论非均匀断层滑动弱化速率的标定

尝试用二维断层模型来描述断层在不稳定开始时滑动弱化速率的定标律。断层由一系列受滑动摩擦力作用变弱的片区组成，这些片区被牢固的障碍体所分隔。第一组断层包含不同尺度总滑动长度相同的片区的平均分布，而第二组断层由各种分形康托尔集合组成。破裂的整体活动性质由指数增长率λ来描述。对无限均匀的断层，系数λ由摩擦定律的弱化速率控制。在非均匀断层系中我们估算每一个断层的弱化速率，因为一个断层系的指数增长率λ与均匀断层是一致的。利用这种均匀断层的破裂过程，我们根据不同尺度均匀性断层和给定的系数λ来计算弱片区上的弱化速率。对于大尺度的破裂，弱化速率与尺度无关，长片区的开始过程类似于无限断层的破裂情况。本文考虑的是小尺度和所有不同几何形状的破裂，弱化速率记为α=β0^*／a，其中a为破裂尺度或者单个断层长度的一半，β0^*≈1．158。本文计算了滑动弱化距离Dc的值，在此基础上讨论了计算结果的物理含义，并给出了这个参数与尺度相关的可能解释。     

断层同震滑动的实验模拟——岩石高速摩擦实验的意义、方法与研究进展

岩石摩擦实验是断层力学和震源物理实验研究中主要的手段之一.传统低速率的岩石摩擦实验与以之为基础建立的速率状态变量摩擦本构关系理论体系,对于认识断层摩擦滑动稳定性和地震成核等地震成因机制问题具有重要意义.近20年来,断层力学领域兴起了用于模拟断层同震动态滑动的岩石高速摩擦实验.这种新的实验模拟方法揭示出断层同震滑动存在明显的摩擦生热效应,断层的力学性状主要表现为显著的滑移弱化和速度弱化,断层带物质在断层高速滑移过程中经历了各种复杂的物理化学变化.这些研究成果对于认识和评估断层同震弱化机制、断层带强度、地震能量分配、断层破裂模式、断层愈合等问题均具有重要启示.本文对岩石高速摩擦实验的意义、方法与研究进展进行了总结,提出了目前的前沿性问题和值得开展的工作.     

岩石摩擦滑动失稳前断层区的波速变化

对岩石摩擦滑动失稳前断层区的波速变化进行了实验研究，实验表明，岩石摩擦滑动失稳前沿断层一侧的测线上观测不到测速变化，沿着跨断层的测线可观测到波速下降的前兆，因此，尝试用波速异常预断层带粘膜型地震时，选择测线应跨断层。     

几种模拟断层泥摩擦滑动速度依赖性转换的实验研究

基于速率-状态摩擦定律,速度弱化是断层失稳的必要条件,速度弱化向速度强化的转换控制着断层从不稳定滑动向稳定滑动的转换.因此,断层摩擦滑动的速度依赖性转换是涉及断层带上地震活动特征、地震成核深度等的重要问题.     

断层失稳滑动瞬态过程的实验观测与分析

正地震过程伴随着岩体的破裂与断层的摩擦滑动失稳过程。断层的扩展与失稳过程一直是地震学研究的基本问题,观测变形过程物理场演化特征,建立失稳模式,对于理解和认识地震机制具有重要的参考和应用价值。地震过程可以简单地划分为地震孕育阶段、地震发生阶段和震后调整阶段。3阶段中,地震发生过程瞬间的记录尤其缺乏,特别是对地震瞬间的近场力学过程所知甚少。但是,短时间内,大面积提高现场地震力学过程瞬态场的观测具有相当难度。因此,在实验室模拟断     

模拟断层泥摩擦滑动速度依赖性转换的实验研究

基于岩石摩擦的速率-状态摩擦定律,速度弱化是断层失稳的必要条件,速度弱化向速度强化的转换控制着断层从不稳定滑动向稳定滑动的转换.因此,断层摩擦滑动的速度依赖性转换涉及断层带上地震活动特征、地震成核深度以及慢地震机制等重要问题.     

断层上的地震成核过程与前兆模拟研究

为了把握断层上地震的前兆规律,对连续介质中断层面上的地震成核过程进行了数值模拟研究。摩擦采用了速率及状态依赖怀本构关系,并考虑了正应力变化的影响。结果表明,在成核的后期阶段：①最大位移速率单调加速增加;②滑动热点（最大滑动速率处）在后期阶段开始自发性迁移,且在空间上③当最大滑动速率达到可以明显探测的量级时（高于加载速率一个数量级以上）,倒刘时间为２０小时或更长一些,这时的速率变化可作为临震预测标志     

