热水条件下强烈速度弱化滑动行为的机制——压溶过程与摩擦本构参数的关系

何昌荣 罗 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）江西省地震局，南昌 330039

为了深入研究辉长岩摩擦滑动的力学机制，近年来我们对辉长岩的两类主要矿物斜长石和辉石分别进行了实验研究，并发现这两种矿物在热水条件下的高温段（400～600 °C）都出现了强烈的速度弱化。本文针对这种在以往摩擦滑动研究中不常见的速度弱化行为进行了物理化学机制的深入探讨。

对摩擦滑动强度的直接速度响应（速率与状态本构律中的a值）和状态演化效应（速率与状态本构律中的b值）的流变学考察表明，稳态速度依赖性（a-b）的绝对值通常不会很大，其上限值约为10-2。基于此，出现在400～600 °C, 超临界水条件下（孔隙水压为30 MPa）的强烈速度弱化必然在摩擦滑动中其接触点的变形机制上出现了重要的变化。为此，我们理论推导了接触点的压溶作用与摩擦状态演化效应的关系，得出的b值如下：

其中，下标PS代表颗粒间压溶过程，S2=RT/Vm；R为气体常数；T为温度（K）；Vm为物质的摩尔体积，τr为真实剪应力；σy为强度高限。这一结果是以以下列粒状物质的压溶速率与真实应力的关系为基础，通过考虑压溶过程中的几何关系而得到的。其中 可表示体应变速率或者单轴压缩时的应变速率，下标x分别代表溶解（s）、析出（p）和边界流体扩散控制机制（d），Ax为几何常数，Zx(T)为各机制下与温度相关的常数；fx(φ)与各控制机制相对应的孔隙度的函数（单轴压缩时表示轴向应变的函数）； Vm为摩尔体积；d为颗粒直径；q为与控制机制有关的粒度指数，边界流体扩撒控制时为3；其他情况为1。

方程（2）通常用来描述压密型蠕变，而在断层泥持续剪切错动时，颗粒材料处于体积基本不变，即体积压缩处于停滞状态，因此，fx(φ)可视为常数。对于给定的温度和孔隙度，用 Cx替代这些常数的乘积（这里字母C用来表示常数），公式（2）可写成如下简洁形式

根据微压痕硬度测试结果，对透辉石接触点的真实应力进行了估算（3.44～3.79 GPa），取τr/σy=0.74（斜长石及辉石摩擦强度平均值，可知b值的变化范围为1.4～2.1×10-2；由于斜长石在微硬度测试时表现为脆性破裂，因此，接触点的应力受控于破裂强度，可用0.2 G来进行估算，其中G为剪切模量。同样，由压溶机制引起的斜长石的bPS值为1.45～1.88×10-2。因此，两种矿物由于压溶过程引起的状态演化效应参数bPS与实验得到的量级相当。

以上结果表明，斜长石和辉石所表现的强烈速度弱化滑动行为是由于a值变化不大的情况下（接触点流变性质变化不大），状态演化参数 b值则由于压溶作用大大增强，导致了强烈的速度弱化。因此，在深部的特定条件下，尤其在超临界水条件下，水-岩相互作用可以成为不稳定构造活动的控制机制。