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《地震地質雜志》2016年第一期

摘要

實驗室斷層黏滑伴隨有溫度變化，溫度不但與摩擦滑動有關，還與樣本的應力狀態相關。文中利用紅外熱像儀進行全場觀測，研究平直斷層黏滑不同階段的熱場演化。實驗不僅觀測到了峰值前后從應力積累轉變為釋放導致的溫度由升轉降的現象，還觀測到了失穩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斷層各個部位的溫度隨時間的變化，發現了識別失穩部位的溫度前兆:失穩部位的溫度從強偏離線性階段開始，一直是相對高值，在亞失穩階段升溫速率突然增大，遠高于其他部位。分離摩擦和應力的作用后，發現亞失穩階段失穩部位的升溫發生于圍巖上而非斷層帶上，說明斷層處于閉鎖狀態而相鄰的圍巖區域處于應力集中狀態，推測滿足這2個條件的部位可能是未來的失穩部位。此現象或許有助于野外發震位置的判斷。

關鍵詞亞失穩失穩部位地震前兆溫度平直斷層溫度變化機理

引言

黏滑是伴隨有應力降的突然滑動，Brace等(1966)將此作為地震機制。斷層失穩釋放的能量中，熱能占了較大部分(Kanoetal．2006)，斷層作用的熱效應分析是研究斷層活動的途徑之一。以往的實驗對斷層黏滑失穩過程中的聲發射、位移、應變演化進行過深入研究(馬勝利等，1995;劉力強等，1995;鄧志輝等，1995)，對溫度的關注較少。馬瑾等(2007，2012)利用鉑電阻溫度傳感器分析了雁列斷層、拐折斷層失穩前后的溫度變化，得到了有意義的結果(Maetal．2010)，但這種觀測方式屬于“點”觀測，難以看到整個樣本的“熱場”變化。能連續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過程中的時空演化特征。一般認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。實際上，實驗與理論研究證實(耿乃光等，1998;劉力強等，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)也會引起溫度變化，即在絕熱環境下，巖石等受熱膨脹的材料，擠壓升溫，拉張降溫。也就是說，通過對變形過程中的溫度觀測，還能獲得標本的應力狀態變化信息。因此，利用紅外熱像儀作為觀測手段，共有3個優點:一是可以獲得斷層作用產生的熱效應，二是可以獲得場觀測數據，三是可能獲得失穩過程中應力變化產生的熱信息，進而獲得失穩時的應力變化情況。亞失穩階段是失穩前的最后階段(馬瑾等，2012，2014)，研究這個變形階段各種物理場的演化特點對于判斷失穩至關重要。亞失穩研究的主要內容之一是分析未來震源區及其相關物理場特征，并研究其影響因素。前述研究已得出斷層失穩具有“多點錯動”的特征(任雅瓊等，2013)，但起始錯動點，即失穩部位，是否在亞失穩階段存在可識別的溫度變化特征，仍需要進一步研究。基于上述原因，本文利用紅外熱像儀對平直斷層黏滑失穩過程的溫度場進行分析，以期獲得1個黏滑周期內的溫度演化特征，特別關注失穩部位溫度隨時間的變化，希望從亞失穩階段的溫度變化中得到能提前判斷失穩部位的信息。

1實驗條件和數據處理

時間域的噪聲通過鄰域平均進行低通濾波。圖3b中的黑色曲線為所分析黏滑事件去環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，利用多個不同大小窗口進行低通濾波，結果表明窗口為0.22s(11個采集數據)時，能最大程度地保持原數據的細微趨勢變化。對數據進行噪聲評價:加載條件下巖石樣本紅外測量原始數據的均方差為3.82mK，去環境影響及低通濾波后變為1.93mK。空間域的噪聲通過均值濾波去除。在數據處理過程中，為突出顯示溫度變化，在時間上，對所有數據相對于某穩態時刻歸零;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的對時一直是此類實驗中的關鍵問題。壓機輸出的應力變化階段對應熱像儀的何種溫度變化，必須在精確對時的前提下才能回答。本次實驗缺少紅外熱像儀與壓機的對時，只能通過將熱像儀快速升溫起始點和壓機快速應力降起始點對齊的方法進行對時，這種方法(稱其為方法一)是否可行需要通過補充實驗進行驗證。補充實驗對同樣的樣本，以相同的方式加載，通過CCD相機間接對熱像儀和壓機進行對時。具體方法(稱其為方法二)為:在樣本上方架設紅外熱像儀和相機，調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后在樣本上方將標志物閉合，保證閉合圖像同時出現在熱像儀和相機的視域中;分別在紅外輸出結果和相機輸出結果中找到每次對時標志物閉合的時刻;首先將壓機與相機對時，即壓機差應力最大應力降速率起點與相機得到的最大位移速率起點一致;然后將紅外熱像儀與相機對時，輸出的紅外熱像儀時間序列與壓機時間序列為對時后的結果。結果顯示，快速升溫起始點與快速應力降起始點相差0.1～0.5s，也就是說假定方法二的對時結果是正確的，方法一的對時結果誤差最大為0.5s，本文分析的實驗結果中，升降溫現象持續時間多＞2s，因此在本次實驗中通過方法一對時是可行的。

