高温高压下红河断裂带断层泥力学性质的研究

断层泥在室温高压下的应力-应变曲线呈非线性、线性等阶段性变形,在高温高压下则呈非线性变形,两者均表现出渐进破坏。含水量、矿物成分和温压条件对变形特征和破坏强度有重要影响。曲线的初始弹性模量小于有效弹性模量。断层泥在温度T≥400℃和σ_3≥300MPa时发生岩化,据此岩化温压条件可估计出未岩化断层泥存在深度将不超过10—15km。由于断层泥具渐进破坏特征,故在高温高压条件下断层泥有利于断层活动呈现稳滑     

高温高压条件下角闪岩脆-塑性转化实验研究

在高温高压条件下开展了天然角闪岩样品的变形实验研究,并且利用偏光显微镜和扫描电镜对实验样品进行微观结构观察,研究了在不同的温压和应变速率条件下角闪石的变形机制。实验结果表明,随着温度升高,样品的应力-应变曲线由强化逐渐转化为屈服,并且出现弱化,样品强度显著降低,随着围压增加,样品强度增大,随着应变速率降低,样品强度降低,压缩方向与样品面理斜交的实验样品强度显著降低。实验变形样品在500℃时,角闪石表现为晶内破裂和碎裂变形,其变形以脆性为主导;在600℃时,样品中发育由角闪石残斑和碎裂基质构成的碎裂组构,部分角闪石晶体出现了波状消光,角闪石以碎裂变形为主,局部具有塑性变形的特征;在700℃时,样品以晶体扭折变形为主,局部出现脱水和细粒微晶,并且含有微破裂,显示了样品以晶体扭折变形为主,含有微破裂,样品变形处于脆-塑性转换域;在800℃时,样品中基本没有发现明显的脆性变形,样品以动态重结晶作用为主,角闪石出现脱水。因此,在实验温压范围内,在500℃→600℃→700℃→800℃条件下,角闪石变形机制表现为脆性破裂→碎裂流动→晶体扭折→动态重结晶和脱水作用,显示了角闪石经历了脆性—脆-塑转化—塑性变形的变形机制。     

热水条件下花岗质糜棱岩的摩擦滑动实验研究

为了探讨大陆地壳断层深部的力学性质,我们选择了采自红河断裂带的糜棱岩作为实验样品,进行热水条件下的高温高压摩擦滑动实验.实验在一个以气体为介质的高温高压三轴实验系统中进行.实验条件是：有效正应力为200 MPa;孔隙水压为30 MPa（在400 ℃到600 ℃之间为超临界水条件）;温度为100 ℃到600 ℃;轴向加载的速率范围从0.04 μm/s到0.2 μm/s再到1 μm/s.实验结果表明：（1）当温度小于300 ℃时,糜棱岩的摩擦强度随着温度的上升而增大;当温度大于300 ℃时,糜棱岩的摩擦强度随着温度的上升而减小.这种趋势和以往花岗岩的摩擦滑动数据基本一致;（2）糜棱岩在200 ℃和400 ℃时表现为速度弱化,其余温度下为速度强化;（3）糜棱岩与已有花岗岩的摩擦滑动数据并不完全一致;（4）花岗质糜棱岩速度弱化向速度强化转变的温度在430 ℃附近,以此我们可以推测：在变形机制为摩擦滑动的深部条件下,地震成核的深度范围可以比以往的估计更深.     

地壳温压条件下迁安石英岩变形破坏的实验研究

本文从实验的角度模拟了地壳温压条件下石英岩的变形破坏,并进行了相应的分区。实验结果表明:石英岩变形性状和失稳形式在不同温压条件下差异悬殊。其中,温度低于450℃时,试件在不同围压下均可能产生突发式失稳,但在围压高于400MPa时,试件剪切破裂贯通后才发生粘滑方式的摩擦滑移。温度高于500℃时,不同围压下的试件一致转变为渐进失稳。在这个过程中,石英岩变形最典型特征是非弹性变形组分的迅速增加。因此,遏制岩石突发失稳的因素之一可能是升温环境中增加的非弹性变形的阻滞作用。     

