地震地质 ›› 2026, Vol. 48 ›› Issue (4): 981-994.DOI: 10.3969/j.issn.0253-4967.20250058
黄元敏1,2)(
), 郭彦双2), 马胜利2), 李晓慧1), 张慧3)
收稿日期:2025-02-25
修回日期:2025-05-26
出版日期:2026-08-20
发布日期:2026-09-09
作者简介:黄元敏, 男, 1982年生, 博士, 高级工程师, 主要从事构造物理实验与模拟、 注水诱发地震、 地震预测等方面研究工作, E-mail: eq_hym@aliyun.com。
基金资助:
HUANG Yuan-min1,2)(
), GUO Yan-shuang2), MA Sheng-li2), LI Xiao-hui1), ZHANG Hui3)
Received:2025-02-25
Revised:2025-05-26
Online:2026-08-20
Published:2026-09-09
摘要:
文中利用双轴伺服控制加载装置, 采用由3块花岗闪长岩标本组成的含有2个滑动面的直剪结构开展了断层摩擦实验。实验中, 在断层面法向及滑动方向上施加不同振幅和周期的应力扰动, 并讨论了应力扰动对断层滑动失稳行为、 声发射活动及应变时空演化的影响。结果表明, 作用在整个断层的正应力扰动改变了断层面凹凸体的接触状态, 影响断层的摩擦强度, 但未改变断层面应力的空间分布; 作用在断层滑动加载点的剪应力扰动仅改变断层的局部剪应力, 增加了应力分布的非均匀性, 但不影响断层的摩擦强度。声发射活动在断层黏滑失稳前显著增强。正应力扰动抑制了断层黏滑失稳前声发射活动增强的现象, 增大了根据声发射活动预测断层黏滑失稳的难度。相反, 剪应力扰动强化了声发射活动增强的特征, 提高了根据声发射活动预测断层黏滑失稳的可能性。应力扰动的振幅、 周期和加载速率, 以及断层的正应力仅影响断层的失稳强度和声发射数量, 不影响声发射的演化特征。
黄元敏, 郭彦双, 马胜利, 李晓慧, 张慧. 应力扰动对断层滑动声发射活动影响的实验[J]. 地震地质, 2026, 48(4): 981-994.
HUANG Yuan-min, GUO Yan-shuang, MA Sheng-li, LI Xiao-hui, ZHANG Hui. EXPERIMENTAL STUDY ON THE EFFECT OF STRESS PERTURBATION ON ACOUSTIC EMISSION ACTIVITY DURING FAULT SLIP[J]. SEISMOLOGY AND GEOLOGY, 2026, 48(4): 981-994.
图 2 5MPa平均正应力下正应力扰动的应力-时间曲线(a)和黏滑时的失稳应力分布(b)
Fig. 2 Stress curve(a) and failure stress at stick-slip(b) for normal stress perturbations applied on the fault at 5MPa average normal stress.
| 扰动方式 | 正弦波状扰动 | 方波状扰动 | ||||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 振幅和周期 | 0.07MPa,5s | 0.13MPa,5s | 0.13MPa,10s | 0.23MPa,10s | 0.13MPa,10s | |||||
| 扰动前后失稳应力差Δτyield/MPa | 0.007 | 0.025 | 0.028 | 0.061 | 0.037 | |||||
表 1 不同正应力扰动引起的扰动前后失稳应力差
Table1 Difference of shear stress at stick-slip for different normal stress perturbations applied on the fault.
| 扰动方式 | 正弦波状扰动 | 方波状扰动 | ||||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 振幅和周期 | 0.07MPa,5s | 0.13MPa,5s | 0.13MPa,10s | 0.23MPa,10s | 0.13MPa,10s | |||||
| 扰动前后失稳应力差Δτyield/MPa | 0.007 | 0.025 | 0.028 | 0.061 | 0.037 | |||||
图 3 5MPa平均正应力下剪应力扰动的剪应力-时间曲线(a)和黏滑时失稳应力分布(b)
Fig. 3 Stress curve(a) and failure stress at stick-slip(b) for shear stress perturbations applied on the fault at 5MPa average normal stress.
