模拟断层泥摩擦滑动速度依赖性转换的实验研究

马胜利 缪阿丽

1）中国地震局地质研究所，地震动力学国家重点实验室，北京 100029

2）江苏省地震局，南京 210014

基于岩石摩擦的速率-状态摩擦定律，速度弱化是断层失稳的必要条件，速度弱化向速度强化的转换控制着断层从不稳定滑动向稳定滑动的转换。因此，断层摩擦滑动的速度依赖性转换涉及断层带上地震活动特征、地震成核深度以及慢地震机制等重要问题。为深入理解断层带摩擦滑动速度依赖性转换及其机制，选择了在室温下可能发生摩擦速度依赖性转换的岩盐以及含白云母的岩盐作为断层泥，实验研究了其摩擦滑动的速度依赖性，并观测了摩擦滑动过程中的声发射，分析了断层带的微观结构。

实验标本为花岗闪长岩，尺寸为300 mm×200 mm×50 mm，每个标本沿长方体一对角线预置一条与长轴呈30o夹角，宽1 mm的断层，断层带用岩盐集合体或80 wt%岩盐+20 wt%云母混合体充填。实验在一套双向加载伺服控制装置上进行，利用数据采集系统记录了实验过程中的载荷和位移信号。在标本表面布设了声发射传感器，用多通道声发射数据采集系统观测了标本在实验过程中的微破裂活动。实验后沿断层带切制了岩石薄片，利用光学显微镜观察了断层带的变形结构。获得的主要结果如下：

（1）干燥岩盐断层带在0.1～100 μm/s的速度范围内表现为速度弱化，增大σ2会使断层带向速度强化转变；含水条件下岩盐断层带在1～100 μm/s的速度范围内表现为速度弱化，而在0.1～0.01 μm/s的速度范围内表现为速度强化，速度依赖性转换出现在0.1～1 μm/s，其中断层表现为振荡或应力释放时间较长的粘滑事件；岩盐断层带在干燥条件下表现出很强的声发射活动，每个粘滑均对应一丛声发射事件，而在含水条件下一次粘滑只对应一个声发射事件。显微观察表明，局部化的脆性破裂是速度弱化域的主要变形机制，分布式的碎裂流动是干燥岩盐断层带在速度强化域的变形机制，颗粒边界迁移以及压溶作用等塑性变形是含水条件下岩盐断层带在速度强化域的主要变形机制，而脆性破裂和塑性变形共同控制着速度依赖性转换域断层带的变形。水的存在促进岩盐发生塑性变形，进而导致断层带从速度弱化向速度强化转换。

（2）含白云母岩盐断层带无论在干燥还是含水条件下强度都很弱，其剪切强度随 σ2的增大而增大。在干燥条件下断层滑动表现为粘滑，一次粘滑总伴随一个或一丛声发射事件；在含水条件下断层滑动稳定，滑动过程中并未记录到声发射事件。在干燥条件下，含白云母岩盐断层带在所测试速度范围内表现为速度弱化；含水条件下，断层带在低速度下表现为速度强化，中等速度下表现为速度弱化，高速度下又转换为速度强化行为。增大σ2值，干燥条件下断层带在低速下表现为速度强化，高速下滑动不再符合Byerlee定律；含水条件下增大σ2值并未改变其速度依赖性，只缩小了速度弱化范围。显微结构分析表明，在速度弱化域断层带变形以岩盐颗粒的脆性破裂为主；速度强化可能源于岩盐颗粒的压扁、碎裂作用调节在云母相互连结形成的网状结构上进行的滑动。与岩盐断层带实验结果对比可知，白云母的存在对干燥岩盐断层带摩擦滑动方式和速度依赖性没有显著影响，但在含水条件下白云母的存在使得岩盐断层带滑动趋于稳定。鉴于岩盐可以视作硅酸岩的相似物，因此岩盐断层带的实验结果可用于分析自然断层的强度和稳定性转换机制、进而分析其地震活动特征，而含白云母的岩盐断层带的实验结果可用于分析层状硅酸岩对断层稳定性转换及地震活动性的影响。在速度依赖性转换域观测到的应力震荡和应力释放过程缓慢的粘滑显然是低频失稳现象，可用于分析慢地震机制。