速率-状态依赖摩擦定律引入连续-非连续方法的检验及断层倾角的影响

断层黏滑是一种摩擦失稳,能够诱发地震、矿震等诸多地质灾害.目前,断层黏滑(包括断层亚失稳)研究,主要集中在实验方面和基于连续方法或非连续方法的数值模拟方面.为了弥补连续方法和非连续方法各自的不足,一些兼具二者优势的连续-非连续方法应运而生.为了检验引入速率-状态依赖摩擦定律的自主开发的拉格朗日元与离散元耦合连续-非连续方法的正确性并探究断层倾角对断层黏滑的影响,首先,模拟了滑块-底板模型的滑动-保持-滑动实验;然后,模拟了双轴压缩岩样的断层倾角的影响,重点考察了断层黏滑过程中亚失稳阶段摩擦系数的演化规律.研究发现,随着断层倾角的增大,岩样上表面平均差应力的绝对值-时步数目曲线的锯齿形由规则向不规则变化;初次黏滑发生时的时步数目、平均应力降、平均黏滑周期和平均峰值应力均减小.当断层处于黏滑前阶段时,断层面各处的摩擦系数和剪应力相差较小.当断层进入亚失稳阶段后,断层面上摩擦系数的平均值下降速度加快,这可作为断层进入亚失稳阶段的特征之一.引入速率-状态依赖摩擦定律后的拉格朗日元与离散元耦合连续-非连续方法的断层黏滑结果能与现有结果（例如,断层黏滑实验结果）基本吻合,但更加丰富,这在一定程度上...     

识别断层活动和失稳的热场标志——实验室的证据

利用一套双向伺服系统对含压性和张性雁列断层的标本进行变形实验,实验中应用红外热像仪和接触式测温仪同步记录岩石变形过程中热红外辐射的亮度温度场和温度场的变化;使用数字CCD相机同步采集标本表面的数字图像,并利用数字散斑方法对采集到的图像进行分析得到位移场和应变场的演化过程。实验结果表明:1)在断层贯通前压性雁列岩桥区温度最高,而张性雁列岩桥区温度最低;数字散斑结果显示压性岩桥区平均应变最高,而张性岩桥区平均应变最低。温度场对两类雁列断层在岩桥区相反的受力状态有清晰的响应,可以为判断断层应力状态提供标志。2)雁列断层经历了从岩桥区应力积累、破坏到断层失稳错动两个变形阶段,升温机制也由应变升温变为摩擦升温;伴随升温机制的转变,在岩桥区观测到断层失稳错动前的破坏降温、温度快速起伏以及升温脉冲等现象,是观测失稳前兆的最佳部位。3)在雁列岩桥区裂纹端点附近观测到升温脉冲,表现为温度快升快降,随后即出现断层带的快速升温。升温脉冲现象可能与裂纹端部的应力奇异集中和破裂扩展引起的应力释放有关。裂纹端部的扩展是断层失稳错动的条件,随后断层带的升温正是断层失稳错动造成的。断层带开始升温发生在失稳前2～3s内,岩桥区的降温发生在失稳     

亚失稳阶段雁列断层热场演化的实验研究

寻找地震前兆是国内外地震预报的难点.在实验室开展岩石变形实验,观测相关物理量的演化特征和规律,是前兆探索中重要的基础工作.本文对压性雁列断层进行变形实验,根据应力时间曲线将具有前兆意义的变形阶段分为强偏离线性阶段、亚失稳阶段和失稳阶段,利用红外热像仪记录各个阶段的热场变化,特别是亚失稳阶段的热场表现.研究结果显示:强偏离线性阶段,岩桥区挤压升温;亚失稳阶段,断层带增温,且高温点扩展连通,断层带内侧卸载降温,断层带上的协同化增温和断层带内侧(包含岩桥区)的协同化降温是失稳前的重要信号;失稳阶段,应力释放,标本整体降温,只有断层带因摩擦升温.总之,亚失稳阶段的热场具有明显特征,利于识别出亚失稳态;不同变形阶段、不同构造部位温度变化不同,在寻找与构造活动相关的热异常时,应考虑变形所处的阶段及异常所处的构造部位.     

