基于數字圖像相關方法的斷層破裂擴展實驗研究

代樹紅

（中國地震局地質研究所，北京100029）

中國地震局地質研究所2013屆博士論文摘要（Ⅵ）

基于數字圖像相關方法的斷層破裂擴展實驗研究

代樹紅

（中國地震局地質研究所，北京100029）

活斷層是發生構造地震和引起相關地質災害的主要原因，其中受第四系松散沉積物覆蓋的活斷層相對于地表出露的斷層更具隱蔽性和危險性。因此，活斷層破裂及其在沉積層中的擴展研究是地震地質科學和防震減災工程中的重要課題。為了深入理解活斷層破裂擴展特征和機理，本文基于數字圖像相關方法開展了破裂在巖石和斷層基巖上覆沉積層擴展的斷裂實驗和地質力學模型實驗研究。主要的研究工作如下：

（1）為揭示典型性斷層破裂在沉積層的擴展規律及地表破裂帶的分布特征，研制了針對走滑斷層和逆斷層破裂擴展研究的模型實驗系統和相似材料，通過模型實驗系統的模型架可以方便地調整斷層構造的幾何參數，從而達到研究斷層的幾何參數對其破裂擴展影響的研究目標，模型實驗系統通過由伺服電機控制的加載系統可以精確地實現對斷層基巖錯動方式的控制；由石英砂和石膏等材料配比而成的相似材料具有成本低、填裝方便和強度可調整、范圍大的優點，能夠有效模擬活斷層基巖和沉積層的物理力學性質，適合于開展大規模和具可重復性的活斷層破裂擴展的實驗研究。為觀測模型實驗中斷層的破裂擴展過程，本文基于DICM（Digital Image Correlation Method）的基本原理，討論了應用DICM觀測非連續變形場的技術，系統化了3D-DICM的理論和觀測方法，研制了3D-DICM的觀測系統，經改進的DICM可以有效地觀測模型實驗中活斷層破裂在沉積層的擴展過程及地表變形場和地表破裂帶的演化過程。為解決巖石裂紋擴展過程中測定裂紋尖端斷裂參數的難題，論文提出了一種基于DICM測定巖石裂紋擴展過程中，裂紋尖端應力強度因子、裂紋尖端位置和裂紋擴展長度的巖石斷裂實驗方法。該方法能夠直接測定巖石裂紋尖端的斷裂參數，為揭示斷層基巖破裂擴展特征和力學機理提供了有效的實驗方法。

（2）文中應用新近提出的DICM研究了半圓盤巖石試件在三點彎曲加載條件下I型和I-II復合型裂紋擴展過程中應力強度因子和裂紋擴展長度的演化過程。研究表明，巖石裂紋擴展過程中具有亞臨界擴展階段，通過裂紋擴展過程中的應力強度因子和裂紋擴展速率的變化特征，可以有效地判別裂紋的亞臨界擴展階段，亞臨界擴展過程對于斷層基巖破裂擴展和地震前兆信息的研究具有重要的地震地質意義。裂紋在輝綠巖中含石英夾層、砂泥巖互層和層狀巖石模擬試件擴展過程中，層狀巖石中的界面層、界面層滑動效應和界面層兩側的巖石強度差異性，對破裂在界面層兩側的巖體擴展具有止裂和改變擴展方向的作用。該研究有助于揭示斷層在不同巖性的層狀蓋層中擴展的規律和機理。

（3）論文基于地質力學模型試驗方法和系統，研究了走滑斷層破裂在沉積層中的擴展形跡，沉積層厚度和斷層錯動位移這兩個關鍵參數對地表變形場和地表破裂帶演化過程的影響，以及破裂帶內的破裂類型。研究表明，破裂在上覆沉積層和地表的擴展受斷層基巖的錯動位移量控制，地表變形帶寬度隨斷層位移量呈近二次曲線增大，并最終趨于穩定；地表破裂帶（變形帶）影響范圍隨沉積層厚度增大而增大，地表破裂帶內的破裂是破裂自基巖和沉積層的接觸面呈螺旋曲面向地表擴展的結果，擴展至地表后破裂呈間距性分布，破裂間距同沉積層厚度成正比。

（4）通過地質力學模型實驗，研究了逆沖斷層基巖錯動條件下，破裂自基巖上斷點向沉積層地表擴展過程中，斷層傾角、沉積層厚度和斷層錯動位移量對地表變形場演化過程的影響規律，以及地表破裂帶的演化及分布。研究表明，沉積層表面圍繞基巖斷層上斷點的投影線形成垂直位移梯度帶（形變帶），形變帶寬度和帶內最大垂直位移隨基巖斷層位移的增加而線性地增加，但當破裂擴展至沉積層表面后帶寬逐漸趨于穩定；隨沉積層厚度增加，地表變形帶的影響范圍增大但帶內變形強度減弱，沉積層中分別出現了剪切和拉張破裂帶；沉積層表面形變帶的寬度將隨基巖斷層傾角的增加而減小，但同時基巖斷層傾角越大，形變帶內最大位移量就越大，在沉積層表面引起的變形破壞的程度也越強烈。

數字圖像相關方法；活斷層；走滑斷層；逆沖斷層；沉積層；地質力學模型實驗；地表破裂帶；巖石斷裂；應力強度因子；裂紋擴展；界面層；層狀巖石

（作者電子信箱，代樹紅：dsh3000＠126.com）

P315.8；

A；

10.3969／j.issn.0235-4975.2014.11.003