宋 娟 周永勝

1）中國石油大學(xué)（華東）地球科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，青島266580

2）中國地震局地質(zhì)研究所，地震動力學(xué)國家重點實驗室，北京100029

綜述與評述

斷層帶流體對斷層強度和強震孕育的影響＊

宋 娟1）周永勝2）

1）中國石油大學(xué)（華東）地球科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，青島266580

2）中國地震局地質(zhì)研究所，地震動力學(xué)國家重點實驗室，北京100029

大量研究表明，流體在斷層弱化中起著非常重要的作用。在地殼淺部脆性域，自由水通過流體孔隙壓力減小斷層有效正壓力，從而降低斷層摩擦強度；在地殼深部，礦物中的微量結(jié)構(gòu)水弱化巖石流變強度。另外，流體－巖石相互作用等化學(xué)過程，如長石水解反應(yīng)，對斷層強度的影響也非常顯著。斷層深部流體通過物理作用與化學(xué)作用影響著巖石的變形機制，從而影響斷層力學(xué)性質(zhì)與地震孕育和發(fā)生。斷層內(nèi)部流體孔隙壓力周期性變化是斷層帶脆－塑性轉(zhuǎn)化、裂縫張開與愈合等的直接體現(xiàn)，這種變化控制著斷層強度與強震周期性發(fā)生現(xiàn)象。

斷層強度；脆塑性轉(zhuǎn)化；水巖反應(yīng)；裂縫愈合；高壓流體；強震孕育

圖1 流體壓力和應(yīng)變速率對斷層強度的影響［12］

引言

根據(jù)摩擦和流變實驗得到地殼強度剖面顯示，大陸地殼強度模型類似于“三明治”結(jié)構(gòu)。其中，地殼脆塑性轉(zhuǎn)化深度與地震深度分布具有很好的一致性，表明在脆塑性轉(zhuǎn)化帶之上，斷層強度最大，最有可能形成強震；在脆塑性轉(zhuǎn)化帶內(nèi)，巖石不具有發(fā)生強震的條件但可能發(fā)生余震；而在塑性變形層，基本不具備發(fā)生地震的條件。斷層強度和脆塑性轉(zhuǎn)化帶深度除了受地殼物質(zhì)組成、熱流結(jié)構(gòu)等的影響外，還與流體特征和應(yīng)變速率相關(guān)［1］。如圖1所示，流體壓力增加，斷層的摩擦強度降低，脆塑性轉(zhuǎn)化帶的深度增加；隨應(yīng)變速率升高，斷層摩擦強度增大，斷層脆塑性轉(zhuǎn)化帶的深度增加［13］。斷層帶這種隨流體壓力和應(yīng)變速率的變化被認為與地震循環(huán)相關(guān)［4］。

斷層深部流體通過物理作用與化學(xué)作用影響著巖石的變形機制，從而影響斷層力學(xué)性質(zhì)與地震孕育和發(fā)生［56］。然而，以往的研究更多的是關(guān)注流體孔隙壓對斷層強度的影響和礦物結(jié)構(gòu)水對礦物塑性流變的弱化這兩方面［1］，水巖反應(yīng)對斷層強度影響和在強震孕育中的作用研究相對比較少。由于地殼內(nèi)部流體有多種存在形式，流體對斷層強度影響是一個復(fù)雜的過程。針對這些問題，本文綜述了地殼深部流體存在狀態(tài)、流體對斷層強度弱化的物理和化學(xué)機制、流體對強震孕育與發(fā)生的影響等研究進展，討論流體在強震孕育發(fā)生中的重要性。

圖2 地殼流體壓力模型［15］

1 地殼深部流體存在狀態(tài)