正应力扰动对断层滑动失稳影响的实验研究

利用双轴伺服控制加载装置,采用三块花岗闪长岩标本组成的含有两个滑动面的直剪结构,开展了摩擦滑动实验.实验中通过在垂直滑动面的载荷上叠加正弦波状和方波状的扰动,研究了正应力扰动对断层黏滑失稳的影响.研究表明,在恒定的正应力和位移速率下,标本表现为规则的黏滑,叠加正应力扰动后,随扰动振幅的增加黏滑发生时间与扰动的相关性增大,黏滑应力降和时间间隔的分布趋于离散.黏滑应力降和时间间隔的平均值随平均正应力的增加呈线性增长,扰动叠加后黏滑应力降的离散度随平均正应力的增加而增大;黏滑应力降和时间间隔主要受应力变化幅度的影响,而与应力变化的速率关系不大.剪应力和正应力扰动都会对断层黏滑失稳产生影响,而正应力扰动的影响更明显.这两种扰动对断层黏滑失稳影响的机制存在差异,剪应力扰动只是改变断层滑动的推动力,而正应力扰动则改变了断层面上凹凸体的接触状态.     

断层亚失稳阶段变形场时空演化的实验研究

正断层粘滑过程的差应力-时间曲线可以分成线性、偏离线性、亚失稳和失稳4个阶段。亚失稳阶段是指差应力从峰值时刻到产生快速应力降起始时刻之间的阶段,也是断层失稳之前的最后阶段。利用在实验室既能通过压机观测到标本应力状态,又能使用多物理场观测手段获取标本表面变形信息的优势,通过分析标本表面全场变形的时空演化,寻找识别标本进入     

失稳前断层加速协同化的实验室证据和地震实例

地震是断层的快速错动,它有2个主要条件:一是断层协同化程度较高,一旦应力条件达到,能够迅速连接造成较长断层段的快速错动;二是断层上一些部位积累了足够高的应变,能够克服局部高强部位的错动阻力。地震短临前兆和必震信息识别是地震预报研究的焦点问题之一,为此开展了实验室平直断层失稳模拟研究。从应力变化曲线上可以判定标本所处的应力状态和识别亚失稳应力阶段。利用在实验室便于对压机信息和场上物理量的观测信息进行对比的优势,捕捉和比较应力偏离线性阶段和亚失稳阶段平行断层应变的时空演化过程中的差别。研究表明,由于断层上不同部位相互作用,断层各部位由独立活动逐渐转变为协同化活动,而断层活动协同化程度是判定断层所处应力状态的一个标志。断层活动协同化过程一般包括应变释放点产生、释放点的扩展和增多以及释放段之间相互连接3个阶段:第1阶段发生在偏离线性阶段,断层上不同部位的应变变化开始分化,出现孤立的应变释放区和积累区;第2阶段应变释放区的平稳扩展与亚失稳前期准静态失稳有关,断层上孤立应变释放区增多,并出现稳态扩展;第3阶段相当于亚失稳的后期,即准动态失稳阶段,断层上的应变释放区加速扩展,积累区应变水平加速提高。加速协同化开始于由准静态扩展向准动态扩展的转化,加速的机制是断层段间出现强相互作用。转化的本质在于扩展机制发生了变化,即由孤立断层段的扩展转变为断层段间在相互作用下的连接,这时断层进入发生地震的临界状态。根据实验结果,结合海原断裂带西侧的老虎山-毛毛山断裂地震活动的时空演化,分析了2000年6月6日ML6.2地震前该断层的协同化过程。     

平直走滑断层亚失稳状态的位移协同化特征——基于数字图像相关方法的实验研究

亚失稳阶段是断层临近失稳的最后阶段,识别断层亚失稳状态,对评估断裂区内的断层失稳危险性具有重要意义．含平直走滑断层的岩石样品在卧式双轴伺服控制压机上加载产生黏滑,同时用高速相机以1000帧S_的速度记录样品变形,失稳过程中的数字图像,然后采用数字图像相关分析方法计算样品表面变形场,并通过定义表征断层位移累计值相对离散程度的协同化系数来描述断层失稳过程的协同化特征,结果表明：（1）局部预滑区进入亚失稳阶段之前,扩展速率非常缓慢;进入亚失稳I阶段后,扩展速率有所增加,但仍很缓慢,属于准静态扩展;在亚失稳II阶段,在占整个亚失稳阶段～1．5％的时间段内,断层先是以～0．9mS。的速率扩展,继而快速贯通整个观测区域,此时断层已转为准动态扩展．（2）在亚失稳I阶段断层位移协同化系数降为进入亚失稳前的一半,在亚失稳II阶段这一系数再降为进入亚失稳前的四分之一．这一系数持续下降意味着断层位移协同化作用的加强,亦可作为断层进入亚失稳阶段的特征之一．（3）此外,在断层失稳滑动阶段,观测区内断层出现三次整体滑动：初始滑动,快速滑动和调整滑动．断层在三次滑动之间存在两次短暂的停顿过程．     

