断层亚失稳阶段热场演化的实验研究及野外应用探索

任雅琼

(中国地震局地质研究所，北京100029)



断层亚失稳阶段热场演化的实验研究及野外应用探索

任雅琼

(中国地震局地质研究所，北京100029)

亚失稳阶段位于应力时间曲线上峰值时刻O与失稳时刻B之间。亚失稳前期的准静态应力释放在后期转为准动态释放，以时刻A作为转折点。亚失稳阶段的识别对于地震时间预测具有重要意义。

根据以往研究，构造变形中引起温度变化主要有两种机理：由应力积累和释放引起的升温和降温以及由摩擦引起的升温。亚失稳阶段是上述两种温度变化机制并存的阶段，它们在亚失稳阶段的演化特点可能成为识别亚失稳阶段的判据之一。

本文以亚失稳阶段的热场演化为主要研究对象，在双向伺服压机上开展了含不同几何结构花岗闪长岩样本的变形实验，取得的主要结果如下：

(1) 围岩降温是样本变形进入亚失稳阶段的主要热场标志。应力峰值前，围岩和断层整体变形，热场表现为整体性升温，从热像上无法判断断层位置。进入亚失稳阶段后，围岩出现范围较大的降温，降温的机理是应力释放，而应力释放是由于断层带局部区域出现了预滑。

(2) 断层带升温增强及扩展是样本变形进入亚失稳阶段后期准动态阶段的主要热场标志。准静态阶段，断层带上个别部位升温较高，经分析位于靠近断层带的围岩上，升温的机制是应力集中； 进入准动态阶段后，升温区域逐渐增多、扩大，最后加速连接。升温幅度呈数量级的增加，升温发生在断层上，实质上是预滑区的扩展连接，其机理是摩擦生热。准动态阶段是断层活动协同化的过程，也是升温机制由准静态阶段的应力为主转为摩擦为主的阶段。

(3) 断层带局部无升温且附近围岩持续高温的部位可能是未来的失稳部位。将失稳时升温幅度最高的部位称为失稳部位。研究发现，失稳部位在强偏离线性阶段后升温就处于相对高值，在亚失稳阶段升温速率突升。分析显示失稳前的升温存在于围岩上而非断层上，说明升温是围岩上高应力集中所致，与升温部位平行的断层带无升温现象，处于闭锁状态。因此，满足断层带闭锁且附近围岩应力集中这两个条件的部位可能是未来的失稳部位。

(4) 不同构造型式断层的热场演化既有共性，又有区别。上述热场特点在平直断层粘滑失稳过程中表现最明显。对于压性雁列断层，早在峰值前的强偏离线性阶段，围岩就出现降温现象，升温集中于岩桥区。拐折断层受拐点阻碍，应力释放较难，亚失稳阶段围岩的降温以及断层带的升温扩展较弱。不同构造型式的断层热场演化既有共性，又有区别，应用于野外分析时应充分考虑断层几何结构的影响。

在热场演化及机理分析的基础上，本文还建立了断层变形失稳的热场模型，并得到了位移场的验证。基于实验结果，地震前与应力有关的温度变化中，断层周围大面积的降温更有可能意味着此区域变形进入了亚失稳阶段。本文以2008年汶川地震前的临震变化及依兰伊通断裂带对2011年东日本大地震的响应为例，对构造变形引起的温度变化进行探讨。本文的研究成果有助于地震前兆数据的观测及分析。

关键词亚失稳应力状态； 热场； 地震前兆； 温度； 温度变化机制； 粘滑； 平直断层； 压性雁列断层； 拐折断层

(作者电子信箱，任雅琼：renyaqiongj@163.com)

中图分类号：P315；

文献标识码：A；

doi:10.3969/j.issn.0235-4975.2016.06.008