论文摘要
地震是活动断层在构造应力作用下突发失稳的结果。除由板块运动和其他构造过程所引起的缓慢且稳定变化的构造应力之外,地壳中也存在瞬态和周期性的载荷作用,如固体潮汐力的作用、水库水位变化产生的加卸载效应、强震发生引起的静态和动态载荷作用等。这些瞬态和周期性的载荷作用于断层上,将会引起断层应力状态的调整,从而可能影响断层带上的地震活动性,导致强震提前或延迟发生。目前,对断层活动习性的研究和断层摩擦过程的了解,主要基于地震记录、野外地质调查资料和形变观测资料的反演。由于地球不可入性带来的多解性和强震发生的小概率性和不可重复性,在实验室研究载荷扰动对断层摩擦性状的影响,有助于理解应力扰动对地震触发的影响。本文利用双轴伺服控制加载装置,采用三块花岗闪长岩标本组成的含有两个滑动面的直剪结构,开展了摩擦滑动实验,实验中分别在法向和剪切方向上叠加正弦波状的载荷或位移扰动,模拟断层带的正应力和剪应力扰动,依据实验结果分析了扰动振幅、平均正应力和扰动周期等因素对断层粘滑失稳的影响。获得的主要结果如下:(1)在恒定的正应力和剪切方向恒定的位移速率下,随着位移的逐渐增大,标本表现出较为规则的粘滑,即粘滑事件的应力降相差不大。当在剪切方向叠加位移扰动(即剪切载荷扰动)后,粘滑应力降和粘滑周期的分布趋于离散。分析表明,扰动振幅对摩擦性状的影响很明显,粘滑应力降和粘滑周期的离散性随扰动振幅的增大而增强,粘滑发生时间与扰动的相关性也随扰动振幅的增大而增加,其中扰动能产生明显影响的临界振幅大致为0.05MPa。正应力对载荷扰动的结果有一定的影响,粘滑应力降和粘滑周期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。(2)当在法向叠加载荷扰动后,标本固有的规则粘滑也被打乱。粘滑应力降和粘滑周期对扰动振幅变化的响应很明显,其分布随扰动振幅的增大而逐渐离散,区分扰动能否明显影响粘滑失稳时间的临界振幅也大致为0.05MPa。各种平均正应力条件下的实验中,粘滑应力降对扰动振幅变化响应都很明显,但相同扰动振幅下,应力降的离散度随正应力的增加而明显增大,表明正应力本身也会影响法向载荷扰动的效果。与剪切方向的扰动一样,法向扰动时扰动周期对断层摩擦的影响不明显,不存在所谓的临界周期。(3)剪切方向和法向上的载荷均能影响断层的摩擦性状,但两者仍有一定的差异。法向扰动导致断层的正应力状态发生改变,从而影响了断层的固有强度,因此其影响具有整体性的特征。剪切方向的扰动,系统临界刚度保持不变,扰动具有一定的局部特征。低正应力条件下,粘滑失稳对法向扰动振幅的响应较剪切方向明显,而高正应力条件下,两个方向上扰动振幅对摩擦性状的影响效果类似。(4)实验结果表明,应力扰动不仅会改变断层上强震发生的时间(提前或推迟),从而影响断层上强震的复发间隔,而且会使断层上地震的强度发生明显变化,特别是正应力扰动可能会触发强度远超过断层特征震级的地震。这些结论,在根据同震库仑应力变化分析地震活动趋势时应予以关注。