白云母對巖鹽斷層帶摩擦速度依賴性影響的實驗研究

繆阿麗 馬勝利

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

2)江蘇省地震局，南京 210014

白云母對巖鹽斷層帶摩擦速度依賴性影響的實驗研究

繆阿麗1，2)馬勝利1)

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

2)江蘇省地震局，南京 210014

為更好地理解層狀硅酸鹽對斷層強(qiáng)度、滑動速度依賴性及地震活動特征的影響，利用雙軸摩擦實驗對含白云母巖鹽斷層帶在干燥及含水條件下摩擦的速度依賴性進(jìn)行了實驗研究，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)。實驗結(jié)果表明，干燥條件下含白云母巖鹽斷層帶在0.1～100μm/s的速度范圍內(nèi)表現(xiàn)為黏滑和速度弱化，增大σ2會使斷層帶從速度弱化向速度強(qiáng)化轉(zhuǎn)化，速度依賴性轉(zhuǎn)換出現(xiàn)在0.1μm/s，其中斷層滑動表現(xiàn)為穩(wěn)滑或應(yīng)力釋放時間較長的黏滑事件;含水條件下含白云母巖鹽斷層帶在0.05～0.01μm/s的速度范圍內(nèi)表現(xiàn)為速度強(qiáng)化，0.1～10μm/s的速度范圍內(nèi)表現(xiàn)為速度弱化，50～100μm/s的速度范圍內(nèi)又轉(zhuǎn)換為速度強(qiáng)化行為。含白云母巖鹽斷層帶在干燥條件下一次黏滑伴隨一個或一叢聲發(fā)射事件，而在含水條件下與穩(wěn)滑相對應(yīng)，滑動過程中并未記錄到聲發(fā)射事件。顯微結(jié)構(gòu)觀察表明，速度弱化域的主要變形機(jī)制是巖鹽顆粒的脆性破裂和局部化的滑動;干燥條件下，速度強(qiáng)化域的主要變形機(jī)制是巖鹽顆粒的均勻破裂;含水條件下2個速度強(qiáng)化域?qū)?yīng)不同的微觀機(jī)制，高速域的速度強(qiáng)化受控于巖鹽顆粒在白云母相互連結(jié)形成的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)上的滑動及其均勻碎裂作用，而低速域的速度強(qiáng)化還受巖鹽的壓溶作用控制。通過與巖鹽斷層帶摩擦實驗結(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，而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。實驗結(jié)果為分析含層狀硅酸鹽斷層的強(qiáng)度和穩(wěn)定性提供了依據(jù)。此外，在速度依賴性轉(zhuǎn)換域上觀察到的應(yīng)力緩慢釋放的現(xiàn)象進(jìn)一步證實了在巖鹽斷層帶摩擦滑動過程中觀察到的現(xiàn)象，這對慢地震機(jī)制研究具有參考意義。

含白云母巖鹽斷層帶 摩擦實驗 速度依賴性 微觀結(jié)構(gòu)

0 引言

實驗研究表明，斷層摩擦系數(shù)μ介于0.6～0.85之間，它與巖石類型無關(guān)(Byerlee，1978)。但地質(zhì)和地球物理證據(jù)表明，一些地殼斷層強(qiáng)度比實驗測得的摩擦強(qiáng)度弱(Wintsch et al.，1995;Holdsworth，2004;Moore et al.，2007)。對于這種現(xiàn)象，其中一種解釋是由于軟弱物質(zhì)如層狀硅酸鹽類物質(zhì)的存在(Moore et al.，2007，2008)及斷層帶葉理結(jié)構(gòu)的形成(Holdsworth，2004;Collettini et al.，2009)。這種斷層強(qiáng)度弱化的原因較好地解釋了一些斷層如圣安德烈斯斷層的低強(qiáng)度問題(Wintsch et al.，1995;Imber et al.，2001;Holdsworth，2004)，但是富含層狀硅酸鹽巖的斷層中因葉理發(fā)育而導(dǎo)致的斷層弱化與摩擦不穩(wěn)定性的關(guān)系也是一個重要問題(Collettini et al.，2009)?；趲r石摩擦的速率-狀態(tài)摩擦定律(Diterich，1979;Ruina，1983)，速度弱化向速度強(qiáng)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，研究含層狀硅酸鹽巖斷層的速度依賴性及其地震活動性有重要的意義。

