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.     

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.     

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     

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.     

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.     

脆塑性转化带Carrara大理岩断层稳定性的实验研究

为探究脆塑性转化带断层的力学性质和滑动稳定性,本文采用干燥的Carrara大理岩预切断层(saw-cut)样品,在气体介质三轴高温岩石力学实验仪上开展了摩擦实验研究,实验温度70～400℃,围压30～100 MPa,位移速率在0.08μm·s^-1, 0.4μm·s^-1, 2μm·s^-1之间切换.实验力学数据揭示,不同围压下Carrara大理岩断层摩擦系数随温度变化规律不同：低围压(30 MPa)下,摩擦系数随温度升高先增大后减小,中高围压(≥70 MPa)下摩擦系数则表现为随温度先减小后增大.断层摩擦滑动行为在100～300℃的范围内表现出由稳定的速度强化转化为不稳定的速度弱化,且在400℃左右重新转变为稳定的速度强化.实验后断层滑动面形貌和微观结构分析表明,稳定滑动断层面为高反射镜面,擦痕清晰;黏滑断层面为有光泽的凹凸不平的表面;最高围压下蠕滑的断层面粗糙无光泽,擦痕不可辨别.本文认为受温度激活的塑性变形过程逐步主导了岩石变形,对断层激活发生不稳定滑动至关重要,而高围压则会抑制断层的不稳定滑动.本研究结果不仅为识别野外...     

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.     

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.     

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.     

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...     

FRICTIONAL PROPERTIES OF A NATURAL FAULT GOUGE FROM DRILLED CORES IN THE LONGMENSHAN FAULT ZONE CUTTING GRANITIC ROCK

In this paper, we report friction experiments performed on natural fault gouge samples embedded in granitic rock from drilled core by a project entitled "the Longmenshan Fault Shallow Drilling(LMFD)". Compared with other natural fault gouge, this yellow-greenish gouge(YGG)is dominantly chlorite-rich. The maximum content of chlorite reaches 47%in the YGG. To understand the frictional properties of the YGG sample, experiments were performed at constant confining pressure of 130MPa, with constant pore pressure of 50MPa and at different temperatures from 25℃ to 150℃. The experiments aim to address the frictional behavior of the YGG under shallow, upper crustal pressure, and temperature conditions. Compared with previous studies of natural gouge, our results show that the YGG is stronger and shows a steady state friction coefficient of 0.47~0.51. Comparison with previous studies of natural gouge with similar content of clay minerals indicates a sequence of strengths of different clay minerals:chlorite > illite > smectite. At temperatures up to 150℃ hence depths up to~8km in the Longmenshan region, the YGG shows stable velocity-strengthening behavior at shallow crustal conditions. Combined with the fact of strong direct velocity effect, i.e., (a-b)/a>0.5, faults cutting the present clastic lithology up to~8km depth in the Longmenshan fault zone(LFZ)are likely to offer stable sliding resistance, damping co-seismic rupture propagating from below at not-too-high slip rates. However, as the fault gouge generally has low permeability, co-seismic weakening through thermal pressurization may occur at high slip rates(>0.05m/s), leading to additional hazards.     

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.     

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.     

AN EXPERIMENTAL STUDY ON THE PROCESS OF INTERGRANULAR PRESSURE SOLUTION OF PLAGIOCLASE GOUGE UNDER HIGH TEMPERATURE AND PRESSURE: METHOD AND PRELIMINARY RESULTS

