李世念 馬 瑾 汲云濤 郭彥雙 劉力強(qiáng)*

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)中國煤炭地質(zhì)總局勘查研究總院，北京 100039

0 引言

根據(jù)斷層整體的應(yīng)力狀態(tài)，斷層失穩(wěn)過程可以分為穩(wěn)態(tài)、亞穩(wěn)態(tài)、亞失穩(wěn)態(tài)和失穩(wěn)態(tài)(馬瑾，2016)，依次分別對(duì)應(yīng)斷層失穩(wěn)過程中的4個(gè)階段：線性階段、偏離線性階段、亞失穩(wěn)階段和失穩(wěn)階段(馬瑾等，2012，2014)。其中，亞失穩(wěn)態(tài)又可進(jìn)一步劃分為亞失穩(wěn)準(zhǔn)靜態(tài)和亞失穩(wěn)準(zhǔn)動(dòng)態(tài)2個(gè)階段(圖1)。進(jìn)入亞失穩(wěn)階段后，斷層整體由以能量積累為主轉(zhuǎn)變?yōu)橐阅芰酷尫艦橹鳎瑏喪Х€(wěn)階段是斷層失穩(wěn)前的最后階段。從實(shí)驗(yàn)中提取斷層進(jìn)入亞失穩(wěn)階段的標(biāo)志，有助于分析野外斷層所處的應(yīng)力狀態(tài)，進(jìn)而判斷活動(dòng)斷層的地震危險(xiǎn)性與是否進(jìn)入發(fā)震準(zhǔn)備階段。斷層的應(yīng)力狀態(tài)進(jìn)入亞失穩(wěn)的準(zhǔn)動(dòng)態(tài)階段后，地震事件將不可逆轉(zhuǎn)地到來。研究斷層的亞失穩(wěn)階段，特別是亞失穩(wěn)的準(zhǔn)動(dòng)態(tài)階段，對(duì)于地震的短、臨預(yù)測具有重要意義。

圖1 斷層失穩(wěn)過程的剪應(yīng)力-時(shí)間曲線示意圖Fig.1 The schematic diagram of shear stress evolution with time of whole process of fault instability.LN 穩(wěn)態(tài)(LM 線性)；MO 亞穩(wěn)態(tài)(MN偏離線性，NO強(qiáng)偏離線性態(tài))；OB 亞失穩(wěn)態(tài)(OA 準(zhǔn)靜態(tài)，AB 準(zhǔn)動(dòng)態(tài))；BC 失穩(wěn)態(tài)

在實(shí)驗(yàn)室對(duì)沿?cái)鄬痈鼽c(diǎn)的應(yīng)變信號(hào)進(jìn)行觀測，發(fā)現(xiàn)沿?cái)鄬痈鼽c(diǎn)的應(yīng)變釋放過程包括釋放區(qū)產(chǎn)生、擴(kuò)展和增加、釋放區(qū)聯(lián)結(jié)3個(gè)階段，第2階段向第3階段的轉(zhuǎn)變即是由準(zhǔn)靜態(tài)階段向準(zhǔn)動(dòng)態(tài)釋放階段的轉(zhuǎn)變。在亞失穩(wěn)準(zhǔn)動(dòng)態(tài)階段，應(yīng)變釋放區(qū)的擴(kuò)展速度呈數(shù)量級(jí)增加(馬瑾等，2014)。數(shù)字圖像相關(guān)方法可以有效地分析巖石的全場變形(Jietal.，2015)。研究者利用數(shù)字散斑方法跨斷層制作了1i000多個(gè)虛擬斷層位移計(jì)以觀測斷層亞失穩(wěn)階段其兩側(cè)巖石相對(duì)位移的時(shí)空過程，發(fā)現(xiàn)進(jìn)入亞失穩(wěn)階段后斷層局部多個(gè)預(yù)滑區(qū)相繼開始擴(kuò)展，并且這種擴(kuò)展處于加速狀態(tài)，最終多個(gè)預(yù)滑區(qū)連接貫通整條斷層并發(fā)生失穩(wěn)。因此，將斷層局部預(yù)滑區(qū)的加速擴(kuò)展作為判定斷層進(jìn)入亞失穩(wěn)階段的標(biāo)志之一(Zhuoetal.，2013；卓燕群，2015)。

亞失穩(wěn)階段巖石變形的瞬態(tài)力學(xué)特征是產(chǎn)生所有相關(guān)物理量變化的本質(zhì)，因此對(duì)臨震特征識(shí)別、野外斷層應(yīng)力狀態(tài)分析和地震危險(xiǎn)期判斷具有重要意義。盡管目前研究者已對(duì)亞失穩(wěn)階段的判別、亞失穩(wěn)階段各物理量的時(shí)空演化特征進(jìn)行了一些研究，但因觀測手段特別是變形觀測頻率不足所限，仍有待開展對(duì)斷層亞失穩(wěn)準(zhǔn)動(dòng)態(tài)階段的深入研究。與野外研究不同的是，在實(shí)驗(yàn)室中可以獲得全部宏觀加載進(jìn)程的載荷位移數(shù)據(jù)，Dieterich(1981)以此表征分析斷層失穩(wěn)狀態(tài)；而在野外則不能直接獲得遠(yuǎn)端加載過程的宏觀數(shù)據(jù)，因此難以利用以此為基礎(chǔ)的研究方法對(duì)斷層的力學(xué)狀態(tài)做出判斷。為了彌補(bǔ)這個(gè)缺憾，需要在實(shí)驗(yàn)室增加近斷層帶變形的空間觀測密度與觀測頻率，建立斷層局部變形特征和宏觀力學(xué)進(jìn)程之間的關(guān)系。這樣做，一方面能增進(jìn)對(duì)于震源力學(xué)過程、地震的孕育和發(fā)生機(jī)理的認(rèn)知；另一方面，提取到的局部變形特征可能對(duì)野外的地震研究有更直接的參考價(jià)值。本研究中，我們使用了多通道應(yīng)變、多通道聲發(fā)射和高速相機(jī)等多種觀測手段，獲得了關(guān)于實(shí)驗(yàn)室地震全過程的大量數(shù)據(jù)。

