CN114005347A - 研究地震动态触发的实验装置与方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种研究地震动态触发的实验装置与方法，所述实验装置包括以下断层模型：该模型为在一个具有正方形横截面的长方体上沿其横截面对角线斜切的两个形态相同的斜切模型组成，该两个斜切模型的接触面、即其沿所述对角线斜切后形成的相对面为断层面，其中一个斜切模型在距离所述对角线的一侧处设有爆炸孔和固定于该爆炸孔内的爆炸丝，所述断层面具有一定的粗糙度，且所述断层模型由岩石材料或类岩石材料制备得到。本发明首次提出了实验室条件下的地震动态触发实验方法，为探明地震波触发地震机理提供了可能。

Description

研究地震动态触发的实验装置与方法

技术领域

本发明涉及地球物理学构造物理的技术领域。

背景技术

地震动态触发是指大地震快速破裂激发的地震波传播到某些地区，从而引发地震活动的地球物理现象。自上世纪末研究人员观测到动态触发地震以来，地震动态触发的机理一直是地震学的国际研究热点和前沿。地震触发的一个独特特征是波的到达和由此触发的地震之间的时间延迟，如在浅层构造和深部构造中，通常都能观测到双重地震(具有两个或两个以上类似震级的主震序列)，这些地震发生的距离很近，时间间隔从几十秒到几年，或在远距离下，时间延迟可以接近于零(即瞬时触发)，或者长达数周。

地震波的频率及幅值对触发起着控制作用。研究人员发现当大地震的面波经过地震台站后，其监测的地震活动速率成倍增加，这是由于面波在地壳中传播时衰减少，振幅大，更容易触发地震。此外，研究人员在分析地震后的余震分布和破裂方向性时，发现在9次有单边破裂的地震中，有8次在其破裂方向上产生了更大的近场地震活动。

但现有研究关于地震动态触发的机理仍不清晰，关于触发地震的研究在天然地震尺度上较多，并且主要通过地震台站的地震波记录来进行分析，无法观察地震动态触发全过程的变化量。此外由于各个动态触发区域的地质构造、赋存环境以及断层应力水平存在差异，基于实际观测得到的结论不具有普适性。

发明内容

本发明的目的在于提出一种研究地震动态触发的实验装置与方法，该装置与方法能够模拟应力波扰动断层后的地震动态触发现象，可实现不同频率、幅值的应力波和不同断层面条件下的地震动态触发过程，可同时记录断层滑动过程的破裂速度、应力变化和全过程位移场变化，弥补了现有技术中触发地震研究的不足，解决了现有技术中无法观测动态触发全过程的问题。

本发明首先公开了如下的技术方案：

一种研究地震动态触发的实验装置，其包括以下断层模型：该断层模型为在一个具有正方形横截面的长方体上沿其横截面对角线斜切的两个形态相同的斜切模型组成，该两个斜切模型的接触面、即其沿所述对角线斜切后形成的相对面为断层面，其中一个斜切模型在距离所述对角线的一侧处设有爆炸孔和固定于该爆炸孔内的爆炸丝，所述断层面具有一定的粗糙度，且所述断层模型由岩石材料或类岩石材料制备得到。

其中所述类岩石材料是指可用于模拟岩石物理特性的材料。

根据本发明的一些优选实施方式，所述类岩石材料选自聚甲基丙烯酸甲酯。

根据本发明的一些优选实施方式，所述爆炸丝通过插入所述爆炸孔内、并与其内壁粘合的爆炸丝夹持件固定。

根据本发明的一些优选实施方式，所述爆炸孔为圆柱形贯通孔。

根据本发明的一些优选实施方式，所述爆炸丝夹持件为由两个可夹持爆炸丝的半圆柱棒组成。

根据本发明的一些优选实施方式，所述断层模型在其四角处具有倒角。

根据本发明的一些优选实施方式，所述断层模型中，所述爆炸丝的设置位置为距所述对角线中心的垂直距离为0～0.707a cm处，其中，a表示所述正方形横截面的边长。

根据本发明的一些优选实施方式，所述实验装置还包括：测试组件、电测系统、光学采集系统和动态触发系统，其中，所述电测系统根据所述测试组件的变化测定实验中的电流变化和应变变化；所述光学采集系统根据所述测试组件的变化测定实验中的全场位移场变化情况；所述动态触发系统用于模拟天然地震动态触发环境。

