應(yīng)力擾動(dòng)對(duì)斷層摩擦聲發(fā)射活動(dòng)影響的實(shí)驗(yàn)研究①

馬勝利，繆阿麗，黃元敏，2

（1.中國地震局地質(zhì)研究所地震動(dòng)力學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100029；2.廣東省地震局，廣東廣州 510070）

應(yīng)力擾動(dòng)對(duì)斷層摩擦聲發(fā)射活動(dòng)影響的實(shí)驗(yàn)研究①

馬勝利1，繆阿麗1，黃元敏1，2

（1.中國地震局地質(zhì)研究所地震動(dòng)力學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100029；2.廣東省地震局，廣東廣州 510070）

利用中尺度巖石摩擦實(shí)驗(yàn)開展了應(yīng)力擾動(dòng)對(duì)斷層摩擦滑動(dòng)過程中聲發(fā)射活動(dòng)影響的實(shí)驗(yàn)研究，據(jù)此討論同震應(yīng)力變化引起的小震活動(dòng)特征及其預(yù)測(cè)意義。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明方波狀應(yīng)力擾動(dòng)對(duì)粘滑失穩(wěn)前的聲發(fā)射活動(dòng)有明顯影響，即觸發(fā)了一些聲發(fā)射事件，使得粘滑發(fā)生前聲發(fā)射活動(dòng)增強(qiáng)并使出現(xiàn)的時(shí)間提前。這種影響隨平均正應(yīng)力的提高和擾動(dòng)振幅的增大而增強(qiáng)，其中剪應(yīng)力擾動(dòng)（增加）比正應(yīng)力擾動(dòng)（減?。?duì)聲發(fā)射活動(dòng)的影響更明顯。從統(tǒng)計(jì)角度，未疊加應(yīng)力擾動(dòng)時(shí)聲發(fā)射事件一般開始在臨近粘滑前應(yīng)力積累達(dá)～90%以上時(shí)；疊加應(yīng)力擾動(dòng)后聲發(fā)射事件提前至應(yīng)力積累達(dá)到～70%時(shí)，甚至更早。結(jié)果意味著同震應(yīng)力變化能否對(duì)區(qū)域內(nèi)的強(qiáng)震活動(dòng)產(chǎn)生顯著影響主要取決于斷層的絕對(duì)應(yīng)力是否已臨近失穩(wěn)強(qiáng)度。而小震活動(dòng)的變化能夠在一定程度上反映斷層的應(yīng)力狀態(tài)，因此綜合考慮同震應(yīng)力變化和小震活動(dòng)分析強(qiáng)震危險(xiǎn)性更為合理。同時(shí)也需充分考慮其中的不確定性。

摩擦實(shí)驗(yàn)；粘滑；應(yīng)力擾動(dòng)；聲發(fā)射；地震活動(dòng)

Abstract：Effects of stress perturbation on acoustic emission（AE）during fault friction are studied by using medium－scale experiments of rock friction，and the characteristics of seismicity caused by coseismic stress change and its implication in earthquake forecasting are discussed based on the experimental results.The experiments indicate that stress perturbation of square wave can obviously affect AE activity，it can trigger some AE events so that AE activity before stick－slip becomes stronger and occurs earlier.The effect increases with increasing average normal stress and perturbation amplitude，and perturbation effect from shear stress（increase）is more evident than that from normal stress（decrease）.In statistics，when stress perturbation is not applied，AE events usually occur just before stick－slip even if there are AE events，i.e.occurring when stress accumulation reaches above～90%.When stress perturbation is applied，AE events occur earlier before stick－slip，i.e.occurring when stress accumulation reaches～70%and even much earlier.The experimental results mean that whether the coseismic stress change caused by a strong earthquake can obviously affect strong seismic activity in its neighbour area，it is mainlydepentent on if the absolute stress of faults comes close to instablity strength.Small earthquaks can reflect stress state of fault at certain extend，therefore，it is more reasonable to analyze earthquake potential by combing coseismic stress change and activity of small events.However，the uncertainty existing in the process should also be considered.

Key words：Frictional experiment；Stick－slip；Stress perturbation；Acoustic emission；Seismicity