水对Carrara大理岩强度和变形机制影响的实验研究

采用干燥和含水Carrara大理岩样品,在温度400~700℃、围压300MPa、应变速率10~(-4)/s和10~(-5)/s条件下开展了轴向压缩实验。利用傅里叶变换红外光谱仪,测试了实验样品中的水含量,通过偏光显微镜、扫描电镜与能谱分析了实验变形样品的微观结构。实验力学数据表明,在400℃时,样品表现为应变强化特征;在500~700℃条件下,样品转变为稳态流变。样品强度随温度增加而降低,随应变速率降低而降低;而水对大理岩强度的影响不显著。微观结构分析表明,在400℃时,大理岩以脆性破裂为主,含水样品局部出现压溶。在500℃时干样品和含水大理岩处于脆塑性转化变形域。干样品在600℃时变形以位错滑移为主,而干样品在700℃时和含水样品在600~700℃时,以位错攀移和动态重结晶为主要变形机制。较低的应变速率和较高的水含量促进了压溶作用和动态重结晶。     

高压流体条件下叶蛇纹石摩擦特性及其对俯冲带慢滑移事件的启示

为了探讨在俯冲带构造加载环境中叶蛇纹石矿物的摩擦力学性质,我们使用叶蛇纹石作为实验样品,开展了高压流体条件下的摩擦滑动实验研究.实验在气体介质的高温高压三轴实验系统中进行,实验中的有效正应力为30 MPa,孔隙流体压力为100 MPa,温度范围为100～500℃.实验过程中为了得到叶蛇纹石摩擦强度系数的速度依赖性,我们将轴向加载速率在1.0μm·s^-1、0.2μm·s^-1和0.04μm·s^-1之间进行切换.实验结果发现在实验温度范围内叶蛇纹石的摩擦强度系数随着温度的升高表现出系统的降低趋势,摩擦系数从100℃的0.81降低到500℃的0.41.在高于300℃的温度条件下,叶蛇纹石的剪切力学曲线表现出显著的位移弱化现象.在300℃的温度条件下,叶蛇纹石在0.2～1.0μm·s^-1的加载速率范围内表现出速度强化的摩擦行为,而在0.04μm·s^-1的加载速率下表现为速度弱化.在100～200℃以及400～500℃的温度条件下皆表现为速度强化.我们的实验研究表明在俯冲带地幔楔附近的高压...     

高温高压下石英方解石断层带的摩擦滑动性状

在不同的温度、压力条件下进行了含石英和方解石断层泥标本的摩擦实验。结果表明,石英断层带的摩擦强度对压力的响应直到400℃都很明显,对温度的响应在高温(高于400℃)时才明显;方解石断层带的摩擦强度对温度很敏感,对围压的响应只在低温(200℃)时才明显;随温度升高,石英和方解石断层带均由粘滑转变为稳滑,但前者的转换界限在400℃到500℃之间,而后者在200℃到300℃之间。显微观察表明,上述差异归因于其具体变形机制的差别。      

花岗岩非稳态流变实验

脆塑性转化带对于研究岩石圈变形、断层强度和变形机制以及强震的孕育和发生具有重要意义。文中采用汶川地震震源区彭灌杂岩中具有代表性的细粒花岗岩样品,在固体压力介质三轴实验系统上开展了高温高压非稳态流变实验研究。实验设计模拟了汶川地震区地壳10~30km深度的实际温度和压力,温度为190~490℃,压力为250~750MPa,应变速率为5×10^-4s^-1,利用扫描电镜对实验样品进行微观结构观察。实验力学数据、微观结构及变形机制分析表明,在相当于地壳浅部10~15km深处的低温低压条件下,表现为应变强化,样品具有脆性破裂-半脆性流动的变形特征;在相当于地壳15~20km的深度条件下,随着应变量增加,应力趋于稳态,样品具有脆塑性转化特征;在相当于地壳20~30km的深度条件下,样品具有塑性流动特征。当样品处于半脆性域时发生非稳态流变,主要变形机制为碎裂作用,同时激活了动态重结晶作用、位错蠕变等塑性变形机制。样品强度随着深度不断增大,在深度为15~20km时达到极大值,深度为20~30km时强度逐渐减小。因此,花岗岩的强度随深度的变化规律与微观结构及变形机制均表明,在实验温度和压力条件下,花岗岩具有非稳态流变特征,在15~20km深处,龙门山断裂带处于脆塑性转化带,花岗岩强度达到最大值,该深度与汶川地震的成核深度一致,显示出彭灌杂岩的强度和变形对汶川地震的孕育和发生具有控制作用。     

中地壳断层带内微裂隙愈合与高压流体形成条件的模拟实验研究

地表破裂带调查和地震学反演结果表明,汶川地震发震断层具有高角度逆断层特征.逆断层滑动需要的力学条件为:存在很大的差应力;比较低的摩擦系数;较大的流体压力. 通过对映秀-北川断裂南段出露的糜棱岩研究,得出断层脆塑性转化带变形温度约400～500℃,流动应力约15～80 MPa.     