針對(duì)斷層失穩(wěn)階段的瞬態(tài)變形研究始于地震前兆的成核現(xiàn)象研究。實(shí)驗(yàn)和理論研究指出，地震的成核包含從準(zhǔn)靜態(tài)慢滑到動(dòng)態(tài)滑動(dòng)轉(zhuǎn)化的過程(Scholz，1972；Dieterich，1981，1992；Okuboetal.，1984；Ohnakaetal.，1989；Ohnaka，1993；Katoetal.，1994；Royetal.，1996)。在斷層失穩(wěn)發(fā)生之前，先出現(xiàn)穩(wěn)定慢滑，之后的準(zhǔn)動(dòng)態(tài)階段雖然緩慢但為自發(fā)驅(qū)動(dòng)的加速過程。(Scholz，1972；Dieterich，1981；Ohnakaetal.，1989；Katoetal.，1994)。在地震學(xué)中，將P波初動(dòng)的時(shí)刻和速度地震圖中突然加速的時(shí)刻之間的過程稱為地震成核相(Ellsworthetal.，1995)；實(shí)驗(yàn)和理論研究指出(Andrews，1976；Okuboetal.，1981，1984；Ohnakaetal.，1986)，地震過程往往從斷面某處開始產(chǎn)生穩(wěn)定滑動(dòng)，然后從此點(diǎn)向兩側(cè)擴(kuò)展。當(dāng)擴(kuò)展距離達(dá)到臨界成核尺度時(shí)，斷層由穩(wěn)定滑動(dòng)變?yōu)榉欠€(wěn)定滑動(dòng)，滑動(dòng)的擴(kuò)展速度由每s數(shù)m或數(shù)十m快速增長到1km/s以上，甚至有可能達(dá)到Rayleigh波波速，發(fā)生超剪切破裂(Bouchonetal.，2001；Rosakis，2002；Dunhametal.，2003；Melloetal.，2010)。與理論研究類似，我們?cè)鴮⒌卣饛木植繙?zhǔn)靜態(tài)破裂加速演化到動(dòng)態(tài)破裂的過程稱為實(shí)驗(yàn)室地震的成核過程，而這個(gè)過程恰恰是亞失穩(wěn)模型中的動(dòng)態(tài)亞失穩(wěn)階段。

由于以往的研究者所使用的觸發(fā)式瞬態(tài)應(yīng)變記錄儀的采樣時(shí)間很短、分辨率較低，往往只能從失穩(wěn)時(shí)刻向前追溯短暫的固定時(shí)間(幾十ms或幾s)，因此不能完整、高精度地描述斷層失穩(wěn)的全過程，也就無法準(zhǔn)確判斷亞失穩(wěn)進(jìn)程的起點(diǎn)。

利用高速攝影測量手段，研究者針對(duì)斷層失穩(wěn)過程開展了研究。Ben-David等(2010a，b，2011)對(duì)斷層失穩(wěn)的高速滑動(dòng)階段進(jìn)行了動(dòng)力學(xué)研究，基于 “似前端破裂模型”獲得的觀測研究結(jié)果在微觀裂紋擴(kuò)展與宏觀斷層滑動(dòng)之間建立了物理機(jī)制上的聯(lián)系。其利用透明的有機(jī)玻璃進(jìn)行摩擦滑動(dòng)實(shí)驗(yàn)，對(duì)斷層從高速滑動(dòng)啟動(dòng)到結(jié)束過程中斷層兩側(cè)介質(zhì)接觸面的動(dòng)態(tài)變化過程進(jìn)行了實(shí)測，并計(jì)算了近斷層帶的應(yīng)力變化。但有機(jī)玻璃材料的力學(xué)性質(zhì)與巖石材料相差甚遠(yuǎn)，例如有機(jī)玻璃的剪切波速遠(yuǎn)低于巖石中的剪切波速，其研究結(jié)果的相似性有待討論；此外，其在數(shù)據(jù)分析中使用對(duì)1i024個(gè)采樣點(diǎn)的數(shù)據(jù)進(jìn)行平滑以減少噪聲的方法，也降低了觀測的有效采樣頻率。

Rosakis等(1999，2000)和Xia等(2004，2005，2013)采用人工激發(fā)脈沖的方式?jīng)_擊斷層面以激發(fā)失穩(wěn)滑動(dòng)，利用高速相機(jī)觀測到在斷層失穩(wěn)后隨時(shí)間復(fù)雜變化的應(yīng)變條紋，并在研究斷層裂紋擴(kuò)展過程中發(fā)現(xiàn)了超剪切破裂現(xiàn)象，證明了存在超剪切破裂。但受觀測技術(shù)系統(tǒng)的限制，它與Ben-David等(2010a，b，2011)同樣使用有機(jī)玻璃作為樣品制作材料，因此也存在較大的相似性問題。另外，使用人工激發(fā)的方式獲得的斷層失穩(wěn)與斷層自發(fā)失穩(wěn)在物理機(jī)制上有明顯的不同；且高速相機(jī)的記錄時(shí)間較短，僅能以100Mf/s的拍攝速度連續(xù)采集時(shí)長約50μs的照片，不能觀測到失穩(wěn)的全部過程。

McLaskey等(2013，2014a，b，2015)進(jìn)行了多組雙軸加載下的大尺度樣品和三軸加載條件下的預(yù)制切縫單剪樣品實(shí)驗(yàn)，使用高速聲發(fā)射采集系統(tǒng)和瞬態(tài)應(yīng)變觀測系統(tǒng)對(duì)斷層的預(yù)滑過程和失穩(wěn)過程進(jìn)行觀測，發(fā)現(xiàn)大部分?jǐn)鄬釉谑Х€(wěn)之前均存在多個(gè)預(yù)滑區(qū)，當(dāng)預(yù)滑區(qū)貫通至整條斷層后，斷層整體發(fā)生失穩(wěn)。雖然其研究分析了斷層失穩(wěn)時(shí)刻應(yīng)變波動(dòng)的時(shí)空分布和傳播特性，但由于實(shí)驗(yàn)過程中瞬態(tài)數(shù)據(jù)的連續(xù)采集時(shí)間較短(一般為幾十ms)，并不能對(duì)斷層失穩(wěn)的全過程進(jìn)行觀測，無法對(duì)斷層應(yīng)變釋放區(qū)出現(xiàn)、擴(kuò)展和聯(lián)通全過程的力學(xué)場演化特征進(jìn)行分析。

