几种模拟断层泥摩擦滑动速度依赖性转换的实验研究

【摘要】：基于速率-状态摩擦定律,速度弱化是断层失稳的必要条件,速度弱化向速度强化的转换控制着断层从不稳定滑动向稳定滑动的转换。因此,断层摩擦滑动的速度依赖性转换是涉及断层带上地震活动特征、地震成核深度等的重要问题。此外,研究表明慢地震的产生可能与断层摩擦从速度弱化向速度强化转换或断层变形从脆性向塑性转换有关。因此,断层带摩擦速度依赖性转换研究不仅对理解断层力学行为与地震活动性有重要的意义,对慢地震机制研究也有重要意义。 为深入理解断层带摩擦滑动速度依赖性转换及其机制,本文选择了几种在室温下可能发生摩擦速度依赖性转换的材料作为断层泥,其中包括硬石膏、岩盐、含白云母的岩盐等,利用双轴摩擦实验对其摩擦滑动的速度依赖性转换进行了研究,并观测了摩擦滑动过程中的声发射,分析了断层带的微观结构,讨论了其地震学意义。获得的主要结果如下。 (1)硬石膏断层带摩擦滑动实验结果表明:σ_2和加载点速度对断层滑动稳定性具有显著影响。在σ_2=5MPa条件下,硬石膏断层带出现不稳定滑动,变形以局部化的脆性破裂和摩擦为主;随σ_2的增加,断层由不稳定滑动向稳定滑动转换,断层带变形方式逐渐转变为分布式的破裂。在σ_2=5MPa条件下,硬石膏断层带在0.01μm/s加载点速度下表现为速度强化且滑动稳定,在0.05~4.5μm/s加载点速度下表现为速度弱化并伴有准周期性的粘滑,在13.5μm/s加载点速度下又有转向速度强化的趋势,σ_2的提高使得速度弱化的范围逐渐减少,滑动趋于稳定。上述两次转换对应不同的声发射特征,在较高速度下从速度弱化转换为速度强化时,断层滑动伴有能量较小但频度很高的声发射活动,而在较低速度下从速度弱化转换为速度强化时,断层滑动伴有间歇性的声发射,这与断层带的微观结构特征有较好的对应关系,表明两次转换机制是不同的。这种间歇性的声发射活动与在断层带附近所观测到的间歇性颤动现象有相似性。因此,实验研究断层带在低速段的速度依赖性转换,特别是揭示转换机制与转换过程中伴随的微破裂和滑移特征,可为慢地震机制提供坚实的物理基础。 (2)岩盐断层带摩擦滑动实验结果表明:干燥岩盐断层带在σ_2=3MPa时,在0.1~100μm/s的速度范围内均表现为粘滑,具速度弱化性质;增大σ_2,断层带在低速下滑动趋于稳定,具速度强化性质,但在高速下断层强度不再符合Byerlee摩擦定律。含水岩盐断层带在σ_2=3MPa的条件下,在1~100μm/s的速度范围内表现为粘滑,具速度弱化性质,而在0.1~0.01μm/s的速度范围内表现为稳滑,具速度强化性质,速度依赖性转换出现在0.1~1μm/s,其中断层表现为震荡或应力释放时间较长的粘滑事件;增大σ_2对断层带的滑动方式和速度依赖性无显著影响。岩盐断层带在干燥条件下表现出很强的声发射活动,每个粘滑均对应一丛声发射事件,而在含水条件下一次粘滑只对应一个声发射事件。显微观察表明,局部化的脆性破裂是速度弱化域的主要变形机制,分布式的碎裂流动是干燥岩盐断层带在速度强化域的变形机制;包括颗粒边界迁移以及压溶作用的塑性变形是含水条件下岩盐断层带在速度强化域的主要变形机制,而脆性破裂和塑性变形共同控制着速度依赖性转换域断层带的变形。水的存在促进岩盐发生塑性变形,进而导致断层带从速度弱化向速度强化转换。鉴于岩盐可以视作硅酸岩的相似物,因此我们的实验结果对于深入研究断层带强度和稳定性转换机制、进而对理解断层带上的地震活动具有重要的参考价值。在速度依赖性转换域观测到的应力震荡和应力释放过程缓慢的粘滑显然是低频失稳现象,这对于慢地震机制研究具有重要意义。 (3)含白云母岩盐断层带摩擦滑动实验结果表明:在干燥条件下,含白云母岩盐断层带在0.1~100μm/s速度范围内表现为粘滑,具速度弱化性质,增大σ_2会使断层带在较低速度下从速度弱化向速度强化转化,速度依赖性转换出现在0.1μm/s,其中断层滑动表现为稳定滑动或应力释放时间较长的粘滑事件。含水条件下,含白云母岩盐断层带在0.05 ~0.01μm/s的加载速度下表现为速度强化,0.1~10μm/s的加载速度下表现为速度弱化,50~100μm/s的加载速度下又转换为速度强化。含白云母岩盐断层带在干燥条件下一次粘滑伴随一个或一丛声发射事件,而在含水条件下与稳定滑动相对应,滑动过程中未观测到任何声发射事件。显微结构分析表明,速度弱化域的主要变形机制是岩盐颗粒的脆性破裂和局部化的滑动;干燥条件下,速度强化域的主要变形机制是岩盐颗粒的均匀破裂,而含水条件下两个速度强化域对应不同的微观机制,高速域的速度强化受控于岩盐颗粒在白云母相互连结形成的网状结构上的滑动及其均匀碎裂作用,而低速域的速度强化还受岩盐的压溶作用控制。通过与岩盐断层带摩擦实验结果对比可知,白云母的存在对干燥岩盐断层带摩擦滑动方式和速度依赖性没有显著影响,但在含水条件下白云母的存在使得岩盐断层带滑动趋于稳定。实验结果为分析含层状硅酸岩断层的地震活动性提供了依据,在速度依赖性转换域观测到的应力释放缓慢的粘滑现象进一步证实了在岩盐断层带摩擦滑动实验中观测到的现象,这对慢地震机制研究具有重要意义。