水热条件下含橄榄石大洋玄武岩的摩擦特性实验研究

张钰曼, 张雷, 何昌荣

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 西藏自治区地震局, 拉萨 850000

0 引言

大型俯冲带地震(MW>8.0)通常发生在板缘的逆冲断层上,与此类地震有关的地面震动和海啸给人类带来了巨大的灾难.自从Brace和Byerlee(1966)在高压实验中揭示了类似天然地震的黏滑失稳现象以来,地震过程作为一种不稳定的摩擦失稳现象被普遍接受(Scholz,1988).基于此认识,目前对于地震力学机制的探索,主要依赖于岩石摩擦实验方面的研究.

随着速率与状态依赖的岩石摩擦本构关系的建立(Dieterich, 1979; Ruina,1983),断层力学与地震学科方面取得了一些突破性的认识.其中一个最重要的进展是对不稳定错动成核(地震成核)根源的认识,即只要断层滑动过程中剪切强度的稳态值与滑动速率具有负的相关性(速度弱化),断层在加载过程中会出现局部加速成核现象,最终造成动态破裂扩展从而形成地震(Okubo and Dieterich, 1986; Dieterich, 1992; Rice and Tse, 1986).由此可以看出,在速率-状态摩擦理论框架下,断层的稳定和不稳定滑动具有了定量化的判据,而地震的成核过程也具有了明确的物理基础 (Okubo and Dieterich, 1986; Dieterich, 1992).

为了更好地理解俯冲带从浅到深各种复杂的断层滑动行为,最近的实验研究集中在调查大洋沉积物的摩擦特性(Saffer et al.,2012;Kurzawski et al.,2018;Rabinowitz et al.,2018;Boulton et al.,2019),比如退变质生成的层状硅酸盐矿物(Sawai et al.,2016;Fagereng and Ikari,2020;Okamoto et al.,2020)和含水的角闪石矿物(Liu and He,2020).目前的认识是,俯冲过程中的剪切应变会通过相对较弱的黏土矿物和层状硅酸盐矿物的剪切变形所进行.另一方面,对俯冲带断层的野外调查研究显示,当俯冲断层发生同震破裂时,作为海洋地壳的主要组成部分的玄武岩,其碎屑块体通常夹带在俯冲带断层的剪切带中,其尺寸从厘米到千米不等(Shelly et al.,2006;Fagereng et al.,2010).对于俯冲带野外露头的研究发现目前地震学所观测到的震颤和慢滑移现象可能与发现的构造混杂岩中的基质(其中含层状硅酸盐矿物的连通性网状结构)和块体(主要是基性玄武岩)的显著不同的摩擦力学行为有关 (Hayman and Lavier, 2014; Fagereng et al., 2014).大量的野外观察证据表明,构造混杂岩剪切带中的形变在能干和非能干材料之间进行分配,局部的剪切应变发育于能干块体内,弥散的剪切应变发育在弱基质中(Fagereng et al.,2010).Phillips等(2020)在结合野外观察和构造混杂岩剪切变形的数值模拟的研究中提到,俯冲带构造混杂岩中的玄武岩被弱矿物所包围,在板片俯冲过程中引起的应力集中会促使玄武岩发生不稳定的错动成核并最终产生破裂,但是其破裂传播过程被周围的弱矿物所抑制和中断,从而在宏观上表现为慢地震现象.与此同时,Vannucchi等(2022) 提出了一种与传统认识相反的变形模式来解释俯冲带深部慢滑移和震颤事件的成因.在他们的模型中,相对较弱的块体(低内聚力,高黏滞系数)夹杂在具有更高破裂强度的基质之中(高内聚力,低黏滞系数).在剪切变形过程中,稳态蠕滑的基质对块体的加载会导致脆性破裂的反复发生,从而产生慢地震现象.以上的研究发现为解释俯冲带深部的慢地震事件提供了不一样的视角,同时再次指出了探讨水热条件下的玄武岩的摩擦特性对于理解俯冲带复杂的滑动行为及机制的重要性.

