超塑性納米纖維狀滑動(dòng)帶控制孕震斷層摩擦*

Berend A Verberne， Oliver Plümper，D A Matthijs de Winter， Christopher J Spiers

1) Department of Earth Sciences， Utrecht University， Budapestlaan 4， 3584 CD，Utrecht， Netherlands 2) Department of Biology， Utrecht University， Padualaan 8， 3584 CH，Utrecht， Netherlands

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超塑性納米纖維狀滑動(dòng)帶控制孕震斷層摩擦*

Berend A Verberne1)， Oliver Plümper1)，D A Matthijs de Winter2)， Christopher J Spiers1)

1) Department of Earth Sciences， Utrecht University， Budapestlaan 4， 3584 CD，Utrecht， Netherlands 2) Department of Biology， Utrecht University， Padualaan 8， 3584 CH，Utrecht， Netherlands

摘要了解控制斷層摩擦的內(nèi)在機(jī)制對(duì)于了解活動(dòng)斷層的孕震滑動(dòng)十分關(guān)鍵。 斷層帶中的位移常常局限在高反射(鏡面)的滑動(dòng)面上， 通?；瑒?dòng)面上還覆蓋有薄層的納米顆粒狀斷層巖。 本文展示了實(shí)驗(yàn)?zāi)M的方解石斷層中發(fā)育的鏡面狀滑動(dòng)面， 它由在室溫條件下呈韌性的納米顆粒鏈或是納米纖維線性排列組成。 這些微結(jié)構(gòu)和相應(yīng)的摩擦數(shù)據(jù)表明， 斷層滑動(dòng)機(jī)制類似于經(jīng)典的Ashby-Verrall超塑性， 該機(jī)制能夠產(chǎn)生不穩(wěn)定的斷層滑動(dòng)。 對(duì)這種機(jī)制而言， 納米晶體方解石斷層泥中的擴(kuò)散物質(zhì)轉(zhuǎn)移速度足夠快， 以致于可以控制石灰?guī)r地區(qū)的孕震活動(dòng)。 隨著殼內(nèi)斷層上越來越多地被證實(shí)存在著納米顆粒狀斷層面， 本文提出的機(jī)制很有可能普遍適用于殼內(nèi)孕震活動(dòng)。

地震活動(dòng)斷層帶的核部經(jīng)?？梢娨粭l由納米顆粒狀斷層巖所構(gòu)成的狹窄主滑動(dòng)帶(principal slip zone， PSZ)(一般幾毫米到幾厘米寬)[1-2]。 最新的野外研究表明， 這種與斷層平行的滑動(dòng)帶露頭常常能夠形成高反射(鏡面)的滑動(dòng)面， 這種現(xiàn)象說明這些“鏡面”斷層面能夠指示過去的地震滑動(dòng)[3-7]。 不管斷層面形態(tài)如何， 對(duì)于地震破裂成核， 斷層滑動(dòng)帶內(nèi)的磨蝕產(chǎn)物(即斷層泥)的摩擦強(qiáng)度必定隨著速率的增加而降低。 換言之， 即必須呈現(xiàn)出與自穩(wěn)定的速度強(qiáng)化滑動(dòng)相反的速度弱化行為[8]。 闡明控制速度弱化和速度強(qiáng)化滑動(dòng)的機(jī)制， 尤其是那些涉及到鏡面狀納米顆粒斷層面形成和滑動(dòng)的情況， 對(duì)于了解地震成核過程至關(guān)重要。