層狀硅酸鹽類物質(zhì)被認(rèn)為是廣泛存在于斷層內(nèi)的主要軟弱物質(zhì)之一。許多學(xué)者曾經(jīng)對層狀硅酸鹽類物質(zhì)的力學(xué)性質(zhì)及微觀機(jī)制進(jìn)行過研究。Reinen等(1991，1994)研究了葉蛇紋石斷層泥和纖蛇紋石斷層泥在室溫下的摩擦強(qiáng)度及速度依賴性，認(rèn)為纖蛇紋石摩擦強(qiáng)度極低，可解釋圣安德列斯斷層的低應(yīng)力狀態(tài)。Moore等(1996，1997)、馬勝利等(1997)對3種蛇紋石斷層泥進(jìn)行了摩擦速度依賴性實驗，得到了與Reinen等不同的結(jié)論，原因是蛇紋石斷層泥的摩擦速度依賴性受溫度的影響。Moore等(2008)在室溫下對含飽和水的滑石斷層泥進(jìn)行了摩擦實驗，得到其摩擦系數(shù)介于0.16～0.23之間，在所測試條件下滑石表現(xiàn)出一致的穩(wěn)定性與速度強(qiáng)化行為。Scruggs等(1998)的實驗結(jié)果表明，云母具很低的摩擦強(qiáng)度且表現(xiàn)為速度強(qiáng)化行為。Van等(2009)的實驗結(jié)果表明，在熱液條件下云母斷層泥的摩擦行為基本與滑動速度無關(guān)。上述研究都是對單一層狀硅酸鹽類物質(zhì)進(jìn)行的，但野外斷層上不可能只有、更不可能只有一種層狀硅酸鹽類物質(zhì)。因此，也有學(xué)者用含飽和鹽水的巖鹽與層狀硅酸鹽物質(zhì)的混合物作為斷層帶物質(zhì)，實驗研究了層狀硅酸鹽含量及葉理結(jié)構(gòu)的發(fā)育對速度依賴性的影響，并提出了一個微觀物理模型(Bos et al.，2001，2002;Niemeijer et al.，2006)。這些結(jié)果揭示了層狀硅酸鹽類物質(zhì)的摩擦性狀，為分析實際斷層上的地震活動特征提供了重要依據(jù)。

上述研究也存在一些不足。首先，大部分實驗加載速度范圍較窄，而一些研究結(jié)果表明，巖石在高速滑動時會出現(xiàn)很強(qiáng)的弱化現(xiàn)象(Wibberley et al.，2005;Di Toro et al.，2006;Boutareaud et al.，2008)，因此有必要在更大的速度范圍內(nèi)研究含層狀硅酸鹽斷層的速度依賴性;其次，這些實驗中未觀測摩擦滑動及轉(zhuǎn)換過程中對應(yīng)的物理參量。為此，我們擬在已進(jìn)行的巖鹽斷層帶摩擦滑動速度依賴性及聲發(fā)射實驗的基礎(chǔ)上，研究白云母對巖鹽斷層帶摩擦滑動性狀的影響。Niemeijier等(2006)得到的云母含量對斷層速度依賴性影響的實驗結(jié)果是，巖鹽和白云母以4:1混合時其速度依賴性最明顯。據(jù)此我們選擇80wt%巖鹽+20wt%白云母作為斷層帶物質(zhì)，利用雙軸摩擦實驗對其在干燥及含水條件下摩擦的速度依賴性進(jìn)行了實驗研究，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)，以期了解白云母對斷層強(qiáng)度、摩擦速度依賴性及地震活動特征的影響。

1 實驗方法

實驗標(biāo)本為花崗閃長巖，尺寸為300mm×200mm×50mm，每個標(biāo)本沿長方體一對角線預(yù)置一條與長軸呈30°夾角，寬1mm的斷層。斷層帶用80%wt巖鹽+20%wt白云母混合物充填(為得到更好的速度依賴性轉(zhuǎn)換，據(jù)實驗測試結(jié)果，我們選取的物質(zhì)平均粒度約為:巖鹽100μm，白云母13μm)。為達(dá)到干燥條件，實驗前把巖鹽/白云母樣品置于烘箱中，在150℃溫度下烘烤20h;為達(dá)到含水條件，實驗前將巖鹽/白云母樣品溶于水中，充分?jǐn)嚢?，然后取過飽和樣品析出多余水分后作為斷層帶介質(zhì)。由于標(biāo)本結(jié)構(gòu)是開放系統(tǒng)，斷層帶中的水不具備孔隙壓力。實驗在一套雙向加載伺服控制裝置上進(jìn)行，載荷和位移通過一套分辨率為16bit的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)記錄。標(biāo)本表面布設(shè)聲發(fā)射傳感器，用多通道聲發(fā)射數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)觀測標(biāo)本在實驗過程中的微破裂。聲發(fā)射能級定義為對聲發(fā)射信號波上各點的應(yīng)變能增量積分再取對數(shù)作為聲發(fā)射能級(劉力強(qiáng)等，1999)。標(biāo)本結(jié)構(gòu)和傳感器布局如圖1所示。實驗過程中首先以相同的應(yīng)力速率使σ1和σ2同步加載至預(yù)定的σ2值后保持σ2恒定，而后σ1方向上以1μm/s的位移速率加載，在滑動趨于穩(wěn)定后，再改變加載點的位移速率，研究斷層滑動的速度依賴性?；谒俾?狀態(tài)摩擦本構(gòu)定律(Diterich，1979;Ruina，1983)，a-b 值是描述摩擦滑動穩(wěn)定性的重要參數(shù)，它被定義為

其中，μss是穩(wěn)態(tài)摩擦系數(shù)，V為滑動速度。如果a-b＞0，則表現(xiàn)為速度強(qiáng)化，反之為速度弱化。

圖1 實驗標(biāo)本結(jié)構(gòu)及傳感器布局圖Fig.1 Configuration of samples and locations of acoustic emission transducers(circle is for symbols).圖中的圓圈表示聲發(fā)射傳感器

