形成新生斷裂的臨界角度及其與強(qiáng)烈地震發(fā)生的關(guān)系

劉書花，王曉，張建偉

(1.山東省分析測(cè)試中心, 山東 濟(jì)南 250014; 2. 青島大學(xué)環(huán)境科學(xué)學(xué)院，山東 青島 266071)

形成新生斷裂的臨界角度及其與強(qiáng)烈地震發(fā)生的關(guān)系

劉書花1，王曉1，張建偉2

(1.山東省分析測(cè)試中心, 山東 濟(jì)南 250014; 2. 青島大學(xué)環(huán)境科學(xué)學(xué)院，山東 青島 266071)

選取具有薄弱面或破裂面的細(xì)?；◢弾r塊狀露頭標(biāo)本，在實(shí)驗(yàn)室模擬高溫高壓環(huán)境條件進(jìn)行測(cè)試，研究巖石產(chǎn)生新破裂面的受力臨界角度。在溫度100 ℃、圍壓100MPa和溫度200 ℃、圍壓200MPa的環(huán)境條件下，按照與主應(yīng)力夾角的不同度數(shù)變化分別進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，當(dāng)夾角α處于0°～30°時(shí)，巖石沿原破裂面穩(wěn)滑；夾角α處于30°～60°時(shí)，以粘滑為主；夾角α處于60°～90°時(shí)，以新破裂面的產(chǎn)生為主；可能產(chǎn)生新破裂面的臨界角度范圍為50°～65°，當(dāng)夾角α大于65°時(shí)，新破裂產(chǎn)生。對(duì)巖石出現(xiàn)的穩(wěn)滑-粘滑-新破裂現(xiàn)象，通過(guò)分析切面所受應(yīng)力(σ)與應(yīng)變率(ε)的關(guān)系進(jìn)行了解釋。根據(jù)莫爾圓理論認(rèn)為，復(fù)雜斷裂背景下，巖石的受力角度對(duì)于新破裂面的產(chǎn)生將有著決定性作用，而作用力狀態(tài)一定時(shí)，新破裂產(chǎn)生的臨界角度60°是可能導(dǎo)致強(qiáng)烈地震發(fā)生的危險(xiǎn)值。

高溫高壓；臨界角度；新生斷裂；強(qiáng)烈地震

“新生斷裂”指的是在現(xiàn)今區(qū)域應(yīng)力場(chǎng)作用下巖石發(fā)生破裂而新形成的斷裂，是震源巖石經(jīng)受的應(yīng)力達(dá)到或超過(guò)其破裂極限強(qiáng)度時(shí)發(fā)生的宏觀脆性破裂，是產(chǎn)生構(gòu)造型地震的基本力學(xué)機(jī)制之一[1-3]。Scholz等[4-6]指出，地震重復(fù)發(fā)生的機(jī)制是一定的溫度、壓力及應(yīng)變率等條件下地殼巖石的滑動(dòng)。而室內(nèi)實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以加深對(duì)地震復(fù)發(fā)機(jī)制的認(rèn)識(shí)，王繩祖等[7]認(rèn)為高溫高壓條件下巖石破裂實(shí)驗(yàn)與自然環(huán)境斷層破裂和摩擦滑移具有類似的孕育過(guò)程和發(fā)生機(jī)制。根據(jù)莫爾圓理論，巖石的受力角度對(duì)于新破裂面的產(chǎn)生將有著決定性作用[8]。因此，通過(guò)高溫高壓實(shí)驗(yàn)，可以模擬研究形成新生斷裂的臨界角度及其與強(qiáng)烈地震發(fā)生的關(guān)系。

1 高溫高壓實(shí)驗(yàn)

1.1 樣品采集及預(yù)處理

考慮到高溫高壓的實(shí)驗(yàn)條件及巖石物理性質(zhì)的變化，對(duì)比巖石的硬度、塑性、摩擦等因素，選取細(xì)?；◢弾r巖石標(biāo)本作為實(shí)驗(yàn)對(duì)象，進(jìn)行溫壓測(cè)試。經(jīng)過(guò)實(shí)地考察，從吉林省長(zhǎng)春市周邊地區(qū)采集具有薄弱面或破裂面的細(xì)粒花崗巖塊狀露頭樣品。對(duì)采集的巖石樣品在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)進(jìn)行預(yù)處理加工，在原有破裂面基礎(chǔ)上，按照一定的角度，切割成所需的樣品形狀，規(guī)格為直徑2.5cm、高5cm的圓柱體。

