引用本文
刘洋, 何昌荣. 普通角闪石的速率依赖性及其对俯冲带慢滑移机制的启示[J]. 地震地质, 2020,42(6): 1267-1281.
LIU Yang, HE Chang-rong. RATE DEPENDENCE OF FRICTION OF HORNBLENDE AND IMPLICATIONS FOR UNSTABLE SLIPS[J]. SEISMOLOGY AND GEOLOGY, 2020,42(6): 1267-1281.  
DOI:10.3969/j.issn.0253-4967.2020.06.001
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普通角闪石的速率依赖性及其对俯冲带慢滑移机制的启示
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年生, 2020年于中国地震局地质研究所获得固体地球物理学博士学位, 现为中国地震局地质研究所构造地质学专业博士后, 主要从事高温高压岩石力学研究, E-mail: Liuyang@ies.ac.cn。

收稿日期: 2020-01-09
基金项目: 国家自然科学基金(41774103)资助
摘要

为了解俯冲带中常见含水矿物角闪石在水热条件下的摩擦滑动行为, 以普通角闪石作为模拟断层泥样品的材料, 在温度为101~607℃、 围压为136MPa的条件下进行了速率阶跃滑动试验, 孔隙压力为30MPa, 轴向载荷速率为0.04~1.0μm/s。 实验结果表明摩擦系数为0.70~0.72, 与温度无系统性关系。 在303℃、 505℃和607℃时均发生了速度弱化行为, b- a<0.001 4, b/a值为1.06~1.18。 速率与状态摩擦本构关系中的 b值随着温度升高而从0.001 3升至0.010 2, 呈上升趋势, 表明在摩擦接触点激活了Arrhenius型蠕变。 普通角闪石的速度弱化程度很弱, 这种微弱的速度弱化特性可能导致在闭锁的孕震带下方的俯冲界面下倾部分上发生慢滑移事件, 例如日本西南部、 卡斯卡迪亚北部和墨西哥的情况。

关键词: 普通角闪石; 慢滑移; 速度弱化; 俯冲带
中图分类号:P55 文献标志码:A 文章编号:0253-4967(2020)06-1267-15
RATE DEPENDENCE OF FRICTION OF HORNBLENDE AND IMPLICATIONS FOR UNSTABLE SLIPS
LIU Yang, HE Chang-rong
State Key Laboratory of Earthquake Dynamics, Institute of Geology, China Earthquake Administration, Beijing 100029, China
Abstract