0 引言

一次強(qiáng)震的發(fā)生會(huì)引起區(qū)域內(nèi)斷層應(yīng)力的變化，從而影響余震的分布乃至未來的地震活動(dòng)趨勢(shì)。因此同震應(yīng)力變化已成為強(qiáng)震發(fā)生后地震活動(dòng)趨勢(shì)分析的重要依據(jù)。盡管在根據(jù)同震應(yīng)力預(yù)測(cè)后續(xù)強(qiáng)震活動(dòng)地點(diǎn)方面確有成功的例子［1－3］，一些研究也表明0.01MPa量級(jí)的微小應(yīng)力變化即可明顯地影響地震活動(dòng)［5－6］，但同震應(yīng)力變化能否對(duì)區(qū)域內(nèi)的地震活動(dòng)產(chǎn)生顯著影響主要取決于斷層的絕對(duì)應(yīng)力是否已臨近失穩(wěn)強(qiáng)度。震源深度上斷層的絕對(duì)應(yīng)力難以直接測(cè)量，雖然根據(jù)大震前后應(yīng)力軸偏轉(zhuǎn)和應(yīng)力降能夠獲得應(yīng)力量值［7－8］，但大震前斷層應(yīng)力水平的估計(jì)仍是一個(gè)難題。考慮到小震活動(dòng)的變化能夠在一定程度上反映斷層的應(yīng)力狀態(tài)，因此可在同震庫侖應(yīng)力計(jì)算的基礎(chǔ)上進(jìn)一步考慮小震活動(dòng)的變化來預(yù)測(cè)后續(xù)強(qiáng)震危險(xiǎn)區(qū)［9］。2008年汶川地震發(fā)生后，一些學(xué)者計(jì)算了其引起的同震庫侖應(yīng)力變化及其對(duì)周邊斷層地震危險(xiǎn)性的可能影響［10－14］。其中Toda等［11］根據(jù)同震庫侖應(yīng)力計(jì)算結(jié)果和過去10年來的背景地震活動(dòng)，預(yù)測(cè)了未來10年的地震活動(dòng)性和強(qiáng)震發(fā)生的可能地點(diǎn)，并指出未來小震活動(dòng)速率的增強(qiáng)可為其預(yù)測(cè)提供證據(jù)。此外也有一些學(xué)者根據(jù)余震的分布和小震活動(dòng)的分布對(duì)區(qū)域地震危險(xiǎn)性進(jìn)行了預(yù)測(cè)。顯然，根據(jù)同震應(yīng)力變化引起的小震活動(dòng)變化預(yù)測(cè)區(qū)域地震危險(xiǎn)性已成為震后趨勢(shì)分析的重要手段。然而這種方法是否具有充分的依據(jù)，一方面需要通過實(shí)際震例進(jìn)行分析論證，也需要從理論和實(shí)驗(yàn)方面進(jìn)行論證。

聲發(fā)射是實(shí)驗(yàn)室中與地震事件最類似的信號(hào)，在實(shí)驗(yàn)室研究斷層滑動(dòng)失穩(wěn)不同階段經(jīng)受應(yīng)力擾動(dòng)時(shí)的聲發(fā)射活動(dòng)，分析擾動(dòng)響應(yīng)與斷層應(yīng)力狀態(tài)的關(guān)系，可為根據(jù)同震應(yīng)力變化及小震活動(dòng)特征預(yù)測(cè)區(qū)域地震危險(xiǎn)性提供參考。因此我們開展中尺度標(biāo)本的摩擦滑動(dòng)實(shí)驗(yàn)，研究應(yīng)力擾動(dòng)對(duì)斷層滑動(dòng)失穩(wěn)的影響，重點(diǎn)分析應(yīng)力擾動(dòng)對(duì)應(yīng)的聲發(fā)射活動(dòng)，并討論實(shí)驗(yàn)結(jié)果在地震危險(xiǎn)性預(yù)測(cè)中的意義。

1 實(shí)驗(yàn)方法

實(shí)驗(yàn)所用標(biāo)本結(jié)構(gòu)為三塊巖石標(biāo)本組成的含有兩個(gè)滑動(dòng)面的直剪結(jié)構(gòu)；巖石標(biāo)本為花崗閃長巖；每個(gè)滑動(dòng)面的面積為300mm×50mm。實(shí)驗(yàn)在一套臥式雙向加載裝置上進(jìn)行，載荷和位移通過一套分辨率為16bit的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)記錄，采樣頻率為10 Hz。在標(biāo)本表面布設(shè)了聲發(fā)射傳感器，記錄標(biāo)本在實(shí)驗(yàn)過程中的微破裂活動(dòng)。聲發(fā)射記錄系統(tǒng)為一套16信道、分辨率12bit、最高采樣頻率40MHz的數(shù)字化記錄系統(tǒng)（實(shí)驗(yàn)中的采樣頻率為10MHz），聲發(fā)射事件的能量通過對(duì)聲發(fā)射波形的線長積分來確定［15］。實(shí)驗(yàn)的基本條件為正應(yīng)力5～25MPa，剪切方向加載點(diǎn)速率0.5μm／s。實(shí)驗(yàn)標(biāo)本結(jié)構(gòu)及傳感器布局如圖1（a）所示。

