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200MPa,孔隙水压30 MPa,温度25～600℃,剪切滑移速率在1...     

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2MPa正应力条件下,对不同石墨含量(3,5,6和7wt%)的石英-石墨混合断层泥模拟样品开展了滑动速率介于500μm·s-1～1m·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.     

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。     

龙门山断层带浅钻花岗岩中断层泥的摩擦本构参数

文中针对龙门山断层浅层钻探获取的花岗岩体中的断层泥进行了摩擦滑动实验研究。这种断层泥与其他天然断层泥相比,绿泥石的质量分数很高,约为47%。为研究这种黄绿色断层泥在断层浅部低正应力条件下的摩擦滑动性质,选取的实验条件:围压130MPa,采用围压恒定控制,温度25~150℃,孔隙水压50MPa。通过对比其他天然断层泥的实验结果发现,该断层泥强度较高,稳态摩擦系数在0.47~0.51之间。通过与已有的黏土总质量分数相当但矿物不同的天然断层泥的摩擦系数数据对比,表明不同的非云母层状硅酸盐矿物的摩擦强度排序为:绿泥石伊利石蒙皂石。文中的实验条件对应龙门山地区温度不超过150℃,深度不超过8km的浅层地壳环境,实验结果表明该天然断层泥在整个温度范围内均呈速度强化特征,在摩擦滑动中处于稳定状态。但是断层泥的渗透率很低(10-19m~2),在高速摩擦滑动时可能会发生热压作用。基于此可得出结论:龙门山断裂带的切过已有的深度不超过8km的碎屑原岩的断层可能产生稳定黏滞滑动的阻力,不会自发地震成核,而在后期高速摩擦滑动(0.05m/s)时可能会发生同震弱化,形成一定的灾害叠加。     

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.     

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.     

粘土矿物的摩擦滑动特性及对断层力学性质的影响

粘土矿物在浅部断层带中广泛存在,而其特殊的力学性质会显著影响断层的强度以及断层错动的行为模式.因此在浅部断层地质条件下,针对粘土矿物摩擦滑动特性的研究对于我们解释和预测断层的活动行为有重要意义.本文系统地总结了前人的工作,发现含水条件,以及温度和压力的变化都会影响到粘土矿物的摩擦强度,在自然断层带中断层强度随着粘土含量的增加而系统性的降低,但是粘土矿物在断层带中不同的分布状态会造成显著不同的断层弱化.当断层带岩石中含有少量的粘土矿物时,粘土矿物对断层强度的组构弱化远大于其在断层带中均匀分布时所造成的弱化作用.粘土矿物对于断层滑动的弱化和稳定性作用在断层浅部(8 km)的温度(150℃)和压力条件下没有发生明显的变化.在断层带粘土矿物的研究中,相比于粘土矿物在断层岩石中的绝对含量,我们应更多的关注粘土矿物在断层带中分布的组构.     

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.     

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。      

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.     

油气区断层带摩擦强度研究进展

油气区断层再活动会造成过断层井的井壁不稳定,增加生产井剪切套损风险及油气渗漏风险甚至诱发地震.浅埋断层带中广泛发育的断层泥对断层摩擦滑动具有重要影响,在特定地质条件下断层泥对断层带摩擦强度具有显著的弱化作用.传统的断层稳定性评价方法多数采用断层摩擦强度的均质模型.然而大量研究表明,断层泥受多种因素的影响在空间上表现出明...     

辉长岩摩擦实验中断层泥的剪切组构及成因

模拟断层泥的摩擦实验对地震的成核及断层带变形组构的研究具有重要意义。文中对辉长岩摩擦实验中的断层泥变形组构及形成机理进行了研究 ,以期从实验室角度来理解地壳深部断层活动的性质和特点。断层泥剪切组构中的边界剪切带 ,R1,Y剪切面比较发育 ,T裂隙次之 ;R2 ,P ,X剪切面不发育。R1面与边界面的夹角较小 ,平均在 1 1°左右 ,为单剪变形过程中达到破裂极限状态时形成的 1组库仑破裂面。分析表明R1面密度随正应力的增加而明显增高。而在相同的正应力下 ,随温度的增高 ,R1面的密度也有增加的趋势。当温度高于 5 0 0℃时 ,断层带内的斜长石出现塑性变形特征 ,R1剪切面与矿物的压性面理组成典型的S -C组构     