断裂亚失稳阶段及失稳部位特征的初步研究-以南天山西段和汶川地震为例

亚失稳阶段是指应力从峰值时刻到产生快速应力降起始时刻之间的阶段,是断层临近失稳的最后阶段,也是区域应力状态由积累为主转变为释放为主的阶段。识别断层的亚失稳应力状态、探讨强震亚失稳阶段即将面临的失稳部位的特征,寻找确认方法是一个很有现实意义,又很有挑战意义的科学问题。在实验室得到的断层亚失稳阶段的特点为野外识别亚失稳应力状态打下了基础。论文结合实验室已有结果,对处于亚失稳应力状态断层的特点进行了初步探索,研究了失稳前发震断裂的演化,分析了断裂协同化过程及应力状态;初步得到野外强震前断层的亚失稳阶段特征、演化过程以及可能的判定指标。地震发生过程中构造应力和应变的变化可以用Benioff应变分析法对其地震活动进行定量描述,分析研究区应变积累释放特征,探讨震前发震断裂是否存在地震加速活动现象或平静现象,以便与实验室应变观测结合起来进行分析。论文首先分析了前人利用Benioff应变研究加速释放方法的研究结果,探讨了其存在的问题,作者改进了已有方法。文中结合实验室研究结果给出了亚失稳断裂的研究方法,继而对南天山断裂带西段发生过2008年乌恰6.8级地震的卡兹克阿尔特断裂开展了回溯性研究,并使用该方法在研究区对目前的应力状态进行了预测性研究。其次以汶川M_S8.0地震为例,研究地震前后由于介质变化引起的远震转换波到时差的变化特征,从而分析震源区介质所处的应力状态。本项研究在以下方面取得进展:(1)把处于亚失稳阶段的断裂简称为亚失稳断裂,参考实验室关于断层亚失稳应力状态的研究结果,以Benioff应变积累达到支持7级以上地震发生的断裂为研究目标,提出判定亚失稳断裂的4步研究方法:(1)构造区Benioff应变积累足以支持7级以上地震发生;(2)从高应变积累构造区中找出高应变积累且应变开始缓慢释放的断裂;(3)区分断裂的积累段和释放段,根据断裂释放段的协同化程度判定其是否处于亚失稳阶段,寻找失稳部位;(4)判断断裂Benioff应变是否符合加速释放模型,分析亚失稳断裂发震的紧迫性。(2)文中在使用累积Benioff应变的加速释放模型方法时,地震序列的空间范围按断裂选取;在时间尺度选取上,取断裂Benioff应变积累释放曲线上最近的一次积累—缓慢释放时段进行分析。实验室岩石随着应力加载,亚失稳阶段应变积累、释放特征主要出现在断层附近。空间的这种选取方法根据实验室亚失稳阶段研究结果,有一定的构造物理意义。(3)本文以南天山西段为研究区,使用亚失稳断裂判定方法对2008年10月5日乌恰6.8级地震进行回溯性研究,结果显示,卡兹克阿尔特断裂在主震前满足亚失稳断裂判定方法的4个条件,取得了较好的效果;进而使用该方法对研究区现今应力状态进行预测性研究,发现目前柯坪断裂符合亚失稳状态条件的前3条:(1)南天山西段研究区的Benioff应变积累支持7级以上地震发生;(2)柯坪断裂累积Benioff应变支持6.8级以上地震发生,并且Benioff应变积累释放曲线出现波动、转平的趋势;(3)柯坪断裂77.5°—80°E的段落转为应变积累区,位于77.5°E以西的区域应变开始释放;但柯坪断裂目前不符合第4条,地震Benioff应变的释放不符合条件加速模型,表明断裂尚未进入加速协同化阶段。目前仍需密切关注该断裂的地震活动发展情况。(4)利用远震初至波穿越地壳、上地幔等速度界面时产生的一系列PS型透射转换波,测定远震PS转换波与初至P波的到时差Δt_(ps)=t_(ps)-t_p随时间的变化特征有可能监测孕震区转换界面以上有限的地层空间内介质物性的变化。选取2001—2012年作为研究时段,利用四川地震台网的YZP和JJS两台站记录到的兴都库什、苏门答腊南部地区两组震中距变化小于3°的远震,得到两个台站在2008年5月12日汶川M_S8.0地震前后记录的转换波到时差Δt_(ps)的变化特征。结果表明,在2006年以前Δt_(ps)有一个缓慢增大的趋势;汶川地震前约2年左右的时间段内Δt_(ps)出现明显低值过程,最大降幅达0.2—0.3 s左右,超过测量误差4—5倍;震前约2—3个月低值有一定程度的回返。表明本文提出的远震转换波方法在地震监测中有很好的应用前景,值得进一步实验研究。     

