区域加载应力与断层带周边应变场分析

郭玲莉 刘力强

（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）

断层两侧应力的积累与释放是产生地震的直接原因，因此在活动断层周边建立了大量的地应变观测站。地壳里面包含有多种结构面，各种力学性质不同的岩石以某种叠加层序或侵入关系混杂在一起，它们必然影响变形场的形态与变化。因此，区域变形场的时空演化进程与地震的关系表现出非常复杂的模式。单个应变测量点的应变状态是否受控于一个统一的动力学过程，从多个测点能否推测出区域应力状态，成为一个重要的问题。在实验室地震模拟实验中，经常用岩石摩擦粘滑过程来重现浅源地震机制。实验室模拟与野外观测的不同之处在于精确知道对实验样品的加载过程、加载量和加载方向等条件，可以全面对比研究局部变形与宏观加载之间的关系。本文从加载条件相对确定的地震过程物理模拟实验出发，讨论地震过程中区域应力场的演化过程以及局部变形行为之间的关系。同时引入应力空间的概念，试图在应力与应变空间上对比分析区域加载应力路径和地震断层带周边应变路径两者之间的关系，阐释地震过程的发生机理以及变化规律，为现场地应力观测以及区域应力研究提供物理模拟依据和参考。

利用双轴伺服控制加载装置，采用三块花岗闪长岩标本组成的含有两个滑动面的双剪结构，配合超动态应变场观测系统，开展摩擦滑动实验。沿断层带在中部岩块上布有大量应变片，以有效地获得粘滑应变场的全过程。宏观加载过程投影到剪应力与正应力所构成的应力空间上，描述样品受力的应力路径。每个应变测量点所获得的变形过程投影在正应变与剪应力所构成的应变空间上，描述样品变形的应变路径。对比两者的异同，分析断层周边变形如何响应宏观加载过程。

实验中产生的典型粘滑事件加载应力路径见图1a，剪应力在正应力保持不变的情况下线性增长达到稳滑状态（A-B段），在正应力方向施加扰动0.53 MPa，引发断层失稳滑动，产生应力降。在Fn方向的扰动使应力路径曲线呈现“甩鞭式”向右摆动，随后沿B-C路径剪应力突然下降了约1 MPa，正应力也下降0.5 MPa。这种在应力空间上勾画出来类似“甩鞭式”似的路径图是扰动触发粘滑过程的标准宏观加载图形。

图1 实验中的典型粘滑事件

为了与宏观加载相对比，计算得出了断层带上多个应变测量点的平均应变特征，其应变路径轨迹如图1b所示。对比宏观加载的应力路径与断层带应变响应路径，简单的加载过程所派生出的变形过程不同。多点应变路径显示沿断层带摩擦滑动所产生剪切应变分布比正应变分布有更大的起伏波动。从应变场角度看，断层粘滑过程的变形是一种具有特定结构的变形。

综合实验结果，可以得出以下几点认识：①从形变测量角度看，变形体内部各个部位的变形过程与外部对变形体施加的动力过程之间不是简单对应关系，微观变形与宏观变形的应力路径不同。从断层带附近少数几个测点的应变演化过程不能简单推论整个断层带的宏观动力学加载过程。②从粘滑全过程看，简单的加载过程，可以产生复杂的变形场分布。沿断层带，由于摩擦滑动所产生的剪切应变分布，比正应变分布有更大的起伏波动。③粘滑全过程的应变路径具有特定运动轨迹，可以划分为4个阶段：正斜率的应变积累阶段；负斜率的趋近失稳阶段；变形阶段或亚临界失稳或者震源竞争阶段；正斜率的失稳滑动阶段。