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

云 龙 郭彦双 马 瑾

(中国地震局地质研究所，地震动力学国家重点实验室，北京 100029)

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

云 龙 郭彦双 马 瑾

(中国地震局地质研究所，地震动力学国家重点实验室，北京 100029)

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，不同加载速率下黏滑事件表现出不同的特点，加载速率越小，周期越大，应力降也越大。2)断层失稳错动时伴随高能级的声发射事件，之前只发生能级很小的事件。定位结果显示，声发射事件主要分布在拐折部位周围、上断层中部和下断层中下部。断层失稳前声发射事件的迁移过程是:开始发生在拐折部位，随后在上、下断层段间交替活动，最终在下断层段发生失稳大事件。3)应变观测结果显示拐点和断层带附近是高应变集中部位。在应变积累阶段和释放阶段，应变增量场的分布有显著差异，表现为拐点内外侧平均应变和最大剪应变的增减交替。4)平均应变在拐点和断层段先后释放可能是断层失稳的条件之一。对拐折构造部位进行观测十分重要，有利于判断断层活动状态的转变。

拐折断层 声发射 应变场 断层交替活动

0 引言

地壳内部断层的不稳定活动是地震发生的主要机制。自然界的断层面很少以简单连续的面状结构出现，通常都表现为复杂断层带，往往存在如拐折、雁列、阶步、分支断层等的非连续结构。这些特殊的构造形式对断层应力集中、应变分配、断层滑动以及地震孕育发生及破裂的传播过程有重要影响。断层拐折作为最常见的断层结构类型之一，与断层分段、地震活动性有重要关联，一直为许多学者所关注。许多震例表明，与拐折断层有关的地震活动往往存在一些有意义的现象。例如，多次Parkfield地震震中均位于一个5°拐折断层的拐点附近，这些地震的前震位于拐点的西北段，主震开始于拐点附近，余震位于拐点的南东段(Lindh et al.，1981;Bakun et al.，1985)。有趣的是，在1934和1966年发生的2次主震前17min，拐折点西北测的断层段上均发生了一次5级左右的前震(Bakun et al.，1979)。

不同作者从以下4方面讨论了拐折断层中位移错动特点和地震活动规律:

(1)拐点的类型与作用。一些作者在研究了Landers地震附近的地质构造的基础上，提出断层拐折附近破裂形式十分复杂。并且注意到主破裂与平行的破裂之间存在相互作用及复杂的几何结构(如断层尖端、拐折部位)对破裂的开始与传播过程的影响(Aydin et al.，1995);Segall等(1993)在比较了1934和1966年2次Parkfield地震后，强调地震开始于拐点附近，而大位移分别发生在Gold Hill地区和其东南侧的雁列部位。此外，King等(1985，1986)讨论了障碍体的类型，认为破裂的传播过程与障碍体的作用有重要关联。吕政等(1989)在研究唐山地震的震源过程时，也提出了相似的看法。

(2)拐点与断层的位移量分布。Andrews(1989，1994)在讨论断层节点时，提出走向上相差较大的拐折部位必然会演化成为三联点，同时指出拐折断层段上位移量大，拐点附近位移量小，甚至为零。而Acharya(1997)在对比2次历史地震(1906和1857年)的位移量分布与断层的几何形态时，强调位错最大的部位位于断层走向变化最大的部位。

(3)拐折断层与地震活动特点。Kato等(1999)报道了通过实验得到的拐点在黏滑过程中的作用。注意到拐折断层往往是“双震型”，第1次破裂开始于低角度断层，终止于拐折部位，第2次破裂开始于高角度断层，但并未在拐折部位终止，而是破裂贯穿了整个断层。Xing等(2004)的有限元模拟也得出了类似的结果。马瑾等(1995a，b，1996)利用实验和数值模拟的方法研究了5°拐折断层物理场的演化过程，比较了平直断层与拐折断层物理场不同的演化特点。根据实验结果，作者强调了拐点两侧断层段的交替活动以及拐点附近应力主轴方向的变化。此外，作者提出了不同构造部位在变形过程中所起的作用不同，地震失稳发生在易错动单元，而前兆往往出现在高应力集中区，拐点正是一个应力集中部位。

