水熱條件下含橄欖石大洋玄武巖的摩擦特性實驗研究

張鈺曼, 張雷, 何昌榮

1 中國地震局地質研究所地震動力學國家重點實驗室, 北京 100029

2 西藏自治區地震局, 拉薩 850000

0 引言

大型俯沖帶地震(MW>8.0)通常發生在板緣的逆沖斷層上,與此類地震有關的地面震動和海嘯給人類帶來了巨大的災難.自從Brace和Byerlee(1966)在高壓實驗中揭示了類似天然地震的黏滑失穩現象以來,地震過程作為一種不穩定的摩擦失穩現象被普遍接受(Scholz,1988).基于此認識,目前對于地震力學機制的探索,主要依賴于巖石摩擦實驗方面的研究.

隨著速率與狀態依賴的巖石摩擦本構關系的建立(Dieterich, 1979; Ruina,1983),斷層力學與地震學科方面取得了一些突破性的認識.其中一個最重要的進展是對不穩定錯動成核(地震成核)根源的認識,即只要斷層滑動過程中剪切強度的穩態值與滑動速率具有負的相關性(速度弱化),斷層在加載過程中會出現局部加速成核現象,最終造成動態破裂擴展從而形成地震(Okubo and Dieterich, 1986; Dieterich, 1992; Rice and Tse, 1986).由此可以看出,在速率-狀態摩擦理論框架下,斷層的穩定和不穩定滑動具有了定量化的判據,而地震的成核過程也具有了明確的物理基礎 (Okubo and Dieterich, 1986; Dieterich, 1992).

為了更好地理解俯沖帶從淺到深各種復雜的斷層滑動行為,最近的實驗研究集中在調查大洋沉積物的摩擦特性(Saffer et al.,2012;Kurzawski et al.,2018;Rabinowitz et al.,2018;Boulton et al.,2019),比如退變質生成的層狀硅酸鹽礦物(Sawai et al.,2016;Fagereng and Ikari,2020;Okamoto et al.,2020)和含水的角閃石礦物(Liu and He,2020).目前的認識是,俯沖過程中的剪切應變會通過相對較弱的黏土礦物和層狀硅酸鹽礦物的剪切變形所進行.另一方面,對俯沖帶斷層的野外調查研究顯示,當俯沖斷層發生同震破裂時,作為海洋地殼的主要組成部分的玄武巖,其碎屑塊體通常夾帶在俯沖帶斷層的剪切帶中,其尺寸從厘米到千米不等(Shelly et al.,2006;Fagereng et al.,2010).對于俯沖帶野外露頭的研究發現目前地震學所觀測到的震顫和慢滑移現象可能與發現的構造混雜巖中的基質(其中含層狀硅酸鹽礦物的連通性網狀結構)和塊體(主要是基性玄武巖)的顯著不同的摩擦力學行為有關 (Hayman and Lavier, 2014; Fagereng et al., 2014).大量的野外觀察證據表明,構造混雜巖剪切帶中的形變在能干和非能干材料之間進行分配,局部的剪切應變發育于能干塊體內,彌散的剪切應變發育在弱基質中(Fagereng et al.,2010).Phillips等(2020)在結合野外觀察和構造混雜巖剪切變形的數值模擬的研究中提到,俯沖帶構造混雜巖中的玄武巖被弱礦物所包圍,在板片俯沖過程中引起的應力集中會促使玄武巖發生不穩定的錯動成核并最終產生破裂,但是其破裂傳播過程被周圍的弱礦物所抑制和中斷,從而在宏觀上表現為慢地震現象.與此同時,Vannucchi等(2022) 提出了一種與傳統認識相反的變形模式來解釋俯沖帶深部慢滑移和震顫事件的成因.在他們的模型中,相對較弱的塊體(低內聚力,高黏滯系數)夾雜在具有更高破裂強度的基質之中(高內聚力,低黏滯系數).在剪切變形過程中,穩態蠕滑的基質對塊體的加載會導致脆性破裂的反復發生,從而產生慢地震現象.以上的研究發現為解釋俯沖帶深部的慢地震事件提供了不一樣的視角,同時再次指出了探討水熱條件下的玄武巖的摩擦特性對于理解俯沖帶復雜的滑動行為及機制的重要性.