低速(v≈10-6m/s)摩擦實(shí)驗(yàn)以研究上地殼的地震活動(dòng)成因?yàn)槟康模?最近的實(shí)驗(yàn)研究表明， 模擬的方解石斷層泥在溫度為80℃～100℃以上時(shí)存在從速度強(qiáng)化到速度弱化滑動(dòng)的轉(zhuǎn)換[9-11]。 對(duì)剪切變形樣品的微結(jié)構(gòu)研究揭示， 樣品內(nèi)發(fā)育有連續(xù)的10～100 μm寬的由納米晶體組成的主滑動(dòng)帶， 并具有結(jié)晶學(xué)優(yōu)選方位(crystallographic preferred orientation， CPO)[10]。 當(dāng)沿剪切面分離滑動(dòng)帶時(shí)， 它們就呈現(xiàn)出多個(gè)條帶狀且具有高反射的滑動(dòng)面碎塊[11]。 這種滑動(dòng)面和已經(jīng)報(bào)道過的高速摩擦實(shí)驗(yàn)獲得的同震滑動(dòng)速率(v= 0.1～3 m/s)中形成的納米顆粒狀的鏡面滑動(dòng)面非常類似(盡管后者更加連續(xù))[4-5， 12]。 在高速滑動(dòng)速率下， 納米顆粒被認(rèn)為能夠促進(jìn)粉末潤(rùn)滑， 造成強(qiáng)烈的斷層動(dòng)態(tài)弱化[13-14]， 但是， 在前震和間震期的慢速滑動(dòng)中， 納米顆粒的作用仍然是個(gè)謎。 眾所周知， 納米材料相對(duì)于粗顆粒的物質(zhì)呈現(xiàn)出更快的擴(kuò)散和物質(zhì)輸送[15-16]。 另外， 最近提出的一個(gè)解釋斷層泥在經(jīng)歷顆粒流剪切變形中速度弱化(熱激活)的微觀物理學(xué)模型揭示出， 顆粒間的擴(kuò)散物質(zhì)遷移對(duì)于控制斷層泥強(qiáng)度和速度依賴性能夠起到重要作用(附錄和原文附錄中的圖S1)[17]。 因此， 適用于光亮的主滑動(dòng)帶的納米物理變形機(jī)制， 對(duì)于認(rèn)識(shí)控制地震滑動(dòng)啟動(dòng)的過程十分關(guān)鍵。

我們研究了模擬方解石斷層泥在直剪低速剪切滑動(dòng)下主滑動(dòng)帶的微米和納米結(jié)構(gòu)屬性(原文附錄中的圖S2和表S1)。 實(shí)驗(yàn)選用干燥的樣品， 滑動(dòng)速率為v=1 μm/s， 正應(yīng)力為50 MPa， 溫度為18℃和140℃[18]。 這兩個(gè)溫度條件分別對(duì)應(yīng)于不能孕震的速度強(qiáng)化條件和可以孕震的速度弱化條件[9-11]。 在每次實(shí)驗(yàn)后卸樣過程中均發(fā)現(xiàn)， 主滑動(dòng)帶形成于剪切變形樣品的邊界， 分開后可以看到超細(xì)粒的主滑動(dòng)帶內(nèi)有大量光亮的小斑塊(圖1a)[11]。 使用原子力顯微鏡(atomic force microscopy， AFM)進(jìn)行的表面粗糙度分析揭示， 這些光亮的小斑塊存在條帶狀的納米表面地貌， 這與同震滑動(dòng)速率下形成的連續(xù)滑動(dòng)面比較類似(圖1b)[12]。 這說明同震和準(zhǔn)地震滑動(dòng)形成的鏡面滑動(dòng)面存在共同的起源， 盡管它們的變形程度和剪切速度存在差異。

(a) 形成于速度強(qiáng)化條件下(18℃)的光亮的滑動(dòng)面碎塊; (b) 原子力顯微偏轉(zhuǎn)圖像揭示的納米尺度

圖1準(zhǔn)地震滑動(dòng)速率下(1 μm/s)形成的鏡面滑動(dòng)面。 SEM顯微照片是剪切滑動(dòng)面的二次電子像。 剪頭指示剪切方向

我們使用高分辨電子掃描顯微鏡(scanning electron microscopy， SEM)進(jìn)一步研究了實(shí)驗(yàn)中形成的光亮的小斑塊的表面形態(tài)。 結(jié)果發(fā)現(xiàn)小斑塊由超細(xì)粒的約100 nm寬的纖維沿與剪切方向近似平行的方向定向排列而形成(圖1c～圖1f， 原文附錄中的圖S3)， 這些纖維嵌在約100 nm的球形顆粒的聚集帶， 構(gòu)成主滑動(dòng)帶(原文附錄中的圖S4)。 纖維中的個(gè)別球形顆粒有時(shí)非常明顯， 尤其是在纖維的端部(圖1d和原文附錄中的圖S4)； 然而, 這些納米級(jí)小球線性排列逐漸轉(zhuǎn)變成纖維的現(xiàn)象也非常明顯(圖1f和原文附錄中的圖S4)。 基于此， 我們認(rèn)為這些纖維是由納米小球的鏈接作用而形成。 在速度強(qiáng)化樣品(18℃)中的光亮的滑動(dòng)面碎塊中， 縱貫納米層的微裂紋顯示出纖維發(fā)生了明顯的拉張和塑性彎曲(圖1c和圖1d)。 由于我們?cè)趯?shí)驗(yàn)中使用了高圍壓(50 MPa)， 這樣的裂縫僅僅發(fā)生在樣品卸壓或是卸樣的過程中(原文附錄中的圖S3)。 這些受影響的納米纖維常常顯示出有局部拉張， 并且在破裂之前沒有形成頸狀結(jié)構(gòu)(圖1c和圖1d)， 這是超塑性變形的典型特征[16]。 速度弱化樣品(140℃)中的光亮的滑動(dòng)面碎塊也包含超細(xì)粒的纖維層(圖1e)， 并且顯示出與速度強(qiáng)化樣品中(18℃)基本上一致的SEM微結(jié)構(gòu)。

