亚失稳准动态及同震过程变形场时空演化特征——实验与分析

第４３卷　第１期
２０２１年２月地　震　地　质ＳＥＩＳＭＯＬＯＧＹＡＮＤＧＥＯＬＯＧＹＶｏｌ．４３，Ｎｏ．１Ｆｅｂ．，２０２１
ｄｏｉ
：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．０２５３－４９６７．２０２１．０１．００１李世念，马瑾，汲云涛，等．２０２１．亚失稳准动态及同震过程变形场时空演化特征———实验与分析［Ｊ］．地震地质，４３（１）：
１—１９．
ＬＩＳｈｉ ｎｉａｎ，ＭＡＪｉｎ，ＪＩＹｕｎ ｔａｏ，ｅｔａｌ．２０２１．Ｔｈｅｓｐａｔｉｏ ｔｅｍｐｏｒａｌｅｖｏｌｕｔｉｏｎｏｆｔｈｅｆａｕｌｔｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎｄｕｒｉｎｇｔｈｅｍｅｔａ ｉｎｓｔａｂｉｌｉｔｙｑｕａｓｉ
ｄｙｎａｍｉｃｐｈａｓｅａｎｄｔｈｅｃｏｓｅｉｓｍｉｃｓｔａｇｅ：Ａｖｉｅｗｆｒｏｍｌａｂｏｒａｔｏｒｙ［Ｊ］．
ＳｅｉｓｍｏｌｏｇｙａｎｄＧｅｏｌｏｇｙ，４３（１）：１—１９．亚失稳准动态及同震过程变形场时空演化特征
———实验与分析
李世念１，２）　马　瑾１）　汲云涛１）　郭彦双１）　刘力强１
） 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　１０００２９
２）中国煤炭地质总局勘查研究总院，北京　１０００３９
摘　要 断层亚失稳模型指出，在临震亚失稳阶段中各种物理量存在规律性的时空演化特征，控
制这些物理参数变化的根本原因是震源的力学过程。

为深入观测和分析该过程，文中介绍了一套自
主研发的６４通道、１６位分辨率、４ＭＨｚ采样频率、可并行连续采集的超动态变形场观测系统（Ｕｌｔｒａ ＨｉＤＡＭ），首次实现了在４ＭＨｚ频率下对应变信号和声发射信号的同步采集。

依托该系统对断层失稳
变形的全过程，特别是失稳前几ｓ
到若干μｓ的瞬态变形过程，即亚失稳准动态阶段进行了精细、深入的观测，解析了相关的震源力学问题，获得以下认识：１）伴随断层局部卸载而出现的应变局部化
加速是进入亚失稳准静态阶段的近场判据；２
）亚失稳准动态阶段的应变场特征（应变调整）表现为以应变逐点的逐次加速和往复传递；３）准动态过程中每个子阶段都存在短暂的准备期，其可能有助于
临震预测；４）一次断层失稳事件（实验室地震）可以伴随发生多次震源应变高频震荡以及对应的多次
声发射事件。

关键词 亚失稳准动态阶段　变形场　时空演化　应变准备期　同震阶段
中图分类号：Ｐ３１５ ２文献标识码：Ａ文章编号：０２５３－４９６７（２０２１）０１－０００１－１９
〔收稿日期〕　２０２０－０５－２０收稿，２０２０－１０－１０改回。

〔基金项目〕　国家自然科学基金（４１５７２１８１，４１９１１５３０１１１）和中国煤炭地质总局科技创新项目（ＺＭＫＪ－２０１８－４，
ＺＭＫＪ－２０１９－Ｊ１０）共同资助。

通讯作者：刘力强，男，１
９５６年生，研究员，博士生导师，主要从事构造物理及变形场研究，Ｅ－ｍａｉｌ：ｌｉｕｌｑ４８＠ｈｏｔｍａｉｌ．ｃｏｍ。

０　引言
根据断层整体的应力状态，断层失稳过程可以分为稳态、亚稳态、亚失稳态和失稳态（马瑾，２０１６），依次分别对应断层失稳过程中的４个阶段：线性阶段、偏离线性阶段、亚失稳阶段和失稳阶段（马瑾等，２０１２，２０１４）。

