雁列式断层的变形与地震活动性的实验研究
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发布时间：2022-04-28 22:06
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时间：2022-06-23 18:43
马胜利 邓志辉 马文涛 刘力强 刘天昌 马瑾 曾正文
（中国地震局地质研究所，北京 100029）
摘要 在双轴压缩条件下对含有挤压型、拉张型和复杂雁列式断层的标本进行了变形实验，测量了变形过程中声发射、断层位移及应变场的时空分布。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，伴有较强的声发射活动，而拉张型雁列区内难以产生较强的声发射活动。复杂雁列式断层的变形过程及相应的物理场演化并非是两种雁列式断层的简单叠加，而是包含着它们之间的相互作用。其中一个有趣的现象是，能量较强的声发射事件成核部位主要集中在应力水平较低的张性雁列区附近的主干断层上，而不是应力水平较高的压性雁列区，但这种事件发生的时间则明显受控于压性雁列区的变形过程。实验中观察到具不同特征的失稳事件。基于上述结果，讨论了雁列式断层与地震活动之间的可能关系。
关键词 岩石力学实验 雁列式断层 声发射 断层位移 应变场
1 引言
众所周知，走滑断层具有迹线不连续性的特征，其中雁列式组合是最常见的断层几何型式[1～3]。雁列式断层的相互作用在实验和自然断裂带的形成发展中起着重要作用[4,5]，高精度微震研究表明断层迹线在地表的不规则性可穿过发震层延伸至10km或更深的深度[6,7]，因此，研究雁列式断层的变形破坏特征对理解地壳中的断裂作用过程和相应的地震活动是非常重要的。
按照雁列区应力集中的性质，可将雁列式断层分为两类，即拉张型和挤压型雁列式断层。对雁列区的变形性质及其伴生的构造曾进行过大量研究[5,8～10];Segall和Pollard[11]、Mavko[12]、杜异军等[13]及其他作者从理论上讨论了雁列区的应力扰动场及其对断层行为的潜在影响，Pollard等[14]、Pollard和Aydin[15]、Sempere和Macdonald[16]、Aydin和Schultz[17]及Ma等[18]分析了力学相互作用对雁列式断层（裂纹）扩展和失稳的影响；Sibson[19]讨论了地震破裂与断层雁列区的相互作用，认为两类雁列区均可能阻止地震破裂的扩展，导致破裂部分或完全停止；也有一些关于雁列式断层变形和破坏过程的实验研究[20～24]。不过，前人的分析多为静态分析，大多数实验是在单轴条件下进行的，且观测点很有限，未能揭示从破坏到滑动的全过程及相应的物理场。因此，为了更好地理解雁列式断层与地震活动的关系，仍需进一步研究其变形破坏过程及相应的物理场演化。
本文在双轴压缩条件下对含有雁列式断层的标本进行了变形实验，测量了变形过程中声发射、断层位移和应变的时空分布，据此分析了其变形过程、失稳类型及前兆特征。由于我们感兴趣的是雁列式断层的失稳对地震活动的影响，这里考虑的是具有强烈相互作用的雁列式断层。
2 实验方法
实验样品为辉长岩，尺寸为25cm×25cm×2cm，沿标本45°方向预切了3mm宽的裂缝并用石膏充填，用以模拟断层。一类标本含有两条非共线裂缝，构成一组雁列式断层，其中两条断层的距离和走向上重叠尺寸均为2cm。理论分析表明，这是一种两条断层之间有强烈相互作用的几何结构。另一类标本含有三条裂缝，构成有两个尺寸为2cm×2cm的复杂雁列式断层。标本结构及各类传感器的布局见图1。
图1 标本结构及传感器布局图
a—挤压型雁列式断层；b—拉张型雁列式断层；c—复杂雁列式断层。圆圈为声发射探头，其中实心圆和空心圆分属于两套声发射仪；π形框为断层位移计，矩形方框为应变片