1.2 實(shí)驗(yàn)條件

高溫高壓實(shí)驗(yàn)用于研究巖石圈深部地球科學(xué)問(wèn)題具有良好的應(yīng)用效果，一般采用活塞圓筒式高溫高壓三軸實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)完成。該套系統(tǒng)由實(shí)驗(yàn)室自組裝，是在已有高溫高壓三軸壓力實(shí)驗(yàn)裝置設(shè)備的基礎(chǔ)上組裝升級(jí)完善而成，主要包括溫度控制裝置、壓力控制裝置(含加壓和穩(wěn)壓)、數(shù)據(jù)采集與分析的及測(cè)量裝置等。系統(tǒng)的相關(guān)參數(shù)為：溫度25～1 000 ℃、圍壓0～2GPa、差應(yīng)力0～5Gpa、控制精度1/1 000。采用低電壓高電流內(nèi)加熱方式和靜態(tài)高壓技術(shù)，通過(guò)電腦精確自動(dòng)控制，分別由不同的裝置獨(dú)立產(chǎn)生，以提供穩(wěn)定的高溫高壓實(shí)驗(yàn)環(huán)境。

本次實(shí)驗(yàn)采用100 ℃、100MPa和200 ℃、200MPa兩種條件進(jìn)行(表1)。

表1 實(shí)驗(yàn)條件

1.3 實(shí)驗(yàn)過(guò)程及結(jié)果

模擬高溫高壓環(huán)境條件對(duì)柱狀樣品進(jìn)行測(cè)試。將預(yù)處理后的圓柱體巖石樣品放入高溫高壓實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的測(cè)試臺(tái)，控制并設(shè)定在所需的溫度和圍壓條件下，逐漸施加應(yīng)力(σ0)，觀察巖石滑動(dòng)特征及其物理狀態(tài)變化。

當(dāng)在溫度100 ℃、圍壓100MPa的環(huán)境條件下，按照與主應(yīng)力(σ0)的夾角(α)變化(圖1)，以10°為間隔，從10°開始至80°共做了8個(gè)級(jí)別實(shí)驗(yàn)，每個(gè)級(jí)別重復(fù)兩次，重點(diǎn)考察不同夾角條件下沿裂隙的滑動(dòng)特征。由實(shí)驗(yàn)結(jié)果(表2)可見，當(dāng)夾角小于30°時(shí)，以沿先存破裂面的穩(wěn)滑為主要特征；在30°～60°之間，以粘滑為主；在大于60°時(shí)，以新破裂面的產(chǎn)生為主要特征。

在溫度200 ℃、圍壓200MPa的環(huán)境條件下，進(jìn)一步進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測(cè)試。按照與主應(yīng)力(σ0)的夾角(α)變化，做了15°、30°、45°、60°、75°共5個(gè)級(jí)別實(shí)驗(yàn)，每個(gè)級(jí)別重復(fù)兩次。結(jié)果與條件1的實(shí)驗(yàn)結(jié)果相近，當(dāng)α為15°和30°時(shí)，顯示為穩(wěn)滑的特征；45°和60°時(shí)，顯示為粘滑的特征；75°時(shí)產(chǎn)生新破裂面。然后又從60°開始，以?shī)A角(α)變化1°為間隔進(jìn)行實(shí)驗(yàn)；當(dāng)α為65°時(shí)，產(chǎn)生新破裂面。之后又對(duì)α角45°～65°之間以3°為間隔進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)此范圍中，尤其是50°～65°間，也可能產(chǎn)生新破裂面。

