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(UltraHiDAM), 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。

获取高精度断层面形貌对微观断层面形貌与地震成核、 破裂扩展及终止的相关性研究具有重要意义。 为了提高断层面形貌的测量精度、 克服现有测量方法的不足, 我们研发了一套具有自主知识产权的μm级形貌测量系统。 经过测试, 该新型μm级形貌测量系统具有以下特征: 1)其平面定位(x轴与y轴方向)精度优于3.5μm, 垂向测量精度优于4.5μm, 水平分辨率可达0.62μm, 垂向分辨率为0.25μm; 2)该系统在垂向发射激光束, 可测量形貌面中大倾角的凹谷区域, 避免产生数据空白, 可获得完整的形貌测量结果, 具有较强的陡峭表面测量能力; 3)该系统具有较大的测量量程(30cm×30cm), 测量大尺度样品时, 可避免多次测量数据的配准拼接以及由此带来的误差。 运用该形貌测量系统, 可对实验断层面进行扫描并获得高分辨率的形貌数据, 能够满足μm级尺度上的形貌分析要求。

地震模拟实验通过稳态加载获得失稳滑动或破裂事件来模拟地震过程。实验中，稳态变形与失稳滑动交替出现。由于无法事先确定失稳发生的时刻与持续时间，且一次实验中有可能产生多次失稳事件，为了保证在极其短暂的失稳瞬间获得足够的数据以分析震源力学过程，数据采集系统需要从实验开始直至结束一直保持高速连续工作。一般的实验进程可能会持续十几h，因此需要巨大的存储空间。尽管还没有确切地了解失稳信号的频率上限，但以往的实验已经证明信号的频率会达到几百甚至几千Hz，所以采样频率应当达到MHz量级以上。在这种连续长时间获取高频数据的情况下，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，需要对几十个以上的测点进行同步观测。长时间连续记录、高分辨率高频采样与多点同步观测4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，文中研发了一套高信噪比的64通道、16位分辨率、4MHz并行采集频率、可以连续记录几十h的超动态变形场观测系统。利用这套系统可以实现应变、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。

针对岩样在外载荷作用下失稳破坏前有声发射、微震和电荷等信号的异常变化特性，运用声发射、微震和电荷感应等全波形综合监测设备对含断层带花岗岩在单轴压缩下变形破裂过程的信号进行同步监测。结果表明：含断层带花岗岩在弹性变形阶段有明显的声发射、微震和电荷感应同步前兆信号，在试样失稳破坏阶段有同步的声发射、微震和电荷感应大幅值前兆信号。断层带对花岗岩试件强度的影响是显著的，含断层带试件的单轴抗压强度大大降低。随着断层带倾角的减小，试样的单轴抗压强度降低，岩样更容易失稳，失稳破坏的能量也更大。随着断层带倾角的减小，试样变形破裂过程的声发射、微震和电荷感应信号都增多，试样出现同步的前兆信号时的应力降低，在试样失稳破坏阶段声发射、微震和电荷感应前兆信号事件的持续时间都增大。断层带倾角30°时，声发射、微震和电荷感应信号突变性增加，进入危险阶段大大提前，大震级事件也显著增多，在矿井大倾角断层处更为危险。在试样失稳破坏阶段前同步产生密集且大幅值的声发射、微震和电荷感应信号，持续时间较短；在试样失稳破坏阶段同步产生密集且最强的声发射、微震和电荷感应信号，持续时间较长。声发射监测数据能较好地反映岩石的微小破裂情况，对声发射、微震和电荷感应前兆信号相结合分析，可以更准确地获得岩石失稳破坏的前兆信息。

