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。