安寧河斷裂假玄武玻璃摩擦滑動實驗研究

姚文明, 周永勝, 張雷, 馬璽, 戴文浩

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

0 引言

假玄武玻璃通常被認為是大地震同震摩擦熔融的產物,高速摩擦實驗表明，假玄武玻璃形成于干燥的高速摩擦環境(Di Toro and Pennacchioni, 2004).基于假玄武玻璃及其圍巖的變形特征，建立了同震滑動與假玄武玻璃形成的地質模型(Bestmann et al., 2012).新的研究顯示，由于溫度弱化，慢滑移、慢地震過程引起局部溫度升高形成假玄武玻璃(Wang and Barbot,2020)，甚至小地震也能形成假玄武玻璃，例如，在野外剪切帶中觀測到，在相當于MW0.2～1.8的脆性破裂中含有假玄武玻璃(Campbell et al., 2020)，而且在含水條件也能形成假玄武玻璃(Song et al., 2020).巖石破裂與斷層摩擦滑動實驗表明，假玄武玻璃會增加斷層摩擦強度(Proctor and Lockner, 2016).完全被假玄武玻璃愈合的斷層強度接近于完整巖石的破裂強度，大于斷層摩擦強度，被假玄武玻璃愈合了的破裂面沒有發生破裂與滑動，而是產生了平行于假玄武玻璃的新破裂面(Mitchell et al., 2016).由此可以推斷假玄武玻璃在斷層帶中的富存會顯著地提高斷層的剪切強度，從而阻止同震破裂的傳播.但是與此同時，對于假玄武玻璃樣品開展的同震破裂速率下的摩擦實驗研究發現，富含假玄武玻璃的巖石樣品具有異常低的弱化距離和破裂能，這預示著在同震破裂傳播過程中，假玄武玻璃的存在反而會促進動態破裂傳播(Violay et al., 2014).富假玄武玻璃玄武巖樣品的高溫高壓脆塑性轉變的實驗研究發現，在天然俯沖斷層帶的加載速率下，假玄武玻璃的存在會將玄武巖的脆塑性轉變溫度由650 ℃降低到100 ℃，并且其塑性變形的激活能降低一個數量級,從而顯著降低塑性變形啟動的溫度和壓力的閾值(Violay et al.,2012).從上述前人的研究可以發現假玄武玻璃獨特的力學和化學性質會對于斷層的動力學特性產生顯著的影響.

安寧河—則木河斷裂帶是川滇塊體東邊界的主要斷裂，在歷史上發生過多次大地震(聞學澤，2000；聞學澤等，2008；Wen et al., 2008)，例如，1756年在康定—石棉發生M7.4級地震，1480年在石棉—冕寧段發生M7.2級地震，1536年在冕寧—西昌段發生M7.25級地震，1850年在西昌—巧家段發生M7.2級地震.該斷裂在石棉西北與磨西斷裂以左階過渡區相接，在西昌附近發生明顯轉折，與則木河斷裂分界(聞學澤，2000；聞學澤等，2008).安寧河斷裂存在斷裂帶結構和活動習性差別，其中，石棉—拖烏段斷裂向東突出，由高山地貌組成，具有逆左行走滑特征，滑動速率2.8～3.7 mm·a-1；拖烏—冕寧段為寬度4～6 km的小型盆地和高山構成，為典型的左行走滑斷裂，滑動速率4.5 mm·a-1；冕寧—西昌段為寬度1～3 km的河谷盆地，具有正左行走滑特征，滑動速率5.5 mm·a-1(聞學澤，2000；聞學澤等，2008).安寧河斷層上發生的歷史地震存在顯著的破裂分段特征(Wen et al., 2008).安寧河斷層的活動習性和斷層分段性受地殼淺部速度結構控制(Shao et al., 2022).地震動力學模擬結果表明安寧河斷層未來可能發生MW6.9地震，伴隨嚴重的地面破裂，而且斷層上的摩擦性質對于模擬未來地震破裂范圍及地面運動起到至關重要的作用(Yao and Yang, 2022).

