水熱條件下含橄欖石大洋玄武巖的摩擦特性實驗研究

張鈺曼, 張雷, 何昌榮

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

2 西藏自治區(qū)地震局, 拉薩 850000

0 引言

大型俯沖帶地震(MW>8.0)通常發(fā)生在板緣的逆沖斷層上,與此類地震有關(guān)的地面震動和海嘯給人類帶來了巨大的災(zāi)難.自從Brace和Byerlee(1966)在高壓實驗中揭示了類似天然地震的黏滑失穩(wěn)現(xiàn)象以來,地震過程作為一種不穩(wěn)定的摩擦失穩(wěn)現(xiàn)象被普遍接受(Scholz,1988).基于此認(rèn)識,目前對于地震力學(xué)機制的探索,主要依賴于巖石摩擦實驗方面的研究.

隨著速率與狀態(tài)依賴的巖石摩擦本構(gòu)關(guān)系的建立(Dieterich, 1979; Ruina,1983),斷層力學(xué)與地震學(xué)科方面取得了一些突破性的認(rèn)識.其中一個最重要的進(jìn)展是對不穩(wěn)定錯動成核(地震成核)根源的認(rèn)識,即只要斷層滑動過程中剪切強度的穩(wěn)態(tài)值與滑動速率具有負(fù)的相關(guān)性(速度弱化),斷層在加載過程中會出現(xiàn)局部加速成核現(xiàn)象,最終造成動態(tài)破裂擴展從而形成地震(Okubo and Dieterich, 1986; Dieterich, 1992; Rice and Tse, 1986).由此可以看出,在速率-狀態(tài)摩擦理論框架下,斷層的穩(wěn)定和不穩(wěn)定滑動具有了定量化的判據(jù),而地震的成核過程也具有了明確的物理基礎(chǔ) (Okubo and Dieterich, 1986; Dieterich, 1992).

為了更好地理解俯沖帶從淺到深各種復(fù)雜的斷層滑動行為,最近的實驗研究集中在調(diào)查大洋沉積物的摩擦特性(Saffer et al.,2012;Kurzawski et al.,2018;Rabinowitz et al.,2018;Boulton et al.,2019),比如退變質(zhì)生成的層狀硅酸鹽礦物(Sawai et al.,2016;Fagereng and Ikari,2020;Okamoto et al.,2020)和含水的角閃石礦物(Liu and He,2020).目前的認(rèn)識是,俯沖過程中的剪切應(yīng)變會通過相對較弱的黏土礦物和層狀硅酸鹽礦物的剪切變形所進(jìn)行.另一方面,對俯沖帶斷層的野外調(diào)查研究顯示,當(dāng)俯沖斷層發(fā)生同震破裂時,作為海洋地殼的主要組成部分的玄武巖,其碎屑塊體通常夾帶在俯沖帶斷層的剪切帶中,其尺寸從厘米到千米不等(Shelly et al.,2006;Fagereng et al.,2010).對于俯沖帶野外露頭的研究發(fā)現(xiàn)目前地震學(xué)所觀測到的震顫和慢滑移現(xiàn)象可能與發(fā)現(xiàn)的構(gòu)造混雜巖中的基質(zhì)(其中含層狀硅酸鹽礦物的連通性網(wǎng)狀結(jié)構(gòu))和塊體(主要是基性玄武巖)的顯著不同的摩擦力學(xué)行為有關(guān) (Hayman and Lavier, 2014; Fagereng et al., 2014).大量的野外觀察證據(jù)表明,構(gòu)造混雜巖剪切帶中的形變在能干和非能干材料之間進(jìn)行分配,局部的剪切應(yīng)變發(fā)育于能干塊體內(nèi),彌散的剪切應(yīng)變發(fā)育在弱基質(zhì)中(Fagereng et al.,2010).Phillips等(2020)在結(jié)合野外觀察和構(gòu)造混雜巖剪切變形的數(shù)值模擬的研究中提到,俯沖帶構(gòu)造混雜巖中的玄武巖被弱礦物所包圍,在板片俯沖過程中引起的應(yīng)力集中會促使玄武巖發(fā)生不穩(wěn)定的錯動成核并最終產(chǎn)生破裂,但是其破裂傳播過程被周圍的弱礦物所抑制和中斷,從而在宏觀上表現(xiàn)為慢地震現(xiàn)象.與此同時,Vannucchi等(2022) 提出了一種與傳統(tǒng)認(rèn)識相反的變形模式來解釋俯沖帶深部慢滑移和震顫事件的成因.在他們的模型中,相對較弱的塊體(低內(nèi)聚力,高黏滯系數(shù))夾雜在具有更高破裂強度的基質(zhì)之中(高內(nèi)聚力,低黏滯系數(shù)).在剪切變形過程中,穩(wěn)態(tài)蠕滑的基質(zhì)對塊體的加載會導(dǎo)致脆性破裂的反復(fù)發(fā)生,從而產(chǎn)生慢地震現(xiàn)象.以上的研究發(fā)現(xiàn)為解釋俯沖帶深部的慢地震事件提供了不一樣的視角,同時再次指出了探討水熱條件下的玄武巖的摩擦特性對于理解俯沖帶復(fù)雜的滑動行為及機制的重要性.

