热水条件下斜长石和辉石断层泥的摩擦滑动研究

在热水条件下对辉长岩的2种主要组成矿物斜长石和辉石进行了摩擦滑动实验研究。结果表明:1)斜长石在整个实验温度范围内(<607℃)显示速度弱化,而辉石除了在200℃附近表现出微弱的速度强化外,在其他温度范围也都表现为速度弱化;2)斜长石在低温时强度随温度的升高而略有增加,高温时强度则随温度的升高而降低。辉石的摩擦强度随着温度的增加没有系统性的变化,在0.74上下波动;3)在热水条件下辉长岩的摩擦性质并不是这2种主要矿物的叠加,有可能是辉长岩中的次要矿物的存在导致了辉长岩的速度强化;4)本实验所得热水条件下的实验结果与干燥条件下的结果有很大差异,再一次表明水的存在极大地影响了岩石的摩擦稳定性     

模拟断层泥摩擦滑动速度依赖性转换的实验研究

基于岩石摩擦的速率-状态摩擦定律,速度弱化是断层失稳的必要条件,速度弱化向速度强化的转换控制着断层从不稳定滑动向稳定滑动的转换.因此,断层摩擦滑动的速度依赖性转换涉及断层带上地震活动特征、地震成核深度以及慢地震机制等重要问题.     

硬石膏断层带摩擦稳定性转换与微破裂特征的实验研究

断层带摩擦稳定性转换及其对应的微破裂特征对于地震成核条件和慢地震机理研究具有重要的意义.本文利用双轴实验装置研究了硬石膏断层带摩擦稳定性的转换及其对应的应变变化、微破裂特征,并分析了实验标本的微观结构.实验结果表明,σ₂和加载点速度对断层滑动稳定性具有显著影响.在低σ₂条件下,硬石膏断层带出现不稳定滑动,变形以局部化的脆性破裂和摩擦为主;随σ₂的增加,断层由不稳定滑动向稳定滑动转换,断层带变形方式逐渐转变为分布式的破裂.在低σ₂条件下,硬石膏断层带在较低加载点速度下表现为速度强化且滑动稳定,在中等加载点速度下表现为速度弱化并伴有准周期性的黏滑,在较高加载点速度下又有转向速度强化的趋势,σ₂的提高使得速度弱化的范围逐渐减少,滑动趋于稳定.上述两次转换对应不同的微破裂特征,在较高速度下从速度弱化转换为速度强化时,断层滑动伴有能量较小但频度很高的微破裂活动,而在较低速度下从速度弱化转换为速度强化时,断层滑动伴有间歇性的微破裂,这与断层带的微观结构特征有较好的对应关系,表明其转换机制是不同的.     

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.     

白云母对岩盐断层带摩擦速度依赖性影响的实验研究

为更好地理解层状硅酸盐对断层强度、滑动速度依赖性及地震活动特征的影响,利用双轴摩擦实验对含白云母岩盐断层带在干燥及含水条件下摩擦的速度依赖性进行了实验研究,并观测了摩擦滑动过程中的声发射,分析了断层带的微观结构.实验结果表明,干燥条件下含白云母岩盐断层带在0.1 ～ 100μm/s的速度范围内表现为黏滑和速度弱化,增大σ2会使断层带从速度弱化向速度强化转化,速度依赖性转换出现在0.1 μm/s,其中断层滑动表现为稳滑或应力释放时间较长的黏滑事件;含水条件下含白云母岩盐断层带在0.05 ～0.01μm/s的速度范围内表现为速度强化,0.1 ～10μm/s的速度范围内表现为速度弱化,50～100μm/s的速度范围内又转换为速度强化行为.含白云母岩盐断层带在干燥条件下一次黏滑伴随一个或一丛声发射事件,而在含水条件下与稳滑相对应,滑动过程中并未记录到声发射事件.显微结构观察表明,速度弱化域的主要变形机制是岩盐颗粒的脆性破裂和局部化的滑动;干燥条件下,速度强化域的主要变形机制是岩盐颗粒的均匀破裂;含水条件下2个速度强化域对应不同的微观机制,高速域的速度强化受控于岩盐颗粒在白云母相互连结形成的网状结构上的滑动及其均匀碎裂作用,而低速域的速度强化还受岩盐的压溶作用控制.通过与岩盐断层带摩擦实验结果对比可知,白云母的存在对于燥岩盐断层带摩擦滑动方式和速度依赖性没有显著影响,而在含水条件下白云母的存在使得岩盐断层带滑动趋于稳定.实验结果为分析含层状硅酸盐断层的强度和稳定性提供了依据.此外,在速度依赖性转换域上观察到的应力缓慢释放的现象进一步证实了在岩盐断层带摩擦滑动过程中观察到的现象,这对慢地震机制研究具有参考意义.     

