形成新生断裂的临界角度及其与强烈地震发生的关系

刘书花，王晓，张建伟

(1.山东省分析测试中心, 山东 济南 250014; 2. 青岛大学环境科学学院，山东 青岛 266071)

形成新生断裂的临界角度及其与强烈地震发生的关系

刘书花1，王晓1，张建伟2

(1.山东省分析测试中心, 山东 济南 250014; 2. 青岛大学环境科学学院，山东 青岛 266071)

选取具有薄弱面或破裂面的细粒花岗岩块状露头标本，在实验室模拟高温高压环境条件进行测试，研究岩石产生新破裂面的受力临界角度。在温度100 ℃、围压100MPa和温度200 ℃、围压200MPa的环境条件下，按照与主应力夹角的不同度数变化分别进行实验。实验结果表明，当夹角α处于0°～30°时，岩石沿原破裂面稳滑；夹角α处于30°～60°时，以粘滑为主；夹角α处于60°～90°时，以新破裂面的产生为主；可能产生新破裂面的临界角度范围为50°～65°，当夹角α大于65°时，新破裂产生。对岩石出现的稳滑-粘滑-新破裂现象，通过分析切面所受应力(σ)与应变率(ε)的关系进行了解释。根据莫尔圆理论认为，复杂断裂背景下，岩石的受力角度对于新破裂面的产生将有着决定性作用，而作用力状态一定时，新破裂产生的临界角度60°是可能导致强烈地震发生的危险值。

高温高压；临界角度；新生断裂；强烈地震

“新生断裂”指的是在现今区域应力场作用下岩石发生破裂而新形成的断裂，是震源岩石经受的应力达到或超过其破裂极限强度时发生的宏观脆性破裂，是产生构造型地震的基本力学机制之一[1-3]。Scholz等[4-6]指出，地震重复发生的机制是一定的温度、压力及应变率等条件下地壳岩石的滑动。而室内实验结果可以加深对地震复发机制的认识，王绳祖等[7]认为高温高压条件下岩石破裂实验与自然环境断层破裂和摩擦滑移具有类似的孕育过程和发生机制。根据莫尔圆理论，岩石的受力角度对于新破裂面的产生将有着决定性作用[8]。因此，通过高温高压实验，可以模拟研究形成新生断裂的临界角度及其与强烈地震发生的关系。

1 高温高压实验

1.1 样品采集及预处理

考虑到高温高压的实验条件及岩石物理性质的变化，对比岩石的硬度、塑性、摩擦等因素，选取细粒花岗岩岩石标本作为实验对象，进行温压测试。经过实地考察，从吉林省长春市周边地区采集具有薄弱面或破裂面的细粒花岗岩块状露头样品。对采集的岩石样品在实验室内进行预处理加工，在原有破裂面基础上，按照一定的角度，切割成所需的样品形状，规格为直径2.5cm、高5cm的圆柱体。

1.2 实验条件

高温高压实验用于研究岩石圈深部地球科学问题具有良好的应用效果，一般采用活塞圆筒式高温高压三轴实验系统完成。该套系统由实验室自组装，是在已有高温高压三轴压力实验装置设备的基础上组装升级完善而成，主要包括温度控制装置、压力控制装置(含加压和稳压)、数据采集与分析的及测量装置等。系统的相关参数为：温度25～1 000 ℃、围压0～2GPa、差应力0～5Gpa、控制精度1/1 000。采用低电压高电流内加热方式和静态高压技术，通过电脑精确自动控制，分别由不同的装置独立产生，以提供稳定的高温高压实验环境。

本次实验采用100 ℃、100MPa和200 ℃、200MPa两种条件进行(表1)。

表1 实验条件

1.3 实验过程及结果

模拟高温高压环境条件对柱状样品进行测试。将预处理后的圆柱体岩石样品放入高温高压实验系统的测试台，控制并设定在所需的温度和围压条件下，逐渐施加应力(σ0)，观察岩石滑动特征及其物理状态变化。

当在温度100 ℃、围压100MPa的环境条件下，按照与主应力(σ0)的夹角(α)变化(图1)，以10°为间隔，从10°开始至80°共做了8个级别实验，每个级别重复两次，重点考察不同夹角条件下沿裂隙的滑动特征。由实验结果(表2)可见，当夹角小于30°时，以沿先存破裂面的稳滑为主要特征；在30°～60°之间，以粘滑为主；在大于60°时，以新破裂面的产生为主要特征。

在温度200 ℃、围压200MPa的环境条件下，进一步进行实验测试。按照与主应力(σ0)的夹角(α)变化，做了15°、30°、45°、60°、75°共5个级别实验，每个级别重复两次。结果与条件1的实验结果相近，当α为15°和30°时，显示为稳滑的特征；45°和60°时，显示为粘滑的特征；75°时产生新破裂面。然后又从60°开始，以夹角(α)变化1°为间隔进行实验；当α为65°时，产生新破裂面。之后又对α角45°～65°之间以3°为间隔进行实验，发现此范围中，尤其是50°～65°间，也可能产生新破裂面。

综合两种条件下的实验结果可以看出，当夹角α处于0°～30°时，岩石沿先存破裂面的稳滑为主要特征；夹角α处于30°～60°时，以粘滑为主；夹角α处于60°～90°时，以新破裂面的产生为主。可能产生新破裂面的临界角度范围为50°～65°，当夹角α大于65°时，新破裂产生。图2中灰色区域为临界角度值的范围。

