地球物理学报  2012, Vol. 55 Issue (1): 171-179   PDF    
断层黏滑动态变形过程的实验研究
宋义敏1, 马少鹏2 , 杨小彬4, 郭文婧2, 施惠基1     
1. 清华大学工程力学系, 北京 100084;
2. 北京理工大学宇航学院, 北京 100081;
3. 中国地震局地质研究所地震动力学国家重点实验室, 北京 100029;
4. 中国矿业大学(北京)资源与安全工程学院, 北京 100083
摘要: 实验研究断层黏滑过程的变形演化,尤其是失稳黏滑瞬间的断层位移演化特征,对于了解地震从孕育到发生的全过程具有重要意义.本文基于数字散斑相关方法(digital speckle correlation method, DSCM),用三套图像采集系统(两套低速和一套高速图像采集系统)搭建了断层黏滑过程的多观测区域、多时间尺度的变形场测量系统,并用此系统对一种花岗岩双剪滑动模型的黏滑过程进行了实验研究.对间黏滑期和黏滑期断层位移演化特征进行深入分析的结果表明:间黏滑期断层位移演化体现出空间上的非均匀性和时间上的"趋同化"特征,断层滑动趋同化也许是断层错动匀阻化的一种宏观表现形式;断层黏滑动态过程持续时间非常短(本文300 mm断层黏滑过程持续时间约在1 ms量级),黏滑失稳前会出现预滑,预滑出现到黏滑失稳发生所经历的时间与黏滑失稳过程所用时间相差一个量级;断层的一次黏滑由若干个滑动速度不同的、小的失稳滑动组成,黏滑失稳过程中断层的滑动速度呈现出波动性,整个滑动过程中断层经历了多个高速滑动和低速滑动的交错.
关键词: 断层黏滑      数字散斑相关方法      动态变形      间黏滑期      黏滑期     
Experimental study on the dynamic displacement evolution of fault in stick-slip process
SONG Yi-Min1, MA Shao-Peng2, YANG Xiao-Bin4, GUO Wen-Jing2, SHI Hui-Ji1     
1. Department of Mechanics and Engineering, Tsinghua University, Beijing 100084, China;
2. College of Aerospace Engineering, Beijing Polytechnic University, Beijing 100081, China;
3. State Key Laboratory of Earthquake Dynamics, Institute of Geology, China Earthquake Administration, Beijing 100029, China;
4. Institute of Resources and Safety Engineering, China Mining University(Beijing), Beijing 100083, China
Abstract: Observation of the deformation evolution of a stick-slipping fault, especially the dynamic fault displacement evolution characteristics during the very short period of unstable stick-slip, is of great importance to the understanding of initialization and occurrence of earthquakes. Based on the digital speckle correlation method (DSCM), a deformation observation system with multi measurement areas and multi data acquisition speeds is constructed by combining 3 different (2 low speed and 1 high speed) CCD cameras. The stick-slip of a double-shearing slipping rock specimen made of Fangshan granodiorite is experimentally studied, and the fault displacements in the locked stage and the unstable slipping stage are measured using DSCM. The experimental results show that the fault displacements on different locations are different and spatially heterogeneous in the locked stage, however the displacements tend to be uniform at the end of the stage. The uniformization of the fault displacements could probably be considered as a macro form of expression of the uniformization of fault friction resistance. The dynamic displacement results show that the duration of the unstable stick-slip of the fault is very short (about 1 ms for the 300 mm long fault in the experiment in this paper). Pre-slip, i.e., an obvious acceleration of the slipping speed just before the unstable slip is found in the experiment. The duration of the pre-slip is about one order of magnitude longer than that of the stick-slip. The slipping speed of the fault varies during the stick-slip. The whole stick-slip is composed of several unstable slips with different slipping speeds.
Key words: Stick-slip of fault      Digital speckle correlation methods      Dynamic deformation      Locked stage      Unstable slipping stage     
1 引 言