基性岩摩擦本构参数与下地壳地震成核的可能性

摩擦滑动的力学行为能够很好地由速率和状态依赖性摩擦本构关系来描述。文中对地壳岩石滑动稳定性的控制因素进行了综述:1)微小扰动对摩擦滑动的影响分析(线性分析)表明,摩擦滑动中不稳定产生的重要条件是速率依赖性参数a-b<0,在这种条件下,地震滑动可以在断层上成核;2)下地壳的水含量测定表明,可能存在“干”、“湿”两种情况,而已有岩石流变实验结果表明稳定大陆内部下地壳在干燥条件下为脆性变形行为;3)近年来发现一部分强震发生在基性的下地壳,使辉长岩高温高压摩擦实验受到重视。干燥条件下辉长岩的摩擦实验研究表明,在420~615℃的温度范围内,速度弱化可能是典型的滑动行为。综合考虑较冷大陆内部下地壳可能出现的“干燥”条件以及在此条件下不大可能发生塑性流动等相关因素,这一结果可能就是在一些地区下地壳发生地震的原因     

龙门山断裂带断层泥中速-高速摩擦性质的实验研究

为了认识龙门山断裂带在汶川地震中的同震滑动力学性质,我们对龙门山断裂带地表断层带露头上的断层泥及少量WFSD-1断层泥开展了中速-高速摩擦实验研究。主要关注的问题包括：龙门山断裂带高速摩擦性质及其不均匀性、震后断层强度恢复问题、高速滑动可能的主导弱化机制问题和宽速度域内摩擦滑动速度依赖性问题。     

热水条件下透辉石的摩擦本构特征

为了研究下地壳主要造岩矿物之一的辉石在摩擦滑动中的力学性质,本文选择辉石中的透辉石作为实验样品,在约200 MPa有效正应力（30 MPa孔隙水压）及100~600℃的热水条件下进行了速度阶跃摩擦滑动实验,在滑动开始后将剪切滑动速率在0.122 μm·s^-1和1.22 μm·s^-1之间进行切换来确定摩擦滑动对速度变化的响应.通过实验发现：透辉石在102~200℃表现为速度强化,随着温度升高,在约215℃附近从速度强化转变为速度弱化.在310℃以上,速度弱化的程度受温度的影响不大,而且摩擦本构参数a值和b值随温度的变化趋势相同.对变形样品的显微观测发现,与其速度强化行为相对应的微观变形主要以数条平行的R1剪切为主,卸样时造成的裂纹集中在R1剪切内部,形态长而曲折;与其速度弱化行为相对应的断层泥内部,剪切带变窄且数量明显增加,在内部互相连接,在边界附近多发育B剪切,卸样时形成的裂纹大量存在于B剪切带与R1剪切附近,形态短且平直.     

断层同震滑动的实验模拟——岩石高速摩擦实验的意义、方法与研究进展

岩石摩擦实验是断层力学和震源物理实验研究中主要的手段之一.传统低速率的岩石摩擦实验与以之为基础建立的速率状态变量摩擦本构关系理论体系,对于认识断层摩擦滑动稳定性和地震成核等地震成因机制问题具有重要意义.近20年来,断层力学领域兴起了用于模拟断层同震动态滑动的岩石高速摩擦实验.这种新的实验模拟方法揭示出断层同震滑动存在明显的摩擦生热效应,断层的力学性状主要表现为显著的滑移弱化和速度弱化,断层带物质在断层高速滑移过程中经历了各种复杂的物理化学变化.这些研究成果对于认识和评估断层同震弱化机制、断层带强度、地震能量分配、断层破裂模式、断层愈合等问题均具有重要启示.本文对岩石高速摩擦实验的意义、方法与研究进展进行了总结,提出了目前的前沿性问题和值得开展的工作.     

几种模拟断层泥摩擦滑动速度依赖性转换的实验研究

基于速率-状态摩擦定律,速度弱化是断层失稳的必要条件,速度弱化向速度强化的转换控制着断层从不稳定滑动向稳定滑动的转换.因此,断层摩擦滑动的速度依赖性转换是涉及断层带上地震活动特征、地震成核深度等的重要问题.     