然而,相较于对地壳花岗岩(Lockner et al., 1986; Blanpied et al., 1991, 1995)和基性辉长岩(何昌荣等,2004;He et al., 2006, 2007)等主要地壳岩石的系统实验研究,到目前为止,玄武岩作为俯冲洋壳的主要组成部分,其在不同的温度和压力范围条件下的摩擦特性,包括摩擦强度和摩擦滑动稳定性的实验研究尚不够充分.Ikari等(2020)对日本东南部的Nankai海沟出露的该区域基底岩石进行了室温条件下的摩擦实验研究.实验结果表明,蚀变玄武岩在室温条件下主要表现为速度强化的摩擦行为,从而可以抑制俯冲带断层浅部的自发地震成核.Okuda等(2013)开展了水热条件下的蚀变玄武岩摩擦实验研究,发现在100～450 ℃的温度区间内,蚀变玄武岩表现出速度弱化的不稳定摩擦滑动行为,并且其摩擦强度系数在550℃条件下可以减小到0.3.上述的实验表明在不同的温度和压力条件下蚀变玄武岩的摩擦特性会产生显著的改变.Zhang等(2017) 的最新实验研究发现在50 MPa的有效正压力和100 MPa流体压力条件下,玄武岩在300～600℃条件下可以表现出速度弱化的不稳定摩擦滑动行为以及周期性的黏滑事件.与蚀变玄武岩相比,玄武岩摩擦系数在100～600℃条件下为0.7～0.75,没有表现出显著的温度依赖性.在水热条件下蚀变玄武岩和玄武岩的摩擦特性随温度变化的显著差异表明断层泥矿物成分的改变会显著地影响其摩擦力学性质(Okuda et al., 2013; Zhang et al., 2017).

鉴于矿物成分对力学行为影响的重要性以及不同矿物的混杂可能引起的化学反应,本次实验研究选用了含有微量橄榄石矿物的玄武岩样品,与Zhang等(2017)所用样品有所不同,其细节如实验方法中所述.在实验条件方面,近年来地震学的观测研究发现俯冲板片深部慢滑移和震颤区域存在着地震波低速异常和较高的VP/VS比值,这暗示着有俯冲断层中高压孔隙流体的存在(Shelly et al., 2006; Audet et al., 2009),鉴于此,在本研究中我们施加了100 MPa的孔隙水压力.与此同时,与Zhang等(2017)的实验条件相比,本研究将有效正压力从50 MPa提高到150 MPa,从而探索在俯冲带断层深部的高压流体环境和高有效压力条件下玄武岩摩擦滑动行为的变化.

1 实验方法

1.1 实验样品

本次实验使用的玄武岩样品取自国际海洋发现计划(IODP)349航次的U1433B钻探孔(图1),取芯编号为66R1W,取样深度为海平面下805～812 m.经过XRD谱图分析和样品薄片的扫描电子显微镜的EDS谱图观察发现,该样品的主要矿物组成为：65%钙长石、27%单斜辉石、8%橄榄石和少量钛铁矿(图2).

1.2 装样流程和步骤

此次实验在气体介质高温高压三轴实验系统下完成(图3).上下围岩均为长40 mm,直径20 mm的辉长岩圆柱体,且上围岩中间钻单孔以供孔隙流体进入,中间切面呈35°角.玄武岩样品粉碎后过200目筛控制粒度,厚度控制在1 mm.

实验共设有六组,在有效正压力150 MPa和孔隙水压力100 MPa条件下,分别进行100～600 ℃下的摩擦实验.在实验的初始阶段,均设置加载速率为1 μm·s-1,待过弹性加载阶段后,调节加载速率在1 μm·s-1、0.2 μm·s-1和0.04 μm·s-1之间切换.实验后将铜管拆除,把样品注胶后切片做成薄片,以便后续进行其微观结构的观察分析.

1.3 速率和状态依赖的摩擦本构方程

为了在理论上深入分析本实验研究所获的力学数据以及其理论意义,我们将在数据分析中以速率与状态变量相关的摩擦定律为理论框架(Dieterich, 1978;Ruina, 1983).在此框架下,广义上的摩擦系数μ=τ/σ可描述为速率v和状态θ的函数：

μ=μ*+aln(v/v*)+bln(θ/θ*),

(1)

(2)

μss=μ*+(a-b)ln(v/v*) ,

(3)

该稳态表达式可以判断断层-弹性围岩系统的摩擦滑动稳定性：当(a-b)>0时,摩擦系数与滑动速率正相关,称之为速度强化;而当 (a-b)<0时,称之为速度弱化.速度弱化是岩石在摩擦滑动过程中发生自发性不稳定滑动的必要条件(Ruina, 1983), 也是缓慢构造加载过程中地震在断层面上自发成核的必要条件(Dieterich, 1992; Rice and Tse, 1986).

图1 中国南海地区水位等深图(Zhang et al., 2017)实心圆点为IODP远征349的钻探地点,其中实心红色圆点为本次样品钻探孔位置U1433.