野外觀測發現安寧河斷層西側主要是花崗巖體(冉永康等，2008)，在拖烏附近斷層西側的花崗巖破碎帶中發現有新鮮斷層泥，雷蕙如等(2022)采用花崗巖斷層泥開展了摩擦滑動實驗.在冕寧—西昌段斷層西部出露的花崗片麻巖-碎裂巖中發現有原地形成的假玄武玻璃脈體.為了研究作為同震熔融產物的假玄武玻璃的摩擦性質及其如何影響斷層強度和滑動穩定性，以及在同震產物的假玄武玻璃中是否具備再次地震成核的可能性，本文開展了假玄武玻璃的摩擦滑動實驗研究.

1 實驗樣品

在安寧河斷裂西部的花崗片麻巖-碎裂巖中采集到了脈狀黑色假玄武玻璃(圖1).其中，黑色脈狀假玄武玻璃(D1)出現在碎裂的石英閃長巖(D)中，石英閃長巖邊緣為片麻狀閃長巖(D2).對黑色新鮮假玄武玻璃樣品、實驗閃長巖樣品、閃長巖樣品進行X射線熒光光譜(XRF)全巖分析，得到的樣品化學成分如表1所示，誤差為0.55%.在中國地震局地質研究所地震動力學國家重點實驗室對上述3個樣品的微晶分別進行了X射線衍射(XRD)分析，結果表明假玄武玻璃(D1)的主要礦物為斜長石、石英、角閃石、少量黑云母；石英閃長巖(D)的主要礦物為斜長石、石英和角閃石；片麻狀閃長巖(D2)的主要礦物為斜長石、角閃石，少量黑云母和綠泥石.根據假玄武玻璃與圍巖的接觸關系及其微觀結構與成分分析，假玄武玻璃是在地質時期石英閃長巖同震摩擦熔融的產物，后期經歷抬升和剝蝕，出露于地表，與安寧河斷裂多次歷史地震沒有關聯.本研究中將假玄武玻璃樣品研磨并通過200目篩，獲得實驗用的粉末樣品斷層泥.

表1 假玄武玻璃和閃長巖的XRF全巖分析結果(wt%)Table 1 XRF analysis results of natural samples of pseudotachylytes and diorite

圖1 假玄武玻璃與圍巖的接觸關系(a) 野外樣品； (b) 掃描電鏡下樣品特征. D1：假玄武玻璃；D石英閃長巖；D2片麻狀閃長巖Fig.1 The contact relation between pseudotachylytes and wall rocks(a) The sample collected from field; (b) Microstructure of samples under SEM. D1: Pseudotachylytes; D: Quartz diorite; D2: Gneiss diorite.

2 實驗方法

2.1 實驗設備和流程

本研究中所有的摩擦滑動實驗都在地震動力學國家重點實驗室氣體介質高溫高壓三軸壓機上進行.該實驗設備采用液壓伺服控制系統，最大圍壓為420 MPa，在本實驗中采用了伺服圍壓控制確保實驗過程中的圍壓保持恒定，圍壓控制精度為±0.5 MPa；溫度通過可控硅調節加溫爐的功率來控制，最高可達到700 ℃，溫度控制精度為±2 ℃；最大孔隙水壓可達200 MPa，控制精度為±0.3 MPa(He et al.,2006，2007).實驗裝樣方式如圖2所示，把高度40 mm、直徑為20 mm的花崗巖圓柱沿與軸向夾角為35°的方向切開，作為斷層滑動的圍巖塊，裝樣前用200目的金剛砂對圍巖預切面進行打磨，控制其表面的粗糙度.為了保證假玄武玻璃斷層泥中孔隙水壓的均勻分布，在斷層泥上方的圍巖上鉆取一個與斷層泥層相連通的小孔，作為實驗過程中保持孔隙水壓穩定的通道.將200目篩選后的假玄武玻璃斷層泥粉末加入一定量去離子水，攪拌之后均勻涂抹到圍巖的預切面上，使夾在兩個巖塊之間的斷層泥初始厚度為1 mm，整個圍巖和斷層泥樣品與碳化鎢壓塊和剛玉柱都裝在厚度為0.35 mm的銅管內，并在銅管和加溫爐之間的空隙中填充氮化硼粉末，用于傳熱并阻止熱對流，使樣品溫度從上至下保持均勻.

