軟弱成分層對斷層泥強(qiáng)度的影響

路　珍　何昌榮

1）中國地震局地質(zhì)研究所，地震動力學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京　100029

2）中國地震局第二監(jiān)測中心，西安　710054

軟弱成分層對斷層泥強(qiáng)度的影響

路珍1，2）何昌榮1）*

1）中國地震局地質(zhì)研究所，地震動力學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京100029

2）中國地震局第二監(jiān)測中心，西安710054

分別對不同含量的黑云母、石英均勻混合和黑云母以軟弱層形式夾于石英中的2種斷層泥在溫度為100℃，有效圍壓為200MPa，水壓為30MPa，剪切滑動速率為1.22μm／s的條件下進(jìn)行摩擦實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)黑云母以軟弱層存在時，強(qiáng)度隨含量的增加呈負(fù)冪次衰減關(guān)系，5%的含量就會對強(qiáng)度產(chǎn)生很大的降低作用，當(dāng)含量達(dá)到30%后，強(qiáng)度受含量的影響便不再顯著，逐漸趨于穩(wěn)定。而對于均勻混合樣品，強(qiáng)度隨黑云母含量的增加呈單調(diào)線性遞減關(guān)系，即云母含量越高對應(yīng)強(qiáng)度越低。顯微結(jié)構(gòu)顯示，在混合樣品中，黑云母和石英共同承擔(dān)了變形的作用，分配關(guān)系與各自所占含量保持一致。而在含軟弱層的樣品中，變形與礦物含量間的關(guān)系不大，主要集中在黑云母軟弱層中發(fā)生，而石英的變形程度不大。文中研究的結(jié)果定量地描述了軟弱層對斷層強(qiáng)度的顯著影響，表明一旦巖石中的弱礦物富集并且連通，則會大大降低斷層的強(qiáng)度，對弱斷層或高角度逆斷層的形成具有一定的啟示意義。

黑云母石英軟弱層摩擦強(qiáng)度

0　引言

由于中上地殼的組成通常為長英質(zhì)，很多情況下對地殼強(qiáng)度剖面的估算往往采用長英質(zhì)巖石礦物的實(shí)驗(yàn)室數(shù)據(jù)（Scholz，1988；Kohlstedt et al．，1995）。然而，如果考慮層狀硅酸鹽礦物的富集與連通的結(jié)構(gòu)并采用相應(yīng)實(shí)驗(yàn)室數(shù)據(jù)進(jìn)行計算時，所得的地殼強(qiáng)度會很低（Janecke et al．，1988；Wintsch et al．，1995；Holdsworth，2004），這也可能與多年來廣受關(guān)注的弱斷層有關(guān)?；谶@一線索，弱相礦物的力學(xué)性質(zhì)受到了比以往更加廣泛的關(guān)注。

作為高溫環(huán)境下化學(xué)穩(wěn)定并在地殼中廣泛存在的云母礦物，對其摩擦性質(zhì)的研究已經(jīng)有了一定的進(jìn)展（Scruggs et al．，1998；Mariani et al．，2006；Van Diggelen et al．，2010；路珍等，2013；Lu et al．，2014）。高溫高壓條件下的實(shí)驗(yàn)表明，白云母的摩擦系數(shù)為約0.37～0.56，黑云母的摩擦系數(shù)為約0.3～0.4，均小于長英質(zhì)巖石礦物的強(qiáng)度。然而，這些實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)樣品多為單一礦物，而自然界中的巖石卻多為多種礦物的集合體。用單礦物進(jìn)行研究可以得到關(guān)于礦物力學(xué)性質(zhì)的一些基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，但應(yīng)用于野外仍存在一些限制，因此需要關(guān)注混合樣品的力學(xué)性質(zhì)。值得注意的是，對于層狀硅酸鹽礦物在自然界中的存在方式并非總是均勻地分散在巖石中，特別是經(jīng)過長時間的地殼變形作用后通常會定向排列或者富集貫通。

Holyoke等（2006a，b）對天然細(xì)粒片麻巖的變形結(jié)構(gòu)進(jìn)行了三軸實(shí)驗(yàn)研究。該樣品含58%石英（連通的）、28%斜長石（分散的）、13%黑云母（呈線狀分布，但處于分散狀態(tài)），樣品為切片夾在上下端塊中，圍壓為1 500MPa，溫度為745℃和800℃，應(yīng)變速率為10－5s－1和10－6s－1。這一實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，應(yīng)變導(dǎo)致的弱相的連通是應(yīng)變局部化和巖石整體弱化的重要原因。該實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，黑云母顆粒的連通方式有2種，當(dāng)黑云母顆粒尖端的應(yīng)力集中較高時，使石英和長石顆粒因半脆性變形發(fā)生斷裂，從而使黑云母沿著（001）面得以滑動進(jìn)而連通；或者當(dāng)黑云母顆粒尖端的應(yīng)力集中較低時，弱相黑云母剪切至石英顆粒邊界，在此處形成無應(yīng)變的重結(jié)晶顆粒從而連通起來。