其中，亚失稳态又可进一步划分为亚失稳准静态和亚失稳准动态２个阶段（图１）。

进入亚失稳阶段后，断层整体由以能量积累为主转变为以能量释放为主，亚失稳阶段是断层失稳前的最后阶段。

从实验中提取断层进入亚失稳阶段的标志，有助于
地　震　地　质４３
卷
图１　断层失稳过程的剪应力－时间曲线示意图
Ｆｉｇ．１　Ｔｈｅｓｃｈｅｍａｔｉｃｄｉａｇｒａｍｏｆｓｈｅａｒｓｔｒｅｓｓｅｖｏｌｕｔｉｏｎｗｉｔｈｔｉｍｅｏｆｗｈｏｌｅｐｒｏｃｅｓｓｏｆｆａｕｌｔｉｎｓｔａｂｉｌｉｔｙ．
ＬＮ稳态（ＬＭ线性）；ＭＯ亚稳态（ＭＮ偏离线性，ＮＯ强偏离线性态）；ＯＢ亚失稳态（ＯＡ准静态，ＡＢ准动态）；ＢＣ失稳态分析野外断层所处的应力状态，进而判断活动断层的地震危险性与是否进入发震准备阶段。

断层的应力状态进入亚失稳的准动态阶段后，地震事件将不可逆转地到来。

研究断层的亚失稳阶段，特别是亚失稳的准动态阶段，对于地震的短、临预测具有重要意义。

在实验室对沿断层各点的应变信号进行观测，发现沿断层各点的应变释放过程包括释放区产生、扩展和增加、释放区联结３个阶段，第２阶段向第３阶段的转变即是由准静态阶段向准动态释放阶段的转变。

在亚失稳准动态阶段，应变释放区的扩展速度呈数量级增加（马瑾
等，２
０１４）。

数字图像相关方法可以有效地分析岩石的全场变形（Ｊｉｅｔａｌ．，２０１５）。

研究者利用数字散斑方法跨断层制作了１０００多个虚拟断层位移计以观测断层亚失稳阶段其两侧岩石相对位移的时空过程，发现进入亚失稳阶段后断层局部多个预滑区相继开始扩展，并且这种扩展处于加速状态，最终多个预滑区连接贯通整条断层并发生失稳。

因此，将断层局部预滑区的加速扩展作为判定断层进入亚失稳阶段的标志之一（Ｚｈｕｏｅｔａｌ．，２０１３；卓燕群，２０１５）。

亚失稳阶段岩石变形的瞬态力学特征是产生所有相关物理量变化的本质，因此对临震特征识别、野外断层应力状态分析和地震危险期判断具有重要意义。

尽管目前研究者已对亚失稳阶段的判别、亚失稳阶段各物理量的时空演化特征进行了一些研究，但因观测手段特别是变形观测频率不足所限，仍有待开展对断层亚失稳准动态阶段的深入研究。

与野外研究不同的是，
在实验室中可以获得全部宏观加载进程的载荷位移数据，Ｄ
ｉｅｔｅｒｉｃｈ（１９８１）以此表征分析断层失稳状态；而在野外则不能直接获得远端加载过程的宏观数据，因此难以利用以此为基础的研究方法对断层的力学状态做出判断。

为了弥补这个缺憾，需要在实验室增加近断层带变形的空间观测密度与观测频率，建立断层局部变形特征和宏观力学进程之间的关系。

这样做，一方面能增进对于震源力学过程、地震的孕育和发生机理的认知；另一方面，提取到的局部变形特征可能对野外的地震研究有更直接的参考价值。

本研究中，我们使用了多通道应变、多通道声发射和高速相机等多种观测手段，获得了关于实验室地震全过程的大量数据。

针对断层失稳阶段的瞬态变形研究始于地震前兆的成核现象研究。

实验和理论研究指出，
地震的成核包含从准静态慢滑到动态滑动转化的过程（
Ｓｃｈｏｌｚ，１９７２；Ｄｉｅｔｅｒｉｃｈ，１９８１，１９９２；Ｏｋｕｂｏｅｔａｌ．，１９８４；Ｏｈｎａｋａｅｔａｌ．，１９８９；Ｏｈｎａｋａ，１９９３；Ｋａｔｏｅｔａｌ．，１９９４；Ｒｏｙｅｔａｌ．，１９９６）。

