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高温高压条件下辉长岩的摩擦速率依赖性研究

陶青峰  
【摘要】:从变形机制的角度可将地球的岩石圈从上到下分为:脆性带、脆塑性转换带、塑性带,而且随着岩性和深度的变化,这种成层结构会反复出现。在脆性带中有很多断层发育,因此脆性带的强度是由断层带的摩擦强度决定的。全球大部分地震都是浅源的,发生在脆性岩石圈中。滑动不稳定性即粘滑是浅源地震的一种可能机制。因此滑动稳定性的研究对理解地震形成和发生的机制具有重要意义。前人有关摩擦本构关系的研究揭示了摩擦对速率的依赖关系并提出了速率及状态依赖的摩擦本构关系,即稳态摩擦与速率的对数线性相关,而且由于条件不同,既可能正相关(速度强化),也可能是负相关(速度弱化)。速度弱化是粘滑产生的必要条件,而且摩擦滑动成核的研究表明,速度弱化也是摩擦滑动成核的前提条件。早期对粘滑产生的温度、压力、流体等条件进行了一些实验研究。但是由于粘滑还依赖于摩擦滑动的周围刚度,而不同实验系统的刚度各不相同,因此早期的滑动稳定性实验不能完全反映所测岩石的摩擦稳定性本质。摩擦速率依赖性完全不依赖于周围刚度(实验室压机刚度),因此摩擦速率依赖性的实验研究更能揭示摩擦滑动的本质。目前对代表上地壳的花岗岩已进行了比较详细的摩擦速率依赖性的实验研究。但是对于下地壳的基性岩石的滑动稳定性研究很少,且尚未见有基性岩石的摩擦速率依赖性实验研究的报导。因此本研究选择了一种典型的基性岩石—辉长岩进行高温高压条件下的摩擦速率依赖性的实验研究。 一 实验方法及实验结果 在气体介质的三轴高温高压系统上对辉长岩进行了摩擦速率依赖性研究。样品为圆柱状,长40mm,直径20mm。样品中间的断层面是预先切好且是磨光面,中间加入了1mm厚的模拟断层泥(同样品的辉长岩粉末)。实验在两种正应力恒定条件下进行的,分别为200MPa和300MPa。实验的温度范围从23℃到645℃,摩擦速率分别为1×10~(-4)mm/s和1×10~(-3)mm/s(轴向滑动速率)。 在两种正应力条件,摩擦强度的整体趋势都是随着温度增加而降低,在小于420℃的条件下,变化较小。在正应力为200MPa的条件下,从50℃到650℃都是速度强化的,即摩擦强度与速率之间是正相关的关系,在427℃时,速率依赖性最大。在正应力300MPa条件下,辉长岩的摩擦速率依赖性在不同的温度条件下变化很大。从103℃到264℃,速率依赖性为正,但是随着温度的增加而减小。在274℃到360℃的温度范围内,速度依赖性小于零或接近零,即滑动摩擦在这一温度范围内出现速度弱化或无速率依赖性。从360℃到475℃,随着温度的增加,速率依赖性大幅增加,在475℃出现了整个实验温度范围内的最大值。温度大于475℃后,速率依赖性减小,在528℃和612℃,速率依赖性已经接近和等于零。 镜下观测发现,在实验的所有温度条件下都出现了R1剪切面。R1剪切面与边界面的夹角和摩擦强度有一定的相关性,总体趋势是随着摩擦强度的降低而降低。随着温度增加,边界剪切作用增强,Y剪切面变宽,分布变形增强,局部化变形减弱。 二 实验结果的应用和讨论 本研究得出辉长岩在23℃到645℃条件下的摩擦系数。在小于420℃条件下,摩擦系数随着温度的增加变化很小,近似与Byerlee定律相符,即摩擦系数与温度无关。但是在大 摘要 于420℃的条件下,随着温度的增加,摩擦系数大幅度减小,在520℃减小到最小值,温度 再增加,摩擦系数又开始增加。因此,在大于420℃条件下,温度对摩擦系数的影响不可 忽略。一般断层的摩擦强度通过Byerlee定律来估计,不考虑温度影响。但是,本研究的 结果表明,当断层的温度在大于420℃条件下其强度是不能忽略温度的影响。本文分别用 Byerlee定律和本研究的结果对黄弊凹陷和张北地区的断层的强度进行了估计,发现对这 两个地区分别在22腼和30km以下断层的摩擦强度比byerlee定律估计得到的摩擦强度低 得多。 本研究发现了在正应力为300MPa的条件下,干的辉长岩的摩擦速率依赖性在260℃出 现了负值。前人对花岗岩的研究表明,在100℃一350℃范围内,花岗岩的速率依赖性为负 值。摩擦滑动稳定性的理论分析以及摩擦滑动成核的理论研究表明,摩擦滑动速率依赖性 小于0(速度弱化)是粘滑和摩擦滑动成核的必要条件。本文综合花岗岩和辉长岩的摩擦 速率依赖性结果,以350℃作为速度弱化向速度强化转变的温度,分别得出了黄弊凹陷和 张北地区的最大成核深度为巧.8恤和21.1物。 了


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