(4)影响破裂传播过程的因素。Duan等(2005)认为是拐折部位正应力场的变化导致其成为破裂的起始或终止点。Poliakov(2002)和Aochi(2002)指出最大主应力与主断层的夹角对破裂的传播尺度有很大的影响。Kase等(2006)指出断层上初始剪应力与正应力的分布也对拐折附近的破裂速度有影响。

以上提及的震例表明，许多地震发生在拐折断层上，而拐折部位对地震活动起了控制作用。在拐点附近和断层段的位移分布方面存在不同看法，影响拐折断层破裂传播过程的因素讨论尚不充分，此外正应力在断层失稳中的作用也需要实验室方面的证明。为了进一步认识拐点两侧断层的相互作用、变形场演化调整过程、拐折部位在此类断层错动过程中的作用、以及失稳过程，开展了以下实验。作者所在实验室以前虽曾进行过类似实验，但是目前的实验室的条件已今非昔比，无论在观测手段的种类、分辨率和采样速率上都提高很多。

1 实验方法

试样为房山花岗岩，尺寸为:300mm×300mm×50mm，对角线方向有一条预切断层，将试样分为两块，断层表面经过400目金刚砂打磨。其中，直接承受驱动力作用的岩块称为“主动盘”，间接受力的岩块称为“被动盘”。断层以中点为界分为两段，夹角为5°，从而形成一个拐折断层。将与驱动力方向(Y向)夹角较小和较大的断层分别称为“上(小角度)断层段”和“下(大角度)断层段”，简称上断层和下断层。

实验在双轴伺服加载系统上进行，X向应力保持不变，Y向采取位移速率控制。加载分为2个阶段:第1阶段，采取500N/s的加载方式，分别使X向和Y向的应力同时达到5MPa;第2阶段，X向应力保持不变，在 Y向继续以0.5μm/s的位移速率加载，其间实现了1μm/s、0.5μm/s和0.1μm/s的3次变速，共进行了3次重复实验。

实验中除了采用应力传感器和位移传感器记录了标本变形过程中的应力、位移外，还通过组合式应变片与声发射探头，记录应变、声发射等物理场。试样表面共布设了87道应变片，分为32个应变组，采用96道应变记录采集系统采集数据，采样频率为100Hz(刘力强等，1995)。声发射探头共布设了14个，应用分布式多通道瞬态信号采集系统采集数据(刘力强等，2003)，采取同步触发的方式采集，运用声发射定位程序，计算出各次失稳事件发生的时间、位置及能级(刘培洵等，2007，2009)。其中，能级表示声发射事件的相对大小。图1给出了断层的结构与应变片和声发射探头的分布与编号。

图1 试样结构和各种传感器的布局图Fig.1 The structure of sample and the distribution of sensors.

在获得了每个应变片的应变数据后，根据平面应变的转换公式及应变花理论(刘力强等，1995)，利用平面上某一点在3个方向上的应变值，求出测点的应变张量。

式(1)中，εA、εB和εC分别为A，B，C 3个测线的应变值，每个应变组中总有一个应变片平行或垂直Y向。A与B间的夹角为α，B与C间的夹角为β。根据上述已知的5个量，分别计算了各测点的最大、最小主应变ε1和ε2，以及ε1和测线A(实验中为Y向)之间的夹角θ。

2 实验结果

2.1 差应力-时间曲线和声发射积累数目-时间曲线

差应力时间曲线(图2)表明，试样的变形过程可分为2个阶段:第1阶段(1，617s之前)，差应力保持准线性增加，基本没有声发射事件产生;第2阶段(1，617～9，503s)，当应力水平超过摩擦强度后，黏滑事件开始出现，单独的一个黏滑过程可以分为应变能的积累阶段与释放阶段。在该阶段，声发射事件急剧增加，且表现为伴随着差应力的突增，声发射数目也出现突增，加载速率越小，单位时间内的声发射数目也越少。黏滑事件存在准周期性，为了比较不同加载速率对黏滑周期和应力降的影响，实验中实现了3次变速，统计了不同加载速率下黏滑事件的发生频率，0.1μm/s、0.5μm/s和 1μm/s下分别为 8.64 次/h、66.96 次/h 和 189 次/h。以上结果表明:加载速率越大，黏滑的周期越小。同时从图2中也可看出，加载速率越大，应力降越小。

图2 差应力-时间曲线(a)、Y向位移-时间曲线(b)和声发射累积数-时间曲线(c)Fig.2 Variation of differential stress curve(a)，DY-time curve(b)and accumulated number of AE events-time curve(c).