在断层失稳发生之前，先出现稳定慢滑，之后的准动态阶段虽然缓慢但为自发驱动的加速过程。

（Ｓｃｈｏｌｚ，１９７２；Ｄｉｅｔｅｒｉｃｈ，１９８１；Ｏｈｎａｋａｅｔａｌ．，１９８９；Ｋａｔｏｅｔａｌ．，１９９４）。

在地震学中，将Ｐ波初２
３１期李世念等：亚失稳准动态及同震过程变形场时空演化特征———实验与分析
动的时刻和速度地震图中突然加速的时刻之间的过程称为地震成核相（Ｅｌｌｓｗｏｒｔｈｅｔａｌ．，１９９５）；实验和理论研究指出（Ａｎｄｒｅｗｓ，１９７６；Ｏｋｕｂｏｅｔａｌ．，１９８１，１９８４；Ｏｈｎａｋａｅｔａｌ．，１９８６），地震过程往往从断面某处开始产生稳定滑动，然后从此点向两侧扩展。

当扩展距离达到临界成核尺度时，断层由稳定滑动变为非稳定滑动，滑动的扩展速度由每ｓ数ｍ或数十ｍ快速增长到１ｋｍ／ｓ以上，甚至有可能达到Ｒａｙｌｅｉｇｈ波波速，发生超剪切破裂（Ｂｏｕｃｈｏｎｅｔａｌ．，２００１；Ｒｏｓａｋｉｓ，２００２；Ｄｕｎｈａｍｅｔａｌ．，２００３；Ｍｅｌｌｏｅｔａｌ．，２０１０）。

与理论研究类似，我们曾将地震从局部准静态破裂加速演化到动态破裂的过程称为实验室地震的成核过程，而这个过程恰恰是亚失稳模型中的动态亚失稳阶段。

由于以往的研究者所使用的触发式瞬态应变记录仪的采样时间很短、分辨率较低，往往只能从失稳时刻向前追溯短暂的固定时间（几十ｍｓ或几ｓ），因此不能完整、高精度地描述断层失稳的全过程，也就无法准确判断亚失稳进程的起点。

利用高速摄影测量手段，研究者针对断层失稳过程开展了研究。

Ｂｅｎ Ｄａｖｉｄ等（２０１０ａ，ｂ，２０１１）对断层失稳的高速滑动阶段进行了动力学研究，基于“似前端破裂模型”获得的观测研究结果在微观裂纹扩展与宏观断层滑动之间建立了物理机制上的联系。

其利用透明的有机玻璃进行摩擦滑动实验，对断层从高速滑动启动到结束过程中断层两侧介质接触面的动态变化过程进行了实测，并计算了近断层带的应力变化。

但有机玻璃材料的力学性质与岩石材料相差甚远，例如有机玻璃的剪切波速远低于岩石中的剪切波速，其研究结果的相似性有待讨论；此外，其在数据分析中使用对１０２４个采样点的数据进行平滑以减少噪声的方法，也降低了观测的有效采样频率。

Ｒｏｓａｋｉｓ等（１９９９，２０００）和Ｘｉａ等（２００４，２００５，２０１３）采用人工激发脉冲的方式冲击断层面以激发失稳滑动，利用高速相机观测到在断层失稳后随时间复杂变化的应变条纹，并在研究断层裂纹扩展过程中发现了超剪切破裂现象，证明了存在超剪切破裂。

