任雅琼　马　瑾　刘培洵　陈顺云

(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)



平直断层黏滑过程热场演化及失稳部位识别的实验研究

任雅琼马瑾刘培洵陈顺云

(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)

实验室断层黏滑伴随有温度变化、温度不但与摩擦滑动有关、还与样本的应力状态相关。文中利用红外热像仪进行全场观测、研究平直断层黏滑不同阶段的热场演化。实验不仅观测到了峰值前后从应力积累转变为释放导致的温度由升转降的现象、还观测到了失稳后断层升温和块体降温的相反变化。更重要的是通过分析沿断层各个部位的温度随时间的变化、发现了识别失稳部位的温度前兆：失稳部位的温度从强偏离线性阶段开始、一直是相对高值、在亚失稳阶段升温速率突然增大、远高于其他部位。分离摩擦和应力的作用后、发现亚失稳阶段失稳部位的升温发生于围岩上而非断层带上、说明断层处于闭锁状态而相邻的围岩区域处于应力集中状态、推测满足这2个条件的部位可能是未来的失稳部位。此现象或许有助于野外发震位置的判断。

亚失稳失稳部位地震前兆温度平直断层温度变化机理

0　引言

黏滑是伴随有应力降的突然滑动、Brace等(1966)将此作为地震机制。断层失稳释放的能量中、热能占了较大部分(Kanoetal.、2006)、断层作用的热效应分析是研究断层活动的途径之一。以往的实验对断层黏滑失稳过程中的声发射、位移、应变演化进行过深入研究(马胜利等、1995; 刘力强等、1995; 邓志辉等、1995)、对温度的关注较少。马瑾等(2007、2012)利用铂电阻温度传感器分析了雁列断层、拐折断层失稳前后的温度变化、得到了有意义的结果(Maetal.、2010)、但这种观测方式属于 “点”观测、难以看到整个样本的 “热场”变化。能连续记录变形过程中样本表面热场变化的红外热像仪、将更有助于获得黏滑失稳过程中的时空演化特征。

一般认为岩石变形过程中的生热主要来源于不可逆过程、如摩擦、损伤、塑性变形等。实际上、实验与理论研究证实(耿乃光等、1998; 刘力强等、2004; 刘培洵等、2004; 陈顺云等、2009; 刘善军等、2009; 张艳博等、2011)：可逆过程(弹性变形过程)也会引起温度变化、即在绝热环境下、岩石等受热膨胀的材料、挤压升温、拉张降温。也就是说、通过对变形过程中的温度观测、还能获得标本的应力状态变化信息。因此、利用红外热像仪作为观测手段、共有3个优点：一是可以获得断层作用产生的热效应、二是可以获得场观测数据、三是可能获得失稳过程中应力变化产生的热信息、进而获得失稳时的应力变化情况。

先前的研究对雁列断层、拐折断层的温度场演化进行过分析(马瑾等、2007、2012; 刘培洵等、2007; Maetal.，2010；任雅琼等、2013)、发现了一些有前兆意义的温度变化、例如压性雁列断层失稳前岩桥区的降温和断层带的升温(马瑾等、2007)。然而、这些温度变化可能包含断层结构的影响。复杂结构的存在会产生应力集中等局部化效应、在没有复杂结构的情况下是否会观测到与应力有关的温度变化？本文选择平直断层(45°单断层)作为研究对象、试图回答这一问题。

亚失稳阶段是失稳前的最后阶段(马瑾等、2012、2014)、研究这个变形阶段各种物理场的演化特点对于判断失稳至关重要。亚失稳研究的主要内容之一是分析未来震源区及其相关物理场特征、并研究其影响因素。前述研究已得出断层失稳具有 “多点错动”的特征(任雅琼等、2013)、但起始错动点、即失稳部位、是否在亚失稳阶段存在可识别的温度变化特征、仍需要进一步研究。

基于上述原因、本文利用红外热像仪对平直断层黏滑失稳过程的温度场进行分析、以期获得1个黏滑周期内的温度演化特征、特别关注失稳部位温度随时间的变化、希望从亚失稳阶段的温度变化中得到能提前判断失稳部位的信息。

1　实验条件和数据处理

实验标本为300mm×300mm×50mm的房山花岗闪长岩。密度2.7g/cm3、弹性模量60GPa、泊松比0.34、单轴抗拉强度9.34MPa、单轴抗压强度154MPa。标本中沿对角线方向切1条平直断层。