然而,相較于對地殼花崗巖(Lockner et al., 1986; Blanpied et al., 1991, 1995)和基性輝長巖(何昌榮等,2004;He et al., 2006, 2007)等主要地殼巖石的系統(tǒng)實驗研究,到目前為止,玄武巖作為俯沖洋殼的主要組成部分,其在不同的溫度和壓力范圍條件下的摩擦特性,包括摩擦強度和摩擦滑動穩(wěn)定性的實驗研究尚不夠充分.Ikari等(2020)對日本東南部的Nankai海溝出露的該區(qū)域基底巖石進(jìn)行了室溫條件下的摩擦實驗研究.實驗結(jié)果表明,蝕變玄武巖在室溫條件下主要表現(xiàn)為速度強化的摩擦行為,從而可以抑制俯沖帶斷層淺部的自發(fā)地震成核.Okuda等(2013)開展了水熱條件下的蝕變玄武巖摩擦實驗研究,發(fā)現(xiàn)在100～450 ℃的溫度區(qū)間內(nèi),蝕變玄武巖表現(xiàn)出速度弱化的不穩(wěn)定摩擦滑動行為,并且其摩擦強度系數(shù)在550℃條件下可以減小到0.3.上述的實驗表明在不同的溫度和壓力條件下蝕變玄武巖的摩擦特性會產(chǎn)生顯著的改變.Zhang等(2017) 的最新實驗研究發(fā)現(xiàn)在50 MPa的有效正壓力和100 MPa流體壓力條件下,玄武巖在300～600℃條件下可以表現(xiàn)出速度弱化的不穩(wěn)定摩擦滑動行為以及周期性的黏滑事件.與蝕變玄武巖相比,玄武巖摩擦系數(shù)在100～600℃條件下為0.7～0.75,沒有表現(xiàn)出顯著的溫度依賴性.在水熱條件下蝕變玄武巖和玄武巖的摩擦特性隨溫度變化的顯著差異表明斷層泥礦物成分的改變會顯著地影響其摩擦力學(xué)性質(zhì)(Okuda et al., 2013; Zhang et al., 2017).

鑒于礦物成分對力學(xué)行為影響的重要性以及不同礦物的混雜可能引起的化學(xué)反應(yīng),本次實驗研究選用了含有微量橄欖石礦物的玄武巖樣品,與Zhang等(2017)所用樣品有所不同,其細(xì)節(jié)如實驗方法中所述.在實驗條件方面,近年來地震學(xué)的觀測研究發(fā)現(xiàn)俯沖板片深部慢滑移和震顫區(qū)域存在著地震波低速異常和較高的VP/VS比值,這暗示著有俯沖斷層中高壓孔隙流體的存在(Shelly et al., 2006; Audet et al., 2009),鑒于此,在本研究中我們施加了100 MPa的孔隙水壓力.與此同時,與Zhang等(2017)的實驗條件相比,本研究將有效正壓力從50 MPa提高到150 MPa,從而探索在俯沖帶斷層深部的高壓流體環(huán)境和高有效壓力條件下玄武巖摩擦滑動行為的變化.