根据本发明的一些优选实施方式，所述测试组件包括电流环、信号发生器、设置于所述断层模型一表面的多个应变片及设置于所述断层模型另一表面的非接触式测量散斑；所述电测系统包括动态信号采集分析装置；所述光学采集系统包括高速相机；所述动态触发系统包括高压电源、竖向载荷加载装置和横向载荷加载装置。

根据本发明的一些优选实施方式，所述竖向载荷加载装置和横向载荷加载装置选自双轴加载系统。

根据本发明的一些优选实施方式，所述装置中，所述电流环套过所述高压电源的导线、其输出端与所述信号发生器相连；所述信号发生器的输出端分别与所述高速相机和所述动态信号采集分析装置相连；所述应变片的输出端与所述动态信号采集分析装置相连。

本发明进一步提供了基于上述实验装置进行地震动态触发实验的方法，其包括：

在所述断层模型背面、沿所述断层面中心对称粘贴多个应变片，在所述断层模型正面、沿所述断层面周围布置非接触式测量散斑，并完成实验装置的连接；

向所述断层模型的端面处施加竖向和横向的固定大小的准静态载荷；

向所述断层模型的端面处施加竖向和横向的固定大小的准静态载荷；

通过高压电源引爆所述爆炸丝，并在引爆前后及其过程中，通过电测系统记录爆炸丝电流变化和断层面应变变化情况，通过光学采集系统记录断层面位移场变化情况，通过动态触发系统测量爆炸过程中竖向载荷和横向载荷加载装置应力变化情况；

根据记录数据，进行实验研究。

根据本发明的一些优选实施方式，所述方法还包括，调整实验装置和其参数，记录所述调整前后的电流变化情况、应变场和位移场变化情况，根据记录数据进行实验研究；其中，所述调整的对象包括以下一种或多种：

所述高压电源产生的引爆电压；所述爆炸孔的位置和其数量；所述断层模型加载方式；所述断层面的粗糙程度；通过所述断层模型的材料反映的所述断层模型的弹性模量。

其中，所述断层模型加载方式可如直接加载上述由两个形态相同的斜切模型组成的单一长方体断层模型；也可如实验室地震研究中的另外两种常见加载方式，更具体如：加载由两块长方体断层模型形成的单剪实验模型；加载由三块长方体断层模型组成的双剪实验模型等，所述不同加载方式的断层模型的断层面可为平直断层，也可为拐折断层。

根据本发明的一些优选实施方式，所述实验研究包括获得应力波触发断层破裂过程中的平均破裂速度，断层的应力状态，断层的成核长度、动态触发延迟时间等，该方法通过将天然地震动态触发尺度缩小到实验室地震尺度来可重复性地观测动态触发全过程的多物理场变化规律。

本发明包括以下有益效果

本发明通过特定的实验装置和其对应的实验方法可将应力波触发断层破裂缩小为实验室尺度，根据该实验装置和实验方法可获得接近真实地震波扩散的应力波，进而根据实验中应力波触发断层面的错动过程实现对地震动态触发的较为准确的模拟。