Since the 21st century, the occurrence of tremor and slow-slip events in the subduction zones has increasingly attracted researchers' attention. It seems that minerals in the subduction zone which may be related to tremor and slow-slip events, have become a topic of concern. Hydrous minerals are generally lower in strength than anhydrous minerals, so the hydrous minerals in the subduction zone(e.g., hornblende, serpentine, talc, etc.)may control the frictional sliding behaviors in the subduction zones.
Although many geophysical data indicate that serpentinization may exist in the depth range around the mantle wedge, ocean drilling results indicate that hornblende is a common hydrous mineral in the mantle. In order to understand the frictional behaviors of hornblende as a common hydrous mineral in the subduction zones under hydrothermal conditions, we used pure hornblende as the material for simulating fault gouge samples. In a series of experiments with a certain confining pressure, the axial loading rate is between 0.04μm/s and 1.0μm/s. In these experiments, the velocity stepping tests were carried out under the confining pressure of 136MPa, and the pore pressure was 30MPa. The frictional sliding velocity is switched between 1.22μm/s, 0.244μm/s, and 0.048 8μm/s to obtain data on the response to the velocity change. The experimental results are as follows:
(1)In these experiments( CP=136MPa, PP=30MPa), except for the quasi-static oscillations at 505℃ and 607℃, at most experimental temperatures, hornblende fault gouge samples all show stable sliding behaviors. The steady-state friction coefficient ranges from about 0.70(607℃)to about 0.72(403℃), with an average value of about 0.71, and does not show systematic changes with temperature.
(2)In these experiments of hornblende fault gouge( CP=136MPa, PP=30MPa), velocity strengthening behaviors were observed at temperatures of 101 and 203℃. It changes to velocity weakening at 303℃. It is in transition state at 403℃, and changes to velocity weakening at 505℃, and the velocity weakening continues until the highest temperature in our experiment, 607℃. The absolute value of velocity weakening( b- a)is between 0.000 51 and 0.001 4, which is a weak velocity weakening.
We numerically fitted the experimental data and obtained the values of the friction constitutive parameters a, b, and Dc at each temperature.
Our results of data fitting show that the slowness law adequately reproduces both the non-oscillatory rate steps and the periodical slow slips. As a result, a and b-values for the series exhibit a similar trend up to 203℃. The maximum of a averaged over steps (~0.009) occurred at 101℃, associated with a step-averaged b of 0.001 3. As temperature increased to 203℃, the step-averaged a decreased rapidly to a level of 0.006 8, with the corresponding b-value of 0.005 3~0.005 5. The temperature at 303℃ is a turning point for the a-value from the decreasing trend to a monotonic increasing trend up till 607℃. In contrast to the a-value, the average b in the series shows a growing trend in the whole temperature range.
The average Dc was found to range from 12~23.5μm for non-oscillatory cases, with no systematic changes as related to temperature. Much smaller Dc of 2μm was inverted for the oscillatory slow slips at 505℃ and 607℃ in the series, indicating that it was the cause of heightened critical stiffness that approached the vicinity of the loading stiffness.
Hornblende has a weak velocity weakening, with ( b- a)-value below 0.001 5, which is less than the ( b- a)-value used in the numerical simulation of the slow-slip in the Cascadia subduction zone, indicating that the velocity weakening is very weak, and this weak velocity weakening is conducive to the generation of slow slip. Therefore, the degree of velocity weakening of hornblende is in line with the appropriate conditions for the occurrence of slow slip in the subduction zone. The slow slip event may occur in a wider range of effective normal stress.

Keyword: hornblende; slow slip; velocity weakening; subduction zone
0 引言

幕式震颤和慢滑移合称ETS(Episodic Tremor and Slip), 最常发生于年轻和温暖的俯冲板片处(Dragert et al., 2001; Obara, 2002; Rogers et al., 2003)。 ETS区在孕震区之下, 中间间隔一个无震区。 自发性ETS除在圣安德烈斯断层附近发生于下地壳外, 在其他区域往往发生于地幔楔(MWC)附近(Shelly et al., 2010)。 地幔楔附近的高孔隙压力(Pf)可能与ETS相关的摩擦行为有关。 有地球物理学证据证明在ETS区有接近静岩压力的高水压(Liu et al., 2009; Matsuzawa et al., 2010; Johnson et al., 2013; Gao et al., 2017)。

含水矿物的强度通常比名义无水矿物低, 故含水矿物可能会控制俯冲带中的摩擦行为。 通常认为俯冲洋壳随着温度和压力的升高而脱水, 然后含水矿物(蛇纹石、 滑石、 角闪石、 绿泥石和金云母等)在地幔楔的底部结晶(Peacock, 1996)。

尽管许多地质学家认为地幔地震由蛇纹石化的弧前地幔所限制(Oleskevich et al., 1999), 但是一些从南马里亚纳弧前挖掘出来的橄榄岩样品显示, 普通角闪石是许多橄榄岩的主要组分(Ohara et al., 1998)。 其中, H型(含水型)橄榄岩中不含辉石, 其角闪石含量最高可达35.6%。 因此, 在研究俯冲带的力学行为时, 需要考虑这种普遍存在的矿物的力学性质。

先前关于角闪石在含水条件下的摩擦滑动实验(兰彩云等, 2010)显示, 角闪石在整个温度范围内表现出速度强化性质。 但经后期SEM观察发现, 这些从角闪岩中分离出来的角闪石样品的分离并不完全, 含有约10%的石英, 这可能对角闪石的摩擦滑动性质有一定影响。 因此, 目前对于纯角闪石的摩擦滑动性质, 依然缺乏相关研究数据。