但受观测技术系统的限制，它与Ｂｅｎ Ｄａｖｉｄ等（２０１０ａ，ｂ，２０１１）同样使用有机玻璃作为样品制作材料，因此也存在较大的相似性问题。

另外，使用人工激发的方式获得的断层失稳与断层自发失稳在物理机制上有明显的不同；且高速相机的记录时间较短，仅能以１００Ｍｆ／ｓ的拍摄速度连续采集时长约５０μｓ的照片，不能观测到失稳的全部过程。

ＭｃＬａｓｋｅｙ等（２０１３，２０１４ａ，ｂ，２０１５）进行了多组双轴加载下的大尺度样品和三轴加载条件下的预制切缝单剪样品实验，使用高速声发射采集系统和瞬态应变观测系统对断层的预滑过程和失稳过程进行观测，发现大部分断层在失稳之前均存在多个预滑区，当预滑区贯通至整条断层后，断层整体发生失稳。

虽然其研究分析了断层失稳时刻应变波动的时空分布和传播特性，但由于实验过程中瞬态数据的连续采集时间较短（一般为几十ｍｓ），并不能对断层失稳的全过程进行观测，无法对断层应变释放区出现、扩展和联通全过程的力学场演化特征进行分析。

李普春等（２０１３）、郭玲莉（２０１３）利用中频应变采集系统（数据采样频率为３ ４ｋＨｚ／ｓ）和高频声发射波形记录系统（数据采样频率为３ＭＨｚ／ｓ）观测断层失稳过程中的应变和声发射信号，发现断层失稳过程具有复杂的时间特征和空间结构。

即使是简单的断层模型，这种复杂性依然存在，但这种复杂的失稳仍具有一定的规律。

在时间上，断层失稳演化过程具有特定的模式，可划分为３个特定的阶段：预滑动阶段、高频振荡阶段和低频调整止滑阶段；空间尺度上，在
４
地　震　地　质４３卷断层失稳前，其预滑在空间上的分布是不均匀的，同时一次粘滑事件可能由１～３个子事件组成，而每个子事件发生的空间位置可能并不相同。

在加载过程中，断层两侧的应力状态并不均匀，伴随着加载进程各点应变主轴会有不均匀的转动，并在失稳滑动阶段发生反向旋转。

但其研究使用的中频应变系统的采样频率仍然不足，不能对断层预滑扩展过程和断层失稳过程进行更加精细的观测；另外，由于中频应变采集系统和高频声发射系统无法精确地在μｓ级别同步，亚失稳动态阶段的瞬态力学过程与声发射（实验室模拟的地震信号）的关系仍未得到详细解析。

在实验室内研究断层失稳过程，特别是研究断层亚失稳状态中变形场的时空演化特征，对于寻找必震信息、了解发震过程具有重要参考和应用价值。

断层亚失稳态，特别是亚失稳准动态阶段持续时间很短，却包含了丰富的必震信息，这就需要对断层附近的变形场进行高频观测；此外，由于进入亚失稳阶段的判据尚不清楚，故不能通过触发的方式采集数据，只能连续高速记录整条断层在失稳全过程中的变形场信息，待实验后再截选分析；同时，高频应变信号的传播速度很快，而测量时间极短且容易衰减，因此需要在震源极近场进行高精度动态应变观测。

因此，若要对断层失稳过程中的亚失稳态变形场的时空演化过程进行研究，就需要对断层失稳过程，特别是失稳前ｓ到μｓ级别的瞬态变形过程以及瞬态失稳变形过程进行深入精细的观测，以解析相关的震源力学问题。