我們使用聚焦離子束(focused ion beam， FIB)得到了垂直于剪切面、 平行于剪切方向的一個(gè)橫切片， 進(jìn)而用來研究主滑動(dòng)帶和光亮的滑動(dòng)面碎塊的內(nèi)部結(jié)構(gòu)(原文附錄中的圖S5和S6)。 結(jié)果顯示主滑動(dòng)帶是一個(gè)10～100 μm寬、 具有一定孔隙度(20%～30%)的納米顆粒塊體[10-11]， 而這些光亮的滑動(dòng)面碎塊則由致密的、 0.1～1 μm厚的平面纖維狀納米層構(gòu)成。 一些樣品顯示出少量的無定形富碳相， 局部占據(jù)了一些直徑約為0.1～5 μm的孔洞(原文附錄中的圖S5)。 這些沉積的物質(zhì)沒有顯示出與力學(xué)行為或是微結(jié)構(gòu)的相關(guān)性， 并且在實(shí)驗(yàn)剪切變形過程中沒有測(cè)量到溫度的變化。 我們由此推斷這些沉積的物質(zhì)來自于封裝樣品所用的聚合物管， 而不是來自于力學(xué)-化學(xué)分解[19]。 為了了解纖維層的內(nèi)部結(jié)構(gòu)， 我們分離出一根納米纖維， 并得到了一個(gè)平行于纖維長(zhǎng)軸方向的切片， 將其用于透射電鏡術(shù)(transmission electron microscopy , TEM)研究(圖2a和原文附錄中的圖S7)。 300 nm光圈下的選區(qū)電子衍射顯示， 顯微為環(huán)狀的衍射形態(tài)， 具有較亮的、 對(duì)應(yīng)于方解石(104)優(yōu)選方向或r平面的衍射弧(圖2b)， 這與先前報(bào)道的相同條件下， 方解石斷層泥實(shí)驗(yàn)中形成的納米晶體主滑動(dòng)帶的光學(xué)晶格優(yōu)選方位一致(附錄)[10]。 明場(chǎng)和高分辨率TEM進(jìn)一步揭示出， 納米纖維中存在直徑100～200 nm的球狀顆粒， 它們由5～20 nm的晶體組成， 而且這些納米顆粒相互錯(cuò)位約5～20°(圖2a和圖2c)。

(a) 使用FIB-SEM獲得的鏡面狀滑動(dòng)面上單個(gè)納米纖維的TEM明場(chǎng)圖像(原文附錄中的圖S7); (b) 選區(qū)衍射圖像， 衍射環(huán)上高強(qiáng)度的弧段對(duì)應(yīng)于方解石的(104)面或是r面; (c) 納米纖維的高分辨率TEM圖像， 其中白色虛線圓圈突出了一個(gè)單獨(dú)的納米晶體， 加粗的白線指示了(104)面的方位(見附錄)

