斷層摩擦的過山車現(xiàn)象＊

Nadia Lapusta

巖石塊體差異運動所造成的殼內(nèi)斷層是大部分地震的根源。在一個地震過程中，斷層的兩盤發(fā)生滑動，或者發(fā)生斷錯，導(dǎo)致地震破裂沿著該斷層傳播。與此同時，沿著斷層面的摩擦力會阻止滑動?；瑒舆^程中摩擦力的變化是斷層行為隨時間變化的一個決定性因素，且從另一方面來看，摩擦力還影響著地震的震級大小、烈度大小和地震動的分布范圍。人們已經(jīng)知道滑動速率在地震過程中是有變化的，但滑動速率是否影響以及如何影響摩擦力和斷層行為，仍是一個有爭議的話題。在Sone和Shimamoto的實驗中［1］，將地震數(shù)據(jù)推斷出的滑動速率應(yīng)用到一條天然斷層中的巖石樣本上，實驗所得的摩擦演化的過程與典型地震模型中的摩擦行為有所不同。

斷層錯動是一個復(fù)雜的過程，其中有各種因素互相作用。因此，人們對地震產(chǎn)生、傳播和消減過程中的很多方面都認識甚少。然而，如果我們要確認哪些因素控制了地震成核和終止、地震復(fù)發(fā)，以及受地震影響地震動的范圍，對這些方面的理解又是必要的。目前這方面的地震研究進步顯著，人們提出了眾多模型，解決了地震破裂傳播和長時間地震滑動的問題［2－9］，但是現(xiàn)有模型并不能解釋觀測到的所有現(xiàn)象。因此，這些模型需要利用地震、大地測量學(xué)、地質(zhì)學(xué)和實驗室數(shù)據(jù)來不斷進行完善。

斷層摩擦，以及摩擦在滑動過程中的演化是地震行為模型中非常重要的部分。依據(jù)早期的理論，摩擦主要取決于滑移量。這是基于以下假定，即摩擦在達到一個固定值之前，隨著斷層滑動量的增加而呈線性減少特征?；谶@個假定的模型仍被廣泛應(yīng)用［6］。但是，我們對斷層摩擦的理解有了進一步發(fā)展［2，10］，實驗室試驗顯示，摩擦同樣也依賴于滑動速率和滑動過程［2，10］?？焖倩瑒樱朴?m／s 的滑動速率 即地震中的滑移速度 已被證實能夠?qū)е履Σ溜@著減弱。但這也可能是由于剪切生熱或是其他因素的作用所致［9，10］。

由Sone和Shimamoto主持的實驗室試驗［1］測試了隨著加載時間變化的滑動速率對摩擦的作用，將我們對摩擦的理解往前推進了一步。研究人員模擬了兩塊巖石的相對運動，這兩塊巖石由當中夾著的斷裂帶物質(zhì)區(qū)分為上下盤，該斷裂帶物質(zhì)采自臺灣車籠埔斷裂破碎帶。在實驗中，滑動速率設(shè)置為早期隨著時間增加，后期隨著時間減少（圖1a），以重現(xiàn)1999年臺灣集集地震滑動速率的變化。這是該試驗的獨特之處，即采用了現(xiàn)實斷層中的物質(zhì)來進行具有變化的滑動速率的地震反演。

模擬結(jié)果顯示，在不同的滑動速率作用下，摩擦系數(shù)首先增大，隨后大幅減小，最后又有所增加（圖1b）。這個摩擦演化過程與許多地震現(xiàn)象的理論和數(shù)值模擬獲得的簡單摩擦行為（圖1c）非常不同。這些簡單摩擦模型可能需要根據(jù)該實驗室觀測結(jié)果進行進一步的修正。

研究人員認為，他們試驗中所發(fā)現(xiàn)的摩擦系數(shù)在早期的增加可能阻礙了斷層的運動。這種摩擦行為可能阻止了小地震變?yōu)榇蟮卣?，也可能對現(xiàn)實中眾多的斷層滑動特征和地震震級的生成有一定的貢獻。此外，斷層摩擦的峰值似乎還依賴于滑動速率的變化，這進一步體現(xiàn)了斷層滑動的復(fù)雜性。