为了研究实验变形失稳过程中的应变场快速调整阶段和岩石结构破坏过程中的复杂变形场，将高速、高分辨率、多通道的应变观测技术引入构造物理实验，搭建了用以观测瞬态变形场的多通道动态应变观测系统，形成了16Bit分辨率、96通道、3.4kHz采样速度、1με分辨率且连续记录的应变观测系统。通过观测断层失稳过程高速滑动阶段和裂纹扩展过程的力学场时空变化，发现断层粘滑失稳过程的演化具有3个特征阶段：预滑动阶段、高频震荡阶段和低频调整止滑阶段。每个阶段的持续时间、应变速率、频率特性、振幅等都具有自身特点；三维断层扩展模型的实验结果显示，岩桥区断层贯通是一个快速过程，先多点局部扩展，后跳跃式连接。在断层贯通之后，样品整体崩垮之前，存在一个相对稳定的阶段，持续时间为几十ms。多通道动态应变观测系统填补了在地震模拟与岩石力学实验中应变观测频带的空缺，可以获得高密度、高精度的动态应变场，进一步研究瞬态应变场演化与应变波时空过程，为理解从缓慢递进变形到突发失稳释放过程提供了技术支持。

弹性回跳模型包含3个基本要点：1）地震来自于断层的运动；2）断层运动导致其两侧的岩石发生不均匀的弹性变形，积累巨大的能量，地震中部分弹性能得以释放；3）在断层带的各个点上积累能量的过程是缓慢而不均匀的。Brace（1966）提出弹性回跳的物理机制应当用摩擦滑动过程中出现的不平稳滑动（jerky sliding motion或stick-slip）来解释。Byerlee定律以量化形式表达了地壳摩擦规律，但是没有给出变差的范围。用弹簧滑块模型比拟粘滑，摩擦单元被抽象为刚性滑块，变形被归结于实验加载机的机械框架。后人在此基础上发展了所谓的速度依赖性模型。实验结果表明，速度扰动所带来的摩擦系数变化远远小于材料本身摩擦系数波动，其影响几乎可以忽略不计。而刚性摩擦滑块的假定与实验观测不符，本质上违反了弹性回跳模型所描述的地震现场考察结果。回到经典就是回归对地震现场问题的研究，这是正确的未来之路。

以汶川地震为例，探索卫星遥感获取的地表温度场中可能存在的构造活动信息。主要开展了3方面工作：1）分析了汶川地震前后的热场演化过程。结果表明，通过数据处理，将地表温度中的地形、大气和稳定年周期太阳辐射等非构造因素的影响去除后，获得的原地温度场中，存在丰富的、与构造展布密切相关的热信息。2）结合浅层气温的实际观测资料，初步尝试建立地表温度与地壳应力应变之间的定量关系。结果表明，地壳应力引起的温度变化，可对近地表大气温度产生比较明显的影响。特别是地表温度场中的低温区具有较高的可信度。汶川地震前后，降温区主要沿着大型活动地块的边界展布，反映出这些块体边界之间的相对拉张（或松弛）运动关系。3）以同震变形响应资料为基础，开展了变形与热信息的对比分析。结果表明，温度场获得的结果与同震变形观测结果高度吻合。这说明青藏高原内部地块边界的温度变化，可能正是地震前后青藏高原内部变形调整过程的真实反映。总之，可以通过“热”的方式来获取地壳应力状态的变化信息。

使用双剪粘滑模型模拟自发地震和诱发地震的区域加载过程，利用应变观测系统多点连续观测发震断层附近的局部应变变化。在应力与应变空间上描述了地震过程的区域应力路径和局部应变路径。结果表明，局部应变路径与应力宏观路径的形态差异较大，但两者的转换阶段对应，存在一定映射关系。断层局部变形路径的走向标明了断层所处在的变形阶段。自发地震的应变路径可以划分为3个部分：应变积累阶段、剪应变的线性偏离阶段和失稳滑动阶段。诱发地震的应变路径包括4个阶段：正斜率的应变积累阶段、负斜率的稳态滑动阶段、亚稳态应变僵持阶段、扰动失稳滑动阶段。自发地震与诱发地震有各自的路径模式，可以从应变路径上判别断层稳定性与可能的地震类型。