1 實驗方法

1.1 實驗樣品

本次實驗使用的玄武巖樣品取自國際海洋發(fā)現(xiàn)計劃(IODP)349航次的U1433B鉆探孔(圖1),取芯編號為66R1W,取樣深度為海平面下805～812 m.經(jīng)過XRD譜圖分析和樣品薄片的掃描電子顯微鏡的EDS譜圖觀察發(fā)現(xiàn),該樣品的主要礦物組成為：65%鈣長石、27%單斜輝石、8%橄欖石和少量鈦鐵礦(圖2).

1.2 裝樣流程和步驟

此次實驗在氣體介質(zhì)高溫高壓三軸實驗系統(tǒng)下完成(圖3).上下圍巖均為長40 mm,直徑20 mm的輝長巖圓柱體,且上圍巖中間鉆單孔以供孔隙流體進(jìn)入,中間切面呈35°角.玄武巖樣品粉碎后過200目篩控制粒度,厚度控制在1 mm.

實驗共設(shè)有六組,在有效正壓力150 MPa和孔隙水壓力100 MPa條件下,分別進(jìn)行100～600 ℃下的摩擦實驗.在實驗的初始階段,均設(shè)置加載速率為1 μm·s-1,待過彈性加載階段后,調(diào)節(jié)加載速率在1 μm·s-1、0.2 μm·s-1和0.04 μm·s-1之間切換.實驗后將銅管拆除,把樣品注膠后切片做成薄片,以便后續(xù)進(jìn)行其微觀結(jié)構(gòu)的觀察分析.

1.3 速率和狀態(tài)依賴的摩擦本構(gòu)方程

為了在理論上深入分析本實驗研究所獲的力學(xué)數(shù)據(jù)以及其理論意義,我們將在數(shù)據(jù)分析中以速率與狀態(tài)變量相關(guān)的摩擦定律為理論框架(Dieterich, 1978;Ruina, 1983).在此框架下,廣義上的摩擦系數(shù)μ=τ/σ可描述為速率v和狀態(tài)θ的函數(shù)：

μ=μ*+aln(v/v*)+bln(θ/θ*),

(1)

(2)

μss=μ*+(a-b)ln(v/v*) ,

(3)

該穩(wěn)態(tài)表達(dá)式可以判斷斷層-彈性圍巖系統(tǒng)的摩擦滑動穩(wěn)定性：當(dāng)(a-b)>0時,摩擦系數(shù)與滑動速率正相關(guān),稱之為速度強化;而當(dāng) (a-b)<0時,稱之為速度弱化.速度弱化是巖石在摩擦滑動過程中發(fā)生自發(fā)性不穩(wěn)定滑動的必要條件(Ruina, 1983), 也是緩慢構(gòu)造加載過程中地震在斷層面上自發(fā)成核的必要條件(Dieterich, 1992; Rice and Tse, 1986).

圖1 中國南海地區(qū)水位等深圖(Zhang et al., 2017)實心圓點為IODP遠(yuǎn)征349的鉆探地點,其中實心紅色圓點為本次樣品鉆探孔位置U1433.

圖2 玄武巖樣品的EDS圖譜(主要有鈣長石、單斜輝石、橄欖石和少量鈦鐵礦)

圖3 三軸實驗樣品組裝和加溫裝置

速率和狀態(tài)摩擦本構(gòu)關(guān)系對地震的孕育過程,成核過程和同震破裂過程(Dieterich, 1994; Scholz, 2002)乃至震后的整個動力學(xué)過程研究都有重要的理論支撐作用(Rice, 1993; Ben-Zion and Rice, 1997; Lapusta and Rice, 2003; Lapusta and Liu, 2009).

2 實驗結(jié)果

2.1 力學(xué)數(shù)據(jù)

100～300 ℃溫度條件下的摩擦系數(shù)與剪切位移關(guān)系如圖4所示,三組實驗的總剪切位移都超過3 mm.樣品在100～200 ℃條件下主要表現(xiàn)為穩(wěn)定的速度強化的摩擦滑動行為,隨著剪切位移的增加,后期速率切換時則由速度強化轉(zhuǎn)變?yōu)槲⑷醯乃俣热趸?圖4,7);當(dāng)溫度升高到300 ℃時,樣品在0.2～0.04 μm·s-1的速率區(qū)間內(nèi)出現(xiàn)周期性的震蕩滑動現(xiàn)象,這也是典型的速度弱化摩擦滑動行為的表現(xiàn).