To understand the mechanism of lower-crust earthquake and slow slips, it is necessary to study the frictional properties of mafic rocks and their major rock-forming minerals. Previous studies have performed a series of experimental researches on gabbro, basalt and their major constituents. According to the results of previous experiments, frictional sliding of plagioclase under hydrothermal conditions(100~600℃)shows a property of velocity weakening, and the experimental results show that both the direct rate effect parameter(a)and the healing effect parameter(b)increase with temperature, a typical feature for thermally-activated processes. Velocity weakening means property of a shear band that has a stronger friction healing effect than the direct rate effect in the rate and state friction constitutive framework, and the healing effect(b value)in constitutive relation mainly reflects the increase in contact area with time under hydrothermal conditions, with some minor effect of structural changes. Since the microphysical mechanism of feldspar minerals at the contacts is mainly brittle cataclasis for temperatures below 600℃, the significant frictional healing effect in this case can only be explained by the mechanism of pressure solution. In order to determine if the dissolution process of plagioclase actually occurs on the laboratory time scale, we conducted hydrostatic experiments on plagioclase powder samples under hydrothermal conditions whereby frequent contact switch between particles seen in frictional sliding experiments can be avoided, making the observation on the dissolution sites possible. Experimental temperatures were 400℃ and 500℃, with confining pressure of 90~150MPa, pore pressure of 30MPa, with 2mm initial thickness of fault gouge. The mechanical data show that a creep process occurred in the plagioclase fault gouge in the experimental temperature and pressure range; and the microstructures of the experiment show that precipitation of new grains is prevalent as the product of pressure solution process between plagioclase particles. At the same time, it is observed that the contact points have an appearance similar to fused, fuzzy structure as signatures of dissolution. The results of our experiments provide a definite experimental evidence for the healing mechanism in friction of plagioclase and for the theoretical relation between unstable slip and the pressure solution process. The results of the experiments are summarized as follows: (1)Drainage rate of pore water in plagioclase gouge was high in the first few hours of experiment, but gradually decreases over time for both temperature and pressure series of experiments slowing down to a steady state. This feature indicates that there is a creep process that evolves inside the plagioclase gouge. In the temperature-series experiments, the drainage rate of the pore water in the plagioclase gouge at 400℃ is relatively low than the cases for higher temperatures. Thus, the applied temperature is positively correlated with the creep of plagioclase gouge. (2)Scanning electron microscopy(SEM)observations of the experimentally deformed samples were performed on thin sections cut along the sample axis. Firstly, from the images of microstructure, it was found that the degree of particle fracture became more significant at a higher effective pressure, with smaller pore volume between particles. In the temperature-series experiments it was found that the degree of compaction of plagioclase gouge increased with increasing temperature. Precipitation of plagioclase grains in layered structures was generally observed in high-magnification images, indicating the presence of pressure solution processes. Contact points were also found to be in a state of ambiguity that seems to be a fused morphology, but the details of the structure remain to be determined by further observations. The above results indicate that the pressure solution process of plagioclase particles can occur on a typical laboratory time scale, and the results of this study provide robust experimental evidences for the theory that links between pressure solution and the mechanism of frictional healing and unstable slips for plagioclase.     

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.     

断层泥的再生显微结构特征及其地震地质意义

三轴剪切摩擦实验后的断层泥与天然断层泥的再生显微结构特征研究表明，断层泥的显微结构特征与断层滑动方式之间有一定的关系，稳滑使断层泥变形均匀，产生低角度剪切（＜１４°）、布丁构造和颗粒碎裂流动。粘滑使断层泥局部发生强烈变形、高角度剪切（＞１４°）和碎粒出现随机裂纹等。断层泥的再生显微结构特征可用作鉴别古地震的存在     

热水条件下角闪石断层泥的摩擦滑动性质——与斜长石断层泥的对比

基于速率与状态依赖性摩擦本构关系理论框架,在热水条件下研究了角闪石断层泥的摩擦滑动性质并与闪长岩的另一种主要矿物斜长石的摩擦滑动性质进行了对比.摩擦实验是在三轴实验系统上完成,有效正应力200 MPa,孔隙压力30 MPa,并将加载速率在1.22 μm/s和 0.122 μm/s之间实施了切换.结果表明角闪石的摩擦系数均值为0.70±0.01,随着温度增加没有系统性的变化,整体低于斜长石的摩擦系数(0.75±0.01);计算与实验表明,角闪石和斜长石的摩擦系数的体积分数加权平均值与闪长岩的摩擦系数基本一致;角闪石在实验温度范围内(100～614 ℃)显示速率强化(a-b>0),与斜长石在整个温度范围内的速率弱化(a-b<0)正好相反;角闪石的速率依赖性在整个实验温度范围内无系统性的变化.