模擬斷層泥摩擦滑動速度依賴性轉(zhuǎn)換的實驗研究

馬勝利 繆阿麗

1）中國地震局地質(zhì)研究所，地震動力學國家重點實驗室，北京 100029

2）江蘇省地震局，南京 210014

基于巖石摩擦的速率-狀態(tài)摩擦定律，速度弱化是斷層失穩(wěn)的必要條件，速度弱化向速度強化的轉(zhuǎn)換控制著斷層從不穩(wěn)定滑動向穩(wěn)定滑動的轉(zhuǎn)換。因此，斷層摩擦滑動的速度依賴性轉(zhuǎn)換涉及斷層帶上地震活動特征、地震成核深度以及慢地震機制等重要問題。為深入理解斷層帶摩擦滑動速度依賴性轉(zhuǎn)換及其機制，選擇了在室溫下可能發(fā)生摩擦速度依賴性轉(zhuǎn)換的巖鹽以及含白云母的巖鹽作為斷層泥，實驗研究了其摩擦滑動的速度依賴性，并觀測了摩擦滑動過程中的聲發(fā)射，分析了斷層帶的微觀結(jié)構(gòu)。

實驗標本為花崗閃長巖，尺寸為300 mm×200 mm×50 mm，每個標本沿長方體一對角線預(yù)置一條與長軸呈30o夾角，寬1 mm的斷層，斷層帶用巖鹽集合體或80 wt%巖鹽+20 wt%云母混合體充填。實驗在一套雙向加載伺服控制裝置上進行，利用數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)記錄了實驗過程中的載荷和位移信號。在標本表面布設(shè)了聲發(fā)射傳感器，用多通道聲發(fā)射數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)觀測了標本在實驗過程中的微破裂活動。實驗后沿斷層帶切制了巖石薄片，利用光學顯微鏡觀察了斷層帶的變形結(jié)構(gòu)。獲得的主要結(jié)果如下：

（1）干燥巖鹽斷層帶在0.1～100 μm/s的速度范圍內(nèi)表現(xiàn)為速度弱化，增大σ2會使斷層帶向速度強化轉(zhuǎn)變；含水條件下巖鹽斷層帶在1～100 μm/s的速度范圍內(nèi)表現(xiàn)為速度弱化，而在0.1～0.01 μm/s的速度范圍內(nèi)表現(xiàn)為速度強化，速度依賴性轉(zhuǎn)換出現(xiàn)在0.1～1 μm/s，其中斷層表現(xiàn)為振蕩或應(yīng)力釋放時間較長的粘滑事件；巖鹽斷層帶在干燥條件下表現(xiàn)出很強的聲發(fā)射活動，每個粘滑均對應(yīng)一叢聲發(fā)射事件，而在含水條件下一次粘滑只對應(yīng)一個聲發(fā)射事件。顯微觀察表明，局部化的脆性破裂是速度弱化域的主要變形機制，分布式的碎裂流動是干燥巖鹽斷層帶在速度強化域的變形機制，顆粒邊界遷移以及壓溶作用等塑性變形是含水條件下巖鹽斷層帶在速度強化域的主要變形機制，而脆性破裂和塑性變形共同控制著速度依賴性轉(zhuǎn)換域斷層帶的變形。水的存在促進巖鹽發(fā)生塑性變形，進而導(dǎo)致斷層帶從速度弱化向速度強化轉(zhuǎn)換。

（2）含白云母巖鹽斷層帶無論在干燥還是含水條件下強度都很弱，其剪切強度隨 σ2的增大而增大。在干燥條件下斷層滑動表現(xiàn)為粘滑，一次粘滑總伴隨一個或一叢聲發(fā)射事件；在含水條件下斷層滑動穩(wěn)定，滑動過程中并未記錄到聲發(fā)射事件。在干燥條件下，含白云母巖鹽斷層帶在所測試速度范圍內(nèi)表現(xiàn)為速度弱化；含水條件下，斷層帶在低速度下表現(xiàn)為速度強化，中等速度下表現(xiàn)為速度弱化，高速度下又轉(zhuǎn)換為速度強化行為。增大σ2值，干燥條件下斷層帶在低速下表現(xiàn)為速度強化，高速下滑動不再符合Byerlee定律；含水條件下增大σ2值并未改變其速度依賴性，只縮小了速度弱化范圍。顯微結(jié)構(gòu)分析表明，在速度弱化域斷層帶變形以巖鹽顆粒的脆性破裂為主；速度強化可能源于巖鹽顆粒的壓扁、碎裂作用調(diào)節(jié)在云母相互連結(jié)形成的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)上進行的滑動。與巖鹽斷層帶實驗結(jié)果對比可知，白云母的存在對干燥巖鹽斷層帶摩擦滑動方式和速度依賴性沒有顯著影響，但在含水條件下白云母的存在使得巖鹽斷層帶滑動趨于穩(wěn)定。鑒于巖鹽可以視作硅酸巖的相似物，因此巖鹽斷層帶的實驗結(jié)果可用于分析自然斷層的強度和穩(wěn)定性轉(zhuǎn)換機制、進而分析其地震活動特征，而含白云母的巖鹽斷層帶的實驗結(jié)果可用于分析層狀硅酸巖對斷層穩(wěn)定性轉(zhuǎn)換及地震活動性的影響。在速度依賴性轉(zhuǎn)換域觀測到的應(yīng)力震蕩和應(yīng)力釋放過程緩慢的粘滑顯然是低頻失穩(wěn)現(xiàn)象，可用于分析慢地震機制。