在本发明的一些具体实施方式中，通过双轴加载系统可最高模拟1000kN的构造应力，并可结合数字图像相关技术(DIC)对断层滑动全过程的位移场进行精准测量。

附图说明

图1为实施例所述的断层模型的三视图。

图2为实施例所述的断层模型中的爆炸孔结构示意图。

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为实施例所述的应力波触发断层破裂的实验装置连接示意图。

图6为实施例所述的应力波触发断层破裂的实验中破裂结构示意图。

图7为实施例所述应力波触发断层破裂的实验中破裂过程不同时刻(ti)位移场的高速相机非接触测量结果图。

其中：1-1断层面，1-2断层模型正面，1-3断层模型背面，2爆炸孔，2-1爆炸丝，2-2爆炸孔壁，2-3胶水层，a第一部件，b第二部件，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高压电源，8柔性电流环，9信号发生器，10动态信号采集分析装置，11高速相机，12断层面错动距离，13断层A1错动方向，14断层A2错动方向。

具体实施方式

以下结合实施例和附图对本发明进行详细描述，但需要理解的是，所述实施例和附图仅用于对本发明进行示例性的描述，而并不能对本发明的保护范围构成任何限制。所有包含在本发明的发明宗旨范围内的合理的变换和组合均落入本发明的保护范围。

根据本发明的技术方案，一种研究地震动态触发的实验方法，包括以下步骤：

第一步：获得加工后的断层模型；

其中，更具体的，该断层模型中两个斜切模型的截面组成边长为a cm*a cm的正方形，模型厚度为b cm，断层面的尺寸为1.414a cm*b cm，其四个边角均为15mm*15mm*10mm的三角形倒角，其中，断层面粗糙度为0.01～10μm。

进一步的，该断层模型还存在以下一些优选实施方式：

爆炸孔的中心距离所述断层面0～0.707a cm，并位于另一对角线上，为垂直的圆柱形贯通孔。

所述爆炸孔的截面为Φc mm*b cm的圆形。

所述爆炸丝夹持件由两个半圆柱棒组成，该两个半圆柱棒可组合为横截面为Φcmm*b cm的圆形的圆柱体。

所述爆炸丝夹持件将爆炸丝夹持并塞入爆炸孔后，夹持件夹住爆炸丝后塞入爆炸孔中，其后旋转夹持件使两者间的切断面与断层面平行(即与水平边线成45°夹角)，在其四周涂抹胶水进行固定。

进一步的，在具体实施中，断层模型的加工过程可包括如：

采用类岩石材料聚甲基丙烯酸甲酯制作基础长方体模型并经倒角处理，得到含倒角处理的基础模型；

沿正方形截面的对角线对断层模型进行45°斜切，得到两个斜切模型；

通过喷砂对断层面(斜切模型的相对面)进行粗糙度处理，以及利用0.01μm精度粗糙度仪控制其各处粗糙度均一，得到粗糙断层面；

在断层面加工完成后，二次加工爆炸孔；

通过与基础长方体模型相同的材料制作爆炸丝夹持件，所述夹持件优选由两个半圆柱棒组成，该两个半圆柱棒可组合为一个完整的圆柱体。

第二步：设置实验装置

其中，更具体的，所述实验装置包括：所述断层模型、测试组件、电测系统，光学采集系统、动态触发系统，其中，所述电测系统包括动态信号采集分析装置，所述测试组件包括柔性电流环、信号发生器、设置于断层模型背面的应变片及设置于断层模型正面的非接触式测量散斑；所述光学采集系统包括高速相机，所述动态触发系统包括高压电源、竖向载荷加载装置和横向载荷加载装置。

其组合形式包括：将柔性电流环套过高压电源的导线，柔性电流环的输出端接到信号发生器中，信号发生器的输出端分别接到高速相机和动态信号采集分析装置上，并且应变片的输出端也接到动态信号采集分析装置上。

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e mm位置处、沿平行于断层面方向以fmm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j cm*k cm的非接触式测量的散斑。

第三步：对所述断层模型进行预应力加载；

更具体的，其可包括：将所述断层模型固定于双轴加载平台中心位置，对断层模型施加固定大小准静态载荷，如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，改变加载方式为力加载，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；

