一种研究断层泥对前震影响的实验装置与方法

技术领域

本发明涉及地震研究技术领域，更具体的说是涉及一种研究断层泥对前震影响的实验装置与方法。

背景技术

前震是指在一个地震序列中，地面的前几次震动。前震可以发生在主震发生的的前几分钟、几天甚至数年。有关前震活动特征及其判断的研究一直是国内外学者关注的热点和难点。实验室的岩石破裂实验表明，断层失稳前普遍存在类似前震的前兆滑动事件，且声发射频次随时间明显增加。地震成核模型以及摩擦滑动的速率－状态依从等理论也认为，前震是主震成核过程的典型表现之一。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。而前震活动则是野外观测到的能够反映失稳前断层状态的重要地震学资料。精确且可靠的前震活动观测结果，能为研究地震孕育物理过程提供重要的基础信息。然而类似余震和震群活动，前震活动通常在时间和空间上相对丛集，短时间内发生多次地震会造成低震级地震可能被其他地震的尾波所淹没。另外，震中附近台站覆盖不足也会导致一些小地震因无法定位而在地震目录里缺失。

断层泥是指发育在断层带中的未固结或弱固结泥状岩石。断层泥主要发育在地壳浅层脆性断层带中，呈各种彩色条带平行断层面展布，带宽由几毫米至数十米。断层泥的主要成分是黏土矿物，其次为原岩的碎粉和碎砾，是断层剪切滑动、碎裂、碾磨和黏土矿化作用的产物。

现有研究通过在剪切板上布设声发射仪器收集断层泥在剪切过程中的声发射信号，这些声发射信号可以看作是系统内部颗粒接触点滑动、颗粒重排、颗粒破碎等过程中释放的能量，也可以用来表征系统的微滑事件。大滑移事件之前会出现一系列的微滑事件,并以指数级的速率增长。微滑事件的激增与体系滑动失稳具有明显的相关性。因此,体系出现大量的微滑事件可以作为颗粒断层泥滑动失稳的“先兆”。随着体系滑动失稳的临近,微滑活动的频率增加,但不同黏滑循环之间的微滑事件时空演化存在显著差异,反映了真实地震断层成核机理的复杂性。上述物理试验大多采用声发射技术探测体系内出现的微滑事件,并用声发射信号的强度表征微滑事件的大小。

现有技术中不难发现常规的实验室地震在探究断层泥对前震的影响方面存在不足，一方面已有的实验缺少在断层泥存在情况下的双轴斜剪实验，另一方面在已有的实验室地震实验中使用粘贴式声发射设备多用于触发光学观测作用，缺少对声发射数据的分析。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种研究断层泥对前震影响的实验装置与方法，以解决背景技术中的问题。

为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一方面，本发明公开了一种研究断层泥对前震影响的实验装置，包括：断层模型、加载系统和数据处理系统；

其中，所述断层模型为横截面为等腰直角三角形的直三棱柱结构的第一斜切模型和第二斜切模型组成长方体结构；在所述第一斜切模型和所述第二斜切模型的接触面涂有真空脂并撒有断层泥；

所述加载系统包括横向加载装置和竖向加载装置；所述横向加载装置分别对所述第一斜切模型和所述第二斜切模型相对的直角面施加横向载荷；所述横向加载装置分别对所述第一斜切模型和所述第二斜切模型相对的另一直角面施加竖向载荷；

所述数据处理系统获取加载过程中的声发射信号、位移变化量、断层面应力状态，计算前震主震过程中的参数。

优选的，在上述的一种研究断层泥对前震影响的实验装置中，其特征在于，所述数据处理系统包括声发射传感器、信号发生器、应变片、动态信号采集分析装置、高速摄像机和非接触式测量散斑；

所述非接触式测量散斑粘贴在所述第一斜切模型和所述第二斜切模型交接处；所述信号发生器接收到所述声发射传感器发送的声发射信号后产生触发信号，所述触发信号控制高速摄像机和动态信号采集分析装置来同时采集多物理场信息，并利用应变片的应力变化与高速摄像机采集的所述非接触式测量散斑的位移变化分别测量断层面破裂过程的应变场与位移场，利用声发射传感器记录破裂过程的声发射信号。

优选的，在上述的一种研究断层泥对前震影响的实验装置中，所述声发射传感器安装在所述第一斜切模型或所述第二斜切模型在距离所述对角线的一侧处设有声发射传感器布设孔内，声发射传感器的形心与断层面轴线的投影重合。

优选的，在上述的一种研究断层泥对前震影响的实验装置中，所述应变片安装在所述声发射传感器不同的斜切模型上；沿所述断层模型的对角线均匀分布。

优选的，在上述的一种研究断层泥对前震影响的实验装置中，所述非接触式测量散斑粘贴在所述断层模型的对角线的两侧。

另一方面，本发明公开一种研究断层泥对前震影响的实验方法，包括如下步骤：

加工制备断层模型；

设置实验装置，将应变片和声发射传感器固定在所述断层模型上；将非接触式测量散斑粘贴在所述断层模型的对角线两侧；同时，所述信号发生器接收到所述声发射传感器发送的声发射信号后产生触发信号，所述触发信号控制高速摄像机和动态信号采集分析装置来同时采集多物理场信息，并利用应变片与高速摄像机分别测量断层面破裂过程的应变场与位移场，利用声发射传感器记录破裂过程的声发射信号；