一次地震包含很多信息，其频率范围很宽。迄今为止，地震记录观测的主要频率范围在100Hz以下，超高频地震信息少为研究者所关注。然而，高频微震活动却是反映断层微动态过程的重要信息。文中介绍了新研发的100kHz超高频地震仪，并对该仪器在云南大理地区观测所记录到的地震信号进行了震源及信号频谱特征等方面的分析。结果表明，地壳运动产生的高频微震信号真实存在并且可以被仪器所记录。这次观测每天记录到上百次-3～-1级的微地震信号，最大震源距为4.87km。信号的主频带范围为100～300Hz，还包含了达800Hz的高频信号成分。超高频微震观测有可能成为研究小区域构造活动的一个新的途径。

近年来,中国大陆强震主要发生在巴颜喀拉地块周边,该地块成为近期中国大陆强震主体地区。在一些关键构造部位,开展地壳活动信息监测具有重要的实际意义。作者所在研究组专门研发了适于野外观测的无线地温遥测设备,在鲜水河断裂带建立了无线地温遥测台网。在2013年4月20日的芦山地震前后,观测到了一些值得关注的现象: 从2013年1月31日开始,康定地温出现持续变化,并与台站周围小震活动存在良好的对应关系。根据温度与力之间的关系,基岩温度突变的内在本质是应力调整。从构造角度看,龙门山断裂带和鲜水河断裂带同属于巴颜喀拉地块的不同边界,康定测点与芦山地震之间存在关联性,上述温度变化可能与芦山地震有关。

在实验室利用分布式多通道瞬态信号采集系统,从近场条件下研究了岩石粘滑过程中沿断层的声发射信号的初动到时和初动方向空间分布,并结合瞬态高频应变记录系统观测沿断层的应变分布特征,对粘滑过程中的震源错动行为进行了研究。实验在双轴伺服加载系统上进行。分析表明,一次突发应力降对应的瞬时震源滑动过程是由多次更短暂的微小错动组成的,每次短小错动都产生自己的声发射事件,并依次对应不同的应变值快速改变。而每一次的微小错动也可能不止一个位错点,而是对应空间上多个启动点,从振动波初动信号的空间分布形式与沿断层应变场不均匀分布中可以找到证据。近场条件下观测到的粘滑过程多点错动现象对于理解震源过程的复杂性,解释现场地震震源不确定性与震源机制解的高矛盾比现象提供了可能的依据。

利用一套双向伺服系统对含压性和张性雁列断层的标本进行变形实验,实验中应用红外热像仪和接触式测温仪同步记录岩石变形过程中热红外辐射的亮度温度场和温度场的变化;使用数字CCD相机同步采集标本表面的数字图像,并利用数字散斑方法对采集到的图像进行分析得到位移场和应变场的演化过程。实验结果表明:1)在断层贯通前压性雁列岩桥区温度最高,而张性雁列岩桥区温度最低;数字散斑结果显示压性岩桥区平均应变最高,而张性岩桥区平均应变最低。温度场对两类雁列断层在岩桥区相反的受力状态有清晰的响应,可以为判断断层应力状态提供标志。2)雁列断层经历了从岩桥区应力积累、破坏到断层失稳错动两个变形阶段,升温机制也由应变升温变为摩擦升温;伴随升温机制的转变,在岩桥区观测到断层失稳错动前的破坏降温、温度快速起伏以及升温脉冲等现象,是观测失稳前兆的最佳部位。3)在雁列岩桥区裂纹端点附近观测到升温脉冲,表现为温度快升快降,随后即出现断层带的快速升温。升温脉冲现象可能与裂纹端部的应力奇异集中和破裂扩展引起的应力释放有关。裂纹端部的扩展是断层失稳错动的条件,随后断层带的升温正是断层失稳错动造成的。断层带开始升温发生在失稳前2～3s内,岩桥区的降温发生在失稳前约20s,升温脉冲比断层错动早10～20s,它们是断层失稳错动的短临标志。对断层关键部位的温度变化开展观测与研究对发现断层活动十分重要,变温机制转变阶段对提前觉察断层失稳前兆尤为重要。

