安宁河断裂假玄武玻璃摩擦滑动实验研究

姚文明, 周永胜, 张雷, 马玺, 戴文浩

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

0 引言

假玄武玻璃通常被认为是大地震同震摩擦熔融的产物,高速摩擦实验表明，假玄武玻璃形成于干燥的高速摩擦环境(Di Toro and Pennacchioni, 2004).基于假玄武玻璃及其围岩的变形特征，建立了同震滑动与假玄武玻璃形成的地质模型(Bestmann et al., 2012).新的研究显示，由于温度弱化，慢滑移、慢地震过程引起局部温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，在野外剪切带中观测到，在相当于MW0.2～1.8的脆性破裂中含有假玄武玻璃(Campbell et al., 2020)，而且在含水条件也能形成假玄武玻璃(Song et al., 2020).岩石破裂与断层摩擦滑动实验表明，假玄武玻璃会增加断层摩擦强度(Proctor and Lockner, 2016).完全被假玄武玻璃愈合的断层强度接近于完整岩石的破裂强度，大于断层摩擦强度，被假玄武玻璃愈合了的破裂面没有发生破裂与滑动，而是产生了平行于假玄武玻璃的新破裂面(Mitchell et al., 2016).由此可以推断假玄武玻璃在断层带中的富存会显著地提高断层的剪切强度，从而阻止同震破裂的传播.但是与此同时，对于假玄武玻璃样品开展的同震破裂速率下的摩擦实验研究发现，富含假玄武玻璃的岩石样品具有异常低的弱化距离和破裂能，这预示着在同震破裂传播过程中，假玄武玻璃的存在反而会促进动态破裂传播(Violay et al., 2014).富假玄武玻璃玄武岩样品的高温高压脆塑性转变的实验研究发现，在天然俯冲断层带的加载速率下，假玄武玻璃的存在会将玄武岩的脆塑性转变温度由650 ℃降低到100 ℃，并且其塑性变形的激活能降低一个数量级,从而显著降低塑性变形启动的温度和压力的阈值(Violay et al.,2012).从上述前人的研究可以发现假玄武玻璃独特的力学和化学性质会对于断层的动力学特性产生显著的影响.

安宁河—则木河断裂带是川滇块体东边界的主要断裂，在历史上发生过多次大地震(闻学泽，2000；闻学泽等，2008；Wen et al., 2008)，例如，1756年在康定—石棉发生M7.4级地震，1480年在石棉—冕宁段发生M7.2级地震，1536年在冕宁—西昌段发生M7.25级地震，1850年在西昌—巧家段发生M7.2级地震.该断裂在石棉西北与磨西断裂以左阶过渡区相接，在西昌附近发生明显转折，与则木河断裂分界(闻学泽，2000；闻学泽等，2008).安宁河断裂存在断裂带结构和活动习性差别，其中，石棉—拖乌段断裂向东突出，由高山地貌组成，具有逆左行走滑特征，滑动速率2.8～3.7 mm·a-1；拖乌—冕宁段为宽度4～6 km的小型盆地和高山构成，为典型的左行走滑断裂，滑动速率4.5 mm·a-1；冕宁—西昌段为宽度1～3 km的河谷盆地，具有正左行走滑特征，滑动速率5.5 mm·a-1(闻学泽，2000；闻学泽等，2008).安宁河断层上发生的历史地震存在显著的破裂分段特征(Wen et al., 2008).安宁河断层的活动习性和断层分段性受地壳浅部速度结构控制(Shao et al., 2022).地震动力学模拟结果表明安宁河断层未来可能发生MW6.9地震，伴随严重的地面破裂，而且断层上的摩擦性质对于模拟未来地震破裂范围及地面运动起到至关重要的作用(Yao and Yang, 2022).

野外观测发现安宁河断层西侧主要是花岗岩体(冉永康等，2008)，在拖乌附近断层西侧的花岗岩破碎带中发现有新鲜断层泥，雷蕙如等(2022)采用花岗岩断层泥开展了摩擦滑动实验.在冕宁—西昌段断层西部出露的花岗片麻岩-碎裂岩中发现有原地形成的假玄武玻璃脉体.为了研究作为同震熔融产物的假玄武玻璃的摩擦性质及其如何影响断层强度和滑动稳定性，以及在同震产物的假玄武玻璃中是否具备再次地震成核的可能性，本文开展了假玄武玻璃的摩擦滑动实验研究.