然而,相較于對地殼花崗巖(Lockner et al., 1986; Blanpied et al., 1991, 1995)和基性輝長巖(何昌榮等,2004;He et al., 2006, 2007)等主要地殼巖石的系統實驗研究,到目前為止,玄武巖作為俯沖洋殼的主要組成部分,其在不同的溫度和壓力范圍條件下的摩擦特性,包括摩擦強度和摩擦滑動穩定性的實驗研究尚不夠充分.Ikari等(2020)對日本東南部的Nankai海溝出露的該區域基底巖石進行了室溫條件下的摩擦實驗研究.實驗結果表明,蝕變玄武巖在室溫條件下主要表現為速度強化的摩擦行為,從而可以抑制俯沖帶斷層淺部的自發地震成核.Okuda等(2013)開展了水熱條件下的蝕變玄武巖摩擦實驗研究,發現在100～450 ℃的溫度區間內,蝕變玄武巖表現出速度弱化的不穩定摩擦滑動行為,并且其摩擦強度系數在550℃條件下可以減小到0.3.上述的實驗表明在不同的溫度和壓力條件下蝕變玄武巖的摩擦特性會產生顯著的改變.Zhang等(2017) 的最新實驗研究發現在50 MPa的有效正壓力和100 MPa流體壓力條件下,玄武巖在300～600℃條件下可以表現出速度弱化的不穩定摩擦滑動行為以及周期性的黏滑事件.與蝕變玄武巖相比,玄武巖摩擦系數在100～600℃條件下為0.7～0.75,沒有表現出顯著的溫度依賴性.在水熱條件下蝕變玄武巖和玄武巖的摩擦特性隨溫度變化的顯著差異表明斷層泥礦物成分的改變會顯著地影響其摩擦力學性質(Okuda et al., 2013; Zhang et al., 2017).

鑒于礦物成分對力學行為影響的重要性以及不同礦物的混雜可能引起的化學反應,本次實驗研究選用了含有微量橄欖石礦物的玄武巖樣品,與Zhang等(2017)所用樣品有所不同,其細節如實驗方法中所述.在實驗條件方面,近年來地震學的觀測研究發現俯沖板片深部慢滑移和震顫區域存在著地震波低速異常和較高的VP/VS比值,這暗示著有俯沖斷層中高壓孔隙流體的存在(Shelly et al., 2006; Audet et al., 2009),鑒于此,在本研究中我們施加了100 MPa的孔隙水壓力.與此同時,與Zhang等(2017)的實驗條件相比,本研究將有效正壓力從50 MPa提高到150 MPa,從而探索在俯沖帶斷層深部的高壓流體環境和高有效壓力條件下玄武巖摩擦滑動行為的變化.

1 實驗方法

1.1 實驗樣品

本次實驗使用的玄武巖樣品取自國際海洋發現計劃(IODP)349航次的U1433B鉆探孔(圖1),取芯編號為66R1W,取樣深度為海平面下805～812 m.經過XRD譜圖分析和樣品薄片的掃描電子顯微鏡的EDS譜圖觀察發現,該樣品的主要礦物組成為：65%鈣長石、27%單斜輝石、8%橄欖石和少量鈦鐵礦(圖2).

1.2 裝樣流程和步驟

此次實驗在氣體介質高溫高壓三軸實驗系統下完成(圖3).上下圍巖均為長40 mm,直徑20 mm的輝長巖圓柱體,且上圍巖中間鉆單孔以供孔隙流體進入,中間切面呈35°角.玄武巖樣品粉碎后過200目篩控制粒度,厚度控制在1 mm.