自从Brace和Byerlee[1]提出岩石摩擦实验中的黏滑现象可作为浅源地震的一种机制以来,学者们已经利用模型实验,在断层黏滑方面开展了大量的工作[2-4].尤其是近年来,随着各种实验观测手段的改进,断层滑动中各种物理和力学量的时空非均匀特征及其演化过程、断层滑动的失稳成核等问题引起了学者们广泛的研究兴趣[5-11].在研究断层黏滑过程的构造物理实验中,声发射技术、基于电阻应变片的应变和断层位移测量技术是常用的实验观测手段,其中,声发射被用来定性或半定量地研究断层黏滑过程中微破裂的时、空、强分布及演化[5-7],而应变片和断层位移计被用来定量地测量断层实验模型局部区域的应变和断层的错动位移.在断层黏滑过程变形定量研究方面,马瑾等[8]利用多通道应变测量系统,研究了走滑断层带中常见的断层组合模型在变形破坏过程中的应变场和断层位移场,讨论了断层几何结构与失稳类型及前兆特征的关系;马胜利等[9]、刘力强等[10]以及邓志辉等[11]对摩擦过程中沿断层带的应变和断层位移进行了观测和分析,得到了这些变形场的时间和空间变化图像,并对黏滑失稳的类型及其孕育过程进行了讨论.Kato等[12]采用动态应变观测系统研究了拐折斜断层的滑动过程,根据剪应变监测结果分析了拐折对断层黏滑失稳演化的影响,并通过数值模型对实验结果进行了解释.这些研究得到的关于断层模型的局部变形,尤其是断层滑动位移演化特征对于断层滑动过程的分析非常重要.但是,在断层位移研究方面,由于目前采用的测量方法存在的缺陷,使得实验研究中的断层位移观测不能得到更加详实的信息,这一问题严重阻碍了对于断层黏滑问题更加深入的认识.对断层位移的研究来说,现有黏滑实验研究中多采用一种基于应变片的机械双悬臂梁式断层位移计来观测断层的滑动位移,测量时将断层位移计的两臂分别粘贴在断层两侧,断层的错动导致位移计两臂发生挠曲,引起悬臂梁的变形,用应变数据采集系统记录粘贴在悬臂梁上的应变便可换算出断层位移.用这种断层位移计研究断层黏滑过程时存在若干缺陷:首先,不同的机械式断层位移计由于其位移—应变转换系数标定上的困难使得不同测点之间测量值的比较存在一定难度,因此,现有文献中关于不同位置断层滑动量比较方面的研究较少;其次,机械式断层位移计需事先粘贴在试件表面才能进行测量,实验时只能获得粘贴点处的位移值,且试件失稳过程中的强烈振动等可能导致位移计脱粘失效,这些也进一步增加了机械式断层位移计在实验研究中的困难.

本文利用可进行全场变形非接触观测的数字散斑相关方法[13-14](digitalspecklecorrelation method,DSCM)研究断层黏滑的变形过程.在实验过程中用CCD 相机记录试件表面的天然散斑图像,对数据处理即可得到试件表面的位移场.分析位移场后可得到拍摄区域中断层任意位置处可对比的断层位移测量结果,使得断层不同位置断层位移的对比分析成为可能.利用高速相机对断层黏滑过程进行图像采集,图像采集速度为10000帧/s,实验结果显示在一次短暂的黏滑过程中实验系统可获得十多个有效的测量数据点,使对黏滑动态过程的分析成为可能.

本文采用DSCM 观测手段,以及特殊设计的多CCD 相机分区域、多时间尺度的数据采集系统研究一种花岗岩双剪滑动模型的黏滑过程,主要分析了断层滑动过程中(包括间黏滑期和黏滑期)断层位移的时空演化,得到了断层滑动,尤其是动态黏滑过程中的一些新规律.

2 断层黏滑实验

以岩石双面剪切摩擦法进行断层黏滑动态过程实验研究.实验加载在地震动力学国家重点实验室的卧式双向伺服控制试验机上进行,加载方式(及观测系统)如图 1a所示.实验模型选用房山花岗闪长岩(主要矿物成分为斜长石和石英,密度为2.7g/cm3,弹性模量为60.0GPa,泊松比为0.34,单轴抗压强度154.0 MPa)制成,模型由三个岩块组成,两侧两块为固定岩块,中间一块为滑动岩块,包含两个断层摩擦滑动面,每个滑动面的面积均为300 mm×50mm,实验前用300# 金刚砂对滑动面进行研磨(试件模型具体尺寸见图 1b)