图2 玄武岩样品的EDS图谱(主要有钙长石、单斜辉石、橄榄石和少量钛铁矿)

图3 三轴实验样品组装和加温装置

速率和状态摩擦本构关系对地震的孕育过程,成核过程和同震破裂过程(Dieterich, 1994; Scholz, 2002)乃至震后的整个动力学过程研究都有重要的理论支撑作用(Rice, 1993; Ben-Zion and Rice, 1997; Lapusta and Rice, 2003; Lapusta and Liu, 2009).

2 实验结果

2.1 力学数据

100～300 ℃温度条件下的摩擦系数与剪切位移关系如图4所示,三组实验的总剪切位移都超过3 mm.样品在100～200 ℃条件下主要表现为稳定的速度强化的摩擦滑动行为,随着剪切位移的增加,后期速率切换时则由速度强化转变为微弱的速度弱化(图4,7);当温度升高到300 ℃时,样品在0.2～0.04 μm·s-1的速率区间内出现周期性的震荡滑动现象,这也是典型的速度弱化摩擦滑动行为的表现.

随着温度的继续升高,速度依赖性从400 ℃起表现出随位移的演化趋势,由初始的速度弱化转变为速度强化,并且伴随着显著的滑移弱化行为,即摩擦强度随着位移的增加而减小.在实验过程中,为了观察滑移弱化的趋势是否能达到稳态,加载速率切换至0.04 μm·s-1后就保持不变,直至实验结束,但是摩擦强度始终未达到稳态值(图5).在400 ℃的补充实验中(实验曲线见图6),当剪切速率由0.04 μm·s-1切换到0.2 μm·s-1时,滑移弱化现象消失.当由0.2 μm·s-1切换到1.0 μm·s-1s时实验曲线在该速率下表现出相反的滑移强化现象.从0.2～1.0 μm·s-1的速率切换台阶中,断层泥始终表现出显著的速度强化现象,其(a-b)值约为0.0236(图7).在500～600 ℃下,初始阶段的速率切换中,玄武岩均表现出速度弱化现象(图5,图7),而后随着位移增加,在0.04 μm·s-1的剪切速率下出现滑移弱化现象;在600 ℃下时,玄武岩在初始的0.2 μm·s-1的速率阶跃下出现了长周期的慢滑,而当剪切速率切换至0.04 μm·s-1时长周期的慢滑现象逐渐消失,表现出持续的滑移弱化.

图4 100～300 ℃下的摩擦强度系数(μ)和剪切位移的实验曲线

图6 300～400 ℃条件下的不稳定滑动的数值拟合结果

图7 速率依赖性参数(a-b)随温度的变化趋势图中红色符号表示该(a-b)值为在实验最后一个台阶处计算得到.青色矩形区数据表示其中的(a-b)值是通过数值拟合得到.

图8 摩擦强度系数随温度的变化趋势

本次实验在剪切位移分别为1.7 mm和2.3 mm处读取了0.2 μm·s-1速率条件下的摩擦强度数值(图8).结果表明,高温时(>400 ℃)的摩擦强度前后差值明显高于低温条件下的前后差值.对比之前Zhang等(2017)的玄武岩实验结果来看,1.7 mm处的摩擦强度均低于之前的结果.而最大的不同是本次实验的摩擦强度随着温度升高出现了长距离的滑移弱化现象,并且这种滑移弱化在整个实验过程中一直未达到稳态值.

2.2 变形样品的微观结构分析

为了对上述滑移弱化现象的出现做更细致的研究,我们对实验后的样品通过切片进行了微观结构观察.大范围电镜扫描图表明,低温和高温的显微构造明显不同(图9).100～200 ℃下整体呈均匀分布的Riedel型剪切及较明显的边界剪切,剪切带中的颗粒明显变细,以脆性的破裂变形为主(图10a);300 ℃下的局部Riedel型剪切非常强烈,剪切带附近同样呈现强烈的细粒化现象.结合实验力学数据,我们可以发现100～200 ℃条件下较均匀的Riedel型剪切带的发育与其速度强化的力学行为相对应,而在300 ℃条件下的强烈局部化剪切带的发育与速度弱化行为相对应.

