雁列式断层变形过程中物理场演化的实验研究（一）

在双轴压缩条件下对挤压型和拉张型雁列式断层变形破坏过程中声发射、断层位移及应变场的时空演化进行了实验研究。研究表明，两类雁列式断层具有类似的变形破坏过程，即前期以雁列区的破裂贯通为主，后期以沿断层的滑动为主。但挤压型雁列区内可积累较高的应变能，有较强的应变释放和声发射活动，雁列区对滑动始终起着阻碍作用；而拉张型雁列区内难以产生快速的应变释放和较强的声发射活动，雁列区对后期的滑动也无明显的阻碍作用。两类雁列区贯通所引起的失稳均有明显的前兆，而在随后滑动过程中失稳前兆的出现，取决于断层不同部位或段落之间是否有应变传递     

断层几何结构与物理场的演化及失稳特征

在双轴加载条件下，研究了几种具不同几何结构的断层系变形破坏过程中应变、断层位移和声发射事件的时空分布，并对典型失稳事件的特征进行了分析．研究表明: 具不同几何结构的断层系有不同的变形物理场演化图象；根据物理场演化特征和变形机制的差异，可识别出两类粘滑型失稳、破裂型失稳及混合型失稳，不同类型的失稳在前兆上有明显差异；失稳类型与断层几何结构及变形阶段密切相关．因此，研究自然界断层的几何结构，对地震预报和地震前兆观察研究极为重要.      

雁列式断层组合变形过程中的声发射活动特征

着重研究拉张或挤压型雁列式断层标本变形过程中声发射(简称AE，下同)的时空演化特征. 结果表明，预置构造对AE空间分布格局具有较强的控制作用，随着差应力的增加，AE首先在两个端点附近丛集，之后向两端点连线附近集中，出现明显的破裂局部化现象，较大事件还通常集中于某一端点附近反复发生. 前期微破裂丛集图象指示后期宏观破裂的扩展方向及扩展范围. 拉张和挤压型雁列区宏观破裂方向分别与轴向应力方向垂直和平行. 雁列式断层标本变形过程中，破裂前的弱化阶段相对较长、弱化过程明显. 微破裂事件累积频次指数增长可能是系统失稳前的典型征兆之一，而雁列区宏观破裂之后，AE数量逐渐减少、应变释放相对减弱. 摩擦滑动过程中，大的粘滑失稳前未见有AE活动前兆性的增强过程.雁列区的b值变化在失稳前显示趋势性降低——快速回升这一典型的变化过程，b值降低一般发生在差应力增强过程之中，并有可能延续至弱化阶段，而快速回升则一般发生在破裂失稳前的短时期内. 对比研究表明，构造差异所导致的b值差异远大于b值随差应力的增加而产生的变化量，而对同一构造标本，力学状态的改变会导致AE序列时序特征的急剧变化，较高的加载速率对应较高的应变能释放及明显的低b值. 先期破碎带由于较低的破坏强度，其对差应力的微小变化具有特殊敏感性，从而成为源、兆分离、窗口或敏感点效应等地震活动性前兆现象的一种可能的原因.      

雁列断层变形过程中的声发射特征

对拉张型、挤压型雁列断层变形过程中岩桥区和主断层上的声发射特征进行了对比研究，结果表明，雁列断层变形中的声发射对应着多种机制：拉张型雁列岩桥区的声发射为单一事件组成，波振幅小、持续时间短、主频高、震源机制为张裂型；挤压型雁列岩桥区的声发射也是单一事件，波振幅较大、持续时间短、主频较低、震源机制为双剪型；而雁列主干断层上的声发射由多事件组成，波振幅大、持续时间长、主频低、震源机制与挤压型雁列岩桥区的声发射机制不同。这些特点与各区域所处力学状态有关     

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.     

5°拐折断层在黏滑过程中物理场演化与交替活动的实验研究

在实验室利用96通道应变记录采集系统和分布式多通道瞬态信号采集系统,观测了预切5.拐折断层的标本在变形失稳过程中应变场和声发射事件的时空演化.实验在双轴伺服加载系统上进行.在Y方向按位移控制方式加载,位移速率先后取0.5μm/s、1μm/s、0.5μm/s和0.1μm/s.观测得到:1)标本沿断层发生周期性的黏滑失稳,...     

