熱水條件下強(qiáng)烈速度弱化滑動行為的機(jī)制
——壓溶過程與摩擦本構(gòu)參數(shù)的關(guān)系

何昌榮 羅 麗

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）江西省地震局，南昌 330039

為了深入研究輝長巖摩擦滑動的力學(xué)機(jī)制，近年來我們對輝長巖的兩類主要礦物斜長石和輝石分別進(jìn)行了實驗研究，并發(fā)現(xiàn)這兩種礦物在熱水條件下的高溫段（400～600 °C）都出現(xiàn)了強(qiáng)烈的速度弱化。本文針對這種在以往摩擦滑動研究中不常見的速度弱化行為進(jìn)行了物理化學(xué)機(jī)制的深入探討。

對摩擦滑動強(qiáng)度的直接速度響應(yīng)（速率與狀態(tài)本構(gòu)律中的a值）和狀態(tài)演化效應(yīng)（速率與狀態(tài)本構(gòu)律中的b值）的流變學(xué)考察表明，穩(wěn)態(tài)速度依賴性（a-b）的絕對值通常不會很大，其上限值約為10-2。基于此，出現(xiàn)在400～600 °C, 超臨界水條件下（孔隙水壓為30 MPa）的強(qiáng)烈速度弱化必然在摩擦滑動中其接觸點的變形機(jī)制上出現(xiàn)了重要的變化。為此，我們理論推導(dǎo)了接觸點的壓溶作用與摩擦狀態(tài)演化效應(yīng)的關(guān)系，得出的b值如下：

其中，下標(biāo)PS代表顆粒間壓溶過程，S2=RT/Vm；R為氣體常數(shù)；T為溫度（K）；Vm為物質(zhì)的摩爾體積，τr為真實剪應(yīng)力；σy為強(qiáng)度高限。這一結(jié)果是以以下列粒狀物質(zhì)的壓溶速率與真實應(yīng)力的關(guān)系為基礎(chǔ)，通過考慮壓溶過程中的幾何關(guān)系而得到的。其中 可表示體應(yīng)變速率或者單軸壓縮時的應(yīng)變速率，下標(biāo)x分別代表溶解（s）、析出（p）和邊界流體擴(kuò)散控制機(jī)制（d），Ax為幾何常數(shù)，Zx(T)為各機(jī)制下與溫度相關(guān)的常數(shù)；fx(φ)與各控制機(jī)制相對應(yīng)的孔隙度的函數(shù)（單軸壓縮時表示軸向應(yīng)變的函數(shù)）； Vm為摩爾體積；d為顆粒直徑；q為與控制機(jī)制有關(guān)的粒度指數(shù)，邊界流體擴(kuò)撒控制時為3；其他情況為1。

方程（2）通常用來描述壓密型蠕變，而在斷層泥持續(xù)剪切錯動時，顆粒材料處于體積基本不變，即體積壓縮處于停滯狀態(tài)，因此，fx(φ)可視為常數(shù)。對于給定的溫度和孔隙度，用 Cx替代這些常數(shù)的乘積（這里字母C用來表示常數(shù)），公式（2）可寫成如下簡潔形式

根據(jù)微壓痕硬度測試結(jié)果，對透輝石接觸點的真實應(yīng)力進(jìn)行了估算（3.44～3.79 GPa），取τr/σy=0.74（斜長石及輝石摩擦強(qiáng)度平均值，可知b值的變化范圍為1.4～2.1×10-2；由于斜長石在微硬度測試時表現(xiàn)為脆性破裂，因此，接觸點的應(yīng)力受控于破裂強(qiáng)度，可用0.2 G來進(jìn)行估算，其中G為剪切模量。同樣，由壓溶機(jī)制引起的斜長石的bPS值為1.45～1.88×10-2。因此，兩種礦物由于壓溶過程引起的狀態(tài)演化效應(yīng)參數(shù)bPS與實驗得到的量級相當(dāng)。

以上結(jié)果表明，斜長石和輝石所表現(xiàn)的強(qiáng)烈速度弱化滑動行為是由于a值變化不大的情況下（接觸點流變性質(zhì)變化不大），狀態(tài)演化參數(shù) b值則由于壓溶作用大大增強(qiáng)，導(dǎo)致了強(qiáng)烈的速度弱化。因此，在深部的特定條件下，尤其在超臨界水條件下，水-巖相互作用可以成為不穩(wěn)定構(gòu)造活動的控制機(jī)制。