1 实验样品

在安宁河断裂西部的花岗片麻岩-碎裂岩中采集到了脉状黑色假玄武玻璃(图1).其中，黑色脉状假玄武玻璃(D1)出现在碎裂的石英闪长岩(D)中，石英闪长岩边缘为片麻状闪长岩(D2).对黑色新鲜假玄武玻璃样品、实验闪长岩样品、闪长岩样品进行X射线荧光光谱(XRF)全岩分析，得到的样品化学成分如表1所示，误差为0.55%.在中国地震局地质研究所地震动力学国家重点实验室对上述3个样品的微晶分别进行了X射线衍射(XRD)分析，结果表明假玄武玻璃(D1)的主要矿物为斜长石、石英、角闪石、少量黑云母；石英闪长岩(D)的主要矿物为斜长石、石英和角闪石；片麻状闪长岩(D2)的主要矿物为斜长石、角闪石，少量黑云母和绿泥石.根据假玄武玻璃与围岩的接触关系及其微观结构与成分分析，假玄武玻璃是在地质时期石英闪长岩同震摩擦熔融的产物，后期经历抬升和剥蚀，出露于地表，与安宁河断裂多次历史地震没有关联.本研究中将假玄武玻璃样品研磨并通过200目筛，获得实验用的粉末样品断层泥.

表1 假玄武玻璃和闪长岩的XRF全岩分析结果(wt%)Table 1 XRF analysis results of natural samples of pseudotachylytes and diorite

图1 假玄武玻璃与围岩的接触关系(a) 野外样品； (b) 扫描电镜下样品特征. D1：假玄武玻璃；D石英闪长岩；D2片麻状闪长岩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 实验方法

2.1 实验设备和流程

本研究中所有的摩擦滑动实验都在地震动力学国家重点实验室气体介质高温高压三轴压机上进行.该实验设备采用液压伺服控制系统，最大围压为420 MPa，在本实验中采用了伺服围压控制确保实验过程中的围压保持恒定，围压控制精度为±0.5 MPa；温度通过可控硅调节加温炉的功率来控制，最高可达到700 ℃，温度控制精度为±2 ℃；最大孔隙水压可达200 MPa，控制精度为±0.3 MPa(He et al.,2006，2007).实验装样方式如图2所示，把高度40 mm、直径为20 mm的花岗岩圆柱沿与轴向夹角为35°的方向切开，作为断层滑动的围岩块，装样前用200目的金刚砂对围岩预切面进行打磨，控制其表面的粗糙度.为了保证假玄武玻璃断层泥中孔隙水压的均匀分布，在断层泥上方的围岩上钻取一个与断层泥层相连通的小孔，作为实验过程中保持孔隙水压稳定的通道.将200目筛选后的假玄武玻璃断层泥粉末加入一定量去离子水，搅拌之后均匀涂抹到围岩的预切面上，使夹在两个岩块之间的断层泥初始厚度为1 mm，整个围岩和断层泥样品与碳化钨压块和刚玉柱都装在厚度为0.35 mm的铜管内，并在铜管和加温炉之间的空隙中填充氮化硼粉末，用于传热并阻止热对流，使样品温度从上至下保持均匀.

图2 三轴剪切装置装样示意图Fig.2 Schematic of the triaxial shearing assembly

由于样品存在斜向预切面，在实验中，摩擦面的实际接触面积会随轴向位移的增加而减小，因此需要对围岩两端的轴向应力进行接触面积校正.另外，还需要对实验采集数据进行密封摩擦校正，以及铜管的剪切强度的校正.具体校正过程和数据处理详见文献He等(2006,2007).

2.2 速率和状态依赖的摩擦本构关系

速率和状态依赖摩擦本构关系(式(1))是表征断层摩擦强度和滑动稳定性的基本理论(Dieterich，1978，1979；Ruina,1983),

(1)

(2)

其中，μ为摩擦系数(μ=τ/σ′n)，τ为剪应力，σ′n有效正压力.μ0表示在参照滑动速率V0下的摩擦系数稳态值，a是表征在速率切换时摩擦强度的直接速率响应大小的本构参数，V是切换后的滑动速率，b是表征摩擦强度随位移演化的本构参数，dc是特征滑动距离，表示摩擦强度在速率切换时达到新的稳态值所滑动的距离，θ是表征摩擦滑动面凹凸体接触面积随位移演化的状态变量.

在准静态加载条件下，当a-b<0时，称之为速度弱化，此时摩擦系数随速率的增加而减小，断层会发生不稳定滑动与地震成核；当a-b>0时，称之为速度强化，摩擦系数随着速率的增加而增加，此时不会在缓慢的构造加载作用下产生自发的地震成核(Rice and Tse, 1986; Dieterich and Linker, 1992).因此，速度依赖性参数(a-b)对于区分断层黏滑和蠕滑至关重要.