關(guān)于應(yīng)力擾動(dòng)，我們首先采用了實(shí)驗(yàn)室中常用的加載方法，即通過疊加正弦波狀載荷研究周期性載荷對(duì)斷層滑動(dòng)行為的影響［16－18］。除此之外，考慮到地震引起的同震應(yīng)力變化的特點(diǎn)，我們也考慮了方波狀載荷擾動(dòng)的影響。鑒于庫侖應(yīng)力的變化包括剪應(yīng)力和正應(yīng)力的變化，我們進(jìn)行了剪應(yīng)力擾動(dòng)和正應(yīng)力擾動(dòng)兩類實(shí)驗(yàn)。根據(jù)我們采用的標(biāo)本結(jié)構(gòu)，通過在剪切方向平均加載點(diǎn)速率上疊加正弦波狀或臺(tái)階狀的位移擾動(dòng)研究剪應(yīng)力擾動(dòng)的影響；通過在平均正應(yīng)力上疊加正弦波狀或臺(tái)階狀的應(yīng)力擾動(dòng)研究正應(yīng)力擾動(dòng)的影響。實(shí)驗(yàn)中首先使平均正應(yīng)力達(dá)到預(yù)定的應(yīng)力值，并保持不變，剪切方向上以預(yù)定的位移速率加載。在標(biāo)本進(jìn)入規(guī)則粘滑階段之后在剪切方向的平均位移速率或平均正應(yīng)力上疊加相應(yīng)的擾動(dòng)。疊加的位移、應(yīng)力擾動(dòng)的形式和參數(shù)如圖1（b）所示。根據(jù)已有巖石摩擦實(shí)驗(yàn)結(jié)果［19］，聲發(fā)射活動(dòng)主要出現(xiàn)在較高正應(yīng)力條件下，且叢集于粘滑事件前，因此我們主要關(guān)注較高正應(yīng)力下的實(shí)驗(yàn)，并在實(shí)驗(yàn)中采用了較高的聲發(fā)射觸發(fā)門檻（即只記錄能級(jí)較大的聲發(fā)射事件），使得無應(yīng)力擾動(dòng)條件下粘滑前基本上不出現(xiàn)聲發(fā)射，以便更好地分析應(yīng)力擾動(dòng)引起的聲發(fā)射。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

2.1 正弦波狀應(yīng)力擾動(dòng)的影響

圖2（a）給出了平均正應(yīng)力σn＝20MPa、剪切方向加載點(diǎn)速率V＝0.5μm／s的條件下疊加正弦波狀剪應(yīng)力擾動(dòng)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。由剪應(yīng)力－時(shí)間曲線可見，實(shí)驗(yàn)過程中標(biāo)本表現(xiàn)為典型的粘滑特征。當(dāng)標(biāo)本在未疊加擾動(dòng)的條件下（即擾動(dòng)振幅A＝0）基本達(dá)到規(guī)則粘滑（即粘滑應(yīng)力降大小和時(shí)間間隔相差不大）后，在剪切方向平均加載點(diǎn)速率上依次疊加了振幅A＝3.5、7、14μm的正弦波狀位移擾動(dòng)（根據(jù)標(biāo)定結(jié)果，其對(duì)應(yīng)的剪應(yīng)力擾動(dòng)振幅分別為0.05、0.1、0.2MPa），隨著擾動(dòng)幅度的增加規(guī)則粘滑被打亂，即粘滑應(yīng)力降大小和時(shí)間間隔變化較大。由聲發(fā)射M－T圖可見，在未疊加擾動(dòng)的條件下，每次粘滑事件均對(duì)應(yīng)一次大的聲發(fā)射事件，而粘滑事件之間只有極個(gè)別聲發(fā)射事件，表明所選聲發(fā)射觸發(fā)門檻有效抑制了較小聲發(fā)射事件的觸發(fā)。疊加擾動(dòng)之后，在擾動(dòng)幅度較大的情況下，一些粘滑事件前出現(xiàn)了聲發(fā)射活動(dòng)，且主要發(fā)生在臨近粘滑發(fā)生前。圖2（b）給出了平均正應(yīng)力σn＝14MPa、剪切方向加載點(diǎn)速率V＝0.5μm／s的條件下，在平均正應(yīng)力上疊加正弦波狀應(yīng)力擾動(dòng)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果?？梢娖淞W(xué)性狀及聲發(fā)射特征的變化與前述實(shí)驗(yàn)結(jié)果相似，即隨著擾動(dòng)幅度的增加，規(guī)則粘滑被打亂，臨近粘滑事件前的聲發(fā)射活動(dòng)略有增強(qiáng)。宏觀分析粘滑事件前聲發(fā)射活動(dòng)的增加應(yīng)與應(yīng)力擾動(dòng)的疊加有關(guān)。這些聲發(fā)射事件的發(fā)生時(shí)間基本上都在疊加的剪應(yīng)力增加或正應(yīng)力下降的相位上，表明臨近粘滑事件前聲發(fā)射活動(dòng)的增加的確與疊加的應(yīng)力擾動(dòng)相關(guān)。不過，疊加擾動(dòng)后也只有一小部分粘滑事件在臨近發(fā)生前出現(xiàn)了聲發(fā)射事件，說明正弦波狀應(yīng)力擾動(dòng)對(duì)摩擦滑動(dòng)過程中的聲發(fā)射影響并不是很明顯，因此這里不再進(jìn)行詳細(xì)分析。

圖1 實(shí)驗(yàn)標(biāo)本結(jié)構(gòu)和應(yīng)力擾動(dòng)形式（標(biāo)本表面的圓圈表示聲發(fā)射傳感器）Fig.1 Sample configuration and modes of stress perturbation（Circles on the sample surface indicate AE transducers）.