2.2 声发射时空演化特征

2.2.1 声发射事件的相对能级分布和空间分布

图3a给出了第4阶段(参见图2)的6次黏滑事件(ⅰ～ⅵ号)所对应的声发射相对能级-时间分布图。对于一个黏滑过程来说，积累阶段有多次声发射事件产生，除ⅱ号黏滑事件在积累阶段有一个能级＞14级外，其他5次事件在积累阶段的声发射能级都相对较小。对于每次黏滑事件来说，与失稳事件相对应的只有1～2次声发射事件，且能级较积累阶段的各次声发射事件的都要大。

图3 第4阶段(参见图2)的声发射能级-时间过程及对应的差应力-时间曲线(a)和可定位的声发射事件的空间分布图(b)Fig.3 Magnitude-time curve and differential stress-time curve(a)at the fourth stage(refer to Fig.2)and the spatial distribution of AE events which can be located(b).

图3b给出了所有可定位的声发射事件的空间分布图，由于预切断层的存在，声发射事件主要分布在断层周围。对于单独的一个声发射事件来说，可以最少通过5个声发射探头记录的波形(如图4，b)，识别其到时来计算该次声发射发生的位置。对于拐折断层来说，声发射事件主要集中在3个区域:上断层的中部、拐点附近及下断层的中下部。且不同部位的声发射事件的数目不同，下断层的声发射事件数目多，能级大;拐折附近的数目少，能级较小;而上断层的数目最少，能级较大和较小的事件均有分布。

2.2.2 一个周期性黏滑过程中声发射的发生次序

在分析了多个周期性的黏滑过程后，图4以发生在6045～6110s的一个黏滑过程为例(事件发生时间见图2标M字符的位置，以下简称M事件)，揭示声发射事件的相对能级-时间过程及相应的6个声发射事件的波形图。

由图4a可见，M黏滑过程中共发生了8次声发射事件，在失稳前密集地出现了5次声发射事件(Ⅰ～Ⅴ号)。图4b给出了Ⅰ～Ⅵ号事件对应的波形图。由图可见，Ⅰ号和Ⅱ号事件在探头4到时最早，说明微破裂事件发生在拐点附近。Ⅲ号和Ⅳ号事件在探头5到时最早，说明微破裂事件发生在下断层的中上部。Ⅴ号事件在探头2到时最早，说明微破裂事件发生在上断层的中上部。Ⅵ号事件对应的是大失稳事件，6号探头到时最早，说明失稳事件开始于下断层的中下部。以上声发射发生的顺序表明，断层失稳错动前的微破裂事件，首先在拐点附近发生，随后交替地出现在上断层段和下断层段上，最终失稳发生在下断层段上。声发射的这种迁移现象在其他事件过程中屡屡见到(如5355—5380s的事件等)，不一一列举。

失稳前的各次微破裂事件对应的波形振幅都未溢出，而失稳事件对应的波形振幅已经溢出，说明失稳事件释放的能量比前面发生的微破裂大得多，MAE-t图 (图4a)也充分表明了这一点。

图4 发生在6045—6110s的M黏滑过程的差应力-时间曲线和声发射能级-时间分布图(a)以及Ⅰ～Ⅵ号事件对应的声发射波形图(b)Fig.4 Differential stress-time curve and magnitude-time curve of the M stick-slip event which occurred in 6045-6110s and the map of AE waveforms corresponding toⅠ～Ⅵ events.

2.3 一个周期性黏滑过程中平均应变和最大剪应变的时空演化

对于一个单独的应变组，实验中α=β=45°，根据公式(1)可得出各应变组的平均应变和最大剪应变。平均应变相对增加时，样品处于挤压加大状态;相对减小时，处于拉张增大状态。