本文的目的是了解普通角闪石在俯冲带中的摩擦滑动行为及其相关的变形机理。 为此, 我们使用cm尺度的角闪石单晶作为模拟断层泥的材料, 以避免其他矿物混入。 本研究设定的工作目标包括:

(1)在俯冲带水热条件下获得普通角闪石的摩擦滑动性质, 并获取本构参数以了解其机理, 为不稳定滑动分析提供完整的数据。 其中, 我们特别注意了速度弱化的程度, 因为它不仅与演化效应的微观机制有关, 同时也对不稳定滑移的成核过程具有重要影响。

(2)通过获取的角闪石摩擦本构参数了解其滑动行为, 特别是关于速度弱化行为的存在及其程度, 从而为了解俯冲带的力学行为提供力学数据基础。

基于上述目的, 我们在水热条件下的三轴测试系统中, 对普通角闪石断层泥进行了速度阶跃剪切实验, 温度和压力条件与兰彩云等(2010)的研究类似。 设有效孔隙压力为30MPa, 温度为100~600℃, 有效正应力约为200MPa。 实验中的温度范围与俯冲带中发生不稳定滑动的温度范围相重合。 由于通常认为变形机制是热活化的, 因此可利用较宽的温度范围来充分了解温度对滑动行为的影响。 通过数值拟合对本研究中的力学数据进行了全面分析, 以获得速率与状态依赖性摩擦(RSF)本构参数; 在获取力学参数的同时, 将力学数据与前人的数值模拟结果进行对比, 以讨论其与俯冲带慢滑移的关联性。

1 方法
1.1 断层泥样品准备

岩石和矿物的力学性质取决于矿物本身。 因此, 在任何地质体中采集的普通角闪石样品都可以用来研究俯冲带中普通角闪石的力学性质。 本实验中所采用的普通角闪石巨晶产于河北灵寿的太古界变质岩体中, 属于因深熔作用形成的伟晶岩里的角闪石晶体(程裕淇等, 2004)。 这些长1~2cm的角闪石大晶体为黑色, 在晶体边缘有浅色反应边。

利用电子探针分析样品的化学成分, 结果表明其内的主要氧化物为SiO2(46.61%)、 MgO(16.28%)、 Al2O3(12.34%)、 CaO(10.18%)和FeO(9.85%), 还有少量的Na2O(1.75%)、 TiO2(0.43%)、 K2O(0.24%)、 MnO(0.18%)、 Cr2O3(0.15%)和NiO(0.09%)。 该结果表明, 本研究中角闪石样品的总体化学组成属于镁角闪石类别(Leake et al., 1997)。

除去边缘的反应边和明显的杂质后, 将纯角闪石晶体粉碎并研磨成粉末, 并通过200目筛进行筛分, 以控制粒度。 通过激光粒度分析, 检测出断层泥样品的粒度中值为48.26μm(图 1)。

图 1 通过激光粒度分析(Beckman Coulter LS1330)得到的角闪石样品的密度和累积粒度分布, 粒度中值为48.26μmFig. 1 Density and cumulative particle size distributions of the hornblende sample obtained by laser particle size analysis(Beckman Coulter LS1330), with a median size of 48.26μm.

1.2 实验仪器和步骤

本研究中的摩擦滑动实验均在伺服控制的三轴试验机中进行, 如以前的研究所述(He et al., 2006, 2007), 其中氩气为传压介质。 有关该设备的更多详细信息, 可参见文献(He et al., 2006, 2007)。

本研究所有实验中均采用丰镇辉长石作为围岩块体, 与前人的研究(He et al., 2006, 2007)一致。 将围岩块体加工成长40mm、 直径为20mm的圆柱体。 在中间切一个与圆柱轴呈35°的切面, 使圆柱分成两半。 将锯切平面的表面加工平整后用300#碳化硅磨料进行粗糙化处理。 每个上部块体从顶部到锯切面都钻一个小孔, 以供孔隙流体进入(图 2)。 在加工后和测试前, 将所有块体浸入丙酮中除去可能存在的油污, 在丙酮完全挥发后用去离子水洗涤。 在锯切平面的洞口处放置黄铜网, 防止断层泥挤出。 将混合了去离子水的粉末状样品作为模拟断层泥夹于上、 下块之间, 使其初始厚度为1mm, 然后将夹有断层泥样品的块与碳化钨垫片、 刚玉块和钢制块体一起夹在壁厚为0.35mm的退火铜管中。 在样品组件的两端放置了双O形密封圈, 以将样品与气体介质隔离。 在样品组件和加热器之间填充氮化硼粉末减少热对流(图 2)。 在上部块体的顶部测量温度, 然后使用校准的温度曲线确定断层面中部实际的实验温度值。