强震前断裂亚失稳阶段及失稳部位的特征研究——以新疆南天山西段为例

我们把处于亚失稳阶段的断裂简称为亚失稳断裂,亚失稳阶段是断层临近失稳的最后阶段,识别这个阶段并判断出地震最终的发生位置是一个关键的科学问题.参考实验室关于断层亚失稳应力状态的研究结果,以6.8级以上地震为研究的目标地震,提出判定具备发生6.8级以上地震的亚失稳断裂研究方法：①构造区Benioff应变积累支持6.8级以上地震发生;②从高应变积累构造区中找出高应变积累且应变开始缓慢释放的断裂;③区分断裂的积累段和释放段,根据断裂释放段的协同化程度判定其是否处于亚失稳阶段,寻找失稳部位;④断裂Benioff应变是否符合加速释放模型,分析亚失稳断裂发震的紧迫性.本文以南天山西段为研究区,使用亚失稳断裂判定方法对2008年10月5日乌恰6.8级地震进行回溯性研究,结果显示卡兹克阿尔特断裂在主震前具备上述4个条件,预测取得较好的效果;进而使用该方法对研究区现今应力状态进行探索性预测研究,发现目前柯坪断裂符合亚失稳状态条件的前三条,需关注该断裂的地震活动.     

震前蠕变滑移的地震预报意义：来自纳/微米尺度地质构造证据

对采自郯庐活动断裂带及其分支活动断裂的最新断层泥样品,在纳/微米尺度下进行观察,发现发震断层在黏滑滑移之前,普遍存在蠕变滑移现象。表现为黏土片状矿物的褶皱、绕砾滑动、"流水状"排列、撕裂等变形形式。这种蠕变滑移对应于岩石在应力作用下进入屈服阶段尤其是亚失稳阶段的韧性变形。由于这一变形阶段改变了物质结构,故在震源区附近会引起诸多地震前兆物理量变化。鉴于黏滑滑移即将发生,因此这一阶段是捕捉地震前兆的最佳时机,也许是最后的机会。我们认为,发震断层的震前蠕变滑移具有地震预报意义。     

利用视应力研究强震前亚失稳阶段应力变化特征——以2021年5月21日漾濞MS 6.4地震为例

<正>1研究背景根据中国地震台网中心测定,2021年5月21日21时48分在云南漾濞县发生M_S 6.4强震。震前震源区是否存在应力增强是研究者们的关注点之一。在地震学中常用视应力和b值反映地壳应力水平。已有不少学者发现漾濞地震发生在低b值区域,意味着地震前存在高应力背景。依据岩石实验的新发现,马瑾等(2012,2014)提出亚失稳概念。断层失稳是应力增加达到峰值后转为释放直至产生破裂的过程。进入亚失稳阶段的标志是平均应力从积累达到峰值后转为应力释放。在这个阶段,存在应力减弱的部位,也存在积累的部位,应力积累的部位可能会是未来断层失稳的位置。     

芦山MS 7.0与岷县—漳县MS 6.6强震前跨断层形变亚失稳前兆

正地震预报要取得防灾减灾实效,关键在于短—临预报。亚失稳是断层失稳前区域应力由积累为主转变为释放为主的关键阶段,也是断层从稳定到失稳的最后阶段。马瑾等(2012,2014)讨论了震前应力积累、应力—时间过程中偏离线性、峰值后亚失稳态3个阶段的不同特点,总结失稳错动是由断层各部位独立活动向协同化活动的转化过程,     