在室内地震模拟实验中，变形失稳观测是研究震源力学过程的核心技术。

这项技术面临的首要难题是无法确定失稳发生的时刻与持续时间。

一次实验中有可能产生多次失稳事件，因此，需要数据采集系统从实验开始直至结束一直保持连续采集，时间可达十几ｈ以上。

其次，尽管还没有确切地了解失稳信号的频率上限，但可以肯定信号的频率将达到几百ｋＨｚ，故采样频率应当为１ＭＨｚ以上，同时还要保持较高的信噪比。

此外，以往的实验已经证明震源力学场具有复杂的空间结构，难以用少数几个测点来描述，因此需要对几十个以上测点同步观测。

长时间连续记录、高分辨率高频采样与多点同步观测３项技术手段的联合使用对观测系统的技术指标提出了巨大的挑战。

为此，中国地震局地质研究所地震动力学国家重点实验室研发了一套高信噪比的６４通道、１６位分辨率、并行采集频率达４ＭＨｚ且可以连续记录几十ｈ的超动态变形场观测系统。

利用这套系统可实现应变、声发射及位移等多种信号的同步采集，便于分析各种物理量之间的转换关系（李世念，２０１７；李世念等，２０１９）。

本研究利用该超动态变形场观测系统，主要针对断层亚失稳阶段（ＯＢ），特别是亚失稳准动态阶段（ＡＢ）和动态失稳过程（ＢＣ）开展实验研究（如图１中的阴影所示），取得了一定的观测结果，对断层失稳过程动态变形场的演化特征进行了补充。

根据亚失稳模型，断层失稳可划分为稳态ＬＭ、亚稳态ＭＯ、亚失稳态ＯＢ和失稳态ＢＣ。

根据断层协同化程度的不同，亚失稳态ＯＢ又可划分为亚失稳准静态ＯＡ和亚失稳准动态ＡＢ（马瑾等，２０１４；马瑾，２０１６）。

１　实验条件
１ １　实验样品及观测点布局
实验样品选用房山花岗闪长岩，样品尺寸为３００ｍｍ×３００ｍｍ×５０ｍｍ，沿样品的对角线预切出１条平直断层，断层与轴向的夹角为４５°，长３９２ｍｍ。

实验前使用１５０＃的金刚石砂轮研磨断层面，使得断层的表面粗糙度约为１００μｍ。

１期李世念等：亚失稳准动态及同震过程变形场时空演化特征———实验与分析使用应变片和声发射传感器同步连续记录实验全过程中的应变和声发射信号。

实验样品
的布局如图２
ａ所示，沿断层布置１６个由应变片和声发射传感器组成的测量组，编号依次为Ｓ０１—Ｓ１６。

每个测量组由２个应变片和１个声发射传感器组成，２个应变片分别与双轴加载方向（σ１、σ２
）平行，声发射传感器的中心位于２个应变片的角平分线上，测量组的中心之间相距２３ｍｍ。

各个传感器紧邻断层粘贴，应变片测量中心到断层的垂距为３ｍｍ，声发射传感器中心
与断层的垂距为７
ｍｍ。

应变和声发射信号经调理后均由超动态变形场观测系统连续同步测量，数据采集和同步方式如图２ｂ
所示。

图２　实验样品及数据采集方式
Ｆｉｇ．２　Ｔｈｅｓａｍｐｌｅｆｏｒｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｓａｎｄｄａｔａｃｏｌｌｅｃｔｉｏｎｍｅｔｈｏｄ．
ａ每个力学测量组由２个应变片和１个声发射传感器组成，编号为Ｓ０１—Ｓ１６；ｂＳ０１—Ｓ１６中应变片和声发射传感器
信号使用超动态变形场连续采集系统（ＵｌｔｒａＨｉＤＡＭ）记录，并通过对时信号实现各通道间的精确同步
１ ２　实验加载系统和加载过程
实验加载系统为中国地震局地质研究所构造物理研究室自主研制的平卧式双轴伺服压机（刘力强等，１９９５）。

该加载系统为双向电液伺服控制，可以实现位移或载荷的双向控制，并在实验过程中随时切换。

轴向最高载荷为１２０ｔ，最大位移为±１０ｍｍ，最大样品加载尺寸为５００ｍｍ×５００ｍｍ×３００ｍｍ。

以σ１和σ２分别表示加载在样品端部的最大和最小主应力（图２ａ），实验过程中首先将σ１和σ２同步加载到一定数值的静水压后保持σ２应力值不变，将σ１方向的应力加载方式改为等
位移速率加载，控制样品沿断层发生摩擦滑动以获得失稳事件，改变位移加载速率即可控制失
稳周期。