图 4 5MPa平均正应力下断层滑动的应力曲线和声发射活动 a—c 无扰动、 正应力和剪应力扰动的应力曲线; d—f 声发射活动M-t图和频度图; g—i 图d—f的局部放大
Fig. 4 Stress curve and AE activities for different stress perturbations applied on the fault at 5MPa average normal stress.
图 5 黏滑周期内断层剪应变在无扰动(a)、 0.13MPa正应力扰动(b)和0.1MPa剪应力扰动(c)下的时空变化图像 d—f 图a—c的局部放大图, 表示断层失稳前10s的剪应变分布; 应变数值在端侧失稳时刻归零
Fig. 5 Shear strain along the fault in the cycle of fault failure for the loading(a) without stress perturbation, (b)0.13MPa normal stress perturbation, and(c)0.1MPa shear stress perturbation.
图 6 5MPa平均正应力下,正应力扰动的应力曲线、 声发射活动M-t图和频度图 a 0.13MPa-5s正弦波状扰动; b 0.13MPa-10s正弦波状扰动; c 0.23MPa-10s正弦波状扰动; d 0.13MPa-10s方波状扰动
Fig. 6 Stress curve, the magnitude and number of AE activities in the stick-slip cycle when normal stress perturbations are applied on the fault at 5MPa average normal stress.
图 7 5MPa平均正应力下,剪应力扰动的剪应力曲线、 声发射活动M-t图和频度图 a 0.07MPa-5s正弦波状扰动; b 0.07MPa-10s正弦波状扰动; c 0.10MPa-10s正弦波状扰动; d 0.07MPa-10s方波状扰动
Fig. 7 Shear stress, the magnitude and number of AE activities in the stick-slip cycle when the shear stress perturbations are applied on the fault at 5MPa average normal stress.
| [1] |
崔永权, 马胜利, 刘力强. 2005. 侧向应力扰动对断层摩擦影响的实验研究[J]. 地震地质, 27(4): 645-652.
|
|
|
|
| [2] | |
|
DOI |
|
| [3] |
黄元敏, 马胜利, 缪阿丽, 等. 2009. 剪切载荷扰动对断层摩擦影响的实验研究[J]. 地震地质, 31(2): 276-286.
DOI |
|
DOI |
|
| [4] |
黄元敏, 马胜利, 缪阿丽, 等. 2016. 正应力扰动对断层滑动失稳影响的实验研究[J]. 地球物理学报, 59(3): 931-940.
DOI |
|
|
|
| [5] |
刘力强, 马胜利, 马瑾, 等. 2001. 不同结构岩石标本声发射b值和频谱的时间扫描及其物理意义[J]. 地震地质, 23(4): 481-492.
|
|
|
|
| [6] |
马胜利, 雷兴林, 刘力强. 2004. 标本非均匀性对岩石变形声发射时空分布的影响及其地震学意义[J]. 地球物理学报, 47(1): 127-131.
|
|
|
|
| [7] |
马胜利, 缪阿丽, 黄元敏. 2011. 应力扰动对断层摩擦声发射活动影响的实验研究[J]. 西北地震学报, 33(1): 1-8.
|
|
|
|
| [8] |
云龙, 郭彦双, 马瑾. 2011. 5° 拐折断层在黏滑过程中物理场演化与交替活动的实验研究[J]. 地震地质, 33(2): 356-368. doi: 10.3969/j.issn.0253-4967.2011.02.009.
|
|
DOI |
|
| [9] |
赵扬锋, 樊艺, 荆刚, 等. 2022. 断层黏滑失稳过程声发射特征试验研究[J]. 岩石力学与工程学报, 41(S2): 3101-3113.