简要介绍了地震动力学实验室新一代声发射定位软件的主要功能、定位算法的实现方案以及定位效果的评测结果。新软件配有多种通用数据库接口,具有与设备无关的处理能力。它除了可以进行三维定位之外,还可以进行面定位与线定位。定位时,可以给定样品的波速,也可以把波速当未知数求解。定位算法的主要改进有两个方面:1)以稳健的走时绝对偏差最小作为定位目标函数;2)方程组求解优化过程采用了模拟退火法直接搜索目标函数的全局最小值。新软件显著提高了定位的精度,同时提供了一个方便快捷的数据处理平台。

利用热辐射探索构造活动具有“强背景,弱信息”的特点。地表辐射的探测精度与构造活动引起的辐射增强同属一个量级,有效信息可能被淹没于反演误差之中。并且,获得足够的精度后如何突出构造活动信息也是难点。为了解决上述问题,文中提出一种新方法——均值梯度法。其基本特点是,首先利用长时间数据进行平均,以损失一定的时间信息为代价获取更高的数据精度。然后根据大气和构造活动对地表热辐射影响的不同,利用热辐射梯度突出正在活动之断裂带的空间展布。分析表明,该方法可为利用热辐射探测现今构造活动的时空变化提供一些信息,同时也可为地震危险区划提供帮助。

在岩石变形声发射研究中,为了更好地探究声发射的物理特征,需要不断发展声发射数据的采集和处理技术。地震动力学国家重点实验室的声发射观测系统的记录能力在成倍提升,实验中产生的数据量也大幅增加,这对声发射数据存储、处理和系统地开展岩石变形声发射实验提出了挑战。针对用户的不同需求,文中构建的基于网络的实验室声发射实验数据服务系统不仅实现了数据积累,还实现了数据处理方法的积累和共享。加之与设备无关的声发射数据访问接口的实现,降低了数据访问与处理的门槛,提高了数据的使用率和处理效率。该系统能够满足科研和程序开发用户的需要,能够减少现有工作模式中存在的弊端,可以将其解决方案推广,应用于其它实验数据,提高科研工作效率。

利用双向伺服控制装置,对含有与最大主压应力σ₁呈45°夹角的预切面的花岗闪长岩标本进行了摩擦实验,结果表明,在σ₁方向位移速率恒定、侧向应力σ₂恒定的条件下,粘滑间隔随滑动面上正应力的增加而增加,粘滑应力降也随滑动面上正应力的增加而呈线性增加。但当σ₂叠加了高频小振幅的正弦波扰动时,这种相关性发生了明显的变化,应力降大小和粘滑间隔的离散度均显著提高,特别是应力降可能会大幅度增加。与σ₁扰动的实验结果相比,σ₂扰动对断层粘滑的影响更为显著,这主要归因于正应力变化使滑动面的非均匀性加剧。

欲从热红外辐射中找到构造活动与地震活动的信息,需要考虑2个基本问题,即大气的影响和地表热红外辐射的稳定场。通过以下方面的工作尝试对上述问题进行了研究:1)提出了地表亮度温度及年变基准场的概念。2)利用NOAA卫星20年的观测资料,文中在获得地表亮温(LSBT)的基础上,借用分离窗方法和小波分析方法,提取了中国地表亮温的年变基准场,为进一步分析异常场打下了基础。计算表明,大气的影响一般在±10K范围内。

