引用本文
刘洋, 何昌荣. 龙门山断层带浅钻花岗岩中断层泥的摩擦本构参数[J]. 地震地质, 2017,39(5): 917-933.
LIU Yang, HE Chang-rong. FRICTIONAL PROPERTIES OF A NATURAL FAULT GOUGE FROM DRILLED CORES IN THE LONGMENSHAN FAULT ZONE CUTTING GRANITIC ROCK[J]. SEISMOLOGY AND GEOLOGY, 2017,39(5): 917-933.  
DOI:10.3969/j.issn.0253-4967.2017.05.004
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龙门山断层带浅钻花岗岩中断层泥的摩擦本构参数
刘洋, 何昌荣
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

〔作者简介〕 刘洋, 男, 1991年出生, 2014年于北京大学获地球化学学士学位, 中国地震局地质研究所在读硕士研究生, 主要从事高温高压岩石力学研究, E-mail:liuyang910514@qq.com。

收稿日期: 2017-04-25
基金项目: 国家自然科学基金(41274186)、 地震动力学国家重点实验室自主项目(LED2012A01)与汶川地震断裂带科学钻探(WFSD-09)共同资助
摘要

文中针对龙门山断层浅层钻探获取的花岗岩体中的断层泥进行了摩擦滑动实验研究。这种断层泥与其他天然断层泥相比, 绿泥石的质量分数很高, 约为47%。为研究这种黄绿色断层泥在断层浅部低正应力条件下的摩擦滑动性质, 选取的实验条件: 围压130MPa, 采用围压恒定控制, 温度25~150℃, 孔隙水压50MPa。通过对比其他天然断层泥的实验结果发现, 该断层泥强度较高, 稳态摩擦系数在0.47~0.51之间。通过与已有的黏土总质量分数相当但矿物不同的天然断层泥的摩擦系数数据对比, 表明不同的非云母层状硅酸盐矿物的摩擦强度排序为: 绿泥石>伊利石>蒙皂石。文中的实验条件对应龙门山地区温度不超过150℃, 深度不超过8km的浅层地壳环境, 实验结果表明该天然断层泥在整个温度范围内均呈速度强化特征, 在摩擦滑动中处于稳定状态。但是断层泥的渗透率很低(<10-19m2), 在高速摩擦滑动时可能会发生热压作用。基于此可得出结论: 龙门山断裂带的切过已有的深度不超过8km的碎屑原岩的断层可能产生稳定黏滞滑动的阻力, 不会自发地震成核, 而在后期高速摩擦滑动(>0.05m/s)时可能会发生同震弱化, 形成一定的灾害叠加。

关键词: 富含绿泥石断层泥; 速度强化; 稳定滑动; 龙门山断裂带浅部
中图分类号:P313 文献标志码:A 文章编号:0253-4967(2017)05-0917-17
FRICTIONAL PROPERTIES OF A NATURAL FAULT GOUGE FROM DRILLED CORES IN THE LONGMENSHAN FAULT ZONE CUTTING GRANITIC ROCK
LIU Yang, HE Chang-rong
State Key Laboratory of Earthquake Dynamics, Institute of Geology, China Earthquake Administration, Beijing 100029, China
Abstract

In this paper, we report friction experiments performed on natural fault gouge samples embedded in granitic rock from drilled core by a project entitled “the Longmenshan Fault Shallow Drilling(LMFD)”. Compared with other natural fault gouge, this yellow-greenish gouge(YGG)is dominantly chlorite-rich. The maximum content of chlorite reaches 47%in the YGG. To understand the frictional properties of the YGG sample, experiments were performed at constant confining pressure of 130MPa, with constant pore pressure of 50MPa and at different temperatures from 25℃ to 150℃. The experiments aim to address the frictional behavior of the YGG under shallow, upper crustal pressure, and temperature conditions. Compared with previous studies of natural gouge, our results show that the YGG is stronger and shows a steady state friction coefficient of 0.47~0.51. Comparison with previous studies of natural gouge with similar content of clay minerals indicates a sequence of strengths of different clay minerals: chlorite>illite>smectite. At temperatures up to 150℃ hence depths up to ~8km in the Longmenshan region, the YGG shows stable velocity-strengthening behavior at shallow crustal conditions. Combined with the fact of strong direct velocity effect, i.e., ( a-b) /a>0 .5, faults cutting the present clastic lithology up to~8km depth in the Longmenshan fault zone(LFZ)are likely to offer stable sliding resistance, damping co-seismic rupture propagating from below at not-too-high slip rates. However, as the fault gouge generally has low permeability, co-seismic weakening through thermal pressurization may occur at high slip rates(>0.05m/s), leading to additional hazards.