李普春等(2013)、郭玲莉(2013)利用中頻應(yīng)變采集系統(tǒng)(數(shù)據(jù)采樣頻率為3.4kHz/s)和高頻聲發(fā)射波形記錄系統(tǒng)(數(shù)據(jù)采樣頻率為3MHz/s)觀測斷層失穩(wěn)過程中的應(yīng)變和聲發(fā)射信號(hào)，發(fā)現(xiàn)斷層失穩(wěn)過程具有復(fù)雜的時(shí)間特征和空間結(jié)構(gòu)。即使是簡單的斷層模型，這種復(fù)雜性依然存在，但這種復(fù)雜的失穩(wěn)仍具有一定的規(guī)律。在時(shí)間上，斷層失穩(wěn)演化過程具有特定的模式，可劃分為3個(gè)特定的階段：預(yù)滑動(dòng)階段、高頻振蕩階段和低頻調(diào)整止滑階段；空間尺度上，在斷層失穩(wěn)前，其預(yù)滑在空間上的分布是不均勻的，同時(shí)一次粘滑事件可能由1～3個(gè)子事件組成，而每個(gè)子事件發(fā)生的空間位置可能并不相同。在加載過程中，斷層兩側(cè)的應(yīng)力狀態(tài)并不均勻，伴隨著加載進(jìn)程各點(diǎn)應(yīng)變主軸會(huì)有不均勻的轉(zhuǎn)動(dòng)，并在失穩(wěn)滑動(dòng)階段發(fā)生反向旋轉(zhuǎn)。但其研究使用的中頻應(yīng)變系統(tǒng)的采樣頻率仍然不足，不能對(duì)斷層預(yù)滑擴(kuò)展過程和斷層失穩(wěn)過程進(jìn)行更加精細(xì)的觀測；另外，由于中頻應(yīng)變采集系統(tǒng)和高頻聲發(fā)射系統(tǒng)無法精確地在μs級(jí)別同步，亞失穩(wěn)動(dòng)態(tài)階段的瞬態(tài)力學(xué)過程與聲發(fā)射(實(shí)驗(yàn)室模擬的地震信號(hào))的關(guān)系仍未得到詳細(xì)解析。

在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)研究斷層失穩(wěn)過程，特別是研究斷層亞失穩(wěn)狀態(tài)中變形場的時(shí)空演化特征，對(duì)于尋找必震信息、了解發(fā)震過程具有重要參考和應(yīng)用價(jià)值。斷層亞失穩(wěn)態(tài)，特別是亞失穩(wěn)準(zhǔn)動(dòng)態(tài)階段持續(xù)時(shí)間很短，卻包含了豐富的必震信息，這就需要對(duì)斷層附近的變形場進(jìn)行高頻觀測；此外，由于進(jìn)入亞失穩(wěn)階段的判據(jù)尚不清楚，故不能通過觸發(fā)的方式采集數(shù)據(jù)，只能連續(xù)高速記錄整條斷層在失穩(wěn)全過程中的變形場信息，待實(shí)驗(yàn)后再截選分析；同時(shí)，高頻應(yīng)變信號(hào)的傳播速度很快，而測量時(shí)間極短且容易衰減，因此需要在震源極近場進(jìn)行高精度動(dòng)態(tài)應(yīng)變觀測。因此，若要對(duì)斷層失穩(wěn)過程中的亞失穩(wěn)態(tài)變形場的時(shí)空演化過程進(jìn)行研究，就需要對(duì)斷層失穩(wěn)過程，特別是失穩(wěn)前s到μs級(jí)別的瞬態(tài)變形過程以及瞬態(tài)失穩(wěn)變形過程進(jìn)行深入精細(xì)的觀測，以解析相關(guān)的震源力學(xué)問題。

在室內(nèi)地震模擬實(shí)驗(yàn)中，變形失穩(wěn)觀測是研究震源力學(xué)過程的核心技術(shù)。這項(xiàng)技術(shù)面臨的首要難題是無法確定失穩(wěn)發(fā)生的時(shí)刻與持續(xù)時(shí)間。一次實(shí)驗(yàn)中有可能產(chǎn)生多次失穩(wěn)事件，因此，需要數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)從實(shí)驗(yàn)開始直至結(jié)束一直保持連續(xù)采集，時(shí)間可達(dá)十幾h以上。其次，盡管還沒有確切地了解失穩(wěn)信號(hào)的頻率上限，但可以肯定信號(hào)的頻率將達(dá)到幾百kHz，故采樣頻率應(yīng)當(dāng)為1MHz以上，同時(shí)還要保持較高的信噪比。此外，以往的實(shí)驗(yàn)已經(jīng)證明震源力學(xué)場具有復(fù)雜的空間結(jié)構(gòu)，難以用少數(shù)幾個(gè)測點(diǎn)來描述，因此需要對(duì)幾十個(gè)以上測點(diǎn)同步觀測。長時(shí)間連續(xù)記錄、高分辨率高頻采樣與多點(diǎn)同步觀測3項(xiàng)技術(shù)手段的聯(lián)合使用對(duì)觀測系統(tǒng)的技術(shù)指標(biāo)提出了巨大的挑戰(zhàn)。為此，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)室研發(fā)了一套高信噪比的64通道、16位分辨率、并行采集頻率達(dá)4MHz且可以連續(xù)記錄幾十h的超動(dòng)態(tài)變形場觀測系統(tǒng)。利用這套系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)應(yīng)變、聲發(fā)射及位移等多種信號(hào)的同步采集，便于分析各種物理量之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系(李世念，2017；李世念等，2019)。

本研究利用該超動(dòng)態(tài)變形場觀測系統(tǒng)，主要針對(duì)斷層亞失穩(wěn)階段(OB)，特別是亞失穩(wěn)準(zhǔn)動(dòng)態(tài)階段(AB)和動(dòng)態(tài)失穩(wěn)過程(BC)開展實(shí)驗(yàn)研究(如圖1 中的陰影所示)，取得了一定的觀測結(jié)果，對(duì)斷層失穩(wěn)過程動(dòng)態(tài)變形場的演化特征進(jìn)行了補(bǔ)充。根據(jù)亞失穩(wěn)模型，斷層失穩(wěn)可劃分為穩(wěn)態(tài)LM、亞穩(wěn)態(tài)MO、亞失穩(wěn)態(tài)OB和失穩(wěn)態(tài)BC。根據(jù)斷層協(xié)同化程度的不同，亞失穩(wěn)態(tài)OB又可劃分為亞失穩(wěn)準(zhǔn)靜態(tài)OA和亞失穩(wěn)準(zhǔn)動(dòng)態(tài)AB(馬瑾等，2014；馬瑾，2016)。

1 實(shí)驗(yàn)條件

1.1 實(shí)驗(yàn)樣品及觀測點(diǎn)布局

實(shí)驗(yàn)樣品選用房山花崗閃長巖，樣品尺寸為300mm×300mm×50mm，沿樣品的對(duì)角線預(yù)切出1條平直斷層，斷層與軸向的夾角為45°，長392mm。實(shí)驗(yàn)前使用150#的金剛石砂輪研磨斷層面，使得斷層的表面粗糙度約為100μm。