實驗共設有六組,在有效正壓力150 MPa和孔隙水壓力100 MPa條件下,分別進行100～600 ℃下的摩擦實驗.在實驗的初始階段,均設置加載速率為1 μm·s-1,待過彈性加載階段后,調節加載速率在1 μm·s-1、0.2 μm·s-1和0.04 μm·s-1之間切換.實驗后將銅管拆除,把樣品注膠后切片做成薄片,以便后續進行其微觀結構的觀察分析.

1.3 速率和狀態依賴的摩擦本構方程

為了在理論上深入分析本實驗研究所獲的力學數據以及其理論意義,我們將在數據分析中以速率與狀態變量相關的摩擦定律為理論框架(Dieterich, 1978;Ruina, 1983).在此框架下,廣義上的摩擦系數μ=τ/σ可描述為速率v和狀態θ的函數：

μ=μ*+aln(v/v*)+bln(θ/θ*),

(1)

(2)

μss=μ*+(a-b)ln(v/v*) ,

(3)

該穩態表達式可以判斷斷層-彈性圍巖系統的摩擦滑動穩定性：當(a-b)>0時,摩擦系數與滑動速率正相關,稱之為速度強化;而當 (a-b)<0時,稱之為速度弱化.速度弱化是巖石在摩擦滑動過程中發生自發性不穩定滑動的必要條件(Ruina, 1983), 也是緩慢構造加載過程中地震在斷層面上自發成核的必要條件(Dieterich, 1992; Rice and Tse, 1986).

圖1 中國南海地區水位等深圖(Zhang et al., 2017)實心圓點為IODP遠征349的鉆探地點,其中實心紅色圓點為本次樣品鉆探孔位置U1433.

圖2 玄武巖樣品的EDS圖譜(主要有鈣長石、單斜輝石、橄欖石和少量鈦鐵礦)

圖3 三軸實驗樣品組裝和加溫裝置

速率和狀態摩擦本構關系對地震的孕育過程,成核過程和同震破裂過程(Dieterich, 1994; Scholz, 2002)乃至震后的整個動力學過程研究都有重要的理論支撐作用(Rice, 1993; Ben-Zion and Rice, 1997; Lapusta and Rice, 2003; Lapusta and Liu, 2009).

2 實驗結果

2.1 力學數據

100～300 ℃溫度條件下的摩擦系數與剪切位移關系如圖4所示,三組實驗的總剪切位移都超過3 mm.樣品在100～200 ℃條件下主要表現為穩定的速度強化的摩擦滑動行為,隨著剪切位移的增加,后期速率切換時則由速度強化轉變為微弱的速度弱化(圖4,7);當溫度升高到300 ℃時,樣品在0.2～0.04 μm·s-1的速率區間內出現周期性的震蕩滑動現象,這也是典型的速度弱化摩擦滑動行為的表現.

隨著溫度的繼續升高,速度依賴性從400 ℃起表現出隨位移的演化趨勢,由初始的速度弱化轉變為速度強化,并且伴隨著顯著的滑移弱化行為,即摩擦強度隨著位移的增加而減小.在實驗過程中,為了觀察滑移弱化的趨勢是否能達到穩態,加載速率切換至0.04 μm·s-1后就保持不變,直至實驗結束,但是摩擦強度始終未達到穩態值(圖5).在400 ℃的補充實驗中(實驗曲線見圖6),當剪切速率由0.04 μm·s-1切換到0.2 μm·s-1時,滑移弱化現象消失.當由0.2 μm·s-1切換到1.0 μm·s-1s時實驗曲線在該速率下表現出相反的滑移強化現象.從0.2～1.0 μm·s-1的速率切換臺階中,斷層泥始終表現出顯著的速度強化現象,其(a-b)值約為0.0236(圖7).在500～600 ℃下,初始階段的速率切換中,玄武巖均表現出速度弱化現象(圖5,圖7),而后隨著位移增加,在0.04 μm·s-1的剪切速率下出現滑移弱化現象;在600 ℃下時,玄武巖在初始的0.2 μm·s-1的速率階躍下出現了長周期的慢滑,而當剪切速率切換至0.04 μm·s-1時長周期的慢滑現象逐漸消失,表現出持續的滑移弱化.

