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.     

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.     

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     

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150 MPa,含50 MPa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50 MPa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.

     

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。     

岩盐断层带黏滑及稳滑过程中声发射活动特征的初步分析

本文利用双轴摩擦实验对含水条件下岩盐断层带摩擦滑动性状进行了实验研究, 观测和分析了摩擦滑动过程中的声发射活动, 并利用扫描电镜分析了断层带的微观变形结构.结果表明, 含水岩盐断层带在伴随黏滑的速度弱化域和伴随稳定滑动的速度强化域, 摩擦过程中均产生了大量声发射事件; 黏滑过程与稳滑过程中的小声发射事件存在共同之处, 即两者均表现为能级低; 但黏滑过程中的小声发射事件的优势频率既有低频(10 kHz左右)和中频(100 kHz左右), 也有高频(370 kHz左右), 而在稳定滑动过程中, 小声发射事件的优势频率仅有低频和中频, 缺少高频事件.这种差异与两者变形主导机制的不同密切相关.在断层黏滑循环中, 接近摩擦峰值时声发射发生率明显增加, 但高频事件减少、中频和低频事件增加; 进入亚失稳阶段后, 声发射只有低频和中频信号, 几乎不再出现高频信号.这种差异与断层带变形方式的变化密切相关.

     

岩石摩擦-滑动中的声发射b值动态特征及其地震学意义

双剪试验的结果表明,岩石摩擦滑动过程中的AE b 值动态曲线可归纳为锯齿状和台柱状两类,分别对应于不规则粘滑和规则粘滑.滑动瞬间滑面上摩擦系数变化△μ的分布决定岩石的滑动方式,不均匀分布易发生不规则粘滑.均匀分布易引起规则粘滑;破裂和滑动是摩擦滑动过程中的两类AE 机制,两类AE 的能量分别与破裂面面积及△μ成正比.研究结果提示,平直光滑的地震断层可能显示出特征地震的发震特点.     

剪切载荷扰动对断层摩擦影响的实验研究

利用双轴伺服控制加载装置,采用3块花岗闪长岩标本组成的含有2个滑动面的直剪结构,开展了摩擦滑动实验。实验中通过在剪切方向上叠加正弦波状的位移扰动,研究了剪应力扰动对断层粘滑失稳的影响。研究表明,在恒定的正应力和位移速率下,标本表现出较为规则的粘滑;当在剪切方向叠加位移扰动后,随扰动振幅的增加,粘滑发生时间与扰动的相关性增大,粘滑的应力降和时间间隔的分布趋于离散,其中扰动能产生明显影响的临界振幅大致为0.05MPa;粘滑应力降和时间间隔随扰动振幅增大而逐渐离散的现象在较高正应力下更为明显,而相同扰动振幅下粘滑失稳发生时间与扰动的相关性也随正应力增加而增大;扰动周期对摩擦性状的影响不明显。研究结果意味着,地震引起的同震剪应力的变化不仅会引起邻近断层上地震发生时间的变化,也可能引起地震强度的变化     

应力扰动对断层摩擦声发射活动影响的实验研究

利用中尺度岩石摩擦实验开展了应力扰动对断层摩擦滑动过程中声发射活动影响的实验研究,据此讨论同震应力变化引起的小震活动特征及其预测意义.实验结果表明方波状应力扰动对粘滑失稳前的声发射活动有明显影响,即触发了一些声发射事件,使得粘滑发生前声发射活动增强并使出现的时间提前.这种影响随平均正应力的提高和扰动振幅的增大而增强,其...     

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.     

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     

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。     

侧向应力扰动对断层摩擦影响的实验研究

利用双向伺服控制装置,对含有与最大主压应力σ1呈45°夹角的预切面的花岗闪长岩标本进行了摩擦实验,结果表明,在σ1方向位移速率恒定、侧向应力σ2恒定的条件下,粘滑间隔随滑动面上正应力的增加而增加,粘滑应力降也随滑动面上正应力的增加而呈线性增加。但当σ2叠加了高频小振幅的正弦波扰动时,这种相关性发生了明显的变化,应力降大小和粘滑间隔的离散度均显著提高,特别是应力降可能会大幅度增加。与σ1扰动的实验结果相比,σ2扰动对断层粘滑的影响更为显著,这主要归因于正应力变化使滑动面的非均匀性加剧     

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.

     

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.     

房山大理岩的摩擦滑动试验

岩石的摩擦是岩石力学的基本课题之一,自从Brace和Byerlee提出粘滑可能是浅源地震的一种重要机制以来,对于岩石摩擦现象的研究已引起更大的重视。作为岩石摩擦研究的第一步,我们在小型双剪设备上进行了房山大理岩的摩擦滑动试验。本文介绍并讨论试验的初步结果。 试验方法 试验使用的小型双剪设备如图1所示。两块尺寸为35×40×15毫米的大理岩,中间     

滇西地震实验场岩石的摩擦滑动实验研究(英文)

应用双剪法对滇西地震实验场岩石的摩擦滑动特性进行了研究。实验的岩石有花岗岩、玄武岩、正长岩和片麻岩。实验的正应力为10—40MPa。实验表明,花岗岩、玄武岩和正长岩三种岩石,当正应力为10MPa时发生稳滑,当正应力超过10MPa时发生粘滑。稳滑与粘滑过程均出现位移强化现象。片麻岩当正应力为10MPa时发生稳滑,当正应力超过10MPa时样品未滑动而发生破裂。摩擦强度值比Byerlee定律的值稍低。与济南辉长岩相比,滇西三种岩石粘滑发生时的平均应力降较低,平均错距较小,平均重复周期较短。花岗岩粘滑前声发射率明显增加,玄武岩与正长岩粘滑前声发射率变化不明显。