2.2 方波狀剪應(yīng)力擾動(dòng)的影響

圖3（a）給出了平均正應(yīng)力σn＝14MPa、剪切方向加載點(diǎn)速率V＝0.5μm／s的條件下疊加了方波狀剪應(yīng)力擾動(dòng)的摩擦實(shí)驗(yàn)的剪應(yīng)力－時(shí)間曲線及聲發(fā)射M－T圖?？梢?，在疊加剪應(yīng)力擾動(dòng)之前標(biāo)本表現(xiàn)出很規(guī)則的粘滑，每次粘滑對(duì)應(yīng)的聲發(fā)射事件能量也很接近，粘滑事件之間的聲發(fā)射事件很少。疊加了方波狀剪應(yīng)力擾動(dòng)后標(biāo)本的規(guī)則粘滑被打亂，粘滑應(yīng)力降和周期差異且隨擾動(dòng)振幅而增加；很多粘滑事件前出現(xiàn)了多個(gè)聲發(fā)射事件，這一趨勢(shì)也隨擾動(dòng)振幅的增加而更為明顯。這說明方波狀應(yīng)力擾動(dòng)對(duì)摩擦滑動(dòng)過程中的聲發(fā)射影響是很明顯的。

鑒于地震發(fā)生在正應(yīng)力相當(dāng)高的斷層深部，考察平均正應(yīng)力對(duì)上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響是非常必要的。為此在不同的平均正應(yīng)力條件下進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)。圖3（b）給出了平均正應(yīng)力σn＝23MPa，剪切方向加載點(diǎn)速率V＝0.5μm／s的條件下的實(shí)驗(yàn)結(jié)果?？梢姡骄龖?yīng)力的增加使得應(yīng)力擾動(dòng)對(duì)摩擦行為的影響增強(qiáng)，粘滑應(yīng)力降和周期的差異增加；由于平均正應(yīng)力的增加，未疊加擾動(dòng)時(shí)粘滑前聲發(fā)射事件即有增加的趨勢(shì)，但疊加擾動(dòng)后許多粘滑事件發(fā)生前聲發(fā)射事件明顯增多，特別是在擾動(dòng)振幅較大時(shí)所有粘滑事件發(fā)生前均可見聲發(fā)射事件明顯叢集。如果把一次粘滑發(fā)生后的應(yīng)力與下次粘滑發(fā)生時(shí)的應(yīng)力之差定義為粘滑發(fā)生所需積累的應(yīng)力，從統(tǒng)計(jì)角度來看，未疊加擾動(dòng)時(shí)聲發(fā)射事件多發(fā)生在臨近粘滑前，即發(fā)生在應(yīng)力積累達(dá)～90%以上；疊加擾動(dòng)后雖然大多數(shù)聲發(fā)射事件仍叢集于臨近粘滑失穩(wěn)前，但出現(xiàn)聲發(fā)射事件的時(shí)間明顯提前，在應(yīng)力積累達(dá)到～70%時(shí)便可能發(fā)生聲發(fā)射，有些粘滑失穩(wěn)前聲發(fā)射事件出現(xiàn)的時(shí)間更早。

圖2 疊加正弦波狀應(yīng)力擾動(dòng)的剪應(yīng)力－時(shí)間曲線及聲發(fā)射M－T圖（上部帶圓點(diǎn)的聲發(fā)射事件為與粘滑對(duì)應(yīng)的事件）Fig.2 Shear stress and magnitude of AE event versus time for frictional experiments modulated by stress perturbation of sine wave（AE events marked by dots are corresponding to stick－slip events）.

圖3 疊加方波狀剪應(yīng)力擾動(dòng)的剪應(yīng)力－時(shí)間曲線及聲發(fā)射M－T圖（上部帶圓點(diǎn)的聲發(fā)射事件為與粘滑對(duì)應(yīng)的事件）Fig.3 Shear stress and magnitude of AE event versus time for frictional experiments modulated by shear stress perturbation of square wave（AE events marked by dots are corresponding to stick－slip events）.

圖4 方波狀剪應(yīng)力擾動(dòng)與聲發(fā)射事件的時(shí)間關(guān)系Fig.4 Relationship between shear stress perturbation of square wave and AE events.