2 實驗結(jié)果

2.1 不同條件下斷層滑動的力學(xué)行為

圖2匯集了含白云母巖鹽斷層帶在幾種條件下摩擦滑動的剪應(yīng)力-位移曲線。由圖2可知，在干燥和含水條件下，斷層帶滑動的力學(xué)特征均表現(xiàn)為具峰值強(qiáng)度和剩余強(qiáng)度的類型。在干燥條件下斷層滑動過程中伴隨周期性黏滑，而在含水條件下斷層帶滑動穩(wěn)定，且其峰值強(qiáng)度和剩余強(qiáng)度在相同σ2條件下較干燥條件下明顯降低。流體的存在會降低斷層強(qiáng)度，這與以前的實驗結(jié)果相符(Byerlee，1967;Dieterich et al.，1984;Blanpied et al.，1995;Moore et al.，2008;Collettini et al.，2009)。

圖2 不同條件下含白云母巖鹽斷層帶摩擦滑動的剪應(yīng)力-位移曲線Fig.2 Shear stress-displacement curves formuscovite-bearing halite gouge under different conditions.

2.2 斷層滑動的速度依賴性

實驗中，以1μm/s的背景速度對不同條件下含白云母巖鹽斷層帶的速度依賴性進(jìn)行了研究。由圖3a可見，在干燥、σ2=3MPa條件下，以1μm/s為界，隨著加載速度的減小，斷層最大強(qiáng)度增加，黏滑應(yīng)力降增大;隨著加載速度的增大，斷層最大強(qiáng)度降低，黏滑應(yīng)力降減小，表明含白云母巖鹽斷層帶在0.1～100μm/s的速度范圍內(nèi)具速度弱化性質(zhì)。當(dāng)σ2提高到5MPa，以1μm/s為界，加載速度降低到0.5μm/s，斷層滑動伴隨黏滑，表現(xiàn)為微弱的速度弱化;繼續(xù)降低加載速度到0.1μm/s，斷層滑動穩(wěn)定，但仍為速度弱化;當(dāng)加載速度繼續(xù)降低到0.01μm/s，斷層強(qiáng)度降低，表現(xiàn)為速度強(qiáng)化 (圖3b)。增大加載速度到5μm/s，斷層滑動伴隨黏滑，表現(xiàn)為速度弱化;繼續(xù)增大加載速度到10μm/s時，斷層強(qiáng)度隨位移迅速上升，摩擦系數(shù)超過1，應(yīng)力下降過程明顯減慢但應(yīng)力降幅度增加，不再是典型的摩擦滑動 (圖3c)。重復(fù)實驗顯示，斷層在0.1μm/s速度下滑動先表現(xiàn)為黏滑，一定位移后斷層滑動趨于穩(wěn)定。分析黏滑的時間過程可見，在此轉(zhuǎn)換域發(fā)生的黏滑的特征是，應(yīng)力逐漸積累到峰值強(qiáng)度，隨后緩慢下降，然后快速下降，整個應(yīng)力釋放持續(xù)時間超過100s，而在速度弱化域一次黏滑的特征是，應(yīng)力逐漸積累到峰值強(qiáng)度，然后急速下降，其所對應(yīng)的應(yīng)力釋放持續(xù)時間＜1s(圖3d)。雖然這個速度下斷層滑動行為在重復(fù)實驗中有所差別，但其速度依賴性基本一致，因此在這個速度下斷層所表現(xiàn)出的不同滑動行為可能正是轉(zhuǎn)換域的特征。

圖3 干燥含白云母巖鹽斷層帶摩擦滑動的速度依賴性Fig.3 Velocity-dependence of friction formuscovite-bearing halite gouge at dry condition.

含水條件下，斷層滑動始終保持穩(wěn)定。當(dāng)σ2=3MPa時 (圖4a，b)，以1μm/s為界，加載速度降低到0.1μm/s，斷層強(qiáng)度增大，表現(xiàn)為速度弱化;繼續(xù)降低加載速度到0.01μm/s，斷層強(qiáng)度變小，表現(xiàn)為速度強(qiáng)化;增大加載速度，在1～10μm/s范圍內(nèi)，斷層強(qiáng)度隨著速度的增大而降低，表現(xiàn)為速度弱化;繼續(xù)增大加載速度，在50～100μm/s范圍內(nèi)，斷層強(qiáng)度隨著速度的增大而增大，表現(xiàn)為速度強(qiáng)化。提高σ2到5MPa(圖4c，d)，其速度依賴性與σ2=3MPa時類似，但速度弱化范圍縮小了。

圖4 含水含白云母巖鹽斷層帶摩擦滑動的速度依賴性Fig.4 Velocity dependence of friction formuscovite-bearing halite gouge under wet condition.