Johnson等（2004）研究了野外含黑云母深成巖體中糜棱結(jié)構(gòu)的演化過程，并對含云母巖石中的變形的開始和進(jìn)一步局部化的形成做了數(shù)值模擬工作。研究區(qū)域?yàn)槟鞲缂永Ｄ醽啺雿uSan Jose英云閃長巖深成巖體，其內(nèi)部保留了經(jīng)歷不同變形程度的巖石，為研究變形的發(fā)展過程提供了一個天然的實(shí)驗(yàn)室。他們對巖石從微弱變形到強(qiáng)烈變形的顯微結(jié)構(gòu)演化過程進(jìn)行了薄片觀察研究，結(jié)果顯示隨著變形程度的增加，巖石中的黑云母逐漸被拉長、形成拖尾和相互連接，最終形成糜棱化的葉理。顯微觀察表明，黑云母在巖石中是最弱的礦物，且在剪切局部化和后來的糜棱結(jié)構(gòu)的發(fā)展過程中起了重要的作用。數(shù)值模擬工作關(guān)注了在變形演化過程中弱相黑云母在其中的作用。他們的模型中黑云母占20%，在變形開始階段強(qiáng)度還是由強(qiáng)的應(yīng)力支撐構(gòu)架決定的，但隨著變形的繼續(xù)，黑云母的應(yīng)變速率提高，逐漸相互連通形成塑性變形的弱化帶，從而使整個巖石弱化。

在Shea等（1993）對片巖和片麻巖的強(qiáng)度與各向異性的研究工作中也發(fā)現(xiàn)，變形樣品中的微破裂通常出現(xiàn)于云母的尖端，并且通常將相鄰的云母連通起來。Gottschalk等（1990）同樣發(fā)現(xiàn)黑云母的近距離排列會導(dǎo)致破裂陣列的形成，從而影響局部的強(qiáng)度。

以上工作都是對于天然巖石的一些結(jié)果，巖石變形所經(jīng)受的溫度都較高，以塑性變形為主。而對于細(xì)粒的人工模擬斷層泥來說，由于實(shí)驗(yàn)室條件的限制，其在剪切變形過程中，往往是脆性變形的過程。即使這樣，在細(xì)粒人工模擬斷層泥的摩擦實(shí)驗(yàn)中，也可觀察到葉理結(jié)構(gòu)的逐漸發(fā)展。Haines等（2009，2013）對蒙脫石、伊利石和綠泥石及蒙脫石與石英的混合模擬斷層泥樣品在室溫、無孔隙水壓的條件下進(jìn)行了雙剪摩擦實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示斷層泥樣品中的葉理化程度與剪切應(yīng)變關(guān)系密切，并且隨著剪應(yīng)變的增加葉理化程度加深。另外，在R1剪切貫穿斷層泥夾層后，其中的黏土礦物逐漸向P剪切方向旋轉(zhuǎn)，形成沿P方向的葉理。

雖然天然巖石和模擬斷層泥樣品的變形過程有一些本質(zhì)的區(qū)別，但都肯定了巖石中的弱相經(jīng)過構(gòu)造變形作用易于呈葉理組構(gòu)排布的傾向，而這種排布方式會對巖石的力學(xué)性質(zhì)產(chǎn)生較大的影響。有可能當(dāng)弱相礦物富集并連通時，很少的含量即能改變巖石的整體強(qiáng)度，不同于強(qiáng)度反差較小的多相礦物巖石中所見的等應(yīng)變平均模型（譚文彬等，2008；蘭彩云等，2010）。

因此，在對弱礦物（例如層狀硅酸鹽礦物）的影響進(jìn)行研究時，應(yīng)該考慮到葉理面的影響。前人很多工作也已經(jīng)注意到了這種局部的弱相結(jié)構(gòu)，但是大多關(guān)注于其顯微構(gòu)造（Johnson et al．，2004；HolyokeⅢet al．，2006a，b）和各向異性對巖石整體的強(qiáng)度的影響（Gottschalk et al．，1990；Rawling et al．，2002），且多為對完整巖石樣品的研究和顯微構(gòu)造的定性描述。少數(shù)研究工作關(guān)注了斷層摩擦強(qiáng)度的定量研究，如Niemeijier等（2010）所做的工作，他們將不同厚度的滑石顆粒夾于石英中，在溫度和壓力都較低，且無水壓的條件下對樣品進(jìn)行雙剪實(shí)驗(yàn)，得到200μm厚的滑石就開始對樣品整體強(qiáng)度有所弱化的結(jié)果。這一工作明確地指出了軟弱層對摩擦滑動強(qiáng)度的影響，對估計斷層強(qiáng)度和弱斷層的研究有重要啟示意義。在上述工作中，沒有將弱相的含量定量化，因此未給出含量與強(qiáng)度的定量關(guān)系。