实验过程中的相关加载参数如表１
所示，压机宏观加载力学数据的采样频率为１ｋＨｚ，实验过程中差应力σＤ（σＤ＝σ１－σ２＝２
τ，τ为剪应力）随事件变化的曲线如图３所示。

加载过程的差应力－时间曲线如图３所示，共获得１６８个摩擦滑动失稳事件，约３０ＴＢ应变和声发射实验数据信息。

通过数据浏览回放，发现各次摩擦滑动失稳过程的变形场演化具有
相似的特征。

本文以ＨＢＲ－１６－６３实验中的事件Ａ为例（如图３中的黑色虚线框所示）展开分
析，描述断层失稳过程中变形场时空演化的详细特征。

５
地　震　地　质４３卷
表１　实验过程相关参数信息
Ｔａｂｌｅ１　Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌｐａｒａｍｅｔｅｒｓａｎｄｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ
实验编号
σ２／ＭＰａσ１方向的位移速率加载过程／μｍ·ｓ－１粘滑事件的个数ＨＢＲ－１６－５３
５１→０．５→０．１２９ＨＢＲ－１６－６０
５１→０．５→０．１→０．０５４３ＨＢＲ－１６－６２
１５１→０．５→０．１→０．０５１８ＨＢＲ－１６－６３
５１→０．５→０．１→０．０５３４ＨＢＲ－１６－６４
５１→０．５→０．１１９ＨＢＲ－１６－６５５１→０．５→０．１→０．０５２
５
图３　差应力随时间的演化
Ｆｉｇ．３　Ｅｖｏｌｕｔｉｏｎｏｆｄｉｆｆｅｒｅｎｔｉａｌｓｔｒｅｓｓｗｉｔｈｔｉｍｅ．
虚线框Ａ中的曲线代表ＨＢＲ－１６－６３实验中第３２个断层失稳过程（事件Ａ）
１ ３　数据采集处理
１ ３ １　各个采集单元数据之间的精确对时
超动态变形场观测系统采用多单元分布式并行采集方式，各单元采集器的启动时间不同。

在进行数据采集时，每隔２ｓ为每台采集系统提供一个上升沿为１８ｎｓ的脉冲信号，各单元在采集应变和声发射信号时同步采集该脉冲信号，以此实现各个单元之间的高精度对时。

在进行数据处理前，首先根据各个单元记录到的对时脉冲信号计算出各个单元之间的时差，以此为基准即可计算每个数据的采样时间，精度可达１μ
ｓ。

１ ３ ２　信号处理
各测量组的剪应变和平面应变值可通过式（１）和式（２）获得。

实验中的应变测量组包含２个与断层均呈４５°夹角的应变片，可以根据２个应变片测量到的线应变计算出各测量点沿断层的剪应变和该测量点的面应变，计算公式为
γ＝ε１－ε２
（１）εｖ＝ε１＋ε２（２）
式中，ε１和ε２分别为２个应变片测量到的线应变数值，γ为沿断层ε１到ε２方向的剪应变，εｖ６
１期李世念等：亚失稳准动态及同震过程变形场时空演化特征———实验与分析为测量点所在平面的面应变。

根据需要，数据处理中使用了滤波平滑等手段以降低噪声。

由于本系统声发射信号与应变信号同步记录，在时间上完全对准，可以直接获得动态变形过程与声发射波准确的对应关系。

２　实验结果
本次摩擦滑动失稳全过程耗时约１３００ｓ。

为便于分析描述，将断层整体快速失稳的时刻记为０ｓ，将失稳全过程的起点记为－１３００ｓ
，本文各时间点均照此表述。

失稳过程的时间－差应力曲线如图４
所示。

图４　ＨＢＲ－１６－６３事件Ａ断层失稳过程的时间－差应力曲线
Ｆｉｇ．４　ＴｈｅｄｉｆｆｅｒｅｎｔｉａｌｓｔｒｅｓｓｏｆｔｈｅｅｖｅｎｔＡｏｆｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔＨＢＲ－１６－６３．
黑色实线表示样品差应力随时间变化的曲线，红色实线表示稳态线性拟合曲线
２ １　伴随断层局部卸载出现的应变局部化加速是进入亚失稳准静态阶段的近场特征
图５为各点沿断层剪应变随时间变化的曲线，Ｏ点为图４中的峰值点，０ｓ时刻为断层最终的失稳时刻。