根據(jù)上述實驗結(jié)果給出了含白云母巖鹽斷層帶在各種條件下的速度依賴性參數(shù)a-b值(表1)。由以上所述及表1可知，含白云母巖鹽斷層帶在干燥條件和σ2=3MPa時，在0.1～100μm/s范圍內(nèi)，a-b值均為負(fù)，表現(xiàn)為速度弱化。提高 σ2到5MPa，當(dāng)加載速度＜0.1μm/s，a-b值為正，表現(xiàn)為速度強(qiáng)化;在0.1～5μm/s范圍內(nèi)，a-b值均為負(fù)，表現(xiàn)為速度弱化;在較高速度下，摩擦系數(shù)超過1，斷層滑動不再符合Byerlee定律(Byerlee，1978)。在含水條件下，斷層滑動始終保持穩(wěn)定。在0.01～0.05μm/s范圍內(nèi)，表現(xiàn)為速度強(qiáng)化;在0.1～10μm/s范圍內(nèi)，表現(xiàn)為速度弱化;在 50～100μm/s范圍內(nèi)，斷層滑動又向速度強(qiáng)化轉(zhuǎn)換。雖然速度依賴性結(jié)果表明，含白云母巖鹽斷層帶在低速域和高速域均表現(xiàn)為速度強(qiáng)化，但其a-b值差別很大(見表1)，低速下速度強(qiáng)化域的a-b值明顯比高速條件下的要大得多，說明兩者的微觀機(jī)制可能不同。

我們通過穩(wěn)態(tài)流變方程計算了2個速度強(qiáng)化域的應(yīng)力指數(shù)，即

在進(jìn)行速度依賴性實驗的同時，我們還觀測了相應(yīng)的聲發(fā)射活動。圖5是含白云母巖鹽斷層帶在干燥、σ2=3MPa條件下的差應(yīng)力-時間曲線及與之對應(yīng)的M-t圖?？梢?，當(dāng)加載速度為0.5μm/s時，一次黏滑作用總伴隨一個或一叢聲發(fā)射事件。當(dāng)加載速度變?yōu)?.1～1μm/s時，聲發(fā)射事件的活動性和強(qiáng)度與速度為0.5μm/s時類似，加載速度增大到100μm/s，聲發(fā)射事件強(qiáng)度增大。含水條件下，在斷層的整個穩(wěn)滑過程中均未記錄到聲發(fā)射事件。

2.3 微觀結(jié)構(gòu)

為了解斷層帶的微觀機(jī)制，對實驗后斷層帶的顯微結(jié)構(gòu)進(jìn)行了觀察。這里我們參照Bartlett(1981)提出的剪切帶內(nèi)部結(jié)構(gòu)觀測方法來描述斷層帶內(nèi)的破裂面。圖6是各種條件下實驗樣品的顯微照片，其中包括未變形的斷層帶結(jié)構(gòu)以便進(jìn)行對比。由圖6a可見，實驗前白云

母圍繞著大小均一、形狀規(guī)則的巖鹽顆粒分布。在干燥、σ2=3MPa條件下，經(jīng)剪切滑動后，斷層帶巖鹽顆粒破碎明顯，排列雜亂無章，白云母無定向分布，斷層帶與圍巖交界處發(fā)育邊界剪切帶(圖6b)，表明斷層帶的變形是通過斷層帶內(nèi)物質(zhì)的破裂和沿邊界剪切帶的滑動來實現(xiàn)的。提高σ2到5MPa，經(jīng)高速剪切滑動后，斷層帶內(nèi)巖鹽顆粒高度破碎且分布均勻，剩余較大巖鹽顆粒被壓扁，白云母分布具微弱的定向性，平行于斷層邊界的Y面發(fā)育(圖6c)，說明斷層帶的變形受巖鹽顆粒的均勻破裂作用和沿Y面的滑動控制。相同條件下經(jīng)慢速剪切滑動后，斷層帶結(jié)構(gòu)與經(jīng)快速剪切滑動后斷層帶結(jié)構(gòu)類似，斷層帶變形表現(xiàn)出均勻變形的特征(圖6d)，但并未發(fā)育平行于斷層帶邊界的Y面，表明斷層帶變形受巖鹽顆粒的均勻破裂作用控制。含水條件下，經(jīng)高速剪切滑動后斷層帶內(nèi)巖鹽顆粒高度破碎且分布均勻，殘存較大顆粒被壓扁，白云母沿P面、R面定向排列，斷層剪切滑動過程中發(fā)育邊界剪切帶(圖6e)。經(jīng)慢速剪切滑動后斷層帶結(jié)構(gòu)與經(jīng)快速剪切滑動后斷層帶結(jié)構(gòu)類似，但巖鹽顆粒的破碎程度較低，有些巖鹽大顆粒還具魚尾構(gòu)造(圖6f)，表明在這個條件下斷層帶內(nèi)既有脆性變形也有塑性變形。

圖5 干燥含白云母巖鹽斷層帶在σ2=3MPa時的差應(yīng)力-時間曲線及與之對應(yīng)的聲發(fā)射M-t圖Fig.5 Differential stress-time curve and corresponding M-t diagram formuscovite-bearing halite gouge under dry condition and σ2=3MPa.