图 2 三轴变形实验装样素描图Fig. 2 Schematic diagram of the sample assembly used in triaxial deformation experiments.

在正应力约为230MPa、 孔隙压力为30MPa的条件下进行了100~600℃的实验。 由于在三轴测试系统中断层平面上的正应力是围压和剪切应力的函数, 故因滑动不稳定性而导致的剪切阻力突然下降会引起正应力的扰动, 这使得伺服控制系统很难快速调节围压以保持恒定的正应力。 为避免正应力出现这种波动, 在本研究中采用了使围压恒定的控制方法。 具体而言, 即在所有测试的剪切过程中, 围压恒定保持为136MPa, 对应于进入错动后约230MPa的正应力。

在所有测试的开始阶段, 设置轴向加载速度为1μm/s(相当于断层平面上的加载速度为1.22μm/s)。 在弹性加载阶段之后, 摩擦阻力越过临界值, 样品以稳定的滑动强化斜率开始滑动, 然后使断层平面上的加载速度在1.22μm/s、 0.224μm/s和0.048 8μm/s之间阶跃, 以获得与速度相关的力学性质。 把轴向永久位移约达3.0mm时或铜套破裂之前所收集到的数据作为测试的有效数据。 在真空条件下将变形后的样品浸于环氧树脂中固化, 然后沿滑移方向垂直于断层进行平面切割, 制成抛光的薄切片, 并在SEM下观察其微观结构。

1.3 数据处理和深度分析

在开展进一步数据分析之前, 首先校正因接触面积减小而引起的应力变化及在滑动过程中来自铜管的阻力。 详细的校正方法与前人的研究相同(He et al., 2006, 2007)。

为获得本构参数, 采用将力学数据拟合为速率与状态依赖性摩擦(RSF)本构关系(Dieterich, 1979; Ruina, 1983)的数值方法。 在RSF本构关系法则的框架中, 剪应力τ 是滑动速率V、 状态变量θ 和有效正应力σ eff的函数:

τ=σeff[μ* +aln(V/V* )+bln(θ/θ* )](1)

其中, μ* 是稳态摩擦系数, θ * 是在参考速度V* 下的状态变量; a和b是代表直接响应和演化效应的本构参数。

当在实验中使用恒定围压控制时, 由于断层面上的正应力非恒定值, 故采用了包含可变正应力的RSF定律(Linker et al., 1992), 对应于式(2)和式(3)中状态变量的演化方程分别称为 “ 慢度本构方程” 和 “ 滑动本构方程” :

dθdt=1-VθDc-αθbσeffdσeffdt(慢度本构方程)(2)

dθdt=-VθDclnVθDc-αθbσeffdσeffdt(滑动本构方程)(3)

其中, α 是描述正应力变化对状态影响的无量纲参数, Dc是状态变量在速度变化后演化到新稳态附近的特征滑移距离。 如先前的研究所示, 这2种摩擦定律都有其各自的优缺点: 慢度本构方程可反映静止接触过程中的演化过程, 而滑动本构方程无法做到这一点; 慢度本构方程无法再现对加速和减速速度阶跃的对称响应, 而滑动本构方程可以很好地描述这种更接近于实验结果的对称性(Ampuero et al., 2008; He et al., 2014)。

尽管如此, 上述2种本构关系具有相同的稳态摩擦系数(μss)表达式:

μss=μ* +(a-b)ln(V/V* )(4)