第四步：引爆爆炸丝，以模拟应力波作用于断层面上；

更具体的，所述引爆可通过高压电源装置实现，如将高压电源充电到指定电压后进行释放，其放电过程中产生的电磁信号触发柔性电流环从而同步触发光学采集系统和电测系统，实现对触发地震同震位移场的瞬态演化过程观测和摩擦模型的各个基本参数确定。

第五步：在爆炸丝引爆后，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；

第六步：改变高压电源和爆炸孔参数及断层几何形态、应力状态、断层面粗糙程度等，研究不同条件的应力波对断层破裂过程的影响；

更具体的，所述动态扰动源激发装置参数包括：爆炸电压值大小、爆炸孔沿断层模型的分布位置、爆炸孔数量；

第七步：通过双轴加载平台、应变片及高速摄像机记录的信号，计算动态触发地震过程中的主要参数，通过实验或其与理论的结合研究地震动态触发机制。

其中，所述主要参数包括破裂过程中的破裂速度，断层的应力状态，断层的成核长度、动态触发延迟时间等。

以上实施方式中，各未明确的数值指代量，如a、b、c、e、f、j、k等可根据实际需要自由选择。

实施例1

一种研究应力波触发断层错动实验方法，步骤如下：

第一步：通过初步加工、二次加工及精细处理得到断层模型，该断层模型的平面结构如附图1～2所示，所述初步加工包括得到斜切模型、进行倒角设计，二次加工包括得到爆炸孔2和爆炸丝夹棒，精细处理包括得到粗糙度均一的断层面1-1；具体加工过程包括：

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A1，断层模型下半部分称为A2，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，利用喷砂机进行断层面粗糙度处理，配合0.01μm精度粗糙度仪控制断层面粗糙度均一性；

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A2的横截面，加工一个贯穿A2的竖直圆柱孔，作为爆炸孔2，其横截面直径为7mm；

此后制作一个Φ7mm*10mm的圆柱棒作为爆炸丝夹持件，并沿其竖轴方向切成两个组件，即爆炸丝夹持件的第一部件a和第二部件b；

通过第一部件a和第二部件b组成的夹持件夹住爆炸丝2-1后塞入爆炸孔2中，其后旋转部件a和b使两者间的切断面与断层面1平行(即与水平边线成45°夹角)，其后在部件a和b与爆炸孔2的壁面2-2之间涂抹胶水层2-3，增加耦合效果。

第二步：布置多物理场观测装置，具体包括：

如附图3-4所示，在断层模型A1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；

第三步：断层模型预应力加载，如附图5所示，将断层模型固定于双轴加载平台中心位置，高压电源7输出端导线穿过柔性电流环8，柔性电流环8的输出端接入信号发生器9中，信号发生器9的输出端分别接入高速相机11和动态信号采集分析装置10，将应变片3输出端接入动态信号采集分析装置10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；

第四步：利用高压电源7向爆炸丝2-1释放瞬间高电压，则爆炸丝爆炸产生应力波扰动断层面1，直至断层面1在A1错动方向13与A2错动方向14之间产生错动发生‘地震’，基于该错动，两个斜切模型的断层面产生滑动位移12，如附图6所示。

第五步：通过柔性电流环8接收高压电源7的释放信号，然后将信号传递到信号发生器9中，同时释放触发电压给高速相机11和动态信号采集分析装置10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，可得到如附图7所示的应力波触发“地震”破裂过程中不同时刻(ti)的位移场的高速相机非接触测量结果，则可分析计算得到平均破裂速度如下：

其中，V_rup平均破裂速度，i表示时间，D_i表示ti时刻破裂扩展前端在断层面上的位置，即位移场图7中深色扩展区域的前端对应的断层面位置。

第六步：改变爆炸参数与断层面参数对断层破裂过程的影响，其中包括爆炸电压、爆炸孔位置、爆炸孔数量及断层结构参数与应力状态；

第七步：通过应变片与高速摄像机记录的实验数据，计算地震动态触发破裂过程中的破裂速度，断层的应力状态，断层的成核长度、动态触发延迟时间等，通过实验和理论研究应力波与断层破裂的关系。