3 討論

(1)實驗結(jié)果表明，干燥條件下含白云母巖鹽斷層帶表現(xiàn)為具峰值強(qiáng)度和剩余強(qiáng)度的摩擦類型，滑動過程中伴隨周期性的應(yīng)力降。在σ2=3MPa條件下，在0.1～100μm/s速度范圍內(nèi)表現(xiàn)為速度弱化;當(dāng)σ2提高到5MPa后，斷層滑動在低速下表現(xiàn)為速度強(qiáng)化，在中等速度下表現(xiàn)為速度弱化，在較高速度下，斷層強(qiáng)度不再符合Byerlee定律(Byerlee，1978)，表明σ2的提高有利于斷層發(fā)生從速度弱化向速度強(qiáng)化的轉(zhuǎn)換。顯微結(jié)構(gòu)分析表明，在速度弱化域，斷層帶的變形受控于巖鹽顆粒的非均勻脆性破裂和滑動，一次黏滑對應(yīng)一個或一叢聲發(fā)射事件也表明了局部化脆性破裂的主導(dǎo)作用。低速下的速度強(qiáng)化域，斷層帶的變形受控于巖鹽顆粒的均勻破裂，其應(yīng)力指數(shù)為12也表明斷層帶以半脆性變形為主。在整個過程中未記錄到聲發(fā)射事件，表明破裂微小且分布于整個斷層帶。而高速域的變形除巖鹽顆粒的均勻破裂外還疊加了斷層帶的整體破裂和滑動;強(qiáng)度的顯著提高，其摩擦系數(shù)甚至超過1的現(xiàn)象可能與巖鹽顆粒發(fā)生“焊接”作用有關(guān)，而斷層帶的整體破裂和滑動又導(dǎo)致了周期性的應(yīng)力降(繆阿麗等，2012)。含白云母巖鹽斷層帶在干燥條件下的基本摩擦性質(zhì)與Bos等(2000)、Niemeijer等(2006)獲得的巖鹽/高嶺土、巖鹽/云母的實驗結(jié)果基本一致，但他們并未測量摩擦的速度依賴性。與巖鹽斷層帶相比，含白云母巖鹽斷層帶強(qiáng)度較低，其中速度越低差別越明顯(圖7)。從顯微結(jié)構(gòu)來看，巖鹽顆粒的破碎程度較低，說明沿白云母的滑動在斷層帶的變形中起了一定的作用，且速度越低越有利于這種滑動的發(fā)生，但這種作用對斷層帶摩擦速度依賴性的影響并不顯著。

圖6 含白云母巖鹽斷層帶的顯微結(jié)構(gòu)照片(a，b，e，f為正交偏光，c，d為單偏光)Fig.6 Microstructure photographs ofmuscovite-bearing halite gouge(a，b，e，f at crossed polarized light，c，d at plane polarized light).

圖7 含白云母巖鹽斷層帶與巖鹽斷層帶的剪切強(qiáng)度-速度對數(shù)曲線(巖鹽結(jié)果據(jù)繆阿麗等，2012)Fig.7 Shear strength vs.log v formuscovite-bearing halite gouge and halite gouge(results of halite from Miao et al.，2012).

(2)實驗結(jié)果表明，含水條件下含白云母巖鹽斷層帶在低速下表現(xiàn)為速度強(qiáng)化，中等速度下表現(xiàn)為速度弱化，較高速度下又轉(zhuǎn)換為速度強(qiáng)化;提高σ2使其剪切強(qiáng)度增大，但速度依賴性并未發(fā)生明顯變化，只是速度弱化的范圍縮小了，且在整個滑動過程中斷層始終保持穩(wěn)定。顯微結(jié)構(gòu)觀察表明，在高速下的速度強(qiáng)化域，斷層帶變形以巖鹽顆粒的均勻破裂為主，同時白云母是親水性礦物，它會將水吸附在其表面，這會使剪切滑動更易于在云母表面進(jìn)行(Moore et al.，2004)，因此沿云母表面的滑動在變形中也起了重要作用。而在低速下的速度強(qiáng)化域，斷層帶變形除巖鹽顆粒的均勻破裂外還兼有塑性變形，表明斷層帶變形主要受巖鹽的均勻破裂、壓溶作用及在白云母表面的滑動所控制。這一結(jié)果與Niemeijer等(2006)關(guān)于含水巖鹽/云母斷層帶的速度依賴性結(jié)果有不同之處，他們的實驗中斷層滑動在低速下表現(xiàn)為速度強(qiáng)化，在高速下表現(xiàn)為速度弱化，未觀測到高速下的速度強(qiáng)化現(xiàn)象。這可能與他們的實驗中最大加載速度只有13μm/s、而本文高速下的速度依賴性轉(zhuǎn)換出現(xiàn)在更大的加載速度下(≥50μm/s)有關(guān)。與含水巖鹽斷層帶相比，含白云母巖鹽斷層帶的強(qiáng)度低了很多(圖7)，且滑動始終穩(wěn)定，這顯然與白云母所形成的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)表面有利于斷層滑動有關(guān)(Collettini et al.，2009)，這種低強(qiáng)度的結(jié)果與前人的實驗結(jié)果相符(Scruggs et al.，1998;Niemeijer，2006;Moore et al.，2008)。