岩盐断层带摩擦滑动的速度依赖性转换及其地震学意义

为了深入理解断层带摩擦滑动速度依赖性转换及其机制,利用双轴摩擦实验对干燥及含水条件下岩盐断层带摩擦的速度依赖性进行了实验研究,并观测了摩擦滑动过程中的声发射,分析了断层带的微观结构.实验结果表明,干燥岩盐断层带在0.1~100 μm/s的速度范围内表现为速度弱化,增大σ₂会使断层带向速度强化转变;含水条件下岩盐断层带在1~100 μm/s的速度范围内表现为速度弱化,而在0.1~0.01 μm/s的速度范围内表现为速度强化,速度依赖性转换出现在0.1~1 μm/s,其中断层表现为振荡或应力释放时间较长的黏滑事件;岩盐断层带在干燥条件下表现出很强的声发射活动,每个黏滑均对应一丛声发射事件,而在含水条件下一次黏滑只对应一个声发射事件.显微观察表明,局部化的脆性破裂是速度弱化域的主要变形机制,分布式的碎裂流动是干燥岩盐断层带在速度强化域的变形机制,颗粒边界迁移以及压溶作用的塑性变形是含水条件下岩盐断层带在速度强化域的主要变形机制,而脆性破裂和塑性变形共同控制着速度依赖性转换域断层带的变形.水的存在促进岩盐发生塑性变形,进而导致断层带从速度弱化向速度强化转换.上述结果有助于理解断层带上地震活动的特征和慢地震的机制.     

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     

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.     

不同岩性下水对断层摩擦性状影响的实验研究

利用双轴伺服控制加载装置, 在干燥和饱和水(浸在水中)条件下, 开展了砂岩、 大理岩和花岗岩的摩擦实验。 对比干湿条件下断层摩擦应力和声发射的演化特征, 讨论水对断层滑动性状的影响。 研究表明, 低正应力条件下, 砂岩和大理岩标本表现为稳滑, 而花岗岩则表现为粘滑; 岩体矿物成分、 孔隙率和以及滑动面的状况共同影响断层摩擦的稳定性; 干湿条件下摩擦强度的变化为水对断层滑动面和围岩抗剪强度影响的综合效应; 砂岩含有硬度较小的矿物, 初始粘结力低, 孔隙率高, 水对滑动面和围岩都起到弱化的作用; 方解石硬度和摩擦特性控制了大理岩的摩擦性状, 而标本含有穿晶和晶内微破裂增强了水对大理岩摩擦强度的弱化作用; 花岗岩组成矿物的硬度大且胶结紧密, 初始粘结力大, 孔隙率低, 因此摩擦性状对含水量的变化响应较小。 不同岩性的摩擦稳定性在干湿条件下均存在差异, 不同岩性断层摩擦性状对含水量的变化响应不同, 因此研究水库诱发地震时要考虑断层的岩性特征。     

岩石高速摩擦实验的进展

文中简述了地震动力学国家重点实验室近年来在岩石高速摩擦实验方面的进展。为了深化断层与地震力学研究,实验室建设了一套旋转剪切低速-高速摩擦实验装置,可开展滑动速率介于板块运动速率(cm/a量级)至地震滑动速率(m/s量级)的岩石摩擦实验,其中高速摩擦性能填补了实验室的技术空白。以此为依托,围绕汶川地震断层带力学性质研究,开展了一系列高速摩擦实验。结果表明,龙门山断裂带断层泥的高速摩擦性质具有一致性,其高速滑动下显著的滑动弱化必定在汶川地震中极大地促进了破裂的扩展;断层弱化的主导机制是与摩擦生热相关的过程,包括凹凸体急速加热弱化和热压作用;断层泥在经历高速滑动弱化之后摩擦系数可在5~10s内恢复0.4,断层强度的快速恢复是同震主破裂带余震减少的原因之一。基于对实验装置现状和现有成果的分析,展望了近期实验室岩石高速摩擦的发展方向。     

均匀和非均匀断层滑动失稳成核过程的实验研究

基于均匀和非均匀断层摩擦滑动中应变、断层位移的实验测量结果,分析了粘滑失稳的成核过程。研究表明,在加载点速度恒定的条件下,均匀断层上粘滑的成核过程具有微弱的滑动弱化特征,断层上较小尺度“弱段”的存在使得粘滑成核过程中滑动弱化现象更明显,而较大尺度“弱段”的存在则改变了粘滑的成核过程,表现出局部加速滑动——断层带上剪应力快速增加的特征,更符合速率-状态摩擦定律。断层闭锁期间,剪应力的增加引起断层附近的横向弹性膨胀,这种弹性膨胀在失稳时的回跳引起断层面上正应力的瞬时增加,从而成为使断层迅速闭锁、强度恢复的重要因素。     

