粘滑过程中的多点错动

李普春 刘力强 郭玲莉 刘培洵

（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）

最近十多年来，通过高密度宽频带台网对许多地震的观测发现，一些大地震并非只由一个震源引起，在地震的瞬间可能有多个震源存在。例如汶川地震就曾经被拆解为多个顺序发生的次级地震。那么在实验室尺度上的粘滑事件可能存在类似于天然大地震的多震源或多点位错现象吗？本文从声发射和应变场两方面来分析粘滑过程中震源多点错动的现象，包括对粘滑事件的定位，近场声发射波的初动方位空间分布，应变场形态，快速滑动应变波振荡频率和失稳瞬间的应变增量初动方位空间分布等。

实验中使用一台多通道声发射仪记录AE全波形数据。仪器设定参数为：16个信号通道，采样频率10 MHz，一次触发波形的采样点数为4 096（对应采样时窗宽度为400 μs），系统死时间约为10 ms。由于本次实验是对粘滑期间的大应力降事件进行研究，希望仅仅记录能量较大的AE事件，因此将系统的增益设定得较低（100倍），触发门槛值设定得较高（50%），以尽量减少处理小能量事件造成的系统死时间。

本实验采用一套新研制的多通道高频应变仪记录粘滑应力降期间的瞬态应变场。该应变仪具有 64个信号通道，应变分辨率约为1 μs，每个通道的采样频率均为3 400 Hz，采用连续记录方式工作。在突发应力降的几百毫秒期间，利用本系统可以记录多点的瞬时应变变化过程，其采样间隔约为300 μs，与AE的采样时窗大体相当，因此可以有效地与AE事件对比分析。

图1 实验样品和双轴卧式压机实验记录系统示意图（兰框为应变片，灰圈为AE传感器）

实验研究表明：①一次粘滑过程是由发生在断层上不同位置上的多次次级滑动子事件组成的。高速应变系统清楚地记录到粘滑过程明确划分为 2～3次子事件，每个子事件对应的最早的声发射波出现在断层的不同部位，表现出第一层次的多点滑动特征。②沿断层带布设的AE传感器可以记录到每个次级滑动瞬间各个位置接收到的AE振动信号。各点的AE信号起跳时间并不符合从最早的起点向外传播的规律，由此推测每个子事件的错动也是通过多点错动完成的。③观测显示沿着剪切面存在一个起伏变化的复杂应变场，高速瞬时滑动过程中沿断层带应变能的释放不均匀。应变增量场中出现的局部极大值点的位置与声发射事件的位置大体相符，AE初动方位和应变增量场的变化方向之间密切相关等特性都说明应变场的基本框架与能量释放特征构成了多点错动的基本力学条件。④在以往的一些研究中，常常将一些大粘滑事件对应的声发射事件无法定位归结于信号的噪声太大，到时的拾取误差和算法以及系统的时间不同步等等。从多点错动的角度上看，恰好说明了多点错动现象早已经被观测过。⑤本实验所采用的观测系统相对于断层的距离相当于现场的极近场观测，它有效地揭示出了震源的多点错动现象。现场地震台相对于观测网内的大地震也变成了极近场观测，因此也能够获得地震过程中的多点错动现象。对于小地震而言，地震台网又相对变成了远场情况，各次微小错动之间的差别可能被掩盖。尺度的大小是同时相对于事件强度与观测距离而言的。在实践中，需要根据实际情况，判断选择合理的震源物理模型。