含黑云母斷層巖碎屑在熱水條件下的摩擦滑動實驗研究——含弱礦物斷層的力學性質研究

路 珍

（中國地震局地質研究所，北京 100029）

弱斷層的成因一直是一個熱門的問題，而通過實驗室對弱礦物力學性質進行研究是探索弱斷層成因的較直接手段。黑云母是自然界中常見的層狀硅酸鹽礦物，已有室溫條件下的摩擦實驗結果顯示其具有低的摩擦強度。關于黑云母的熔融實驗結果顯示，其可以穩(wěn)定存在的溫度范圍很廣，至少在700℃以內(nèi)可以穩(wěn)定存在。由于其在地殼內(nèi)部地震成核的深度范圍內(nèi)可以穩(wěn)定存在，并且常常出現(xiàn)在斷層巖中，對黑云母在高溫、含水條件下摩擦性質的研究有助于理解弱斷層成因、深部的變形機制、宏觀力學行為以及地震活動。由于黑云母的低強度和片狀結構，在地殼長期變形過程中通常定向排列并形成局部條帶化，在斷層帶內(nèi)形成結構面或葉理面。因此，在了解黑云母本身的力學性質的基礎上，研究斷層帶內(nèi)與黑云母相關的結構面或葉理面對斷層摩擦行為（包含摩擦強度和摩擦穩(wěn)定性）的影響同樣是一個重要的科學問題。

在上述背景下，本次工作選取黑云母和黑云母－石英斷層泥樣品為研究對象，在從低溫到高溫的溫度范圍內(nèi)，分別對純黑云母樣品和黑云母—石英混合樣品的摩擦性質進行了實驗研究，并主要關注其摩擦強度和滑動穩(wěn)定性兩方面的隨溫度的變化。

對于黑云母單礦物斷層泥，我們獲得了其在25℃～600℃的溫度范圍內(nèi)的摩擦系數(shù)，為約0.25～0.44，表現(xiàn)為隨溫度升高而升高的趨勢，與白云母類似，但總體上低于白云母的摩擦強度。黑云母在25℃～200℃表現(xiàn)為速度強化行為，300℃～600℃為速度弱化行為，其中400℃～600℃范圍內(nèi)出現(xiàn)了粘滑行為。利用引入正壓力影響的慢度摩擦本構方程對粘滑行為進行數(shù)值擬合，得到了非常小的｜a－b｜值（a－b＝－0.000 4～－0.000 8）和亞微米級的dc值（0.3～0.8μm）。黑云母單礦物斷層泥樣品表現(xiàn)出3種與溫度相關的變形顯微結構特點。100℃條件下主要表現(xiàn)出脆性變形的特點。從200℃～400℃，表現(xiàn)為剪切破裂帶和表現(xiàn)為扭折的塑性變形共存的特點。對于500℃～600℃條件下，在剪切帶之間同時表現(xiàn)出了強烈變形區(qū)和中等變形區(qū)的特點。

結構面對強度定量影響的研究結果顯示斷層泥中結構面的存在可以很大程度地降低斷層帶的強度。在100℃的條件下，黑云母和石英均勻混合樣品的強度隨著黑云母含量的增多呈線性單調(diào)遞減趨勢，屬于等應變并列支撐的強度結構；而含黑云母層樣品的摩擦強度與黑云母含量呈一個負冪次衰減關系，并且黑云母含量為約5%時就對強度有很明顯的弱化，而含量達到約30%后則對強度影響不再顯著，強度逐漸趨于穩(wěn)定的水平。在相似含量的條件下，黑云母和石英均勻混合斷層泥的強度都在含黑云母層樣品之上，且兩者強度差異在黑云母含量為約19%時達到最大。

