断层泥在粘滑机制中的作用

介绍了断层泥的物理特性和力学性质,并对粘土断层泥的矿物成份、围压条件、含水量等与断层粘滑的关系进行了评述。     

虹口八角庙-深溪沟炭质泥岩同震断层泥的X射线衍射分析结果

5.12汶川地震同震地表破裂带在虹口八角-深溪沟一带主要出露于三叠系须家河组的炭质泥岩中,同震断层泥在颜色、结构上与老断层泥和围岩类似。通过开挖探槽,系统采样,采用粉晶X射线衍射定量分析方法,研究了同震地表破裂带的围岩、断层角砾岩、老断层泥和新断层泥的矿物成分特征。同震断层泥的主要成分为石英和黏土矿物,含微量长石和白云石;断层泥的显著特征为高黏土矿物含量,从同震断层泥、老断层泥、角砾岩到围岩黏土矿物含量依次降低,黏土矿物以伊利石和伊蒙混层为主,含微量绿泥石和高岭石,矿物组成明显比地表破裂带北段同震断层泥简单。不同颜色的同震断层泥成分略有不同,黑色断层泥中伊利石含量明显高于白色断层泥;老断层泥中含有方解石和白云石,而同震断层泥不含方解石,只含微量白云石。同震断层泥中伊蒙混层高含量表明,在本次地震错动中有富含K的流体参与。     

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。      

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.     

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。     

X光组构仪在活断层研究中的应用

断层泥矿物的优选方位和组构型式与断层活动的性质有着密切的关系。使用Ｘ射线组构测角仪测试香山－天景山断裂不同区段断层泥伊利石的组构，结果显示，香山－天景山断裂中段断层泥伊利石组构无优选方位，是断层粘滑的结果；东西两段断层泥伊利石组构有一个极密区，是断层左旋剪切蠕动的结果     

龙门山灌县—安县断裂带断层泥低磁化率的矿物、化学响应和蠕滑作用环境

断层带内的流体不仅可以通过水岩反应改变断裂岩的矿物组成和化学成分,从而导致化学性质和物理性质的变化,而且可以影响或控制断裂带的变形行为.断裂带中岩石磁学特征是由特定化学环境下磁性矿物的种类和含量所决定的,因此,从矿物学和地球化学角度探讨断裂岩的磁性变化,对揭示断层的变形行为和环境具有一定的指示作用.本文以汶川科钻WFSD-3P钻孔中龙门山灌县—安县断裂带断裂岩为研究对象,运用高分辨率磁化率测试、XRD矿物成分半定量分析、XRF元素扫描以及不同价态Fe元素含量分析等多种方法开展断层磁学变化和变形环境的研究.磁化率测试结果表明灌县—安县断裂带断层泥的磁化率值普遍低于对应的围岩磁化率平均值.结合前人研究成果表明造成该断层泥低磁化率异常的原因是在间震期的长期流体作用下,铁磁性矿物（例如磁铁矿）转变成顺磁性矿物（铁硫化物、菱铁矿或含铁的黏土矿物）.新生铁硫化物和含铁黏土矿物是在间震期缓慢形成的,而黏土矿物含量的增加弱化了断层强度,促进断层蠕滑,这说明断层泥低磁化率异常可能指示了该断裂在间震期长期缓慢活动,即为蠕滑变形.断层泥中黄铁矿的发育和高Fe²⁺和S元素、低Fe³⁺的特征显示灌县—安县断裂作用环境通常是在低温、还原环境中进行的.这些结果与低磁化率值的相关性暗示断层泥低磁化率异常可能对活动断层的低温还原环境具有指示意义.     

