幾種模擬斷層泥摩擦滑動(dòng)速度依賴性轉(zhuǎn)換的實(shí)驗(yàn)研究

繆阿麗

（中國(guó)地震局地質(zhì)研究所，北京 100029）

基于速率－狀態(tài)摩擦定律，速度弱化是斷層失穩(wěn)的必要條件，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(dòng)向穩(wěn)定滑動(dòng)的轉(zhuǎn)換。因此，斷層摩擦滑動(dòng)的速度依賴性轉(zhuǎn)換是涉及斷層帶上地震活動(dòng)特征、地震成核深度等的重要問(wèn)題。此外，研究表明慢地震的產(chǎn)生可能與斷層摩擦從速度弱化向速度強(qiáng)化轉(zhuǎn)換或斷層變形從脆性向塑性轉(zhuǎn)換有關(guān)。因此，斷層帶摩擦速度依賴性轉(zhuǎn)換研究不僅對(duì)理解斷層力學(xué)行為與地震活動(dòng)性有重要的意義，對(duì)慢地震機(jī)制研究也有重要意義。

為深入理解斷層帶摩擦滑動(dòng)速度依賴性轉(zhuǎn)換及其機(jī)制，本文選擇了幾種在室溫下可能發(fā)生摩擦速度依賴性轉(zhuǎn)換的材料作為斷層泥，其中包括硬石膏、巖鹽、含白云母的巖鹽等，利用雙軸摩擦實(shí)驗(yàn)對(duì)其摩擦滑動(dòng)的速度依賴性轉(zhuǎn)換進(jìn)行了研究，并觀測(cè)了摩擦滑動(dòng)過(guò)程中的聲發(fā)射，分析了斷層帶的微觀結(jié)構(gòu)，討論了其地震學(xué)意義。獲得的主要結(jié)果如下。

（1）硬石膏斷層帶摩擦滑動(dòng)實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：σ2和加載點(diǎn)速度對(duì)斷層滑動(dòng)穩(wěn)定性具有顯著影響。在σ2＝5 MPa條件下，硬石膏斷層帶出現(xiàn)不穩(wěn)定滑動(dòng)，變形以局部化的脆性破裂和摩擦為主；隨σ2的增加，斷層由不穩(wěn)定滑動(dòng)向穩(wěn)定滑動(dòng)轉(zhuǎn)換，斷層帶變形方式逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)榉植际降钠屏选Ｔ讦?＝5 MPa條件下，硬石膏斷層帶在0.01μm/s加載點(diǎn)速度下表現(xiàn)為速度強(qiáng)化且滑動(dòng)穩(wěn)定，在0.05～4.5μm/s加載點(diǎn)速度下表現(xiàn)為速度弱化并伴有準(zhǔn)周期性的粘滑，在13.5μm/s加載點(diǎn)速度下又有轉(zhuǎn)向速度強(qiáng)化的趨勢(shì)，σ2的提高使得速度弱化的范圍逐漸減少，滑動(dòng)趨于穩(wěn)定。上述兩次轉(zhuǎn)換對(duì)應(yīng)不同的聲發(fā)射特征，在較高速度下從速度弱化轉(zhuǎn)換為速度強(qiáng)化時(shí)，斷層滑動(dòng)伴有能量較小但頻度很高的聲發(fā)射活動(dòng)；而在較低速度下從速度弱化轉(zhuǎn)換為速度強(qiáng)化時(shí)，斷層滑動(dòng)伴有間歇性的聲發(fā)射。這與斷層帶的微觀結(jié)構(gòu)特征有較好的對(duì)應(yīng)關(guān)系，表明兩次轉(zhuǎn)換機(jī)制是不同的。這種間歇性的聲發(fā)射活動(dòng)與在斷層帶附近所觀測(cè)到的間歇性顫動(dòng)現(xiàn)象有相似性。因此，實(shí)驗(yàn)研究斷層帶在低速段的速度依賴性轉(zhuǎn)換，特別是揭示轉(zhuǎn)換機(jī)制與轉(zhuǎn)換過(guò)程中伴隨的微破裂和滑移特征，可為慢地震機(jī)制提供堅(jiān)實(shí)的物理基礎(chǔ)。