圖5 疊加方波狀正應(yīng)力擾動(dòng)的剪應(yīng)力－時(shí)間曲線及聲發(fā)射M－T圖（上部帶圓點(diǎn)的聲發(fā)射事件為與粘滑對(duì)應(yīng)的事件）Fig.5 Shear stress and magnitude of AE event versus time for frictional experiments modulated by normal stress perturbation of square wave（AE events marked by dots are corresponding to stick－slip events）.

為了考察聲發(fā)射事件與應(yīng)力擾動(dòng)的關(guān)系，分析了聲發(fā)射事件與應(yīng)力擾動(dòng)的時(shí)間相關(guān)性。圖4給出了平均正應(yīng)力為18MPa、位移擾動(dòng)振幅14μm（相當(dāng)于剪應(yīng)力擾動(dòng)振幅0.17MPa）時(shí)4次粘滑失穩(wěn)對(duì)應(yīng)的剪應(yīng)力－時(shí)間曲線及聲發(fā)射M－T圖。由圖可見，位移擾動(dòng)造成了剪應(yīng)力積累過程中的方波狀波動(dòng)，粘滑失穩(wěn)發(fā)生時(shí)間全部對(duì)應(yīng)于剪應(yīng)力擾動(dòng)（上升）段，表明失穩(wěn)時(shí)間受應(yīng)力觸發(fā)作用的控制。圖中，第一次粘滑前共有4個(gè)聲發(fā)射事件，除第3個(gè)事件外，其它事件的發(fā)生時(shí)間均對(duì)應(yīng)于剪應(yīng)力擾動(dòng)（上升）段；第二次粘滑前共有3個(gè)聲發(fā)射事件，除第3個(gè)事件外，其它事件的發(fā)生時(shí)間均對(duì)應(yīng)于剪應(yīng)力擾動(dòng)（上升）段；第三次和第四次粘滑前的聲發(fā)射事件較多，其中大多數(shù)事件的發(fā)生時(shí)間對(duì)應(yīng)于剪應(yīng)力擾動(dòng)（上升）段，特別是能量較大的事件和事件叢基本上受控于剪應(yīng)力擾動(dòng)。根據(jù)計(jì)算，對(duì)于前3次粘滑失穩(wěn)，當(dāng)應(yīng)力積累分別達(dá)到67%、72%、74%時(shí)聲發(fā)射活動(dòng)開始出現(xiàn)；而對(duì)于第4次粘滑失穩(wěn)，應(yīng)力積累至51%時(shí)便有聲發(fā)射活動(dòng)出現(xiàn)。這表明粘滑失穩(wěn)前聲發(fā)射活動(dòng)的增強(qiáng)、發(fā)生時(shí)間的提前的確與剪應(yīng)力擾動(dòng)（上升）有關(guān)。但該圖也表明，聲發(fā)射活動(dòng)在時(shí)間分布上也很不均勻，即使在較高的應(yīng)力水平下也并非每次應(yīng)力擾動(dòng)都能觸發(fā)聲發(fā)射活動(dòng)。

2.3 方波狀正應(yīng)力擾動(dòng)的影響

圖5給出了兩種正應(yīng)力條件下疊加了方波狀正應(yīng)力擾動(dòng)的摩擦實(shí)驗(yàn)的剪應(yīng)力、正應(yīng)力－時(shí)間曲線及聲發(fā)射M－T圖。由圖5（a）可見，在平均正應(yīng)力為14MPa的條件下，疊加正應(yīng)力擾動(dòng)之前標(biāo)本基本表現(xiàn)為規(guī)則粘滑，每次粘滑均對(duì)應(yīng)一個(gè)聲發(fā)射事件，只有兩次粘滑事件發(fā)生前各有1個(gè)聲發(fā)射事件。疊加了方波狀正應(yīng)力擾動(dòng)（正應(yīng)力減?。┖?，標(biāo)本的摩擦行為發(fā)生了變化，特別是當(dāng)擾動(dòng)幅度較大時(shí)規(guī)則粘滑被打亂，粘滑應(yīng)力降和周期明顯離散；但粘滑發(fā)生前出現(xiàn)的聲發(fā)射事件并沒有明顯增加。在平均正應(yīng)力為18MPa的條件下（圖5（b）），未疊加擾動(dòng)時(shí)一些粘滑發(fā)生前便有聲發(fā)射事件發(fā)生，而疊加擾動(dòng)后大多數(shù)粘滑發(fā)生前聲發(fā)射事件增多，特別是在擾動(dòng)振幅較大時(shí)更為明顯。同樣，從統(tǒng)計(jì)角度來看，未疊加擾動(dòng)時(shí)少量聲發(fā)射事件發(fā)生在臨近粘滑前，即發(fā)生在應(yīng)力積累達(dá)～90%以上；疊加擾動(dòng)后出現(xiàn)聲發(fā)射事件的時(shí)間提前，在應(yīng)力積累達(dá)到～70%時(shí)便可發(fā)生聲發(fā)射，有些粘滑失穩(wěn)前聲發(fā)射事件出現(xiàn)的時(shí)間更早。與同樣條件下剪應(yīng)力擾動(dòng)實(shí)驗(yàn)結(jié)果比較，可知正應(yīng)力擾動(dòng)對(duì)粘滑失穩(wěn)前聲發(fā)射活動(dòng)的影響小于剪應(yīng)力擾動(dòng)的影響，但影響的趨勢(shì)是一致的。