实验使用的红外热像仪为德国制冷型InfraTec-8800热像观测系统、其基本参数为：光谱范围8～12μm；AD转换14bit；测温范围设定为0～40℃时、AD转换的最小温度分辨率为2.5mK(1mK的温度变化量等价于0.001℃的温度变化量)；单像素噪声等效温差25mK；空间分辨率640像素×512像素、本次实验每个像素对应于实际尺寸的0.55mm、实验中热像采集频率为50帧/s。

利用双向伺服压机对标本进行加载、首先在x和y方向同时加载至5MPa；然后令x方向的载荷保持常数、y方向按位移控制方式加载；位移速率先后保持常数0.5μm/s、0.1μm/s、0.05μm/s。加载时左侧和下方固定、称样本下盘为固定盘；右侧和上方滑动、称样本上盘为活动盘(图1a)。图1b表示实验过程中差应力和位移随时间的变化、每1个应力降代表1次黏滑事件。

图1　样本结构和研究区域(a)及加载过程(b)Fig. 1　Specimen structure and study area (a) and loading process (b).a中σX和σY分别为X向和Y向荷载应力、虚线标示断层位置、长方形1—17为图6 中剖面1的位置、左下角插图中的红、蓝色线分别表示图7 中剖面2、3的位置、正方形虚线框示意热像增量图的范围；b为实验过程差应力σD(σD=σY-σX)与Y向位移dY随时间变化的曲线；箭头所示为本文重点分析的事件

图2　差应力时间过程及变形阶段的划分Fig. 2　Variation of differential-stress with time and division of deformation stages.b为a变形后期的放大图、图中字母标出了变形的关键时刻

随着加载速率的减小、黏滑周期变长、应力降增大。为了在较长的时间周期里看到更明显的温度随时间的变化、选取0.05μm/s速率下的第3个黏滑事件、分析其热场变化。依照应力时间曲线对其失稳阶段进行划分、如图2a所示：L—M为线性变形阶段(L时刻是第3次事件的起始点、考虑到上一次事件的温度影响还存在、到L′时刻才恢复、在后续分析中、将L′作为温度场研究的起点)、M—O为偏离线性阶段、其中N—O为强偏离线性阶段。从图2b的滤波结果(红线)可以看出、O时刻是应力峰值点、在O时刻差应力由上升转为下降。OAB是亚失稳阶段、OA是准静态释放阶段、AB是准动态释放阶段；A时刻之后、下降速率迅速增加、B时刻后进入失稳阶段。

红外热像仪的数据处理主要包含3个方面：一是去除环境温度影响、二是去除高频噪声影响、三是热像仪与压机的对时。图3a中的黑线是0.05μm/s加载速率下体应力(x与y方向的应力之和)随时间的变化、蓝线是红外热像仪温度随时间的变化。由图可知、温度呈上升趋势、升温包含环境温度的增加以及应力积累导致的升温。本文在已知应力积累升温幅度(约1mK/MPa(刘培洵等、2004))的前提下、间接推算环境温度的影响。以t1、t2作为计算的起点和终点、将2个时刻的红外观测温度变化量减去应力增加导致的升温量再除以时间长度、即得到环境温度随时间的变化速率。在本次实验中、计算结果为0.02mK/s。图3a中的红线为去除环境温度影响后的温度曲线。

图3　去除环境影响前后及低通滤波前后的红外热像仪温度-时间曲线Fig. 3　Temperature variation of infra-red imaging system with time before and after removal of influence of environmental factors and low pass filtering.a中的黑色曲线为体应力随时间的变化、蓝色曲线为原始数据、红色曲线为去除环境因素后的温度变化； b为原始数据与不同滤波窗口的结果

时间域的噪声通过邻域平均进行低通滤波。图3b中的黑色曲线为所分析黏滑事件去环境影响后的温度变化放大图、可见其受高频噪声影响较大。为消除噪声、利用多个不同大小窗口进行低通滤波、结果表明窗口为0.22s(11个采集数据)时、能最大程度地保持原数据的细微趋势变化。对数据进行噪声评价：加载条件下岩石样本红外测量原始数据的均方差为3.82mK、去环境影响及低通滤波后变为1.93mK。空间域的噪声通过均值滤波去除。在数据处理过程中、为突出显示温度变化、在时间上、对所有数据相对于某稳态时刻归零；在空间上、以某幅图像作为背景求取热像增量图。