应力时空演化揭示出的汶川地震前亚失稳过程

近年来从岩石实验研究针对应力水平进入峰值强度后至断层快速失稳前的短临阶段变形物理场的时空演化过程提出了亚失稳阶段的概念,该阶段的基本特征为应力由峰值前的积累为主转为峰值后稳定释放并加速至最终快速失稳,这一过程伴随着其他变形物理场的相应转变.把握该阶段应力场的转变特征对认识未来地震危险区及其变形阶段至关重要.以2008年汶川地震为例,运用基于区域多个地震震源机制反演定量应力张量的方法对强震前是否存在可观测的亚失稳应力状态进行了研究.获得的震源附近紫坪铺水库区域临震前应力状态时空演化过程显示,水库测震台网开始运行的2004年8月至2007年6月期间该区域归一化有效平均应力水平相对较低且均匀分布,随时间无明显变化;而2007年6月后至汶川主震发生前应力水平局部显著增强.基于不同时段的定量应力进一步获得了随时间演化的增量场,显示2007年6月后除了汶川附近和彭县附近为应力增强区,其他大部分区域表现为幅值相对较低的应力释放,表明研究区在2007年6月后应力水平明显弱化;而在2007年6月之前的应力增量场却显示区域应力随时间以积累为主.根据应力演化特征及分时段的应力增量场可推断孕震区在2007年中期达到强度极限,峰值前区域应力随时间平稳变化并以积累为主,而峰值后则转变为明显的应力释放.该现象显示汶川地震前区域应力存在由积累为主转为释放为主的可观测阶段,符合实验研究中断层由稳态进入亚失稳状态的应力演化特征.结合其他研究结果,推测汶川地震前震源断层及附近区域存在联动加速变形过程,与震前亚失稳应力状态相关.     

利用超声尾波观测1.5 m长岩石断层黏滑实验的波速变化

在实验室内利用超声尾波观测大尺度(1.5 m)岩石断层的黏滑过程.利用基于尾波干涉的观测方法,我们获得了高达10~(-6)的相对波速变化的观测精度,这相当于~10 kPa的应力变化.利用高精度的测量,我们获取两种不同加载速率下(1μm·s~(-1),10μm·s~(-1))黏滑过程三个阶段(恢复、加载和滑动)基于波速变化的特征量.我们更进一步获取了断层失稳阶段波速变化的时空演化过程.最后讨论了该观测方法需要改进的地方.以上研究结果表明作为一种对现有实验观测手段的有益补充,利用超声尾波观测实验室大尺度岩石断层的动力学过程是可行的.     

汶川地震前失稳过程的重力场观测证据

文中应用1996—2007年龙门山断裂带上的重力观测资料,分析了汶川地震前亚失稳阶段的重力场变化特征,根据震前失稳过程的重力场观测证据探讨应用重力场识别断层进入亚失稳阶段的证据和方法.研究结果表明:1)汶川地震前沿龙门山断裂带的时变重力场在1996—2001期间呈正常态变化,2001—2004期间出现区域性区重力异常,2004—2007期间出现较明显的反向变化,震前一年变化较弱,呈现闭锁状态.这种变化过程较好地对应了岩石变形实验中由稳态加载阶段到失稳阶段中的线性稳态、偏离线性稳态、亚失稳状态的过程.2)龙门山断裂东侧接近四川盆地上的测点时序变化平缓无序,西侧后山断裂带上的测点在2002年开始出现一致性较好的"同升同降"变化特征.汶川地震发生在后山断裂带上,震后余震的分布和该断裂带的走向一致,说明该断裂带是断层的主要失稳位置,该断层的失稳导致该区域测点的重力场变化一致,符合实验研究中断层由稳态进入亚失稳状态的物理场协同化演化的判定依据.3)重力剖面点的时空变化显示,2008年汶川8.0级地震前在龙门山断裂西侧可观测到一次断层活动协同化过程.     

断层黏滑动态变形过程的实验研究

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.     