其中, a-b值是表征稳态速率相关性的参数, 且有研究表明其对滑动稳定性的判别至关重要(Ruina, 1983)。 当a-b> 0时为速度强化, a-b< 0时为速度弱化。 对于稳定滑动的情况, 可直接利用摩擦系数与位移曲线测量a-b的值。 对于周期性慢滑或黏滑的情况, 需要通过数值拟合获得a-b值、 直接响应(a值)、 演化效应(b值)和特征滑动距离(Dc)。

由于铜管的速度相关性也与测量的a-b值相关, 因此根据Lockner等(1986)给出的退火铜管的速率相关性结果对a-b和a值进行了校正。 在本研究有效正应力为200MPa的实验中, 用测量得到的a值减去0.000 43才可得到实际的a值。 数值拟合过程使用了先前工作中描述的穷举搜索方法(He et al., 2013; Lu et al., 2014), 利用该方法能找到在一系列计算和实验数据之间获得最佳拟合效果的模型参数。 用于计算的动力方程基于弹簧滑块系统, 即用以下方程来描述准静态滑动过程:

dτdt=k(V0-V)(5)

其中, V0为加载点速度, k为系统刚度。

当有效围压保持恒定时, 剪切应力和有效正应力的关系为

σeff=σ3eff+τcotφ(6)

其中, σ eff是有效正应力, σ 3eff是有效围压。

将RSF本构方程与上述2个方程组合在一起, 对时域进行数值求解计算错动过程。 由于一些结果出现了准静态振荡, 此时的滑动本构方程无法再现速率阶跃后的响应, 本研究中的数值拟合计算均基于慢度定律进行(He et al., 2013)。

2 结果
2.1 力学数据的一般特征

所有实验温度下的摩擦系数(μ=τ /σ eff)随剪切位移的变化见图 3, 每次实验的总剪切位移约为3.5mm。 在图 3 的所有曲线中, 摩擦系数最初都随剪切位移的增加大致呈线性增加, 这与弹性加载阶段相对应。 当剪切位移约超过1.5mm之后, 摩擦系数进入稳态滑动阶段, 并显示出滑动强化趋势, 其斜率为0.03~0.04mm-1。 从曲线中可清楚地识别出响应加载速度阶跃的摩擦强度变化, 表现出典型的摩擦滑动行为。 本研究实验中的普通角闪石样品在大多数情况下均表现为稳定滑动, 但在温度为505℃且加载速率为0.244μm/s时发生了不稳定滑动事件(准静态振荡), 且在温度为607℃、 加载速率为1.22μm/s和0.244μm/s时也出现准静态振荡(图3)。 仔细检查系统的刚度发现, 在505℃和607℃2次加载过程之间没有明显的差异(图3), 但在每次测试的样品组装过程中可能会产生较小的刚度差异。 温度为505℃和607℃时样品的周期性不稳定滑动事件表明该系统的刚度在临界刚度附近(Ruina, 1983)。

图 3 围压为136MPa时摩擦系数与剪切位移的关系图Fig. 3 Friction coefficient plotted against shear displacement at high confining pressure of 136MPa.

对轴向永久位移约为1.5mm、 滑动速率为1.22μm/s时的稳态摩擦系数与温度的关系进行测量后发现(图4), 稳态摩擦系数为0.70~0.72, 平均值约为0.71, 且未表现出系统的温度相关性。

图 4 轴向位移约为1.5mm、 剪切滑动速率为1.22μm/s时摩擦系数随温度的变化Fig. 4 Friction coefficient at~1.5mm permanent axial displacement and 1.22μm/s sliding velocity as a function of temperature.

2.2 速度依赖性

根据式(4), 直接从曲线(先去除滑动强化趋势)中读取并计算出实验中所有稳滑阶跃的速度依赖性参数a-b, 并计算其平均值(表1, 图5)。

表1 普通角闪石断层泥的摩擦滑动参数汇总 Table1 Summary data of the frictional experiments on hornblende gouges

图 5 稳态速度依赖性参数a-b随温度的变化
对于稳滑的情况, 直接基于摩擦系数与位移关系曲线进行测量并计算速度依赖性。
对于准静态振荡的情况, 通过慢度本构方程进行数值拟合来推断速度依赖性Fig. 5 Steady state velocity dependence a-b plotted against temperature.

