模擬斷層泥摩擦滑動速度依賴性轉換的實驗研究

馬勝利 繆阿麗

1）中國地震局地質研究所，地震動力學國家重點實驗室，北京 100029

2）江蘇省地震局，南京 210014

基于巖石摩擦的速率-狀態摩擦定律，速度弱化是斷層失穩的必要條件，速度弱化向速度強化的轉換控制著斷層從不穩定滑動向穩定滑動的轉換。因此，斷層摩擦滑動的速度依賴性轉換涉及斷層帶上地震活動特征、地震成核深度以及慢地震機制等重要問題。為深入理解斷層帶摩擦滑動速度依賴性轉換及其機制，選擇了在室溫下可能發生摩擦速度依賴性轉換的巖鹽以及含白云母的巖鹽作為斷層泥，實驗研究了其摩擦滑動的速度依賴性，并觀測了摩擦滑動過程中的聲發射，分析了斷層帶的微觀結構。

實驗標本為花崗閃長巖，尺寸為300 mm×200 mm×50 mm，每個標本沿長方體一對角線預置一條與長軸呈30o夾角，寬1 mm的斷層，斷層帶用巖鹽集合體或80 wt%巖鹽+20 wt%云母混合體充填。實驗在一套雙向加載伺服控制裝置上進行，利用數據采集系統記錄了實驗過程中的載荷和位移信號。在標本表面布設了聲發射傳感器，用多通道聲發射數據采集系統觀測了標本在實驗過程中的微破裂活動。實驗后沿斷層帶切制了巖石薄片，利用光學顯微鏡觀察了斷層帶的變形結構。獲得的主要結果如下：

（1）干燥巖鹽斷層帶在0.1～100 μm/s的速度范圍內表現為速度弱化，增大σ2會使斷層帶向速度強化轉變；含水條件下巖鹽斷層帶在1～100 μm/s的速度范圍內表現為速度弱化，而在0.1～0.01 μm/s的速度范圍內表現為速度強化，速度依賴性轉換出現在0.1～1 μm/s，其中斷層表現為振蕩或應力釋放時間較長的粘滑事件；巖鹽斷層帶在干燥條件下表現出很強的聲發射活動，每個粘滑均對應一叢聲發射事件，而在含水條件下一次粘滑只對應一個聲發射事件。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制，分布式的碎裂流動是干燥巖鹽斷層帶在速度強化域的變形機制，顆粒邊界遷移以及壓溶作用等塑性變形是含水條件下巖鹽斷層帶在速度強化域的主要變形機制，而脆性破裂和塑性變形共同控制著速度依賴性轉換域斷層帶的變形。水的存在促進巖鹽發生塑性變形，進而導致斷層帶從速度弱化向速度強化轉換。

（2）含白云母巖鹽斷層帶無論在干燥還是含水條件下強度都很弱，其剪切強度隨 σ2的增大而增大。在干燥條件下斷層滑動表現為粘滑，一次粘滑總伴隨一個或一叢聲發射事件；在含水條件下斷層滑動穩定，滑動過程中并未記錄到聲發射事件。在干燥條件下，含白云母巖鹽斷層帶在所測試速度范圍內表現為速度弱化；含水條件下，斷層帶在低速度下表現為速度強化，中等速度下表現為速度弱化，高速度下又轉換為速度強化行為。增大σ2值，干燥條件下斷層帶在低速下表現為速度強化，高速下滑動不再符合Byerlee定律；含水條件下增大σ2值并未改變其速度依賴性，只縮小了速度弱化范圍。顯微結構分析表明，在速度弱化域斷層帶變形以巖鹽顆粒的脆性破裂為主；速度強化可能源于巖鹽顆粒的壓扁、碎裂作用調節在云母相互連結形成的網狀結構上進行的滑動。與巖鹽斷層帶實驗結果對比可知，白云母的存在對干燥巖鹽斷層帶摩擦滑動方式和速度依賴性沒有顯著影響，但在含水條件下白云母的存在使得巖鹽斷層帶滑動趨于穩定。鑒于巖鹽可以視作硅酸巖的相似物，因此巖鹽斷層帶的實驗結果可用于分析自然斷層的強度和穩定性轉換機制、進而分析其地震活動特征，而含白云母的巖鹽斷層帶的實驗結果可用于分析層狀硅酸巖對斷層穩定性轉換及地震活動性的影響。在速度依賴性轉換域觀測到的應力震蕩和應力釋放過程緩慢的粘滑顯然是低頻失穩現象，可用于分析慢地震機制。