温度压力孔隙压力对断层泥强度及滑动性质的影响

在不同的压力、温度和孔隙压力下进行了含四种不同断层泥标本的强度试验。碎屑型断层泥对压力很敏感,对温度无反应,对孔隙压力的反应符合有效应力律。粘土类断层泥则对温度和孔隙压力有明显响应。这些力学性质的差别反映了具体变形机制的差别     

汶川地震北川-映秀断裂北段断层泥显微构造和黏土矿物特征及其意义

汶川2008年M S8.0大地震同震地表破裂带中,近地表断层滑动面内多处分布了薄层断层泥。选取位于地表垂直位移量较大地段的北川沙坝探槽中的断层泥为研究对象,使用立体镜、光学显微镜和X光衍射等对断层泥微结构特征及其矿物成分进行详细的分析。结果表明:汶川地震地表破裂带的断层泥中发育Y-剪切、R1-剪切(与Y-剪切的交角14°)、R2-剪切、P-剪切以及张裂隙和书斜式构造等局部化脆性变形的特征显微构造。此外,断层泥中还有发育良好的P-叶理,碎屑颗粒的拉长和不对称拖尾构造等类似于散布的韧性变形特征。但是,它们仅局限在2条平行的Y-剪切之间发育,应当是断层同一滑动事件的产物。显微构造特征揭示了汶川地震破裂带的逆冲滑动性质,强烈变形的断层泥带较窄,仅约3mm,表明同震滑动明显地局限在一个窄的滑动带内。断层泥的石英和长石含量小于围岩,而黏土矿物含量高于围岩,说明来自围岩的长石和石英由于同震断层滑动摩擦使其部分转变为黏土矿物或黏土粒级的物质。断层泥中的伊利石含量高于围岩,伊利石/蒙脱石混层则低于围岩,这种黏土矿物组成成分的差异,可能是由于地震同震断层滑动摩擦增温(不排除溶液化学作用的参与),使部分伊利石/蒙脱石混层转化为伊利石。这些研究结果为探讨断层滑动性质提供了一种判定标准。     

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。     

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     

红河断裂带断层泥基本力学性质的初步研究

本文对红河断裂带断层泥的某些基本力学性质进行了实验研究,得到红河断层泥的体积压缩模量为104巴的量级,杨氏模量为102—103巴的量级,泊松比为0.3—0.4,单轴抗压强度由数巴至数十巴,单轴抗剪强度为数巴,粘滞系数为1010—1011泊的量级,弹性波速为1.5—2.2公里/秒。对比红河断裂带南北两段断层泥的力学性质,看出南段断层泥的体积压缩模量,杨氏模量、抗压强度、粘滞系数和弹性波速比北段断层泥高。此外,南段断层泥弹性波速基本上各向同性而北段断层泥弹性波速显示出各向异性。      

龙门山断层脆-塑性转化带流变结构与汶川地震孕震机制

汶川地震发震断层为高角度逆断层,这种断层滑动和发生强震需要断层深部具备特殊的力学条件。发震断层地区地表出露若干韧性剪切带,其中不同类型石英变形具有不同的变形温度。细粒糜棱岩中的石英表现为高温位错蠕变,变形温度为500~700℃;含残斑初糜棱岩中的石英表现为中温位错蠕变,其变形温度为400~500℃;早期石英脉中的石英表现为低温位错蠕变,变形温度为280~400℃;晚期石英脉以碎裂变形为主,其变形温度为150~250℃。石英的这些变形特征显示出断层带经历了多期脆-塑性转化。根据糜棱岩中的重结晶石英的粒度估计的断层塑性流动应力为15~80MPa。石英和长石内的微量水以晶体缺陷水、颗粒边界水和流体包裹体水的形式存在,水含量随岩石的应变增加而升高,变化范围为0.01~0.15wt%。断层脆-塑性转化带内石英含有大量与裂隙愈合相关的次生流体包裹体,其捕获温度为330~350℃,流体压力为70~405MPa,估计的流体压力系数为0.16~0.9,代表强震发生后,断层带内产生的大量微裂隙逐渐愈合过程中的流体特征。在考虑断层带流体压力和应变速率变化条件下,利用石英流变参数建立了从间震期到地震成核阶段断层脆-塑性转化带流变结构和震后快速蠕滑阶段断层脆-塑性转化带流变结构。结果表明,在间震期、地震成核阶段、震后快速滑动阶段,断层强度和脆-塑性转化深度随应变速率和流体压力变化而变化,且脆-塑性转化特征与石英的变形机制、断层速度弱化和强化转化深度、汶川地震震源深度等吻合,显示映秀-北川断层具备摩擦滑动速度弱化和地震成核的基础,而断层带内存在高压流体可能是触发高角度逆断层滑动和汶川地震发生的主要机制。     