(3)在干燥、σ2=5MPa的條件下，在加載速度為0.1μm/s時，含白云母巖鹽斷層帶表現(xiàn)出復(fù)雜的摩擦行為，多次實驗表明，在此速度下滑動或表現(xiàn)為穩(wěn)滑或表現(xiàn)為應(yīng)力釋放時間較長的黏滑。顯然，在這種速度依賴性轉(zhuǎn)換域，斷層處于一種臨界狀態(tài)，兩種不同的滑動方式均可能出現(xiàn)。這種應(yīng)力釋放時間較長的黏滑現(xiàn)象在含水巖鹽斷層帶速度依賴性實驗中也可觀察到，其原因在于水的存在促進(jìn)了巖鹽的塑性變形，使得速度依賴性轉(zhuǎn)換域斷層帶的變形受脆性破裂和塑性變形共同控制(繆阿麗等，2012)。而含白云母巖鹽斷層帶在干燥條件下出現(xiàn)了類似的行為，也應(yīng)與斷層帶脆性破裂和塑性變形共同存在有關(guān)，只是在此條件下的塑性變形與白云母控制的滑動有關(guān)。

(4)前人的工作表明，層狀硅酸鹽表現(xiàn)為固有的穩(wěn)滑趨勢(Scruggs et al.，1998;Scholz，2002，Moore et al.，2008)，但野外地質(zhì)觀察發(fā)現(xiàn)，在層狀硅酸鹽上的穩(wěn)滑和脆性破裂是共存的(Wibberley et al.，2008)。這兩者是否相互矛盾?此外，富含層狀硅酸鹽的斷層通過葉理結(jié)構(gòu)的發(fā)育而導(dǎo)致斷層弱化是否會抑制類似于地震的摩擦不穩(wěn)定(Collettini etal.，2009)?本文的實驗中，含白云母斷層帶在含水條件下，不管在速度強(qiáng)化域還是速度弱化域均表現(xiàn)為穩(wěn)滑行為，雖未發(fā)育葉理結(jié)構(gòu)，但斷層滑動過程中未記錄到聲發(fā)射事件，這說明滑動在網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)表面進(jìn)行時，斷層不會發(fā)生類似于地震的摩擦不穩(wěn)定。顯微結(jié)構(gòu)分析表明，巖鹽的脆性破裂和在白云母表面上的滑動共同控制斷層帶變形，這說明層狀硅酸鹽固有的穩(wěn)定摩擦滑動行為與野外地質(zhì)觀察到的在層狀硅酸鹽的穩(wěn)滑和脆性破裂共存的現(xiàn)象是不矛盾的。實驗結(jié)果為含層狀硅酸鹽類物質(zhì)斷層的地震活動性研究提供了依據(jù)。此外，在轉(zhuǎn)換帶上觀察到的黏滑前應(yīng)力緩慢釋放的現(xiàn)象進(jìn)一步證實了我們先前的工作(繆阿麗等，2012)，這對慢地震機(jī)制研究具有參考意義。

4 結(jié)論

利用雙軸摩擦實驗對含白云母巖鹽斷層帶在干燥及含水條件下摩擦的速度依賴性進(jìn)行了實驗研究，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)。結(jié)果表明:干燥條件下，含白云母巖鹽斷層帶在0.1～100μm/s速度范圍內(nèi)表現(xiàn)為黏滑、具速度弱化性質(zhì)，一次黏滑伴有一個或一叢聲發(fā)射事件;σ2的增大使斷層帶在較低速度下表現(xiàn)為速度強(qiáng)化，在較高速度下由單純摩擦向摩擦和破裂的聯(lián)合作用轉(zhuǎn)變;速度依賴性轉(zhuǎn)換出現(xiàn)在0.1μm/s，其中斷層滑動或表現(xiàn)為穩(wěn)滑或為應(yīng)力釋放時間較長的黏滑事件。含水條件下含白云母巖鹽斷層帶在低速度下表現(xiàn)為速度強(qiáng)化，中等速度下表現(xiàn)為速度弱化，高速下又轉(zhuǎn)換為速度強(qiáng)化行為;σ2的增大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)觀察表明，速度弱化域的主要變形機(jī)制是巖鹽顆粒的脆性破裂和局部化滑動;干燥條件下，速度強(qiáng)化域的主要變形機(jī)制是巖鹽顆粒的均勻破裂;含水條件下，兩個速度強(qiáng)化域?qū)?yīng)不同的微觀機(jī)制，在高速域，斷層帶變形源于巖鹽顆粒在白云母相互連結(jié)形成的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)上的滑動和碎裂;而在低速域，斷層帶變形還受巖鹽的壓溶作用控制。與巖鹽斷層帶摩擦實驗結(jié)果對比可知，是否含白云母對干燥巖鹽斷層摩擦滑動方式和速度依賴性沒有影響，而流體的存在會使含白云母的斷層強(qiáng)度更低、滑動趨于穩(wěn)定。

何昌榮，周永勝，桑祖南.2002.四川攀枝花輝長巖半脆性-塑性流變的實驗研究［J］.中國科學(xué)(D輯)，32(9):717—726.

HE Chang-rong，ZHOU Yong-sheng，SANG Zu-nan.2002.The experimental study of semibrittle-plastic rheology of Panzhihua gabbro in Sichuan Province［J］.Science in China(Ser D)，32(9):717—726(in Chinese).