圖4 100～300 ℃下的摩擦強度系數(μ)和剪切位移的實驗曲線

圖6 300～400 ℃條件下的不穩定滑動的數值擬合結果

圖7 速率依賴性參數(a-b)隨溫度的變化趨勢圖中紅色符號表示該(a-b)值為在實驗最后一個臺階處計算得到.青色矩形區數據表示其中的(a-b)值是通過數值擬合得到.

圖8 摩擦強度系數隨溫度的變化趨勢

本次實驗在剪切位移分別為1.7 mm和2.3 mm處讀取了0.2 μm·s-1速率條件下的摩擦強度數值(圖8).結果表明,高溫時(>400 ℃)的摩擦強度前后差值明顯高于低溫條件下的前后差值.對比之前Zhang等(2017)的玄武巖實驗結果來看,1.7 mm處的摩擦強度均低于之前的結果.而最大的不同是本次實驗的摩擦強度隨著溫度升高出現了長距離的滑移弱化現象,并且這種滑移弱化在整個實驗過程中一直未達到穩態值.

2.2 變形樣品的微觀結構分析

為了對上述滑移弱化現象的出現做更細致的研究,我們對實驗后的樣品通過切片進行了微觀結構觀察.大范圍電鏡掃描圖表明,低溫和高溫的顯微構造明顯不同(圖9).100～200 ℃下整體呈均勻分布的Riedel型剪切及較明顯的邊界剪切,剪切帶中的顆粒明顯變細,以脆性的破裂變形為主(圖10a);300 ℃下的局部Riedel型剪切非常強烈,剪切帶附近同樣呈現強烈的細粒化現象.結合實驗力學數據,我們可以發現100～200 ℃條件下較均勻的Riedel型剪切帶的發育與其速度強化的力學行為相對應,而在300 ℃條件下的強烈局部化剪切帶的發育與速度弱化行為相對應.

圖9 100～600 ℃變形樣品的微觀結構圖(其中白色實線為邊界剪切區域,暗黃色粗實線為貫通的R剪切,都可看到局部剪切后的細粒化現象.紅色圓圈對應圖10放大圖像)

當溫度升高到400 ℃,這種局部的剪切變形就不再明顯,總體呈現壓實狀態,斷層泥厚度減小,大范圍顆粒減小,有個別大顆粒鑲嵌其中,但持續放大后發現,局部有水巖反應產物;在500～600 ℃下,斷層泥層中細粒化結構較發育的區域分別位于其上下邊界附近,整體來看沒有明顯的局部剪切特征.在600 ℃條件下,在左旋剪切變形過程中,破碎顆粒出現旋轉和拉伸現象,其整體形態類似糜棱巖的S-C組構. 通過局部顯微照片可以發現水巖反應現象(圖10b),并且隨著溫度的升高,析出的白色顆粒增大,數量增多,分布區域也相應增大增多.總體來看,隨著溫度升高到400～600 ℃,斷層泥由300 ℃條件下的強烈的脆性局部剪切變形轉變為斷層泥整體的半脆性的剪切變形,并且斷層泥的孔隙度隨著溫度升高而降低.其中,斷層泥的剪切變形由顯著的局部剪切向彌散型剪切的轉變與實驗中玄武巖由速度弱化向速度強化的轉變相對應.

從實驗數據來看,400 ℃起開始出現滑移弱化現象,根據前人研究經驗(Phillips et al., 2020),我們在這里考察這種摩擦性質與生成的弱礦物是否具有因果關系.首先為了排除原巖中存在弱礦物,除了前述的礦物成分分析,我們也對原巖切片進行了觀察(圖11),可以看到在原巖中存在少量形態比較特殊的礦物區塊,觀察顯示除了輝石和斜長石外,還有顯示為白色塊狀以及零星粒狀的鈦鐵礦,屬于原巖存在的一種結構形態,并無特殊礦物存在,且類似區域分布較少,因此可基本排除原巖存在弱礦物的可能性.