基于速率-状态依赖摩擦定律的平直走滑断层黏滑过程的连续-非连续方法模拟

鉴于利用传统的库仑摩擦定律不能很好地模拟断层黏滑过程,在自主开发的拉格朗日元与离散元耦合的连续-非连续方法的基础上,引入了速率-状态依赖摩擦定律.开展了双轴压缩条件下平直走滑断层黏滑过程的数值模拟研究,得到了下列结果.在一次黏滑中,岩样上端面平均差应力的绝对值-时步数目曲线可被分为近似线性阶段、偏离线性阶段和软化阶段,...     

2010年河津ML 4.8地震前亚失稳现象探讨

<正>1研究背景亚失稳态力学机理及与之相关物理场的演化特性研究已成为学者关注的热点。断层带上存在相对弱和相对强的部位,前者往往首先弱化,表现为断层预滑、慢地震或弱震,成为应变释放开始部位,后者则为应力闭锁部位,并成为快速失稳开始部位（Noda et a1,2013）;地震始于预滑,即使是级联式的成核,也需要预滑为其创造条件（Mclaskey eta1,2014）;应力释放及协同化是亚失稳阶段的重要特点（马瑾等,2012）。亚失稳观测与研究对潜在地震的危险性以及危险时段判别意义重大。     

基于Chester-Higgs模型探讨摩擦生热对断层演化进程的影响

速率和状态相依赖的摩擦定律是本文采用的重要定律。结合Chester-Higgs摩擦模型和McKenzie-Brune摩擦生热模型,在一维弹簧-滑块-断层近似模型下,利用四阶变步长的Dormand-Prince算法,研究探讨了断层摩擦生热对断层演化的影响。结果表明:与忽略温度影响的情形相比,摩擦生热造成的温度上升可导致断层滑移时刻的略微提前,并伴随着摩擦系数和状态变量的下降,同时也使得断层的滑移量和应力降略有减小,而滑移速率有所增大;另外,在考虑温度影响时,有效正应力和临界滑移距离也会影响断层的演化过程,断层上的有效正应力越大,断层失稳时刻越提前,温度上升越明显;断层的临界滑移距离越大,断层失稳时刻则越迟,温度上升越显著,但当临界滑移距离超过5 cm时,具有不同临界滑移距离的断层,失稳时的温度则基本保持一致。      