流体对石灰岩断层摩擦滑动影响的实验研究

在气体介质三轴高温岩石力学实验仪器上,采用意大利Scaglia Bianca石灰岩,在温度50~300℃、围压150 MPa,含50 MPa孔隙压、无孔隙压含饱和水和完全干燥三种条件下,开展摩擦滑动实验.实验力学数据和显微结构表明,完全干燥样品在120℃时出现慢滑移,实验样品中没有出现溶解与沉淀.无孔隙压含饱和水条件下,100℃、120℃、150℃条件下出现典型的慢滑移,实验样品中含有微弱的溶解与沉淀;300℃条件下出现黏滑,实验样品中出现沉淀.在含50 MPa孔隙压条件下,50℃时的实验表现为典型的稳滑,实验样品中以溶解为主;在100~150℃时,出现慢滑移,实验样品中以溶解为主,沉淀为辅;在200~300℃时,出现典型黏滑,实验样品中以沉淀为主.实验结果表明,石灰岩断层泥摩擦滑动稳定性随温度变化,受流体中碳酸钙的溶解和沉淀作用控制,因此,流体中矿物质的饱和度这一化学性质对断层带的摩擦强度和摩擦滑动稳定性具有显著影响.

     

热水条件下花岗质糜棱岩的摩擦滑动实验研究

为了探讨大陆地壳断层深部的力学性质,我们选择了采自红河断裂带的糜棱岩作为实验样品,进行热水条件下的高温高压摩擦滑动实验.实验在一个以气体为介质的高温高压三轴实验系统中进行.实验条件是：有效正应力为200 MPa;孔隙水压为30 MPa（在400 ℃到600 ℃之间为超临界水条件）;温度为100 ℃到600 ℃;轴向加载的速率范围从0.04 μm/s到0.2 μm/s再到1 μm/s.实验结果表明：（1）当温度小于300 ℃时,糜棱岩的摩擦强度随着温度的上升而增大;当温度大于300 ℃时,糜棱岩的摩擦强度随着温度的上升而减小.这种趋势和以往花岗岩的摩擦滑动数据基本一致;（2）糜棱岩在200 ℃和400 ℃时表现为速度弱化,其余温度下为速度强化;（3）糜棱岩与已有花岗岩的摩擦滑动数据并不完全一致;（4）花岗质糜棱岩速度弱化向速度强化转变的温度在430 ℃附近,以此我们可以推测：在变形机制为摩擦滑动的深部条件下,地震成核的深度范围可以比以往的估计更深.     

高温高压下石英方解石断层带的摩擦滑动性状

在不同的温度、压力条件下进行了含石英和方解石断层泥标本的摩擦实验。结果表明,石英断层带的摩擦强度对压力的响应直到400℃都很明显,对温度的响应在高温(高于400℃)时才明显;方解石断层带的摩擦强度对温度很敏感,对围压的响应只在低温(200℃)时才明显;随温度升高,石英和方解石断层带均由粘滑转变为稳滑,但前者的转换界限在400℃到500℃之间,而后者在200℃到300℃之间。显微观察表明,上述差异归因于其具体变形机制的差别。     

动态触发对断层亚失稳过程影响的实验研究

为探究动态应力扰动对断层亚失稳过程的影响,本文基于实验室地震研究方法,对准静态加载下的断层施加动态应力扰动,模拟不同应力状态下断层的地震动态触发过程,利用高速摄影和数字图像相关方法（DIC）观测动态触发地震的全过程.研究结果表明,当动态扰动恒定时,对于在亚失稳之前触发的事件,其破裂模式取决于初始的应力水平（τ/σ_n,剪应力/正应力）：当应力水平较低时（τ/σ_n < 0.42）,破裂发生之后无法持续传播,形成自停止破裂,破裂速度（V）相对较低;而当应力水平较高时（τ/σ_n>0.42）,断层更加接近临界状态,易产生完全破裂,破裂速度较高.整体而言,破裂长度随着初始应力水平的提高而增长,直至发生完全破裂.而当断层进入亚失稳阶段后,可以看到明显的成核阶段,在此期间施加的动态扰动均能触发整个断层的破裂.失稳时的应力降及破裂速度均高于亚失稳阶段之前的动态触发事件,甚至能触发超剪切破裂.此外,应力降（Δτ）随着初始应力水平的提高呈增加趋势.以上结果表明,动态触发地震的破裂特征与断层所处的应力状态存在对应关系.本研究系统性地揭示了动态触发地震的破裂特征,既丰富了地震亚失稳理论研究,也为利用动态触发地震的震源特征推测断层应力状态提供实验依据.

     

剪切载荷扰动对断层摩擦影响的实验研究

利用双轴伺服控制加载装置,采用3块花岗闪长岩标本组成的含有2个滑动面的直剪结构,开展了摩擦滑动实验。实验中通过在剪切方向上叠加正弦波状的位移扰动,研究了剪应力扰动对断层粘滑失稳的影响。研究表明,在恒定的正应力和位移速率下,标本表现出较为规则的粘滑;当在剪切方向叠加位移扰动后,随扰动振幅的增加,粘滑发生时间与扰动的相关性增大,粘滑的应力降和时间间隔的分布趋于离散,其中扰动能产生明显影响的临界振幅大致为0.05MPa;粘滑应力降和时间间隔随扰动振幅增大而逐渐离散的现象在较高正应力下更为明显,而相同扰动振幅下粘滑失稳发生时间与扰动的相关性也随正应力增加而增大;扰动周期对摩擦性状的影响不明显。研究结果意味着,地震引起的同震剪应力的变化不仅会引起邻近断层上地震发生时间的变化,也可能引起地震强度的变化     