Keyword: chlorite-rich fault gouge; velocity strengthening; stable sliding; shallow portion of Longmenshan fault zone
0 引言

龙门山断层带(图1)沿NE向绵延约400km, 跨越四川省的汶川、 北川和青川县。它于2008年5月12日突然错动, 发生了灾难性的汶川大地震(MW7.9)。震后, 随即开展了对龙门山断层带地表破裂露头的地质调查(Liu-Zeng et al., 2009; Xu et al., 2009)。与此同时, 也启动了一些综合性的研究项目, 其中包括地表破裂带断层泥的调查(地震动力学国家重点实验室项目)、 大型断层科学钻探(WFSD)及浅层钻探项目(LMFD)(Duan et al., 2016)。本研究相关的研究内容是通过实验来了解该地区主要岩石类型的物理和力学性质, 以此为基础对汶川地震相关的破裂现象加以理解, 同时提供数值模型所需的力学参数。

图 1 研究区域位置与龙门山断层带区域地质图(据Chen et al., 2013)
沿YBF的浅钻(LMFD-1-5)和汶川地震断层科学钻探(WFSD)的地点都标记在图中; 汶川地震同震地表破裂带用粗黑线表示; MWF 茂县-汶川断层, YBF 映秀-北川断层, GAF 灌县-安县断层; 1 龙池, 2 深溪沟, 3 金河, 4 肖家桥, 5 赵家沟Fig. 1 Location of the study area and regional geological map of the Longmenshan fault zone(after Chen et al., 2013).

在中国地震局地质研究所开展的龙门山断层浅钻(LMFD)工程中, 采集了龙门山破裂带地表破裂的一些天然断层泥样品。这些样品被送往中国地震局地质研究所构造物理实验室来进行岩石力学性质的详细研究。理解天然断层泥的摩擦本构关系对于理解天然地震的形成、 地壳断层的强度和活动断层的力学性质具有重要意义。断层泥是控制断层运动的物质因素, 与温度、 压力以及化学条件一起构成影响断层活动的几个重要因素。断层泥的力学性质首先是其摩擦强度, 通常用摩擦系数(剪应力与有效正应力之比)来表述。而摩擦滑动的稳定性则对断层活动的动态形式以及相关地震活动有着至关重要的意义。关于龙门山断层带中天然断层泥的摩擦滑动已有一些研究, 主要是基于地表出露的断层泥样品(Verberne et al., 2010; Zhang et al., 2013), 基本上都是富含黏土矿物的断层泥或者碳酸盐类。这些实验研究很好地展示了黏土成分(伊利石和蒙皂石)对断层强度的控制作用, 而且发现了方解石以及有机质对滑动稳定性的控制作用。但是, 这些结果未涉及到坚硬的彭灌杂岩里花岗岩中的断层泥, 因此我们对浅层断层泥的研究还不够全面。龙门山断裂带浅层钻探项目(LMFD)很好地弥补了在露头采样不够系统的缺点, 而且我们在此项目中钻取了花岗岩中的断层泥, 实属不可多得的样品。