隨著溫度的繼續(xù)升高,速度依賴性從400 ℃起表現(xiàn)出隨位移的演化趨勢,由初始的速度弱化轉(zhuǎn)變?yōu)樗俣葟娀?并且伴隨著顯著的滑移弱化行為,即摩擦強度隨著位移的增加而減小.在實驗過程中,為了觀察滑移弱化的趨勢是否能達(dá)到穩(wěn)態(tài),加載速率切換至0.04 μm·s-1后就保持不變,直至實驗結(jié)束,但是摩擦強度始終未達(dá)到穩(wěn)態(tài)值(圖5).在400 ℃的補充實驗中(實驗曲線見圖6),當(dāng)剪切速率由0.04 μm·s-1切換到0.2 μm·s-1時,滑移弱化現(xiàn)象消失.當(dāng)由0.2 μm·s-1切換到1.0 μm·s-1s時實驗曲線在該速率下表現(xiàn)出相反的滑移強化現(xiàn)象.從0.2～1.0 μm·s-1的速率切換臺階中,斷層泥始終表現(xiàn)出顯著的速度強化現(xiàn)象,其(a-b)值約為0.0236(圖7).在500～600 ℃下,初始階段的速率切換中,玄武巖均表現(xiàn)出速度弱化現(xiàn)象(圖5,圖7),而后隨著位移增加,在0.04 μm·s-1的剪切速率下出現(xiàn)滑移弱化現(xiàn)象;在600 ℃下時,玄武巖在初始的0.2 μm·s-1的速率階躍下出現(xiàn)了長周期的慢滑,而當(dāng)剪切速率切換至0.04 μm·s-1時長周期的慢滑現(xiàn)象逐漸消失,表現(xiàn)出持續(xù)的滑移弱化.

圖4 100～300 ℃下的摩擦強度系數(shù)(μ)和剪切位移的實驗曲線

圖6 300～400 ℃條件下的不穩(wěn)定滑動的數(shù)值擬合結(jié)果

圖7 速率依賴性參數(shù)(a-b)隨溫度的變化趨勢圖中紅色符號表示該(a-b)值為在實驗最后一個臺階處計算得到.青色矩形區(qū)數(shù)據(jù)表示其中的(a-b)值是通過數(shù)值擬合得到.

圖8 摩擦強度系數(shù)隨溫度的變化趨勢

本次實驗在剪切位移分別為1.7 mm和2.3 mm處讀取了0.2 μm·s-1速率條件下的摩擦強度數(shù)值(圖8).結(jié)果表明,高溫時(>400 ℃)的摩擦強度前后差值明顯高于低溫條件下的前后差值.對比之前Zhang等(2017)的玄武巖實驗結(jié)果來看,1.7 mm處的摩擦強度均低于之前的結(jié)果.而最大的不同是本次實驗的摩擦強度隨著溫度升高出現(xiàn)了長距離的滑移弱化現(xiàn)象,并且這種滑移弱化在整個實驗過程中一直未達(dá)到穩(wěn)態(tài)值.

2.2 變形樣品的微觀結(jié)構(gòu)分析

為了對上述滑移弱化現(xiàn)象的出現(xiàn)做更細(xì)致的研究,我們對實驗后的樣品通過切片進(jìn)行了微觀結(jié)構(gòu)觀察.大范圍電鏡掃描圖表明,低溫和高溫的顯微構(gòu)造明顯不同(圖9).100～200 ℃下整體呈均勻分布的Riedel型剪切及較明顯的邊界剪切,剪切帶中的顆粒明顯變細(xì),以脆性的破裂變形為主(圖10a);300 ℃下的局部Riedel型剪切非常強烈,剪切帶附近同樣呈現(xiàn)強烈的細(xì)?；F(xiàn)象.結(jié)合實驗力學(xué)數(shù)據(jù),我們可以發(fā)現(xiàn)100～200 ℃條件下較均勻的Riedel型剪切帶的發(fā)育與其速度強化的力學(xué)行為相對應(yīng),而在300 ℃條件下的強烈局部化剪切帶的發(fā)育與速度弱化行為相對應(yīng).