高温高压条件下辉长岩的摩擦强度及其速率依赖性

在干燥条件下对辉长岩的摩擦本构参数进行了实验研究。结果表明 :1 )辉长岩模拟断层泥的摩擦速度依赖性参数 (a -b)基本为正或者接近于没有速度依赖性 ,表明在干燥条件下不具备不稳定滑动的成核条件 ,对下地壳地震成核的可能性有参考意义 ;2 )摩擦强度在干燥条件下与Byerlee定律高度一致 ,表明在下地壳的高温环境下Byerlee定律仍可给出适当的强度估计 ,至少在干燥条件下如此 ;3)Byerlee定律给出的剪应力强度与正应力的关系中有一个截距 ,但是本研究中关于模拟断层泥的结果却没有明显的截距 ,表明断层物质的有无在摩擦强度的表现上存在重要差异     

热水条件下黑云母断层泥的摩擦强度与稳定性

黑云母是自然界常见的层状硅酸盐矿物,其摩擦系数不高且化学稳定性好,对其摩擦性质的关注可能会对弱断层的研究有所帮助.本次工作选取的实验温度条件对应于典型地壳强度模型中脆塑性转化带的范围,为300 ℃和400 ℃.有效正应力为200 MPa,孔隙水压包括10 MPa和30 MPa,在此条件下对黑云母模拟断层泥进行摩擦实验研究.实验得出黑云母的摩擦系数平均在0.36左右.速度依赖性随温度升高速度弱化的程度增强,表现为300 ℃为十分微弱的速度弱化,而在400 ℃出现了黏滑行为,代表了更强的速度弱化.显微结构中同时出现了脆性剪切变形和塑性扭折变形,但决定宏观力学性质的显然是脆性剪切变形.在黑云母存在的情况下,本研究的实验结果有助于理解大陆地壳脆塑性转化带中地震的可能性和弱断层深部的变形机制、宏观力学行为以及地震活动.     

龙门山断裂带金河磷矿剖面断层泥的低速至高速摩擦性质研究

本文对龙门山断裂带金河磷矿浅钻岩芯中的三种断层泥开展了低速到高速摩擦滑动的实验研究,并对实验变形样品开展了BET比表面积研究.摩擦实验在干燥和孔隙水压条件下开展,速率范围涵盖20 μm·s^-1~1.4 m·s^-1.实验结果显示,三种断层泥在干燥条件下的摩擦性质差别不大,但在孔隙水压条件下,三者的中低速摩擦强度与层状硅酸盐矿物的种类而非总含量紧密相关,蒙脱石和伊利石相比绿泥石更能有效地弱化断层.三种断层泥在孔隙水压条件下存在中低速率域的速度强化,暗示着对断层的加速滑动存在一定的阻碍作用.孔隙水压下,黄绿色和灰绿色断层泥的初始动态弱化非常迅速并伴随断层泥层的瞬时扩容,凹凸体急剧加热导致的局部热压作用可能是造成这种力学行为的物理机制.在经历高速滑动之后,三种断层泥在干、湿条件下的BET比表面积都显著降低,暗示着可能发生了颗粒烧结.中低速域内,孔隙水的存在使得断层泥呈现分散式的剪切变形,BET比表面积的增加因此比干燥条件下更加明显.对表面能的估算表明,颗粒磨碎所消耗的能量至多不超过摩擦力做功的8%,暗示着断层作用中颗粒磨碎所占的能量比例较低.     

水对断层摩擦滑动稳定性的影响

在不同含水条件下研究了光面、含脆性物质夹层和含延性物质夹层 3类断层的摩擦滑动行为 ,认为水对断层滑动稳定性和摩擦滑动的速度依赖性有重要影响。建立了含有岩性、围压 (深度 )和含水量 3因素的断层活动稳定性的模式 ,认为脆性断层更多地表现为速度弱化 ,少量水的存在易于出现黏滑 ,高孔隙压时会表现为稳滑 ;半脆性或半延性的断层在少量水或较低孔隙压的情况下会表现出速度弱化 ,也就可能出现黏滑 ,但孔隙压较高后 ,会表现出速度强化 ,滑动也就会是稳定的 ;延性断层多为速度强化 ,不出现黏滑。提出水的进入降低了系统的稳定性 ,水的存在增加了系统的稳定性。这是考虑水或一般流体对岩体或断层活动稳定性影响时需要考虑的两个方面