断层泥力学性质与含水量关系初探

断层泥是影响断层运动的重要地质因素。研究它的力学性质和影响其力学性质的各种因素具有重要的意义。本文利用最近完成的我国五大断裂断层泥基本力学性质的实验结果,分析了含水量对断层泥力学性质的影响。发现断层泥的粘滞系数、杨氏模量、抗压强度和残余体应变均随含水量的增加而明显地减小。断层泥的韧度随含水量的增大而增大。断层泥的体积模量、弹性波速和抗剪强度与含水量的关系不明显。天然断层泥是粘土、断层碎屑和水的混合物,水在其中的作用比水对岩屑或粘土本身的作用更复杂。强调了对天然断层泥进行实验研究的重要性     

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     

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.     

中国五条断裂断层泥力学性质的初步研究

本文概述了红河断裂、沂沭断裂、海原断裂、富蕴断裂和鲜水河—小江断裂等五条断裂断层泥的力学性质的实验研究。在五条断裂现场采集了75种断层泥样品并进行了粘土含量、含水量、密度、体积模量、杨氏模量、粘滞系数、抗压强度、抗剪强度和弹性波速度等九种断层泥性质参数的测量,取得了693个数据,使我们对我国断层泥的力学性质有了初步的了解。     

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。     

不同岩性下水对断层摩擦性状影响的实验研究

利用双轴伺服控制加载装置, 在干燥和饱和水(浸在水中)条件下, 开展了砂岩、 大理岩和花岗岩的摩擦实验。 对比干湿条件下断层摩擦应力和声发射的演化特征, 讨论水对断层滑动性状的影响。 研究表明, 低正应力条件下, 砂岩和大理岩标本表现为稳滑, 而花岗岩则表现为粘滑; 岩体矿物成分、 孔隙率和以及滑动面的状况共同影响断层摩擦的稳定性; 干湿条件下摩擦强度的变化为水对断层滑动面和围岩抗剪强度影响的综合效应; 砂岩含有硬度较小的矿物, 初始粘结力低, 孔隙率高, 水对滑动面和围岩都起到弱化的作用; 方解石硬度和摩擦特性控制了大理岩的摩擦性状, 而标本含有穿晶和晶内微破裂增强了水对大理岩摩擦强度的弱化作用; 花岗岩组成矿物的硬度大且胶结紧密, 初始粘结力大, 孔隙率低, 因此摩擦性状对含水量的变化响应较小。 不同岩性的摩擦稳定性在干湿条件下均存在差异, 不同岩性断层摩擦性状对含水量的变化响应不同, 因此研究水库诱发地震时要考虑断层的岩性特征。     

六盘山东麓断裂断层泥的组构特征及其意义

本文采用宏观与微观相结合的方法 ,研究六盘山东麓断裂的滑动方式。结果表明 :(1)根据断层泥组构特征 ,六盘山东麓断裂可划分为北、中、南 3段 ,这与前人宏观分段结果相一致 ;(2 )北段断层泥局部强烈变形 ,发育牵引褶皱 ,吕德剪切角 (R1)介于 11°～ 2 6° ,以及伊利石无明显的优选方位组构 ,表明该段断层活动是以粘滑为主的左旋走滑运动 ;(3)中、南段断层泥普遍变形 ,吕德剪切角 (R1)一般小于 11° ,P叶理、带状褶皱和肠状构造发育 ,以及伊利石复杂的优选方位组构 ,显示该断层的活动是以蠕滑为主的多期逆冲滑动