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.     

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100 MPa,孔隙水压分别为30 MPa和130 MPa.为获得摩擦滑动的稳定性参数（a-b）,剪切滑移速率在1.22 μm·s^-1,0.244 μm·s^-1和0.0488 μm·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.

     

热水条件下角闪石断层泥的摩擦滑动性质——与斜长石断层泥的对比

基于速率与状态依赖性摩擦本构关系理论框架,在热水条件下研究了角闪石断层泥的摩擦滑动性质并与闪长岩的另一种主要矿物斜长石的摩擦滑动性质进行了对比.摩擦实验是在三轴实验系统上完成,有效正应力200 MPa,孔隙压力30 MPa,并将加载速率在1.22 μm/s和 0.122 μm/s之间实施了切换.结果表明角闪石的摩擦系数均值为0.70±0.01,随着温度增加没有系统性的变化,整体低于斜长石的摩擦系数(0.75±0.01);计算与实验表明,角闪石和斜长石的摩擦系数的体积分数加权平均值与闪长岩的摩擦系数基本一致;角闪石在实验温度范围内(100～614 ℃)显示速率强化(a-b>0),与斜长石在整个温度范围内的速率弱化(a-b<0)正好相反;角闪石的速率依赖性在整个实验温度范围内无系统性的变化.     

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.     

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.

     

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     

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。     

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.     

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     

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.

     

Constitutive behavior and stability of frictional sliding of granite

An understanding of the frictional sliding on faults that can lead to earthquakes requires a knowledge of both constitutive behavior of the sliding surfaces and its mechanical interaction with the loading system. We have determined the constitutive parameters for frictional sliding of initially bare surfaces of Westerly granite, using a recently developed high pressure rotary shear apparatus that allows long distances of sliding and therefore a greater assurance of attaining steady state behavior. From experiments conducted at room temperature and normal stresses of 27–84 MPa several important results have been found. (1) A gouge layer 100 to 200 m thick was developed from the initially bare rock surfaces after 18 to 70 mm of sliding. (2) The steady state frictional resistance, attained after about 10 mm of sliding, is proportional to the negative of the logarithm of the sliding velocity. (3) Abrup changes in the velocity of sliding result in initial changes in the frictional resistance, which have the same sign as the velocity change, and are followed by a gradual decay to a new steady state value over a characteristic distance of sliding. This velocity weakening behavior is essentially identical with that found by several previous workers on the same material at lower normal stress. (4) Our results are well described by a two state variable constitutive law. The values of the constitutive parameters are quite similar to those found previously at low normal stress, but the characteristic distance is about an order of magnitude smaller than that found at 10 MPa normal stress with thicker layers of coarser gouge. (5) We have approximated our results with a one state variable constitutive law and compared the results with the predictions of existing nonlinear stability analysis; in addition, we have extended the stability analysis to systems possessing two state variables. With such formulations good agreement is found between the experimentally observed and theoretically predicted transitions between stable and unstable sliding. These results allow a better understanding of the instabilities that lead to earthquakes.     

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.     

正应力扰动对断层滑动失稳影响的实验研究

利用双轴伺服控制加载装置,采用三块花岗闪长岩标本组成的含有两个滑动面的直剪结构,开展了摩擦滑动实验.实验中通过在垂直滑动面的载荷上叠加正弦波状和方波状的扰动,研究了正应力扰动对断层黏滑失稳的影响.研究表明,在恒定的正应力和位移速率下,标本表现为规则的黏滑,叠加正应力扰动后,随扰动振幅的增加黏滑发生时间与扰动的相关性增大,黏滑应力降和时间间隔的分布趋于离散.黏滑应力降和时间间隔的平均值随平均正应力的增加呈线性增长,扰动叠加后黏滑应力降的离散度随平均正应力的增加而增大;黏滑应力降和时间间隔主要受应力变化幅度的影响,而与应力变化的速率关系不大.剪应力和正应力扰动都会对断层黏滑失稳产生影响,而正应力扰动的影响更明显.这两种扰动对断层黏滑失稳影响的机制存在差异,剪应力扰动只是改变断层滑动的推动力,而正应力扰动则改变了断层面上凹凸体的接触状态.