图 1 (a)实验加载及观测系统,1-1# CCD相机;-2# CCD相机;3-高速相机;-光源;5-计算机;-加载装置;7-试件;8-高 速相机触发装置;b)试件尺寸及观测区域布置(数字单位:mm)八-2#CCD相机观测区域,区域尺寸为156 mm ×117 mm; B-1#CCD相机观测区域,区域尺寸为156 mm ×117 mm; C-高速相机观测区域,区域尺寸为200 mm ×200 mm—为位移加载对试件施加的力,^为对试件施加的侧向压力 Fig. 1 (a) The experiment loading and observation system,1-1 # CCD camera; 2-2 # CCD camera; 3-high-speed camera; 4- light source; 5-computer; 6-loading system; 7-specimen; 8-the trigger device of high-speed camera; (b) The size of specimen and layout of observation area (unit: mm) ,A-the observation area of 2 # CCD camera,the size is 156 mm × 117 mm; B- the observation area of 1 # CCD camera,the size is 156 mm × 117 mm; C- the observation area of high-speed camera,the size is 200mm ×200mm; σ2 is force applied through the displacement load;

实验中按图 1所示方式用CCD 相机采集试件表面的图像,然后用DSCM 方法观测加载过程中试件表面的位移场.为了同时获取断层模型在加载过程中缓慢而长时间的稳定滑动和快速而短时间的失稳黏滑过程的观测信息,实验时用两台低速CCD 相机(1#CCD 相机和2#CCD 相机)以及一台高速CCD 相机同时对试件表面进行拍摄,三台相机的拍摄区域如图 1b 中所示.所用高速相机(PhotronFastcamSA1.1)图像采集速度设为10000 帧/s,图像分辨率为768pixel×768pixel,图像物面分辨率为0.261mm/pixel.高速相机可快速记录试件表面图像,但其采集时长有限,仅为2s,因此,实验中高速相机只负责采集断层黏滑失稳瞬态过程的试件表面图像,其数据主要用于黏滑失稳过程断层位移演化分析.1#和2#CCD(BaslerA641fCCD)相机图像采集速度设为3.5 帧/s,图像分辨率为1624pixel×1236pixel,图像的物面分辨率为0.098 mm/pixel.这两部相机对实验加载全过程中的图像进行采集,其中1#CCD 相机用于采集加载近端的图像,2#CCD 相机用于采集加载远端的图像.

实验采用保持侧向压力不变条件下的剪切加载方式,即首先对试件施加侧向压力,当侧向压力达到预定值(15 MPa)后,保持侧向压力不变,然后在试件的加载端采用位移控制方式进行加载,位移控制加载速率为0.5μm/s.实验开始前,先对各实验数据采集系统进行计时同步,以保证各系统的数据在时间上可严格对应.加载开始时启动1#和2#CCD相机的连续采集,直至实验结束(两台低速相机采集到的图像如图 2a2b示).高速相机只采集加载过程稳定后断层黏滑失稳瞬态过程的图像,采集图像时采用后触发模式,即利用黏滑的高分贝的声音信号触发高速相机,使其保存触发前2s采集到的图像.最终高速相机成功采集到3 次黏滑失稳过程的图像,其中一次黏滑失稳过程的试件表面图像如图 2c所示.

图 2 (a)1# CCD相机采集的图像;(b)2# CCD相机采集的图像;(c)高速相机采集的图像 Fig. 2 (a) Speckle images captured by 1 # CCD cameras; (b) Speckle images captured by 2 # CCD cameras; (c) Speckle images captured by high-speed cameras

图 3为实验中x方向加载应力随时间的变化曲线,加载曲线中各应力突降阶段即为断层失稳黏滑期(下文称此阶段为断层的“黏滑期"),在两次黏滑之间的应力缓慢增加阶段为断层闭锁阶段(下文称此阶段为断层的“间黏滑期").

图 3 (a)实验试件加载曲线;(b)图a框选区域的放大 Fig. 3 (a) The loading curve of the specimen; (b) The amplification of box choose regional in figure (a)
3 实验结果及分析

主要针对图 3b所示的三次黏滑(图中标示Ⅰ、Ⅱ和Ⅲ的三次应力突降)进行分析.

3.1 断层位移分析方法

用DSCM 对各相机采集的图像进行分析可得到对应拍摄区域的位移场.图 4 给出了用1#CCD相机采集的图像分析得到的试件表面的位移场(DSCM 分析时以图 3b中标识点0载荷水平时的散斑图像作为参考图像),图 4(a~c)分别为图 3b 中标识点1、2和3载荷水平时的位移场.从图 4(a,b)可以看出,断层(图中黑线)上方的固定岩块的位移总体上比下方受载的自由滑动岩块的位移小;在远离断层区,自由滑动岩块的位移等值线呈较规则的梯度分布,靠近断层区,位移等值线与断层呈平行分布.这说明在间黏滑期,由于断层面的凹凸咬合,自由滑动岩块的运动被“锁住",在远离断层区,其变形行为类似于一个一端固定试件的单轴压缩;在断层区,断层面间的剪应力使得该区域发生剪切变形.标识点2载荷水平的位移场与标识点1载荷水平的位移场规律相似,但标识点2的变形更为明显.标识点3载荷水平位于一次黏滑失稳结束时,此时可以看出断层两侧发生了明显错动,自由滑动岩块和固定岩块的变形均变得非常均匀,这说明两个岩块均释放掉了在间黏滑期贮存的变形能.同时还可以看出,相对标识点2,此时固定岩块位移值减小,这表明了固定岩块在黏滑过程中出现了弹性回跳.