在分析了32个应变组在6045—6110s的M黏滑事件变化特征的基础上，图5给出了沿断层分布的的4个应变组的平均应变和最大剪应变的时间演化过程。选取差应力-时间曲线上变化突出的位置，把时间划分为0A、AB、BC、CD和DE 5个阶段。由图5a可以看出，在0A阶段，拐点附近的9和10号应变组的平均应变比较平稳，略有下降;而拐点两侧断层段上的8和11号应变组的平均应变上升。在AB阶段，9和10号的平均应变转为上升，并保持到B时刻;上下断层段的平均应变开始出现差别，上断层段(11号)的平均应变仍然增加，而下断层段(8号)首先在F(6096.885s)时刻平均应变达到最大值，随后缓慢下降，在G(6101.785s)时刻后转陡降。BC阶段是一个变化剧烈的阶段，B时刻后拐点附近(9，10号)和上断层段(11号)的平均应变都出现突降，而下断层段(8号)的平均应变由陡降转平。经过CD阶段的波动后在D点出现失稳。AB段变化比较复杂，又根据应变曲线的变化，增加了F点和G点。由图可见，平均应变的变化开始于F点，空间上开始于下断层段。

与图5a各阶段对应，最大剪应变 (图5b)在失稳前也相应的分为5个阶段:0A'、A'B'、B'C'、C'D'和D'E'阶段。在0A'阶段，拐点附近和断层段的测点最大剪应变均保持增加，下断层段(8号)增加速率大于上断层段(11号)。A'B'阶段，拐点附近的32和9号转折下降，随后又拐平。其中，32号较早开始下降，且变化幅度较大。上断层段(11号)上变化较小，下断层段(8号)的最大剪应变在临近B'点时出现小幅波动。B'C'阶段拐点附近(9和32号)最大剪应变增加，下断层段(8号)增大，上断层段(11号)下降。经过C'D'阶段的波动后在D'点最大剪应变均快速下降。在AB阶段中，最大剪应变变化开始于F点前，位置在拐点附近的32号。

图5 发生在6045—6110s的M黏滑过程中差应力-时间曲线及平均应变(a)和最大剪应变(b)的时间变化过程Fig.5 Differential stress-time curve，mean strain-time curve(a)and maximum shear strain-time curve(b)of the M stick-slip occurring in 6045-6110s.

几条曲线尚不足以说明应变场的变化，为了进一步研究平均应变和最大剪应变在不同阶段的空间演化过程，选取应变积累阶段0A和失稳阶段DE全部测点的资料分析平均应变和最大剪应变的增量场(图6)。在0A阶段，随着差应力的增大，平均应变在试样的大部分区域表现为增大(挤压)，唯有被动盘上拐点右下侧出现强烈减小(拉张)，在其右侧又是相对挤压区 (图6a)，这说明拐点附近应变场的分布十分复杂，局部拉张明显。在失稳前后(DE阶段)，平均应变增量场与0A阶段有明显差别(图6b)。沿断层平均应变普遍减小;0A阶段拐点右下侧的平均应变下降区变为增加区;而主动盘上拐点左上侧出现平均应变急剧减小区。这个事实说明在失稳阶段，断层上积累的应变能伴随着断层的错动而释放。此外，在此阶段拐点附近平均应变发生了急剧变化。拐点内侧平均应变由应变积累期的递增转变为释放期的陡降，而拐点外侧由递减转变为缓增。

图60A和DE阶段平均应变(a)、(b)和最大剪应变(c)、(d)的增量图Fig.6 Increment of average strain(a)(b)and maximum shear strain(c)(d)in the 0A and DE stages.

最大剪应变增量场与此类似。从图6c中看出，在0A'阶段，最大剪应变在试样的大部分区域均表现为增大，断层上的增量大于非断层区。最令人瞩目的是拐点附近的应变集中现象，拐点内侧最大剪应变负增量最大，而外侧正增量最大。断层失稳错动后(图6d)，断层上最大剪应变释放，与此同时，拐点的内侧出现了一个最大剪应变增量区。

2.4 临失稳阶段平均应变和最大剪应变的演化过程

前面讨论的是比较平稳的应变积累阶段和释放阶段的变化情况。在断层失稳错动前(AB和BC阶段)，沿断层分布的4个应变组的平均应变和最大剪应变出现了复杂的变化 (图5)，这里尝试讨论一下这两阶段内平均应变和最大剪应变的演化过程。由图5可见，平均应变在GB段(如8号)和BC段(如9、10和11号)变化较大;最大剪应变在F'G'段(如32号)和B'C'段(如11号)变化较大。接下来着重研究这3个时段的应变增量场。

在GB阶段，平均应变在全面增加的背景下，下断层段的8号点首先释放，表现为应变负增量 (图5a，7a);在BC阶段，平均应变在8号维持不变，拐点附近的9和10号点以及上断层段的11号点随后释放(图5a，7b)。以上现象说明，在整个断层段平均应变大释放的基础上，迎来了断层的整体失稳错动(图5a，6b)。

图7 3个特殊时段平均应变和最大剪应变的增量图Fig.7 Increment of mean strain and maximum shear strain in 3 special stages.