綜合兩種條件下的實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，當(dāng)夾角α處于0°～30°時(shí)，巖石沿先存破裂面的穩(wěn)滑為主要特征；夾角α處于30°～60°時(shí)，以粘滑為主；夾角α處于60°～90°時(shí)，以新破裂面的產(chǎn)生為主?？赡墚a(chǎn)生新破裂面的臨界角度范圍為50°～65°，當(dāng)夾角α大于65°時(shí)，新破裂產(chǎn)生。圖2中灰色區(qū)域?yàn)榕R界角度值的范圍。

圖1 樣品受力條件示意圖Fig.1 Schematic diagram of sample under the conditions of force

圖2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析示意圖Fig.2 Schematic diagram of experimental result analysis

夾角α樣品數(shù)特征0°～30°6穩(wěn)滑30°～60°6粘滑60°～90°4新破裂

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

可以參照?qǐng)D1來(lái)分析巖石受力情況，作用于巖石原破裂面上的應(yīng)力σ與施加的應(yīng)力σ0的關(guān)系為：

σ=σ0·sinα 。

巖石破裂面所受應(yīng)力σ隨夾角α的增大而增加，因而巖石出現(xiàn)了穩(wěn)滑-粘滑-新破裂的現(xiàn)象。不同角度的巖石切面所受應(yīng)力(σ)與應(yīng)變率(ε)的關(guān)系見圖3。穩(wěn)滑狀態(tài)時(shí)，二者關(guān)系呈一較平滑曲線，隨著角度α的增大和受到的應(yīng)力σ的變大，ε也穩(wěn)步增大；粘滑狀態(tài)時(shí)，隨著受到的應(yīng)力σ的變大，所受摩擦力等阻力隨之變大，不斷出現(xiàn)能量蓄積的過(guò)程，當(dāng)破除前一阻力時(shí)，又進(jìn)入下一能量的蓄積過(guò)程；新破裂產(chǎn)生狀態(tài)時(shí)，伴隨著破裂的不斷產(chǎn)生，實(shí)現(xiàn)能量的緩沖和釋放。

圖3 不同角度的巖石切面應(yīng)力(σ)與應(yīng)變率(ε)關(guān)系示意圖Fig.3 The slice stress(σ)versus strain rate (ε)of different angles

3 與強(qiáng)烈地震發(fā)生的關(guān)系

3.1 理論分析

根據(jù)莫爾圓理論，莫爾圓能較好地反映受力物體內(nèi)一點(diǎn)任意截面的應(yīng)力狀態(tài)，以及任意相互垂直截面上應(yīng)力的關(guān)系。巖石的受力角度對(duì)于新破裂面的產(chǎn)生將有著決定性作用。巖體內(nèi)一點(diǎn)的任意截面上的正應(yīng)力和剪應(yīng)力值與兩個(gè)相互垂直的主應(yīng)力的大小和性質(zhì)有關(guān)，也與這個(gè)截面和主平面的交角有關(guān)系。也就是說(shuō)，如果知道一點(diǎn)的兩個(gè)方向主應(yīng)力的大小和方位，就能把這點(diǎn)的應(yīng)力狀態(tài)全部確定。而如果應(yīng)力達(dá)到或超過(guò)巖石的強(qiáng)度極限時(shí)，巖石內(nèi)部的結(jié)合力遭到破壞，將產(chǎn)生破裂面，使巖石失去連續(xù)完整性，這時(shí)巖石就發(fā)生斷裂變形，這是形成新斷裂和發(fā)生強(qiáng)烈地震的基礎(chǔ)[8-13]。

3.2 形成新生斷裂過(guò)程

通過(guò)形成新生斷裂的臨界角度分析示意圖(圖4)，對(duì)新生斷裂的形成過(guò)程及臨界角度進(jìn)行簡(jiǎn)述：即在復(fù)雜斷裂背景下，實(shí)線表示已有斷裂，左右兩雙線箭頭表示所受應(yīng)力；已有斷裂縱橫交錯(cuò)，接受應(yīng)力作用，應(yīng)力作用點(diǎn)在點(diǎn)虛線與斷層A相交點(diǎn)；應(yīng)力作用線與斷層A相交的交角為α。