使用應(yīng)變片和聲發(fā)射傳感器同步連續(xù)記錄實(shí)驗(yàn)全過程中的應(yīng)變和聲發(fā)射信號(hào)。實(shí)驗(yàn)樣品的布局如圖2a所示，沿?cái)鄬硬贾?6個(gè)由應(yīng)變片和聲發(fā)射傳感器組成的測量組，編號(hào)依次為S01—S16。每個(gè)測量組由2個(gè)應(yīng)變片和1個(gè)聲發(fā)射傳感器組成，2個(gè)應(yīng)變片分別與雙軸加載方向(σ1、σ2)平行，聲發(fā)射傳感器的中心位于2個(gè)應(yīng)變片的角平分線上，測量組的中心之間相距23mm。各個(gè)傳感器緊鄰斷層粘貼，應(yīng)變片測量中心到斷層的垂距為3mm，聲發(fā)射傳感器中心與斷層的垂距為7mm。應(yīng)變和聲發(fā)射信號(hào)經(jīng)調(diào)理后均由超動(dòng)態(tài)變形場觀測系統(tǒng)連續(xù)同步測量，數(shù)據(jù)采集和同步方式如圖2b所示。

圖2 實(shí)驗(yàn)樣品及數(shù)據(jù)采集方式Fig.2 The sample for experiments and data collection method.a 每個(gè)力學(xué)測量組由2個(gè)應(yīng)變片和1個(gè)聲發(fā)射傳感器組成，編號(hào)為S01—S16；b S01—S16中應(yīng)變片和聲發(fā)射傳感器信號(hào)使用超動(dòng)態(tài)變形場連續(xù)采集系統(tǒng)(UltraHiDAM)記錄，并通過對(duì)時(shí)信號(hào)實(shí)現(xiàn)各通道間的精確同步

1.2 實(shí)驗(yàn)加載系統(tǒng)和加載過程

實(shí)驗(yàn)加載系統(tǒng)為中國地震局地質(zhì)研究所構(gòu)造物理研究室自主研制的平臥式雙軸伺服壓機(jī)(劉力強(qiáng)等，1995)。該加載系統(tǒng)為雙向電液伺服控制，可以實(shí)現(xiàn)位移或載荷的雙向控制，并在實(shí)驗(yàn)過程中隨時(shí)切換。軸向最高載荷為120t，最大位移為±10mm，最大樣品加載尺寸為500mm×500mm×300mm。

以σ1和σ2分別表示加載在樣品端部的最大和最小主應(yīng)力(圖2a)，實(shí)驗(yàn)過程中首先將σ1和σ2同步加載到一定數(shù)值的靜水壓后保持σ2應(yīng)力值不變，將σ1方向的應(yīng)力加載方式改為等位移速率加載，控制樣品沿?cái)鄬影l(fā)生摩擦滑動(dòng)以獲得失穩(wěn)事件，改變位移加載速率即可控制失穩(wěn)周期。實(shí)驗(yàn)過程中的相關(guān)加載參數(shù)如表1 所示，壓機(jī)宏觀加載力學(xué)數(shù)據(jù)的采樣頻率為1kHz，實(shí)驗(yàn)過程中差應(yīng)力σD(σD=σ1-σ2=2τ，τ為剪應(yīng)力)隨事件變化的曲線如圖3 所示。

表1 實(shí)驗(yàn)過程相關(guān)參數(shù)信息Table1 Experimental parameters and information

加載過程的差應(yīng)力-時(shí)間曲線如圖3 所示，共獲得168個(gè)摩擦滑動(dòng)失穩(wěn)事件，約30TB應(yīng)變和聲發(fā)射實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)信息。通過數(shù)據(jù)瀏覽回放，發(fā)現(xiàn)各次摩擦滑動(dòng)失穩(wěn)過程的變形場演化具有相似的特征。本文以HBR-16-63實(shí)驗(yàn)中的事件A為例(如圖3 中的黑色虛線框所示)展開分析，描述斷層失穩(wěn)過程中變形場時(shí)空演化的詳細(xì)特征。

圖3 差應(yīng)力隨時(shí)間的演化Fig.3 Evolution of differential stress with time.虛線框A中的曲線代表HBR-16-63實(shí)驗(yàn)中第32個(gè)斷層失穩(wěn)過程(事件A)

1.3 數(shù)據(jù)采集處理

1.3.1 各個(gè)采集單元數(shù)據(jù)之間的精確對(duì)時(shí)

超動(dòng)態(tài)變形場觀測系統(tǒng)采用多單元分布式并行采集方式，各單元采集器的啟動(dòng)時(shí)間不同。在進(jìn)行數(shù)據(jù)采集時(shí)，每隔2s為每臺(tái)采集系統(tǒng)提供一個(gè)上升沿為18ns的脈沖信號(hào)，各單元在采集應(yīng)變和聲發(fā)射信號(hào)時(shí)同步采集該脈沖信號(hào)，以此實(shí)現(xiàn)各個(gè)單元之間的高精度對(duì)時(shí)。在進(jìn)行數(shù)據(jù)處理前，首先根據(jù)各個(gè)單元記錄到的對(duì)時(shí)脈沖信號(hào)計(jì)算出各個(gè)單元之間的時(shí)差，以此為基準(zhǔn)即可計(jì)算每個(gè)數(shù)據(jù)的采樣時(shí)間，精度可達(dá)1μs。

1.3.2 信號(hào)處理

各測量組的剪應(yīng)變和平面應(yīng)變值可通過式(1)和式(2)獲得。實(shí)驗(yàn)中的應(yīng)變測量組包含2個(gè)與斷層均呈45°夾角的應(yīng)變片，可以根據(jù)2個(gè)應(yīng)變片測量到的線應(yīng)變計(jì)算出各測量點(diǎn)沿?cái)鄬拥募魬?yīng)變和該測量點(diǎn)的面應(yīng)變，計(jì)算公式為

γ=ε1-ε2

(1)

εv=ε1+ε2

(2)

式中，ε1和ε2分別為2個(gè)應(yīng)變片測量到的線應(yīng)變數(shù)值，γ為沿?cái)鄬应?到ε2方向的剪應(yīng)變，εv為測量點(diǎn)所在平面的面應(yīng)變。根據(jù)需要，數(shù)據(jù)處理中使用了濾波平滑等手段以降低噪聲。

由于本系統(tǒng)聲發(fā)射信號(hào)與應(yīng)變信號(hào)同步記錄，在時(shí)間上完全對(duì)準(zhǔn)，可以直接獲得動(dòng)態(tài)變形過程與聲發(fā)射波準(zhǔn)確的對(duì)應(yīng)關(guān)系。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

本次摩擦滑動(dòng)失穩(wěn)全過程耗時(shí)約1i300s。為便于分析描述，將斷層整體快速失穩(wěn)的時(shí)刻記為0s，將失穩(wěn)全過程的起點(diǎn)記為-1i300s，本文各時(shí)間點(diǎn)均照此表述。失穩(wěn)過程的時(shí)間-差應(yīng)力曲線如圖4 所示。