同樣分析了聲發(fā)射事件與應(yīng)力擾動(dòng)的時(shí)間相關(guān)性。圖6給出了平均正應(yīng)力為18MPa、正應(yīng)力擾動(dòng)振幅分別為0.05和0.1MPa時(shí)4次粘滑失穩(wěn)對(duì)應(yīng)的剪應(yīng)力、正應(yīng)力－時(shí)間曲線及聲發(fā)射M－T圖。由圖可見，粘滑失穩(wěn)發(fā)生時(shí)間全部對(duì)應(yīng)于正應(yīng)力擾動(dòng)（下降）段，表明失穩(wěn)時(shí)間受應(yīng)力觸發(fā)作用的控制。每次粘滑前的聲發(fā)射事件的發(fā)生時(shí)間也基本上對(duì)應(yīng)于正應(yīng)力擾動(dòng)（下降）段。由圖也看見，4次粘滑事件發(fā)生前聲發(fā)射出現(xiàn)的時(shí)間不盡相同，對(duì)于第1次和第4次粘滑，當(dāng)應(yīng)力積累分別至72%和69%時(shí)聲發(fā)射活動(dòng)開始出現(xiàn)；而對(duì)于第2和第3次粘滑事件，應(yīng)力積累分別至54%和48%時(shí)便有聲發(fā)射活動(dòng)出現(xiàn)。同樣，聲發(fā)射活動(dòng)在時(shí)間分布上也很不均勻。

圖6 方波狀正應(yīng)力擾動(dòng)與聲發(fā)射事件的時(shí)間關(guān)系Fig.6 .Relationship between normal stress perturbation of square wave and AE events.

3 討論和結(jié)論

（1）中尺度巖石摩擦實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，正弦波狀剪應(yīng)力擾動(dòng)和正應(yīng)力擾動(dòng)對(duì)斷層的摩擦行為有顯著的影響，隨著擾動(dòng)振幅的增加規(guī)則粘滑被打亂，粘滑應(yīng)力降和周期離散。這與以前的實(shí)驗(yàn)結(jié)果［18］是一致的。應(yīng)力擾動(dòng)對(duì)粘滑失穩(wěn)前的聲發(fā)射活動(dòng)也有一定的影響，即剪應(yīng)力的增加或正應(yīng)力的減小可能會(huì)觸發(fā)一些聲發(fā)射事件，使得一些粘滑發(fā)生前聲發(fā)射活動(dòng)有所增強(qiáng)。但失穩(wěn)前聲發(fā)射活動(dòng)增強(qiáng)的粘滑事件數(shù)量是很有限的，說明這種應(yīng)力擾動(dòng)的影響并不是很顯著。

（2）實(shí)驗(yàn)表明，方波狀剪應(yīng)力擾動(dòng)（剪應(yīng)力增加）和正應(yīng)力擾動(dòng)（正應(yīng)力減少）對(duì)斷層的摩擦行為有更顯著的影響，粘滑發(fā)生的時(shí)間與應(yīng)力擾動(dòng)有很強(qiáng)的相關(guān)性，表現(xiàn)出明顯的觸發(fā)特征。與此相對(duì)應(yīng)，粘滑應(yīng)力降和周期明顯離散。應(yīng)力擾動(dòng)對(duì)粘滑失穩(wěn)前的聲發(fā)射活動(dòng)也有明顯影響，即觸發(fā)了一些聲發(fā)射事件，使得粘滑發(fā)生前聲發(fā)射活動(dòng)增強(qiáng)，且使其出現(xiàn)時(shí)間提前。上述影響隨平均正應(yīng)力的提高和擾動(dòng)振幅的增大而增強(qiáng)，其中剪應(yīng)力擾動(dòng)（增加）比正應(yīng)力擾動(dòng)（減小）對(duì)聲發(fā)射活動(dòng)的影響更明顯。從統(tǒng)計(jì)角度來看，未疊加應(yīng)力擾動(dòng)時(shí)粘滑失穩(wěn)前即使有聲發(fā)射事件發(fā)生，一般發(fā)生在臨近粘滑前，即發(fā)生在應(yīng)力積累達(dá)～90%以上；疊加應(yīng)力擾動(dòng)后，粘滑失穩(wěn)前聲發(fā)射事件的出現(xiàn)時(shí)間提前，在應(yīng)力積累達(dá)到～70%時(shí)便可能出現(xiàn)聲發(fā)射，有些粘滑失穩(wěn)前聲發(fā)射事件出現(xiàn)的時(shí)間更早（應(yīng)力積累達(dá)～50%時(shí)）。不過，即使在較高的應(yīng)力水平下，并非每次應(yīng)力擾動(dòng)都能觸發(fā)聲發(fā)射。