为了在图中更好地突出各点在强偏离线性点Ｎ（约－２６０ｓ）后的变化情况，在强偏离线性时刻（图４中Ｎ点的位置）将各测点的剪应变曲线置零。

可以看出，各测点的剪应变局部化现象在进入峰值Ｏ点前约５ｓ开始增强，从此刻开始各个测点的应变偏离原变形趋势线，有的上升，有的下降，这意味着在不同区域开始分化出了剪应变积累区和释放区。

断层进
入Ｏ点后，这种分化程度则更加明显。

图６
ａ为－４０ｓ后的剪应变时空演化曲线，在约－２０ｓ时断层进一步分化，在测点Ｓ０７和Ｓ１２附近出现２个显著的应变释放区，其他各区域为应变积累区。

在进入Ｏ点之后，释放区和积累区的分化程度进一步增强，并伴随释放区缓慢扩展和积累区集中的现象。

２ ２　亚失稳准动态（ＡＢ）阶段的应变波动往复传递
亚失稳准动态阶段的应变演化以逐点波浪式的往复传递为表现形式。

在本实验中，准动态７
地　震　地　质４３
卷
图５　沿断层的剪应变及样品差应力σＤ随时间的变化曲线
Ｆｉｇ．５　ＭａｃｒｏｓｃｏｐｉｃｄｉｆｆｅｒｅｎｔｉａｌｓｔｒｅｓｓσＤ（
ｔｈｅｂｌｕｅｃｏｌｏｒ，ｓｍｏｏｔｈ ｌｏｏｋｉｎｇｃｕｒｖｅｏｎｔｏｐ）ａｎｄｓｈｅａｒｓｔｒａｉｎｓ（ｔｈｅｃｕｒｖｅｓｗｉｔｈｖａｒｉｏｕｓｃｏｌｏｒｓｂｅｌｏｗ）ａｎｄａｓｆｕｎｃｔｉｏｎｓｏｆｔｉｍｅ．
将约－２６０ｓ时刻的剪应变数值归零，以突出应变增量
阶段又可以分为３个子阶段（ＡＡ１、Ａ１Ａ２、Ａ２Ａ３阶段）
，每个子阶段对应１次应变传递事件。

第１阶段，应变传递开始于断层中部并向上端的高应变区逐点释放，从测点Ｓ
０７附近传递至测点Ｓ０２附近，如图６ａ所示。

第２阶段，从上次应变传递的终点开始，出现１个新的应变波动并向断层下端传递，传递方向与第１阶段相反，影响范围超过了第１阶段波动的起始位置，直达断层下端，即从测点Ｓ０２附近传递至测点Ｓ１４附近，如图６ｂ所示。

第３阶段，从第２次应变波动到达的断层下端位置开始，再次出现新的向断层上端传递的应变波，即从测点Ｓ１４附近上传至测点Ｓ０２附近，如图６ｃ所示。

最后一次应变波贯穿了整条断层，到达断层上端的高应变区，上端的剪切量突然大幅度增加，使得累加应变超越了局部剪切强度。

最终，整条断层带周边的应变能从高应变区开始快速释放，形成地震。

在３个阶段中，应变波动传递的周期越来越短，速度越来越快，平均速度每
次递增几十倍。

第１阶段的应变传递时间约为７
ｓ，平均速度约为１６ｍｍ／ｓ；第２阶段的应变传递时间约为０ ３ｓ，平均速度约为９２０ｍｍ／ｓ；第３阶段的应变传递时间约为０ ０１７ｓ，以约为１７６００ｍｍ／ｓ（１７ ６ｍ／ｓ）的平均速度扩展至整条断层。

２ ３　准动态过程每个子阶段都存在短暂的准备期
在准动态过程中，每个子阶段的应变开始传递前，在上一次应变传递的停止区域内都会出现一个短暂的应变准备期，随后才进入下一阶段的应变波动传递过程，如图６所示。