圖4 HBR-16-63事件A斷層失穩(wěn)過程的時(shí)間-差應(yīng)力曲線Fig.4 The differential stress of the event A of experiment HBR-16-63.黑色實(shí)線表示樣品差應(yīng)力隨時(shí)間變化的曲線，紅色實(shí)線表示穩(wěn)態(tài)線性擬合曲線

2.1 伴隨斷層局部卸載出現(xiàn)的應(yīng)變局部化加速是進(jìn)入亞失穩(wěn)準(zhǔn)靜態(tài)階段的近場特征

圖5 為各點(diǎn)沿?cái)鄬蛹魬?yīng)變隨時(shí)間變化的曲線，O點(diǎn)為圖4 中的峰值點(diǎn)，0s時(shí)刻為斷層最終的失穩(wěn)時(shí)刻。為了在圖中更好地突出各點(diǎn)在強(qiáng)偏離線性點(diǎn)N(約-260s)后的變化情況，在強(qiáng)偏離線性時(shí)刻(圖4 中N點(diǎn)的位置)將各測點(diǎn)的剪應(yīng)變曲線置零?？梢钥闯?，各測點(diǎn)的剪應(yīng)變局部化現(xiàn)象在進(jìn)入峰值O點(diǎn)前約5s開始增強(qiáng)，從此刻開始各個(gè)測點(diǎn)的應(yīng)變偏離原變形趨勢(shì)線，有的上升，有的下降，這意味著在不同區(qū)域開始分化出了剪應(yīng)變積累區(qū)和釋放區(qū)。斷層進(jìn)入O點(diǎn)后，這種分化程度則更加明顯。圖6a為-40s后的剪應(yīng)變時(shí)空演化曲線，在約-20s時(shí)斷層進(jìn)一步分化，在測點(diǎn)S07和S12附近出現(xiàn)2個(gè)顯著的應(yīng)變釋放區(qū)，其他各區(qū)域?yàn)閼?yīng)變積累區(qū)。在進(jìn)入O點(diǎn)之后，釋放區(qū)和積累區(qū)的分化程度進(jìn)一步增強(qiáng)，并伴隨釋放區(qū)緩慢擴(kuò)展和積累區(qū)集中的現(xiàn)象。

圖5 沿?cái)鄬拥募魬?yīng)變及樣品差應(yīng)力σD隨時(shí)間的變化曲線Fig.5 Macroscopic differential stress σD(the blue color，smooth-looking curve on top)and shear strains(the curves with various colors below)and as functions of time.將約-260s時(shí)刻的剪應(yīng)變數(shù)值歸零，以突出應(yīng)變?cè)隽?/p>

2.2 亞失穩(wěn)準(zhǔn)動(dòng)態(tài)(AB)階段的應(yīng)變波動(dòng)往復(fù)傳遞

亞失穩(wěn)準(zhǔn)動(dòng)態(tài)階段的應(yīng)變演化以逐點(diǎn)波浪式的往復(fù)傳遞為表現(xiàn)形式。在本實(shí)驗(yàn)中，準(zhǔn)動(dòng)態(tài)階段又可以分為3個(gè)子階段(AA1、A1A2、A2A3階段)，每個(gè)子階段對(duì)應(yīng)1次應(yīng)變傳遞事件。

第1階段，應(yīng)變傳遞開始于斷層中部并向上端的高應(yīng)變區(qū)逐點(diǎn)釋放，從測點(diǎn)S07附近傳遞至測點(diǎn)S02附近，如圖6a所示。

第2階段，從上次應(yīng)變傳遞的終點(diǎn)開始，出現(xiàn)1個(gè)新的應(yīng)變波動(dòng)并向斷層下端傳遞，傳遞方向與第1階段相反，影響范圍超過了第1階段波動(dòng)的起始位置，直達(dá)斷層下端，即從測點(diǎn)S02附近傳遞至測點(diǎn)S14附近，如圖6b所示。

第3階段，從第2次應(yīng)變波動(dòng)到達(dá)的斷層下端位置開始，再次出現(xiàn)新的向斷層上端傳遞的應(yīng)變波，即從測點(diǎn)S14附近上傳至測點(diǎn)S02附近，如圖6c所示。

圖6 沿?cái)鄬蛹魬?yīng)變的時(shí)空演化圖Fig.6 Spatio-temporal evolution of shear strain along the fault.a、b、c分別為3個(gè)子階段中的應(yīng)變時(shí)空演化曲線，子圖顯示了加載應(yīng)力的方向和應(yīng)變傳感器(S01—S14)在樣品中的位置。圖中黑色和紅色帶箭頭的虛線分別指示應(yīng)變波動(dòng)在應(yīng)變時(shí)空曲線和樣品上的傳遞路徑。OA為準(zhǔn)靜態(tài)階段；AA1為準(zhǔn)動(dòng)態(tài)階段的第1個(gè)子階段，A1A2為準(zhǔn)動(dòng)態(tài)階段的第2個(gè)子階段，A2A3為準(zhǔn)動(dòng)態(tài)階段的第3個(gè)子階段；h1表示AA1階段應(yīng)變波動(dòng)傳遞前的應(yīng)變準(zhǔn)備期，h2表示A1A2階段應(yīng)變波動(dòng)傳遞前的應(yīng)變準(zhǔn)備期，h3表示斷層整體失穩(wěn)前的應(yīng)變準(zhǔn)備期

最后一次應(yīng)變波貫穿了整條斷層，到達(dá)斷層上端的高應(yīng)變區(qū)，上端的剪切量突然大幅度增加，使得累加應(yīng)變超越了局部剪切強(qiáng)度。最終，整條斷層帶周邊的應(yīng)變能從高應(yīng)變區(qū)開始快速釋放，形成地震。在3個(gè)階段中，應(yīng)變波動(dòng)傳遞的周期越來越短，速度越來越快，平均速度每次遞增幾十倍。第1階段的應(yīng)變傳遞時(shí)間約為7s，平均速度約為16mm/s；第2階段的應(yīng)變傳遞時(shí)間約為0.3s，平均速度約為920mm/s；第3階段的應(yīng)變傳遞時(shí)間約為0.017s，以約為17i600mm/s(17.6m/s)的平均速度擴(kuò)展至整條斷層。

