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《中国地震局地质研究所》 2017年
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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研究

刘洋  
【摘要】: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。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,我们采集了龙门山破裂带地表破裂的一些天然断层泥样品。这些样品被送往位于北京的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。本研究针对龙门山断层浅层钻探获取的花岗岩体中的两种断层泥进行了摩擦滑动实验研究。一种是黄绿色断层泥(YGG),YGG中约有5%石英,30%长石,15%蒙皂石,3%伊利石,47%绿泥石。还有一种是灰绿色断层泥(GGG),GGG中约有10%石英,45%长石,8%方解石,3%蒙皂石,15%高岭石,19%绿泥石。这两种断层泥中绿泥石含量都较高,所以它们并不是典型的花岗岩蜕变产物。为研究这两种断层泥在断层浅部低正应力条件下的摩擦滑动性质,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5千米深处的静岩压力(岩石密度约为2450千克/立方米)和静水压力(水密度约为1000千克/立方米)。基于龙门山地区的热流值55.3mW/m2(Wang,1996),我们估算该地区一维地热梯度为18.5℃/km。因此,我们把实验温度设为25—150℃,对应龙门山断层带不超过8千米深度范围。摩擦滑动速度在1.22μm/s、0.244μm/s和0.0488μm/s之间切换以获取对速度变化响应的数据。通过与已有的非云母层状硅酸盐矿物总含量相当但矿物不同的天然断层泥的摩擦系数数据对比,表明:1.本实验的天然断层泥YGG显示出速度强化和稳滑特征,在1.22μLm/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。通过数据拟合,我们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。结果表明,YGG的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。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—18μm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。2.本实验的天然断层泥GGG显示出速度强化和稳滑特征,在1.22μm/s下稳态摩擦系数在0.48—0.52之间,稳态摩擦系数随温度的升高而略有上升趋势。在各种温度下,灰绿色断层泥(GGG)的摩擦强度都大于黄绿色断层泥(YGG)的摩擦强度。数据拟合结果表明,GGG的直接响应和愈合效应随温度变化的趋势一致,均为随温度的升高而降低。通过数值拟合得到的灰绿色断层泥(GGG)在不同温度条件下的Dc值在14—24μm之间,其随温度变化的趋势为先上升至100℃时的最大值,然后在150℃略有下降3.从我们样品的稳态摩擦系数可以看出,粘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,可以将不同的非云母层状硅酸盐矿物摩擦强度排序:绿泥石伊利石蒙皂石,绿泥石高岭石。4.YGG天然断层泥样品显示出速度强化行为,参数a-b的平均值在在+0.003—+0.0045之间。这些a-b值随温度升高而增大。GGG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+0.0034—+0.0052之间。这些a-b值随温度升高而基本不变。在各种温度下,GGG的a-b值均大于YGG的a-b值。5.本研究的实验条件对应龙门山地区温度不超过150℃,深度不超过8千米的浅地壳环境,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。基于此可得出结论:龙门山断裂带的切过已有的深度不过8千米的碎屑岩的断层可能产生稳定粘滞滑动的阻力,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。
【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】:P588.121

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