地震通常在发震断层的深部成核, 然后向整个断层扩展(Tse et al., 1986; Lapusta et al., 2003)。深部的断层岩石作为初始错动过程中的主要介质, 地震的成核过程必然受控于其摩擦滑动的力学性质, 而速率与状态摩擦本构理论表明(Dieterich, 1979; Ruina, 1983), 只有速度弱化的情况才可能产生地震的成核(Dieterich, 1986; Tse et al., 1986; Dieterich, 1992)。而当地震破裂扩展到断层浅部时, 其扩展的过程则会受到浅层断层岩石力学性质的影响, 尤其是岩石摩擦滑动力学性质, 即在受驱动条件下的错动性质至关重要(Boatwright et al., 1996)。

汶川地震的动态过程的波形反演表明, 地震的初始错动开始于13~16km深处, 通过破裂扩展逐步贯通于全断层并达到地表(Wang et al., 2009; Zhang et al., 2012)。在地表已采集的断层露头中的断层泥以富含伊利石/蒙皂石混层、 绿泥石/蒙皂石混层、 伊利石或者碳酸盐的断层泥为主, 而其围岩通常是泥岩、 页岩、 砂岩或者碳酸岩(Chen et al., 2013; Zhang et al., 2013)。这些断层泥的研究结果表明, 断层错动阻力主要受黏土含量的控制, 而富含黏土的断层泥均表现为速度强化的稳定滑动性质, 不会在断层扩展过程中使能量释放加剧, 而是可能吸收能量的稳定因素(Verberne et al., 2010; Zhang et al., 2013)。而富含碳酸盐岩的断层泥却有所不同, 因其在较深的位置具有速度弱化的不稳定性质, 因此在地震破裂扩展中可能加剧其扩展速度并扩大地表的灾害(Verberne et al., 2010)。本文目的是通过实验研究讨论来自龙门山断裂带的映秀-北川断层(YBF)的花岗岩中产出的天然断层泥的岩石力学性质, 聚焦其摩擦强度以及其在错动过程中的稳定性, 以便更全面地了解龙山断裂带浅部的力学性质, 同时为地震模拟的数值模型提供不可缺少的力学参数。在此项研究中, 特别注意对以下问题的解读:

(1)龙门山断层带区域的典型花岗岩的摩擦强度对地震破裂和断层活动有什么影响?即相比于原岩, 其强度的弱化程度如何?与原岩在深部高温条件下相比, 浅部断层泥的摩擦系数有多大差异?

(2)相比于下面的断层岩, 浅部花岗岩中的断层泥在地震滑动中扮演什么角色?即它对来自下部的同震破裂扩展产生阻力, 还是表现出不稳定滑动并进一步产生应力降, 从而加剧地表的灾害?

回答这些问题不仅对地震过程的机理有重要意义, 而且对预测未来地震的地表破裂轨迹、 对未来地震的灾害评估也有重要意义。我们将以速率和状态依赖性摩擦理论框架对实验结果进行深度分析, 以讨论摩擦滑动的稳定性、 相关的变形机制, 并讨论新的结果对龙门山断裂带上地震过程的启示。

1 地质背景与样品获取

2008年汶川MW7.9地震发生在龙门山断层带上(图1), 造成了沿着映秀-北川断层(YBF)的长240km的地表主破碎带和附加的沿着灌县-安县断层(GAF)的长72km的破碎带(Xu et al., 2009; Fu et al., 2011)。震后, 为了对断层带的物理-化学过程进行系统性研究, 中国地震局地质研究所开展了龙门山断层浅钻(LMFD)工程。本工程共实施了5个孔的钻探, 其中1个在金河(LMFD-3)。

1.1 金河露头

金河露头(31° 27'41″N, 103° 59'56″E)在映秀-北川断层(YBF)中段(图1)。2008年汶川地震中错动的映秀-北川断层切过花岗质岩石(Duan et al., 2016), 而在金河露头它的上盘在新元古代(859~699Ma)花岗质彭灌杂岩(马永旺等, 1996; 张沛等, 2008)中, 下盘由古生代碳酸盐岩相关地层组成。该断层在该露头方位角为40° , 倾角70° ~87° (Duan et al., 2016)。

在金河露头, 断层钻探项目实施了2个钻孔的钻探, 分别为A孔和B孔(图2)。B孔总深度为54m, 在断层面西边15m, 正好在花岗岩上方(图2)。

图 2 金河露头和钻孔剖面图(据Duan et al., 2016)
a 金河露头照片, 断层核部用黄色虚线分界; b 金河露头岩性解释素描图, 以黄绿色断层泥为零点, 它被认为是汶川地震的同震滑动面; c 钻孔深部结构和岩性剖面图; d B孔局部放大素描图Fig. 2 Synthetic profiles of the fault zone at the Golden River revealed by outcrop and drilling cores(after Duan et al., 2016).