3 实验结果

本研究的实验条件为：温度100～500 ℃、有效正应力250 MPa、孔隙水压30 MPa和干燥条件，轴向加载速率在0.04 μm·s-1、 0.2 μm·s-1和1 μm·s-1之间切换.实验条件和结果见表2，摩擦系数μ和滑移位移关系曲线见图3.实验开始时，以1 μm·s-1的初始加载速度进行加载，在初始的0～1 mm位移范围内，大部分实验曲线都显示了近似线性的加载过程，随着位移的增加，达到一个屈服点，并在此后进入到一个随滑移距离而强化的过程，最后达到稳态滑动.在此基础上，加载速度在标速1 μm·s-1、0.2 μm·s-1和慢速0.04 μm·s-1之间切换，通过速率切换考察摩擦强度和滑动稳定性随速率的变化特征.

实验中的摩擦系数用测得的剪切力τ和有效正应力σeff来计算，公式为μ=τ/σeff.为了保证摩擦系数能达到稳态值，摩擦系数值都取自滑动位移在2.5～3.0 mm处和滑移速率为0.2 μm·s-1时的稳态值,因为在此滑动位移下切换速率后摩擦系数能很快达到稳态滑动，不会因为位移的弱化和强化造成较大误差(图3).图4给出了本研究假玄武玻璃断层泥摩擦系数随温度的变化趋势.干燥条件下及温度在300～400 ℃时，假玄武玻璃断层泥的摩擦系数从0.69增加到0.71；含孔隙压条件下，在100 ℃时，摩擦系数为0.68；在300～400 ℃温度范围内，摩擦系数为0.72；在500 ℃时，摩擦系数达到最高值0.73.假玄武玻璃的摩擦系数在干燥条件略低于含水条件，其在300 ℃和400 ℃的摩擦系数分别为0.69和0.71.

图3 假玄武玻璃断层泥样品在250 MPa有效正应力、100～500 ℃条件下的摩擦实验曲线其中，(a)—(d)分别为含孔隙压30 MPa和温度从100 ℃、300 ℃、400 ℃、500 ℃条件下的摩擦滑动曲线; (e)—(f)分别为干燥条件和温度在400 ℃、300 ℃条件下的摩擦滑动曲线；图中标出了所有加载速率.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.

图4 假玄武玻璃断层泥稳态摩擦系数随温度的变化趋势Fig.4 Steady-state friction coefficient of natural pseudotachylytes gouge versus temperature

部分实验在加载速率切换过程中的速度依赖性非常微弱(如W100、D300、D400)，也有部分实验加载速率在0.04～0.2 μm·s-1以及0.2～1 μm·s-1变化时摩擦强度出现扰动引起的先瞬态增加后随着演化过程出现急剧下降特征(如W300、W400、 W500)(图3).通过比较图3中每一次速率切换后的摩擦强度稳态值，获得精确的速度依赖性参数(a-b).假玄武玻璃在300～400 ℃和干燥条件下切换加载速率时，实验数据都具有(a-b)>0特征，表现出稳定的速度强化摩擦行为(图5，表2).在水热条件下(a-b)值的正负性表现出对速率的依赖性(图5，表2)，其中，在100～300 ℃时，在标速0.2 μm·s-1和慢速0.04 μm·s-1之间切换时(a-b)<0，表现出速度弱化的摩擦滑动行为，在标速1 μm·s-1和0.2 μm·s-1切换时(a-b)>0(图5，表2)，是典型的速度强化；而在400～500 ℃的温度条件下，假玄武玻璃在所有加载速率切换时都是(a-b)<0(图5，表2)，表现出速度弱化的摩擦滑动行为.

表2 假玄武玻璃断层泥的实验条件与结果Table 2 Experimental conditions and results of pseudotachylytes fault gouge

图5 假玄武玻璃断层泥速度依赖性参数(a-b)随温度的变化趋势Fig.5 Velocity dependence parameter (a-b) of pseudotachylyte gouge versus temperature