圖2 三軸剪切裝置裝樣示意圖Fig.2 Schematic of the triaxial shearing assembly

由于樣品存在斜向預切面，在實驗中，摩擦面的實際接觸面積會隨軸向位移的增加而減小，因此需要對圍巖兩端的軸向應力進行接觸面積校正.另外，還需要對實驗采集數據進行密封摩擦校正，以及銅管的剪切強度的校正.具體校正過程和數據處理詳見文獻He等(2006,2007).

2.2 速率和狀態依賴的摩擦本構關系

速率和狀態依賴摩擦本構關系(式(1))是表征斷層摩擦強度和滑動穩定性的基本理論(Dieterich，1978，1979；Ruina,1983),

(1)

(2)

其中，μ為摩擦系數(μ=τ/σ′n)，τ為剪應力，σ′n有效正壓力.μ0表示在參照滑動速率V0下的摩擦系數穩態值，a是表征在速率切換時摩擦強度的直接速率響應大小的本構參數，V是切換后的滑動速率，b是表征摩擦強度隨位移演化的本構參數，dc是特征滑動距離，表示摩擦強度在速率切換時達到新的穩態值所滑動的距離，θ是表征摩擦滑動面凹凸體接觸面積隨位移演化的狀態變量.

在準靜態加載條件下，當a-b<0時，稱之為速度弱化，此時摩擦系數隨速率的增加而減小，斷層會發生不穩定滑動與地震成核；當a-b>0時，稱之為速度強化，摩擦系數隨著速率的增加而增加，此時不會在緩慢的構造加載作用下產生自發的地震成核(Rice and Tse, 1986; Dieterich and Linker, 1992).因此，速度依賴性參數(a-b)對于區分斷層黏滑和蠕滑至關重要.

3 實驗結果

本研究的實驗條件為：溫度100～500 ℃、有效正應力250 MPa、孔隙水壓30 MPa和干燥條件，軸向加載速率在0.04 μm·s-1、 0.2 μm·s-1和1 μm·s-1之間切換.實驗條件和結果見表2，摩擦系數μ和滑移位移關系曲線見圖3.實驗開始時，以1 μm·s-1的初始加載速度進行加載，在初始的0～1 mm位移范圍內，大部分實驗曲線都顯示了近似線性的加載過程，隨著位移的增加，達到一個屈服點，并在此后進入到一個隨滑移距離而強化的過程，最后達到穩態滑動.在此基礎上，加載速度在標速1 μm·s-1、0.2 μm·s-1和慢速0.04 μm·s-1之間切換，通過速率切換考察摩擦強度和滑動穩定性隨速率的變化特征.

實驗中的摩擦系數用測得的剪切力τ和有效正應力σeff來計算，公式為μ=τ/σeff.為了保證摩擦系數能達到穩態值，摩擦系數值都取自滑動位移在2.5～3.0 mm處和滑移速率為0.2 μm·s-1時的穩態值,因為在此滑動位移下切換速率后摩擦系數能很快達到穩態滑動，不會因為位移的弱化和強化造成較大誤差(圖3).圖4給出了本研究假玄武玻璃斷層泥摩擦系數隨溫度的變化趨勢.干燥條件下及溫度在300～400 ℃時，假玄武玻璃斷層泥的摩擦系數從0.69增加到0.71；含孔隙壓條件下，在100 ℃時，摩擦系數為0.68；在300～400 ℃溫度范圍內，摩擦系數為0.72；在500 ℃時，摩擦系數達到最高值0.73.假玄武玻璃的摩擦系數在干燥條件略低于含水條件，其在300 ℃和400 ℃的摩擦系數分別為0.69和0.71.