在露头和B孔中都发现了3种不同颜色的断层泥: 黄绿色断层泥YGG、 灰绿色断层泥GGG和黑色断层泥BG(图3)。

图3 B孔岩性剖面图 (据Duan et al., 2016)Fig. 3 Profiles of the lithology of hole-B(after Duan et al., 2016).

在B孔中, 黄绿色断层泥(YGG)约有10cm厚, 从断层结构上判断为汶川地震同震滑动面(Duan et al., 2016), 因此被选为本研究的实验样品。

1.2 实验方法

该实验在气体介质高温高压三轴实验系统下完成。该系统轴压采用液压伺服控制, 载荷最大可达1, 000kN; 围压采用氩气加压, 可自动控制围压或正应力, 最大可加至410MPa; 孔隙水压自动控制, 最大可达200MPa; 温度由YAMATAKE DCP30 型控温仪控制, 通过可控硅调节加温炉的功率, 最高可达650℃。为了消除高压气体对流引起的轴向温度不均匀, 本实验采用双段炉体分别加温的方式以保证上下温度对称分布, 实验中的温度为热电偶测量的围岩样品顶部的温度, 需要根据炉体温度标定结果把每个实验的温度校正成围岩样品中心处的温度值。

实验样品的装样方法如图4所示, 将加有断层泥的围岩块、 碳化钨、 刚玉依次装入退火的铜管内, 两端用O 形圈密封, 装入加热炉内。在铜管和加热炉内壁之间孔隙处填入氮化硼粉末, 来防止热对流, 保持样品温度均匀。关于装样的具体细节在已发表的文章中有详细介绍(He et al., 2007), 此处不再详述。此次实验条件围压约为130MPa, 采用围压恒定控制, 孔隙水压约为50MPa, 围压和孔隙水压分别对应龙门山断层带约5km深处的静岩压力(岩石密度约为2, 450kg/m3)和静水压力(水密度约为1, 000kg/m3)。基于龙门山地区的热流值55.3mW/m2(Wang, 1996), 估算该地区一维地热梯度为18.5℃/km。因此, 把实验温度设为25~150℃, 对应龙门山断层带不超过8km深度范围。摩擦滑动速度在1. 22μ m/s、 0.244μ m/s和0.048, 8μ m/s之间切换以获取对速度变化响应的数据。

图4 三轴变形实验装样素描图Fig. 4 Schematic diagram of the sample assembly used in triaxial deformation experiments.

1.3 初始样品

本研究实验用的样品是黄绿色断层泥(YGG)。Duan等(2016)已经对该样品进行了X射线衍射(XRD)分析以定量确定其矿物组成。YGG中约有5%石英、 30%长石、 15%蒙皂石、 3%伊利石、 47%绿泥石。由于彭灌杂岩的成分比较复杂, 这种断层泥中绿泥石的质量分数很高, 所以它并不是典型的花岗岩蜕变产物。

1.4 实验数据处理

在三轴摩擦实验中所测得的轴向应力, 是通过轴向压力传感器得到的值与样品表面积的比值。在本摩擦滑动实验中, 摩擦面的实际接触面积会随着轴向位移的增加而减小, 因此需要对测得的轴向应力进行面积校正。此外, 由于断层泥样品在剪切摩擦时, 铜管也发生剪切变形, 产生一定的阻力, 使得测得的剪切力大于实际样品的剪切力, 因此需要消除铜管的剪切力的影响。在之前的实验研究中, 具体介绍了接触面积校正和铜管剪应力校正的方法, 详见参考文献(He et al., 2006; 兰彩云等, 2010)。

