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.     

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.     

龙门山断裂带断层岩在水热条件下的摩擦滑动特性实验研究

为了探索断层岩石在断层带不同温度和压力条件下其摩擦强度和摩擦滑动稳定性对于断层活动性的影响,我们采集了龙门山断裂带地震发生区段出露的自然断层泥样品和后山断裂带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的摩擦滑动实验研究。我们根据自然断层泥样品的XRD分析结果选取了5种具有不同矿物组合及含量的自然断层泥样品并在50MPa的初始围压和25℃～150℃的温度条件下进行了摩擦滑动实验。     

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。     

安宁河断层地震成核条件研究——来自天然花岗岩断层泥摩擦实验的启示

安宁河断层历史上发生过多次强震,现存的地震空区反映了其断层中部近30年来的断层闭锁和应变积累情况,是潜在的大地震危险区.本研究采用断层带内的新鲜花岗岩断层泥样品,在水热条件下开展了摩擦滑动实验,以研究安宁河断层摩擦特性和地震成核条件.实验有效正应力200 MPa,孔隙水压30 MPa,温度25~600℃,剪切滑移速率在1 μm·s^-1,0.2 μm·s^-1,0.04 μm·s^-1之间切换.实验结果显示,在100~400℃,摩擦系数随着温度的增加而增大（约0.663~0.704）,温度高于400℃时略有降低.从200℃开始,花岗岩断层泥的摩擦滑动表现出由速度强化向速度弱化转变,并随温度升高速度弱化程度增强,在600℃时仍然具有显著的速度弱化,具备地震成核条件.本研究获得的花岗岩断层发生不稳定滑动的温度范围为200~600℃,远大于已有研究中给出的350~400℃这一不稳定滑动的温度上限.本实验首次发现,在相同温度条件下花岗岩断层滑动稳定性与加载速率转变方向有关,向慢速切换或低速下（0.04 μm·s^-1）可以促进花岗岩断层由稳定滑动向不稳定滑动转变.基于本实验结果,结合川滇地区的地温梯度,推测得出安宁河断层中北段的地震成核深度为10~30 km,该断层的地震空区是断层闭锁的具体表现.

     

基于龙门山断裂带中段平行逆断层格局 和动力学背景的特征地震数值模拟实验

本文构建一种应用有限元开展特征地震数值模拟的新方法, 并以龙门山断裂带中段的浅层构造和动力学机制为背景, 研究了平行逆冲断层分布格局对区域地震活动性的影响. 结果表明, 从断层活动相互影响的角度看, 包含3条平行逆断层的断裂带的整体地震活动性并不适用严格周期的特征地震模型, 当断层间距在20 km以下时, 随着断层间距的缩短, 对单条断层应用特征地震模型的适用性会逐渐降低. 龙门山断裂带中段的模拟计算结果显示, 后山断裂的地震活动相对独立, 区域活动性和中央断裂的断层活动很可能不适用严格周期的特征地震模型.      

基于中速-高速摩擦实验研究含碳断层带的电导率特征

野外地质调查结果显示,断层带常富集碳质.断层带中碳的分布结构是影响断层带电导率特征的一种重要参数.本文在室温、室内湿度和2 MPa正应力条件下,对不同石墨含量（3,5,6和7 wt%）的石英-石墨混合断层泥模拟样品开展了滑动速率介于500 μm·s^-1~1 m·s^-1的摩擦实验及相应的电导率测量,以期研究断层运动对碳分布结构的影响以及断层带电性特征对碳含量及分布的响应情况.结果显示,摩擦滑动能够显著地改变样品的电性特征（电导率大小及其各向异性）.在平行滑动面方向（径向）,样品电导率随着滑动位移的增加快速增加,在滑动约数十厘米之后,其电导率基本达到稳定状态;在垂直滑动面方向（轴向）,样品电导率基本不随摩擦滑动速率和滑动距离而变化.SEM显微结构观测显示,摩擦滑动所引起的电导率各向异性直接反映了石墨分布结构的变化.该研究结果深化了对地震断裂带浅部电性特征的认识,为野外断层带大地电磁测深资料的解释提供了约束,同时对于了解含碳断层的力学性质和弱矿物相在剪切变形中的分布特征及其演化过程等方面也具有重要意义.

     

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     

龙门山映秀-北川断裂平溪黑色断层泥中有机质成分分析及对断层摩擦滑动性质的影响

通过对龙门山映秀-北川断裂平溪黑色断层泥一系列的分析测试,发现黑色断层泥中含有约9wt%的有机质组分,并且属于干酪根类型。通过对有机质的气相色谱质谱分析得到,其中主要的烷烃化合物成分为正构烷烃(C14-C21)、无环异戊二烯烷烃(姥鲛烷和植烷)、甾烷、萜烷和n烷基环已烷(C10-C21)。对有机化合物的初步分析表明,有机质形成于海相或咸水湖泊相的还原环境,并且赋存时间长,有机质成熟度高。通过对比实验发现,黑色断层泥中有机质的出现能够显著地弱化断层的摩擦强度以及提高断层摩擦滑动的稳定性。     

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.     

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.     

龙门山断裂脆塑性转化带内花岗岩的流体特征与裂缝愈合的实验模拟研究

汶川Mw7.9级大地震的发震断层具有高角度逆冲滑动特征.通过对高角度逆断层滑动的力学条件的分析表明,龙门山断裂深部可能存在高孔隙流体压力有利于断层的失稳滑动.利用现有的技术手段无法获得中地壳深度断层内的流体特征.龙门山断裂带是一条逆冲推覆的构造带,这使得地质历史早期的龙门山断裂深部的彭灌杂岩体抬升到地表,并保留了当时的深部流体特征和变形特征.研究地表露头的变形花岗岩能够推断过去的龙门山地区的深部环境,从而了解过去该地区的深部强震孕育机理,这能够帮助理解现今龙门山地区类似汶川地震的强震的发生机理.