图 4 不同载荷水平的位移场 a点1载荷水平的z方向位移场;(b)点2载荷水平的 z方向位移场;(c)点3载荷水平的z方向位移场. Fig. 4 The displacement fields of different load levels (a) The z direction displacement fields of point 1 load levels; (b) The z directiondisplacement fields of point 2 load levels; (c) The z direction displacement fields of point 3 load levels.

为了更加定量地分析断层的错动过程,可进一步从位移场中得到断层两侧对应点的相对位移值(即断层错动量),这个过程相当于建立一个虚拟的断层位移计,其方法如图 4b所示:在跨断层两侧选取与断层面垂直的两个对称点,如图中P1 和P2点,分别以P1和P2点为中心,取一个一定大小(本文取为4mm×4mm)的分析区域,将区域内所有点的位移值进行平均,以该平均值来表示P1点和P2点的位移,用P2点和P1点x方向位移的差值表示断层在P 点的错动量.此种处理相当于在P 点“安装"一个断层位移计.本文分析中的P1 和P2 之间距离2犔取8mm,犔的选取根据断层影响范围进行确定.图 5给出图 4c中截面位置x=60mm 处的纵向位移的分布,图中犕为断层影响范围尺寸,2犔的尺寸选取大于断层影响范围的尺寸犕与分析区域尺寸之和.

图 5 纵向截面位移分布 Fig. 5 Displacement distribution on the section x —60 mm
3.2 间黏滑期的断层位移演化

利用1#和2#CCD 相机采集的试件表面散斑图像对间黏滑期断层位移演化进行分析.断层上观测点的布置如图 6 所示,其中A、B、D 和E 观测点在不同加载时刻断层位移演化曲线如图 7 所示(图 7中嵌套图为矩形框选的间黏滑期的放大图).

图 6 断层位移演化观测点布置(数字单位:mm) Fig. 6 Arrangement of observation points on fault displacement
图 7 断层不同位置滑动演化 Fig. 7 Evolution of fault slip on ditferent positions

图 7可以看出间黏滑期断层位移演化具有两个特征:(1) 断层位移演化表现出在空间上的差异性特征,表现为断层上不同位置各点的滑动量不同,且滑动速度不同.从Ⅰ、Ⅱ两次黏滑之间的间黏滑期的滑动量上看,E 点滑动量最大,约为14μm,A 点滑动量最小,约为3μm,各点滑动量之间相差比较大,也与各点之间距离不成比例.这说明,尽管是平直的滑动断层面,但由于断层的摩擦性质不均匀等因素的影响,断层位移的空间分布呈现差异性,但总体表现为随着与加载端距离增加,断层的滑动量增加(这与上一节位移场的趋势符合).(2)断层位移演化在时间上呈现“趋同化",即虽然每次黏滑失稳过程中(如第I次黏滑失稳)断层各点的失稳滑动量值不同(加载近端A 点与加载远端E 点的失稳滑动量差值约为10μm),但在下一次黏滑失稳发生前,断层不同位置点的滑动量表现出趋于一致的特征.这种间黏滑期的滑动趋同化现象在几次黏滑过程中都可观测到.此现象似乎与地震发生机理中的“匀阻化"[15-16]概念有一定关联.王绳祖[15]从实验角度提出了“匀阻化"的概念,认为断层突发错动失稳的发生必须具备匀阻条件,即错动阻力的非均匀分布阻碍应力在较大错动面积中突然降低.断层错动阻力的非均匀分布必然产生断层错动的先后次序,无法引起断层整体同时的突然错动,只有当承受断层错动阻力较大区域经过一系列小的断层错动后,铲平了断层上的小尺度障碍,整个断层段上的阻力分布比较接近,才可能造成整段的突然错动.断层突然错动发生,使断层面上各点的接触位置发生变化,造成断层面上的错动阻力重新分布,当错动阻力的非均匀分布阻碍应力在较大错动面积中突然降低,黏滑失稳阶段终止.也就是说,只有经过匀阻化,才可能使断层由渐进失稳转变为突发失稳.从本实验中的断层错动演化结果来看,断层滑动趋同化也许是断层错动匀阻化的一种宏观表现形式,即断层各点的错动量的差异表明断层错动阻力分布的均匀程度,错动量差异越大,错动阻力分布越不均匀.