圖9 100～600 ℃變形樣品的微觀結(jié)構(gòu)圖(其中白色實線為邊界剪切區(qū)域,暗黃色粗實線為貫通的R剪切,都可看到局部剪切后的細(xì)?；F(xiàn)象.紅色圓圈對應(yīng)圖10放大圖像)

當(dāng)溫度升高到400 ℃,這種局部的剪切變形就不再明顯,總體呈現(xiàn)壓實狀態(tài),斷層泥厚度減小,大范圍顆粒減小,有個別大顆粒鑲嵌其中,但持續(xù)放大后發(fā)現(xiàn),局部有水巖反應(yīng)產(chǎn)物;在500～600 ℃下,斷層泥層中細(xì)?；Y(jié)構(gòu)較發(fā)育的區(qū)域分別位于其上下邊界附近,整體來看沒有明顯的局部剪切特征.在600 ℃條件下,在左旋剪切變形過程中,破碎顆粒出現(xiàn)旋轉(zhuǎn)和拉伸現(xiàn)象,其整體形態(tài)類似糜棱巖的S-C組構(gòu). 通過局部顯微照片可以發(fā)現(xiàn)水巖反應(yīng)現(xiàn)象(圖10b),并且隨著溫度的升高,析出的白色顆粒增大,數(shù)量增多,分布區(qū)域也相應(yīng)增大增多.總體來看,隨著溫度升高到400～600 ℃,斷層泥由300 ℃條件下的強烈的脆性局部剪切變形轉(zhuǎn)變?yōu)閿鄬幽嗾w的半脆性的剪切變形,并且斷層泥的孔隙度隨著溫度升高而降低.其中,斷層泥的剪切變形由顯著的局部剪切向彌散型剪切的轉(zhuǎn)變與實驗中玄武巖由速度弱化向速度強化的轉(zhuǎn)變相對應(yīng).

從實驗數(shù)據(jù)來看,400 ℃起開始出現(xiàn)滑移弱化現(xiàn)象,根據(jù)前人研究經(jīng)驗(Phillips et al., 2020),我們在這里考察這種摩擦性質(zhì)與生成的弱礦物是否具有因果關(guān)系.首先為了排除原巖中存在弱礦物,除了前述的礦物成分分析,我們也對原巖切片進(jìn)行了觀察(圖11),可以看到在原巖中存在少量形態(tài)比較特殊的礦物區(qū)塊,觀察顯示除了輝石和斜長石外,還有顯示為白色塊狀以及零星粒狀的鈦鐵礦,屬于原巖存在的一種結(jié)構(gòu)形態(tài),并無特殊礦物存在,且類似區(qū)域分布較少,因此可基本排除原巖存在弱礦物的可能性.

為了驗證弱礦物的存在,我們對400 ℃、500 ℃和600 ℃的樣品進(jìn)行更加細(xì)致的局部化觀察,重點對形態(tài)區(qū)別于周圍的地方進(jìn)行了拉曼光譜分析(圖12,13),譜值見圖14.以600 ℃的結(jié)果為例分析結(jié)果如下(圖12).

圖10 (a) 100 ℃放大圖,主要為細(xì)?；冃? (b) 600℃放大圖,主要為退變質(zhì)反應(yīng)(以白色顆粒為標(biāo)志)

圖11 原巖整體切面及局部放大顯微結(jié)構(gòu)圖

圖12 600 ℃下變形樣品進(jìn)行的拉曼光譜分析區(qū)域a、b、c和d

圖13 圖12中b區(qū)域光譜位置圖(a) 鮞綠泥石; (b) 橄欖石; (c) 含鐵鋰藍(lán)閃石; (d) 輝石.

