平直斷層黏滑過程失穩(wěn)部位識(shí)別的實(shí)驗(yàn)探究范文
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《地震地質(zhì)雜志》2016年第一期
摘要
實(shí)驗(yàn)室斷層黏滑伴隨有溫度變化，溫度不但與摩擦滑動(dòng)有關(guān)，還與樣本的應(yīng)力狀態(tài)相關(guān)。文中利用紅外熱像儀進(jìn)行全場觀測，研究平直斷層黏滑不同階段的熱場演化。實(shí)驗(yàn)不僅觀測到了峰值前后從應(yīng)力積累轉(zhuǎn)變?yōu)獒尫艑?dǎo)致的溫度由升轉(zhuǎn)降的現(xiàn)象，還觀測到了失穩(wěn)后斷層升溫和塊體降溫的相反變化。更重要的是通過分析沿?cái)鄬痈鱾€(gè)部位的溫度隨時(shí)間的變化，發(fā)現(xiàn)了識(shí)別失穩(wěn)部位的溫度前兆:失穩(wěn)部位的溫度從強(qiáng)偏離線性階段開始，一直是相對(duì)高值，在亞失穩(wěn)階段升溫速率突然增大，遠(yuǎn)高于其他部位。分離摩擦和應(yīng)力的作用后，發(fā)現(xiàn)亞失穩(wěn)階段失穩(wěn)部位的升溫發(fā)生于圍巖上而非斷層帶上，說明斷層處于閉鎖狀態(tài)而相鄰的圍巖區(qū)域處于應(yīng)力集中狀態(tài)，推測滿足這2個(gè)條件的部位可能是未來的失穩(wěn)部位。此現(xiàn)象或許有助于野外發(fā)震位置的判斷。
關(guān)鍵詞亞失穩(wěn)失穩(wěn)部位地震前兆溫度平直斷層溫度變化機(jī)理
引言
黏滑是伴隨有應(yīng)力降的突然滑動(dòng)，Brace等(1966)將此作為地震機(jī)制。斷層失穩(wěn)釋放的能量中，熱能占了較大部分(Kanoetal．2006)，斷層作用的熱效應(yīng)分析是研究斷層活動(dòng)的途徑之一。以往的實(shí)驗(yàn)對(duì)斷層黏滑失穩(wěn)過程中的聲發(fā)射、位移、應(yīng)變演化進(jìn)行過深入研究(馬勝利等，1995;劉力強(qiáng)等，1995;鄧志輝等，1995)，對(duì)溫度的關(guān)注較少。馬瑾等(2007，2012)利用鉑電阻溫度傳感器分析了雁列斷層、拐折斷層失穩(wěn)前后的溫度變化，得到了有意義的結(jié)果(Maetal．2010)，但這種觀測方式屬于“點(diǎn)”觀測，難以看到整個(gè)樣本的“熱場”變化。能連續(xù)記錄變形過程中樣本表面熱場變化的紅外熱像儀，將更有助于獲得黏滑失穩(wěn)過程中的時(shí)空演化特征。一般認(rèn)為巖石變形過程中的生熱主要來源于不可逆過程，如摩擦、損傷，塑性變形等。實(shí)際上，實(shí)驗(yàn)與理論研究證實(shí)(耿乃光等，1998;劉力強(qiáng)等，2004;劉培洵等，2004;陳順云等，2009;劉善軍等，2009;張艷博等，2011):可逆過程(彈性變形過程)也會(huì)引起溫度變化，即在絕熱環(huán)境下，巖石等受熱膨脹的材料，擠壓升溫，拉張降溫。也就是說，通過對(duì)變形過程中的溫度觀測，還能獲得標(biāo)本的應(yīng)力狀態(tài)變化信息。因此，利用紅外熱像儀作為觀測手段，共有3個(gè)優(yōu)點(diǎn):一是可以獲得斷層作用產(chǎn)生的熱效應(yīng)，二是可以獲得場觀測數(shù)據(jù)，三是可能獲得失穩(wěn)過程中應(yīng)力變化產(chǎn)生的熱信息，進(jìn)而獲得失穩(wěn)時(shí)的應(yīng)力變化情況。亞失穩(wěn)階段是失穩(wěn)前的最后階段(馬瑾等，2012，2014)，研究這個(gè)變形階段各種物理場的演化特點(diǎn)對(duì)于判斷失穩(wěn)至關(guān)重要。亞失穩(wěn)研究的主要內(nèi)容之一是分析未來震源區(qū)及其相關(guān)物理場特征，并研究其影響因素。前述研究已得出斷層失穩(wěn)具有“多點(diǎn)錯(cuò)動(dòng)”的特征(任雅瓊等，2013)，但起始錯(cuò)動(dòng)點(diǎn)，即失穩(wěn)部位，是否在亞失穩(wěn)階段存在可識(shí)別的溫度變化特征，仍需要進(jìn)一步研究。基于上述原因，本文利用紅外熱像儀對(duì)平直斷層黏滑失穩(wěn)過程的溫度場進(jìn)行分析，以期獲得1個(gè)黏滑周期內(nèi)的溫度演化特征，特別關(guān)注失穩(wěn)部位溫度隨時(shí)間的變化，希望從亞失穩(wěn)階段的溫度變化中得到能提前判斷失穩(wěn)部位的信息。