大量研究表明大陸上地殼含有連續(xù)的自由水［78］，也存在結(jié)晶水和結(jié)構(gòu)水。上地殼水主要以自由水的形式存在。上地殼通常存在的含水礦物（如角閃石等）中的水一般為結(jié)晶水和結(jié)構(gòu)水。以長英質(zhì)巖石為主的中地殼，巖石中的水主要賦存在含結(jié)構(gòu)水的礦物中。此外，名義上的無水礦物如石英、長石和輝石等也不同程度地含有微量結(jié)構(gòu)水［913］。

在大陸下地殼，目前還沒有水存在的直接證據(jù)，主要證據(jù)來源于巖石學(xué)和實驗巖石學(xué)。巖石學(xué)研究表明，下地殼麻粒巖中的無水礦物（如輝石）在穩(wěn)定的封閉環(huán)境下會很快與水發(fā)生退變反應(yīng)，這種反應(yīng)吸干了能夠獲取的水分，并留下孤立的鹽和CO2，使得水分壓受到化學(xué)平衡的制約，從而不大可能存在連續(xù)的自由水［1416］。但出露于地表麻粒巖的主要礦物中［1718］和單斜輝石在變質(zhì)反應(yīng)中［19］都有H2O—CO2包裹體及鹽水包裹體。而以麻粒巖為主的下地殼也發(fā)現(xiàn)存在一定的結(jié)構(gòu)水［2021］。這些結(jié)構(gòu)水主要賦存于礦物包裹體、晶體缺陷中［9－12，22－25］或出現(xiàn)在晶體顆粒邊界［26］。

高溫高壓實驗巖石學(xué)也提供了相關(guān)的證據(jù)：如，天然的和熱壓合成的斜方輝石中HO－1的擴散作用［27］、單斜輝石巖、角閃巖和玄武質(zhì)巖石的熔體中水含量的測定和水在基性巖及其熔體中的溶解實驗表明，斜長石與單斜輝石和玄武巖漿中可以溶解一定的自由水和HO－1，而且水的溶解度隨巖漿成分和壓力條件而變化，其中斜長石比輝石溶解水的能力高。溶解了一定水的巖漿在結(jié)晶過程中會把水帶入到晶體中，以礦物粒間或包裹體中的自由水、礦物的結(jié)晶水和結(jié)構(gòu)水等形式存在。因此，由玄武質(zhì)基性巖及麻粒巖構(gòu)成的大陸下地殼可能有微量水，它們以礦物包裹體中的自由水、礦物晶體中的結(jié)晶水或結(jié)構(gòu)水（氫氧根離子）等形式存在于巖石中。

根據(jù)地殼含水情況，提出2種地殼流體壓力模型：水飽和地殼模型與干下地殼模型［15］。如圖2所示，地殼淺部水流體孔隙壓等于靜水壓，在地殼深部水飽和地殼模型流體孔隙壓最大只是靜巖壓狀態(tài)。如果地殼深部是無水的干地殼，則流體孔隙壓小于靜水壓，低至靜水壓為零。根據(jù)有效壓力定律，此時斷層強度相當高。

圖3 不同流體壓力條件下龍門山構(gòu)造帶的地殼流變結(jié)構(gòu)［3］

2 流體對斷層強度的影響

流體在斷層弱化中起著非常重要的作用，流體（水）對斷層所起的弱化作用既有物理效應(yīng)，也有化學(xué)效應(yīng)。在地殼淺部脆性域，自由水通過流體壓力減小斷層有效壓力，降低斷層摩擦強度；在地殼深部，礦物中的微量結(jié)構(gòu)水弱化巖石流變強度。另外，流體－巖石相互作用，特別是水巖反應(yīng)等化學(xué)過程對斷層強度的影響也非常顯著。

