像圖進(jìn)行分析，結(jié)果顯示：①不同階段發(fā)生溫度變化的空間位置和特點(diǎn)都不同：強(qiáng)偏離線性階段，巖橋區(qū)明顯增溫，個(gè)別位置降溫，上斷層出現(xiàn)高溫點(diǎn)并開始擴(kuò)展；亞失穩(wěn)階段Ⅰ，上斷層增溫加速；亞失穩(wěn)階段Ⅱ，斷層帶出現(xiàn)兩次增溫加速以及協(xié)同化加速, 巖橋區(qū)內(nèi)側(cè)降溫；破裂階段，樣品除了斷層帶及其鄰近區(qū)域增溫之外都降溫，降溫最明顯的區(qū)域在巖橋區(qū)。②斷層錯(cuò)動(dòng)的方式：從多點(diǎn)開始，分別向兩邊擴(kuò)展，逐步連接，在失穩(wěn)前出現(xiàn)增溫協(xié)同化。③溫度變化的機(jī)理：強(qiáng)偏離線性階段的巖橋區(qū)增溫是由應(yīng)力集中引起的，個(gè)別位置降溫是巖橋區(qū)局部破裂導(dǎo)致；亞失穩(wěn)階段的斷層帶增溫現(xiàn)象是應(yīng)力增加和帶內(nèi)充填物發(fā)生微破裂相互摩擦共同作用的結(jié)果，巖橋區(qū)降溫是由于斷層擴(kuò)展，出現(xiàn)裂縫。據(jù)此可推測(cè)變形過程分為4個(gè)階段:巖橋區(qū)破裂、斷層局部損傷、裂縫擴(kuò)展、失穩(wěn)錯(cuò)動(dòng)。

總之，實(shí)驗(yàn)表明熱場(chǎng)與應(yīng)力應(yīng)變場(chǎng)關(guān)系密切，可以通過熱場(chǎng)對(duì)樣品的應(yīng)力狀態(tài)進(jìn)行分析判斷，為利用遙感熱紅外資料研究現(xiàn)今構(gòu)造運(yùn)動(dòng)提供物理依據(jù)。

圖1 破裂失穩(wěn)階段的熱像圖