对所述断层模型进行预应力加载；

在断层模型发生黏滑事件后，通过应变片与高速摄像机分别测量断层模型在断层破裂过程中的破裂速度、应变变化与位移场变化；通过声发射传感器测量记录断层破裂过程中的声发射信号；

改变断层应力状态、断层泥的种类厚度，研究不同条件的断层泥对前震过程的影响；

通过加载系统、应变片及高速摄像机记录的信号，计算前震主震过程中的参数，通过实验或其与理论的结合研究断层泥对前震过程的影响。

优选的，在上述的一种研究断层泥对前震影响的实验方法中，所述断层模型为横截面为等腰直角三角形的直三棱柱结构的第一斜切模型和第二斜切模型组成长方体结构。

优选的，在上述的一种研究断层泥对前震影响的实验方法中，对所述断层模型进行预应力加载，具体步骤如下：

将第一斜切模型或第二斜切模型的断层面上均匀涂抹一层真空脂，在真空脂上均匀的撒上一层断层泥，将所述第一斜切模型和所述第二斜切模型配合，并固定于双轴加载平台中心位置，利用加载系统对断层模型施加固定大小准静态载荷，通过位移加载将双轴加载端与断层模型四周端面紧密接触，将断层模型两侧压力加载到固定荷载，保持X轴方向压力不变，增加竖直方向压力到设定值，以模拟断层构造应力状态。

经由上述的技术方案可知，与现有技术相比，本发明公开提供了一种研究断层泥对前震影响的实验装置与方法，实施含断层泥的双轴斜剪实验，已有的实验室地震实验中缺少对含断层泥条件下的实验室地震实验，断层泥的存在会对前震事件产生影响，开展含断层泥的双轴斜剪实验可以有效研究断层泥对前震事件的影响；

应用嵌入式声发射传感器，传统实验室地震实验中采用粘贴式声发射传感器，但粘贴式声发射传感器仅能测量断层模型中传播的面波，而应用嵌入式声发射传感器可以测量分析断层模型中体波的变化，更好地研究断层泥的存在对于前震事件的影响。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1(a)为实施例所述的断层模型的俯视图；

图1(b)为实施例所述的断层模型的右视图；

图1(c)为实施例所述的断层模型的主视图。

图2为实施例所述的断层模型中的声发射布设孔结构示意图。

图3为实施例所述的断层模型正面的非接触式测量散斑布置图。

图4为实施例所述的断层模型背面的应变片布置图。

图5为实施例所述的实验装置连接示意图。

图6为实施例所述的实验中破裂结构示意图。

图7为实施例所断层破裂的实验中破裂过程不同时刻位移场的高速相机非接触测量结果图。

图8为实施例所断层破裂的实验中破裂过程不同时刻嵌入式声发射探头的测量结果图。

其中：1-1断层面，1-2断层模型正面，1-3断层模型背面，2声发射布设孔，2-1胶水层，3应变片，4非接触式测量散斑，5竖向加载装置，6横向加载装置，7信号发生器，8动态信号采集分析装置，9高速相机，10断层面错动距离，11断层A1错动方向，12断层A2错动方向。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明实施例公开了一种研究断层泥对前震影响的实验装置，如图5所示，包括：断层模型、加载系统和数据处理系统；

其中，所述断层模型为横截面为等腰直角三角形的直三棱柱结构的第一斜切模型和第二斜切模型组成长方体结构；在所述第一斜切模型和所述第二斜切模型的接触面涂有真空脂并撒有断层泥；

所述加载系统包括横向加载装置和竖向加载装置；所述横向加载装置分别对所述第一斜切模型和所述第二斜切模型相对的直角面施加横向载荷；所述横向加载装置分别对所述第一斜切模型和所述第二斜切模型相对的另一直角面施加竖向载荷；

所述数据处理系统获取加载过程中的声音、应变变化、位移，计算前震主震过程中的参数。

进一步，所述断层模型由岩石材料或类岩石材料制备得到。

更进一步，所述断层模型在其四角处具有倒角。

具体地，该断层模型中两个斜切模型的截面组成边长为acm*acm的正方形，模型厚度为bcm，断层面的尺寸为1.414acm*bcm，其四个边角均为15mm*15mm*10mm的三角形倒角。

为了进一步优化上述技术方案，所述数据处理系统包括声发射传感器、信号发生器、应变片、动态信号采集分析装置、高速摄像机和非接触式测量散斑；

所述非接触式测量散斑粘贴在所述第一斜切模型和所述第二斜切模型交接处；所述信号发生器接收到所述声发射传感器发送的声发射信号后产生触发信号，所述触发信号控制高速摄像机和动态信号采集分析装置来同时采集多物理场信息，并利用应变片的应力变化与高速摄像机采集的所述非接触式测量散斑的位移变化分别测量断层面破裂过程的应变场与位移场，利用声发射传感器记录破裂过程的声发射信号。