红外遥感影像主要反映的是地表温度。然而气象因素对地表温度的影响远大于来源于地下的地质因素,可能存在的地下热异常信号淹没在气象信息之中。如何从中提取地下热信息,成为一个关键问题。文中由热传导理论出发,根据地下热信号通过不同热扩散率材料传到地表时将产生较大时间差的特点,提出了提取地下热异常的新指标“透热指数”。通过对实验数据和遥感数据的试算,分析了使用“透热指数”法的条件及影响因素。

利用地表辐射(亮温)求取地面温度需要通过岩石比辐射率进行换算。地球上的岩石千差万别,即使岩石学上分类一致的岩石,比辐射率也可以显著不同,需要大量的比辐射率时,现有测量方法显得过于复杂或环境要求过高,发展简便的比辐射率测量方法十分必要。实际上,在室温情况下,比辐射率为常数,可以通过测量一系列的温度和相应的辐射值,仪器本身的辐射和环境辐射可直接当作未知量参加反演,最终利用最小二乘法拟合获得比辐射率,大大降低了测量的难度。文中测量了16种岩石标本的比辐射率,方差一般保持在0.01左右,大多数<0.01;线性拟合的相关系数均>0.99。

对地表常见的5种岩石样品和应力变温特性进行了详细研究。实验结果与理论分析表明,岩石弹性变形的压力温度关系均表现为加压升温,减压降温,同经典热力学理论完全一致。在常温常压的地表环境下,开放观测系统记录到的岩石材料弹性变形所引起的最高温升在0.2K左右,升温率一般在3mK/MPa左右。破裂或摩擦瞬间岩石有显著升温,温度变化量从几至十几摄氏度不等。弹性变形导致的温度变化量极其微小,不但远远小于气候影响的幅度,而且超出了卫星红外的直接探测能力。因此,需要探索新的红外图像分析方法,考察其它的热异常物理机制。

岩石变形导致的温度变化极其微弱,对观测系统与环境有严格要求。正确选择红外观测系统的参数,配备高灵敏度的温度场观测设备,以及有效地控制环境热背景决定了变形热红外实验结果的可靠性。在对噪声与干扰源进行详细分析的基础上,提出了进行热红外实验所需要的各主要设备的关键技术指标,并建立了一套相应的实验系统。典型材料样品实验表明,在考虑到变形热红外实验的各种特殊要求,认真选择观测设备,并进行了严格的误差校正之后,可以获得可靠的变形热过程信息。

实验研究了韵律层结构和超声波探测频率对弹性波波速和波形的影响。实验中所使用的超声波频率为240kHz,韵律层由不同厚度的钢板和有机玻璃板构成。研究表明,当λ_i/d_i<4(i=1,2)(λ_i为超声波在介质i中传播时的波长,d_i为韵律层中介质i的厚度)时,韵律层的波速近似等于2种介质的时间平均速度;当λ_i/d_i>5(i=1,2)时,其速度开始显著地降低,并趋向于有效介质波速的Reuss下限(V_p^R)。韵律层的结构对于透射波的波形有显著的影响。特别是当λ_i/d_i接近于6时,透射波波形非常简单,并且其透射波的振幅显著地降低。因此波形简单并不一定对应着简单的介质结构。由于弹性波在韵律层中的传播速度以及波形与探测频率有关,因此在利用地震测深结果分析岩石圈结构,推断其物质组成时应该充分考虑地震测深频率和地壳结构对分析结果的影响。

在实验室多通道高速数据采集系统中应用分布式并行控制技术,研制开发了32通道、12位精度、最高50Mhz采样率、每秒钟可以记录1000个以上声发射事件全波形的记录仪。这一系统的综合技术指标在国际上同类实验室中将处于领先地位。文中简要介绍了该系统的关键技术与主要性能。