圖3 假玄武玻璃斷層泥樣品在250 MPa有效正應力、100～500 ℃條件下的摩擦實驗曲線其中，(a)—(d)分別為含孔隙壓30 MPa和溫度從100 ℃、300 ℃、400 ℃、500 ℃條件下的摩擦滑動曲線; (e)—(f)分別為干燥條件和溫度在400 ℃、300 ℃條件下的摩擦滑動曲線；圖中標出了所有加載速率.Fig.3 Frictional slip curves of pseudotachylytes under 250 MPa effective normal stress and 100～500 ℃ temperature conditions(a)—(d) Frictional slip curves under 30 MPa pore pressure and 100 ℃, 300 ℃, 400 ℃, 500 ℃ temperature conditions; (e)—(f) Frictional slip curves under dry condition and 400 ℃, 500 ℃ temperature. All loading velocity were given in figures.

圖4 假玄武玻璃斷層泥穩態摩擦系數隨溫度的變化趨勢Fig.4 Steady-state friction coefficient of natural pseudotachylytes gouge versus temperature

部分實驗在加載速率切換過程中的速度依賴性非常微弱(如W100、D300、D400)，也有部分實驗加載速率在0.04～0.2 μm·s-1以及0.2～1 μm·s-1變化時摩擦強度出現擾動引起的先瞬態增加后隨著演化過程出現急劇下降特征(如W300、W400、 W500)(圖3).通過比較圖3中每一次速率切換后的摩擦強度穩態值，獲得精確的速度依賴性參數(a-b).假玄武玻璃在300～400 ℃和干燥條件下切換加載速率時，實驗數據都具有(a-b)>0特征，表現出穩定的速度強化摩擦行為(圖5，表2).在水熱條件下(a-b)值的正負性表現出對速率的依賴性(圖5，表2)，其中，在100～300 ℃時，在標速0.2 μm·s-1和慢速0.04 μm·s-1之間切換時(a-b)<0，表現出速度弱化的摩擦滑動行為，在標速1 μm·s-1和0.2 μm·s-1切換時(a-b)>0(圖5，表2)，是典型的速度強化；而在400～500 ℃的溫度條件下，假玄武玻璃在所有加載速率切換時都是(a-b)<0(圖5，表2)，表現出速度弱化的摩擦滑動行為.

表2 假玄武玻璃斷層泥的實驗條件與結果Table 2 Experimental conditions and results of pseudotachylytes fault gouge

圖5 假玄武玻璃斷層泥速度依賴性參數(a-b)隨溫度的變化趨勢Fig.5 Velocity dependence parameter (a-b) of pseudotachylyte gouge versus temperature

4 討論

雷蕙如等(2022)對安寧河斷裂破碎帶中的花崗巖斷層泥開展了摩擦強度和滑動穩定性實驗研究，其實驗條件與本研究所用實驗條件基本相同.圖6給出了本研究假玄武玻璃與花崗巖斷層泥(雷蕙如等，2022)的摩擦強度對比結果.由圖6得出，在所有溫度條件下，花崗巖斷層泥的摩擦系數都低于假玄武玻璃.由于假玄武玻璃強度高，被假玄武玻璃愈合了的同震破裂，原地再次發生同震滑動的可能性小.前人的實驗結果同樣給出了類似的結論(Proctor and Lockner，2016；Mitchell et al., 2016).Mitchell等(2016)采用相同成分和結構的花崗巖和板巖，分別加工成3組不同斷層結構的樣品.樣品A是完整巖石樣品，樣品B是含有假玄武玻璃愈合了裂隙的樣品，樣品C是預切一個與樣品B中的假玄武玻璃愈合斷層相同產狀的斷層.在相同的溫度和應變速率條件下，含斷層的樣品C的摩擦強度只有完整樣品A的破裂強度的60%，而含有假玄武玻璃愈合了裂隙的樣品B的破裂強度與完整巖石的破裂強度基本相同.微觀結構分析表明，含有假玄武玻璃愈合了裂隙的樣品B，在實驗破裂過程中，沒有沿著原來的假玄武玻璃斷層破裂和滑動，而是在其附近新形成了一條近于平行的新破裂面，這表明，愈合了的斷層強度與圍巖相當，原有的愈合斷層被廢棄了，新形成一條斷層取代了原有斷層.顯然，被假玄武玻璃完全愈合了的裂隙，其強度可以恢復到完整巖石的強度，原地發生破裂和摩擦滑動的概率很低.