2.3 準(zhǔn)動(dòng)態(tài)過程每個(gè)子階段都存在短暫的準(zhǔn)備期

在準(zhǔn)動(dòng)態(tài)過程中，每個(gè)子階段的應(yīng)變開始傳遞前，在上一次應(yīng)變傳遞的停止區(qū)域內(nèi)都會(huì)出現(xiàn)一個(gè)短暫的應(yīng)變準(zhǔn)備期，隨后才進(jìn)入下一階段的應(yīng)變波動(dòng)傳遞過程，如圖6 所示。在第2子階段的應(yīng)變波動(dòng)傳遞開始之前，在第1子階段的波動(dòng)傳遞終點(diǎn)區(qū)域出現(xiàn)了1個(gè)長約200ms的應(yīng)變準(zhǔn)備期h1，隨后開始第2階段的應(yīng)變波動(dòng)傳遞；同樣，在第3子階段的應(yīng)變波動(dòng)傳遞開始之前，在第2子階段的應(yīng)變波動(dòng)傳遞終點(diǎn)區(qū)域也出現(xiàn)了1個(gè)長約25ms的應(yīng)變準(zhǔn)備期h2，隨后開始第3子階段的應(yīng)變波動(dòng)傳遞；最終，在斷層整體失穩(wěn)快速應(yīng)變釋放之前，在第3子階段的應(yīng)變波動(dòng)傳遞終點(diǎn)區(qū)域再次出現(xiàn)了1個(gè)長約3ms的應(yīng)變準(zhǔn)備期h3，隨后斷層整體應(yīng)變快速釋放，發(fā)生 “地震”。

2.4 同震應(yīng)力降階段的高頻震蕩現(xiàn)象

斷層失穩(wěn)階段的時(shí)間過程可劃分為4個(gè)階段(圖7)：震前預(yù)滑動(dòng)階段(Ⅰ)、同震階段(Ⅱ)、高頻震蕩階段(Ⅲ)和低頻調(diào)整階段(Ⅳ)。其中，Ⅰ、Ⅲ、Ⅳ階段與前人提出的斷層失穩(wěn)階段的物理模型相同(李普春等，2013；郭玲莉等，2014)，但由于使用了超動(dòng)態(tài)變形場觀測系統(tǒng)，在瞬態(tài)失穩(wěn)階段初期觀測到了更加高頻的同震階段(Ⅱ)。該階段表現(xiàn)為數(shù)次動(dòng)態(tài)應(yīng)變震蕩，主頻率范圍約為2～5kHz，頻譜上限約為15kHz，單次應(yīng)變震蕩周期約為0.5ms。

圖7 斷層瞬態(tài)失穩(wěn)過程的應(yīng)變及頻譜曲線Fig.7 Shear strain and its spectrum during fault instability.斷層動(dòng)態(tài)失穩(wěn)過程的4個(gè)階段：震前預(yù)滑動(dòng)階段(Ⅰ)、同震階段(Ⅱ)、高頻震蕩階段(Ⅲ)和低頻調(diào)整階段(Ⅳ)。a和b分別為陰影區(qū)的應(yīng)變曲線放大圖及其頻譜

由于每次動(dòng)態(tài)應(yīng)變振蕩都伴隨著一次實(shí)驗(yàn)室地震(聲發(fā)射)事件(圖8)，故稱其為同震-動(dòng)態(tài)應(yīng)變震蕩，并稱該階段為同震階段。很明顯，每次應(yīng)變波動(dòng)引發(fā)的聲發(fā)射信號(hào)都具有比應(yīng)變信號(hào)高得多的頻率特征，而這在以往的中頻系統(tǒng)(采樣頻率為3.4kHz)(郭玲莉等，2014)觀測中只能記錄到一個(gè)簡單的脈沖。另外，雖然各個(gè)部位動(dòng)態(tài)應(yīng)變震蕩的峰值在時(shí)間上存在一定的先后關(guān)系，但由于在測點(diǎn)等間距的情況下走時(shí)時(shí)差不同，且存在應(yīng)變反向傳播的情況；另外，各點(diǎn)應(yīng)變震蕩的振幅水平大致相同，沒有從震蕩初始位置向兩側(cè)振幅衰減的特征，因此各點(diǎn)之間并不表現(xiàn)為簡單的應(yīng)變波動(dòng)的傳播關(guān)系。

圖8 斷層失穩(wěn)瞬間同震階段的應(yīng)變(紅色)和聲發(fā)射(藍(lán)色)曲線Fig.8 Eight milliseconds of strain(red)and AE(blue)data at the moment of coseismic stress drop.

此次斷層失穩(wěn)發(fā)生在S01測點(diǎn)附近，通過失穩(wěn)瞬間各測點(diǎn)的剪應(yīng)變曲線(圖9)可知，斷層進(jìn)入同震階段后，斷層各點(diǎn)的剪應(yīng)變相互貫穿，表現(xiàn)為斷層整體應(yīng)變的快速傳遞，應(yīng)變波傳遞的平均速度為3.3km/s?；瑒?dòng)可分為幾個(gè)階段完成，每個(gè)滑動(dòng)階段都是從一次大幅度貫穿全地震帶的高速應(yīng)變釋放開始，大多數(shù)位置的釋放率為700～1i000με/ms。其后會(huì)有一次相對(duì)緩慢的局部應(yīng)變反彈，上升率平均約為150～250με/ms，反彈結(jié)果會(huì)暫時(shí)阻止斷層滑動(dòng)，同時(shí)為下次釋放積蓄足夠的能量。因此，震源力學(xué)過程不能用一個(gè)向外擴(kuò)展的裂紋模型或一次階躍位錯(cuò)來描述。在同震階段的前3次高頻震蕩結(jié)束后，在1.5ms時(shí)刻附近出現(xiàn)了一個(gè)反向協(xié)同化的應(yīng)變波從斷層另一端傳遞至發(fā)震點(diǎn)S01，該次應(yīng)變波動(dòng)傳遞后，斷層整體高頻同震階段結(jié)束。

圖9 斷層失穩(wěn)瞬間同震階段各點(diǎn)的剪應(yīng)變變化曲線Fig.9 Shear strain measured by strain gages(S01—S14)during the co-seismic high-frequency oscillation stage.單次斷層失穩(wěn)事件的同震階段可以進(jìn)一步分為多次滑動(dòng)。實(shí)線為沿?cái)鄬硬煌恢玫募魬?yīng)變(通道S01—S14，2個(gè)通道的相鄰間距為23mm)；虛線為各位置剪應(yīng)變的峰值點(diǎn)

同震階段釋放了失穩(wěn)過程中的大部分能量，其后該點(diǎn)的應(yīng)變水平降低顯著。高頻震蕩階段為震后局部各點(diǎn)的自振蕩調(diào)整階段，各點(diǎn)在失穩(wěn)后的應(yīng)變水平上出現(xiàn)周期性阻尼衰減震蕩，以調(diào)整釋放同震過程后的殘余應(yīng)變。高頻震蕩階段的振幅不斷減小至該點(diǎn)的應(yīng)變基線后，應(yīng)變緩慢調(diào)整至下次斷層摩擦滑動(dòng)周期開始，該階段即為低頻調(diào)整階段。低頻調(diào)整階段或?qū)?yīng)野外地震的余滑，在粘滑事件的影響下，斷層滑動(dòng)尚未停止，摩擦強(qiáng)度(在本文中體現(xiàn)為差應(yīng)力)還沒有開始升高。這意味著勻速加載輸入的能量小于震后滑動(dòng)所釋放的能量，斷層系統(tǒng)仍然以能量釋放為主。

