同震温度响应机制系列之一：绝热应力变化温度响应定量测试新进展

杨小秋，2020年4月17日

断裂带同震温度响应，可在震后钻孔测温中获得并识别，为发震断层摩擦特性与发震机制等基础研究提供了非常独特的思路和有效手段。本人通过仔细分析1999年台湾集集地震、2008年汶川地震及2011年日本东北地震震后钻孔测温数据发现：断裂带地震滑移面上下5~20 m范围内存在温度正异常，这是同震摩擦生热所致，该机制已被广泛认识和接受；同时，距滑移面20~60 m范围内也存在明显的温度负异常，其峰值虽然只有正异常峰值的1/4~1/3，但其分布范围却是正异常的3~4倍。也即正负温度异常对应的总能量相当。但断裂带同震温度负异常的成因机制还未被真正关注和认识。

为深入研究断裂带同震温度负异常机制，我们于2014年前往龙门山断裂带(2008年汶川地震破裂带)开展野外调查与采样(图1)。随后基于前期自主研发的高稳定性、高分辨率(1.0 mK)测温技术，与京都大学林為人教授(2016年就职于高知岩芯研究所)合作，采用液压瞬间加、卸载技术，自主研制了岩石应力瞬间加、卸载温度响应测试系统(图2a、2b)。该系统可瞬间打开两个耐压灌之间的排泄阀，使得1 s内，一个耐压灌内的围压瞬间降低，而另外一个耐压灌内的围压瞬间升高，随后的10~20 s内，耐压灌内硅油的温度变化还未影响到岩石样品中心，从而正真实现了岩石样品的绝热增压(或减压)。通过实时监测耐压灌内围压和岩石样品温度变化，即可获得岩石绝热应力变化的温度响应系数(β=(∂T/∂P)_s)(如图2c、2d )。

基于上述测试系统，对采自龙门山断裂带和台湾车笼埔断裂带15块代表性岩样(图1)，系统地开展了干燥岩石绝热应力变化温度响应定量测试。结果表明：1) 绝热条件下，岩石应力瞬间降低(或增大)时，其内能瞬间减小(或增大)，从而使得其温度降低(或升高)。证实了绝热应力释放导致温度降低这一机制; 2) 地壳常见岩石在干燥条件下，火成岩和变质岩的绝热应力-温度响应系数(2.5-3.2 mK/MPa)明显低于沉积岩(3.5-6.2 mK/MPa)；3) 干燥岩石的绝热应力-温度响应系数与体积模量K存在较好的线性关系。

本系列工作，不仅为今后开展野外地温监测反演构造应力场变化，以及估算岩层绝热应力-温度响应系数的分布提供了非常坚实的基础；同时，也为深入研究发震断层同震应力与温度响应机制提供了新视角，对今后防震减灾工作具有实际指导意义。

图1 汶川地震龙门山断裂带野外地质调查、采样(2014年10月)及台湾车笼埔断裂带ICDP钻孔样品获取

图2 岩石应力瞬间加、卸载温度响应测试系统示意图(a)与实物工作照(b)及龙门山断裂带须家河组砂岩应力瞬间加载(c)、卸载(d)温度响应实验结果

   基于上述工作，已授权发明专利与软件著作权：

[1] 杨小秋, Weiren Lin, Osamu Tadai, 曾信, 施小斌等. 一种岩石绝热应力变化的温度响应系数测试系统, 发明专利, ZL 2016 1 0089849.X, 2017-06-23

[2] Xiaoqiu Yang, Weiren Lin, Osamu Tadai, Xin Zeng, Xiaobin Shi, et al. System for determining the adiabatic stress derivative of temperature for rock, US 10,215,723 B2, 2019-02-26

[3] 杨小秋. 岩石应力变化温度响应正演软件, 2017SR247887, 2017-06-08

            已刊研究论文：

[1] 杨小秋, 林為人, 葉恩肇, 许鹤华, 徐子英.断裂带同震温度负异常机制分析. 地球物理学报, 2020, 63(4): 1422-1430, doi:10.6038/cjg2020M0638 (论文链接: http://html.rhhz.net/dqwlxb/2020-4-1422.htm)

[2] Xiaoqiu Yang, Weiren Lin, Osamu Tadai, Xin Zeng, En-Chao Yeh, Chuanhai Yu, Haibing Li, Huan Wang. Experimental and numerical investigation on temperature response to stress changes of rocks. Journal of Geophysical Research: Solid Earth, 2017, 122(7): 5101-5117, DOI: 10.1002/2016JB013645 (论文链接: https://agupubs.onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/2016JB013645%4010.1002/%28ISSN%292169-9356.UPPERCRUST1)