圖14 圖13a處的拉曼光譜分析圖,其中在552 cm-1處發(fā)現(xiàn)斜綠泥石-鮞綠泥石固溶體系列的代表性峰值(Arbiol et al., 2021)

以圖12中b區(qū)域為例,發(fā)現(xiàn)其內(nèi)部可能有斜綠泥石-鮞綠泥石固溶體生成(圖13a)(圖14中波數(shù)為552 cm-1的成分),推測是由周圍輝石蝕變生成,但由于顆粒太小,在a、c和d區(qū)域都沒有發(fā)現(xiàn),所以并不能有決定性結(jié)論,但在這些疑似有生成物的區(qū)域內(nèi),都有橄欖石(圖13b)和含鐵鋰藍(lán)閃石(圖13c)存在,或許橄欖石對新礦物生成起到催化作用.

3 討論

由上述實驗結(jié)果可見,在150 MPa有效正壓力條件下,該玄武巖樣品的摩擦系數(shù)和速度依賴性參數(shù)(a-b)值隨溫度的變化趨勢與Zhang等(2017)的結(jié)果有著顯著差異(圖7,8).在100～300 ℃溫度范圍內(nèi),玄武巖樣品的速度依賴性參數(shù)(a-b)值隨溫度的變化與先前的實驗結(jié)果比較接近.當(dāng)溫度升高到400～600 ℃時,玄武巖的(a-b)值在初始階段表現(xiàn)出微弱的速度弱化的摩擦力學(xué)行為,并且伴隨著長周期的振蕩.但是隨著位移的增加,本次實驗結(jié)果表現(xiàn)出的顯著的(摩擦強度的)位移弱化和顯著的速度強化的力學(xué)特征,與Zhang等(2017)中顯著的速度弱化力學(xué)結(jié)果和黏滑現(xiàn)象產(chǎn)生了強烈對比.與Zhang等(2017)的實驗相比,在本次研究中實驗條件的不同主要為：有效正壓力由50 MPa增加到150 MPa;本次玄武巖樣品中含有橄欖石礦物.基于以上兩點不同,我們對影響玄武巖摩擦力學(xué)性質(zhì)的因素進(jìn)行討論.通過顯微構(gòu)造分析我們發(fā)現(xiàn),斷層泥中局部會出現(xiàn)由水巖反應(yīng)所生成的弱的層狀硅酸鹽礦物鮞綠泥石.前人對于含有弱層狀硅酸鹽礦物且初始均勻混合的斷層泥的實驗研究結(jié)果發(fā)現(xiàn),當(dāng)弱礦物的體積含量達(dá)到20%～30%時,才會形成連續(xù)的貫通的局部剪切構(gòu)造,從而對其摩擦特性包括摩擦強度和速度依賴性產(chǎn)生顯著的影響(Tembe et al., 2009; Zhang and He, 2013).然而,當(dāng)弱礦物在局部剪切帶中富集并形成貫通的剪切組構(gòu)時,微量的弱礦物(<10%)也會顯著的弱化斷層泥的剪切強度(Collettini et al., 2009; Niemeijer et al., 2010; Lu and He, 2018).在顯微構(gòu)造分析中,我們通過拉曼光譜分析識別出了斷層泥在剪切變形過程中通過水巖反應(yīng)生成的弱礦物鮞綠泥石.但是其含量很低,并且在斷層泥中并沒有形成貫通的剪切帶,因此我們認(rèn)為新生成的弱礦物不會顯著的影響玄武巖的摩擦力學(xué)性質(zhì).

顯微構(gòu)造觀察也發(fā)現(xiàn)隨著溫度的升高,斷層泥的剪切變形逐漸由局部的剪切變形向均勻的彌散型剪切變形轉(zhuǎn)變,與此同時伴隨著孔隙度的顯著降低,因此我們推斷剪切強度的位移弱化現(xiàn)象與塑性變形過程有關(guān),比如流體參與下的顆粒間的壓溶過程.與Zhang等(2017)的結(jié)果相比,由于在本實驗中有效正壓力從50 MPa增加到約150 MPa,有效正壓力的增加會顯著增大脆性摩擦強度,從而會促進(jìn)顆粒間壓溶蠕變的發(fā)生(Yasuhara et al., 2003).當(dāng)溫度升高到400～600 ℃時,粒間的壓溶過程會對斷層泥整體的剪切變形產(chǎn)生顯著影響,從而控制了玄武巖的摩擦力學(xué)特性,比如速率切換時表現(xiàn)出的塑性變形特征以及顯著的速度強化的摩擦行為.