劉力強(qiáng)，馬勝利，馬瑾，等.1999.巖石構(gòu)造對聲發(fā)射統(tǒng)計特征的影響［J］.地震地質(zhì)，21(4):377—386.

LIU LI-qiang，MA Sheng-li，MA Jin，et al.1999.Effect of rock structure on statistic characteristics of acoustic emission［J］.Seismology and Geology，21(4):377—386(in Chinese).

馬勝利，Lockner D，Moore D，等.1997.水熱作用條件下蛇紋石斷層泥的摩擦強(qiáng)度和速度依賴性及其地震地質(zhì)意義［J］.地震地質(zhì)，19(2):171—178.

MA Sheng-li，Lockner D，Moore D，et al.1997.Frictional strength and velocity-dependence of serpentine gouges under hydrothermal conditions and their seismogelogical implications［J］.Seismology and Geology，19(2):171—178(in Chinese).

繆阿麗，馬勝利，侯林峰，等.2012.巖鹽斷層帶摩擦滑動的速度依賴性轉(zhuǎn)換及其地震學(xué)意義［J］.地球物理學(xué)報，(出版中).

MIAO A-li，MA Sheng-li，HOU Lin-feng，et al.2012.Velocity-dependence transition of friction for halite gouge and its significance in seismology［J］.Chinese JGeophys，(in press).

BartlettW L，F(xiàn)riedman M，Logan JM.1981.Experimental folding and faulting of rocks under confining pressure［J］.Tectonophysics，79:255—277.

Blacic JD，Christle JM.1984.Plasticity and hydrolytic weakening of quartz single crystals［J］.JGeophys Res，89(B6):4223—4239.

Blanpied M L，Lockner D A，Byerlee JD.1995.Frictional slip of granite at hydrothermal conditions［J］.JGeophys Res，100(B7):13045—13064.

Bos B，Peach C J，Spiers C J.2000.Frictional-viscous flow of simulated fault gouge caused by the combined effects of phyllosilicates and pressure solution［J］.Tectonophysics，327:173—194.

Bos B，Spiers C J.2001.Experimental investigation into themicrostructural and mechanical evolution of phyllosilicatebearing fault rock under conditions favouring pressure solution ［J］.Journal of Structural Geology，23:1187—1202.

Bos B，Spiers C J.2002.Frictional-viscous flow of phyllosilicate-bearing fault rock:Microphysical model and implications for crustal strength profiles［J］.JGeophys Res，107(B2):10.1029/2001JB000301.

Boutareaud S，F(xiàn)abbri O，Calugaru D，et al.2008.Clay-clast aggregates:A new textural evidence for seismic fault sliding?［J］.Geophys Res Lett，35，L05302.doi:10.1029/2007GL032554.

Byerlee JD.1967.Frictional characteristics of granite under high confining pressure［J］.JGeophys Res，72:3639—48.

Byerlee JD.1978.Friction of rocks［J］.Pure Appl Geophys，116:615—629.

Collettini C，Niemeijer A，Viti C，et al.2009.Fault zone fabric and fault weakness［J］.Nature，462:907—910.doi:10.1038/nature08585.

Dieterich JH.1979.Modelling of rock friction:1.Experimental results and constitutive equations［J］.JGeophys Res，84:2161—2168.

Dieterich JH，Conrad G.1984.Effect of humidity on time-and velocity-dependent friction in rocks［J］.JGeophys Res，89:4196—202.

Di Toro G，Hirose T，Nielsen S，et al.2006.Natural and experimental evidence of melt lubrication of faults during earthquakes［J］.Science，311:647—649.

Hansen F D，Carter N L.1983.Semibrittle creep of dry and wetWestly granite at 1000MPa［A］.U S 24thSymp on Rock Mechanics.Texas A ＆ M Univ，College Station，Tes，429—447.

Holdsworth R E.2004.Weak faults-rotten cores［J］.Science，303:181—182.

Imber J，Holdsworth R E，Butler CA，etal.2001.A reappraisalof the Sibson-Scholz faultzonemodel:The nature of the frictional to viscous(“brittle-ductile”)transition along a long-lived，crustal-scale fault，Outer Hebrides，Scotland［J］.Tectonics，20(5):601—624.

Moore D E，Lockner D A.2008.Talc friction in the temperature range 25 ～400℃ relevance for fault-zone weakening［J］.Tectonophysics，449:120—132.

Moore D E，Lockner D A，Ma Shengli，et al.1996.Strength of chrysotile-serpentinite gouge under hydrothermal conditions:Can it explain a weak San Andreas Fault?［J］.Geology，24(11):1041—1044.

Moore D E，Lockner D A，Ma Shengli，et al.1997.Strengths of serpentinite gouges at elevated temperatures［J］.J Geophys Res，102:14，787—14，801.

Moore D E，Lockner D A，Tanaka H，et al.2004.The coefficient of friction of chrysotile gouge at seismogenic depths［A］.In:Ernst，W G(ed)Serpentine and Serpentinites:Mineralogy，Petrology，Geochemistry，Ecology，Geophysics，and Tectonics.Geol Soc Am Internat Book Ser，l(8):525—538.