5°拐折构造变形物理场的实验研究与数值模拟

以实验方法和数值模拟方法研究了含５°拐折的断层在变形过程中物理场的时空演化。结果表明在一次事件序列中拐折部位的声发射往往发生在序列开始时和结束时，震级虽不大，但却有重要意义。在断层错动中拐折部位两侧的断层交替地作为变形主体构造，拐折部位则起了错动阀的作用     

5°拐折构造变形物理场的实验研究与数值模拟

以实验方法和数值模拟方法研究了含５°拐折的断层在变形过程中物理场的时空演化，结果表明在一次事件序列中拐折部位的声发射往往发生在序列开始时和结束时，震级虽不大，但却有重要意义，在断层错动中拐折部位两侧的断层交替地作为变形主体构造，拐折部位则起了错动阀的作用。     

粘滑失稳及其物理场时空分布的实验研究

摩擦滑动的物理场实验研究表明：（１）能量空间分布的差异是失稳的重要条件，单发型大事件常发生于高能量向低能量的突变带或高能量背景区内的相对低能量区；（２）单发型大事件的孕育过程常常经历若干个能量输入输出循环，产生多个前兆阶段，并在失稳前源区常有一个弱化过程。小震或群发型事件失稳前常常只有一个能量积累与强化的过程，失稳前兆阶段性反映较差；（３）粘滑失稳时断层的位错与声发射的大小未见明显关系     

应用数字散斑相关方法实验研究雁列断层变形破坏过程

以数字散斑相关方法（DSCM）为观测手段,对雁列断层结构的破坏过程进行了实验研究,观测和分析了变形破坏过程中模型表面的变形场演化过程.断层结构由一块含两条平行割缝的大理岩平板模拟,模型试件在双轴试验机上加载;DSCM观测系统在加载过程中记录试件表面的散斑图像,然后分析得到模型表面待测区域各记录时刻的位移场及应变场.全场连续的变形数据清晰地反映了雁列断层结构的变形破坏过程的各种细节.实验结果显示,变形最初集中在断层带周围,然后迁移到雁列区,最后雁列区贯通,结构发生滑动导致整个结构发生失稳破坏.对变形破坏过程中的变形场进行统计分析发现,一种描述变形局部化特征的统计指标—Cv值,可以作为一个雁列断层破坏的前兆指标.     

断层失稳错动热场前兆模式：雁列断层的实验研究

在实验室使用红外热像仪和接触式测温仪同步观测记录了压性和张性雁列断层失稳错动前后的热场变化过程.从实验记录中发现,在断层失稳引起温度场和热红外辐射亮温温度场上升之前,在两断层段之间的岩桥区发生降温变化.断层带开始升温发生在失稳前2～3 s内,岩桥区的降温却发生在失稳前约20s,这两个超前时间长度相差近一个量级.此类热场先降后升变化过程在雁列构造变形中有一定的普遍性,可能作为雁列断层失稳错动的热场前兆模式.根据实验观测结果,详细描述了上述热场变化的时间过程及其空间分布特征,分析了产生此种失稳前兆模式的机制,显著异常出现的条件及有利观测部位,讨论了它在地震前兆探索等研究中的意义.     

断层三维扩展过程的实验研究

实验研究三维断层的形成和扩展对于理解实际断层作用过程具有重要意义．在双轴压缩条件下开展了断层三维扩展过程的实验研究,利用多通道数字化高密度应变观测和基于可见光图像分析的数字散斑相关测量技术对岩石样品应变场的详细结构进行了动态观测和分析,同时利用多通道声发射全波形三维定位系统对样品内部微破裂的发育过程进行了观测．实验结果表明,断层在三维空间的扩展模式与二维明显不同,表现出更复杂的空间展布形态和变形机制．断层的三维扩展过程可以划分为3个基本阶段：第一裂纹扩展阶段——翼裂纹扩展阶段、转换阶段——花瓣裂纹活动阶段和第二裂纹扩展阶段——贝壳断面形成阶段．不同阶段具有不同的主导裂纹扩展方式,并对应不同的变形场和微破裂分布．其中,花瓣裂纹活动阶段在三维断层的发育过程中至关紧要,它是从表面似二维扩展向三维扩展转换的关键,也是三维断层扩展区别于二维断层的核心所在。     

区域加载过程与发震断层变形演化的实验研究

使用双剪粘滑模型模拟自发地震和诱发地震的区域加载过程,利用应变观测系统多点连续观测发震断层附近的局部应变变化。在应力与应变空间上描述了地震过程的区域应力路径和局部应变路径。结果表明,局部应变路径与应力宏观路径的形态差异较大,但两者的转换阶段对应,存在一定映射关系。断层局部变形路径的走向标明了断层所处在的变形阶段。自发地震的应变路径可以划分为3个部分:应变积累阶段、剪应变的线性偏离阶段和失稳滑动阶段。诱发地震的应变路径包括4个阶段:正斜率的应变积累阶段、负斜率的稳态滑动阶段、亚稳态应变僵持阶段、扰动失稳滑动阶段。自发地震与诱发地震有各自的路径模式,可以从应变路径上判别断层稳定性与可能的地震类型。     