经过面积校正、 铜管强度校正、 有效正应力校正这3个数据处理之后, 根据剪应力与有效正应力的比值计算出对应的摩擦系数μ 随位移的变化曲线。

2 实验结果
2.1 变形曲线的基本特征

对黄绿色断层泥进行了1组实验, 其中围压为130MPa恒定控制, 孔隙水压为50MPa, 实验温度为25℃、 50℃、 100℃和150℃。如图5所示, 本实验所获得的黄绿色断层泥的摩擦滑动都是稳定的, 而且从对速率变化的响应看, 均表现为速度强化特征。

图5 围压为130MPa 时黄绿色断层泥的摩擦系数-位移曲线图Fig. 5 Friction coefficient of YGG plotted as functions of displacement for a confining pressure of 130MPa.

表1 黄绿色断层泥(YGG)的摩擦滑动参数汇总 Table1 Summary data of the frictional experiments on YGG

图 6 不同天然断层泥的稳态摩擦系数随温度的变化Fig. 6 Friction coefficient of different natural fault gouge plotted against temperature.

图7 不同天然断层泥的摩擦稳定性参数a-b随温度的变化Fig. 7 Rate dependence a-b of different natural fault gouges plotted against temperature.

2.2 摩擦强度随温度的变化

数据校正、 温度校正后, 黄绿色断层泥在轴向非弹性形变位移为1.0mm处的摩擦系数值列于表1。

如图6所示, 本实验所获得的黄绿色断层泥(YGG)的摩擦强度随温度的变化并不明显, 摩擦系数只是在150℃略有上升。

2.3 速度依赖性摩擦本构参数

为了全面描述摩擦滑动的力学行为, 本研究以包含正应力变化影响的速率与状态依赖性摩擦本构关系为理论框架(Linker et al., 1992), 以此对实验数据进行了以力学参数拟合为目标的深度分析。我们的数据均表现为稳定滑动, 因此使用稳定滑动时的数据拟合方法, 其具体数值方法详见已发表论文(He et al., 2013)。数据拟合结果的细节详见附录A。

首先, 对于稳定滑动, 稳态的速度依赖性是可以直接测量的。由于摩擦系数随位移的趋势性变化与速度依赖性无关, 将摩擦系数随位移的变化去除后根据附录中的式(4)进行有限差分计算得到a-b值。我们发现YGG的a-b值随温度的变化并无明显趋势, 也没有表现出是温度的函数(图7)。

前人的理论分析表明, 摩擦本构参数中的a-b值, 特征滑动距离dc值, 以及有效正应力σ Neff与系统在稳滑和失稳滑动之间的临界刚度kcr在正应力恒定时具有如下关系(Ruina, 1983):

kcr=σNeff(b-a)/dc1

而当系统刚度小于临界刚度时, 系统就会失稳, 发生不稳定滑动(Ruina, 1983)。由于实验数据均表现为速度强化, 即b-a为负值, 不会出现临界刚度大于系统刚度的情况, 因此不可能产生黏滑现象。

2.4 直接响应参数和愈合效应参数的变化

对速率直接响应的强弱是由式(1)中的a值来表征的, 而愈合效应(演化效应)则是由b值来表征的, 愈合效应的过渡过程的特征滑动距离即Dc值(Ruina, 1983; Linker et al., 1992)。通过数据拟合, 在将第二速度阶变之后的所有速率阶变响应都进行了基于慢度本构关系的数据拟合, 得到了一系列的本构参数(表1, 2)。结果表明, 直接响应和愈合效应随温度变化的趋势一致, 均为先下降至100℃时的最小值, 然后在150℃有较大幅度的上升(图9)。

表2 断层泥实验获得的主要参数 Table2 List of experiments performed on fault gouge and key parameter values obtained

通过数值拟合得到的黄绿色断层泥(YGG)在不同温度条件下的Dc值在7~18μ m之间, 其随温度变化的趋势与a或b相反, 先上升至100℃时的最大值, 然后在150℃有较大幅度的下降(图8)。

图8 黄绿色断层泥的特征滑动距离随温度的变化Fig. 8 Characteristic slip distance of YGG plotted against temperature.