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     

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。     

地震滑动加速和减速过程中的摩擦作用

在地震滑动过程中,断层动态摩擦是地壳内控制地震破裂的决定性因素。天然地震的脆性裂纹理论[1-3]使得以下观点被普遍接受:在地震断层快速滑动的过程中,断层摩擦力减弱,即所谓的滑动弱化[1]。高速断层泥实验[4-5],以及最近关于热增压[6-7]和摩擦熔化[8]的试验都支持该理论。但是,这些研究均仅针对固定的断层滑动速率。在本文中,我们的实验展示了不同滑动速率下断层物质的摩擦行为——这一模型的设置更接近天然地震的特征。实验结果表明,在断层滑动加速和减速的过程中,断层摩擦经历了增长、弱化和再增长。这种摩擦变化可能可以由低滑动速率下和更现实的滑动速率之下的速率-状态摩擦行为[9-10]来解释,但包含了不同的物理机制和不同的规模。最初的摩擦增强可能会阻碍小破裂向大地震的发展。断层滑动减速过程中的摩擦增强可能导致地震破裂呈脉冲状[11-14],并使得静态应力下降到与动态应力变化相比较低的水平[15]。     

基岩区断层黏滑与蠕滑的地质标志 和岩石力学实验证据

文中总结了基岩断层带黏滑与蠕滑的地质标志与岩石力学实验证据,分析了控制黏滑与蠕滑的物理机制。断层带内的矿物组成、矿物变形机制、流体作用和断层带变形方式等是控制黏滑与蠕滑的主要因素。富含黏土矿物的断层泥具有速度强化型摩擦滑动,控制着断层蠕滑,而以方解石、石英、长石及辉石等造岩矿物为主的断层泥在大陆浅源地震的震源深度条件下具备黏滑条件。脆性破裂伴随的扩容过程是断层黏滑的必要条件,而压实、碎裂和塑性剪切变形形成的叶理和小褶皱对应于蠕滑。在流体作用下,压溶使孔隙和微裂隙愈合,有利于断层强度的恢复和断层闭锁,既是断层发生不稳定滑动的根源,也是断层带局部存在高压流体的条件,而在流体作用下的退变质反应与水解反应生成黏土矿物和层状及环状硅酸盐矿物,不仅降低了断层带的强度,还导致断层向蠕滑转变。断层带内均匀分布多个剪切面和较宽的变形带对应于蠕滑,局部化的R剪切及Y剪切、窄变形带和摩擦镜面对应于黏滑。     

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...     

水热条件下含橄榄石大洋玄武岩的摩擦特性实验研究

玄武岩作为大洋地壳上的主要成分,研究其摩擦特性是更好地探究逆冲板块边界上大地震等力学行为机理的基础.为了研究少量橄榄石矿物是否会影响玄武岩的摩擦特性,本研究选用了国际大洋钻探计划(IODP)349航次获取的玄武岩样品,其中含有少量的橄榄石矿物.本次研究的实验温度范围为100～600℃,施加的有效正压力和孔隙水压分别为150 MPa和100 MPa.实验中玄武岩样品在300～400℃的温度条件下表现出不稳定的准静态震荡现象,并且在高温条件下(T>400℃)其剪切强度表现出显著的位移弱化现象,即摩擦系数随着剪切位移的进行而持续减小.在3 mm的剪切位移范围内,摩擦系数的变化范围为0.7～0.55.通过初步的微观剪切变形研究,我们推测橄榄石在摩擦实验过程中对一种弱矿物的生成可能起到了催化作用,但生成的弱矿物含量不足以显著地弱化断层泥的摩擦强度.同时微观构造分析也发现,随着温度的升高,断层泥的剪切构造由局部剪切向整体弥散性剪切变形转变,同时伴随着孔隙度的显著降低,因此我们认为剪切强度的位移弱化现象与流体参与下的颗粒间的压溶过程的逐步增强有关.     

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.     

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