含障碍体平直断层标本变形过程中群体微破裂事件的时空演化特征

设计了含圆柱形障碍体的平直断层物理模型，在概念上可模 拟断层面上与地震孕育相关的障碍体等强固区域. 开展了中等尺度岩石标本的双轴压缩实验 ，研究标本在变形过程中群体微破裂事件的时空演化. 结果表明：(1)由于标本预置断层两 盘与障碍体之间、以及断层两盘彼此之间复杂的相互作用，使得交替活动成为含障碍体平直 断层标本变形过程中最为显著的特征； (2)含障碍体平直断层标本能够发生动力学失稳的前 提条件是障碍体在外加载荷作用下首先发生破坏，微破裂群体在障碍体破坏前后显示不同的 时空演化特征；(3)含障碍体平直断层标本失稳前的总变形量较大，弹性变形阶段微破裂累 积频次呈指数增长. 而在其后的位移弱化阶段，在障碍体及围绕障碍体的围岩区域内微破裂 事件稀少，突发失稳发生在相对平静的背景之上；(4)不同构造组合变形过程中的微破裂群 体具有明显不同的b值，b值与构造相关的区域性差异是明显的.     

雁列式断层变形与失稳过程的实验研究

利用AE(Acoustic Emission,声发射)定位、能量-时间序列扫描,以及动态应力、位移测量技术,系统观测了不同雁列式断层变形失稳的时间-空间动态过程,以期对这类地震的发生发展与相伴随的各种前兆现象有所认识.     

断层间距对拉张雁列构造破坏过程及能量释放影响的模拟

对拉张雁列断层复杂力学行为的研究有助于增进对一些地震及地质现象的理解.基于提出的非均质应变软化本构模型,本文采用FLAC-3D模拟了断层间距对拉张雁列区(岩桥)贯通前后的变形、破坏过程及能量释放规律的影响.在平面应变及小变形条件下,对3个仅断层间距或重叠量不同的标本进行了计算.研究发现,在拉张雁列区贯通过程中,雁列区内部释放了一定的拉伸应变能,而在远离雁列区之外的断层上释放了大量的剪切应变能.随着断层间距的增加,雁列区贯通变晚、变难,断层相互作用减弱,剪切应变能释放量增加.在拉张雁列区贯通之前,拉伸应变能释放率在较低水平上以较小的幅度波动,在贯通之后则不然.因此,从拉伸应变能释放率-时步数曲线上可发现雁列区贯通的标志,这与雁列区内部单元发生拉破坏有关.     

平直断层失稳前应变场演化特征的实验研究

了解与认识地震发生前一段时间内断层的应力应变等物理场的演化过程及其变化特征对于识别断层的状态信息与地震的孕育与发生机理十分重要.断层上何时何地进入亚失稳状态的识别对于预测可能发生的失稳事件尤其关键.     

岩石蠕变过程中声发射活动的实验研究

在常温下、单轴加压下对两种岩石完整样品进行蠕变破坏过程中声发射活动实验.根据实验获得的数据讨论了蠕变三个阶段中声发射活动特征.在瞬态蠕变阶段,随着加载,声发射活动逐渐增强;在稳态蠕变阶段,在较低的声发射活动背景上,可能出现较强的信号,声发射幅值-频度关系的 m 值可能稳定于某一低值,也可能下降;进入加速蠕变阶段,声发射活动水平增强,m 值下降加快,也可能表现为明显回升后再下降,并与岩石样品的性质有关.将蠕变破坏三个阶段中声发射活动与地震孕育过程中某些地震活动图象变化(如 b 值、前震活动)进行了联系,提出地壳岩石蠕变破坏机制形成前震——主震——(余震)型地震序列类型的可能性.      

花岗岩变形破坏的阶段性模型--应力速度及预存微裂纹密度对断层形成过程的影响

依据对具有较高微裂纹密度的筑波花岗岩和极低微裂纹密度的花岗斑岩 2种极端的岩石标本、在等应力速率的快速加载 (约 6MPa/min)和蠕变加载 (轴向应力保持在约 95 %破坏强度 ) 2个极端的加载条件下的实验结果 ,讨论了预存微裂纹密度与加载速度对多晶质结晶岩变形破坏过程的影响。实验中利用高速多通道声发射波形数字记录系统 (每秒可记录多达 5 0 0 0个声发射事件的 32通道波形 ) ,获得了岩石标本破坏前微破裂活动的详细时空分布数据。声发射的发生率、震级 -频度关系中的b值及震源的空间分布揭示出岩石变形破坏过程中微破裂活动具有 3个典型阶段 :初期阶段、第 2阶段和成核阶段。尤其是在成核阶段 ,还观测到发生率和b值有大幅度前兆性起伏。一般而言 ,在相同加载条件下预存微破裂密度越高 ,或对同一岩石加载速度越慢 ,对应的断层成核过程就越长 ,因此最终破坏的可预报性也越高。为了进一步探讨微破裂活动的阶段性特征及其物理本质 ,还利用亚临界破裂扩展模型对声发射数据进行了理论分析