红外热像仪与双向伺服压机的对时一直是此类实验中的关键问题。压机输出的应力变化阶段对应热像仪的何种温度变化、必须在精确对时的前提下才能回答。本次实验缺少红外热像仪与压机的对时、只能通过将热像仪快速升温起始点和压机快速应力降起始点对齐的方法进行对时、这种方法(称其为方法一)是否可行需要通过补充实验进行验证。补充实验对同样的样本、以相同的方式加载、通过CCD相机间接对热像仪和压机进行对时。具体方法(称其为方法二)为：在样本上方架设红外热像仪和相机、调整其位置使断层位于二者的视域正中、黏滑后待温度变化恢复后在样本上方将标志物闭合、保证闭合图像同时出现在热像仪和相机的视域中；分别在红外输出结果和相机输出结果中找到每次对时标志物闭合的时刻；首先将压机与相机对时、即压机差应力最大应力降速率起点与相机得到的最大位移速率起点一致；然后将红外热像仪与相机对时、输出的红外热像仪时间序列与压机时间序列为对时后的结果。结果显示、快速升温起始点与快速应力降起始点相差0.1～0.5s、也就是说假定方法二的对时结果是正确的、方法一的对时结果误差最大为0.5s、本文分析的实验结果中、升降温现象持续时间多>2s、因此在本次实验中通过方法一对时是可行的。

2　实验结果

2.1峰值前后的温度增量场

图4a为O时刻相对于L′时刻的温度增量场、作图范围参见图1a。此阶段以应力积累为主(参见图2a)、温度场表现为增温。图4b和图4c为亚失稳阶段临失稳时刻A和失稳时刻B相对于峰值时刻O的温度增量场。OA阶段和OB阶段以应力释放为主(参见图2b)、温度场表现为降温、且OB阶段降温幅度更大。峰值前相对高温的部位在峰值后也是相对低温的部位、说明峰值前的升温属于弹性变形引起的升温、是可逆的。

图4　峰值前L′O(a)和峰值后OA(b)、OB(c) 3个变形阶段的温度增量场Fig. 4　Temperature increment contour maps before (a) and after (b、c) the peak of stress.黑色虚线指示断层位置；a以L′时刻为背景；b、c以O时刻为背景、二者同一色标

2.2失稳后不同部位的温度变化

E(7 587s)、F(7 592.5s)、G(7 594s)为失稳后的3个时刻；其中E为初始升温时刻、F为升温最高时刻、G为升温峰值后时刻。本节根据温度增量场研究样本失稳后的特点。

图5a是时刻E的温度增量场、断层上端是断层上最初出现升温的地方、此时刻断层围岩降温仍比较明显；图5b是时刻F的温度增量场、断层温度高于前一时刻且高值区向断层中部扩展、最初出现升温的部位也是升温最强烈的部位、围岩区仍处于降温状态、但温度开始恢复；图5c是时刻G的温度增量场、断层带温度开始回落、围岩区温度继续恢复。断层带与围岩相反的温度变化是失稳后热场的重要特点。

图5　失稳后阶段各时刻的温度增量场Fig. 5　Temperature increment contour maps of different time after instability.黑色虚线指示断层位置；温度增量场均以O时刻为背景

图6　沿断层(剖面1、图1a)温度随时间变化的等值线图(a)及温度-时间曲线图(b、c、d)Fig. 6　Contour map of temperature variation with time along the fault(a) and curves of temperature variation with time(b、c、and d).b、c、d分别为a中虚线所示3个时段内的温度-时间曲线；部位1的升温速率在N点后一直领先、且在时段2(图b)加速升温；失稳后、部位1的升温最高

2.3失稳部位的识别

图6a是沿断层剖面1(图1a)温度的时空演化图、剖面1宽7.7mm、包括断层及周边块体。横坐标是距离、数值代表每个点距离剖面起始点的距离；纵坐标是时间。图6a显示了以下现象：

(1)不同变形阶段的温度变化：强偏离线性阶段(NO阶段)、整条剖面的温度以升温为主；亚失稳阶段(OB阶段)出现降温现象、且降温区域逐渐扩展、同时降温幅度增大、6s后温度降至最低、这时降温区域涉及范围最大；B点后、整条断层都升温。

(2)失稳部位的温度变化特征：从强偏离线性阶段开始、剖面上出现3处升温区域、分别距离剖面起始点64mm、107mm、219mm、称之为部位1、2、3(图6a中的紫红色和红色五角星所示部位)；设了3个时段来比较这3个部位温度随时间的变化、图6a中的红色虚线之间为时段1、蓝色虚线之间为时段2、紫红色虚线之间为时段3、分别对应图6b、c、d。图6b、c、d是图6a横坐标所示17个区域平均温度随时间的变化、重点分析部位的颜色加粗；其中、部位4距离剖面起始点304mm(图6a中的绿色五角星所示部位)、其温度在失稳前无明显变化、但失稳后升温仅次于部位1。由图可见、时段1之前、3条增温条带(部位1、2、3)变化较为平稳。第1时段(图6b)、部位1、2是温度高值区；第2时段(图6c)、部位1处温度迅速升高(紫红色曲线)、升温速率远大于其他部位；第3时段即失稳后(图6d)、部位1快速升温、虽然部位4也相继升温、但升高速率低于部位1。总之、在标本变形过程中沿断层虽然存在过几处温度升高部位、然而、部位1却能在多个升温点中脱颖而出、成为坚持到最后的升温最高的部位。其中、失稳后温度最高、说明该部位是快速错动最大的部位、升温的机理是摩擦。失稳前升温最高、可能是摩擦升温、也可能是应力升温。摩擦升温说明此处有预滑现象、应力升温说明此处是应力集中的部位。从理论上分析、若在失稳前开始缓慢预滑、相当于应力松弛、能量释放、此部位不可能积累大量能量、失稳时就不会有大的错动。