3.3 黏滑期断层位移动态演化

利用高速相机采集的第Ⅲ次断层黏滑失稳过程中的散斑图像计算结果,对黏滑期断层位移演化特征进行分析.在断层上选取B、C 和D 三个点(见图 6)进行断层位移演化分析.

图 8为断层位移演化曲线,嵌套图为矩形框选区域的放大图.由图可见,整个黏滑失稳过程持续约1.1ms,断层黏滑失稳滑动量约47μm.在断层黏滑失稳发生前,断层各点上的位移演化曲线有一明显的加速滑动阶段(预滑),预滑量约3μm,预滑出现到黏滑失稳发生经历约10ms.此实验结果说明,在断层黏滑发生前,存在可以作为前兆的预滑现象,预滑出现的时间比黏滑经历的时间高一个量级,按照实际地震发生时间进行换算,震前预滑出现时间可以达到百秒至千秒量级.

图 8 黏滑失稳前的预滑演化 Fig. 8 Pre-slip before the stick-slip

图 9为黏滑期断层位移和黏滑平均速度演化的放大曲线.从图中还可看出,断层的一次黏滑是由若干个滑动速度不同的小的失稳滑动组成的.黏滑失稳过程中断层的滑动速度呈现出波动性,即整个滑动过程中,断层经历了多个高速滑动和低速滑动的交错过程.实验得到此次黏滑失稳过程中断层最大滑动速度约140mm/s.如果将每次高速滑动当成实际中的一个地震,则此现象表明一次黏滑型地震发生过程可能包含着一系列小的地震.这种现象与实际地震的发生比较相符.

图 9 黏滑失稳过程断层滑动动态演化 Fig. 9 Dynamic evolution of fault slip during stick-slip
4 结 论

采用DSCM 观测手段,以及特殊设计的多CCD相机分区域、多时间尺度的数据采集系统研究了一种花岗岩双剪滑动模型的黏滑过程.实验中采用的观测系统可获得所观测断层模型表面的全场位移,进一步分析可获得任意位置的、横向之间可对比断层位移.更为主要的是,系统中使用了高速相机采集图像,实验中获得了以往研究中难以获得的断层模型在黏滑动态过程中非常短暂时间的断层位移演化过程.文章基于观测结果分析了断层滑动过程(包括间黏滑期和黏滑期)中断层位移的时空演化,得到了断层滑动,尤其是动态黏滑过程中断层滑动的一些新规律.文章有以下主要结论:

间黏滑期断层位移演化的研究表明,间黏滑期断层滑动在时空上具有非均匀特征.在空间上各点滑动量不同且滑动速度不同,总体表现为断层上各点的滑动量随着其与加载端距离增加而增加,但滑动量与距离不存在固定的比例关系;在时间上各点滑动量呈现“趋同化",虽然每次黏滑失稳过程中断层各点的失稳滑动量值不同,但在下一次黏滑失稳发生前,断层不同位置点的滑动量表现出趋于一致的特征.断层滑动趋同化可能是断层错动匀阻化的一种宏观表现形式:即断层各点的错动量的差异越大,表明错动阻力分布越不均匀.

黏滑期断层位移演化研究展示了断层黏滑动态过程的一些新特征:文中300mm 量级的断层,其动态黏滑过程持续时间约在1 ms 量级,滑动量为50μm量级.在黏滑失稳发生前,断层各点会发生明显的预滑过程,预滑量比黏滑滑动量低一个量级,预滑出现到黏滑失稳发生所经历的时间与黏滑失稳过程所用时间相差一个量级;断层的一次黏滑是由若干个滑动速度不同的小的失稳滑动组成的,黏滑失稳过程中断层的滑动速度呈现出波动性,整个滑动过程中断层经历了多个高速滑动和低速滑动的交错.

致谢

特别感谢地震动力学国家重点实验室刘力强研究员对本文工作的指导,感谢地震动力学国家重点实验室郭彦双博士以及北京理工大学宇航学院研究生王显,曹彦彦,罗纪等在实验过程中提供的帮助.

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