断层失稳过程超动态变形时空模式的实验研究

作为构造地震的基本物理模型,断层失稳是否可以被简单地划分为应变积累的粘滞阶段与应变快速释放的地震滑动阶段两个部分,并用弹簧滑块组合来解释是一个根本的问题。近几十年来,对失稳前断层状态的研究反映出很多研究者已经意识到这个阶段的复杂性,例如成核相、临界扩展尺度、局部化等研究的出现。亚失稳模型的提出把临震阶段的研究推向了深入,指出临震亚失稳阶段之中各种物理量存在规律性的时空演化特征,控制这些物理参数变化的根本原因是震源力学过程的时空演化规律。为此,需要研发高速多通道多参数并行连续记录的实验观测系统,依托这个系统对断层失稳变形的全过程,特别是失稳前几秒到微秒级别的瞬态变形过程,以及失稳滑动瞬态过程进行精细深入的观测,解析相关的震源力学问题。我们研发了一套64通道,16位分辨率,4 MHz采样频率并行连续采集的超动态变形场观测系统,首次实现了应变信号和声发射信号的同步采集。该系统在技术上处于国际同类实验室领先水平。基于该系统完成了多组实验,共获得209个失稳滑动事件,记录到约42 TB应变和声发射实验数据。实验证明,该系统具有很好的稳定性,为开展预滑、亚失稳、动态加速过程、失稳滑动瞬态过程等研究提供了一个全新的技术平台。以此系统为基础对断层失稳全过程进行观测,对断层亚失稳阶段,特别是亚失稳准动态阶段以及瞬态失稳阶段的变形场信息进行了精细深入的观测。获得以下结论:(1)伴随有断层局部卸载而出现的应变局部化加速是进入亚失稳准静态阶段的近场判据。在理论模型的描述中,亚失稳阶段的开始以样品宏观变形的应力曲线进入峰值后为标志。从沿断层的应变观测可以确认,峰后的整体应力下降在样品内部体现为个别段落的卸载,也就是说,从以全场稳态变形为主的应力积累阶段转变为局部卸载为主的亚失稳准静态阶段。在这个阶段中,断层各段通过相互加卸载作用使局部化进一步加强,该特点可作为进入亚失稳阶段的近场判据。(2)亚失稳准动态阶段存在应变波动的往复传递。亚失稳准动态阶段以逐点应变波浪式的往复传递为表现形式,在本文研究分析的实验中,准动态阶段可以分为3个子阶段(AA1、A1A2和A2A3阶段),每个子阶段对应一次应变波动的传递事件。第一阶段,应变波动的传递开始于断层中部并向上端的高应变区逐点释放;第二阶段,在上次应变传递的终点,一个新的应变波动出现并向断层下端反向传递,影响范围超过了第一阶段波动的起始位置并到达断层下端;第三阶段,在第二次应变波动到达的断层下端位置,再次出现新的向断层上端反向传递的应变波动。最后一次应变波动的传递贯穿了整条断层并到达断层上端的高应变区,使得累加应变达到了局部的剪切强度。最终从高应变区开始,整条断层带周边的应变能快速释放,造成"地震"。3个阶段中,应变波动传递的周期越来越短,速度越来越快,平均速度依次成几十倍递增。第一阶段,应变传递时间约7 s,平均速度约为16 mm/s;第二阶段,应变传递时间约0.16 s,平均速度约为920 mm/s;第三阶段,应变传递时间约0.017 s,平均速度约为17 600 mm/s(17.6 m/s)的速度扩展至整条断层。(3)准动态过程每个子阶段都存在短暂的准备期。准动态过程中,每个子阶段的应变传递开始前,在上一次应变传递的停止区域,会出现一个短暂的应变准备期,随后才能进入下一阶段的应变波动传递过程。第二子阶段的应变波动传递开始之前,在第一子阶段波动传递终点区域出现一个时长约为100 ms的应变准备期,随后开始第二阶段的应变波动传递;同样地,第三子阶段的应变波动传递开始,在第二子阶段应变波动传递终点区域出现一个时长约为25 ms的应变准备期,随后开始第三子阶段的应变波动传递;最终,在断层整体快速应变释放前,在第三子阶段应变波动传递终点区域出现一个时长约为3 ms的应变准备期,随后断层整体应变快速释放,发生"地震"。断层出现过渡带的原因可能是传递到端点的应变波动释放的应变并不足以引发断层整体滑动,需要重新积累应变直至产生下一次波动事件。应变准备期的出现,特别是断层瞬态失稳前的短暂应变准备期,可能为临震预测提供依据。(4)断层瞬态失稳初期存在同震高频应变震荡。在断层瞬态失稳初期,存在数次高频应变震荡,频率约为2 k Hz,频谱上限约为15 k Hz,单次应变震荡周期约为0.5 ms。每次高频振荡都伴随有一次实验室地震(声发射)事件,称其为同震高频应变震荡。虽然每次高频震荡在时间上存在一定的先后关系,但是由于在测点等间距的情况下走时时差不同,且存在应变波反向传播的情况;另外,各点应变波振幅水平大致相同,没有从震荡初始位置向两侧振幅衰减的特征。所以各点之间并不表现为应变波的传播关系。(5)存在毫秒时间尺度的同震子事件。在断层失稳阶段,如果出现"双震",每次"子地震"都对应一个或数个高频同震应变振荡波。同时,各次高频震荡的发震位置可能不同。这与中频系统所看到的多点震源情况类似,也就说明在不同的时间尺度上都可以观测到多点震源的情形。(6)断层整体止滑前存在应变波动的反向传递。在数次高频震荡结束后,出现一个相对低频的反向应变波动从断层另一端传递至发震位置,本次反向脉冲并不伴随有声发射现象。此后,断层整体同震阶段结束,各点开始在自己的应变水平上进行阻尼式的高频震荡。这个反向传递的应变波动可能包含着地震停止和断层止滑的重要信息。(7)浅震源环境下的三轴试验验证。与此同时,为了验证亚失稳阶段和瞬态失稳阶段在浅震源压力环境下是否符合类似规律,在三轴围压容器内完成多组实验。浅震源环境下的断层失稳实验表明,亚失稳阶段和复杂的断层瞬态失稳阶段在浅震源压力环境下依然存在,其进程与在双轴加载系统环境下的观测结果相符。