实验中除对轴向载荷和轴向位移进行测量外，在实验标本上布设了声发射传感器、应变片、断层位移计，对相应的物理场进行观测。采用两套高速多通道数字化测试系统记录声发射事件的波形，利用同一事件在不同探头上的到时差可确定其位置；事件强度的确定借鉴地震震级的计算方法，并考虑声发射事件与地震之间的差别[25]；由此可得到每个标本变形过程中声发射M—t图及时空分布图。本文中我们仅分析其中一套记录系统得到的资料（图1中实心符号表示的探头）。应变测量使用一套低频、高精度多点测量系统，本次实验中的观测通道为32个，传感器为标准应变片。断层位移观测使用的是同一套测量系统，设置了8个断层位移计。实验系统的细节可参见刘力强和刘天昌[26]的文章。
3 实验结果分析
图2给出了含不同雁列式断层的标本在变形中发育的次级破裂。在压性列区出现了两条剪切裂纹（图2a），而在张性雁列区可见4条张性裂纹（图2b）。复杂雁列断层的破裂图像较为复杂，但基本上是挤压和拉张型雁列式断层的叠加，只是在压性雁列区发育有更多的裂纹（图2c）。这些裂纹在控制物理场的演化方面起着重要的作用。
图2 雁列区破裂素描
a—挤压型雁列式断层； b—拉张型雁列式断层；c—复杂雁列式断层
3.1 挤压型雁列式断层
图3为含挤压型雁列式断层的标本的应力—时间曲线。标本的差应力随时间持续增加（应变硬化）。有两次明显的应力降（失稳事件），分别出现在约450s和650s左右。650s后可见周期性的应力被动。
图3 含有挤压型雁列式断层的标本的差应力—时间曲线箭头指示失稳事件
断层位移表现出明显的时间分段性和空间分区性（图4）。在约650s之前，断层位移随时间增加较慢，之后增加较快，其中断层两端的位移较大。对应前述第一次应力降，一些部位断层位移有突变，但位移量不大；对应第二次应力降，各段断层位移均有台阶式跳跃。这表明，在650s左右变形方式从破裂为主转为滑动为主，450s和650s的失稳事件分别由破裂和非稳定滑动引起。
图5是平行断层走向及雁列区的应变片的测量结果（图5）。这里正值表示压缩，负值表示拉张。从初始应变来看，各部位应变差别不大，只是断层内端部（12和31号）应变较大。在变形过程中，远离雁列区的部位（3、19号）应变变化不大，而雁列区内及邻近的断层两侧应变变化较大且较为复杂。大约100s时，15号应变片的剧烈下降表明雁列区裂纹Ⅰ（见图2a）开始产生；裂纹Ⅱ（见图2a）在220s左右产生并扩展，造成16号应变片应变值的突变。随着变形的继续，裂纹I缓慢扩展，使得其附近（15号和28号应变片）应变持续下降，而邻区（雁列区下部29号、区外12、31号）应变持续增加；大约在450s时，该裂纹扩展连通，引起附近及上部断层邻雁列区段落应变的快速释放，而区外特别是雁列区下部应变明显增加。裂纹Ⅱ在约580s时加速扩展，使得29号处应变急剧上升，约650s时完全贯通，引起裂纹两端及雁列区断层端部（31和12号）应变的剧烈释放，而雁列区上部及断层内外侧应变有不同程度的增加。此后，雁列区附近及断层内侧应变呈增加趋势，而断层外侧应变表现为下降趋势。
图4 含挤压型雁列式断层的标本的断层位移—时间曲线
箭头指示失稳事件
图5 含挤压型雁列式断层的标本平行断层走向和雁列区内应变片的测量结果
图6为含挤压型雁列式断层的标本声发射事件的时空分布。在时间分布上（图6a），声发射活动是不均匀的，400s以前声发射发生频率很低；与450s和650s的两次应力降相对应，各有一个较强的声发射活动期；在此之后，声发射事件较稀疏；但在实验后期声发射活动又趋活跃。在空间上，几乎所有的声发射事件都发生在断层附近，其中在第一阶段（650s以前），声发射事件主要集中在雁列区内及其附近，且有从雁列区向断层迁移的趋势；在第二阶段，声发射事件则主要集中在雁列区外的断层上（图6b）。
图6 含挤压型雁列式断层的标本声发射事件M—t图（a）和时空分布图（b）
3.2 拉张型雁列式断层
与含挤压型雁列式断层的标本相比，含拉张型雁列式断层的标本强度较低，应变硬化也较弱。大约在750s时，有一次较明显的应力下降过程，此后随变形的继续，周期性（200～300s）地出现小的应力下降过程（图7）。
图7 含拉张型雁列式断层的标本的差应力—时间曲线箭头指示失稳事件
断层位移的分布有明显的时间分段性和空间分区性，且比挤压型雁列式断层要复杂（图8）。在750s以前，断层位移随时间的增加很缓慢，其中雁列区附近断层位移几乎没有增加甚至反向，而断层中部位移相对较大。在750s之后，断层位移随时间明显增加。与750s时的应力下降相对应，断层各部分位移均有明显的变化。这表明，在750s前后，变形方式从破裂为主转变为滑动为主。