圖2使用TEM觀測(cè)到的單個(gè)納米纖維圖像

我們所觀察到的納米小球和納米纖維的內(nèi)部多晶亞結(jié)構(gòu)與受到?jīng)_擊的延性金屬中觀察到的微結(jié)構(gòu)具有明顯的相似性[24]。 正如在金屬中那樣， 方解石的延性能夠允許5～20 nm的亞結(jié)構(gòu)通過納米單元壁由晶體致密位錯(cuò)網(wǎng)不斷演化發(fā)展而形成[25]。 塑性變形、 破裂以及磨蝕可能將初始斷層泥轉(zhuǎn)變成了所觀察到的納米小球。 為了解釋納米小球的鏈接作用以及所觀測(cè)到的纖維結(jié)構(gòu)和CPO， 我們注意到納米顆粒接觸面處的定向附著常被用來作為解釋納米晶體能夠迅速合并而形成單晶的一種機(jī)制， 這種機(jī)制對(duì)于方解石也是如此[26-28]。 有鑒于此， 我們認(rèn)為方解石表面能量的強(qiáng)各向異性能夠在相鄰小球之間的高能晶界上產(chǎn)生類似的優(yōu)選燒結(jié)現(xiàn)象(頸狀結(jié)構(gòu)的生長(zhǎng))(圖3b和圖3c)， 從而導(dǎo)致動(dòng)態(tài)鏈接作用和平行于剪切面的最低能量(104)面[29]的定向排列， 進(jìn)一步導(dǎo)致生成所觀察到纖維狀結(jié)構(gòu)和CPO。

原理上講， 我們提出的摩擦滑動(dòng)機(jī)制(圖3a～圖3c和原文附錄中的圖S1)與擴(kuò)散適應(yīng)性顆粒邊界滑動(dòng)(grain boundary sliding， GBS)(圖3d)[30]的Ashby-Verrall超塑性模型類似， 但是， 考慮到當(dāng)擴(kuò)散性物質(zhì)遷移速率可能太慢以致于不能適應(yīng)顆粒邊界滑動(dòng)的情況， 摩擦顆粒邊界滑移和顆粒間的氣穴現(xiàn)象(擴(kuò)容生成的孔隙度)有可能會(huì)出現(xiàn)。 我們的研究結(jié)果表明， 方解石斷層中發(fā)育的納米晶體主滑動(dòng)帶能夠通過一種協(xié)同化的納米顆粒流或納米纖維流以及擴(kuò)散性物質(zhì)遷移的綜合機(jī)制產(chǎn)生速度弱化， 即產(chǎn)生地震斷層摩擦滑動(dòng)(圖3a～圖3c)， 這種過程即使是在通常認(rèn)為的溫度太低以致于不能產(chǎn)生擴(kuò)散或是超塑性的上地殼環(huán)境中也能發(fā)揮作用。 我們的實(shí)驗(yàn)中能夠觀察到這些過程是因?yàn)閿U(kuò)散性物質(zhì)遷移被生成的滑動(dòng)帶巖石的納米屬性以及含水而增強(qiáng)的顆粒邊界擴(kuò)散極大地加速了。 可以設(shè)想， 在同震滑動(dòng)速率下， 類似的機(jī)制也能發(fā)揮作用， 因?yàn)檫@種情況下產(chǎn)生的高溫能夠促進(jìn)固相擴(kuò)散。 鑒于在構(gòu)造活動(dòng)區(qū)域能夠觀察到大量的納米顆粒狀斷層面[1-7]， 以及納米物質(zhì)中異常高的擴(kuò)散速率[15-16]， 我們提出的這個(gè)機(jī)制可能不僅僅與貫穿富含方解石巖石(如灰?guī)r)中的斷層有關(guān)， 也可能與一般情況下殼內(nèi)地震的成因相關(guān)。

(a)納米小球滾動(dòng)和(b)優(yōu)勢(shì)高能量面上局部燒結(jié)鏈接部位(頸狀部位的生長(zhǎng))的顆粒邊界交換， 從而形成(c)協(xié)同滑動(dòng)的納米纖維(線性排列或是鏈狀的納米燒結(jié)小球)。 注意, (a)～(c)中的孔穴(孔隙度演化)與(d)的差異， d代表著零孔隙度的純擴(kuò)散性顆粒邊界滑動(dòng)機(jī)制[30]

圖3伴有擴(kuò)散性物質(zhì)遷移的納米顆粒流動(dòng)過程中的納米纖維形成機(jī)制的二維示意圖

文獻(xiàn)來源： Berend A Verberne， Oliver Plümper， D A Matthijs de Winter， et al. Superplastic nanofibrous slip zones control seismogenic fault friction. Science， 2014， 346(6215): 1342-1344

(中國(guó)地震臺(tái)網(wǎng)中心吳曼譯； 中國(guó)地震局地質(zhì)研究所姚路校)

(譯者電子信箱， 吳曼： wudawoman1985@126.com)

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* 收稿日期：2016-02-23； 采用日期： 2016-03-20。

中圖分類號(hào)：P315.5；

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A；

doi:10.3969/j.issn.0235-4975.2016.05.007