压性雁列断层亚失稳阶段亮温场演化的实验研究

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）

利用热红外遥感影像对断层活动的研究表明，与构造活动相关的热场和GPS数据得到的变形场密切相关。实验室对热场和变形场之间关系的研究是解释其机理的重要基础。本实验室的新设备德国制冷型InfraTec-8800热像观测系统，热灵敏度提高至25 mK，通过平滑差值等数据处理方法，其温度分辨率可达5 mK；采样速率最高可达90 Hz；图像空间分辨率为512×640像素，每个像素对应于实际尺寸的0.35 mm。热像仪对温度变化响应迅速，能记录到温度的突升突降，且记录到的数据温度耗散小，更能接近样品的真实温度。利用新设备对压性雁列变形过程进行观测，有望得到新的有用的结果。

在实验室利用双向伺服压机对标本进行变形实验，应用红外热像仪和接触式测温仪同步记录岩石破裂过程中的温度场。样品为500 mm×300 mm×50 mm的花岗闪长岩，断层段充填石膏。在实验过程中首先在x和y方向同时加载至5 MPa，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，位移速率保持常数 0.5 μm/s。

岩石标本失稳发生在加载开始后第5 643 s，差应力-时间曲线显示变形包含了弹性变形、粘滑、破裂3个阶段。在破裂前约1 600 s的N点出现了强烈的偏离线性现象，强偏离线性阶段差应力仍以较低速率增加，峰值点O之后差应力开始缓慢下降，在临界点A之后差应力出现加速释放，持续2～3 s后速率变缓，十多秒之后到达失稳点B，发生失稳。这一过程可由N、O、A、B划分为4个阶段：NO称之为“强偏离线性阶段”，OA称之为“亚失稳阶段Ⅰ”，AB称之为“亚失稳阶段Ⅱ”，B之后是“破裂失稳阶段”。新热像仪的温度分辨率显著提高，不经处理的热像图即可观测到破裂失稳阶段的断层及岩桥区温度变化（图1），通过空间和时间的平滑处理及背景去除可以获得更加详细的信息。

对岩桥区和断层带的热像图进行分析，结果显示：①不同阶段发生温度变化的空间位置和特点都不同：强偏离线性阶段，岩桥区明显增温，个别位置降温，上断层出现高温点并开始扩展；亚失稳阶段Ⅰ，上断层增温加速；亚失稳阶段Ⅱ，断层带出现两次增温加速以及协同化加速, 岩桥区内侧降温；破裂阶段，样品除了断层带及其邻近区域增温之外都降温，降温最明显的区域在岩桥区。②断层错动的方式：从多点开始，分别向两边扩展，逐步连接，在失稳前出现增温协同化。③温度变化的机理：强偏离线性阶段的岩桥区增温是由应力集中引起的，个别位置降温是岩桥区局部破裂导致；亚失稳阶段的断层带增温现象是应力增加和带内充填物发生微破裂相互摩擦共同作用的结果，岩桥区降温是由于断层扩展，出现裂缝。据此可推测变形过程分为4个阶段:岩桥区破裂、断层局部损伤、裂缝扩展、失稳错动。

总之，实验表明热场与应力应变场关系密切，可以通过热场对样品的应力状态进行分析判断，为利用遥感热红外资料研究现今构造运动提供物理依据。

图1 破裂失稳阶段的热像图