4 讨论

雷蕙如等(2022)对安宁河断裂破碎带中的花岗岩断层泥开展了摩擦强度和滑动稳定性实验研究，其实验条件与本研究所用实验条件基本相同.图6给出了本研究假玄武玻璃与花岗岩断层泥(雷蕙如等，2022)的摩擦强度对比结果.由图6得出，在所有温度条件下，花岗岩断层泥的摩擦系数都低于假玄武玻璃.由于假玄武玻璃强度高，被假玄武玻璃愈合了的同震破裂，原地再次发生同震滑动的可能性小.前人的实验结果同样给出了类似的结论(Proctor and Lockner，2016；Mitchell et al., 2016).Mitchell等(2016)采用相同成分和结构的花岗岩和板岩，分别加工成3组不同断层结构的样品.样品A是完整岩石样品，样品B是含有假玄武玻璃愈合了裂隙的样品，样品C是预切一个与样品B中的假玄武玻璃愈合断层相同产状的断层.在相同的温度和应变速率条件下，含断层的样品C的摩擦强度只有完整样品A的破裂强度的60%，而含有假玄武玻璃愈合了裂隙的样品B的破裂强度与完整岩石的破裂强度基本相同.微观结构分析表明，含有假玄武玻璃愈合了裂隙的样品B，在实验破裂过程中，没有沿着原来的假玄武玻璃断层破裂和滑动，而是在其附近新形成了一条近于平行的新破裂面，这表明，愈合了的断层强度与围岩相当，原有的愈合断层被废弃了，新形成一条断层取代了原有断层.显然，被假玄武玻璃完全愈合了的裂隙，其强度可以恢复到完整岩石的强度，原地发生破裂和摩擦滑动的概率很低.

图6 花岗岩和假玄武玻璃样品稳态摩擦系数随温度变化的趋势Fig.6 Steady-state friction coefficient of granitic and pseudotachylyte samples as functions of temperature

在干燥条件下假玄武玻璃的实验结果都表现出速度强化，但在相同温度和30MPa孔隙水压条件下都表现为速度弱化(图5).根据斜长石、角闪石、辉石等摩擦实验结果(He et al., 2013,2016; Tian and He, 2019; Liu and He, 2020)，含水条件下促进了断层泥中矿物的压溶过程和断层的愈合效应，这是断层发生不稳定滑动的根源(He et al., 2016).与此相反，在干燥条件下，断层泥以矿物碎裂为主，决定了断层的速度强化型温度滑动特征.在真实的断层深部(如安宁河断裂)都不同程度地含有流体，这与本实验含孔隙压条件类似.因此，本研究中含水条件下的实验表现出的不稳定滑动更接近于真实的安宁河断层滑动行为.

图7给出了本研究假玄武玻璃和花岗岩断层泥(雷蕙如等，2022)摩擦实验的速度依赖性参数对比结果.由图7得出，假玄武玻璃与花岗岩断层泥在100～500 ℃和含孔隙压条件下，由标速1～0.2 μm·s-1往慢速0.04 μm·s-1切换时的滑动稳定性随温度变化趋势基本相同，都是a-b<0，出现速度弱化和不稳定滑动，但标速条件下(1～0.2 μm·s-1)，花岗岩断层泥100～500 ℃时都呈现速度强化，而假玄武玻璃断层泥在100～300 ℃时为速度强化，在300 ℃呈现强化向弱化转化，在400～500 ℃时都具有速度弱化.大量实验研究都表明，岩石的速度依赖性不仅随温度升高而出现规律性变化，即低温速度强化-中温速度弱化-高温速度强化转变(Scholz, 1998; Marone, 1998; He et al., 2006,2007, 2013, 2016; Den Hartog and Spiers, 2013; Chen et al., 2017, 2020)，而且随加载速率出现规律性变化，降低加载速率，不稳定滑动向低温域偏移，引起在较低温条件(如100 ℃)出现不稳定滑动(Den Hartog and Spiers,2013).断层滑动稳定性受滑动过程的断层物质接触状态(扩容和愈合)控制，这种接触状态演化由断层泥颗粒碎裂(扩容)与塑性变形(压溶、晶体塑性)引起的愈合相互竞争决定(Marone, 1998; He et al., 2006,2007, 2013, 2016; Den Hartog and Spiers, 2013; Chen et al., 2017, 2020).在低温条件下，断层滑动以断层泥颗粒碎裂引起的扩容为主，决定了断层的速度强化；在中温条件下，断层泥颗粒碎裂和塑性变形引起的愈合共同控制了断层滑动行为，导致断层出现速度弱化和不稳定滑动；在高温条件下，断层泥颗粒以塑性变形为主，引起断层滑动向速度强化转化.早期研究认为晶体塑性变形是引起断层愈合和接触状态改变的主要因素(Marone,1998)，最新研究表明在含水条件下断层物质压溶过程是控制断层愈合和接触状态改变的主要岩石，是断层出现速度弱化和不稳定滑动的根源(He et al., 2016).本研究得到的慢速过程有利于速度弱化和不稳定滑动，与石英-黏土矿物断层泥(Den Hartog and Spiers, 2013)和花岗岩断层泥(雷蕙如等，2022)得到的滑动稳定性随加载速率变化规律类似.标速(1～0.2 μm·s-1)条件下断层泥容易发生碎裂和扩容而不易发生压溶或晶体塑性，而慢速(0.2～0.04 μm·s-1)滑动有利于压溶过程，从而促进了不稳定滑动(He et al., 2016; Den Hartog and Spiers,2013; Chen et al., 2017, 2020)，因此，加载速率增加引起断层泥出现碎裂和扩容，导致断层向速度强化和稳定滑动转化，与此相反，加载速率降低引起断层泥出现压溶，导致断层向速度弱化和不稳定滑动转化.