含水岩石摩擦滑动特征的初步研究

我们对含水岩石进行了双剪摩擦滑动实验。所用样品为济南辉长岩、周口店石灰岩,小浪底砂岩和点苍山大理岩。本实验得到的主要结果表明,水的存在增大了岩石的摩擦强度,减小了粘滑时的应力降和错距,促进了位移强化效应。这说明水对岩石摩擦的影响是一个复杂的问题。还应深入地研究。     

高速滑动对断层的润滑作用

发震构造断层的动力学现今仍旧令人琢磨不透。但通过实验室试验，可以帮助我们作出以下推理：当高速滑动时，断层接触面的摩擦力有可能突然降低。     

龙门山断裂带断层泥中速-高速摩擦性质的实验研究

为了认识龙门山断裂带在汶川地震中的同震滑动力学性质,我们对龙门山断裂带地表断层带露头上的断层泥及少量WFSD-1断层泥开展了中速-高速摩擦实验研究。主要关注的问题包括：龙门山断裂带高速摩擦性质及其不均匀性、震后断层强度恢复问题、高速滑动可能的主导弱化机制问题和宽速度域内摩擦滑动速度依赖性问题。     

安宁河断层地震成核条件研究——来自天然花岗岩断层泥摩擦实验的启示

安宁河断层历史上发生过多次强震,现存的地震空区反映了其断层中部近30年来的断层闭锁和应变积累情况,是潜在的大地震危险区.本研究采用断层带内的新鲜花岗岩断层泥样品,在水热条件下开展了摩擦滑动实验,以研究安宁河断层摩擦特性和地震成核条件.实验有效正应力200 MPa,孔隙水压30 MPa,温度25~600℃,剪切滑移速率在1 μm·s^-1,0.2 μm·s^-1,0.04 μm·s^-1之间切换.实验结果显示,在100~400℃,摩擦系数随着温度的增加而增大（约0.663~0.704）,温度高于400℃时略有降低.从200℃开始,花岗岩断层泥的摩擦滑动表现出由速度强化向速度弱化转变,并随温度升高速度弱化程度增强,在600℃时仍然具有显著的速度弱化,具备地震成核条件.本研究获得的花岗岩断层发生不稳定滑动的温度范围为200~600℃,远大于已有研究中给出的350~400℃这一不稳定滑动的温度上限.本实验首次发现,在相同温度条件下花岗岩断层滑动稳定性与加载速率转变方向有关,向慢速切换或低速下（0.04 μm·s^-1）可以促进花岗岩断层由稳定滑动向不稳定滑动转变.基于本实验结果,结合川滇地区的地温梯度,推测得出安宁河断层中北段的地震成核深度为10~30 km,该断层的地震空区是断层闭锁的具体表现.

     

横向断层对主断层粘滑扩展过程阻止和滞后作用的实验研究.

本文给出了一种带有软弱障碍体的粘滑实验结果.软障碍体由垂直于主断面的孤立锯缝加以模拟.实验表明,这种软障碍体对粘滑失稳扩展有明显的阻止(或称为止裂)和滞后作用.这种止裂或滞后作用依赖于锯口的深度l和施于主断面上的正应力x.止裂和滞后效果随锯口深度增加,滞后效果并不单调随断面上正应力增加,滞后时间和平均正应力曲线呈V形分布.沿断层的视破裂能G表明,失稳扩展停止或滞后的前方往往不是高能垒,说明破裂的停止或滞后并不单是高能壁垒阻挡一种机制,软障碍体具有另一种止裂机制,它可能是通过对应变能的吸收而起到使失稳扩展停止或滞后.本实验还展示了在粘滑事件之间时空上的复杂图象,如本实验中复合构造格架情况下所见的那样,这对理解强震序列的时空关系会有所启发.粘滑扩展过程的停止或滞后机制的研究将有助于粘滑机制的完善.      

岩石高速摩擦实验与地震物理过程

简述了最近20年来国内外岩石高速摩擦实验研究领域的进展和动态:岩石高速摩擦实验技术的发展实现了对高滑动速率、大位移的地震过程的实验模拟;其结果揭示了岩石和断层泥在地震滑动速率下的力学性状,深化了对断层滑动弱化机制、临界滑动距离、以及地震发生过程的认识和理解;实验在假玄武玻璃成因方面取得了重要进展,并提出了断层发生地震滑动可能留下的其它地质证据,可望为研究断层滑动性状与地震物理过程提供新的思路和信息.岩石高速摩擦实验今后的发展方向主要包括:发展具有加温系统和孔隙压系统的岩石高速摩擦实验装置,研究水热作用下岩石和断层泥的高速摩擦性状;室内实验和地震资料分析相结合研究断层滑动和地震机制;室内实验和野外地质调查相结合探索断层发生地震错动的地质证据等等.     

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.