為了驗證弱礦物的存在,我們對400 ℃、500 ℃和600 ℃的樣品進行更加細致的局部化觀察,重點對形態區別于周圍的地方進行了拉曼光譜分析(圖12,13),譜值見圖14.以600 ℃的結果為例分析結果如下(圖12).

圖10 (a) 100 ℃放大圖,主要為細粒化變形; (b) 600℃放大圖,主要為退變質反應(以白色顆粒為標志)

圖11 原巖整體切面及局部放大顯微結構圖

圖12 600 ℃下變形樣品進行的拉曼光譜分析區域a、b、c和d

圖13 圖12中b區域光譜位置圖(a) 鮞綠泥石; (b) 橄欖石; (c) 含鐵鋰藍閃石; (d) 輝石.

圖14 圖13a處的拉曼光譜分析圖,其中在552 cm-1處發現斜綠泥石-鮞綠泥石固溶體系列的代表性峰值(Arbiol et al., 2021)

以圖12中b區域為例,發現其內部可能有斜綠泥石-鮞綠泥石固溶體生成(圖13a)(圖14中波數為552 cm-1的成分),推測是由周圍輝石蝕變生成,但由于顆粒太小,在a、c和d區域都沒有發現,所以并不能有決定性結論,但在這些疑似有生成物的區域內,都有橄欖石(圖13b)和含鐵鋰藍閃石(圖13c)存在,或許橄欖石對新礦物生成起到催化作用.

3 討論

由上述實驗結果可見,在150 MPa有效正壓力條件下,該玄武巖樣品的摩擦系數和速度依賴性參數(a-b)值隨溫度的變化趨勢與Zhang等(2017)的結果有著顯著差異(圖7,8).在100～300 ℃溫度范圍內,玄武巖樣品的速度依賴性參數(a-b)值隨溫度的變化與先前的實驗結果比較接近.當溫度升高到400～600 ℃時,玄武巖的(a-b)值在初始階段表現出微弱的速度弱化的摩擦力學行為,并且伴隨著長周期的振蕩.但是隨著位移的增加,本次實驗結果表現出的顯著的(摩擦強度的)位移弱化和顯著的速度強化的力學特征,與Zhang等(2017)中顯著的速度弱化力學結果和黏滑現象產生了強烈對比.與Zhang等(2017)的實驗相比,在本次研究中實驗條件的不同主要為：有效正壓力由50 MPa增加到150 MPa;本次玄武巖樣品中含有橄欖石礦物.基于以上兩點不同,我們對影響玄武巖摩擦力學性質的因素進行討論.通過顯微構造分析我們發現,斷層泥中局部會出現由水巖反應所生成的弱的層狀硅酸鹽礦物鮞綠泥石.前人對于含有弱層狀硅酸鹽礦物且初始均勻混合的斷層泥的實驗研究結果發現,當弱礦物的體積含量達到20%～30%時,才會形成連續的貫通的局部剪切構造,從而對其摩擦特性包括摩擦強度和速度依賴性產生顯著的影響(Tembe et al., 2009; Zhang and He, 2013).然而,當弱礦物在局部剪切帶中富集并形成貫通的剪切組構時,微量的弱礦物(<10%)也會顯著的弱化斷層泥的剪切強度(Collettini et al., 2009; Niemeijer et al., 2010; Lu and He, 2018).在顯微構造分析中,我們通過拉曼光譜分析識別出了斷層泥在剪切變形過程中通過水巖反應生成的弱礦物鮞綠泥石.但是其含量很低,并且在斷層泥中并沒有形成貫通的剪切帶,因此我們認為新生成的弱礦物不會顯著的影響玄武巖的摩擦力學性質.

