平直断层黏滑过程失稳部位识别的实验探究范文

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《地震地质杂志》2016年第一期

摘要

实验室断层黏滑伴随有温度变化，温度不但与摩擦滑动有关，还与样本的应力状态相关。文中利用红外热像仪进行全场观测，研究平直断层黏滑不同阶段的热场演化。实验不仅观测到了峰值前后从应力积累转变为释放导致的温度由升转降的现象，还观测到了失稳后断层升温和块体降温的相反变化。更重要的是通过分析沿断层各个部位的温度随时间的变化，发现了识别失稳部位的温度前兆:失稳部位的温度从强偏离线性阶段开始，一直是相对高值，在亚失稳阶段升温速率突然增大，远高于其他部位。分离摩擦和应力的作用后，发现亚失稳阶段失稳部位的升温发生于围岩上而非断层带上，说明断层处于闭锁状态而相邻的围岩区域处于应力集中状态，推测满足这2个条件的部位可能是未来的失稳部位。此现象或许有助于野外发震位置的判断。

关键词亚失稳失稳部位地震前兆温度平直断层温度变化机理

引言

黏滑是伴随有应力降的突然滑动，Brace等(1966)将此作为地震机制。断层失稳释放的能量中，热能占了较大部分(Kanoetal．2006)，断层作用的热效应分析是研究断层活动的途径之一。以往的实验对断层黏滑失稳过程中的声发射、位移、应变演化进行过深入研究(马胜利等，1995;刘力强等，1995;邓志辉等，1995)，对温度的关注较少。马瑾等(2007，2012)利用铂电阻温度传感器分析了雁列断层、拐折断层失稳前后的温度变化，得到了有意义的结果(Maetal．2010)，但这种观测方式属于“点”观测，难以看到整个样本的“热场”变化。能连续记录变形过程中样本表面热场变化的红外热像仪，将更有助于获得黏滑失稳过程中的时空演化特征。一般认为岩石变形过程中的生热主要来源于不可逆过程，如摩擦、损伤，塑性变形等。实际上，实验与理论研究证实(耿乃光等，1998;刘力强等，2004;刘培洵等，2004;陈顺云等，2009;刘善军等，2009;张艳博等，2011):可逆过程(弹性变形过程)也会引起温度变化，即在绝热环境下，岩石等受热膨胀的材料，挤压升温，拉张降温。也就是说，通过对变形过程中的温度观测，还能获得标本的应力状态变化信息。因此，利用红外热像仪作为观测手段，共有3个优点:一是可以获得断层作用产生的热效应，二是可以获得场观测数据，三是可能获得失稳过程中应力变化产生的热信息，进而获得失稳时的应力变化情况。亚失稳阶段是失稳前的最后阶段(马瑾等，2012，2014)，研究这个变形阶段各种物理场的演化特点对于判断失稳至关重要。亚失稳研究的主要内容之一是分析未来震源区及其相关物理场特征，并研究其影响因素。前述研究已得出断层失稳具有“多点错动”的特征(任雅琼等，2013)，但起始错动点，即失稳部位，是否在亚失稳阶段存在可识别的温度变化特征，仍需要进一步研究。基于上述原因，本文利用红外热像仪对平直断层黏滑失稳过程的温度场进行分析，以期获得1个黏滑周期内的温度演化特征，特别关注失稳部位温度随时间的变化，希望从亚失稳阶段的温度变化中得到能提前判断失稳部位的信息。

1实验条件和数据处理

时间域的噪声通过邻域平均进行低通滤波。图3b中的黑色曲线为所分析黏滑事件去环境影响后的温度变化放大图，可见其受高频噪声影响较大。为消除噪声，利用多个不同大小窗口进行低通滤波，结果表明窗口为0.22s(11个采集数据)时，能最大程度地保持原数据的细微趋势变化。对数据进行噪声评价:加载条件下岩石样本红外测量原始数据的均方差为3.82mK，去环境影响及低通滤波后变为1.93mK。空间域的噪声通过均值滤波去除。在数据处理过程中，为突出显示温度变化，在时间上，对所有数据相对于某稳态时刻归零;在空间上，以某幅图像作为背景求取热像增量图。红外热像仪与双向伺服压机的对时一直是此类实验中的关键问题。压机输出的应力变化阶段对应热像仪的何种温度变化，必须在精确对时的前提下才能回答。本次实验缺少红外热像仪与压机的对时，只能通过将热像仪快速升温起始点和压机快速应力降起始点对齐的方法进行对时，这种方法(称其为方法一)是否可行需要通过补充实验进行验证。补充实验对同样的样本，以相同的方式加载，通过CCD相机间接对热像仪和压机进行对时。具体方法(称其为方法二)为:在样本上方架设红外热像仪和相机，调整其位置使断层位于二者的视域正中，黏滑后待温度变化恢复后在样本上方将标志物闭合，保证闭合图像同时出现在热像仪和相机的视域中;分别在红外输出结果和相机输出结果中找到每次对时标志物闭合的时刻;首先将压机与相机对时，即压机差应力最大应力降速率起点与相机得到的最大位移速率起点一致;然后将红外热像仪与相机对时，输出的红外热像仪时间序列与压机时间序列为对时后的结果。结果显示，快速升温起始点与快速应力降起始点相差0.1～0.5s，也就是说假定方法二的对时结果是正确的，方法一的对时结果误差最大为0.5s，本文分析的实验结果中，升降温现象持续时间多＞2s，因此在本次实验中通过方法一对时是可行的。

