均匀和非均匀断层滑动失稳成核过程的实验研究木.PDF

维普资讯 -．r 国 抖 誊 (D 辑) 第 33卷 增 刊 SCIENCEINCHINA(SeriesD) 2003年 4月 均匀和非均匀断层滑动失稳成核过程 的实验研究木 马胜利 刘力强 马 瑾 王凯英 扈小燕 刘天 昌 吴秀泉 (中国地震局地质研究所构造物理开放实验室，北京 100029) 摘要 基于均匀和非均匀断层摩擦滑动中应变、断层位移的实验测量结果，分析了粘 滑失稳的成核过程．研究表 明，在加载点速度恒定的条件下，均匀断层上粘滑的成核过 程具有微弱的滑动弱化特征，断层上较小尺度 “弱段”的存在使得粘滑成核过程 中滑动 弱化现象更明显，而较大尺度 “弱段”的存在则改变 了粘滑的成核过程，表现出局部加 速滑动—— 断层带上剪应力快速增加的特征，更符合速率．状态摩擦定律．断层闭锁期 间，剪应力的增加引起断层附近的横 向弹性膨胀，这种弹性膨胀在失稳时的回跳引起 断层面上正应力的瞬时增加，从而成为使断层迅速 闭锁、强度恢复的重要因素． 关键词 岩石摩擦 粘滑机制 滑动弱化 速度弱化 成核过程 断层滑动 的不稳定性 (粘滑)是浅源地震 的一种可能的机制 ，对粘滑成核过程 的研究是理 解地震力学过程和前兆现象的重要 问题 ．近年来，对断层粘滑 的成核过程进行 了广泛 的实验 和理论研究，Ohnaka等 1【．2的研究表 明，粘滑失稳前预滑出现在断层的某个区域 (即成核带 内)， 引起带 内剪应力下降，而成核带外端部剪应力增加 ．当成核带超过某一临界尺度时，断层带发 生动态滑动．他们对滑动弱化模型 ．4进行 了改进 以解释实验观测结果，认为成核过程具有滑 动弱化性质，并据此提出了地震成核及短期前兆模型．Matsu’ura等 5【提出了一种依赖于滑动的 摩擦定律，解释 了Ohnaka等的实验结果并讨论了地震破裂成核过程 ．Okubo和Dietericht61的实 验结果与Ohnaka等的结果差别不大，只是在动态滑动发生前断层各部位剪应力均有快速上升 现象，但他们对实验结果的解释基于速率．状态摩擦定律 1【_8】．Dieterich9【m·】基于速率．状态摩擦 定律利用数值模拟方法研究了地震成核过程，揭示 了断层面上不均匀性存在时预滑 出现在某 一 区域并逐渐加速的现象．Kato等l1II利用实验和数值模拟方法研究了加载速率对成核过程 的影响，认为成核带尺度与加载速率成反 比．何 昌荣D3]以速率．状态摩擦定律为基础，模拟了 均匀和非均匀断层的地震成核过程与前兆现象，并讨论了正应力 的影响．这方面的研究结果 在地震物理过程和地震前兆研究中得到了广泛的应用 ． 现有实验结果均 出 自均匀标本 (宏观均匀标本 ，即摩擦非均匀性仅 限于矿物颗粒尺度)，而 实际断层存在 明显的非均匀性 (宏观非均匀性，即摩擦非均匀性存在于 肉眼可见 的尺度)，这种 非均匀性是否会影响粘滑的成核过程?实际上，我们 曾经在对 同一标本的粘滑事件 的分析 中 发现两类完全不同的失稳事件 ，分别表现出滑动弱化和速度弱化的特征，并认为其产生可能 2002．05．2O收稿，2002．11．12收修改稿 国家重点基础研究发展规划项 目(编号：G1998040704)资助 维普资讯 中 国 科 学 (D 辑) 第 33卷 与断层活动的非均匀性有关 l【引．显然，深入 了解断层非均匀性对断层失稳行为的影响是十分 必要的．本文基于一组新的摩擦实验结果