上述假玄武玻璃的速度依赖性随温度和滑动速率的变化趋势与花岗岩断层泥有显著差异，这可能与假玄武玻璃的力学性能有关.在天然俯冲断层带的加载速率下，富假玄武玻璃的玄武岩样品的脆塑性转变温度由650 ℃降低到100 ℃，并且其塑性变形的激活能由456 kJ·mol-1降低到56 kJ·mol-1,从而显著降低塑性变形启动的温度和压力的阈值(Violay et al.,2012).在同震破裂速率条件下，富含假玄武玻璃的岩石样品具有异常低的弱化距离和破裂能，这预示着在同震破裂传播过程中，假玄武玻璃的存在会促进动态破裂传播(Violay et al., 2014).由此推测，断裂带内存在假玄武玻璃，不仅能增加断层不稳定滑动和地震的风险，而且会促进同震动态破裂传播.

根据地表热流数据计算的川西地区的地壳温度剖面表明(周永胜，何昌荣，2009；周永胜等，2014),500～600 ℃对应的地壳深度约为25～30 km.川西地区流变结构显示(周永胜等，2014)，在间震期缓慢加载的应变速率条件下，断层脆塑性转化带的深度约为30 km，在同震高速加载速率条件下，其脆塑性转化深度可到40～45 km.结合本研究获得的假玄武玻璃断层泥与雷蕙如等(2022)给出的花岗岩断层泥摩擦滑动稳定性随温度变化规律(图7)，在5～30 km深度，花岗岩和假玄武玻璃都具备不稳定滑动和地震成核条件.数值模拟结果表明，走滑断层孕震带(速度弱化区)的深度范围是控制地震破裂长度的主要因素之一，孕震带的宽度越大，同震破裂沿断层走向的传播范围越大(Weng and Yang, 2017)，并影响近断层地表震动，从而影响估算断层摩擦性质(Chen and Yang, 2020).本研究给出的安宁河断裂带的地震成核深度达30 km，该结果不仅可以为断层闭锁模型假设深度的范围(Jiang et al., 2015; Li et al.,2021)提供约束和重要的启示，而且其孕震带深度大，预示着地震同震破裂长度可能比较大(Weng and Yang, 2017).

图7 不同加载速率条件下花岗岩和假玄武玻璃的速度依赖性参数(a-b)随温度的变化趋势Fig.7 Velocity dependence parameter (a-b) of granitic and pseudotachylyte samples versus temperature at various loading rates

5 结论

(1)在100～500 ℃条件下，假玄武玻璃的摩擦系数随温度升高而增大(约为0.68～0.73)，干燥条件的摩擦系数低于含孔隙压条件.

(2)在标准滑动速率条件下，从300 ℃开始，假玄武玻璃表现出由速度强化向速度弱化转变，在400 ℃时具有显著的速度弱化现象；假玄武玻璃滑动稳定性与加载速率有关，由高速向低速切换或低速条件下(0.04 μm·s-1)，从100～500 ℃，假玄武玻璃都处于不稳定滑动状态，降低滑动速度可以促进假玄武玻璃的不稳定滑动；假玄武玻璃与花岗岩滑动稳定性基本相同，在5～30 km深度都具备地震成核条件.

(3)假玄武玻璃的摩擦强度比花岗岩高，被假玄武玻璃愈合了的同震破裂，原地再次发生同震滑动的可能性小.如果断裂带内存在假玄武玻璃，不仅能增加断层不稳定滑动和地震的风险，而且会促进同震动态破裂传播.

致谢感谢三位审稿人提出的宝贵建议，提高了本论文的质量.何昌荣、党嘉祥、雷蕙如、苗社强、邹俊杰参加了野外地质调查和样品采集.