地震地质 ›› 2024, Vol. 46 ›› Issue (6): 1332-1356.DOI: 10.3969/j.issn.0253-4967.2024.06.007
邵康1)(), 刘金锋1,2,3), 谢彬1), 朱民杰1)
收稿日期:
2023-11-01
修回日期:
2023-12-07
出版日期:
2024-12-20
发布日期:
2025-01-22
作者简介:
邵康, 男, 1999年生, 现为中山大学岩土工程专业在读硕士研究生, 主要从事断层泥摩擦特性研究, E-mail: shaok@mail2.sysu.edu.cn。
基金资助:
SHAO Kang1)(), LIU Jin-feng1,2,3), XIE Bin1), ZHU Min-jie1)
Received:
2023-11-01
Revised:
2023-12-07
Online:
2024-12-20
Published:
2025-01-22
摘要:
正应力和含水率的扰动可能诱发断层不稳定滑动。文中对采自新丰江水库附近断裂带的花岗岩样品开展了速率阶跃(1~100μm/s)和滑动-保持-滑动(10~3 000s)摩擦实验, 且全程进行了声发射观测, 研究了不同有效正应力(0.5~20MPa)和含水率(0%~25%)对花岗岩断层泥摩擦特性的影响。实验结果表明, 花岗岩断层泥随有效正应力增大由速率弱化(5MPa以下)向速率强化转变, 应力降减小; 随着含水率升高, 速率强化程度减弱, 当含水率为25%时出现速率弱化行为, 应力降增大。速率弱化样品的声发射数据以拉张微裂纹发育为主, 显微结构中出现大角度张性断裂带, 推测可能是水的化学弱化作用导致。实验结果可能对理解新丰江水库诱发地震提供新的认识: 低有效正应力下的速率弱化行为可能致使水库诱发地震, 而高含水率下的微弱速率弱化行为有利于慢滑移地震事件的产生。
邵康, 刘金锋, 谢彬, 朱民杰. 正应力和含水率对花岗岩断层泥摩擦特性和声发射特征的影响[J]. 地震地质, 2024, 46(6): 1332-1356.
SHAO Kang, LIU Jin-feng, XIE Bin, ZHU Min-jie. FRICTIONAL PROPERTIES ASSOCIATED WITH ACOUSTIC EMISSION CHARACTERISTICS OF SIMULATED GRANITE FAULT GOUGES: EFFECTS OF NORMAL STRESS AND WATER CONTENT[J]. SEISMOLOGY AND GEOLOGY, 2024, 46(6): 1332-1356.
矿物种类 | 石英 | 钠长石 | 微斜长石 | 白云母 | 其他矿物 |
---|---|---|---|---|---|
花岗岩断层泥/wt% | 28 | 25 | 44 | 1 | 2 |
表1 花岗岩断层泥矿物成分的半定量分析
Table1 Semi-quantitative analysis of mineral composition in granite gouge
矿物种类 | 石英 | 钠长石 | 微斜长石 | 白云母 | 其他矿物 |
---|---|---|---|---|---|
花岗岩断层泥/wt% | 28 | 25 | 44 | 1 | 2 |
图3 VS-10MPa-10%实验中10~50μm/s速率阶跃阶段的最佳拟合结果
Fig. 3 The best fitting results for the VS-10MPa-10% experiment during the step phase at a rate of 10~50μm/s.
图4 a RA-AF裂纹分类方法示意图; b 裂纹分类参数累计曲线示意图(引自范财源等, 2023)
Fig. 4 Schematic diagram showing RA-AF crack classification(a) and Schematic diagram of crack cumulative summation curve showing inversed five types of microcrack developments with different k values(b) (indexed from FAN Cai-yuan et al., 2023).
图5 花岗岩断层泥(VS实验)的视摩擦系数、 法向位移和剪切位移关系曲线 a 0.5~20MPa有效正应力(含水率为10%); b 0%~25%含水率(有效正应力为10MPa)。法向位移值增大表示压实, 减小表示剪胀
Fig. 5 The relationship curves of apparent friction coefficient, normal displacement, and shear displacement for granite gouge(VS experiment).
图6 花岗岩断层泥(SHS实验)的视摩擦系数、 法向位移和剪切位移关系曲线 a 0.5~20MPa有效正应力(含水率为10%); b 0%~25%含水率(有效正应力为10MPa)
Fig. 6 The relationship curves of apparent friction coefficient, normal displacement, and shear displacement for granite fault gouge(Slide-Hold-Slide experiment).
