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含黑云母断层岩碎屑在热水条件下的摩擦滑动实验研究——含弱矿物断层的力学性质研究_杂志文章
含黑云母断层岩碎屑在热水条件下的摩擦滑动实验研究——含弱矿物断层的力学性质研究
发布时间:2018-01-21浏览次数:171返回列表

路 珍

(中国地震局地质研究所,北京100029)

中图分类号: P315.2;  文献标识码: A;  doi:10.3969/j.issn.0235-4975.2015.06.014

弱断层的成因一直是一个热门的问题,而通过实验室对弱矿物力学性质进行研究是探索弱断层成因的较直接手段。黑云母是自然界中常见的层状硅酸盐矿物,已有室温条件下的摩擦实验结果显示其具有低的摩擦强度。关于黑云母的熔融实验结果显示,其可以稳定存在的温度范围很广,至少在700℃以内可以稳定存在。由于其在地壳内部地震成核的深度范围内可以稳定存在,并且常常出现在断层岩中,对黑云母在高温、含水条件下摩擦性质的研究有助于理解弱断层成因、深部的变形机制、宏观力学行为以及地震活动。由于黑云母的低强度和片状结构,在地壳长期变形过程中通常定向排列并形成局部条带化,在断层带内形成结构面或叶理面。因此,在了解黑云母本身的力学性质的基础上,研究断层带内与黑云母相关的结构面或叶理面对断层摩擦行为(包含摩擦强度和摩擦稳定性)的影响同样是一个重要的科学问题。

在上述背景下,本次工作选取黑云母和黑云母-石英断层泥样品为研究对象,在从低温到高温的温度范围内,分别对纯黑云母样品和黑云母—石英混合样品的摩擦性质进行了实验研究,并主要关注其摩擦强度和滑动稳定性两方面的随温度的变化。

对于黑云母单矿物断层泥,我们获得了其在25℃~600℃的温度范围内的摩擦系数,为约0.25~0.44,表现为随温度升高而升高的趋势,与白云母类似,但总体上低于白云母的摩擦强度。黑云母在25℃~200℃表现为速度强化行为,300℃ ~600℃ 为速度弱化行为,其中400℃~600℃范围内出现了粘滑行为。利用引入正压力影响的慢度摩擦本构方程对粘滑行为进行数值拟合,得到了非常小的|a-b|值(a-b=-0.0004~-0.0008)和亚微米级的犱犮值(0.3~0.8μm)。黑云母单矿物断层泥样品表现出3 种与温度相关的变形显微结构特点。100℃条件下主要表现出脆性变形的特点。从200℃~400℃,表现为剪切破裂带和表现为扭折的塑性变形共存的特点。对于500℃~600℃条件下,在剪切带之间同时表现出了强烈变形区和中等变形区的特点。

结构面对强度定量影响的研究结果显示断层泥中结构面的存在可以很大程度地降低断层带的强度。在100℃的条件下,黑云母和石英均匀混合样品的强度随着黑云母含量的增多呈线性单调递减趋势,属于等应变并列支撑的强度结构;而含黑云母层样品的摩擦强度与黑云母含量呈一个负幂次衰减关系,并且黑云母含量为约5%时就对强度有很明显的弱化,而含量达到约30%后则对强度影响不再显著,强度逐渐趋于稳定的水平。在相似含量的条件下,黑云母和石英均匀混合断层泥的强度都在含黑云母层样品之上,且两者强度差异在黑云母含量为约19%时达到最大。

含黑云母层样品和黑云母-石英均匀混合样品在高温条件下的摩擦实验结果对比显示,黑云母层的存在对断层带的强度和滑动稳定性仍有重要的影响。含黑云母层样品的摩擦系数在25℃~600℃的温度范围内为约0.4~0.6,表现出随温度升高而升高的趋势。其强度比黑云母单矿物断层泥样品高35% 左右,强度对温度的依赖性特征与黑云母单矿物相似。黑云母-石英均匀混合样品在相同的温度范围内其摩擦系数在0.6~0.7之间,且随温度变化不显著,随温度增加有微弱升高的趋势。在200 MPa有效正应力条件下,含黑云母层断层泥的速度依赖性随温度升高从速度强化向速度弱化转变,过渡温度在200℃ 左右,其中400℃ ~600℃出现了粘滑,此时对应的|a-b|值很小,平均约为0.0007,且特征滑动距离犱犮值也很小,在亚微米的量级(平均值为约0.4μm)。在230 MPa的较高有效正应力和600℃条件下,含黑云母层样品在变形的后期出现了塑性流动的力学特点。对于黑云母和石英均匀混合样品,其速度依赖性受滑动速率的影响表现出不同的特征,在中速速率下(1.22~0.244μm/s),滑动大多都表现为速度强化行为,速度弱化只出现在200℃;而在慢速速率下(0.244~0.0488μm/s),速度弱化在200℃、400℃和600℃下都有出现。

在200MPa有效正应力条件下,含黑云母层样品的变形显微结构中的剪切变形主要集中在所夹的黑云母层中,其中可见R1、P、Y和B剪切面广泛发育。对于黑云母层两侧的石英,也发生了很大程度的颗粒减小,并可观察到石英层中随温度升高呈现逐渐压密的趋势。在500℃和600℃ 的高温条件下,两侧石英层中也在局部可见有R1 剪切面的发育。而在230MPa有效正应力条件下,含黑云母层样品出现塑性流动行为对应的变形结构显示剪切带不但在黑云母层中发育,在两侧的石英层中也可见较多的R1 剪切面发育,说明塑性流动行为与石英的剪切变形密切相关。对于均匀混合样品,断层带中都广泛发育脆性剪切带,其中R1剪切和B剪切十分常见,并同时有少量P方向和Y方向剪切面的发育,其中黑云母和石英都受到了剪切变形作用,且黑云母整体显示出沿P面方向定向排列的特征。显微结构还显示温度的升高可以增强样品的细粒化程度。

将黑云母单矿物的摩擦滑动特征应用于弱断层,发现黑云母低的摩擦系数并不能用来解释圣安德烈斯断层的低强度性质,还需要有超静水压的作用。如果孔隙水压为2.2倍的静水压力时,黑云母在断层带中的富集连通可能会引起中地壳深度范围内的不稳定滑动,造成小震或震颤。

含黑云母层断层泥的结果更能代表弱断层带的实际情况。其对应的断层剖面强度接近黑云母单矿物断层泥的结果。与黑云母单矿物相类似,其强度仍不能形成像圣安德烈斯断层蠕滑段那样的弱断层,需以超静水压的作用为助力。尽管如此,我们的结果显示,含黑云母层样品比均匀混合样品更接近低强度断层的性质。我们推测当断层带中的黑云母在长期的地壳变形作用下富集并且连通后,可能会引起地震成核深度向中地壳范围的下移。

关键词 黑云母;石英;黑云母弱层;摩擦系数;摩擦稳定性;速度与状态本构关系;热水条件;弱断层

(作者电子信箱,路珍:lzzhen828@163.com)

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