Moore D E，Rymer M.2007.Talc-bearing serpentinites and the creeping section of the San Andreas Fault［J］.Nature，448:795—797.doi:10.1038/nature06064.

Niemeijer A R，Spiers C J.2006.Velocity dependence of strength and healing behaviour in simulated phyllosilicatebearing fault gouge［J］.Tectonophysics，427:231—253.

Reinen L A，Weeks JD，Tullis T E.1991.The frictional behavior of serpentinite:Implications for aseismic creep on shallow crustal faults［J］.Geophys Res Lett，18:1921—1924.

Reinen L A，Weeks JD，Tullis T E.1994.The frictional behavior of lizardite and antigorite serpentinites:Experiments，constitutivemodels，and implications for natural faults［J］.Pure Appl Geophys，143:317—358.

Ruina A L.1983.Slip instability and state variable friction ［J］.JGeophys Res，88:10359—10370.

Scholz CH.2002.The Mechanics of Earthquakes and Faulting(2ndEdition)［M］.Cambridge University Press.1—508.Scruggs V J，Tullis T E.1998.Correlation between velocity dependence of friction and strain localization in large displacement experiments on feldspar，muscovite and biotite gouge［J］.Tectonophysics，295:15—40.

Van Diggelen EW E，De Bresser JH P，Peach C J，et al.2009.High shear strain behavior of syntheticmuscovite fault gouges under hydrothermal conditions ［J］.J Struct Geol，32(11):1685—1700.doi:10.1016/j.jsg.2009.08.020.

Wibberley C A J，Shimamoto T.2005.Earthquake slip weakening and asperities explained by thermal pressurization［J］.Nature，436:689—692.

Wibberley C A J，Kurz W，Imber J，et al.2008.The internal structure of fault zones:Implications formechanical and fluid-flow properties［M］.Geological Society of London，Special Publication，299:151—173.

Wilks K R，Carter N L.1990.Rheology of some continental lower crustal rocks［J］.Tectonophysics，182:57—77.

Wintsch R P，Christoffersen R，Kronenberg A K.1995.Fluid-rock reaction weakening of fault zones［J］.JGeophys Res，100:13021—13032.

EXPERIMENTAL STUDY ON THE INFLUENCE OF MUSCOVITE ON VELOCITY-DEPENDENCE TRANSITION

MIAO A-li1，2)MA Sheng-li1)
1)State Key Laboratory of Earthquake Dynamics，Institute of Geology，China Earthquake Administration，Beijing 100029，China
2)Jiangsu Earthquake Administration，Nanjing 210014，China

In order to better understand the effect of phyllosilicate on fault strength，velocity-dependence of friction and seismicity，the velocity-dependence of friction for dry and wetmuscovite-bearing halite gouge was studied by using biaxial friction configuration.Acoustic emission produced during the frictional sliding was recorded，and the microstructure of gouge zone was observed.The experiments show that dry gouge behaves stick-slip and velocity weakening at velocities of 0.1 ～ 100μm/s;Increasingσ2can enhance the transition to velocity strengthening and velocity-dependence transition occurs at velocity of0.1μm/s，where fault behaves either stable sliding or stick-slip withmuch longer time than that in the velocity weakening region.Wet gouge behaves velocity strengthening at velocities of 0.05 ～ 0.01μm/s，velocity weakening at velocities of 0.1 ～ 10μm/s，and velocity strengthening again at velocities of50 ～100μm/s.Each stick-slip event corresponds to one or a cluster of AE events for dry gouge，while there is no AE event corresponding to stable sliding forwet gouge.Themicroscope observation indicates that brittle fracturing and localized slip are predominant in the velocity weakening region and the velocity strengthening is controlled by distributed fracturing of halite under dry condition.While under wet condition，the two velocity strengthening regions correspond to different mechanisms.At higher velocities，the deformation of faultmay be controlled by frictional sliding on the network developed by muscovite and uniform fragmentation of halite，and at lower velocities，the deformation of fault is also controlled by pressure solution of halite.Comparing to the results of halite gouge，it can be seen that the existence of muscovite has no effect on sliding mode and velocitydependence for dry halite gouge，while it enhances the transition to stable sliding for wet halite gouge.The resultswe got provide basis for analyzing strength and stability of phyllosilicate-bearing faults.The stick-slip with longer time at transitional region confirms what observed in frictional experiments of halite gouge，which is significant for understandingmechanism of slow earthquakes.

muscovite-bearing halite gouge，frictional experiment，velocity-dependence，microstructure

P313

A

0253-4967(2012)01-0063-13

10.3969/j.issn.0253-4967.2012.01.007

2011-06-23收稿，2011-08-30改回。

國家科技支撐項目(2006BAC01B03)和國家重點基礎(chǔ)研究發(fā)展計劃項目(2004CB418405)共同資助。

繆阿麗，女，1984年生，2011年在中國地震局地質(zhì)研究所獲固體地球物理學(xué)專業(yè)博士學(xué)位，在學(xué)期間主要從事構(gòu)造物理實驗研究，現(xiàn)在江蘇省地震局工作，電話:025-84285649，E-mail:miaoali330@126.com。