图9 黄绿色断层泥的参数a和b值随温度的变化Fig. 9 The direct effect(a value)and the evolution effect(b value)of the YGG plotted against temperature.

3 讨论
3.1 与相关研究结果的对比

为了在理论上了解黏土类层状硅酸盐与断层泥强度的关系, 将此次黄绿色断层泥的实验结果与已有的天然断层泥的实验结果(Verberne et al., 2010; Zhang et al., 2013)进行了对比。我们选择了2种非云母层状硅酸盐矿物总质量分数与本研究的黄绿色断层泥(YGG)类似的天然断层泥样品ZJG(Zhang et al., 2013)和WF-09-06-10(Verberne et al., 2010)来进行比较, 同时还比较了1种同样也是绿泥石质量分数较高的断层岩样品M01L(Zhang et al., 2016)。各样品的矿物成分列于表3, 其中YGG的成分数据来自Duan等(2016)。由表3可知, 前3种天然断层泥的黏土总矿物质量分数相近, 在60%~65%之间。YGG中的非云母层状硅酸盐矿物以绿泥石为主; ZJG中的黏土矿物以伊利石/蒙皂石混层为主; WF-09-06-10中的黏土矿物以伊利石为主。M01L是富含绿泥石的样品, 基本不含其他黏土矿物, 其非云母层状硅酸盐矿物总质量分数为36%, 明显低于前3种断层泥。这4种样品的稳态摩擦系数表现为: M01L> YGG> WF-09-06-10> ZJG(图6)。这些结果表明, 黏土矿物使得断层的强度比原岩有所降低, 而降低的程度除了黏土矿物总质量分数的影响以外, 还有不同黏土矿物的影响。对比很清楚地表明, 这些非云母层状硅酸盐矿物的强度顺序为绿泥石> 伊利石> 蒙皂石。前3种天然断层泥(YGG、 ZJG和WF-09-06-10)的a-b值大小与它们的强度顺序正好相反, 可能显示了不同的非云母层状硅酸盐矿物对速度依赖性的控制作用(图7)。

表3 由X射线衍射确定的不同天然断层泥的矿物比例 Table3 Mineralogical compositions of different natural fault gouge determined by XRD

以往的实验研究表明, 浅部采集到的天然断层泥富含黏土矿物, 在浅层温度条件下, 大多数显示速度强化行为(Numelin et al., 2007; Mizoguchi et al., 2008; Smith et al., 2010; Verberne et al., 2010; Zhang et al., 2013, 2016), 即a-b> 0。目前只有Mizoguchi等(2008)的1个天然断层泥样品(1194BGZ)例外。由于Mizoguchi等(2008)并未给出对其实验样品的黏土矿物质量分数的定量分析, 所以并不清楚导致该样品呈现速度弱化行为的控制因素。本研究进一步确认了在花岗质岩石中的断层泥在陆壳上层8km范围内, a-b仍是正值。即根据目前为止的确切实验数据, 富含黏土矿物的断层泥在地壳最上层原位状态下, 均具有稳定的力学行为。

然而, 即使是速度强化行为, 也有触发式非稳定滑动的可能。即当下部的断层开始错动并向上扩展时, 速度强化的浅部断层也有可能在被快速驱动的情况下产生应力降(Boatwright et al., 1996), 进行快速弹性能释放, 从而加重地震灾害。尽管还不够系统, 但Boatwright等(1996)分析的结果表明, 当状态演化方程为滑动本构(附录式(6b))时, (a-b)/a< 0.4的条件下就会出现触发式应力降和不稳定滑动。从详细分析的结果看, (a-b)/a均> 0.5, 因此以Boatwright 等(1996)的分析为粗略判别依据, 本研究的花岗岩中断层泥的滑动属于黏滞滑动类型, 即只吸收能量, 而不产生突发式的应力降。