1實(shí)驗(yàn)條件和數(shù)據(jù)處理
時(shí)間域的噪聲通過鄰域平均進(jìn)行低通濾波。圖3b中的黑色曲線為所分析黏滑事件去環(huán)境影響后的溫度變化放大圖，可見其受高頻噪聲影響較大。為消除噪聲，利用多個(gè)不同大小窗口進(jìn)行低通濾波，結(jié)果表明窗口為0.22s(11個(gè)采集數(shù)據(jù))時(shí)，能最大程度地保持原數(shù)據(jù)的細(xì)微趨勢變化。對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行噪聲評(píng)價(jià):加載條件下巖石樣本紅外測量原始數(shù)據(jù)的均方差為3.82mK，去環(huán)境影響及低通濾波后變?yōu)?.93mK。空間域的噪聲通過均值濾波去除。在數(shù)據(jù)處理過程中，為突出顯示溫度變化，在時(shí)間上，對(duì)所有數(shù)據(jù)相對(duì)于某穩(wěn)態(tài)時(shí)刻歸零;在空間上，以某幅圖像作為背景求取熱像增量圖。紅外熱像儀與雙向伺服壓機(jī)的對(duì)時(shí)一直是此類實(shí)驗(yàn)中的關(guān)鍵問題。壓機(jī)輸出的應(yīng)力變化階段對(duì)應(yīng)熱像儀的何種溫度變化，必須在精確對(duì)時(shí)的前提下才能回答。本次實(shí)驗(yàn)缺少紅外熱像儀與壓機(jī)的對(duì)時(shí)，只能通過將熱像儀快速升溫起始點(diǎn)和壓機(jī)快速應(yīng)力降起始點(diǎn)對(duì)齊的方法進(jìn)行對(duì)時(shí)，這種方法(稱其為方法一)是否可行需要通過補(bǔ)充實(shí)驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證。補(bǔ)充實(shí)驗(yàn)對(duì)同樣的樣本，以相同的方式加載，通過CCD相機(jī)間接對(duì)熱像儀和壓機(jī)進(jìn)行對(duì)時(shí)。具體方法(稱其為方法二)為:在樣本上方架設(shè)紅外熱像儀和相機(jī)，調(diào)整其位置使斷層位于二者的視域正中，黏滑后待溫度變化恢復(fù)后在樣本上方將標(biāo)志物閉合，保證閉合圖像同時(shí)出現(xiàn)在熱像儀和相機(jī)的視域中;分別在紅外輸出結(jié)果和相機(jī)輸出結(jié)果中找到每次對(duì)時(shí)標(biāo)志物閉合的時(shí)刻;首先將壓機(jī)與相機(jī)對(duì)時(shí)，即壓機(jī)差應(yīng)力最大應(yīng)力降速率起點(diǎn)與相機(jī)得到的最大位移速率起點(diǎn)一致;然后將紅外熱像儀與相機(jī)對(duì)時(shí)，輸出的紅外熱像儀時(shí)間序列與壓機(jī)時(shí)間序列為對(duì)時(shí)后的結(jié)果。結(jié)果顯示，快速升溫起始點(diǎn)與快速應(yīng)力降起始點(diǎn)相差0.1～0.5s，也就是說假定方法二的對(duì)時(shí)結(jié)果是正確的，方法一的對(duì)時(shí)結(jié)果誤差最大為0.5s，本文分析的實(shí)驗(yàn)結(jié)果中，升降溫現(xiàn)象持續(xù)時(shí)間多＞2s，因此在本次實(shí)驗(yàn)中通過方法一對(duì)時(shí)是可行的。
2實(shí)驗(yàn)結(jié)果
2.1峰值前后的溫度增量場
2.2失穩(wěn)后不同部位的溫度變化
2.3失穩(wěn)部位的識(shí)別
為進(jìn)一步分析升溫機(jī)制，分別選取寬1.54mm的斷層帶(剖面2，位置參見圖1a)和距離斷層2mm，相同寬度的圍巖區(qū)(剖面3，位置參見圖1a)進(jìn)行分析。為突出細(xì)節(jié)，將整條斷層剖面進(jìn)一步細(xì)分為28個(gè)區(qū)域。在B時(shí)刻之前，對(duì)比斷層帶(圖7a)與圍巖區(qū)(圖7b)可見，圍巖區(qū)64mm處(紅色箭頭所示部位，即圖6中的部位1)一直處于升溫狀態(tài)，且在亞失穩(wěn)階段有增強(qiáng)的趨勢，而斷層帶相同位置無升溫現(xiàn)象。其他幾個(gè)部位在斷層和圍巖區(qū)都可看到升溫。因此部位1在圍巖上表現(xiàn)為應(yīng)力集中，在斷層帶上表現(xiàn)為閉鎖(無斷層位移，無摩擦滑動(dòng)升溫)，其溫機(jī)理是應(yīng)力致熱。