高温下预应力混凝土安全壳承压性能研究

为了研究温度对预应力混凝土安全壳结构抗压能力的影响,建立考虑预应力钢束的安全壳结构有限元模型,计算分析了高温作用下安全壳结构的径向位移、应变、预应力以及结构开裂等参数随内压变化情况。结果表明:在相同内压作用下,温度越高安全壳结构的变形越大;当安全壳结构内部温度低于200℃时,安全壳承压能力基本不发生变化,即在此温度范围内温度对安全壳承压能力基本没有影响;当安全壳结构内部温度达到300℃时,安全壳的承压能力较常温情况时下降明显。     

EXPERIMENTAL STUDY ON THE EFFECT OF WATER ON THE STRENGTH AND DEFORMATION MECHANISM OF CARRARA MARBLE AT HIGH TEMPERATURE

We performed deformation experiments using Carrara marble in dry and wet conditions under temperature of 400~700℃ and confining pressure 300MPa with two different strain rates. Water contents of deformed samples were measured using FTIR spectroscopy. The microstructure and deformation mechanisms of samples were observed under optical microscopy, scanning electron microscopy and energy spectroscopy analysis. The mechanical data show that samples display strain hardening at 400℃, and transition to steady creep at temperature from 500~700℃. The strength of marble reduced gradually with elevated temperatures or decreased strain rate. However, water effect to the strength of the marble is significantly weak. Microstructures observed show that the deformation is cataclastic flow in dry samples, fracture and pressure solution in wet samples at 400℃. Samples underwent brittle-plastic transition at 500℃. Dislocation glide is major deformation mechanism for dry samples at 600℃. Dislocation climb and dynamic recrystallization are major deformation mechanism for wet samples at 600℃ and for all wet samples and dry samples at 700℃. Lower strain rate and higher water content could promote the process of pressure solution and diffusion as well as dynamic recrystallization.     

蒙脱石的脱水作用对断层摩擦本构行为的影响

利用高温双轴摩擦装置，研究了含蒙脱石的断层带在不同温度下摩擦滑动的速度依赖性，以期了解脱水作用对摩擦行为的影响。结果表明，断层带摩擦强度随温度而升高，而速度依赖性较为复杂，以１．４ｕ／ｓ为界，室温和１００℃时，低滑动速率下表现为微弱的速度弱化，高滑动速率下则表现为速度强化；２００℃时均为速度强化；３００℃时高滑动速率下仍为速度强化，但低滑动速率下转变为速度弱化；４００℃以上，均为明显的速度弱化。摩擦行为的变化与脱水过程及相应的断层物质变形方式的变化密切相关     

水热条件下富层状硅酸盐矿物糜棱岩的摩擦特性实验研究

为探索断层岩石摩擦特性对于断层力学性质的影响,我们采集了龙门山汶茂断裂韧性剪切带中的富含层状硅酸盐矿物的糜棱岩样品进行了水热条件下摩擦滑动实验研究.实验在三轴压机之上完成,实验温度为100~600℃,有效正压力100MPa,孔隙水压分别为30MPa和130MPa.为获得摩擦滑动的稳定性参数(a-b),剪切滑移速率在1.22μm·s-1,0.244μm·s-1和0.0488μm·s-1之间切换.实验发现在200~500℃的温度范围内,摩擦系数随着温度的增加而显著增大(约0.56~0.72).在200~300℃范围内,随温度的升高糜棱岩的摩擦滑动表现出由稳定的速度强化向不稳定速度弱化转变的趋势.在有效正压力不变的情况下,孔隙水压的增大会促进糜棱岩的摩擦滑动在500~600℃温度范围内由不稳定的速度弱化向稳定的速度强化的转变.实验给出的断层在原地深度处的脆性和塑性变形机制的转变,有助于理解断层深部的地震成核机制以及成核的温压条件.     

流体对石灰岩断层摩擦滑动影响的实验研究

在气体介质三轴高温岩石力学实验仪器上,采用意大利Scaglia Bianca石灰岩,在温度50～300℃、围压150MPa,含50MPa孔隙压、无孔隙压含饱和水和完全干燥三种条件下,开展摩擦滑动实验.实验力学数据和显微结构表明,完全干燥样品在120℃时出现慢滑移,实验样品中没有出现溶解与沉淀.无孔隙压含饱和水条件下,100℃、120℃、150℃条件下出现典型的慢滑移,实验样品中含有微弱的溶解与沉淀;300℃条件下出现黏滑,实验样品中出现沉淀.在含50MPa孔隙压条件下,50℃时的实验表现为典型的稳滑,实验样品中以溶解为主;在100～150℃时,出现慢滑移,实验样品中以溶解为主,沉淀为辅;在200～300℃时,出现典型黏滑,实验样品中以沉淀为主.实验结果表明,石灰岩断层泥摩擦滑动稳定性随温度变化,受流体中碳酸钙的溶解和沉淀作用控制,因此,流体中矿物质的饱和度这一化学性质对断层带的摩擦强度和摩擦滑动稳定性具有显著影响.     