3.2 对汶川地震和龙门山断裂带的可能影响

断层系统的行为受控于断层岩在摩擦滑动中的速度依赖性。根据Wang(1996)的地热流数据和一维稳态热传导模型, 考虑5~8km的深度范围, 推测浅部地温梯度为18.5℃/km, 则浅地壳环境温度为100~150℃。本实验中测试的富含非云母层状硅酸盐矿物的天然断层泥在这样的浅地壳环境下显示了速度强化行为。如上所述, 得出本实验的天然断层泥的(a-b)/a值在理论上属于黏滞稳定滑动。因此, 与下部的基底岩层里所发生的情况相比, 在地表覆盖的富含非云母层状硅酸盐矿物的断层岩的速度强化特性使之不会自发地震成核。

但是即使是慢速下稳定滑动的断层部分, 在地震时高速摩擦滑动的情况下, 也有可能由于同震动态弱化而产生不稳定滑动。同震弱化的重要物理机制之一是由于高速摩擦滑动生热使温度升高, 导致孔隙流体受热膨胀(Sibson, 1973)。如果断层剪切带的围岩的渗透率足够低, 那么孔隙水压就会上升, 使有效正应力σ Neff 降低, 使得式(2)中的摩擦阻力τ 大幅下降, 产生不稳定滑动。这种热压作用被认为是1999年集集地震的1个重要的震源机制(Noda et al., 2013)。

Chen等(2013)研究了在龙门山断层浅钻(LMFD)工程中, 采自映秀-北川断层张家沟露头的天然断层泥。该断层泥富含黏土矿物。研究结果显示, 该断层泥的渗透率极低, 为10-19~10-21m2, 且在滑动速率为0.05~0.9m/s的情况下, 会有比较明显的热压作用(Chen et al., 2013)。本研究的断层泥富含绿泥石和黏土矿物这些低渗透率矿物, 所以本研究的断层泥的渗透率也很低, 可能同样在高速滑动下产生热压弱化作用, 形成快速释放能量的应力降。我们的实验结果和这种高速滑动的弱化机制表明, 在滑动速度不太高(< 0.05m/s)的情况下, 在断层浅部的富含非云母层状硅酸盐矿物的断层岩其摩擦滑动是稳定的, 可能会通过黏滞阻尼响应动态地使地震破裂传播减速。而当后期的高速滑动产生(> 0.05m/s)时, 浅层也可能发生同震弱化, 叠加地震灾害。

4 结论

本研究聚焦采自四川龙门山断裂带映秀-北川断层部分的花岗岩中的1种天然断层泥YGG的摩擦性质。这是1种针对2008年汶川地震的映秀-北川断层地表破碎带进行浅层钻探钻取的富含绿泥石的天然断层泥。在围压130MPa, 水压50MPa条件下对断层泥样品进行摩擦滑动实验, 以此对应龙门山断层带深度5km上下的状态, 温度范围则为25~150℃, 以覆盖更大的深度范围。为了得出摩擦行为的速度依赖性, 在样品做剪切运动时, 使速率在1.22μ m/s、 0.244μ m/s和0.048, 8μ m/s之间切换。基于实验结果与讨论, 得出以下结论:

(1)本实验的天然断层泥显示出速度强化和稳滑特征, 在1.22μ m/s下稳态摩擦系数在0.47~0.51之间, 未发现随温度变化的明显趋势。

(2)从样品的稳态摩擦系数可以看出, 黏土矿物强度明显低于较硬的组分, 如石英、 长石和方解石, 与已有的摩擦强度数据一致。通过与已有的天然断层泥数据相比, 可以将不同非云母层状硅酸盐矿物的摩擦强度排序: 绿泥石> 伊利石> 蒙皂石。

(3)YGG天然断层泥样品显示出速度强化行为, 参数a-b的平均值在0.003~0.004, 5之间。这些a-b值随温度升高而增大。

(4)本研究的实验条件对应龙门山地区温度≤ 150℃, 深度不超过8km的浅地壳环境, 实验结果是天然断层泥均显示出速度强化行为。但是断层泥的渗透率很低(< 10-19m2), 在高速摩擦滑动时可能会发生热压作用。基于此可得出: 龙门山断裂带的切过已有的深度不超过8km的碎屑岩的断层在构造应力驱动下可能产生稳定黏滞滑动的阻力, 不会自发地震成核。而在错动速率进入高速阶段时(> 0.05m/s)可能发生同震弱化, 叠加地震灾害。