图9 100～600 ℃变形样品的微观结构图(其中白色实线为边界剪切区域,暗黄色粗实线为贯通的R剪切,都可看到局部剪切后的细粒化现象.红色圆圈对应图10放大图像)

当温度升高到400 ℃,这种局部的剪切变形就不再明显,总体呈现压实状态,断层泥厚度减小,大范围颗粒减小,有个别大颗粒镶嵌其中,但持续放大后发现,局部有水岩反应产物;在500～600 ℃下,断层泥层中细粒化结构较发育的区域分别位于其上下边界附近,整体来看没有明显的局部剪切特征.在600 ℃条件下,在左旋剪切变形过程中,破碎颗粒出现旋转和拉伸现象,其整体形态类似糜棱岩的S-C组构. 通过局部显微照片可以发现水岩反应现象(图10b),并且随着温度的升高,析出的白色颗粒增大,数量增多,分布区域也相应增大增多.总体来看,随着温度升高到400～600 ℃,断层泥由300 ℃条件下的强烈的脆性局部剪切变形转变为断层泥整体的半脆性的剪切变形,并且断层泥的孔隙度随着温度升高而降低.其中,断层泥的剪切变形由显著的局部剪切向弥散型剪切的转变与实验中玄武岩由速度弱化向速度强化的转变相对应.

从实验数据来看,400 ℃起开始出现滑移弱化现象,根据前人研究经验(Phillips et al., 2020),我们在这里考察这种摩擦性质与生成的弱矿物是否具有因果关系.首先为了排除原岩中存在弱矿物,除了前述的矿物成分分析,我们也对原岩切片进行了观察(图11),可以看到在原岩中存在少量形态比较特殊的矿物区块,观察显示除了辉石和斜长石外,还有显示为白色块状以及零星粒状的钛铁矿,属于原岩存在的一种结构形态,并无特殊矿物存在,且类似区域分布较少,因此可基本排除原岩存在弱矿物的可能性.

为了验证弱矿物的存在,我们对400 ℃、500 ℃和600 ℃的样品进行更加细致的局部化观察,重点对形态区别于周围的地方进行了拉曼光谱分析(图12,13),谱值见图14.以600 ℃的结果为例分析结果如下(图12).

图10 (a) 100 ℃放大图,主要为细粒化变形; (b) 600℃放大图,主要为退变质反应(以白色颗粒为标志)

图11 原岩整体切面及局部放大显微结构图

图12 600 ℃下变形样品进行的拉曼光谱分析区域a、b、c和d

图13 图12中b区域光谱位置图(a) 鲕绿泥石; (b) 橄榄石; (c) 含铁锂蓝闪石; (d) 辉石.

图14 图13a处的拉曼光谱分析图,其中在552 cm-1处发现斜绿泥石-鲕绿泥石固溶体系列的代表性峰值(Arbiol et al., 2021)

以图12中b区域为例,发现其内部可能有斜绿泥石-鲕绿泥石固溶体生成(图13a)(图14中波数为552 cm-1的成分),推测是由周围辉石蚀变生成,但由于颗粒太小,在a、c和d区域都没有发现,所以并不能有决定性结论,但在这些疑似有生成物的区域内,都有橄榄石(图13b)和含铁锂蓝闪石(图13c)存在,或许橄榄石对新矿物生成起到催化作用.

3 讨论

由上述实验结果可见,在150 MPa有效正压力条件下,该玄武岩样品的摩擦系数和速度依赖性参数(a-b)值随温度的变化趋势与Zhang等(2017)的结果有着显著差异(图7,8).在100～300 ℃温度范围内,玄武岩样品的速度依赖性参数(a-b)值随温度的变化与先前的实验结果比较接近.当温度升高到400～600 ℃时,玄武岩的(a-b)值在初始阶段表现出微弱的速度弱化的摩擦力学行为,并且伴随着长周期的振荡.但是随着位移的增加,本次实验结果表现出的显著的(摩擦强度的)位移弱化和显著的速度强化的力学特征,与Zhang等(2017)中显著的速度弱化力学结果和黏滑现象产生了强烈对比.与Zhang等(2017)的实验相比,在本次研究中实验条件的不同主要为：有效正压力由50 MPa增加到150 MPa;本次玄武岩样品中含有橄榄石矿物.基于以上两点不同,我们对影响玄武岩摩擦力学性质的因素进行讨论.通过显微构造分析我们发现,断层泥中局部会出现由水岩反应所生成的弱的层状硅酸盐矿物鲕绿泥石.前人对于含有弱层状硅酸盐矿物且初始均匀混合的断层泥的实验研究结果发现,当弱矿物的体积含量达到20%～30%时,才会形成连续的贯通的局部剪切构造,从而对其摩擦特性包括摩擦强度和速度依赖性产生显著的影响(Tembe et al., 2009; Zhang and He, 2013).然而,当弱矿物在局部剪切带中富集并形成贯通的剪切组构时,微量的弱矿物(<10%)也会显著的弱化断层泥的剪切强度(Collettini et al., 2009; Niemeijer et al., 2010; Lu and He, 2018).在显微构造分析中,我们通过拉曼光谱分析识别出了断层泥在剪切变形过程中通过水岩反应生成的弱矿物鲕绿泥石.但是其含量很低,并且在断层泥中并没有形成贯通的剪切带,因此我们认为新生成的弱矿物不会显著的影响玄武岩的摩擦力学性质.