图7　断层带(剖面2、位置示意见图1a)(a)与围岩上邻近断层带(剖面3、位置示意见图1a)(b)的温度时空变化Fig. 7　Temperature variation with time along the fault(a) and near the fault(in the rock)(b).a 断层带上箭头所示位置无升温；b 围岩上箭头所示位置升温

为进一步分析升温机制、分别选取宽1.54mm的断层带(剖面2、位置参见图1a)和距离断层2mm、相同宽度的围岩区(剖面3、位置参见图1a)进行分析。为突出细节、将整条断层剖面进一步细分为28个区域。在B时刻之前、对比断层带(图7a)与围岩区(图7b)可见、围岩区64mm处(红色箭头所示部位、即图6 中的部位1)一直处于升温状态、且在亚失稳阶段有增强的趋势、而断层带相同位置无升温现象。其他几个部位在断层和围岩区都可看到升温。因此部位1在围岩上表现为应力集中、在断层带上表现为闭锁(无断层位移、无摩擦滑动升温)、其升温机理是应力致热。B时刻之后、围岩区的增温是断层带摩擦热效应传导所致。在亚失稳阶段、应力集中加剧的原因可能与断层带预滑区扩展有关、图b中无法观测到预滑现象的原因是整个样本体应力下降导致的降温掩盖了升温现象。在远离断层带的围岩上选取相同面积的对照区域、减去其平均温度以去除体应力导致的降温。可观测到亚失稳阶段断层带非闭锁区有升温加剧的现象(图8 中的红色虚线框所示)、此升温应是预滑所致。本实验室早期的研究(马胜利等、1995)发现、在某些黏滑发生前的一段时间、源区应变增加、断层位移几乎无增加甚至反向、邻区应变可能下降、临近黏滑有预滑现象。最近的研究(马瑾等、2014)还发现亚失稳阶段应变释放加速扩展、应变积累则在范围上缩小、幅度上增大。本文结果印证了上述观点、并进一步揭示了应力应变、断层位移与失稳部位的关系以及热场上的表现。由于应力导致的升温一般较低、而图7b显示的升温较高、可能高应力集中导致微破裂产生、在不断加载的条件下也会发生摩擦升温的现象、此推测还需进一步验证。

图8　断层带(剖面2)去除体应力致热后的温度时空变化Fig. 8　Temperature variation with time along the fault excluding the temperature changes caused by volumetric stress variation.红色虚线框显示亚失稳阶段断层带非闭锁区存在升温现象

3　结论与讨论

本文利用红外热像仪观测平直断层黏滑过程温度场的变化。在研究不同变形阶段温度变化的基础上、探索失稳部位在失稳前的温度变化特征、得到以下实验结果：

(1)峰值前后的热场演化特征及机理：峰值前样本以升温为主、峰值后亚失稳阶段样本温度在以降温为主的背景上起伏变化；峰值前的升温主要由应力积累引起、峰值后亚失稳阶段块体降温由应力松弛引起、断层区域升温则是摩擦和应力集中互相交错、共同作用的结果。

(2)失稳后不同部位的热场演化特征及机理：失稳时刻、样本块体降温、断层迅速升温；块体降温的机理是应力松弛、断层升温的机理是摩擦滑动；2个部位相反的温度变化是失稳后热场的主要特征。

(3)失稳部位的热场特征：将失稳时最先升温、且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。此现象或许有助于利用温度数据推测可能的发震位置。

(4)失稳部位的温度机理分析：失稳前的温度变化机理比较复杂、分析显示升温存在于围岩上而非断层上、说明升温是围岩上的高应力集中所致。断层带上无摩擦导致的升温说明断层带处于闭锁状态。机理分析的结果表明满足断层带闭锁且附近围岩应力集中这2个条件的部位可能是未来的失稳部位。