在第２子阶段的应变波动传递开始之前，在第１子阶段的波动传递终点区域出现了１个长约２００ｍｓ的应变准备期ｈ１
，随后开始第２阶段的应变波动传递；同样，在第３子阶段的应变波动传递开始８
１期李世念等：亚失稳准动态及同震过程变形场时空演化特征——
—实验与分析图６　沿断层剪应变的时空演化图
Ｆｉｇ．６　Ｓｐａｔｉｏ ｔｅｍｐｏｒａｌｅｖｏｌｕｔｉｏｎｏｆｓｈｅａｒｓｔｒａｉｎａｌｏｎｇｔｈｅｆａｕｌｔ．
ａ、ｂ、ｃ分别为３个子阶段中的应变时空演化曲线，子图显示了加载应力的方向和应变传感器（Ｓ０１—Ｓ１４）在样品中的位置。

图中黑色和红色带箭头的虚线分别指示应变波动在应变时空曲线和样品上的传递路径。

ＯＡ为准静态阶段；ＡＡ１为准动态阶
段的第１个子阶段，Ａ１Ａ２为准动态阶段的第２个子阶段，Ａ２Ａ３为准动态阶段的第３个子阶段；ｈ１表示ＡＡ１阶段应变波动 传递前的应变准备期，ｈ２表示Ａ１Ａ２阶段应变波动传递前的应变准备期，ｈ３表示断层整体失稳前的应变准备期９
地　震　地　质４３卷之前，在第２子阶段的应变波动传递终点区域也出现了１个长约２５ｍｓ的应变准备期ｈ２
，随后开始第３子阶段的应变波动传递；最终，在断层整体失稳快速应变释放之前，在第３子阶段的
应变波动传递终点区域再次出现了１个长约３ｍｓ的应变准备期ｈ３
，随后断层整体应变快速释放，发生“地震”。

２ ４　同震应力降阶段的高频震荡现象
断层失稳阶段的时间过程可划分为４个阶段（图７）：震前预滑动阶段（Ⅰ）
、同震阶段（Ⅱ）、高频震荡阶段（Ⅲ）和低频调整阶段（Ⅳ）。

其中，Ⅰ、Ⅲ、Ⅳ阶段与前人提出的断层失稳阶段的物理模型相同（李普春等，２０１３；郭玲莉等，２０１４），但由于使用了超动态变形场观测系统，在瞬态失稳阶段初期观测到了更加高频的同震阶段（Ⅱ）。

该阶段表现为数次动态应变震荡，主频率范围约为２～５ｋＨｚ，频谱上限约为１５ｋＨｚ，单次应变震荡周期约为０ ５ｍｓ。

图７　断层瞬态失稳过程的应变及频谱曲线
Ｆｉｇ．７　Ｓｈｅａｒｓｔｒａｉｎａｎｄｉｔｓｓｐｅｃｔｒｕｍｄｕｒｉｎｇｆａｕｌｔｉｎｓｔａｂｉｌｉｔｙ．
断层动态失稳过程的４个阶段：震前预滑动阶段（Ⅰ）、同震阶段（Ⅱ）、高频震荡阶段（Ⅲ）和低频调整阶段（Ⅳ）。

ａ和ｂ分别为阴影区的应变曲线放大图及其频谱
由于每次动态应变振荡都伴随着一次实验室地震（声发射）事件（图８），故称其为同震－动态应变震荡，并称该阶段为同震阶段。

很明显，每次应变波动引发的声发射信号都具有比应变信号高得多的频率特征，而这在以往的中频系统（采样频率为３ ４ｋＨｚ）（郭玲莉等，２０１４）观测中只能记录到一个简单的脉冲。

另外，虽然各个部位动态应变震荡的峰值在时间上存在一定的先后关系，但由于在测点等间距的情况下走时时差不同，且存在应变反向传播的情况；另外，各点应变震荡的振幅水平大致相同，没有从震荡初始位置向两侧振幅衰减的特征，因此各点之０１。