（2）巖鹽斷層帶摩擦滑動(dòng)實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：干燥巖鹽斷層帶在σ2＝3 MPa時(shí)，在0.1～100μm/s的速度范圍內(nèi)均表現(xiàn)為粘滑，具速度弱化性質(zhì)；增大σ2，斷層帶在低速下滑動(dòng)趨于穩(wěn)定，具速度強(qiáng)化性質(zhì)，但在高速下斷層強(qiáng)度不再符合Byerlee摩擦定律。含水巖鹽斷層帶在σ2＝3 MPa的條件下，在1～100μm/s的速度范圍內(nèi)表現(xiàn)為粘滑，具速度弱化性質(zhì)，而在0.1～0.01μm/s的速度范圍內(nèi)表現(xiàn)為穩(wěn)滑，具速度強(qiáng)化性質(zhì)，速度依賴性轉(zhuǎn)換出現(xiàn)在0.1～1μm/s，其中斷層表現(xiàn)為震蕩或應(yīng)力釋放時(shí)間較長(zhǎng)的粘滑事件；增大σ2對(duì)斷層帶的滑動(dòng)方式和速度依賴性無(wú)顯著影響。巖鹽斷層帶在干燥條件下表現(xiàn)出很強(qiáng)的聲發(fā)射活動(dòng)，每個(gè)粘滑均對(duì)應(yīng)一叢聲發(fā)射事件，而在含水條件下一次粘滑只對(duì)應(yīng)一個(gè)聲發(fā)射事件。顯微觀察表明，局部化的脆性破裂是速度弱化域的主要變形機(jī)制，分布式的碎裂流動(dòng)是干燥巖鹽斷層帶在速度強(qiáng)化域的變形機(jī)制；包括顆粒邊界遷移以及壓溶作用的塑性變形是含水條件下巖鹽斷層帶在速度強(qiáng)化域的主要變形機(jī)制，而脆性破裂和塑性變形共同控制著速度依賴性轉(zhuǎn)換域斷層帶的變形。水的存在促進(jìn)巖鹽發(fā)生塑性變形，進(jìn)而導(dǎo)致斷層帶從速度弱化向速度強(qiáng)化轉(zhuǎn)換。鑒于巖鹽可以視作硅酸巖的相似物，因此我們的實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)于深入研究斷層帶強(qiáng)度和穩(wěn)定性轉(zhuǎn)換機(jī)制、進(jìn)而對(duì)理解斷層帶上的地震活動(dòng)具有重要的參考價(jià)值。在速度依賴性轉(zhuǎn)換域觀測(cè)到的應(yīng)力震蕩和應(yīng)力釋放過(guò)程緩慢的粘滑顯然是低頻失穩(wěn)現(xiàn)象，這對(duì)于慢地震機(jī)制研究具有重要意義。

（3）含白云母巖鹽斷層帶摩擦滑動(dòng)實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：在干燥條件下，含白云母巖鹽斷層帶在0.1～100μm/s速度范圍內(nèi)表現(xiàn)為粘滑，具速度弱化性質(zhì)，增大σ2會(huì)使斷層帶在較低速度下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(dòng)表現(xiàn)為穩(wěn)定滑動(dòng)或應(yīng)力釋放時(shí)間較長(zhǎng)的粘滑事件。含水條件下，含白云母巖鹽斷層帶在0.05～0.01μm/s的加載速度下表現(xiàn)為速度強(qiáng)化，0.1～10μm/s的加載速度下表現(xiàn)為速度弱化，50～100μm/s的加載速度下又轉(zhuǎn)換為速度強(qiáng)化。含白云母巖鹽斷層帶在干燥條件下一次粘滑伴隨一個(gè)或一叢聲發(fā)射事件，而在含水條件下與穩(wěn)定滑動(dòng)相對(duì)應(yīng)，滑動(dòng)過(guò)程中未觀測(cè)到任何聲發(fā)射事件。顯微結(jié)構(gòu)分析表明，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(dòng)；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，而含水條件下兩個(gè)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(dòng)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(guò)與巖鹽斷層帶摩擦實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比可知，白云母的存在對(duì)干燥巖鹽斷層帶摩擦滑動(dòng)方式和速度依賴性沒(méi)有顯著影響，但在含水條件下白云母的存在使得巖鹽斷層帶滑動(dòng)趨于穩(wěn)定。實(shí)驗(yàn)結(jié)果為分析含層狀硅酸巖斷層的地震活動(dòng)性提供了依據(jù)，在速度依賴性轉(zhuǎn)換域觀測(cè)到的應(yīng)力釋放緩慢的粘滑現(xiàn)象進(jìn)一步證實(shí)了在巖鹽斷層帶摩擦滑動(dòng)實(shí)驗(yàn)中觀測(cè)到的現(xiàn)象，這對(duì)慢地震機(jī)制研究具有重要意義。

摩擦滑動(dòng)；速度依賴性轉(zhuǎn)換；粘滑；穩(wěn)滑；聲發(fā)射；微觀構(gòu)造；硬石膏；巖鹽；白云母