为了进一步优化上述技术方案，所述声发射传感器安装在所述第一斜切模型或所述第二斜切模型在距离所述对角线的一侧处设有声发射传感器布设孔内，声发射传感器的形心与断层面轴线的投影重合。

具体地，所述声发射布设孔的截面为cmm*dcm的矩形，挖孔深度ecm。声发射布设孔为断层模型背面的矩形挖孔，挖孔的矩形轮廓的四条边分别与断层面边线平行或垂直。

为了进一步优化上述技术方案，所述应变片安装在所述声发射传感器不同的斜切模型上；沿所述断层模型的对角线均匀分布。

优选的，在上述的一种研究断层泥对前震影响的实验装置中，所述非接触式测量散斑粘贴在所述断层模型的对角线的两侧。

具体地，非接触式测量散斑为粘贴在斜切模型上的一系列小直径黑色不透光圆形涂层，在断层模型发生滑动时随之移动，通过高速相机连续拍摄数十张照片，前后比对可获得断层模型的位移变化。

本发明另一实施例公开一种研究断层泥对前震影响的实验方法，包括如下步骤：

加工制备断层模型；

断层模型的加工过程可包括如：

通过初步加工、二次加工得到断层模型，该断层模型的平面结构如附图1～2采用透明类岩石材料聚甲基丙烯酸甲酯制作边长为510mm的二维平面断层45°断层模型，断层模型上半部分称为第一斜切模型，断层模型下半部分称为第二斜切模型，断层模型的两个横截面分别称为断层模型正面1-2和断层模型背面1-3，为防止双轴加载过程中损坏断层模型和顶角处应力集中，将断层模型四个拐角处加工成一个15mm*15mm*10mm的倒角；

在初步加工后的断层模型基础上，在离断层面1-1距离为30mm处且垂直于第二斜切模型的横截面，加工三个的竖直矩形挖孔，作为声发射布设孔2，其横截面尺寸为10*7mm，挖空深度7mm；

设置实验装置，将应变片和声发射传感器固定在所述断层模型上；将非接触式测量散斑粘贴在所述断层模型的对角线两侧；同时，所述信号发生器接收到所述声发射传感器发送的声发射信号后产生触发信号，所述触发信号控制高速摄像机和动态信号采集分析装置来同时采集多物理场信息，并利用应变片的应力变化与高速摄像机采集的所述非接触式测量散斑的位移变化分别测量断层面破裂过程的应变场与位移场，利用声发射传感器记录破裂过程的声发射信号；

进一步的，所述实验装置的设置还可包括以下一些优选实施方式：

在断层模型背面，距离断层面fmm位置处、沿平行于断层面方向以j mm等距设置所述应变片。

在断层模型正面，以断层面为中心线，在断层面两侧平行于断层面布置kcm*l cm的非接触式测量的散斑。

具体地，如附图3-4所示，在第一斜切模型背面处与断层面1相距1mm处位置，以5cm为间距、从断层面中心处向两侧对称布置7个应变片3，同时在断层模型正面近断层位置粘贴非接触式测量的散斑；三个声发射布设孔2内放入嵌入式声发射传感器，并在传感器探头与声发射布设孔挖孔壁面间涂抹胶水层，增加耦合效果。

对所述断层模型进行预应力加载；

在断层模型发生黏滑事件后，通过应变片与高速摄像机分别测量断层模型在断层破裂过程中的破裂速度、应变变化与位移场变化；通过声发射传感器测量记录断层破裂过程中的声发射信号；

改变断层应力状态、断层泥的种类厚度，研究不同条件的断层泥对前震过程的影响；

通过加载系统、应变片及高速摄像机记录的信号，计算前震主震过程中的参数，通过实验或其与理论的结合研究断层泥对前震过程的影响。

其中，计算前震主震过程中的参数包括但不限于破裂速度。

为了进一步优化上述技术方案，所述断层模型为横截面为等腰直角三角形的直三棱柱结构的第一斜切模型和第二斜切模型组成长方体结构。

为了进一步优化上述技术方案，对所述断层模型进行预应力加载，如图5所示，具体步骤如下：

将第一斜切模型或第二斜切模型的断层面上均匀涂抹一层真空脂，在真空脂上均匀的撒上一层断层泥，将所述第一斜切模型和所述第二斜切模型配合，并固定于双轴加载平台中心位置，利用加载系统对断层模型施加固定大小准静态载荷，通过位移加载将双轴加载端与断层模型四周端面紧密接触，将断层模型两侧压力加载到固定荷载，保持X轴方向压力不变，增加竖直方向压力到设定值，以模拟断层构造应力状态。

具体地，将所述断层模型固定于双轴加载平台中心位置，声发射传感器输出端接入信号发生器7和动态信号采集分析装置8中，信号发生器7的输出端接入高速相机9，将应变片3输出端接入动态信号采集分析装置8中，其后通过竖向加载装置5及横向加载装置6分别对断层模型在竖向和横向施加固定大小的准静态载荷，模拟断层构造应力状态。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。