图8 含拉张型雁列式断层的标本的断层位移—时间曲线箭头指示失稳事件
图9为平行断层走向的应变片的测量结果。由初始应变状态来看，雁列区及断层两侧处于受拉状态，而断层内端部处于受压状态。一开始施加差应力，雁列区内的应变片（15、29号等）先后被拉断，表明雁列区内的几条裂纹（图2b）已开始出现，引起雁列区内及断层带各部应变不同程度的下降，而雁列区外及断层内端部应变强烈上升。此后应变的变化较为平稳，在断层内侧和外侧先后有一系列小的应变释放。与750s的应力降相对应，有一次强烈的应变释放过程，主要集中在雁列区外（31、12号）和断层外侧（25、28号）。这一过程标志着雁列区的完全贯通。在此之后，可见应变周期性地释放，主要在断层中段。
图9 含拉张型雁列式断层的标本平行断层走向应变片的测量结果
与挤压型雁列式断层相比，含拉张型雁列式断层的标本的声发射事件明显较弱（图10a）。声发射活动在时间分布上有明显的间歇性，特别是在实验后半段（800s后），声发射活动在时间上正好与应力的波动过程相呼应。其中与750s左右的应力下降过程相对应，有一个较强的活动期（图10a）。从空间分布来看，声发射事件主要集中在靠近雁列区的断层段上，雁列区内并不多。不过，需要说明的是，实验中用另一台门槛较低的声发射系统（图1中空心圆所示的探头）记录到更多的小事件，其中大部分分布在雁列区内[25]。这表明，拉张型雁列区仅能产生很小的事件，较大事件均位于区外的断层上。
图10 含拉张型雁列式断层的标本声发射事件M—t图（a）和时空分布图（b）
3.3 复杂雁列式断层
含复杂雁列式断层的标本强度与含挤压型雁列式断层的标本相当。应变硬化在350s前很明显，350s后减弱。大约在350s时有一次较大的应力下降过程，此后可见周期性的小应力降事件（图11）。
图11 含复杂雁列式断层的标本的差应力—时间曲线
测量结果表明，应变的变化相当复杂（图12）。由于标本结构的非均匀性，初始应变即有差异，总的特点是张性雁列区应变为负、压性雁列区应变为正。实验初期，变形主要集中在张性雁列区附近。当标本受到差应力时，几条裂纹（见图2c）相继产生并扩展，造成7、8号等应变片被拉断（图12中箭头①②），其中伴有雁列区附近明显的应变释放（19、5号应变片）。大约在350s时（图12中箭头④），张性雁列区基本贯通，伴有一次较强的应变释放过程，主要集中在张性雁列区附近及主干断层外侧。在张性雁列区活动过程中夹有压性雁列区的活动，主要表现为裂纹Ⅰ（见图2c）在箭头③所示的时间开始产生，并在张性雁列区贯通时加速扩展（14、15号应变片）。在大约400s后，变形主要集中在压性雁列区，表现为雁列区裂纹Ⅱ及裂纹Ⅲ的相继产生、扩展及裂纹Ⅰ的贯通等（见图2c），引起复杂的应变积累和释放过程（参见图12中箭头所示时间及说明）。例如，在620s左右（图12中箭头⑥），压性雁列区裂纹I贯通引起一次较强的变形和应变释放，使得一些应变片被错断（15号等），并引发了张性区主干断层（图12中箭头⑦）一次较强的滑动及应变释放。在此之后，伴随着压性雁列区的进一步变形，张性区主干断层间歇性地加速滑动，释放应变（19、22号等应变片）。
图12 含复杂雁列式断层平行断层走向及雁列区内应变片的测量结果
①②—张性雁列区裂纹产生、扩展；③—压性雁列区裂纹Ⅰ产生；④—压性雁列区裂纹Ⅰ扩展，张性雁列区贯通；⑤—压性雁列区裂纹I产生；⑥—压性雁列区裂纹Ⅰ贯通；⑦—张性雁列区主干断层活动；⑧—压性雁列区裂纹I扩展、连通；⑨—压性雁列区裂纹Ⅲ产生；⑩一压性雁列区裂纹Ⅲ扩展、连通
声发射活动在400s前发生频度相对较低、能量相差不大，但对应于350s左右的应力降过程有一个较强的声发射序列。在420s之后，声发射活动频度一直很高，能量相差也较大，其中较大事件有周期性出现的特征，时间上与应力释放过程基本对应（图13a）。从空间分布来看，声发射活动主要集中在两个雁列区及附近的断层上。张性雁列区附近声发射活动有明显的周期性，能量较大的事件集中在该区附近的主干断层上。压性雁列区及主干断层附近，声发射活动在420s后一直很频繁，但能量较大的事件并不多见（图13b）。