文中試圖就弱相礦物在摩擦滑動中的影響進(jìn)行定量實(shí)驗(yàn)研究，并主要關(guān)注對以下幾點(diǎn)問題的解答：1）雖然弱相礦物的連通會大大影響整個巖石的強(qiáng)度，但是影響程度究竟如何（即葉理面影響大小的問題）；2）當(dāng)葉理面形成后，整體強(qiáng)度是否還受含量的影響；3）弱的葉理面在剪切變形過程中扮演什么角色及其變形過程如何。

針對以上幾個問題，用弱礦物組成的軟弱層來代表斷層帶中的葉理面結(jié)構(gòu)，首先對含有軟弱層的斷層泥進(jìn)行了摩擦滑動實(shí)驗(yàn)（簡單剪切實(shí)驗(yàn)）研究。實(shí)驗(yàn)中選取黑云母為弱相礦物，石英為強(qiáng)相礦物，取不同含量的黑云母薄層夾于石英樣品中，從而得到不同含量構(gòu)成的軟弱層對斷層泥強(qiáng)度的影響。同時，也取一系列相應(yīng)含量的黑云母和石英均勻混合樣品進(jìn)行對比實(shí)驗(yàn)，從而得到含量一致時葉理結(jié)構(gòu)（軟弱層）對強(qiáng)度的影響。

1　實(shí)驗(yàn)方法

1.1實(shí)驗(yàn)樣品

實(shí)驗(yàn)所用的黑云母樣品采自河北省靈壽采石場，石英樣品采自北京昌平德勝口的高純度石英巖。所用黑云母和石英樣品均為經(jīng)人工粉碎的顆粒狀樣品，通過200目的篩網(wǎng)進(jìn)行粒度控制，篩網(wǎng)對應(yīng)最終粒度的標(biāo)準(zhǔn)值為76μm。但在實(shí)際篩分過程中，由于篩網(wǎng)的誤差和一些礦物顆粒的超大長寬比，粒徑比76μm大的顆粒也可能進(jìn)入樣品，因此會顯示有些粒徑大于100μm。激光粒度分析顯示黑云母的粒度中值為47μm，石英的粒度中值為54μm，其分布如圖1所示。

圖1　黑云母和石英樣品激光粒度分析結(jié)果Fig．1　Cumulative particle size distribution of biotite and quartz．

圖2　含黑云母軟弱層樣品的裝樣方式Fig．2　The set-up of structured gouge with a biotite layer embedded in quartz gouge as a weak layer．

實(shí)驗(yàn)所用的斷層泥樣品分為2種類型，一種為黑云母（bt）和石英（qtz）的均勻混合的樣品；另一種樣品為將一定含量的黑云母夾于石英中，即形成帶有黑云母軟弱層的樣品，如圖2所示。含軟弱層樣品的裝樣方式為，用厚度分別對黑云母和石英顆粒的質(zhì)量進(jìn)行控制，因此不同黑云母和石英的厚度組合即對應(yīng)于不同的樣品百分含量。為了保證數(shù)據(jù)的可靠性，對每種含量對應(yīng)的組合方式進(jìn)行5次相同的裝樣，可以得出礦物質(zhì)量百分含量的平均值和標(biāo)準(zhǔn)差。秤取過程中的樣品質(zhì)量為在130℃下烘干24h后的干燥質(zhì)量。由于這些有限的厚度－含量組合難以在樣品總厚度上精確一致，因此在本次研究中選取總厚度在2mm左右的樣品進(jìn)行不同云母含量的強(qiáng)度對比（表1）。而對于均勻混合樣品，裝樣方式相對簡單，即將事先按比例混合好的樣品夾于上下圍巖中即可，選取其厚度統(tǒng)一為1mm。上述兩種類型的樣品中黑云母所占的質(zhì)量百分比大致設(shè)定為0、5%、30%、70%和100%這幾種情況。

表1　含軟弱層樣品中黑云母質(zhì)量百分含量（wt%）Table 1　The weight percentages of biotite in structured gouges（wt%）

1.2實(shí)驗(yàn)裝置與條件

實(shí)驗(yàn)所用的儀器是氣體介質(zhì)高溫高壓三軸實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，系統(tǒng)可加圍壓420MPa，溫度用YAMATAKE DCP30型控溫儀，通過可控硅調(diào)節(jié)加溫爐的功率來控制，可加到600℃，孔隙壓可達(dá)200MPa，軸向加載能力為100T。