FRICTIONAL SLIDING OF PLAGIOCLASE GOUGE UNDER LOWER-CRUST TEMPERATURE AND RELATIVELY LOW EFFECTIVE NORMAL STRESS

The discovery of tremors on the lower crust portion of the San Andreas Fault has attracted more attention on the mechanical properties of the lower crust in recent years, and some experimental studies have been carried out to understand the mechanical behavior. Previous experiments under effective normal stresses of 200MPa have shown that pyroxene and plagioclase mineral separated from the gabbro and their mixtures all show velocity weakening in the lower-crust temperature range, which results in unstable slip when frictional sliding is the dominant deformation mechanism. This work is to examine whether the velocity-weakening behavior of plagioclase gouge also applies to relatively lower effective normal stress. Our experiments were performed under effective normal stress of about 100MPa, with a constant confining pressure control, with pore pressure of 30MPa and temperature of 100℃ to 600℃. We found that the frictional sliding of plagioclase are basically the same with the previous results obtained under effective normal stress of 200MPa, both of which show velocity weakening over the entire temperature range. The only difference is the out-of-trend drop of constitutive parameter a at 600℃ for the lower effective normal stress of 100MPa. It is thus concluded that reducing the effective normal stress has little effect on the sliding stability of plagioclase, and the previous conclusion made for mechanical behavior of the lower crust that unstable slips are possible therein also applies to the lower effective normal stress of 100MPa.     

天然麻粒岩高温流变实验研究

本实验在气体介质三轴高温流变仪上,采用怀安瓦窑口麻粒岩,在温度900～1200℃、围压300 MPa、应变速率10~(-4)～10~(-6)/s条件下,开展高温流变实验.实验样品麻粒岩由斜长石(52%)、单斜辉石和斜方辉石(40%)、石英(3%)、磁铁矿和钛铁矿(5%)组成,矿物平均粒度为:斜长石294μm、单斜辉石和斜方辉石282μm、石英97μm、磁铁矿和钛铁矿109μm.利用傅里叶变换红外光谱仪分析获得变形后样品的水含量约为0.17±0.05wt%.实验样品的强度随温度升高而降低,随应变速率降低而降低.基于力学数据,采用稳态流变方程,获得实验样品在900～1000℃时的应力指数为8.1～12.9,在1050～1150℃时的应力指数为4.8～5.8,平均值5.2.应力指数随着温度升高而降低.显微结构和成分分析表明,在900℃时麻粒岩出现矿物压扁与定向拉长特征,样品以位错滑移和微破裂变形为主;在950～1000℃时,麻粒岩样品中颗粒边界变得圆滑,表现出位错攀移特征,辉石和磁铁矿边缘出现微量熔体;在1050～1200℃时麻粒岩出现部分熔融,而且随着温度和实验时间(应变)增加,熔体含量增加,熔体结晶出微粒斜长石、辉石和橄榄石,部分辉石通过固体反应生成橄榄石.颗粒边界熔体和矿物反应促进了扩散作用,导致位错攀移和熔体引起的扩散蠕变共同控制了麻粒岩的高温流变.     

水热作用条件下蛇纹石断层泥的摩擦强度和速度依赖性及其地震地质意义

在恒定的正应力和孔隙压力、不同温度下测量了三种蛇纹石断层泥摩擦强度的速度依赖性。在室温下，纤蛇纹石具有很低的摩擦系数（０．２～０．２５），而利蛇纹石和叶蛇纹石的摩擦系数较高，分别为０．３９和０．４５左右。在２５～２００℃范围内，温度变化对纤蛇纹石和叶蛇纹石强度的影响不明显，而利蛇纹石的摩擦系数随温度升高明显增加。室温下，三种蛇纹石的摩擦在较快的滑动速率下表现为微弱的速度弱化，而在较慢的滑动速度下为明显的速度强化，温度的提高有促使速度弱化向速度强化转变的趋势。研究表明，蛇纹石的存在有利于断层的无震蠕动，但这种影响可能主要限于浅部；尽管纤蛇纹石是最软弱的造岩矿物之一，但仍不足以解释圣安德烈斯断层的软弱性