斷層亞失穩(wěn)階段熱場(chǎng)演化的實(shí)驗(yàn)研究及野外應(yīng)用探索

任雅瓊

(中國(guó)地震局地質(zhì)研究所，北京100029)

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斷層亞失穩(wěn)階段熱場(chǎng)演化的實(shí)驗(yàn)研究及野外應(yīng)用探索

任雅瓊

(中國(guó)地震局地質(zhì)研究所，北京100029)

亞失穩(wěn)階段位于應(yīng)力時(shí)間曲線上峰值時(shí)刻O與失穩(wěn)時(shí)刻B之間。亞失穩(wěn)前期的準(zhǔn)靜態(tài)應(yīng)力釋放在后期轉(zhuǎn)為準(zhǔn)動(dòng)態(tài)釋放，以時(shí)刻A作為轉(zhuǎn)折點(diǎn)。亞失穩(wěn)階段的識(shí)別對(duì)于地震時(shí)間預(yù)測(cè)具有重要意義。

根據(jù)以往研究，構(gòu)造變形中引起溫度變化主要有兩種機(jī)理：由應(yīng)力積累和釋放引起的升溫和降溫以及由摩擦引起的升溫。亞失穩(wěn)階段是上述兩種溫度變化機(jī)制并存的階段，它們?cè)趤喪Х€(wěn)階段的演化特點(diǎn)可能成為識(shí)別亞失穩(wěn)階段的判據(jù)之一。

本文以亞失穩(wěn)階段的熱場(chǎng)演化為主要研究對(duì)象，在雙向伺服壓機(jī)上開展了含不同幾何結(jié)構(gòu)花崗閃長(zhǎng)巖樣本的變形實(shí)驗(yàn)，取得的主要結(jié)果如下：

(1) 圍巖降溫是樣本變形進(jìn)入亞失穩(wěn)階段的主要熱場(chǎng)標(biāo)志。應(yīng)力峰值前，圍巖和斷層整體變形，熱場(chǎng)表現(xiàn)為整體性升溫，從熱像上無(wú)法判斷斷層位置。進(jìn)入亞失穩(wěn)階段后，圍巖出現(xiàn)范圍較大的降溫，降溫的機(jī)理是應(yīng)力釋放，而應(yīng)力釋放是由于斷層帶局部區(qū)域出現(xiàn)了預(yù)滑。

(2) 斷層帶升溫增強(qiáng)及擴(kuò)展是樣本變形進(jìn)入亞失穩(wěn)階段后期準(zhǔn)動(dòng)態(tài)階段的主要熱場(chǎng)標(biāo)志。準(zhǔn)靜態(tài)階段，斷層帶上個(gè)別部位升溫較高，經(jīng)分析位于靠近斷層帶的圍巖上，升溫的機(jī)制是應(yīng)力集中； 進(jìn)入準(zhǔn)動(dòng)態(tài)階段后，升溫區(qū)域逐漸增多、擴(kuò)大，最后加速連接。升溫幅度呈數(shù)量級(jí)的增加，升溫發(fā)生在斷層上，實(shí)質(zhì)上是預(yù)滑區(qū)的擴(kuò)展連接，其機(jī)理是摩擦生熱。準(zhǔn)動(dòng)態(tài)階段是斷層活動(dòng)協(xié)同化的過(guò)程，也是升溫機(jī)制由準(zhǔn)靜態(tài)階段的應(yīng)力為主轉(zhuǎn)為摩擦為主的階段。

(3) 斷層帶局部無(wú)升溫且附近圍巖持續(xù)高溫的部位可能是未來(lái)的失穩(wěn)部位。將失穩(wěn)時(shí)升溫幅度最高的部位稱為失穩(wěn)部位。研究發(fā)現(xiàn)，失穩(wěn)部位在強(qiáng)偏離線性階段后升溫就處于相對(duì)高值，在亞失穩(wěn)階段升溫速率突升。分析顯示失穩(wěn)前的升溫存在于圍巖上而非斷層上，說(shuō)明升溫是圍巖上高應(yīng)力集中所致，與升溫部位平行的斷層帶無(wú)升溫現(xiàn)象，處于閉鎖狀態(tài)。因此，滿足斷層帶閉鎖且附近圍巖應(yīng)力集中這兩個(gè)條件的部位可能是未來(lái)的失穩(wěn)部位。

(4) 不同構(gòu)造型式斷層的熱場(chǎng)演化既有共性，又有區(qū)別。上述熱場(chǎng)特點(diǎn)在平直斷層粘滑失穩(wěn)過(guò)程中表現(xiàn)最明顯。對(duì)于壓性雁列斷層，早在峰值前的強(qiáng)偏離線性階段，圍巖就出現(xiàn)降溫現(xiàn)象，升溫集中于巖橋區(qū)。拐折斷層受拐點(diǎn)阻礙，應(yīng)力釋放較難，亞失穩(wěn)階段圍巖的降溫以及斷層帶的升溫?cái)U(kuò)展較弱。不同構(gòu)造型式的斷層熱場(chǎng)演化既有共性，又有區(qū)別，應(yīng)用于野外分析時(shí)應(yīng)充分考慮斷層幾何結(jié)構(gòu)的影響。

在熱場(chǎng)演化及機(jī)理分析的基礎(chǔ)上，本文還建立了斷層變形失穩(wěn)的熱場(chǎng)模型，并得到了位移場(chǎng)的驗(yàn)證?；趯?shí)驗(yàn)結(jié)果，地震前與應(yīng)力有關(guān)的溫度變化中，斷層周圍大面積的降溫更有可能意味著此區(qū)域變形進(jìn)入了亞失穩(wěn)階段。本文以2008年汶川地震前的臨震變化及依蘭伊通斷裂帶對(duì)2011年?yáng)|日本大地震的響應(yīng)為例，對(duì)構(gòu)造變形引起的溫度變化進(jìn)行探討。本文的研究成果有助于地震前兆數(shù)據(jù)的觀測(cè)及分析。

關(guān)鍵詞亞失穩(wěn)應(yīng)力狀態(tài)； 熱場(chǎng)； 地震前兆； 溫度； 溫度變化機(jī)制； 粘滑； 平直斷層； 壓性雁列斷層； 拐折斷層

(作者電子信箱，任雅瓊：renyaqiongj@163.com)

中圖分類號(hào)：P315；

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A；

doi:10.3969/j.issn.0235-4975.2016.06.008