圖3　實(shí)驗(yàn)裝樣圖Fig．3　The sample assembly．

實(shí)驗(yàn)所采用的圍巖樣品為圓柱狀，長40mm，直徑20mm，中間有預(yù)制斷層面，與樣品軸向夾角為35°，實(shí)驗(yàn)樣品夾于上、下斷層面之間。對于含黑云母軟弱層樣品的實(shí)驗(yàn)，上部圍巖采用滲透性較好的多孔陶瓷（滲透率約為10－14m2）以使斷層泥內(nèi)部孔隙水壓均勻（圖2a）；對于混合樣品的實(shí)驗(yàn)，上部圍巖采用帶孔輝長巖，以保證足夠高的強(qiáng)度。下部圍巖均采用輝長巖以阻止孔隙水壓損失。本實(shí)驗(yàn)采用兩段爐體分別加溫的方式以保證上下對稱的溫度分布，實(shí)驗(yàn)中所拾取的溫度為上部圍巖頂部中心的值，在100℃時，中心斷層泥處的溫度比樣品頂部高1℃。實(shí)驗(yàn)裝樣圖如圖3所示，關(guān)于實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)和裝樣的其他細(xì)節(jié)見相關(guān)文獻(xiàn)（He et al．，2006，2007）。

樣品在100℃、200MPa有效圍壓和30MPa水壓的條件下進(jìn)行三軸剪切實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)過程中通過反饋控制保持圍壓和水壓恒定。樣品彈性階段的變形速率和屈服后的剪切滑動速率都控制為1.22μm／s，當(dāng)樣品達(dá)到一定滑動量后，變形逐漸趨于穩(wěn)定，即可得到在一定剪切變形下的剪切強(qiáng)度。

1.3數(shù)據(jù)處理

對于存在斜向剪切面的樣品，在變形過程中摩擦面的實(shí)際接觸面積會隨軸向位移的增加而減小，而外層密封用的銅管也會產(chǎn)生阻擋剪切的力。因此，需要對加載于圍巖兩端的軸向應(yīng)力和銅管的剪切力進(jìn)行校正和扣除。

對軸向應(yīng)力和銅管剪切力的校正方法詳見He等（2006）。

2　實(shí)驗(yàn)結(jié)果

2.1力學(xué)數(shù)據(jù)

2.1.1混合樣品

由于混合樣品的強(qiáng)度較高，多孔陶瓷的強(qiáng)度不足以作為圍巖來驅(qū)動樣品滑動，因此黑云母含量在70%以下的樣品由單孔輝長巖作為圍巖塊體。由于云母滲透性較弱，單孔輝長巖比起多孔陶瓷可能會在云母含量較高的樣品內(nèi)存在孔隙水壓不均勻的問題?；谶@一考慮，對含70%黑云母的樣品在相同條件下分別用多孔陶瓷（樣品mix－b7q3）和單孔輝長巖（樣品mix－70）作為圍巖進(jìn)行實(shí)驗(yàn)對比。如表2所示，在相同的非彈性應(yīng)變量處（γ＝1.8）樣品mix－b7q3的摩擦系數(shù)為0.372，樣品mix－70的摩擦系數(shù)為0.405，總體都在0.4左右，存在0.033的差異。因此，在黑云母含量70%以下的樣品的強(qiáng)度數(shù)據(jù)可能存在與此相當(dāng)或略小的偏差。

表2　均勻混合樣品的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)Table 2　The results of friction experiments on mixed gouge of biotite and quartz

從黑云母和石英均勻混合樣品的摩擦實(shí)驗(yàn)結(jié)果（圖4，5及表2）可以看出，樣品強(qiáng)度隨黑云母含量的增加而降低。分別取各樣品在相同非彈性應(yīng)變處（γ＝1.8）的摩擦系數(shù)值繪于圖5中，可見混合樣品的強(qiáng)度與黑云母含量呈單調(diào)遞減的線性關(guān)系，斜率為負(fù)。對這一趨勢進(jìn)行擬合，得到擬合直線為

式（1）中：μ為樣品整體的摩擦系數(shù)，x為黑云母的百分含量（0≤x≤1）。擬合的決定系數(shù)R2達(dá)0.99。計算表明，黑云母和石英均勻混合樣品的強(qiáng)度基本符合強(qiáng)度按混合比例分配的數(shù)值，即符合等應(yīng)變平均模型，這與之前斜長石和輝石（譚文彬等，2008）、角閃石和斜長石混合樣品（蘭彩云等，2010）的強(qiáng)度規(guī)律相一致。