結(jié)合高溫高壓模擬實(shí)驗(yàn)結(jié)果，當(dāng)作用力狀態(tài)一定時(shí)，在α角度的一定范圍內(nèi)(<50°)，地層將沿已有斷層A發(fā)生滑動(dòng)，如圖4中A斷層兩側(cè)用反向兩箭頭標(biāo)出；而當(dāng)α進(jìn)入另一范圍時(shí)(>65°)，地層將不再沿已有斷層A滑動(dòng)，而是產(chǎn)生新的斷層.因此，α角度50°～65°范圍內(nèi)，原有地層為不斷積累能量階段，直至巖石破裂，形成新的斷層，這將導(dǎo)致破壞性強(qiáng)烈地震的發(fā)生。α角度50°～65°為強(qiáng)烈地震發(fā)生的臨界角度危險(xiǎn)值。

圖4 形成新生斷裂的臨界角度分析示意圖Fig.4 Schematic diagram of the critical angle to generate new rupture

4 結(jié)論

(1)采取長(zhǎng)春市周邊地區(qū)具有薄弱面或破裂面的細(xì)粒花崗巖塊狀露頭樣品，在吉林大學(xué)深部地質(zhì)實(shí)驗(yàn)室模擬高溫高壓環(huán)境條件進(jìn)行測(cè)試。結(jié)果顯示，夾角α處于0°～30°時(shí)，巖石沿原破裂面穩(wěn)滑；夾角α處于30°～60°時(shí)，以粘滑為主；夾角α處于60°～90°時(shí)，以新破裂面的產(chǎn)生為主。產(chǎn)生新破裂面的臨界角度范圍為50°～65°，當(dāng)夾角α大于65°時(shí)，新破裂產(chǎn)生。并對(duì)文中上述現(xiàn)象進(jìn)行了闡釋。

(2)結(jié)合莫爾圓理論和實(shí)際地層的復(fù)雜斷裂背景，巖石斷裂變形是形成新斷裂和發(fā)生強(qiáng)烈地震的基礎(chǔ)，強(qiáng)烈地震發(fā)生臨界角度危險(xiǎn)值為α角度50°～65°。

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Thecriticalanglewhichenablestheformationofanewfractureanditsrelationwithstrongearthquake

LIUShu-hua1,WANGXiao1,ZHANGJian-wei2

(1.ShandongAnalysisandTestCenter，Jinan250014，China. 2.DepartmentofEnvironmentalSciences,QingdaoUniversity,Qingdao266071,China)

∶Thefine-grainedmassivegraniteoutcropsampleswithaweakorbrokensurfacewereselected,theforcecriticalanglewhichledtothenewrupturesurfaceoftherockwasstudiedunderhightemperatureandhighpressuresimulatedinthelab.Underthetemperature100 ℃,confiningpressure100MPaandthetemperature200 ℃,confiningpressure200MPa,theexperimentsweremadeseparatelythroughchangingtheanglewithprincipalstress.Theresultsshowedthatwhentheangleαwas0°～30°,therocksteadilyslippedalongtheoriginalrupturesurface;whentheangleαwas30°～60°,thefaultwasdominatedbystick-slip;whentheangleαwas60°～90°,mainlyledtothegenerationofthenewrupturesurface;thecriticalanglelikelytogenerateanewrupturesurfacerangesbetween50°～65°;thenewruptureoccurredwhentheangleαwasgreaterthan65°.Thephenomenon,whichoccurredonrocks,suchasstablesliding,stick-slip,andanewrupturesurfacegeneration,wasexplainedbyanalyzingtherelationshipbetweenthestressfromdifferentslices(σ)andstrainrate(ε) .AsisshowedinMohr′scircletheory,underthecomplexfracturebackground,therockstressanglehasdominanteffectonthegenerationofthenewfracture,andforagivenactioncondition,thecriticalangle60°ledtothenewfracturewaspossiblythedangerousvaluewhichcouldcausethestrongearthquake.

∶hightemperatureandhighpressure;criticalangle;newfracture;strongearthquake

2016-12-12

山東省科技發(fā)展計(jì)劃(2014GGH202004)

劉書花(1980 —)，女，博士，研究方向?yàn)榄h(huán)境監(jiān)測(cè)。E-mail：liushuhuaosso@126.com

P

A

1002-4026(2017)02-0098-05