含黑云母層樣品和黑云母－石英均勻混合樣品在高溫條件下的摩擦實驗結果對比顯示，黑云母層的存在對斷層帶的強度和滑動穩(wěn)定性仍有重要的影響。含黑云母層樣品的摩擦系數(shù)在25℃～600℃的溫度范圍內(nèi)為約0.4～0.6，表現(xiàn)出隨溫度升高而升高的趨勢。其強度比黑云母單礦物斷層泥樣品高35%左右，強度對溫度的依賴性特征與黑云母單礦物相似。黑云母－石英均勻混合樣品在相同的溫度范圍內(nèi)其摩擦系數(shù)在0.6～0.7之間，且隨溫度變化不顯著，隨溫度增加有微弱升高的趨勢。在200MPa有效正應力條件下，含黑云母層斷層泥的速度依賴性隨溫度升高從速度強化向速度弱化轉變，過渡溫度在200℃左右，其中400℃～600℃出現(xiàn)了粘滑，此時對應的｜a－b｜值很小，平均約為0.000 7，且特征滑動距離dc值也很小，在亞微米的量級（平均值為約0.4μm）。在230MPa的較高有效正應力和600℃條件下，含黑云母層樣品在變形的后期出現(xiàn)了塑性流動的力學特點。對于黑云母和石英均勻混合樣品，其速度依賴性受滑動速率的影響表現(xiàn)出不同的特征，在中速速率下（1.22～0.244μm／s），滑動大多都表現(xiàn)為速度強化行為，速度弱化只出現(xiàn)在200℃；而在慢速速率下（0.244～0.048 8μm／s），速度弱化在200℃、400℃和600℃下都有出現(xiàn)。

在200MPa有效正應力條件下，含黑云母層樣品的變形顯微結構中的剪切變形主要集中在所夾的黑云母層中，其中可見R1、P、Y和B剪切面廣泛發(fā)育。對于黑云母層兩側的石英，也發(fā)生了很大程度的顆粒減小，并可觀察到石英層中隨溫度升高呈現(xiàn)逐漸壓密的趨勢。在500℃和600℃的高溫條件下，兩側石英層中也在局部可見有R1剪切面的發(fā)育。而在230 MPa有效正應力條件下，含黑云母層樣品出現(xiàn)塑性流動行為對應的變形結構顯示剪切帶不但在黑云母層中發(fā)育，在兩側的石英層中也可見較多的R1剪切面發(fā)育，說明塑性流動行為與石英的剪切變形密切相關。對于均勻混合樣品，斷層帶中都廣泛發(fā)育脆性剪切帶，其中R1剪切和B剪切十分常見，并同時有少量P方向和Y方向剪切面的發(fā)育，其中黑云母和石英都受到了剪切變形作用，且黑云母整體顯示出沿P面方向定向排列的特征。顯微結構還顯示溫度的升高可以增強樣品的細粒化程度。

將黑云母單礦物的摩擦滑動特征應用于弱斷層，發(fā)現(xiàn)黑云母低的摩擦系數(shù)并不能用來解釋圣安德烈斯斷層的低強度性質，還需要有超靜水壓的作用。如果孔隙水壓為2.2倍的靜水壓力時，黑云母在斷層帶中的富集連通可能會引起中地殼深度范圍內(nèi)的不穩(wěn)定滑動，造成小震或震顫。

含黑云母層斷層泥的結果更能代表弱斷層帶的實際情況。其對應的斷層剖面強度接近黑云母單礦物斷層泥的結果。與黑云母單礦物相類似，其強度仍不能形成像圣安德烈斯斷層蠕滑段那樣的弱斷層，需以超靜水壓的作用為助力。盡管如此，我們的結果顯示，含黑云母層樣品比均勻混合樣品更接近低強度斷層的性質。我們推測當斷層帶中的黑云母在長期的地殼變形作用下富集并且連通后，可能會引起地震成核深度向中地殼范圍的下移。

黑云母；石英；黑云母弱層；摩擦系數(shù)；摩擦穩(wěn)定性；速度與狀態(tài)本構關系；熱水條件；弱斷層