附录A:

数值拟合

A.1 数值拟合理论

描述岩石摩擦滑动力学行为的速率与状态依赖性本构关系表达式(Ruina, 1983; Linker et al., 1992)为

τ=σNeff[μ* +aln(V/V* )+bln(θ/θ* )](2)

式(2)中, σ Neff 是有效正应力, V* 是稳态摩擦系数为μ * 时对应的速度, a和b是2个与速度相关的参数, θ 是状态变量。本构参数a描述摩擦强度对速率切换的直接响应; 本构参数b反映由速率切换到稳态滑动过渡过程中摩擦强度的变化量, 这里称为愈合效应(或演化效应)参数; 状态变量θ 在物理上为与接触时间有关的量, 可以解释为是所有接触点的平均接触时间。

摩擦本构关系中目前有2种最常用的状态演化方程, 一种是状态变量只随着滑动距离而演化的滑动本构关系, 另一种是可以描述静止接触时间效应的慢度本构关系, 在正应力恒定条件下分别如式(3a)和式(3b)所示:

dθdt=-VθdclnVθdc　(滑动本构方程)(3a)

dθdt=1-Vθdc　(慢度本构方程)(3b)

μss=μ* +(a-b)ln(V/V* )(4)

kcr=-(a-b)σ/dc5

但这2种本构方程在稳态下(即定常状态)摩擦系数表述式相同, 如式(4)所示, 且在弹簧-滑块系统中这2种本构关系具有相同的临界刚度kcr。a-b> 0(速度强化)时, 弹簧滑块系统在小扰动下不会产生不稳定滑动。只要a-b< 0, 就存在1个临界刚度值, 只有系统刚度大于临界刚度时, 系统才会稳定, 在小扰动下也呈现出稳定滑动, 否则就会呈周期性黏滑(Ruina, 1983; Rice et al., 1986), 而在断层上则可达到地震成核的条件(Tse et al., 1986; Dieterich, 1992)。

稳定滑动时比较容易获得分析参数, 根据式(4), 即可直接得出a-b的值; 为了得到参数a, b和dc的值, 采用数值拟合的方法来获取这些本构参数。由于实验中正应力是变化的, 因此采用了Linker等(1992)提出的包含变正应力条件的演化方程:

dθdt=1-Vθdc-αθbσeffdσeffdt　(慢度本构方程)(6a)

dθdt=-VθdclnVθdc-αθbσeffdσeffdt　(滑动本构方程)(6b)

若系统遵循滑动演化律(式(6b)), 则系统刚度在临界刚度附近时, 5倍的速度切换会引起系统的不稳定, 显然在单状态变量的近似下与实验结果不符(He et al., 2013, 2016)。为此, 采用慢度演化方程(6a)来进行数值拟合。

对于稳定滑动的情况, 拟合方法采用了与前人工作相同的方法和软件, 参见(He et al., 2013)。

A.2 数值拟合结果

对围压为130MPa 条件下的14组曲线进行了数值拟合, 为了保证滑动已达到参数不再继续变化的稳态, 选取第2个阶跃以后的曲线进行拟合, 图10给出了不同温度条件下的拟合数据曲线。通过数值拟合得到黄绿色断层泥摩擦滑动的参数, 包括特征滑动距离dc值、 直接响应参数a值等。稳态滑动阶跃的拟合残差控制在 11000以内。

图10 黄绿色断层泥在不同温度条件下的数值拟合曲线图(25~150℃)Fig. 10 Numerical fitting results of the YGG at different temperatures.

致谢 感谢姚文明工程师对实验仪器的维护; 感谢张雷在实验过程中给予的指导和帮助。

The authors have declared that no competing interests exist.

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