圖1 摩擦的起伏變化。Sone和Shimamoto為了理解地震中滑動速率的影響而設(shè)計了斷層摩擦實驗［1］（a）；他們發(fā)現(xiàn)摩擦系數(shù)經(jīng)歷了一個早期增加，之后顯著降低，最后又有所升高的過程（b）；這種摩擦行為與地震研究中常用的摩擦行為（c）非常不同；地震過程中滑動速率的真實變化可能要更為復(fù)雜［7－9］（d），且更難以在一個實驗中實現(xiàn)

在這些實驗中，摩擦系數(shù)這種早期增大，之后迅速減小，最后又增大的變化，導(dǎo)致了斷層強化。這種摩擦行為與地震期間短時間內(nèi)滑動脈沖沿斷層傳播模型一致［9－11］。地震反演［11］顯示，這種短期滑動脈沖在真實斷裂上是存在的。對速率依賴摩擦模型來說，若要產(chǎn)生短期滑動，斷層僅需要相對于摩擦力峰值而言較低的平均剪切力［9，10］。由于地震僅能在局部應(yīng)力大于靜態(tài)摩擦力的情況下發(fā)生，因此該種行為造成的一個重要后果就是：地震只能在特殊部位發(fā)生。

實驗結(jié)果有力地支持了斷層摩擦力依賴滑動速率這一觀點。實驗結(jié)果還顯示，在摩擦系數(shù)與滑動速率之間并不存在一一對應(yīng)關(guān)系，這表明在斷層行為中還存在著其他因素的作用。正如研究人員提到的，他們的發(fā)現(xiàn)有助于定性理解所謂的狀態(tài)依賴摩擦準則［2，8－10］。在該關(guān)系中，摩擦依賴于滑動狀態(tài)，以及滑動狀態(tài)的變化。通過修改該摩擦準則的狀態(tài)變化和演化方程，能夠?qū)⒃搶嶒灲Y(jié)果融入到數(shù)值模型中。這些數(shù)值模型在某種程度上還是與早期的實驗工作相吻合的。

Sone和Shimamoto同時也提出了一個摩擦力、滑動量與滑動速率之間的數(shù)學(xué)關(guān)系［1］。但是，該數(shù)學(xué)關(guān)系在關(guān)于斷層滑動的數(shù)值模擬中需要謹慎使用，因為該數(shù)學(xué)關(guān)系是與特殊的滑動速率演化，以及其他實驗中的特殊參數(shù)緊密相連，因此不是普遍適用的。尤其在一般的地震深度（譬如，加利福尼亞3～15km）處，斷層附近的擠壓力比這些實驗中所展示的要大得多。而且在該實驗中滑動速率變化是基于低頻次地震資料設(shè)置的。實際上，滑動開始時滑動速率的增長速度要比實驗室數(shù)據(jù)快得多，滑動速率值也比實驗室數(shù)據(jù)要高得多（圖1d）。

在Sone和Shimamoto的實驗中，有幾個可能明顯影響到斷層摩擦的因素沒有考慮到［1，2，5，7，9，10］。這些因素包括：斷層破碎帶內(nèi)流體的作用；高壓下斷層物質(zhì)的熔融作用；斷層破碎帶中物性參數(shù)的變化。然而，這些因素是否明顯地影響斷層行為，以及它們?nèi)绾位ハ嘧饔?，需要更富有想象力和更精確的試驗，通過重建地震深度上的斷層破碎帶的物性條件來進行確認。為了發(fā)現(xiàn)潛在的動態(tài)現(xiàn)象和驗證地震模型，在實驗?zāi)Ｐ驮O(shè)置上的創(chuàng)造性仍有很大發(fā)展空間［12］，以達到重建地震破裂傳播過程的目的。這些實驗?zāi)軌蛑苯幽M某種地震破裂特征，譬如極快的破裂速度，以及極大的滑動脈沖［11］。

綜上所述，實驗、理論和實際觀測定性地勾畫了地震期間的斷層行為，但還有更多的內(nèi)容需要研究。越來越多種類的相關(guān)摩擦實驗 譬如Sone和Shimamoto的實驗［1］

有望帶來高質(zhì)量的觀測數(shù)據(jù)，高計算能力和精確的斷層模型，以助于更好地認識地震現(xiàn)象。

譯自：Nature Geoscience．2009，2：676－677原題：The roller coaster of fault friction

（中國地震局地質(zhì)研究所，中國地震臺網(wǎng)中心姚琪 譯；中國地震局地質(zhì)研究所 汲云濤校）

（譯者電子信箱，姚琪：yqvoxelgeo＠163．com）

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