图1 样品受力条件示意图Fig.1 Schematic diagram of sample under the conditions of force

图2 实验结果分析示意图Fig.2 Schematic diagram of experimental result analysis

夹角α样品数特征0°～30°6稳滑30°～60°6粘滑60°～90°4新破裂

2 实验结果分析

可以参照图1来分析岩石受力情况，作用于岩石原破裂面上的应力σ与施加的应力σ0的关系为：

σ=σ0·sinα 。

岩石破裂面所受应力σ随夹角α的增大而增加，因而岩石出现了稳滑-粘滑-新破裂的现象。不同角度的岩石切面所受应力(σ)与应变率(ε)的关系见图3。稳滑状态时，二者关系呈一较平滑曲线，随着角度α的增大和受到的应力σ的变大，ε也稳步增大；粘滑状态时，随着受到的应力σ的变大，所受摩擦力等阻力随之变大，不断出现能量蓄积的过程，当破除前一阻力时，又进入下一能量的蓄积过程；新破裂产生状态时，伴随着破裂的不断产生，实现能量的缓冲和释放。

图3 不同角度的岩石切面应力(σ)与应变率(ε)关系示意图Fig.3 The slice stress(σ)versus strain rate (ε)of different angles

3 与强烈地震发生的关系

3.1 理论分析

根据莫尔圆理论，莫尔圆能较好地反映受力物体内一点任意截面的应力状态，以及任意相互垂直截面上应力的关系。岩石的受力角度对于新破裂面的产生将有着决定性作用。岩体内一点的任意截面上的正应力和剪应力值与两个相互垂直的主应力的大小和性质有关，也与这个截面和主平面的交角有关系。也就是说，如果知道一点的两个方向主应力的大小和方位，就能把这点的应力状态全部确定。而如果应力达到或超过岩石的强度极限时，岩石内部的结合力遭到破坏，将产生破裂面，使岩石失去连续完整性，这时岩石就发生断裂变形，这是形成新断裂和发生强烈地震的基础[8-13]。

3.2 形成新生断裂过程

通过形成新生断裂的临界角度分析示意图(图4)，对新生断裂的形成过程及临界角度进行简述：即在复杂断裂背景下，实线表示已有断裂，左右两双线箭头表示所受应力；已有断裂纵横交错，接受应力作用，应力作用点在点虚线与断层A相交点；应力作用线与断层A相交的交角为α。

结合高温高压模拟实验结果，当作用力状态一定时，在α角度的一定范围内(<50°)，地层将沿已有断层A发生滑动，如图4中A断层两侧用反向两箭头标出；而当α进入另一范围时(>65°)，地层将不再沿已有断层A滑动，而是产生新的断层.因此，α角度50°～65°范围内，原有地层为不断积累能量阶段，直至岩石破裂，形成新的断层，这将导致破坏性强烈地震的发生。α角度50°～65°为强烈地震发生的临界角度危险值。

图4 形成新生断裂的临界角度分析示意图Fig.4 Schematic diagram of the critical angle to generate new rupture

4 结论

(1)采取长春市周边地区具有薄弱面或破裂面的细粒花岗岩块状露头样品，在吉林大学深部地质实验室模拟高温高压环境条件进行测试。结果显示，夹角α处于0°～30°时，岩石沿原破裂面稳滑；夹角α处于30°～60°时，以粘滑为主；夹角α处于60°～90°时，以新破裂面的产生为主。产生新破裂面的临界角度范围为50°～65°，当夹角α大于65°时，新破裂产生。并对文中上述现象进行了阐释。

(2)结合莫尔圆理论和实际地层的复杂断裂背景，岩石断裂变形是形成新断裂和发生强烈地震的基础，强烈地震发生临界角度危险值为α角度50°～65°。

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Thecriticalanglewhichenablestheformationofanewfractureanditsrelationwithstrongearthquake

LIUShu-hua1,WANGXiao1,ZHANGJian-wei2

(1.ShandongAnalysisandTestCenter，Jinan250014，China. 2.DepartmentofEnvironmentalSciences,QingdaoUniversity,Qingdao266071,China)

∶Thefine-grainedmassivegraniteoutcropsampleswithaweakorbrokensurfacewereselected,theforcecriticalanglewhichledtothenewrupturesurfaceoftherockwasstudiedunderhightemperatureandhighpressuresimulatedinthelab.Underthetemperature100 ℃,confiningpressure100MPaandthetemperature200 ℃,confiningpressure200MPa,theexperimentsweremadeseparatelythroughchangingtheanglewithprincipalstress.Theresultsshowedthatwhentheangleαwas0°～30°,therocksteadilyslippedalongtheoriginalrupturesurface;whentheangleαwas30°～60°,thefaultwasdominatedbystick-slip;whentheangleαwas60°～90°,mainlyledtothegenerationofthenewrupturesurface;thecriticalanglelikelytogenerateanewrupturesurfacerangesbetween50°～65°;thenewruptureoccurredwhentheangleαwasgreaterthan65°.Thephenomenon,whichoccurredonrocks,suchasstablesliding,stick-slip,andanewrupturesurfacegeneration,wasexplainedbyanalyzingtherelationshipbetweenthestressfromdifferentslices(σ)andstrainrate(ε) .AsisshowedinMohr′scircletheory,underthecomplexfracturebackground,therockstressanglehasdominanteffectonthegenerationofthenewfracture,andforagivenactioncondition,thecriticalangle60°ledtothenewfracturewaspossiblythedangerousvaluewhichcouldcausethestrongearthquake.

∶hightemperatureandhighpressure;criticalangle;newfracture;strongearthquake

2016-12-12

山东省科技发展计划(2014GGH202004)

刘书花(1980 —)，女，博士，研究方向为环境监测。E-mail：liushuhuaosso@126.com

P

A

1002-4026(2017)02-0098-05