圖6 花崗巖和假玄武玻璃樣品穩態摩擦系數隨溫度變化的趨勢Fig.6 Steady-state friction coefficient of granitic and pseudotachylyte samples as functions of temperature

在干燥條件下假玄武玻璃的實驗結果都表現出速度強化，但在相同溫度和30MPa孔隙水壓條件下都表現為速度弱化(圖5).根據斜長石、角閃石、輝石等摩擦實驗結果(He et al., 2013,2016; Tian and He, 2019; Liu and He, 2020)，含水條件下促進了斷層泥中礦物的壓溶過程和斷層的愈合效應，這是斷層發生不穩定滑動的根源(He et al., 2016).與此相反，在干燥條件下，斷層泥以礦物碎裂為主，決定了斷層的速度強化型溫度滑動特征.在真實的斷層深部(如安寧河斷裂)都不同程度地含有流體，這與本實驗含孔隙壓條件類似.因此，本研究中含水條件下的實驗表現出的不穩定滑動更接近于真實的安寧河斷層滑動行為.

圖7給出了本研究假玄武玻璃和花崗巖斷層泥(雷蕙如等，2022)摩擦實驗的速度依賴性參數對比結果.由圖7得出，假玄武玻璃與花崗巖斷層泥在100～500 ℃和含孔隙壓條件下，由標速1～0.2 μm·s-1往慢速0.04 μm·s-1切換時的滑動穩定性隨溫度變化趨勢基本相同，都是a-b<0，出現速度弱化和不穩定滑動，但標速條件下(1～0.2 μm·s-1)，花崗巖斷層泥100～500 ℃時都呈現速度強化，而假玄武玻璃斷層泥在100～300 ℃時為速度強化，在300 ℃呈現強化向弱化轉化，在400～500 ℃時都具有速度弱化.大量實驗研究都表明，巖石的速度依賴性不僅隨溫度升高而出現規律性變化，即低溫速度強化-中溫速度弱化-高溫速度強化轉變(Scholz, 1998; Marone, 1998; He et al., 2006,2007, 2013, 2016; Den Hartog and Spiers, 2013; Chen et al., 2017, 2020)，而且隨加載速率出現規律性變化，降低加載速率，不穩定滑動向低溫域偏移，引起在較低溫條件(如100 ℃)出現不穩定滑動(Den Hartog and Spiers,2013).斷層滑動穩定性受滑動過程的斷層物質接觸狀態(擴容和愈合)控制，這種接觸狀態演化由斷層泥顆粒碎裂(擴容)與塑性變形(壓溶、晶體塑性)引起的愈合相互競爭決定(Marone, 1998; He et al., 2006,2007, 2013, 2016; Den Hartog and Spiers, 2013; Chen et al., 2017, 2020).在低溫條件下，斷層滑動以斷層泥顆粒碎裂引起的擴容為主，決定了斷層的速度強化；在中溫條件下，斷層泥顆粒碎裂和塑性變形引起的愈合共同控制了斷層滑動行為，導致斷層出現速度弱化和不穩定滑動；在高溫條件下，斷層泥顆粒以塑性變形為主，引起斷層滑動向速度強化轉化.早期研究認為晶體塑性變形是引起斷層愈合和接觸狀態改變的主要因素(Marone,1998)，最新研究表明在含水條件下斷層物質壓溶過程是控制斷層愈合和接觸狀態改變的主要巖石，是斷層出現速度弱化和不穩定滑動的根源(He et al., 2016).本研究得到的慢速過程有利于速度弱化和不穩定滑動，與石英-黏土礦物斷層泥(Den Hartog and Spiers, 2013)和花崗巖斷層泥(雷蕙如等，2022)得到的滑動穩定性隨加載速率變化規律類似.標速(1～0.2 μm·s-1)條件下斷層泥容易發生碎裂和擴容而不易發生壓溶或晶體塑性，而慢速(0.2～0.04 μm·s-1)滑動有利于壓溶過程，從而促進了不穩定滑動(He et al., 2016; Den Hartog and Spiers,2013; Chen et al., 2017, 2020)，因此，加載速率增加引起斷層泥出現碎裂和擴容，導致斷層向速度強化和穩定滑動轉化，與此相反，加載速率降低引起斷層泥出現壓溶，導致斷層向速度弱化和不穩定滑動轉化.