|
|
|
|
| [10] |
DOI URL |
| [11] |
PMID |
| [12] |
|
| [13] |
|
| [14] |
DOI URL |
| [15] |
DOI URL |
| [16] |
DOI URL |
| [17] |
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| [18] |
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DOI |
| [22] |
DOI PMID |
| [23] |
DOI URL |
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| [25] |
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| [29] |
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| [30] |
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| [32] |
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| [36] |
DOI URL |
| [37] |
DOI URL |
| [38] |
|
| [39] |
|
| [40] |
|
| [41] |
DOI URL |
| [42] |
|
| [43] |
PMID |
| [44] |
DOI URL |
| [45] |
DOI URL |
| [1] | 李子鸿, 卓燕群, 陈顺云, 陈浩, 卢丽莉. 断层非均匀接触对地震活动性影响的实验[J]. 地震地质, 2026, 48(2): 329-350. |
| [2] | 黄建桦, 张波, 党嘉祥, 邹俊杰, 何宏林, 张进江. 双相矿物介质断层泥在同震滑动过程中的弱化、 强化及其转换机制[J]. 地震地质, 2025, 47(4): 1262-1291. |
| [3] | 余博文, 马胜利, 张林. 正应力扰动条件下断层泥带黏滑行为、应变场和声发射时空演化特征[J]. 地震地质, 2025, 47(1): 131-149. |
| [4] | 邵康, 刘金锋, 谢彬, 朱民杰. 正应力和含水率对花岗岩断层泥摩擦特性和声发射特征的影响[J]. 地震地质, 2024, 46(6): 1332-1356. |
| [5] | 赵乾百, 赵永, 杨天鸿, 滕龙, 王述红, 刘一龙. 不同微观裂隙密度下断层黏滑失稳规律离散元模拟[J]. 地震地质, 2024, 46(6): 1357-1373. |
| [6] | 杨海明, 陈顺云, 刘培洵, 郭彦双, 卓燕群, 齐文博. 岩石加载变形过程中超声尾波与声发射变化的实验[J]. 地震地质, 2020, 42(3): 715-731. |
| [7] | 陈阜超, 郭良迁, 郑智江. 基于GPS观测的张家口-渤海断裂带活动性[J]. 地震地质, 2020, 42(1): 95-108. |
| [8] | 李世念, 齐文博, 刘力强. 超动态变形场长时间观测系统[J]. 地震地质, 2019, 41(6): 1529-1538. |
| [9] | 赵扬锋, 刘力强, 潘一山. 单轴压缩下含断层带花岗岩声发射、微震和电荷感应实验[J]. 地震地质, 2017, 39(5): 964-980. |
| [10] | 雷兴林, 李霞颖, 李琦, 马胜利, 付碧宏, 崔银祥. 沉积岩储藏系统小断层在油气田注水诱发地震中的作用——以四川盆地为例[J]. 地震地质, 2014, 36(3): 625-643. |
| [11] | 马胜利, 姚路, 嶋本利彦, 東郷徹宏, 侯林锋, 王羽. 岩石高速摩擦实验的进展[J]. 地震地质, 2014, 36(3): 814-824. |
| [12] | 曹凤娟, 王亮, 焦明若, 翟丽娜, 王岩. 2012年2月2日盖州ML4.7震群序列特征及发震构造探讨[J]. 地震地质, 2013, 35(4): 842-852. |
| [13] | 李普春, 刘力强, 郭玲莉, 刘培洵. 粘滑过程中的多点错动[J]. 地震地质, 2013, 35(1): 125-137. |
| [14] | 缪阿丽, 马胜利. 白云母对岩盐断层带摩擦速度依赖性影响的实验研究[J]. 地震地质, 2012, 34(1): 63-75. |
| [15] | 云龙, 郭彦双, 马瑾. 5°拐折断层在黏滑过程中物理场演化与交替活动的实验研究[J]. 地震地质, 2011, 33(2): 356-368. |
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