显微构造观察也发现随着温度的升高,断层泥的剪切变形逐渐由局部的剪切变形向均匀的弥散型剪切变形转变,与此同时伴随着孔隙度的显著降低,因此我们推断剪切强度的位移弱化现象与塑性变形过程有关,比如流体参与下的颗粒间的压溶过程.与Zhang等(2017)的结果相比,由于在本实验中有效正压力从50 MPa增加到约150 MPa,有效正压力的增加会显著增大脆性摩擦强度,从而会促进颗粒间压溶蠕变的发生(Yasuhara et al., 2003).当温度升高到400～600 ℃时,粒间的压溶过程会对断层泥整体的剪切变形产生显著影响,从而控制了玄武岩的摩擦力学特性,比如速率切换时表现出的塑性变形特征以及显著的速度强化的摩擦行为.

在高温条件下(400～600 ℃),断层泥的剪切强度同时表现出随位移的弱化现象.在此,我们结合压溶变形过程和有效正压力定律以及断层泥粒径随剪切位移的演化来给出可能的机制.在含水条件下,有效正压力定律可以表示为

σeff=σn-αPf,

(4)

其中,α表示孔隙流体压力Pf的权重系数,其通常与颗粒之间接触面积有关.一般情况下,α=1,此时有效正压力可以表示为σeff=σn-Pf.与此同时,前人的研究指出随着温度和压力的升高,当颗粒间的屈服强度逐渐降低并接近施加的正压力时,α值会逐渐减小;当接近脆塑性转换带深度时,α值会趋近于零(Hirth and Beeler, 2015;Beeler et al., 2016).在本研究中孔隙水压保持恒定,因此我们关注α的变化对于有效正压力的影响.随着温度的升高,在T>400 ℃条件下,玄武岩剪切变形过程中的粒间压溶变形过程显著的控制了断层泥的摩擦力学性质.随着温度的升高,粒间接触处发生塑性变形的屈服强度降低,α值逐渐减小.根据有效正压力定律,局部的有效正压力σeff会随着α值减小而增大,从而会进一步增大脆性摩擦强度.与此同时,随着剪切位移的增大,颗粒粒径在磨蚀作用下(包括脆性破裂和亚临界裂纹扩展)会不断减小,由于压溶蠕变速率表现出显著的对颗粒粒径的敏感性(Niemeijer et al., 2009),从而会显著地增大压溶蠕变速率.上述两个过程包括有效正压力增加和压溶蠕变速率的增大都会促使剪切变形更多地通过粒间压溶过程来进行,进而在整体力学曲线上表现出剪切强度随位移的持续弱化现象.

4 结论

在本次研究中,我们选取IODP349航次含橄榄石玄武岩钻探样品开展了水热条件下的摩擦实验研究,实验温度范围为100～600 ℃,有效正压力和孔隙水压分别为150 MPa和100 MPa,以此探讨了在俯冲带深部水热条件下玄武岩的摩擦力学特性.

实验中含橄榄石玄武岩的摩擦强度系数在100～300 ℃条件下约为0.65～0.67.随着温度升高到400～600 ℃,玄武岩断层泥的摩擦系数表现出显著的位移弱化现象.在3 mm的剪切位移范围内,摩擦系数的变化范围为0.7～0.55.在摩擦滑动稳定性方面玄武岩样品在300～400 ℃的温度条件下表现出不稳定的周期性震荡(慢黏滑事件),在400 ℃条件下随着剪切位移的进行,震荡现象消失,在速率切换向上切换时表现出显著的速度强化摩擦滑动行为.通过微观剪切变形观察,我们发现随着温度的升高,断层泥的剪切构造表现出由局部化剪切向整体弥散性剪切变形的转变,并且伴随着孔隙度的显著降低,因此综合力学数据和显微分析我们认为剪切强度的位移弱化现象与流体参与下的颗粒间的压溶过程有关.

致谢感谢高级工程师姚文明对于实验操作的指导和设备的维护,以及高级工程师马玺对于变形样品剪切构造分析的技术支持和讨论.