上述假玄武玻璃的速度依賴性隨溫度和滑動速率的變化趨勢與花崗巖斷層泥有顯著差異，這可能與假玄武玻璃的力學性能有關.在天然俯沖斷層帶的加載速率下，富假玄武玻璃的玄武巖樣品的脆塑性轉變溫度由650 ℃降低到100 ℃，并且其塑性變形的激活能由456 kJ·mol-1降低到56 kJ·mol-1,從而顯著降低塑性變形啟動的溫度和壓力的閾值(Violay et al.,2012).在同震破裂速率條件下，富含假玄武玻璃的巖石樣品具有異常低的弱化距離和破裂能，這預示著在同震破裂傳播過程中，假玄武玻璃的存在會促進動態破裂傳播(Violay et al., 2014).由此推測，斷裂帶內存在假玄武玻璃，不僅能增加斷層不穩定滑動和地震的風險，而且會促進同震動態破裂傳播.

根據地表熱流數據計算的川西地區的地殼溫度剖面表明(周永勝，何昌榮，2009；周永勝等，2014),500～600 ℃對應的地殼深度約為25～30 km.川西地區流變結構顯示(周永勝等，2014)，在間震期緩慢加載的應變速率條件下，斷層脆塑性轉化帶的深度約為30 km，在同震高速加載速率條件下，其脆塑性轉化深度可到40～45 km.結合本研究獲得的假玄武玻璃斷層泥與雷蕙如等(2022)給出的花崗巖斷層泥摩擦滑動穩定性隨溫度變化規律(圖7)，在5～30 km深度，花崗巖和假玄武玻璃都具備不穩定滑動和地震成核條件.數值模擬結果表明，走滑斷層孕震帶(速度弱化區)的深度范圍是控制地震破裂長度的主要因素之一，孕震帶的寬度越大，同震破裂沿斷層走向的傳播范圍越大(Weng and Yang, 2017)，并影響近斷層地表震動，從而影響估算斷層摩擦性質(Chen and Yang, 2020).本研究給出的安寧河斷裂帶的地震成核深度達30 km，該結果不僅可以為斷層閉鎖模型假設深度的范圍(Jiang et al., 2015; Li et al.,2021)提供約束和重要的啟示，而且其孕震帶深度大，預示著地震同震破裂長度可能比較大(Weng and Yang, 2017).

圖7 不同加載速率條件下花崗巖和假玄武玻璃的速度依賴性參數(a-b)隨溫度的變化趨勢Fig.7 Velocity dependence parameter (a-b) of granitic and pseudotachylyte samples versus temperature at various loading rates

5 結論

(1)在100～500 ℃條件下，假玄武玻璃的摩擦系數隨溫度升高而增大(約為0.68～0.73)，干燥條件的摩擦系數低于含孔隙壓條件.

(2)在標準滑動速率條件下，從300 ℃開始，假玄武玻璃表現出由速度強化向速度弱化轉變，在400 ℃時具有顯著的速度弱化現象；假玄武玻璃滑動穩定性與加載速率有關，由高速向低速切換或低速條件下(0.04 μm·s-1)，從100～500 ℃，假玄武玻璃都處于不穩定滑動狀態，降低滑動速度可以促進假玄武玻璃的不穩定滑動；假玄武玻璃與花崗巖滑動穩定性基本相同，在5～30 km深度都具備地震成核條件.

(3)假玄武玻璃的摩擦強度比花崗巖高，被假玄武玻璃愈合了的同震破裂，原地再次發生同震滑動的可能性小.如果斷裂帶內存在假玄武玻璃，不僅能增加斷層不穩定滑動和地震的風險，而且會促進同震動態破裂傳播.

致謝感謝三位審稿人提出的寶貴建議，提高了本論文的質量.何昌榮、黨嘉祥、雷蕙如、苗社強、鄒俊杰參加了野外地質調查和樣品采集.