在低温范围内, 速度依赖性受温度的影响很大。 普通角闪石样品在101℃时表现出速度强化行为, a-b值为0.007 6。 随着温度的升高, 速度强化行为迅速减弱, 在203℃时, a-b值减小为0.001 5。 当温度> 303℃时, a-b值减小为-0.000 5, 接近速度中性, 出现速度弱化。 在403℃时, a-b的均值增加到0.000 1, 变为速度强化, 但在不同的阶跃中仍有速度弱化行为, 整体表现为一种过渡性状态。 当温度> 505℃时, a-b值减小为-0.001 1, 并且在607℃时进一步减小为-0.001 4。

2.3 RSF本构参数

由于在5倍速率阶跃下滑动本构方程没有准静态振荡的解(Gu et al., 1984), 故以慢度本构方程来拟合对速度阶跃的稳定滑动响应。 对于以稳滑响应的阶跃, 以往多次应用表明其拟合结果能够很好地再现对速率阶跃的响应(Tian et al., 2019), 而在本研究中同样得到了很好的拟合结果。 对于准静态振荡的拟合, 我们采用新的拟合方法也得到了满意的结果(图6)。

图 6 准静态振荡的典型数值拟合图
黑色实线表示去除滑动强化趋势后的实验数据, 红色实线表示使用慢度本构方程的拟合结果Fig. 6 Typical numerical fitting for periodic slow slips.

图10绘制了a值和b值参数随温度的变化过程, 它们表现出了不同的特征。 在101℃时, a值达到最大值, 约为0.008 9, 而b达到最小值, 约为0.001 3。 随着温度升高, a值在203℃时迅速降低至约0.006 8, 当温度> 303℃后, a值逐渐增加到607℃时的0.008 8。 与a值的先降后升不同, b值随着温度升高始终呈上升趋势(表1, 图 7a)。

图 7 以慢度本构方程拟合得到的本构参数a、 b (a)及特征滑动距离Dc (b)随温度的变化Fig. 7 Constitutive parameters a, b in the slowness law at a confining pressure of 136MPa(a) with typical characteristic slip distance Dc (b)obtained through numerical fitting, plotted as functions of temperature.

作为本构方程的另一个重要参数, 特征滑移距离Dc的均值在所有实验中为12~23.5μm。 随着温度的升高, Dc值似有下降的趋势, 且高温段的准静态振荡对应于Dc值的最低限(表1, 图 7b)。

3 讨论
3.1 普通角闪石与蛇纹石的摩擦强度对比

对比在地幔楔和俯冲板片之间的接触界面处的相关矿物的摩擦强度, 对了解剪切变形的分配至关重要。 作为可能出现在地幔楔周围的典型含水矿物, 比较角闪石和前人研究的蛇纹石(Takahashi et al., 2011; Okazaki et al., 2015)的摩擦强度, 在把握矿物类型对变形的控制方面具有重要意义。

围压为136MPa时得到的角闪石的实验结果显示其摩擦系数为0.70~0.72, 该结果与兰彩云等(2010)先前的研究结果(0.68~0.72)类似。 本研究中另一系列围压较低(83MPa)的实验结果显示, 摩擦系数在温度为403℃时达到相似的水平, 之后从505℃时的0.70下降到607℃时的0.67(Liu et al., 2020)。 Takahashi等(2011)得到的叶蛇纹石的摩擦系数在温度≤ 400℃时为0.5~055, 低于角闪石的结果, 但其摩擦系数在500℃时增加为0.72, 之后在600℃时减小到约0.7, 这显然高于在低围压下获得的角闪石的摩擦系数。 在这个温度范围内, 蛇纹石的结果与高围压系列的角闪石结果相似, 但仍然略高于后者。 实际上, 蛇纹石的摩擦系数在高温范围内的显著增加是由蛇纹石有限脱水形成镁橄榄石引起的(Takahashi et al., 2011), 这表明蛇纹石矿物在约450℃时达到了化学稳定边界温度附近。 另一项针对蛇纹石的研究得到的摩擦系数较低, 在400~600℃的温度下摩擦系数从0.56增加至0.66(Okazaki et al., 2015), 但其结果是在20MPa的非超临界水压下获得的, 这可能不适用于俯冲带的热液条件。 以上对比表明, 在层状相间结构的情况下, 蛇纹石可以控制温度< 400℃时的剪切变形, 但角闪石可能是控制温度> 500℃时的剪切变形的候选者。