在F'G'阶段，最大剪应变在全面增强的基础上，拐点右下侧(32号)首先出现负增量 (图7c)，随后又变为下侧应变积累，上侧释放(9号)(图7d)。这说明失稳前最大剪应变的变化十分复杂。

从应变的积累和释放过程看，产生失稳错动的应变条件是:1)在错动前，断层上不同部位的平均应变先后下降，断层上压力相对减小;2)最大剪应变在拐点附近交替积累和释放。

3 结论

(1)加载速率对黏滑事件的周期、应力降及声发射数目的影响。在一定的加载速率下，黏滑事件存在准周期性。在高加载速率下，黏滑事件的周期短，应力降小;而在低加载速率下，黏滑事件的周期长，应力降大。一般情况下，黏滑事件的周期随着加载速率的减小呈非线性地增大。

(2)黏滑过程中声发射事件的时空强分布。拐折断层上声发射的时间分布有明显的规律:一个周期性黏滑过程可以分为应变能的积累阶段和释放阶段，积累阶段内的声发射事件多、能级小;断层失稳错动伴随着高能级的声发射事件发生。以上特点表明，积累阶段应变能慢速积累，此阶段仅有小部分能量以声发射的形式释放。进入释放阶段后，应变能主要通过断层的失稳错动而释放。

拐折断层上声发射的分布主要集中在3个部位:拐折部位周围、上断层中部和下断层中下部。从声发射事件的数目和能级来看，下断层的声发射事件最多，能级最大;拐折部位事件较多，但能级较小;而上断层的事件最少，能级有大有小，但以能级小的居多。拐点往往是错动的起点或终点，大事件主要发生在与驱动力夹角较大的下断层段上。

(3)失稳前拐点两侧断层段的交替活动。伴随断层失稳的高能级声发射发生前，往往会出现若干次小事件。AE的到时显示了这些小事件的迁移规律:事件往往开始于拐折部位，随后在下断层和上断层间发生一次或几次交替，最终的高能级事件发生在下断层段。这种迁移特点表明拐折断层在最大失稳事件前存在一个应变调整的过程。该过程预示着失稳的临近，而在调整过程中，拐折部位成为一个关键部位。

(4)平均应变和最大剪应变的时空演化过程和失稳错动的条件。随着应变积累和释放，平均应变的高增值区在拐点内外交替出现增减，最大剪应变的高增值区在拐点附近交替。临近失稳时，拐点附近应变变化剧烈。平均应变在拐点和断层段的先后减小可能是断层失稳的必要条件。

4 讨论

存在5°拐折的条件下，上下断层段与主压应力的夹角分别为42.5°和47.5°，前者较后者易于错动，后者比前者积累更多的应变能。在区域应力增强的条件下，上断层先达到错动的条件。上断层的错动促进了拐点和下断层的应变积累，拐点的应变积累又促进了下断层的错动和拐点的应变释放。在应变积累和断层错动的交替中，拐点成为控制上下断层错动的制动单元。从应变增量场看，拐折部位应变最高，变化最大。在应变积累和释放阶段，平均应变的最大增量在拐点内、外侧出现交替增减，最大剪应变的增量极值在拐点上下变换。因此，一个黏滑过程中，随着应变的积累和释放，平均应变和最大剪应变的增量极值表现出在拐点上下侧交替活动的特点。

在野外不可能实现对地震断层的全变形过程观测，断层往往处于黏滑周期的某一加载阶段。在实验室研究的基础上，开展野外现场观测，有利于了解该断层所处变形阶段，识别失稳前兆。

实验中加载速率越低，黏滑的周期越长，应力降越大。在自然界的条件下，地震断层的滑动速率更低，断层带内的物质有较长的时间进行物理、化学愈合，同时能够积累更多的应变能。因此，断层一旦失稳，其规模更大，震级也更高。

从一个黏滑事件的积累和释放的过程中，看到在大失稳前，沿断层的平均应变先后下降(图6b，7b)。这是否意味着在错动前，拐折断层上发生过一个全面松动的过程，而这个松动是造成断层全面错动的条件?值得进一步研究。

刘力强，马瑾，马胜利.1995.典型构造背景应变场特征及其演化趋势［J］.地震地质，17(4):349—356.