有效正应力/MPa | 含水率/% | ① | a-b② | a | b | 滑动模式 |
---|---|---|---|---|---|---|
0.5 | 10 | 0.569 | -4.58×10-3 | 1.26×10-3 | 5.84×10-3 | 速率弱化,10μm/s准静态振荡 |
1 | 10 | 0.591 | -4.20×10-3 | 2.10×10-3 | 6.30×10-3 | 速率弱化,10μm/s准静态振荡 |
2 | 10 | 0.632 | -3.52×10-3 | 2.65×10-3 | 6.17×10-3 | 速率弱化 |
5 | 10 | 0.607 | -1.68×10-3 | 4.02×10-3 | 5.70×10-3 | 速率弱化 |
10 | 10 | 0.561 | 1.53×10-3 | 3.94×10-3 | 2.41×10-3 | 速率强化 |
20 | 10 | 0.549 | 1.69×10-3 | 4.37×10-3 | 2.68×10-3 | 速率强化 |
10 | 0 | 0.646 | 0.70×10-3 | 4.59×10-3 | 3.89×10-3 | 速率强化 |
10 | 20 | 0.583 | 0.18×10-3 | 4.97×10-3 | 4.79×10-3 | 速率强化 |
10 | 25 | 0.561 | -0.52×10-3 | 2.43×10-3 | 2.95×10-3 | 速率弱化 |
表2 花岗岩断层泥摩擦本构参数汇总
Table2 Summary of friction constitutive parameters of granite gouge
有效正应力/MPa | 含水率/% | ① | a-b② | a | b | 滑动模式 |
---|---|---|---|---|---|---|
0.5 | 10 | 0.569 | -4.58×10-3 | 1.26×10-3 | 5.84×10-3 | 速率弱化,10μm/s准静态振荡 |
1 | 10 | 0.591 | -4.20×10-3 | 2.10×10-3 | 6.30×10-3 | 速率弱化,10μm/s准静态振荡 |
2 | 10 | 0.632 | -3.52×10-3 | 2.65×10-3 | 6.17×10-3 | 速率弱化 |
5 | 10 | 0.607 | -1.68×10-3 | 4.02×10-3 | 5.70×10-3 | 速率弱化 |
10 | 10 | 0.561 | 1.53×10-3 | 3.94×10-3 | 2.41×10-3 | 速率强化 |
20 | 10 | 0.549 | 1.69×10-3 | 4.37×10-3 | 2.68×10-3 | 速率强化 |
10 | 0 | 0.646 | 0.70×10-3 | 4.59×10-3 | 3.89×10-3 | 速率强化 |
10 | 20 | 0.583 | 0.18×10-3 | 4.97×10-3 | 4.79×10-3 | 速率强化 |
10 | 25 | 0.561 | -0.52×10-3 | 2.43×10-3 | 2.95×10-3 | 速率弱化 |
图7 速率依赖性参数a-b随有效正应力和含水率的变化 a 0.5~20MPa有效正应力(含水率为10%); b 0%~25%含水率(有效正应力为10MPa)。平均值的定义见表2中的表注②
Fig. 7 The variation of the rate-dependent parameter a-b with effective normal stress and water content.
有效正应力/MPa | 含水率/% | ① | 保持时间阈值②/s | ③ | ④ | ⑤ |
---|---|---|---|---|---|---|
0.5 | 10 | 0.576 | 1000 | 0.019 | 0.063 | 0.022 |
1 | 10 | 0.621 | 1000 | 0.015 | 0.034 | 0.012 |
5 | 10 | 0.621 | 1000 | 0.011 | 0.036 | 0.009 |
10 | 10 | 0.604 | 300 | 0.0063 | 0.017 | 0.0055 |
20 | 10 | 0.607 | 300 | 0.0054 | 0.016 | 0.0049 |
10 | 0 | 0.665 | 1000 | 0.0067 | 0.0024 | 0.0061 |
10 | 20 | 0.595 | 300 | 0.0078 | 0.018 | 0.0059 |
10 | 25 | 0.584 | 300 | 0.0073 | 0.019 | 0.0077 |
表3 花岗岩断层泥摩擦愈合参数汇总
Table3 Summary of frictional healing parameters of granite gouge
有效正应力/MPa | 含水率/% | ① | 保持时间阈值②/s | ③ | ④ | ⑤ |
---|---|---|---|---|---|---|
0.5 | 10 | 0.576 | 1000 | 0.019 | 0.063 | 0.022 |
1 | 10 | 0.621 | 1000 | 0.015 | 0.034 | 0.012 |
5 | 10 | 0.621 | 1000 | 0.011 | 0.036 | 0.009 |
10 | 10 | 0.604 | 300 | 0.0063 | 0.017 | 0.0055 |
20 | 10 | 0.607 | 300 | 0.0054 | 0.016 | 0.0049 |
10 | 0 | 0.665 | 1000 | 0.0067 | 0.0024 | 0.0061 |
10 | 20 | 0.595 | 300 | 0.0078 | 0.018 | 0.0059 |
10 | 25 | 0.584 | 300 | 0.0073 | 0.019 | 0.0077 |
图8 摩擦愈合参数 Δ μ p 、 Δ μ w 随保持时间的变化 a 0.5~20MPa有效正应力(含水率为10%); b 0%~25%含水率(有效正应力为10MPa)。空心点代表数据拟合程度一般
Fig. 8 The variations of the friction healing parameters Δμp and Δμw with holding time.
图9 花岗岩断层泥在VS实验下的声发射微裂纹信号计算结果 a、 b 2MPa-10%样品的累计裂纹信号对法向位移的响应及裂纹分类参数累计曲线; c、 d 20MPa-10%样品的累计裂纹信号对法向位移的响应及裂纹分类参数累计曲线
Fig. 9 Calculation of microcrack signals for granite gouge in velocity stepping experiments.
图10 花岗岩断层泥在10MPa有效应力下的裂纹分类参数累计曲线
Fig. 10 Crack cumulative summation curve of granite gouge at effective normal stress of 10MPa. a VS-10MPa-20%; b VS-10MPa-25%; c SHS-10MPa-20%; d SHS-10MPa-25%
图11 变形样品的光学显微结构
Fig. 11 Fabrics of granite gouge after shear deformation as seen in OM image. a VS-1MPa-10%; b VS-2MPa-10%; c VS-10MPa-10%; d VS-20MPa-10%
图12 VS-2MPa-10%下变形样品的扫描电镜显微结构
Fig. 12 Fabrics of granite gouge at 2MPa effective normal stress and 10%water content after velocity stepping experiment as seen in SEM image.
图13 摩擦愈合参数 Δ μ r 随保持时间的变化 a 0.5~20MPa有效正应力(含水率为10%); b 0%~25%含水率(有效正应力为10MPa)
Fig. 13 Frictional healing parameters Δ μ r plotted as functions of the logarithm of hold time.
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