3.2 普通角闪石的微弱速度弱化

在摩擦本构关系框架中, b-a的绝对值和b/a值是衡量速度弱化程度的参数, 其大小对于确定不稳定滑动甚至不稳定发生前的成核过程至关重要(Ampuero et al., 2008)。 我们在普通角闪石上进行的实验表明, 在温度为303℃、 505℃和607℃时出现速度弱化行为, b-a的绝对值范围为0.000 51~0.001 4(表1)。 以(b-a)/a的归一化形式进行衡量时, 速度弱化程度值为0.06~0.18, 对应的b/a值为1.06~1.18, 表明速度弱化程度非常弱。 将本研究得到的新结果与先前角闪石的研究成果(兰彩云等, 2010)进行比较可知, 兰彩云等(2010)的结果显示在整个温度范围内角闪石都表现出速度强化行为。 如前所述, 兰彩云等(2010)在进行实验时使用的角闪石样品中混杂了约10%的石英, 而这些石英的混入可能对摩擦行为产生了影响(He et al., 2013)。

3.3 影响演化效应的主要变形机制

正如早期研究解释的那样, 许多与速率相关的过程, 包括摩擦面接触点的蠕变(Nakatani, 2001; Rice et al., 2001)和其亚临界裂纹的碎裂(Beeler et al., 2007)都可能对速率的直接响应有贡献。 与此不同的是, 演化效应则与时间或速率相依过程引起的接触面积变化有关(Bré chet et al., 1994; Dieterich et al., 1994; Berthoud et al., 1999; He et al., 2013), 也与断层泥的结构变化有关, 后者包括孔隙度变化和变形局部化(Marone et al., 1990)。 这里主要讨论热活化过程引起的演化效应。

当演化效应具有明显的温度依赖性时, 说明与速率相关的热活化过程起到了重要作用。 在这方面, 前人已提出2个关于演化效应的明确模型。 一种是基于接触点的晶体塑性的指数型流变模型(Bré chet et al., 1994; Dieterich et al., 1994; Berthoud et al., 1999), 它通过晶体塑性蠕变来增加接触面积, 而b值的表达式由Bré chet等(1994)(以下称为BE模型)通过引入接触点局部体积的不变性明确推导得到:

bBE=dμssd(lnt)=τtrσtr0RTΩaσtr0(7)

其中, T是绝对温度, R是摩尔气体常数, Ω a是摩尔活化体积, τ 是接触点的平均剪切应力, σ 是接触点的平均应力, 下标tr和tr0分别表示真实应力和初始真实应力。 τ tr/σ tr0 可大致看作是摩擦系数。 在我们的实验中, 普通角闪石样品的摩擦系数为0.70~0.72。 该BE模型要求激活断层泥材料中的晶体塑性以产生蠕变。 前人的实验表明, 这种机制在方解石断层泥中是重要的(Verberne et al., 2015)。

由于接触点的强度对温度不敏感, 因此通过该关系式可推导出b值与温度之间的近似线性关系, 这与我们的实验得到的趋势一致(图 7)。

另一种具有热活化机制演化效应的机理与粒间压溶有关(以下称为IPS模型), 它通过在接触期间接触点的溶解来侵蚀接触界面以增加接触面积(He et al., 2013), 由此可导出b值与温度之间的关系:

bIPS=dμssd(lnt)=τtrσtr0RTΩmσtr0(8)

其中, 下标IPS表示IPS机制, 它具有与BE模型(式(7))相似的形式, 但此处的摩尔体积Ω m替代了摩尔活化体积Ω a。 由于接触点的强度对温度不敏感, 因此利用IPS模型也可以推导出b值与温度之间的线性关系, 这也与本研究实验的普通角闪石的力学数据所显示的趋势一致(图 7)。