岩石黏滑失稳过程中的温度变化对于监测地震前兆具有一定的意义。震源深处摩擦产生的热量难以传导到地表、然而、地震发生前后断层周围浅表岩石的应力也会随着深处的变化而变化、其导致的温度变化更可能被观测到。汶川地震前后断裂带附近存在4.8～6.1MPa的应力下降(郭啟良等、2009; 陈顺云等、2014)。每MPa的应力改变会导致大约1mK的温度变化(刘培洵等、2004)、因此汶川地震同震引起的温度变化约为几mk；而单点地下温度观测精度多>1mK、且不受地表因素影响、因此观测地下温度、理论上应能看到围岩上的同震降温。关键是测温仪是否处于温度变化大的构造部位上。作者所在的实验室于青藏高原东部鲜水河断裂带布设了无线地温遥测台网、观测到了与周围小震活动对应良好的温度突变现象(陈顺云等、2013)。本文的研究意义在于发现了震前温度变化的特殊部位、在野外布点时可予以考虑。由于温度变化可同时反映应力及断层的摩擦状态、实验结果对地震前兆相关的应力数据及位移数据分析也有一定的启示意义。

此项研究才刚刚开始、鉴于应变片对热场存在干扰、以往的实验中应变与温度这2个物理量往往分别进行测量。为进一步认识温度场与应变场的关系、采用不会影响温度场的数字图像方法研究应变场、开展温度场与应变场同步观测的实验十分必要。

致谢汲云涛助理研究员和卓燕群为实验提供了帮助、深表感谢。

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Abstract

Stick-slip of fault in laboratory accompanies change of temperature. Temperature change is not only concerned with sliding friction、but also with the stress state of the sample. In this article、we use infra-red thermal imaging system as wide-range observation means to study the temperature variation of different stages during the deformation of sample. The rock sample for the experiment is made of granodiorite from Fangshan County with a size of 300mm×300mm×50mm. It is cut obliquely at an angle of 45°、forming a planar fault. Two-direction servo-control system was used to apply load on the sample. The load in both directions was forced to 5MPa and maintained constant (5MPa) in the X direction、then the load in the Y direction was applied by a displacement rate of 0.5μm/s、0.1μm/s and 0.05μm/s successively. The left and below lateral of the sample were fixed、and the right and top lateral of the sample were slidable when loaded. The experiment results show not only the temperature change from increase to decrease caused by conversion of stress accumulation to relaxation before and after the peak stress、but also opposite variation of temperature increase on fault and temperature decrease in rock during instability stage. Most important of all、we have found the temperature precursor identifying the position of instability through the temperature variation with time along the fault. It shows that rate of temperature increase of instability position keeps relative high value since the stage of strongly off-linear stage、and accelerates in stage of meta-instability. After separating the effect of friction and stress、we found that temperature increase occurs in the rock near the fault instead of on the fault、which means the mechanism of temperature increase is stress accumulation. Temperature of fault at the instability position does not increase、which means the position is locked. We speculate that the position of locked area on fault with high stress accumulation near the fault may be the future instability position. It is of significance of studying temperature variation during stick-slip to the monitoring of earthquake precursors. Heat caused by friction of earthquake needs long time to transfer to the surface and could not be detected as a precursor. While the stress of surface rock near the fault would change as the stress of interior rock changes、which could cause detectable temperature variations. The research purpose of this article is to find special change positions before instability. As the temperature variations are caused by stress and slip of fault、the results are also meaningful to analysis of stress and displacement data related to earthquake precursors.

EXPERIMENTAL STUDY OF TEMPERATURE EVOLUTION AND IDENTIFICATION OF INSTABILITY POSITION OF PLANAR STRIKE-SLIP FAULT DURING PROCESS OF STICK-SLIP

REN Ya-qiongMA JinLIU Pei-xunCHEN Shun-yun

(StateKeyLaboratoryofEarthquakeDynamics、InstituteofGeology，ChinaEarthquakeAdministration、Beijing100029、China)

meta-instability state、earthquake precursors、temperature、thermal field、planar strike-slip fault、mechanism of thermal anomaly

10.3969/j.issn.0253-4967.2016.01.005

2014-12-11收稿、2015-10-10改回。

国家自然科学基金(41172180、41474162)与中国地震局地球物理研究所基本科研业务费(DQJB15B07)共同资助。

P315.2

A

0253-4967(2016)01-0065-12

任雅琼、女、1985年生、2015年毕业于中国地震局地质研究所、获博士学位、现为中国地震局地球物理研究所博士后、从事与地震机理有关的构造物理实验研究、电话：010-68729304、E-mail: renyaqiongj@163.com。