LIU Li-qiang，MA Jin，MA Sheng-li.1995.Characteristics and evolution of background strain field on typical structure models［J］.Seismology and Geology，17(4):349—356(in Chinese).

刘力强，雷兴林.2003.超高速并行网络声发射观测系统［J］.地震地质，25(3):477—480.

LIU Li-qiang，LEI Xing-li.2003.An acoustic emission acquiring system with ultra-high speed parallel net［J］.Seismology and Geology，25(3):477—480(in Chinese).

刘培洵，刘力强，黄元敏，等.2009.声发射定位的稳健算法［J］.岩石力学与工程学报，28(1):2760—2764.

LIU Pei-xun，LIU Li-qiang，HUANG Yuan-min，et al.2009.Robust arithmetic for acoustic emission location ［J］.Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering，28(1):2760—2764(in Chinese).

刘培洵，刘力强，陈顺云，等.2007.实验室声发射三维定位软件［J］.地震地质，29(3):674—679.

LIU Pei-xun，LIU Li-qiang，CHEN Shun-yun，et al.2007.Software for three-dimensional location of acoustic emission in laboratory［J］.Seismology and Geology，29(3):674—679(in Chinese).

卢振业，加藤尚之，山本清彦，等.1990.横向断层对主断层黏滑扩展过程阻止和滞后作用的实验研究［J］.地震学报，12(4):415—427.

LU Zhen-ye，Kato N，Yanamoto，et al.1990.Research on the effects of stop or delay，which lateral faults influence upon main fault in the unstable extending process of stick-slip［J］.Acta Seismologica Sinica，12(4):415—427(in Chinese).

吕政，李志田.1989.唐山地震的震源过程:可能存在的障碍体［J］.东北地震研究，5(1):43—51.

LÜ Zheng，LI Zhi-tian.1989.Source process of Tangshan earthquake:The possibly existing barriers［J］.Northeastern Seismological Research，5(1):43—51(in Chinese).

马瑾，刘力强，马胜利.1999.断层几何与前兆偏离［J］.中国地震，15(2):106—115.

MA Jin，LIU Li-qiang，MA Sheng-li.1999.Fault geometry and departure of precursors from epicenter［J］.Earthquake Research in China，15(2):106—115(in Chinese).

马瑾，马文涛，马胜利，等.1995a.5°拐折构造变形物理场的实验研究与数值模拟［J］.地震地质，17(4):318—326.

MA Jin，MA Wen-tao，MA Sheng-li，et al.1995a.Experiment study and numerical simulation on physical field during the deformation of 5°bend fault［J］.Seismology and Geology，17(4):318—326(in Chinese).

马瑾，马胜利，刘力强.1995b.地震前异常的阶段性及其空间分布特征［J］.地震地质，17(4):361—370.

MA Jin，MA Sheng-li，LIU Li-qiang.1995b.The stages of anomalies before an earthquake and the characteristics of their spatial distribution［J］.Seismology and Geology，17(4):361—370(in Chinese).

马瑾，马胜利，刘力强，等.1996.断层几何结构与物理场的演化及失稳特征［J］.地震学报，18(2):200—207.

MA Jin，MA Sheng-li，LIU Li-qiang，et al.1996.Geometrical textures of fault，evolution of physical field and instability characteristics［J］.Acta Seismologica Sinica，18(2):200—207(in Chinese).

Acharya H K.1997.Influence of fault bends on ruptures［J］.Bulletin of the Seismological Society of America，87(6):1691—1696.

Andrews D J.1984.Mechanics of fault junctions［J］.Journal of Geophysical Research，94(B7):9389—9397.

Andrews D J.1984.Fault geometry and earthquake mechanics［J］.Annali Di Geofisica，Vol.XXXⅦ，1342—1348.

Aochi Hideo，Madariaga Raul，Eiichi Fukuyama.2002.Effect of normal stress during rupture propagation along nonplanar faults［J］.Journal of Geophysical Research，107(B2):5-1—10.