顯微構造觀察也發現隨著溫度的升高,斷層泥的剪切變形逐漸由局部的剪切變形向均勻的彌散型剪切變形轉變,與此同時伴隨著孔隙度的顯著降低,因此我們推斷剪切強度的位移弱化現象與塑性變形過程有關,比如流體參與下的顆粒間的壓溶過程.與Zhang等(2017)的結果相比,由于在本實驗中有效正壓力從50 MPa增加到約150 MPa,有效正壓力的增加會顯著增大脆性摩擦強度,從而會促進顆粒間壓溶蠕變的發生(Yasuhara et al., 2003).當溫度升高到400～600 ℃時,粒間的壓溶過程會對斷層泥整體的剪切變形產生顯著影響,從而控制了玄武巖的摩擦力學特性,比如速率切換時表現出的塑性變形特征以及顯著的速度強化的摩擦行為.

在高溫條件下(400～600 ℃),斷層泥的剪切強度同時表現出隨位移的弱化現象.在此,我們結合壓溶變形過程和有效正壓力定律以及斷層泥粒徑隨剪切位移的演化來給出可能的機制.在含水條件下,有效正壓力定律可以表示為

σeff=σn-αPf,

(4)

其中,α表示孔隙流體壓力Pf的權重系數,其通常與顆粒之間接觸面積有關.一般情況下,α=1,此時有效正壓力可以表示為σeff=σn-Pf.與此同時,前人的研究指出隨著溫度和壓力的升高,當顆粒間的屈服強度逐漸降低并接近施加的正壓力時,α值會逐漸減小;當接近脆塑性轉換帶深度時,α值會趨近于零(Hirth and Beeler, 2015;Beeler et al., 2016).在本研究中孔隙水壓保持恒定,因此我們關注α的變化對于有效正壓力的影響.隨著溫度的升高,在T>400 ℃條件下,玄武巖剪切變形過程中的粒間壓溶變形過程顯著的控制了斷層泥的摩擦力學性質.隨著溫度的升高,粒間接觸處發生塑性變形的屈服強度降低,α值逐漸減小.根據有效正壓力定律,局部的有效正壓力σeff會隨著α值減小而增大,從而會進一步增大脆性摩擦強度.與此同時,隨著剪切位移的增大,顆粒粒徑在磨蝕作用下(包括脆性破裂和亞臨界裂紋擴展)會不斷減小,由于壓溶蠕變速率表現出顯著的對顆粒粒徑的敏感性(Niemeijer et al., 2009),從而會顯著地增大壓溶蠕變速率.上述兩個過程包括有效正壓力增加和壓溶蠕變速率的增大都會促使剪切變形更多地通過粒間壓溶過程來進行,進而在整體力學曲線上表現出剪切強度隨位移的持續弱化現象.

4 結論

在本次研究中,我們選取IODP349航次含橄欖石玄武巖鉆探樣品開展了水熱條件下的摩擦實驗研究,實驗溫度范圍為100～600 ℃,有效正壓力和孔隙水壓分別為150 MPa和100 MPa,以此探討了在俯沖帶深部水熱條件下玄武巖的摩擦力學特性.

實驗中含橄欖石玄武巖的摩擦強度系數在100～300 ℃條件下約為0.65～0.67.隨著溫度升高到400～600 ℃,玄武巖斷層泥的摩擦系數表現出顯著的位移弱化現象.在3 mm的剪切位移范圍內,摩擦系數的變化范圍為0.7～0.55.在摩擦滑動穩定性方面玄武巖樣品在300～400 ℃的溫度條件下表現出不穩定的周期性震蕩(慢黏滑事件),在400 ℃條件下隨著剪切位移的進行,震蕩現象消失,在速率切換向上切換時表現出顯著的速度強化摩擦滑動行為.通過微觀剪切變形觀察,我們發現隨著溫度的升高,斷層泥的剪切構造表現出由局部化剪切向整體彌散性剪切變形的轉變,并且伴隨著孔隙度的顯著降低,因此綜合力學數據和顯微分析我們認為剪切強度的位移弱化現象與流體參與下的顆粒間的壓溶過程有關.

致謝感謝高級工程師姚文明對于實驗操作的指導和設備的維護,以及高級工程師馬璽對于變形樣品剪切構造分析的技術支持和討論.