若將樣品弱化程度定義為樣品和純石英相比強(qiáng)度所降低的百分率，那么根據(jù)擬合曲線，分別將不同含量混合樣品的強(qiáng)度與純石英的強(qiáng)度進(jìn)行對比，可以得出黑云母含量對樣品弱化的影響程度。計算表明，在均勻混合樣品中，樣品強(qiáng)度的弱化程度與黑云母含量呈正線性關(guān)系，即黑云母的含量少則弱化程度低，黑云母的含量多則弱化程度高。例如5%的黑云母只能引起強(qiáng)度4%的降低，而70%黑云母的加入即能引起強(qiáng)度降低44%。

2.1.2含黑云母軟弱層的樣品

含黑云母軟弱層樣品的實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表3、圖5和圖6。與前述均勻混合樣品對比可以看出，在相同含量附近，含軟弱層樣品的強(qiáng)度低于均勻混合樣品的強(qiáng)度，且樣品強(qiáng)度仍然是隨著黑云母含量的增加呈減小趨勢，但不再呈線性衰減關(guān)系（圖5）。

表3　含黑云母弱軟弱層樣品的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)Table 3　The results of friction experiments on structured gouge with a biotite layer embedded in quartz gouge as a weak layer

圖4　黑云母和石英均勻混合樣品摩擦系數(shù)與應(yīng)變關(guān)系曲線Fig．4　Friction coefficient of mixed gouge of biotite and quartz plotted as functions of shear strain．

圖5　樣品摩擦系數(shù)隨黑云母含量的變化Fig．5　The coefficient of friction plotted as function of biotite content．

將含不同含量黑云母軟弱層樣品相同非彈性應(yīng)變處（γ＝1.8）的摩擦系數(shù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)繪于圖5中，可以看出對于含黑云母軟弱層的樣品，其摩擦強(qiáng)度隨黑云母含量的變化表現(xiàn)出非線性的衰減，且其變化符合下列曲線方程：擬合的決定系數(shù)R2達(dá)0.99，符號含義與前相同。由擬合曲線可以清楚地看出，樣品的強(qiáng)度隨其中黑云母的含量呈負(fù)冪次衰減關(guān)系。

圖6　含黑云母弱結(jié)構(gòu)面樣品摩擦系數(shù)與應(yīng)變關(guān)系曲線Fig．6　Friction coefficient of structured gouges with biotite weak layers plotted as functions of shear strain．

圖5顯示，很少量的黑云母就能對強(qiáng)度產(chǎn)生很大程度的弱化，如5%黑云母的加入就能引起強(qiáng)度降低近34%，其影響程度相當(dāng)于均勻混合樣品中將近60%云母含量的效果。當(dāng)黑云母含量在30%以下時，強(qiáng)度隨黑云母含量的增加而減小的幅度比其總體趨勢更加明顯，表現(xiàn)為黑云母含量從5%增加到30%會引起強(qiáng)度從34%到52%的降低；而在含量達(dá)到30%以上后，強(qiáng)度便趨于緩慢下降態(tài)勢，表現(xiàn)為黑云母從30%增加到70%卻只引起了強(qiáng)度從52%到59%的降低。顯然，這種黑云母含量對樣品強(qiáng)度的影響明顯區(qū)別于均勻混合樣品的情況，體現(xiàn)了軟弱層對強(qiáng)度弱化的重要作用。

2.1.3相同黑云母含量下2種樣品的強(qiáng)度差異

在弱相礦物含量一致時，含黑云母軟弱層的樣品和均勻混合樣品的強(qiáng)度差異有助于了解葉理面的定量化影響，因此值得關(guān)注。由上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，在黑云母含量相近的條件下混合樣品的強(qiáng)度都高于含黑云母軟弱層樣品的強(qiáng)度（圖5）。利用2種樣品的擬合曲線方程可以計算含黑云母軟弱層樣品和均勻混合樣品強(qiáng)度差異的極大值。

由擬合方程得到兩者強(qiáng)度差異為

由式（3）可以算出其最大值在17.8%處，所對應(yīng)的Δμ為0.23。因此可以得出，在黑云母含量為17.8%時，含軟弱層樣品和均勻混合樣品的強(qiáng)度差異最大。

2.2變形樣品顯微結(jié)構(gòu)

為了進(jìn)一步了解均勻混合樣品和含軟弱層樣品各自的變形特點(diǎn)，對其顯微結(jié)構(gòu)進(jìn)行了研究。選取黑云母含量為5%的均勻混合和含軟弱層的樣品共2組，對其沿中心軸線且垂直于斷層面切片，制成薄片，用掃描電鏡（SEM）進(jìn)行了觀察。對剪切面的描述沿用Logan等（1979）對結(jié)構(gòu)面的命名。