（3）實(shí)驗(yàn)中正弦波狀應(yīng)力擾動(dòng)和方波狀應(yīng)力擾動(dòng)的主要區(qū)別在于應(yīng)力變化的速率后者明顯快于前者。而兩者對(duì)斷層粘滑應(yīng)力降和周期的影響作用并無明顯區(qū)別，表明斷層粘滑應(yīng)力降和周期主要受應(yīng)力變化幅度的影響，與應(yīng)力變化的速率關(guān)系不大。方波狀應(yīng)力擾動(dòng)對(duì)斷層粘滑前聲發(fā)射活動(dòng)的影響明顯強(qiáng)于正弦波狀應(yīng)力擾動(dòng)，說明聲發(fā)射活動(dòng)與應(yīng)力變化速率明顯相關(guān)，即較快的應(yīng)力變化速率有利于聲發(fā)射事件的產(chǎn)生。鑒于強(qiáng)震引起的同震應(yīng)力變化速度較快，方波狀應(yīng)力擾動(dòng)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果可為根據(jù)強(qiáng)震引起的同震應(yīng)力變化和小震活動(dòng)分析強(qiáng)震活動(dòng)趨勢(shì)和地震危險(xiǎn)性提供一些啟示。

（4）一次強(qiáng)震的發(fā)生會(huì)引起周邊一些斷層庫侖應(yīng)力的增加（包括剪應(yīng)力的增加或正應(yīng)力的減少），這無疑會(huì)促進(jìn)這些斷層上強(qiáng)震的發(fā)生，特別是同震庫侖應(yīng)力增加幅度較大的斷層。但同震應(yīng)力變化能否對(duì)區(qū)域內(nèi)的強(qiáng)震活動(dòng)產(chǎn)生顯著影響，主要取決于斷層的絕對(duì)應(yīng)力是否已臨近失穩(wěn)強(qiáng)度。由于小震活動(dòng)的變化能夠在一定程度上反映斷層的應(yīng)力狀態(tài)，因此綜合考慮同震應(yīng)力變化和小震活動(dòng)分析強(qiáng)震活動(dòng)趨勢(shì)更具合理性。即使一條斷層（或斷層段）被明顯加載，即同震庫侖應(yīng)力顯著增加，但同震或震后一段時(shí)間內(nèi)小震活動(dòng)、特別是震級(jí)較大的地震并未增加，說明斷層仍處于較低的應(yīng)力水平，尚未達(dá)到所需積累應(yīng)力的～70%，因此近期并無發(fā)生強(qiáng)震的危險(xiǎn)性。如果一條斷層（或斷層段）的同震庫侖應(yīng)力顯著增加，同震或震后一段時(shí)間內(nèi)小震活動(dòng)、特別是震級(jí)較大的地震也有明顯響應(yīng)，說明斷層處于較高的應(yīng)力水平，已超過所需積累應(yīng)力的～70%，至少是～50%以上，判斷其近期是否具有發(fā)生強(qiáng)震的危險(xiǎn)性，則需要考慮其在強(qiáng)震前的小震活動(dòng)背景。如果在強(qiáng)震前斷層帶小震活動(dòng)較強(qiáng)，特別是發(fā)生過震級(jí)較大的地震，那么斷層可能處于臨近失穩(wěn)的應(yīng)力水平（已達(dá)到所需積累應(yīng)力的～90%），因而發(fā)生強(qiáng)震的可能性較大；如果在強(qiáng)震前斷層帶小震活動(dòng)很弱，則近期發(fā)生強(qiáng)震的可能性較小。對(duì)于這兩種情況尚需密切關(guān)注震后小震活動(dòng)的趨勢(shì)。此外在較高應(yīng)力水平下有時(shí)應(yīng)力擾動(dòng)并未觸發(fā)聲發(fā)射的現(xiàn)象表明，根據(jù)同震應(yīng)力變化和小震活動(dòng)分析強(qiáng)震活動(dòng)趨勢(shì)也存在著不確定性，這一點(diǎn)在實(shí)際工作中應(yīng)充分考慮。

實(shí)驗(yàn)工作得到地震動(dòng)力學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室劉力強(qiáng)、劉培洵、陳國強(qiáng)、陳順云等人的協(xié)助，謹(jǐn)致謝意。

［1］ McCloskey J，Nalbant S S，Steacy S.Earthquake risk from co－seismic stress［J］.Nature，2005，434：291.