B時(shí)刻之后，圍巖區(qū)的增溫是斷層帶摩擦熱效應(yīng)傳導(dǎo)所致。在亞失穩(wěn)階段，應(yīng)力集中加劇的原因可能與斷層帶預(yù)滑區(qū)擴(kuò)展有關(guān)，圖b中無法觀測到預(yù)滑現(xiàn)象的原因是整個(gè)樣本體應(yīng)力下降導(dǎo)致的降溫掩蓋了升溫現(xiàn)象。在遠(yuǎn)離斷層帶的圍巖上選取相同面積的對(duì)照區(qū)域，減去其平均溫度以去除體應(yīng)力導(dǎo)致的降溫。可觀測到亞失穩(wěn)階段斷層帶非閉鎖區(qū)有升溫加劇的現(xiàn)象(圖8中的紅色虛線框所示)，此升溫應(yīng)是預(yù)滑所致。本實(shí)驗(yàn)室早期的研究(馬勝利等，1995)發(fā)現(xiàn)，在某些黏滑發(fā)生前的一段時(shí)間，源區(qū)應(yīng)變?cè)黾樱瑪鄬游灰茙缀鯚o增加甚至反向，鄰區(qū)應(yīng)變可能下降，臨近黏滑有預(yù)滑現(xiàn)象。最近的研究(馬瑾等，2014)還發(fā)現(xiàn)亞失穩(wěn)階段應(yīng)變釋放加速擴(kuò)展，應(yīng)變積累則在范圍上縮小，幅度上增大。本文結(jié)果印證了上述觀點(diǎn)，并進(jìn)一步揭示了應(yīng)力應(yīng)變、斷層位移與失穩(wěn)部位的關(guān)系以及熱場上的表現(xiàn)。由于應(yīng)力導(dǎo)致的升溫一般較低，而圖7b顯示的升溫較高，可能高應(yīng)力集中導(dǎo)致微破裂產(chǎn)生，在不斷加載的條件下也會(huì)發(fā)生摩擦升溫的現(xiàn)象，此推測還需進(jìn)一步驗(yàn)證。
3結(jié)論與討論
本文利用紅外熱像儀觀測平直斷層黏滑過程溫度場的變化。在研究不同變形階段溫度變化的基礎(chǔ)上，探索失穩(wěn)部位在失穩(wěn)前的溫度變化特征，得到以下實(shí)驗(yàn)結(jié)果:(1)峰值前后的熱場演化特征及機(jī)理:峰值前樣本以升溫為主，峰值后亞失穩(wěn)階段樣本溫度在以降溫為主的背景上起伏變化;峰值前的升溫主要由應(yīng)力積累引起，峰值后亞失穩(wěn)階段塊體降溫由應(yīng)力松弛引起，斷層區(qū)域升溫則是摩擦和應(yīng)力集中互相交錯(cuò)，共同作用的結(jié)果。(2)失穩(wěn)后不同部位的熱場演化特征及機(jī)理:失穩(wěn)時(shí)刻，樣本塊體降溫，斷層迅速升溫;塊體降溫的機(jī)理是應(yīng)力松弛，斷層升溫的機(jī)理是摩擦滑動(dòng);2個(gè)部位相反的溫度變化是失穩(wěn)后熱場的主要特征。(3)失穩(wěn)部位的熱場特征:將失穩(wěn)時(shí)最先升溫，且升溫幅度最高的部位稱為失穩(wěn)部位，研究發(fā)現(xiàn)，失穩(wěn)部位在強(qiáng)偏離線性階段后升溫就處于相對(duì)高值，在亞失穩(wěn)階段升溫速率突升。此現(xiàn)象或許有助于利用溫度數(shù)據(jù)推測可能的發(fā)震位置。(4)失穩(wěn)部位的溫度機(jī)理分析:失穩(wěn)前的溫度變化機(jī)理比較復(fù)雜，分析顯示升溫存在于圍巖上而非斷層上，說明升溫是圍巖上的高應(yīng)力集中所致。斷層帶上無摩擦導(dǎo)致的升溫說明斷層帶處于閉鎖狀態(tài)。機(jī)理分析的結(jié)果表明滿足斷層帶閉鎖且附近圍巖應(yīng)力集中這2個(gè)條件的部位可能是未來的失穩(wěn)部位.此項(xiàng)研究才剛剛開始，鑒于應(yīng)變片對(duì)熱場存在干擾，以往的實(shí)驗(yàn)中應(yīng)變與溫度這2個(gè)物理量往往分別進(jìn)行測量。為進(jìn)一步認(rèn)識(shí)溫度場與應(yīng)變場的關(guān)系，采用不會(huì)影響溫度場的數(shù)字圖像方法研究應(yīng)變場，開展溫度場與應(yīng)變場同步觀測的實(shí)驗(yàn)十分必要。致謝汲云濤助理研究員和卓燕群為實(shí)驗(yàn)提供了幫助，深表感謝。
參考文獻(xiàn)
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作者:任雅瓊 馬瑾 劉培洵 陳順云 單位:中國地震局地質(zhì)研究所，地震動(dòng)力學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室