為了進(jìn)行對比，首先對含軟弱層和均勻混合（都含～15%bt）樣品在室溫下的未變形顯微結(jié)構(gòu)進(jìn)行了觀察（圖7）。如圖7a所示，在含黑云母軟弱層斷層泥的未變形樣品中，黑云母和石英顆粒都比較完整，沒有經(jīng)受剪切變形。黑云母片狀顆粒平行于斷層面方向定向排列，顆粒粒徑較大，邊界清晰。兩側(cè)的石英顆粒粒徑也比較大，棱角分明，且顆粒間的孔隙度較大。在未變形的均勻混合斷層泥樣品中，黑云母和石英顆粒同樣沒有經(jīng)受變形，黑云母片狀顆粒隨機(jī)地分散在棱角分明的石英顆粒的基質(zhì)中，同樣樣品中的孔隙度較大（圖7b）。

圖7　含黑云母軟弱層和黑云母－石英均勻混合樣品的未變形顯微結(jié)構(gòu)Fig．7　The microstructures of undeformed gouge．

圖8　黑云母質(zhì)量百分含量為5%樣品的變形顯微結(jié)構(gòu)Fig．8　Fabrics of deformed gouges with～5wt%biotite after shear deformation as seen in SEM images．

對于經(jīng)受剪切變形的樣品，由圖8a可以看出，樣品mix－5pb受到了明顯的剪切作用，R1剪切面在樣品中廣泛發(fā)育，其與邊界夾角約為10°～13°。在此樣品中，石英含量占絕大部分（95%），并以基質(zhì)的形式存在于樣品中，主要經(jīng)受了強(qiáng)烈的脆性變形作用，由于破裂其粒徑由未變形時的幾十微米減小到了零點(diǎn)幾微米的量級，經(jīng)歷了2個數(shù)量級的變化。相比之下，含量較少的黑云母（含5%）分散地存在于石英中，并多呈彎曲狀定向排列，定向多沿P剪切面方向，與邊界夾角為15°左右。由云母彎曲的形狀可見其也經(jīng)歷了一定的變形作用。然而，在qbq－5樣品中，同樣含5%左右的黑云母，其變形結(jié)構(gòu)卻與樣品mix－5有很大的差別（圖8b）。在此樣品中，變形主要發(fā)生在含量約5%的黑云母夾層中，而兩側(cè)含量95%的石英則幾乎沒有發(fā)生剪切變形。從圖8b的局部放大圖中可以看出，黑云母夾層中發(fā)育很多剪切面，除了有R1剪切面，沿P方向發(fā)育的剪切面也較多見。R1與邊界夾角為10°左右，而P與邊界夾角為10°～15°。云母顆粒粒徑大幅減小至3～4μm的水平，可見經(jīng)歷了很強(qiáng)的破裂過程。而在石英顆粒中，雖可見其發(fā)生了一定程度的碎裂，但顆粒減小程度并不強(qiáng)烈，而且在石英層中也沒有剪切面穿過。

通過不同樣品變形特點(diǎn)的對比可以看出，均勻混合樣品和含軟弱層樣品在變形過程中有很大的不同。對于黑云母和石英均勻混合的樣品來說，當(dāng)樣品受到力的作用發(fā)生變形時，其中的黑云母和石英共同承擔(dān)變形的作用，且與其各自所占百分含量有密切關(guān)系，由于mix－5樣品中石英含量較多，所以起到了框架支撐作用。而在含軟弱層的樣品中，樣品在受到力的作用后對變形的承擔(dān)受含量影響不大，而是與樣品中所含的軟弱層有很大關(guān)系，表現(xiàn)為變形優(yōu)先集中在黑云母弱軟弱層中發(fā)生，兩側(cè)的石英均沒有發(fā)生太大的變形，這說明很少含量形成的薄的軟弱層就能吸收絕大部分的變形。這種顯微結(jié)構(gòu)上顯示的軟弱層在剪切變形中的作用與前述宏觀力學(xué)數(shù)據(jù)所揭示的現(xiàn)象相一致。

3　討論

3.1葉理面對強(qiáng)度的影響

由上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出軟弱層在斷層泥力學(xué)性質(zhì)中的重要性。單純地將巖石粉碎混合進(jìn)行研究會破壞其原有的結(jié)構(gòu)，從而湮沒結(jié)構(gòu)帶的信息。而含有軟弱層的樣品可以有效地保留上述信息，使實(shí)驗(yàn)室研究和野外實(shí)際現(xiàn)象更好地聯(lián)系起來。

