表里不一-stress

这段话解释了为什么在**光滑断层(Smooth Fault)实验中,科学家观测到了"表里不一"**的现象:虽然外部施加的力方向是固定的,但断层内部微破裂(AE)所反映出的受力方向却发生了偏转(旋转)。

以下是这一结论的详细物理及地质力学解释:

1. 核心现象:局部与全局的"脱节"

远场应力(Far-field Stress):这是实验机器施加在整个岩石样品上的宏观应力。在这个实验中,它是固定的、已知边界条件的 。

反演应力(Inverted Stress) :这是通过分析断层内部的声发射(AE)信号反推出来的应力。结果显示,断层内部感受到的最大主应力(\\sigma_1)方向与外部施加的方向偏差了约 20\^\\circ

原因:因为绝大多数 AE 事件都紧紧聚集在**主滑移带(Principal Slip Zone)**周围,它们反映的是断层核心区那个微小环境下的局部应力状态,而非整块岩石的平均状态 。

2. 为什么应力会发生旋转?

文中提出了两个主要的物理机制来解释这种局部扰动:

A. 剪切断层作用与塑性流动 (Shear Faulting / Plastic Flow)

物理图景 :断层带内部并非静止的刚体。随着滑动的进行,断层核心区会形成断层泥(Gouge)并发生剪切流变或塑性流动 。

机制:根据 Dresen (1991) 等人的理论,当断层带内部发生这种非弹性变形(如颗粒破碎、旋转、塑性屈服)时,为了维持力学平衡并促使滑动继续,局部的最大剪切应力方向会自动调整(旋转),使其更贴合滑移面 。

  • 结果:这种内部的"物质重组"导致了应力场的局部扭曲。
B. 弹性性质的差异 (Contrasting Elastic Properties)

软硬差异:断层带由于损伤、破碎和微裂隙的发育,其刚度(Stiffness)通常比周围完整的"强"围岩(Host Rock)要低,也就是更"软" 。

  • 应力折射:这类似于光学中的折射原理。当力线从"硬"材料进入"软"材料时,应力轨迹会发生偏转。

机制:根据 Rice (1992) 的理论,在一个被强岩石包裹的弱带中,为了满足应力连续性条件,最大主应力 \\sigma_1 往往会旋转,变得更倾向于垂直于断层面(变得更陡) 。这与我们在图 5(e) 中观察到的 \\sigma_1 向中心靠拢(变得更陡)是一致的。

总结

这段话的结论是:断层不是被动地传递外部应力,它会创造自己的"微观力学环境"。

由于断层带变软了 (弹性差异)且正在发生剧烈变形 (剪切断层作用),它像一个透镜一样改变了穿过它的力线方向。因此,我们在断层上记录到的微地震(AE),是对这个扭曲后的局部应力场的响应,而不是对远处机器施加力的直接响应 。