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《中国地震局地质研究所》 2017年
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碳酸钙溶解度对断层摩擦滑动影响的实验研究

焦裕  
【摘要】:断层带是地震发生过程中变形最强烈的地方,通常伴随地震的发生会产生断层泥。研究表明,断层物质在控制岩石破坏特征方面具有显著作用,因此研究断层泥的成份、结构的变化以及其力学性质随温度、压力、应变速率和流体化学效应的响应,对研究断层带的摩擦强度和滑动方式具有重要意义。本实验在气体介质三轴高温岩石力学实验仪器上,采用辉长岩作为断层带围岩介质,意大利Scaglia Bianca石灰岩为断层泥,在温度范围为50~300°C、围压150MPa,含50MPa孔隙压、无孔隙压含饱和水和完全干燥三种条件下,进行摩擦滑动实验。为了了解样品摩擦滑动稳定性的速度依赖性关系,我们在0.2?m/s和1.0?m/s的速率范围内对样品的摩擦滑动进行了剪切滑移速率的切换。实验结果表明:(1)石灰岩断层泥摩擦滑动稳定性随温度变化,受流体中碳酸钙的溶解和沉淀作用控制。实验力学数据和显微结构表明,完全干燥样品在120°C时出现慢滑移,实验样品中没有出现溶解与沉淀。无孔隙压含饱和水条件下,100°C、120°C、150°C条件下出现典型的慢滑移,实验样品中含有微弱的溶解与沉淀;300°C条件下出现粘滑,实验样品中出现沉淀。在含50MPa孔隙压条件下,50°C时的实验表现为典型的稳滑,实验样品中以溶解为主;在100~150°C时,出现慢滑移,实验样品中以溶解为主,沉淀为辅;在200~300°C时,出现典型粘滑,实验样品中以沉淀为主。(2)应变速率的减小不改变断层泥摩擦滑动性质。在含50MPa孔隙水压50°C温度条件下,断层泥摩擦滑动性质在高速(1.0?m/s)时表现为随时间推移摩擦强度逐渐增大的稳滑,在低速(0.2?m/s)时摩擦强度略有减小,滑动性质表现为稳态稳滑。无孔隙压含饱和水150°C温度条件下,断层泥摩擦滑动性质在高速(1.0?m/s)时表现为随时间推移摩擦强度逐渐增大的稳滑,在低速(0.2?m/s)时摩擦强度略有升高,滑动性质表现为慢滑移。完全干燥120°C温度条件下,断层泥摩擦滑动性质在高速(1.0?m/s)时表现为随时间推移摩擦强度逐渐减小的慢滑移,在低速(0.2?m/s)时摩擦强度略有升高,滑动性质表现为慢滑移。其他条件下应变速率的降低均导致摩擦强度略有提高,摩擦滑动性质不变。(3)峰值摩擦系数和摩擦滑动方式都受方解石在水中的饱和度和沉淀速度控制,随着温度增加,碳酸钙在水中的饱和度增加,沉淀速率增加,断层泥裂隙和孔隙被愈合,导致摩擦系数增大,在150°C时,溶解与沉淀出现转折,对应于摩擦系数的转折。(4)实验力学数据、微观结构分析,结合碳酸钙的溶解和沉淀曲线表明,在50°C时碳酸钙以溶解为主,断层表现为稳定滑动;在100~150°C时以溶解为主沉淀为辅,断层表现为慢滑移;在200~300°C时以沉淀为主,断层表现为粘滑。碳酸钙的溶解与沉淀作用控制了石灰岩断层泥的摩擦滑动方式。
【学位授予单位】:中国地震局地质研究所
【学位级别】:硕士
【学位授予年份】:2017
【分类号】:P315.8

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