在本次對含軟弱層斷層泥的研究工作中，3個黑云母含量的樣品定量地顯示了均勻混合樣品與含軟弱層樣品的重要差異。對于含黑云母軟弱層的樣品，5%的黑云母就可以對強(qiáng)度產(chǎn)生重要的影響；而這種影響在黑云母含量達(dá)到30%后便不再顯著，強(qiáng)度逐漸趨于穩(wěn)定的水平；當(dāng)所含黑云母質(zhì)量百分比相似時，均勻混合樣品和含軟弱層樣品的強(qiáng)度差異在黑云母含量為18%左右時達(dá)到最大。

Niemeijier等（2010）關(guān)于滑石和石英的實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，當(dāng)所夾滑石為200μm厚時開始對整體強(qiáng)度有所弱化，而厚度到800μm后，厚度對強(qiáng)度的影響已不再明顯，強(qiáng)度開始趨于穩(wěn)定，可以看出樣品強(qiáng)度隨滑石厚度的增加呈現(xiàn)一個衰減的趨勢。為了從厚度影響的角度分析我們的數(shù)據(jù)并與他們的結(jié)果進(jìn)行對比，我們對本次實(shí)驗(yàn)中含黑云母軟弱層斷層泥樣品的夾層厚度與摩擦系數(shù)關(guān)系進(jìn)行了進(jìn)一步考察，結(jié)果如見圖9所示。圖9顯示，含軟弱層的斷層泥樣品在黑云母夾層為～0.1mm厚時就對樣品強(qiáng)度有明顯的降低，當(dāng)夾層厚度達(dá)到0.8～1mm時，強(qiáng)度便逐漸趨于穩(wěn)定，降低幅度不再明顯?？梢娢覀兊慕Y(jié)果和Niemeijier等（2010）的結(jié)果基本一致。同時，這一趨勢與摩擦系數(shù)隨含量變化的趨勢（圖5）相伴隨，表明摩擦系數(shù)隨含量變化的控制因素可能就是厚度的變化，而厚度變化反映在了含量的變化上。上述結(jié)果表明，對于含有軟弱層的樣品，其強(qiáng)度與其中弱相葉理的關(guān)系可能普遍具有如上所述的特性，因此我們的實(shí)驗(yàn)結(jié)果對其他弱礦物的影響也具參考意義。

圖9　含軟弱層斷層泥的摩擦系數(shù)隨黑云母夾層厚度的變化Fig．9　The friction coefficient of structured gouge plotted as a function of thickness of the biotite layer．

此次工作已經(jīng)較定量地得到了黑云母軟弱層對強(qiáng)度的影響，但是仍有一些問題值得思考。實(shí)驗(yàn)中的軟弱層是平行于模擬斷層面裝樣的，即與邊界夾角為0°。但是在實(shí)際受到剪切變形的樣品中還可以觀察到沿R1方向和沿P方向發(fā)展的剪切面或葉理面，它們均與邊界存在一個角度，因此想到不同類型的葉理面也許會對強(qiáng)度產(chǎn)生不同的影響，這一方面的進(jìn)一步研究會更深入、更全面地了解葉理面的影響。另外，通常在斷層泥力學(xué)性質(zhì)的研究過程中，主要關(guān)注2個方面的參數(shù)，一個是摩擦強(qiáng)度，另一個便是摩擦穩(wěn)定性。本次工作主要關(guān)注了摩擦強(qiáng)度的特性，而忽略了對摩擦穩(wěn)定性的研究，但摩擦穩(wěn)定性是同等重要的信息，與地震成核的可能性直接相關(guān)。以上所討論的幾個方面有必要在以后的工作中展開研究。

3.2實(shí)驗(yàn)結(jié)果對斷層活動的啟示

實(shí)驗(yàn)結(jié)果已經(jīng)很好地證明，一旦巖石中的弱礦物富集并且連通，那么就會大大降低斷層的強(qiáng)度，且含量為5%時已有了明顯作用。

黑云母作為一種常見的造巖礦物，普遍存在于巖漿巖和變質(zhì)巖中。經(jīng)?？梢娖渥鳛樯倭康V物存在于花崗質(zhì)巖石中。在糜棱巖中，往往含有相比其原巖更多的層狀硅酸鹽礦物。通過本次工作可以看出，對于含有如黑云母之類的弱礦物的巖石，一旦其中的弱礦物連通起來，無論其所占含量多與少都可以帶來足夠的影響。歸屬于龍門山區(qū)重要地質(zhì)體之一的“彭灌雜巖”主要由黑云花崗巖、斜長花崗巖、鉀長花崗巖、花崗閃長巖、英云閃長巖和閃長巖等組成（張沛等，2008），且該巖體中發(fā)育著程度不同、規(guī)模不等的韌性剪切帶，所發(fā)育的葉理化帶寬度從10cm左右至數(shù)米到數(shù)十米不等，在葉理化巖石中，暗色礦物從原巖中的10%可增加達(dá)30%以上，主要為黑云母和綠泥石類（吳山，1993）。因此，在研究彭灌雜巖的構(gòu)造變形甚至與彭灌雜巖體相關(guān)的龍門山斷裂帶的強(qiáng)度時，有必要考慮弱葉理化的影響。盡管抬升上來的韌性剪切帶有片理化趨勢和層狀硅酸鹽礦物的富集，但目前對彭灌雜巖中現(xiàn)今斷層帶的實(shí)際情況仍缺乏系統(tǒng)的了解。但可以肯定的是，層狀硅酸鹽礦物在斷層帶上的富集與連通必然會大大降低其強(qiáng)度，從而更易于滑動，這也許在高角度逆斷層的錯動上與可能存在的高壓流體（韓亮，2012）一起扮演了一定程度的助力角色。