Aydin Atilla，Du Yijun.1995.Surface rupture at a fault bend:The 28 June 1992 Landers，California earthquake ［J］.Bulletin of the Seismological Society of America，85(1):111—128.

Bakun W H，Lindh A G.1985.The Parkfield，California，Earthquake prediction experiment［J］.Science，229(4714):619—624.

Bakun W H，McEvilly T V.1979.Earthquakes near Parkfield California:Comparing the 1934 and 1966 sequences［J］.Science，205:1375—1377.

King G C P，Nabelek J F.1985.Role of fault bends in the initiation and termination of earthquake rupture ［J］.Science，228:984—987.

King G C P.1986.Speculation on the geometry of the initiation and termination processes of earthquake rupture and its relation to morphology and geological structure［J］.Pure and Applied Geophysics，124(3):567—585.

Kato Naoyuki，Satoh Takashi，Lei xinglin，et al.1999.Effect of fault bend on the rupture propagation process of stick-slip［J］.Tectonophysics，310:81—99.

Kase Y，Day S M.2006.Spontaneous rupture processes on a bending fault［J］.Geophysical Research Letters，33:L10302.

Lindh A G，Boore D M.1981.Control of rupture by fault geometry during the 1966 Parkfield Earthquake［J］.Bulletin of the Seismological Society of America，71(1):95—116.

Poliakov A N B，Dmowska R，James R R.2002.Dynamic shear rupture interactions with fault bends and off-axis secondary faulting［J］.Journal of Geophysical Research，107(B11):6-1—17.

Segall Paul，Du Yijun.1993.How similar were the 1934 and 1966 Parkfield Earthquake ［J］.Journal of Geophysical Research，98(B3):4527—4538.

Xing H L，Mora P，Makinouchi A.2004.Finite element analysis of fault bend influence on stick-slip instability along an intra-plate fault［J］.Pure and Applied Geophysics，161(9-10):2091—2102.

AN EXPERIMENTAL STUDY OF EVOLUTION OF PHYSICAL FIELD AND THE ALTERNATIVE ACTIVITIES DURING STICK-SLIP OF 5°BEND FAULT

YUN Long GUO Yan-shuang MA Jin
(State Key Laboratory of Earthquake Dynamics，Institute of Geology，China Earthquake Administration，Beijing 100029，China)

The spatial-temporal evolution process of strain field and acoustic emission(AE)events was investigated during the deformation of 5°bend faults，with 96-channels strain acquisition system and 16-channels distributed AE acquisition system in the laboratory.The loading was applied by controlling the Y-displacement and holding the X-load in a biaxial servo-control loading system，and the Y-loading rate was altered by 0.5μm/s，1μm/s，0.5μm/s and 0.1μm/s in sequence.The observation results show that:(1)quasi-periodic stick-slip always occurred under different loading rates，and the smaller the loading rate，the greater the period and stress drop;(2)low energy AE events increased before faults slid，but high energy AE events appeared as faults slid.AE events distributed near the bends and the upper and lower fault segments which were located by arrival time of AE wave.From the AE location results，AE sources mostly scattered in bend zones，and upper and lower fault segments，and the fault instability appeared first near bend point，then the alternative activities happened between upper and lower fault segments.Large instability took place in the lower fault segment，finally;(3)High strain concentration zone located near bend point and fault segment.And it is significantly different that mean strain and maximum shear strain increment changed alternately at the inside and outside of bend during strain accumulation and release stage;(4)Strain observation results illustrate that mean strain release first occurred near the bend，then released in the whole fault.It would be a critical instability condition for a bend fault.The observation to bend faults is important and helpful to investigate fault activity state.

bend fault，acoustic emission，strain field，alternative activities of fault

P313

A

0253-4967(2011)02-0356-13

10.3969/j.issn.0253-4967.2011.02.009

2010-11-28收稿，2011-04-21改回。

国家自然科学基金(40872129)和国家重点基础研究发展计划课题(2004CB418405)共同资助。

云龙，男，1985年生，2008年毕业于中国地质大学(北京)工程技术学院，现为中国地震局地质研究所硕士研究生，主要研究方向为拐折断层的物理场演化特征，电话:010-62009076，E-mail:yunl 1985@126.com。