剪切载荷扰动对断层摩擦影响的实验研究.pdf

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1、第31卷第2期地震地质Vo1．31．No．22009年6月SEISMOLOGYANDGEOLOGYJune，2009doi：10．3969／j．issn．0253—4967．2009．02．008剪切载荷扰动对断层摩擦影响的实验研究黄元敏’马胜利缪阿丽何永年1)中国地震局地质研究所，地震动力学国家重点实验室，北京1000292)广东省地震局，广州510070摘要利用双轴伺服控制加载装置，采用3块花岗闪长岩标本组成的含有2个滑动面的直剪结构，开展了摩擦滑动实验。实验中通过在剪切方向上叠加正弦波状的位移扰动，研究了剪应力扰动对断层粘滑失稳的影响。研究表明，在恒定的正应力和位移速率下，标本

2、表现出较为规则的粘滑；当在剪切方向叠加位移扰动后，随扰动振幅的增加，粘滑发生时间与扰动的相关性增大，粘滑的应力降和时间间隔的分布趋于离散，其中扰动能产生明显影响的临界振幅大致为0．05MPa；粘滑应力降和时间间隔随扰动振幅增大而逐渐离散的现象在较高正应力下更为明显，而相同扰动振幅下粘滑失稳发生时间与扰动的相关性也随正应力增加而增大；扰动周期对摩擦性状的影响不明显。研究结果意味着，地震弓l起的同震剪应力的变化不仅会引起邻近断层上地震发生时间的变化，也可能引起地震强度的变化。关键词摩擦实验粘滑应力扰动应力降粘滑间隔中图分类号：P313文献标识码：A文章编号：0253—4967(2009)

3、O2—0276—11O引言最近10多年来，地震引起的应力变化对后续地震活动的影响受到了广泛关注。研究表明，一次大地震的发生可能会触发邻区甚至远程的地震(Hilleta1．，1993；Brodskyeta1．，2000；Westeta1．，2005；张国民等，2005)，而地震引起的应力变化也会影响相邻断层带地震活动的趋势(Steineta1．，1997；Nalbanteta1．，1998；闻学泽，2000；闻学泽等，2006)。因此，关于应力触发问题，特别是应力触发机理和条件的研究，对于地震发生机理和地震预测研究具有重要的理论和实际意义。在地震应力触发机理问题上已取得了显著的进展。根

4、据同震库仑应力变化，即通过计算地震引起的正应力变化和剪应力变化之间的平衡关系来判定断层是否会发生失稳是静态应力触发的基本依据，目前已得到广泛应用(Harris，1998；万永革等，2002)。对动态应力触发机理问题也进行了一些探讨，主要是用遵从速率一状态摩擦本构关系的弹簧一滑块模型研究地震提前时间与瞬时加载时间和加载速率的关系等(Gombergeta1．，1997，1998)。通过岩石力学实验研究地震应力触发是理解其机理的重要手段。例如，马瑾等(2002)通过对多种断层组合模型的实验研究，分析了断层相互作用和触发型式。对于应力触发机理和条件，主要是通过岩石的摩[收稿日期]2008—1

5、2—30收稿，2009—04—27改回。[基金项目]国家重点基础研究发展计划项目(2004CB418405)资助。2期黄元敏等：剪切载荷扰动对断层摩擦影响的实验研究277擦扰动实验和相应的数值模拟来进行。Loekner等(1999)利用三轴实验研究了剪切载荷扰动对断层摩擦稳定性的影响，认为粘滑失稳与扰动的相关性随扰动振幅的增大而增大，但对扰动周期和平均加载速率的响应不太明显。Perfettini等(2001)用弹簧～滑块模型研究了遵从速率一状态摩擦定律的蠕滑断层对法向载荷扰动的响应，分析了扰动周期对失稳的影响，提出了临界周期的概念，认为扰动周期只有与临界周期很接近时才有可能触发地震。

6、崔永权等(2005)在双轴压缩条件下开展的摩擦实验表明，。方向的扰动没有引起摩擦性状的明显变化，而的扰动使规则粘滑被打破，应力降和粘滑的时间间隔变得离散化。前人的研究成果显示出了实验研究在应力触发研究方面的重要性，同时也揭示出一些需要深入研究的问题，如平均正应力对剪切载荷扰动的可能影响(Locknereta1．，1999)，载荷扰动模拟结果的实验检验(Perfettinieta1．，2001)，以及剪切载荷扰动和法向载荷扰动的对比等。本文利用中尺度摩擦实验装置进行了一系列实验，研究不同条件下剪切载荷扰动对断层摩擦稳定性的影响，并通过实验过程中摩擦滑动面附近应变场的变化分析这种影响的机

7、制。l实验及数据处理方法1．1实验方法实验所用标本结构为3块岩石标本组成rIIIIl的含有2个滑动面的直剪结构，岩石标本为花岗闪长岩，每个滑动面的面积为300mm×50ram，滑动面用400金刚砂研磨。实验在一镯套卧式双向加载装置(HBR)上进行，载荷和位移通过一套分辨率为16bit的数据采集系统记录，采样频率为10Hz。在滑动面附近布设了镥尺寸为5mm×3mm的应变片，测量实验过程中的应变变化。应变信号通过一套96通道、分辨率为16bit、采样频率为1～