［2］ Nalbant S S，Hubert A，King G C P.Stress coupling between earthquakes in northwest Turkey and the north Aegean Sea［J］.J.Geophys.Res.，1998，103：24469－24486.

［3］ Stein R S，Barka A A，Dieterich J H.Progressive failure on the North Anatolian fault since 1939by earthquake stress triggering［J］.Geophys.J.Int.，1997，128：594－604.

［4］ King G C P，Stein R S，Lin J.Static stress changes and the triggering of earthquakes［J］.Bull.Seismol.Soc.Am.，1994，84：935－953.

［5］ Hardebeck J L，Nazareth J J，Hauksson E.The static stress change triggering model：constraints from two southern California aftershock sequences［J］.J.Geophys.Res.，1998，103：24427－24437.

［6］ Stein R S.The role of stress transfer in earthquake occurrence［J］.Nature，1999，402：605－609.

［7］ 萬永革，沈正康，蘭從欣.根據(jù)走滑大地震前后應(yīng)力軸偏轉(zhuǎn)和應(yīng)力降求取偏應(yīng)力量值的研究［J］.地球物理學(xué)報(bào)，2006，49（3）：838－844.

［8］ 萬永革.根據(jù)大地震前后應(yīng)力軸偏轉(zhuǎn)和應(yīng)力降求取應(yīng)力量值的研究［J］.地震學(xué)報(bào)，2006，28（5）：472－477.

［9］ Nishimura N，Toda S，Stein R S，et al.Forecasting the evolution of seismicity in southern California：Animations built on earthquake stress transfer［J］.J.Geophys.Res.，2005，B05S16，doi：10.1029／2004JB003415.

［10］ Toda S，Lin J，Meghraoui M，et al.12May 2008 M＝7.9 Wenchuan，China，earthquake calculated to increase failure stress and seismicity rate on three major fault systems［J］.J.Geophys.Res.，35，2008，L17305，doi：10.1029／2008GL034903.

［11］ Parsons T，Ji C，Kirby E.Stress changes from the 2008 Wenchuan earthquake and increased hazard in the Sichuan basin［J］.Nature，2008，454：509－510.

［12］ 張國宏，單新建，李衛(wèi)東.汶川MS8.0地震庫倫破裂應(yīng)力變化及斷層危險(xiǎn)性初步研究［J］.地震地質(zhì)，2008，30（4）：935－944.

［13］ 萬永革，沈正康，盛書中，等.2008年汶川大地震對(duì)周圍斷層的影響［J］.地震學(xué)報(bào)，2009，31（2）：128－139.

［14］ 單斌，熊熊，鄭勇，等.2008年5月12日Mw7.9汶川地震導(dǎo)致的周邊斷層應(yīng)力變化［J］.中國科學(xué)D輯，2009，39（5）：537－545.

［15］ 劉力強(qiáng)，馬勝利，馬瑾，等.巖石構(gòu)造對(duì)聲發(fā)射統(tǒng)計(jì)特征的影響［J］.地震地質(zhì)，1999，21（4）：377－386.

［16］ Locker D A，Beeler N M.Premonitory slip and tidal triggering of earthquakes［J］.J.Geophys.Res.，1999，104：20133－ 20151.

［17］ 崔永權(quán)，馬勝利，劉力強(qiáng).應(yīng)力擾動(dòng)對(duì)斷層摩擦影響的實(shí)驗(yàn)研究［J］.地震地質(zhì)，2005，27（4）：645－652.

［18］ 黃元敏，馬勝利，繆阿麗，等.剪切載荷擾動(dòng)對(duì)斷層摩擦影響的實(shí)驗(yàn)研究［J］.地震地質(zhì)，2008，31（2）：276－286.

［19］ 劉力強(qiáng)，馬勝利，馬瑾，等.不同結(jié)構(gòu)巖石標(biāo)本聲發(fā)射b值和頻譜的時(shí)間掃描及其物理意義［J］.地震地質(zhì)，2001，23（4）：481－492.

Effect of Stress Perturbation on Acoustic Emission during Fault Friction：An Experimental Study

MA Sheng－li1，MIAO A－li1，HUANG Yuan－min1，2
（1.State Key Laboratory of Earthquake Dynamics，Institute of Geology，China Earthquake Administration，Beijing 100029，China；2.Earthquake Administration of Guangdong Province，Guangzhou 510070，China）

P315.8

A

1000－0844（2011）01－0001－08

2009－12－14

國家科技支撐項(xiàng)目（2006BAC01B03），國際合作重點(diǎn)項(xiàng)目（2006DFA21660）；國家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃項(xiàng)目（2004CB418405）

馬勝利（1960－），男（漢族），陜西人，研究員，主要從事構(gòu)造物理實(shí)驗(yàn)研究.