2实验结果

2.1峰值前后的温度增量场

2.2失稳后不同部位的温度变化

2.3失稳部位的识别 

为进一步分析升温机制，分别选取宽1.54mm的断层带(剖面2，位置参见图1a)和距离断层2mm，相同宽度的围岩区(剖面3，位置参见图1a)进行分析。为突出细节，将整条断层剖面进一步细分为28个区域。在B时刻之前，对比断层带(图7a)与围岩区(图7b)可见，围岩区64mm处(红色箭头所示部位，即图6中的部位1)一直处于升温状态，且在亚失稳阶段有增强的趋势，而断层带相同位置无升温现象。其他几个部位在断层和围岩区都可看到升温。因此部位1在围岩上表现为应力集中，在断层带上表现为闭锁(无断层位移，无摩擦滑动升温)，其温机理是应力致热。B时刻之后，围岩区的增温是断层带摩擦热效应传导所致。在亚失稳阶段，应力集中加剧的原因可能与断层带预滑区扩展有关，图b中无法观测到预滑现象的原因是整个样本体应力下降导致的降温掩盖了升温现象。在远离断层带的围岩上选取相同面积的对照区域，减去其平均温度以去除体应力导致的降温。可观测到亚失稳阶段断层带非闭锁区有升温加剧的现象(图8中的红色虚线框所示)，此升温应是预滑所致。本实验室早期的研究(马胜利等，1995)发现，在某些黏滑发生前的一段时间，源区应变增加，断层位移几乎无增加甚至反向，邻区应变可能下降，临近黏滑有预滑现象。最近的研究(马瑾等，2014)还发现亚失稳阶段应变释放加速扩展，应变积累则在范围上缩小，幅度上增大。本文结果印证了上述观点，并进一步揭示了应力应变、断层位移与失稳部位的关系以及热场上的表现。由于应力导致的升温一般较低，而图7b显示的升温较高，可能高应力集中导致微破裂产生，在不断加载的条件下也会发生摩擦升温的现象，此推测还需进一步验证。

3结论与讨论

本文利用红外热像仪观测平直断层黏滑过程温度场的变化。在研究不同变形阶段温度变化的基础上，探索失稳部位在失稳前的温度变化特征，得到以下实验结果:(1)峰值前后的热场演化特征及机理:峰值前样本以升温为主，峰值后亚失稳阶段样本温度在以降温为主的背景上起伏变化;峰值前的升温主要由应力积累引起，峰值后亚失稳阶段块体降温由应力松弛引起，断层区域升温则是摩擦和应力集中互相交错，共同作用的结果。(2)失稳后不同部位的热场演化特征及机理:失稳时刻，样本块体降温，断层迅速升温;块体降温的机理是应力松弛，断层升温的机理是摩擦滑动;2个部位相反的温度变化是失稳后热场的主要特征。(3)失稳部位的热场特征:将失稳时最先升温，且升温幅度最高的部位称为失稳部位，研究发现，失稳部位在强偏离线性阶段后升温就处于相对高值，在亚失稳阶段升温速率突升。此现象或许有助于利用温度数据推测可能的发震位置。(4)失稳部位的温度机理分析:失稳前的温度变化机理比较复杂，分析显示升温存在于围岩上而非断层上，说明升温是围岩上的高应力集中所致。断层带上无摩擦导致的升温说明断层带处于闭锁状态。机理分析的结果表明满足断层带闭锁且附近围岩应力集中这2个条件的部位可能是未来的失稳部位.此项研究才刚刚开始，鉴于应变片对热场存在干扰，以往的实验中应变与温度这2个物理量往往分别进行测量。为进一步认识温度场与应变场的关系，采用不会影响温度场的数字图像方法研究应变场，开展温度场与应变场同步观测的实验十分必要。致谢汲云涛助理研究员和卓燕群为实验提供了帮助，深表感谢。

参考文献

陈顺云，刘力强，刘培洵，等．2009．应力应变与温度响应关系的理论与实验研究［J］．中国科学(D辑)，52(11):1825—1834．

陈顺云，刘培洵，刘力强，等．2013．芦山地震前康定地温变化现象［J］．地震地质，35(3):634—640．

陈顺云，马瑾，刘培洵，等．2014．利用卫星遥感热场信息探索现今构造活动:以汶川地震为例［J］．地震地质，36(3):775—793．

耿乃光，于萍，邓明德，等．1998．热红外震兆成因的模拟实验研究［J］．地震，18(1):83—88．

郭啟良，王成虎，马洪生，等．2009．汶川MS8.0大震前后的水压致裂原地应力测量［J］．地球物理学报，52(5):1395—1401．

刘力强，陈国强，刘培洵，等．2004．岩石变形实验热红外观测系统［J］．地震地质，26(3):492—501．

作者:任雅琼 马瑾 刘培洵 陈顺云 单位:中国地震局地质研究所，地震动力学国家重点实验室