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《中国地震局地质研究所》 2017年
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含碳断层泥电性特征对低速—高速摩擦滑动响应的实验研究

韩明明  
【摘要】:野外地质调查结果显示,大量的自然断层带富集碳质甚至石墨。碳是一种高导相介质,断层带中碳的种类、含量及其分布结构是影响断层带电性特征的重要参数。针对剪切带中碳物质的种类与含量,前人开展了广泛的研究并取得了丰硕的成果(Zulauf et al.,1990;Manatschal,1999;Craw,2002;Togo et al.,2011;Oohashi et al.,2011;Kuo et al.,2014)。然而,迄今为止,在断层带中碳物质的分布结构特征方面尚未开展系统性的研究,目前认识还很粗浅,有待进一步深入研究。本文在室温及室内湿度、2 MPa正应力条件下,对由不同石墨含量(3、5、6和7 wt%)的石墨-石英粉末构成的断层泥模拟样品(简称模拟样品)开展了滑动速率介于500μm/s-1 m/s的摩擦实验及相应的电导率测量,以期研究断层运动过程对碳分布结构的影响以及断层带电性特征对碳含量及分布的响应情况。同时,对虹口八角庙剖面天然断层泥样品(简称天然样品)开展了滑动速率为1 m/s的摩擦实验及相应的电导率测量,希望加深对断层运动中碳物质转化情况的认识。电导率测试结果显示,初始模拟样品具有低电导率特征,在本文实验条件下,这种特征与石墨含量之间无明显相关性。随摩擦滑动的开始以及滑动距离的不断增加,样品在平行和垂直滑动面方向的电导率表现出显著的差异性特征。在平行滑动面方向上(径向),样品电导率快速增加,随后达到稳定状态。模拟样品径向电导率提升的程度与样品中石墨的含量和滑动距离即剪切应变密切相关。当石墨含量大于5wt%且滑动位移量在数十厘米以上时,样品的电导率数值才可能会有比较明显的提升,并且在样品中的石墨未因发生氧化反应而被消耗的前提下,这种提升与剪切滑动的速率无关。在垂直滑动面方向上(轴向),随滑动距离的增加,所有样品的轴向电导率变化都很小(在一个量级范围内),近乎保持在一个常值水平,甚至略有降低。轴向电导率的变化与样品中的石墨含量和滑动速率之间没有表现出明显相关性。模拟样品在摩擦条件下的力学数据结果显示,在500μm/s-1 m/s的低至高速滑动速率下,模拟样品的稳态摩擦系数与石墨含量之间呈现较好的负相关关系。扫描电镜结构观测(SEM)分析显示,摩擦滑动引起的电导率各向异性直接反映了石墨分布结构的变化。石墨-石英混合模拟样品的导电性主要由石墨形成的导电结构决定。石墨在岩石中的含量以及在颗粒边界的连通状况是提升岩石导电能力的关键。天然样品在空气中(含氧条件)的电导率测量结果暗示,样品中的碳质成分可能因为高速摩擦滑动中的显著升温而发生氧化反应。今后的研究中需要对天然样品开展无氧环境下的高速摩擦实验,更全面地认识断层运动过程对碳物质转化的影响。研究结果能够深化对地震断裂带浅部电性特征的认识,可以为野外断层带大地电磁测深资料的解释提供约束,对于了解含碳断层的力学性质和弱矿物相在剪切变形中的分布特征及其演化过程等也具有重要意义。
【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】:P575

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