因此, 似乎式(7)和式(8)提出的2种机制是可能产生演化效应的主要机制。 但确定具体是哪种机制并非易事, 因为2种机制都可以推导出b值与温度之间呈线性关系, 均与本研究实验结果中b值随温度的升高而增大的趋势相符。 由于第1种机制的活化体积对造岩矿物而言难以通过实验来确定, 故通过力学数据难以确定2种机制中哪种占主导地位。

除力学数据外, 微观结构观察也是了解接触点变形机制的重要手段。 IPS在颗粒接触处附近具有明显的物质扩散和沉淀析出特征(Rutter, 1983)。 已有结果表明, 在基性岩无水矿物的摩擦滑动过程中可普遍观察到压溶过程现象(Tian et al., 2019), 表明压溶过程为主要控制演化效应的机制。 我们的结果得出了符合压溶模型的力学数据, 角闪石的b值随温度的变化可能同样受压溶过程控制, 但需要进一步显微观察确认。

3.4 普通角闪石的摩擦滑动性质对俯冲带慢滑移事件的启示

在速率与状态摩擦本构框架下, 断层的力学行为受控于断层岩在摩擦滑动中的速度依赖性(Ruina, 1983; Ampuero et al., 2008)。 本实验中的普通角闪石断层泥在温度为303℃、 505℃和607℃时均出现了速度弱化行为。 由于本次实验的温度范围覆盖了俯冲带中地幔楔附近的温度条件(Gao et al., 2017), 故在讨论地幔楔附近发生的不稳定滑动时, 角闪石的实验结果可作为重要的关联数据加以考虑。

在俯冲带地幔楔接触带, 考虑前述的平行层状结构或更复杂的软、 硬混合结构(Fagereng et al., 2014), 本研究结果表明角闪石都可以产生不稳定滑动(速度弱化)。

数值模拟结果表明, 慢滑移产生的条件对应于很弱的速度弱化(Liu et al., 2009; Johnson et al., 2013)。 如前文所述, 角闪石在速度弱化时其b/a值均介于1.06~1.18之间, 而b-a≤ 0.00 15, 表明速度弱化非常微弱, 而这种微弱的速度弱化有利于慢滑移的产生。

4 结论

为了解普通角闪石与俯冲带不稳定滑动的关系, 我们在水热条件下对普通角闪石模拟的断层泥进行了速率阶跃滑动实验, 研究了作为地幔中常见含水矿物的普通角闪石的摩擦性质, 获得了本构参数与温度的关系, 并对变形样品的微观结构特征进行了观察, 所得主要结果包括:

(1)除在505℃和607℃出现准静态振荡外, 在大多数实验温度下, 角闪石断层泥样品均表现出稳定的滑动行为, 稳态摩擦系数约为0.70(607℃)~0.72(403℃), 平均值约为0.71, 没有表现出随温度的系统性变化。 在我们另一系列的低围压实验中, 角闪石的摩擦系数低于前人在温度> 500℃时获得的蛇纹石的摩擦数据, 故角闪石可以作为温度> 500℃时控制剪切变形的候选者。

(2)在101℃和203℃的温度下观察到了速度强化行为, 稳态速度依赖性在303℃时转变为速度弱化, 在403℃时处于过渡状态, 在505℃时转变为速度弱化, 且速度弱化一直持续到最高温度607℃时。 b-a的绝对值为0.000 51~0.001 4, 拟合得到的b/a值为1.06~1.18, 均属微弱的速度弱化。

(3)以速率与状态摩擦本构关系进行数值拟合得出的本构参数表明, 随着温度升高, 摩擦的演化效应(b值)呈上升趋势, 表明摩擦演化效应的背后是Arrhenius型热活化蠕变机理。

(4)本实验中测试的普通角闪石断层泥在303℃、 505℃和607℃时出现了速度弱化行为。 这样的温度和有效正应力条件与俯冲带中地幔楔附近的条件类似, 因此角闪石可能与发生于地幔楔附近的不稳定滑动具有重要关联。 角闪石在速度弱化时所有的b/a值均介于1.06~1.18之间, 表明速度弱化程度非常弱, 有利于慢滑移的产生。

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