2實驗結果

2.1峰值前后的溫度增量場

2.2失穩后不同部位的溫度變化

2.3失穩部位的識別 

為進一步分析升溫機制，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(剖面3，位置參見圖1a)進行分析。為突出細節，將整條斷層剖面進一步細分為28個區域。在B時刻之前，對比斷層帶(圖7a)與圍巖區(圖7b)可見，圍巖區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，且在亞失穩階段有增強的趨勢，而斷層帶相同位置無升溫現象。其他幾個部位在斷層和圍巖區都可看到升溫。因此部位1在圍巖上表現為應力集中，在斷層帶上表現為閉鎖(無斷層位移，無摩擦滑動升溫)，其溫機理是應力致熱。B時刻之后，圍巖區的增溫是斷層帶摩擦熱效應傳導所致。在亞失穩階段，應力集中加劇的原因可能與斷層帶預滑區擴展有關，圖b中無法觀測到預滑現象的原因是整個樣本體應力下降導致的降溫掩蓋了升溫現象。在遠離斷層帶的圍巖上選取相同面積的對照區域，減去其平均溫度以去除體應力導致的降溫。可觀測到亞失穩階段斷層帶非閉鎖區有升溫加劇的現象(圖8中的紅色虛線框所示)，此升溫應是預滑所致。本實驗室早期的研究(馬勝利等，1995)發現，在某些黏滑發生前的一段時間，源區應變增加，斷層位移幾乎無增加甚至反向，鄰區應變可能下降，臨近黏滑有預滑現象。最近的研究(馬瑾等，2014)還發現亞失穩階段應變釋放加速擴展，應變積累則在范圍上縮小，幅度上增大。本文結果印證了上述觀點，并進一步揭示了應力應變、斷層位移與失穩部位的關系以及熱場上的表現。由于應力導致的升溫一般較低，而圖7b顯示的升溫較高，可能高應力集中導致微破裂產生，在不斷加載的條件下也會發生摩擦升溫的現象，此推測還需進一步驗證。

3結論與討論

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上，探索失穩部位在失穩前的溫度變化特征，得到以下實驗結果:(1)峰值前后的熱場演化特征及機理:峰值前樣本以升溫為主，峰值后亞失穩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力積累引起，峰值后亞失穩階段塊體降溫由應力松弛引起，斷層區域升溫則是摩擦和應力集中互相交錯，共同作用的結果。(2)失穩后不同部位的熱場演化特征及機理:失穩時刻，樣本塊體降溫，斷層迅速升溫;塊體降溫的機理是應力松弛，斷層升溫的機理是摩擦滑動;2個部位相反的溫度變化是失穩后熱場的主要特征。(3)失穩部位的熱場特征:將失穩時最先升溫，且升溫幅度最高的部位稱為失穩部位，研究發現，失穩部位在強偏離線性階段后升溫就處于相對高值，在亞失穩階段升溫速率突升。此現象或許有助于利用溫度數據推測可能的發震位置。(4)失穩部位的溫度機理分析:失穩前的溫度變化機理比較復雜，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力集中所致。斷層帶上無摩擦導致的升溫說明斷層帶處于閉鎖狀態。機理分析的結果表明滿足斷層帶閉鎖且附近圍巖應力集中這2個條件的部位可能是未來的失穩部位.此項研究才剛剛開始，鑒于應變片對熱場存在干擾，以往的實驗中應變與溫度這2個物理量往往分別進行測量。為進一步認識溫度場與應變場的關系，采用不會影響溫度場的數字圖像方法研究應變場，開展溫度場與應變場同步觀測的實驗十分必要。致謝汲云濤助理研究員和卓燕群為實驗提供了幫助，深表感謝。

參考文獻

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劉力強，陳國強，劉培洵，等．2004．巖石變形實驗熱紅外觀測系統［J］．地震地質，26(3):492—501．

作者:任雅瓊 馬瑾 劉培洵 陳順云 單位:中國地震局地質研究所，地震動力學國家重點實驗室