图13 含复杂雁列式断层的标本声发射事件M—t图（a）和时空分布图（b）
4 讨论
4.1 雁列式断层的变形过程
挤压型和拉张型两类雁列式断层具有类似的变形破坏过程。在变形第一阶段以雁列区内裂纹的产生、扩展、连通为主，应变变化剧烈而断层位移较小，声发射活动频度较高而能量相对较小；第二阶段以沿断层带的滑动为主，断层位移明显而应变变化相对较小。但压性雁列区可积累较高的应变能，区内可发生较强的应变释放和声发射活动，且雁列区对滑动始终起着阻碍作用；而张性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无明显的阻碍作用。总体来看，这些结果与以前的研究类似，表明声发射事件的大小与应力水平相关。
复杂雁列式断层的变形过程及相应的物理场演化并非是两种雁列式断层的简单叠加，而是包含着它们之间的相互作用。其中一个有趣的现象是，尽管强度和最大声发射事件的大小与挤压型雁列式断层类似，但较大的声发射事件主要分布在应力水平较低的张性雁列区附近的主干断层上，而不是应力水平较高的压性雁列区，但这种事件发生的时间则明显受控于压性雁列区的变形过程。这一结果完全不同于以前的研究，表明声发射事件的大小不只是与应力水平相关，在一些条件下，沿断层的快速滑动也可产生很强的声发射事件。
4.2 雁列式断层的失稳类型与前兆特征
实验中观察到不同特征的失稳事件，根据其变形机制和物理场演化特征可分为破裂型、粘滑型和混合型。不同类型的失稳前兆特征明显不同。这里我们选择一些典型的事件来说明各类失稳的特征和前兆。
破裂型失稳由压性雁列区的破裂引起。图14是挤压型雁列式断层裂纹I（见图2a）的快速扩展引起的失稳前后各种观测参量的变化。宏观应力在失稳前几十秒加速上升；断层一些部位位移在失稳时有突变，但失稳前变化不明显；从声发射序列来看，前兆性事件不多而类似于余震的事件较多；失稳时的应变释放主要集中在裂纹处及断层外侧，失稳前裂纹附近应变下降明显，而其外应变上升。
图14 压性雁列区破坏过程中一次失稳前后各种观测参量的变化
a—断层结构及传感器分布；b—应力；c—断层位移；d—声发射；e—应变
混合型失稳包含破裂和滑动两种机制，见于雁列式断层连通时。次级破裂的扩展使得雁列区连通，导致断层的整体快速滑动，引起失稳。图15给出了挤压型雁列式断层雁列区连通时引起的失稳前后各种观测参量的变化。可见，宏观应力在失稳前约100s开始上升，紧临失稳时明显下降；失稳前远离雁列区的断层段表现为位移加速，而靠近雁列区的断层段表现为先反向、后加速；声发射前兆很明显，表现为发生率明显增加；应变测量表明，失稳发生在裂纹Ⅱ（见图2a）的连通之后，应变释放区主要为雁列区下部（29号）及外侧（12、31号），失稳前这些区域尤其是29号部位应变先加速上升、紧临失稳却较快地下降，其他部位应变的变化趋势则正相反。
图15 由压性雁列区连通引起的一次失稳事件发生前后各种观测参量的变化
a—断层结构及传感器分布；b—应力；c—断层位移；d—声发射；e—应变
粘滑型失稳出现在雁列式断层连通后的滑动中。由于在我们的实验中侧向应力较低，这类失稳较小，我们将不作专门的讨论。需要指出的是，一些粘滑事件有明显的前兆，而一些粘滑事件则没有明显的前兆，取决断层不同部分之间是否有应变的转移。这与典型的岩石摩擦实验的情况类似，可能与粘滑机制有关[27]。
4.3 雁列式断层与地震活动性
基于实验结果，我们对雁列式断层的变形与地震活动的关系作一些讨论。
在挤压型雁列式断层的雁列区，次级破裂可以引起中强地震，地震前可观测到应变场的前兆性变化；而在拉张型雁列式断层的雁列区，次级破裂仅会引起小地震。沿雁列式断层，雁列区的连通可引起强震，这样的地震会在应变场、断层位移和微震活动等方面表现出丰富的前兆。对于具有挤压型和拉张型雁列区的断层系，压性雁列区将会在控制整个断层系的变形中起重要作用，这种区域的变形可为沿断层的滑动失稳提供必要的让位条件。因此，沿一个断层系的地震活跃期可能会从这样的区域开始，强震可发生于张性和压性雁列区附近的主干断层上。
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