3 結(jié)論

3.1 單次實(shí)驗(yàn)室地震的多個(gè)階段

本研究中，我們觀測到了單次實(shí)驗(yàn)室地震的多個(gè)階段。以宏觀力學(xué)狀態(tài)為判斷準(zhǔn)則對(duì)本次斷層失穩(wěn)過程的各階段進(jìn)行了劃分(圖5)，獲得的各階段所持續(xù)的時(shí)間長度如表2 所示。峰值點(diǎn)O之前的斷層整體的應(yīng)變積累過程(LO)占本次事件全過程的98.89%。斷層亞失穩(wěn)態(tài)(OB)只占本次斷層失穩(wěn)事件全過程的1.1%。斷層整體快速失穩(wěn)過程只占本次事件全過程的0.077‰。

表2 斷層失穩(wěn)過程中各狀態(tài)的持續(xù)時(shí)間Table2 Duration of each stage of a whole fault instability event

在斷層亞失穩(wěn)態(tài)(OB)，準(zhǔn)靜態(tài)階段(OA)占斷層失穩(wěn)全過程的0.7%。進(jìn)入準(zhǔn)靜態(tài)階段，斷層整體從應(yīng)變積累開始向應(yīng)變釋放轉(zhuǎn)變，表現(xiàn)為應(yīng)變釋放區(qū)的平穩(wěn)擴(kuò)展。準(zhǔn)動(dòng)態(tài)階段(AB)占斷層失穩(wěn)全過程的0.4%，進(jìn)入準(zhǔn)動(dòng)態(tài)階段，斷層協(xié)同化程度開始加速，表現(xiàn)為應(yīng)變釋放區(qū)加速往復(fù)擴(kuò)展，積累區(qū)應(yīng)變水平加速提高。亞失穩(wěn)準(zhǔn)動(dòng)態(tài)階段(AB)用時(shí)5.3s，只占本次斷層失穩(wěn)全過程的0.4%，但卻包含了大量臨震信息。

本次事件中，斷層整體快速失穩(wěn)(BC)用時(shí)僅不到0.1s，只占事件全過程的0.077‰，但對(duì)于了解發(fā)震過程，理解和認(rèn)識(shí)地震機(jī)制具有重要參考和應(yīng)用價(jià)值。

3.2 斷層各點(diǎn)失穩(wěn)同震過程的特征

(1)失穩(wěn)在S01點(diǎn)發(fā)生后，斷層各點(diǎn)也開始發(fā)生失穩(wěn)，共完成3次同震高頻震蕩，每次震蕩的初始位置并不相同，擴(kuò)展方向也不同。

(2)雖然每次高頻震蕩在時(shí)間上存在一定的先后順序關(guān)系，但在等間距布設(shè)的各個(gè)測點(diǎn)之間的走時(shí)差并不相同，不具有彈性波傳播時(shí)的穩(wěn)定波速特征。

(3)各點(diǎn)應(yīng)變波的振幅水平大致相同，并不存在振幅從震蕩初始位置向兩側(cè)衰減的特征。

4 討論

4.1 進(jìn)入亞失穩(wěn)準(zhǔn)靜態(tài)階段的近場標(biāo)志：伴隨有斷層局部卸載而出現(xiàn)的應(yīng)變局部化加速

在亞失穩(wěn)理論模型的原理描述中，亞失穩(wěn)階段開始的標(biāo)志是樣品宏觀變形應(yīng)力曲線進(jìn)入峰值后階段，這在野外現(xiàn)場難以實(shí)現(xiàn)觀測?，F(xiàn)場大部分有效觀測都分布在可能的發(fā)震斷層的周邊，而沒有哪一項(xiàng)觀測可以獲得遠(yuǎn)程宏觀加載進(jìn)程數(shù)據(jù)。通過實(shí)驗(yàn)初步確認(rèn)，峰后的整體應(yīng)力下降在樣品斷層帶附近體現(xiàn)為不同段落之間的變形集中與釋放之間的平衡被打破。也就是說，從以全場穩(wěn)態(tài)變形遞增為主的應(yīng)力積累階段轉(zhuǎn)變?yōu)橐跃植啃遁d為主的亞失穩(wěn)準(zhǔn)靜態(tài)階段。在這個(gè)階段中，斷層各段之間通過應(yīng)變波動(dòng)相互轉(zhuǎn)移變形，隨著局部化進(jìn)一步加強(qiáng)，總體應(yīng)變能下降。這一特點(diǎn)可作為進(jìn)入亞失穩(wěn)階段的近場判據(jù)。

4.2 亞失穩(wěn)準(zhǔn)動(dòng)態(tài)階段的應(yīng)變場特征：逐點(diǎn)應(yīng)變波動(dòng)式的往復(fù)傳遞

在斷層亞失穩(wěn)準(zhǔn)動(dòng)態(tài)階段，多個(gè)應(yīng)變釋放區(qū)快速擴(kuò)展連接直至整條斷層，引發(fā)斷層整體快速失穩(wěn)(馬瑾等，2014)。實(shí)驗(yàn)表明，釋放區(qū)的擴(kuò)展和連接并非一次完成，而是表現(xiàn)為多次波動(dòng)式的應(yīng)變逐點(diǎn)往復(fù)傳遞過程，且每次應(yīng)變波動(dòng)的傳播速度增加幾十倍。本實(shí)驗(yàn)中，3個(gè)階段應(yīng)變傳遞的平均速度依次為16mm/s、920mm/s和1.76×104mm/s。應(yīng)變波沿?cái)鄬訋鶑?fù)傳播、成倍加速是斷層進(jìn)入亞失穩(wěn)準(zhǔn)動(dòng)態(tài)階段的特征。

地震成核相的提出與本文的準(zhǔn)動(dòng)態(tài)分為多個(gè)子階段非常類似。對(duì)于自相似破裂的斷層，本應(yīng)該在宏觀上體現(xiàn)為線性加速，而經(jīng)實(shí)際的近場地震觀測發(fā)現(xiàn)，在主震導(dǎo)致的劇烈地面運(yùn)動(dòng)之前，通常存在一個(gè)弱的地面運(yùn)動(dòng)(有時(shí)被表述為前震)。因此，主震之前存在間歇性而非線性的弱活動(dòng)，這種間歇性的弱活動(dòng)通常被認(rèn)為是地震的成核過程。本研究發(fā)現(xiàn)在準(zhǔn)動(dòng)態(tài)階段存在多個(gè)子階段，這與地震學(xué)中成核相是間歇性的弱活動(dòng)而不是線性加速(Ellsworthetal.，1995)的認(rèn)識(shí)相同。