在高溫條件下(400～600 ℃),斷層泥的剪切強度同時表現(xiàn)出隨位移的弱化現(xiàn)象.在此,我們結(jié)合壓溶變形過程和有效正壓力定律以及斷層泥粒徑隨剪切位移的演化來給出可能的機制.在含水條件下,有效正壓力定律可以表示為

σeff=σn-αPf,

(4)

其中,α表示孔隙流體壓力Pf的權(quán)重系數(shù),其通常與顆粒之間接觸面積有關(guān).一般情況下,α=1,此時有效正壓力可以表示為σeff=σn-Pf.與此同時,前人的研究指出隨著溫度和壓力的升高,當(dāng)顆粒間的屈服強度逐漸降低并接近施加的正壓力時,α值會逐漸減小;當(dāng)接近脆塑性轉(zhuǎn)換帶深度時,α值會趨近于零(Hirth and Beeler, 2015;Beeler et al., 2016).在本研究中孔隙水壓保持恒定,因此我們關(guān)注α的變化對于有效正壓力的影響.隨著溫度的升高,在T>400 ℃條件下,玄武巖剪切變形過程中的粒間壓溶變形過程顯著的控制了斷層泥的摩擦力學(xué)性質(zhì).隨著溫度的升高,粒間接觸處發(fā)生塑性變形的屈服強度降低,α值逐漸減小.根據(jù)有效正壓力定律,局部的有效正壓力σeff會隨著α值減小而增大,從而會進(jìn)一步增大脆性摩擦強度.與此同時,隨著剪切位移的增大,顆粒粒徑在磨蝕作用下(包括脆性破裂和亞臨界裂紋擴展)會不斷減小,由于壓溶蠕變速率表現(xiàn)出顯著的對顆粒粒徑的敏感性(Niemeijer et al., 2009),從而會顯著地增大壓溶蠕變速率.上述兩個過程包括有效正壓力增加和壓溶蠕變速率的增大都會促使剪切變形更多地通過粒間壓溶過程來進(jìn)行,進(jìn)而在整體力學(xué)曲線上表現(xiàn)出剪切強度隨位移的持續(xù)弱化現(xiàn)象.

4 結(jié)論

在本次研究中,我們選取IODP349航次含橄欖石玄武巖鉆探樣品開展了水熱條件下的摩擦實驗研究,實驗溫度范圍為100～600 ℃,有效正壓力和孔隙水壓分別為150 MPa和100 MPa,以此探討了在俯沖帶深部水熱條件下玄武巖的摩擦力學(xué)特性.

實驗中含橄欖石玄武巖的摩擦強度系數(shù)在100～300 ℃條件下約為0.65～0.67.隨著溫度升高到400～600 ℃,玄武巖斷層泥的摩擦系數(shù)表現(xiàn)出顯著的位移弱化現(xiàn)象.在3 mm的剪切位移范圍內(nèi),摩擦系數(shù)的變化范圍為0.7～0.55.在摩擦滑動穩(wěn)定性方面玄武巖樣品在300～400 ℃的溫度條件下表現(xiàn)出不穩(wěn)定的周期性震蕩(慢黏滑事件),在400 ℃條件下隨著剪切位移的進(jìn)行,震蕩現(xiàn)象消失,在速率切換向上切換時表現(xiàn)出顯著的速度強化摩擦滑動行為.通過微觀剪切變形觀察,我們發(fā)現(xiàn)隨著溫度的升高,斷層泥的剪切構(gòu)造表現(xiàn)出由局部化剪切向整體彌散性剪切變形的轉(zhuǎn)變,并且伴隨著孔隙度的顯著降低,因此綜合力學(xué)數(shù)據(jù)和顯微分析我們認(rèn)為剪切強度的位移弱化現(xiàn)象與流體參與下的顆粒間的壓溶過程有關(guān).

致謝感謝高級工程師姚文明對于實驗操作的指導(dǎo)和設(shè)備的維護(hù),以及高級工程師馬璽對于變形樣品剪切構(gòu)造分析的技術(shù)支持和討論.