对几种不同结构的岩石标本在变形过程中声发射b值和频谱随时间的变化特征进行了对比研究,其中包括完整花岗岩标本、含有天然愈合节理的花岗岩标本、含有拉张型和挤压型雁列式断层以及平直断层的标本等。研究表明,声发射b值和频谱的特征不仅会受标本结构的影响,而且在同一标本的不同变形阶段也可能表现出不同的特征,其机制与变形方式以破裂为主或以摩擦为主有关。当变形以破裂为主时,声发射b值和频谱在失稳前会出现明显的下降;当变形以摩擦为主时,声发射b值和频谱在失稳前变化相对较小,且上升或下降均可能出现。实验结果意味着b值和频谱特征作为失稳前兆,在不同的构造环境下可能会有不同的特征,而强震孕震区内不同断裂构造的存在会造成前兆时空分布的非均匀性。

通过物理模拟证明交叉断层上会交替地发生失稳事件。两条交叉的断层在活动中既相互促进,又相互制约,即一条断层既可能使另一条断层发生闭锁而积累应变,又可能触发其错动。每条断层的位移速率、总位移量以及失稳事件数与断层方向和主压应力轴的夹角有关。各断层段的位移有时体现为断层围限块体的平移运动,而有时则体现为块体的旋转运动。发生在不同部位的失稳事件影响范围不同,在正应力较大的断层上失稳事件影响范围大。涉及交叉断层的较大失稳事件发生前常出现前兆性小事件。交叉断层的交替活动实际上由变形场中块体的运动所控制。

利用一套最新型的全波形、宽动态声发射观测系统,对两种不同构造的花岗岩在三轴压缩变形实验中的声发射活动进行了对比研究。二者在声发射空间分布,声发射与体积扩容的对应关系,声发射频谱特征及频度能级统计参数等方面均有明显差异。这表明,岩石构造对声发射的基本统计特征有显着的控制作用。其原因在于岩石构造的差异造成变形方式和变形过程的不同。

用数值模拟方法研究了几何、力学条件不同的雁列构造模型的应力场,探讨了几何参数对应力场的影响。模拟结果表明,在几何参数不同的情况下,雁列构造中局部断层扩展引起的应力扰动场会对相邻构造产生作用。围绕断层扩展部位剪应力增量场呈八瓣式分布,平均应力增量场呈四象限分布。在较小范围内同时存在几个断层扩展区的情况下,围绕这个弱化区仍可形成上述增量场图案。

通过分析单裂缝岩石标本中弹性波到时分布、波震相转换和波振幅衰减等规律,进一步用波场及频谱量刻划介质横向不均匀性。P波震相遇裂缝端部后出现“之”字形波峰,分叉成折射P波、绕射P波,它的特征也依赖于发射源和接收点相对于裂缝的位置,当波以大角度斜跨裂缝和发射点在约裂缝半长度范围时波到时和振幅差别更大。对其研究有助于认识弹性波场在含断层结构中的复杂图象特征、在野外勘探中提高地震资料解释、断裂构造识别能力和提高弹性波在非完整岩石实验中的声发射定位等能力。

在地震短临阶段异常是由局部断层扩展或弱化引起。实验与数值模拟结果曾得到与之相伴的是平均应力扰动场的四象限分布和最大剪应力扰动场的八瓣式分布。为检验此结果的普适性作了进一步的研究。结果表明不论区域构造及其基本应力场如何复杂,这种四象限分布与八瓣式分布型式不变,这为最终判定失稳区提供了依据。与此同时,在复杂构造情况下这种应力扰动场的畸变也不容忽视。

将岩石变形曲线到达强度点以前比拟为地震前异常的中长期阶段,强度点至失稳点之间定义为短临阶段。在中长期阶段异常是由驱动力的增强或区域应力场的调整引起,前者引起的应力扰动场与原来的方向一致,强烈扰动区与原来的应力集中区一致,后者引起的应力扰动场应力方向可以发生变化,应力扰动对平均应力影响较大,强烈扰动区位于断层错列部位。二者的强烈扰动场均与未来的震源区无必然联系。在短临阶段异常是由局部断层扩展或弱化引起,与之相伴的是平均应力扰动场的四象限分布和最大剪应力扰动场的八瓣式分布。