4.3 準(zhǔn)動(dòng)態(tài)階段的變形準(zhǔn)備期可能有助于臨震預(yù)測

在準(zhǔn)動(dòng)態(tài)階段中，從第1個(gè)子階段之后開始到最后失穩(wěn)，每次應(yīng)變傳遞事件之前都會(huì)出現(xiàn)一個(gè)短暫的變形準(zhǔn)備期，隨后才進(jìn)入下一階段的應(yīng)變波動(dòng)傳遞過程。第2個(gè)子階段前的準(zhǔn)備期約為200ms(h1)，第3個(gè)子階段的準(zhǔn)備期約25ms(h2)，斷層整體失穩(wěn)前的準(zhǔn)備期約3ms(h3)，如圖6 所示。變形準(zhǔn)備期，特別是最后一個(gè)準(zhǔn)備期，可能可為短臨地震預(yù)報(bào)提供機(jī)會(huì)，同時(shí)也可能是實(shí)現(xiàn)物理地震預(yù)報(bào)的希望。

4.4 高頻同震階段拓寬了地震瞬態(tài)失穩(wěn)模型

如圖9 所示，各測點(diǎn)之間并不表現(xiàn)為應(yīng)變波的彈性傳播關(guān)系或可用斷裂力學(xué)的二型裂紋擴(kuò)展模型描述，它更像是一種由局部應(yīng)變釋放形成的逐點(diǎn)解鎖過程。

在同震階段的3次高頻震蕩結(jié)束后，出現(xiàn)一個(gè)從斷層另一端傳遞至發(fā)震點(diǎn)S01的反向協(xié)同化應(yīng)變波。此后同震階段結(jié)束，聲發(fā)射現(xiàn)象消失。同震階段的剪應(yīng)變-聲發(fā)射曲線、剪應(yīng)變-時(shí)間曲線和剪應(yīng)變時(shí)空曲線分別如圖8、9、10所示。

圖10 斷層失穩(wěn)前后(-1～10ms)剪應(yīng)變的時(shí)空變化圖， 包括同震階段(0～2ms)和高頻震蕩段的一部分(2～10ms)Fig.10 Spatio-temporal evolution of shear strain along the fault during 0～10ms，including the coseismic phase(0～2ms)and a part of the high-frequency strain vibration phase(2～10ms).

斷層同震階段結(jié)束后，斷層各點(diǎn)在自己的震后應(yīng)變水平上進(jìn)行周期阻尼式震蕩，即高頻震蕩階段。從斷層失穩(wěn)2ms后的剪應(yīng)變時(shí)空?qǐng)D像可以清晰地看到這一過程，如圖11 所示。這很可能是受斷層系統(tǒng)的剛度控制，在失穩(wěn)高速滑動(dòng)的地震階段，各次應(yīng)變振蕩幾乎保持在同一個(gè)應(yīng)變水平上，整體上沒有出現(xiàn)很大的應(yīng)變降。整個(gè)失穩(wěn)過程中的最大應(yīng)變降出現(xiàn)在失穩(wěn)滑動(dòng)震蕩期之后的調(diào)整階段。最終進(jìn)入低頻調(diào)整階段，瞬態(tài)失穩(wěn)階段結(jié)束。

圖11 同震階段前后(-1～4ms)剪應(yīng)變的時(shí)空演化圖Fig.11 Spatio-temporal evolution of shear strain along the fault during -1～4ms，at the beginning of transient unstable sliding.

因此，實(shí)驗(yàn)室內(nèi)的斷層失穩(wěn)是一個(gè)復(fù)雜的過程，不能簡單地用應(yīng)力降表達(dá)失穩(wěn)過程。同時(shí)，我們可以推測激發(fā)地震波的力源應(yīng)當(dāng)來自高頻應(yīng)變震蕩，不能簡單地歸結(jié)于一個(gè)階躍脈沖。高頻過程一般伴隨有2～3次的往復(fù)震蕩，從空間上看每次震蕩的起始位置并不相同(圖9)，雖然每次高頻震蕩在時(shí)間上存在一定的先后關(guān)系，但是各點(diǎn)之間的應(yīng)變傳遞并不表現(xiàn)為具有穩(wěn)定速度的彈性波的傳播特點(diǎn)。

以上關(guān)于亞失穩(wěn)過程的討論都基于室內(nèi)實(shí)驗(yàn)結(jié)果。實(shí)驗(yàn)過程大大縮短了自然進(jìn)程的時(shí)間尺度，目前還沒有適當(dāng)?shù)南嗨菩詼?zhǔn)則可以直接將實(shí)驗(yàn)的瞬間過程映射到現(xiàn)場地震進(jìn)程，并不建議簡單線性放大時(shí)間尺度。我們應(yīng)該僅從力學(xué)進(jìn)程上去接受理解這些觀測結(jié)果，而不能認(rèn)為現(xiàn)場實(shí)際的亞失穩(wěn)進(jìn)程會(huì)如此短暫。

關(guān)于亞失穩(wěn)準(zhǔn)動(dòng)態(tài)階段應(yīng)變波沿?cái)鄬佣啻瓮鶑?fù)傳播、成倍加速以及出現(xiàn)變形準(zhǔn)備期的成因和機(jī)理尚不明確。鑒于其復(fù)雜性，本文沒有深入探討，這需要進(jìn)一步研究。

后記：馬瑾先生作為地震亞失穩(wěn)模型的奠基人，指導(dǎo)了本文所涉及的全部實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)、數(shù)據(jù)分析和理論分析工作。同時(shí)，本工作得到了馬瑾院士負(fù)責(zé)的國家自然科學(xué)基金(41572181)的支持。作者借助實(shí)驗(yàn)結(jié)果盡力表述了亞失穩(wěn)模型的科學(xué)思想及實(shí)驗(yàn)研究方法。截至發(fā)稿日，馬瑾先生辭世已近3年了，我們?yōu)槟芘c馬瑾先生合作完成這篇文章感到萬分榮幸，謹(jǐn)以此文紀(jì)念先生，亦希望相關(guān)進(jìn)展能夠在亞失穩(wěn)理論發(fā)展完善的道路上鋪下一塊基石(劉力強(qiáng)，2021年3月，于北京)。

致謝劉培洵副研究員在聲發(fā)射信號(hào)處理和機(jī)理解釋方面給予了幫助；卓燕群副研究員與作者針對(duì)本研究進(jìn)行了有益探討；郭玲莉副教授和李普春在高頻變形場研究領(lǐng)域做出了基礎(chǔ)性前期工作。在此一并表示感謝!