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     

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.     

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.     

含黑云母断层岩碎屑在热水条件下的摩擦滑动实验研究——含弱矿物断层的力学性质研究

<正>弱断层的成因一直是一个热门的问题,而通过实验室对弱矿物力学性质进行研究是探索弱断层成因的较直接手段。黑云母是自然界中常见的层状硅酸盐矿物,已有室温条件下的摩擦实验结果显示其具有低的摩擦强度。关于黑云母的熔融实验结果显示,其可以稳定存在的温度范围很广,至少在700℃以内可以稳定存在。由于其在地壳内部地震成核的深度范围内可以稳定存在,并且常常出现在断层岩中,对黑云母在高温、含水条件下摩擦性质的研究有     

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.     

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.     

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.     

热水条件下强烈速度弱化滑动行为的机制——压溶过程与摩擦本构参数的关系

为了深入研究辉长岩摩擦滑动的力学机制,近年来我们对辉长岩的两类主要矿物斜长石和辉石分别进行了实验研究,并发现这两种矿物在热水条件下的高温段(400～600℃)都出现了强烈的速度弱化.本文针对这种在以往摩擦滑动研究中不常见的速度弱化行为进行了物理化学机制的深入探讨.     

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.

     

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     

南海神狐峡谷群海底沉积物摩擦特性

海底滑坡区沉积物的摩擦特性对滑坡发育具有控制作用, 是海底边坡稳定性评估、滑坡过程中温压场演化及与滑坡相关的水合物成藏规律研究的基础参数.我国南海北部陆坡区不仅赋存着丰富水合物资源, 而且在地质历史上也曾多次发生滑坡作用, 目前仍是潜在的海底滑坡区.为了尽可能了解南海北部滑坡区沉积物的原位摩擦特性, 本文在围压P_c=20 MPa、孔隙压P_p=10 MPa及温度T≈20 ℃条件下, 对采自南海神狐峡谷群的4个沉积物样品开展了三轴准静态摩擦滑动实验.实验结果表明神狐峡谷群浅层沉积物: (1) 均呈现速度强化及位移强化特征; (2) 最大静摩擦系数μ_max为0.460~0.510, 稳态摩擦系数μ_ss为0.455~0.554, 二者的变化趋势较一致; (3) 内聚力c为0.30~0.57 MPa、摩擦角φ为24.5°~27.0°.而神狐峡谷群地形坡度较缓(＜6.8°).现今神狐峡谷群仅在沉积物自重作用下不会发生失稳, 总体上比较稳定.结合峡谷群多期次的滑坡特征以及滑坡体与水合物稳定域底界(通常与似海底反射层(Bottom simulating reflector, 简写BSR)重叠)、气烟囱等构造的空间分布关系, 我们推测: 神狐峡谷群滑坡的形成主要是由于BSR附近地层孔隙压升高、强度降低, 进而导致失稳.BSR附近地层孔隙压升高则可能是由于深部热成因游离气的聚集、BSR附近的水合物在地震等对其温、压场的扰动下分解所致.

     

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.

     

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1.0 μm·s^-1、0.2 μm·s^-1和0.04 μm·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0.2~1.0 μm·s^-1的加载速率范围内表现出速度强化的摩擦行为, 而在0.04 μm·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流体条件和低有效正压力环境下, 叶蛇纹石矿物可以促成慢滑移现象, 但是其背后的物理机制可能与已有的认知(不稳定的摩擦滑动由叶蛇纹石脱水过程所控制)不同.这为我们探讨俯冲带慢滑移现象的物理过程和机制提供了新的思路.

     

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.

     

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.