4　結(jié)論

分別對不同含量的黑云母、石英均勻混合樣品和含黑云母軟弱層樣品進(jìn)行了摩擦實(shí)驗(yàn)研究，通過對實(shí)驗(yàn)力學(xué)數(shù)據(jù)和變形樣品的顯微結(jié)構(gòu)分析，得到了以下幾點(diǎn)結(jié)論：

（1）黑云母和石英均勻混合樣品的強(qiáng)度隨著黑云母含量的增多呈線性單調(diào)遞減趨勢，屬于等應(yīng)變平均模型。而含黑云母軟弱層樣品的摩擦強(qiáng)度與黑云母含量呈一個負(fù)冪次衰減關(guān)系，并且黑云母含量為5%時就對強(qiáng)度有很明顯的弱化，而含量達(dá)到30%后則對強(qiáng)度影響不再顯著，強(qiáng)度逐漸趨于穩(wěn)定的水平。

（2）在相似含量的條件下，黑云母、石英均勻混合樣品的強(qiáng)度都在含軟弱層樣品之上，且兩者強(qiáng)度差異在黑云母含量約為18%時達(dá)到最大。

（3）顯微結(jié)構(gòu)顯示，對于均勻混合樣品，變形由黑云母和石英共同承擔(dān)，且與各自所占百分含量相關(guān)。對于含軟弱層的樣品，礦物含量對于變形的承擔(dān)影響不大，變形都優(yōu)先集中在弱軟弱層內(nèi)發(fā)生，兩側(cè)的石英均沒有發(fā)生太大的變形。

致謝感謝姚文明工程師在實(shí)驗(yàn)過程中提供的技術(shù)支持。

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Abstract

We investigated frictional sliding behavior of mixture gouges of quartz with various weight proportions of biotite and their structured equivalents with same weight proportions of biotite as layers embedded in quartz gouge．Our experiments were performed under effective confining pressure of 200MPa，pore pressure of 30MPa，temperature of 100℃and the shear displacement rate of 1.22μm／s．The results show that for structured gouges with biotite layers embedded in quartz gouge as a weak structure，the strength has a power law decreasing trend with increasing weight proportions of biotite．The fault gouges can be weakened significantly by as little as 5wt%biotite，and 30wt%biotite corresponds to a beginning point of less sensitive strength change in response to increasing biotite proportion．On the other hand，the strength of mixed gouges shows a linear decreasing trend with increasing biotite proportion．Microstructures of deformed samples show that in mixed gouges，biotite and quartz are both sheared and grain size extremely reduced，and their contributions to overall strength have a close relation with their respective contents．However，in structured gouges，the shear deformation mainly occurred in the weak biotite layers with no shears crossing the quartz gouge．These results confirm the importance of the weak fabric in its effect on frictional strength．If the weak minerals form foliations and interconnected arrangements，it will lead to weakness of fault zones．

QUANTITIVE INFLUENCE OF WEAK PHASE LAYER ON STRENGTH OF FAULT GOUGE

LU Zhen1，2）HE Chang-rong1）
1）State Key Laboratory of Earthquake Dynamics，Institute of Geology，China Earthquake Administration，Beijing100029，China
2）The Second Monitoring and Application Center，China Earthquake Administration，Xi′an710054，China

biotite，quartz，weak structure，coefficient of friction

P313

A文獻(xiàn)標(biāo)識碼：0253－4967（2015）01－0068－13

10．3969／j．issn．0253－4967．2015．01．006

路珍，女，1987年生，2014年在中國地震局地質(zhì)研究所獲博士學(xué)位，從事與地震動力學(xué)相關(guān)的高溫高壓巖石力學(xué)研究，電話：010－62009040，E－mail：lzzhen828＠163.com。

2013－12－17收稿，2014－08－18改回。

國家自然科學(xué)基金（41274186）和地震動力學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室自主研究課題（LED2012A01）共同資助。

何昌榮，男，研究員，E－mail：crhe＠ies．a(chǎn)c．cn。