以上实施例仅用于展示本发明的部分实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例。凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应该指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下的改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种研究地震动态触发的实验装置，其特征在于，其包括以下断层模型：该断层模型为在一个具有正方形横截面的长方体上沿其横截面对角线斜切的两个形态相同的斜切模型组成，该两个斜切模型的接触面、即其沿所述对角线斜切后形成的相对面为断层面，其中一个斜切模型在距离所述对角线的一定距离处设有爆炸孔和固定于该爆炸孔内的爆炸丝，所述断层面具有一定的粗糙度，且所述断层模型由岩石材料或类岩石材料制备得到。

2.根据权利要求1所述的实验装置，其特征在于，所述爆炸丝通过插入所述爆炸孔内、并与其内壁粘合的爆炸丝夹持件固定。

3.根据权利要求2所述的实验装置，其特征在于，所述爆炸孔为圆柱形贯通孔；所述爆炸丝夹持件为由两个可夹持爆炸丝的半圆柱棒组成；所述断层模型在其四角处具有倒角。

4.根据权利要求1所述的实验装置，其特征在于，所述断层模型中，所述爆炸丝的设置位置为距所述对角线中心的垂直距离为0～0.707a cm处，其中，a表示所述正方形横截面的边长。

5.根据权利要求1所述的实验装置，其特征在于，其还包括：测试组件、电测系统、光学采集系统和动态触发系统，其中，所述电测系统根据所述测试组件的变化测定实验中的电流变化和应变变化；所述光学采集系统根据所述测试组件的变化测定实验中的全场位移场变化情况；所述动态触发系统用于模拟天然地震动态触发环境。

6.根据权利要求6所述的实验装置，其特征在于，其中，所述测试组件包括电流环、信号发生器、设置于所述断层模型一表面的多个应变片及设置于所述断层模型另一表面的非接触式测量散斑；所述电测系统包括动态信号采集分析装置；所述光学采集系统包括高速相机；所述动态触发系统包括高压电源、竖向载荷加载装置和横向载荷加载装置。

7.根据权利要求6所述的实验装置，其特征在于，其中，所述电流环套过所述高压电源的导线、其输出端与所述信号发生器相连；所述信号发生器的输出端分别与所述高速相机和所述动态信号采集分析装置相连；所述应变片的输出端与所述动态信号采集分析装置相连。

8.根据权利要求1-7中任一项所述的实验装置进行地震动态触发实验的方法，其特征在于，包括：

在所述断层模型背面、沿所述断层面中心对称粘贴多个应变片，在所述断层模型正面、沿所述断层面周围布置非接触式测量散斑，并完成实验装置的连接；

向所述断层模型的端面处施加竖向和横向的固定大小的准静态载荷；

通过高压电源引爆所述爆炸丝，并在引爆前后及其过程中，通过所述电测系统中的所述动态信号采集分析装置记录所述电流环反馈的电流变化数据、获得爆炸丝电场变化，通过所述光学采集系统中所述高速相机拍摄得到不同时刻所述非接触式测量散斑的照片、根据DIC处理获得断层面位移场变化情况；通过所述动态触发装置中进一步设置的力传感器测量得到爆炸过程所述中竖向载荷加载装置和所述横向载荷加载装置应的力变化情况；

根据记录数据，进行实验研究。

9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，其还包括，调整实验装置和其参数，记录所述调整前后的电流变化情况、应变场和位移场变化情况，根据记录数据进行实验研究，其中，所述调整的对象包括以下一种或多种：

所述高压电源产生的引爆电压；所述爆炸孔的位置和其数量；所述断层模型的加载方式；所述断层面的粗糙程度；通过所述断层模型的材料反映的所述断层模型的弹性模量。

10.根据权利要求8或9所述的方法，其特征在于，所述实验研究包括获得应力波触发断层破裂过程中的破裂速度，断层的应力状态，断层的成核长度和动态触发延迟时间等。

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