2.1 流體壓力降低斷層摩擦強度

有效壓力定律：

其中Pf為流體孔隙壓力，Pn為斷層正應(yīng)力，μ為斷層摩擦系數(shù)。

根據(jù)有效壓力定律，流體壓力會降低斷層有效壓力，因此，如果斷層帶內(nèi)存在非常高的流體壓力，會顯著降低斷層帶的有效正應(yīng)力，在摩擦系數(shù)不變的條件下，斷層的摩擦強度降低。例如，在不同流體壓力條件下給出的龍門山構(gòu)造帶的斷層摩擦強度（圖3，直線所示）。與靜水壓條件相比（圖3b），流體孔隙壓為靜水壓的2倍時（圖3a），斷層的摩擦強度顯著降低，而在沒有流體孔隙壓時，斷層的摩擦強度相當高［3］（圖3c）。顯然，流體孔隙壓對斷層摩擦強度有明顯的弱化作用。

2.2 礦物中微量結(jié)構(gòu)水對斷層流變強度的弱化作用

石英、長石和輝石等名義上的無水礦物也不同程度地含有微量結(jié)構(gòu)水。而以麻粒巖為主的下地殼也發(fā)現(xiàn)存在一定的結(jié)構(gòu)水［20，21］。周永勝等［28］利用傅里葉變換紅外吸收光譜儀（FTIR），對紅河斷裂帶中地殼韌性剪切帶中的細粒長英質(zhì)糜棱巖和條帶狀花崗片麻巖中的主要礦物石英、長石進行了水含量分析，結(jié)果表明，石英和長石中的水以晶體缺陷水為主，并且含有顆粒邊界水和包裹體水。這與Kronenberg和Gleason研究樣品中石英和長石研究結(jié)果［29，30］類似。

大量流變實驗研究表明，結(jié)構(gòu)水對礦物和巖石流變具有顯著影響［9，3134］。根據(jù)流變參數(shù)計算的石英、長石和花崗巖的流變強度顯示［34］，含水巖石或礦物的流變強度顯著降低（圖4），其中，含水石英和長石比干的石英和長石流變強度顯著降低；含水花崗巖與干花崗巖流變強度相比也顯著降低。顯然，即使礦物中的微量結(jié)構(gòu)水對斷層流變強度的弱化作用也是非常顯著的。

圖4 干的、含水石英、長石、花崗巖的流變強度比較［35］

圖5 長石的水解反應(yīng)相圖［37］

2.3 水巖反應(yīng)的產(chǎn)物降低了斷層強度

在高溫高壓條件下，水除了對礦物具有溶解和沉淀作用外，水與巖石會發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，即水－巖反應(yīng)。水巖反應(yīng)對斷層強度降低表現(xiàn)在兩方面：反應(yīng)生成云母等低摩擦系數(shù)的礦物，降低了斷層的摩擦強度；同時，這些水巖反應(yīng)的產(chǎn)物在高溫下也具有較低的流變強度。

斷層構(gòu)造巖研究發(fā)現(xiàn)［3640］，在斷層帶內(nèi)，通過水巖反應(yīng)會產(chǎn)生大量含水的層狀或環(huán)狀硅酸鹽礦物，如橄欖石變成蛇紋石與滑石；輝石變成角閃石、綠泥石、陽起石等；長石變成石英＋云母＋角閃石＋綠簾石等。靖晨等［41］通過對映秀—北川斷裂南段的韌性剪切帶中變形花崗巖的化學(xué)成分與剪切變形關(guān)系的研究發(fā)現(xiàn)，隨著礦物變形的增強，導(dǎo)致SiO2、K2O降低，F(xiàn)e2O3、CaO、MgO增加，這說明長石含量降低，鐵鎂質(zhì)礦物含量增多，據(jù)此推斷長石經(jīng)水解反應(yīng)發(fā)生云母化。

水巖反應(yīng)中長石的水解反應(yīng)最普遍（圖5）：

方程（1）鈉長石水解反應(yīng)生成白云母和石英。3K－feldspar＋2 H＋＝muscovite＋

方程（2）鉀長石也可以水解反應(yīng)生成白云母和石英。

方程（1）和（2）表明，鉀長石、鈉長石和白云母3者之間的反應(yīng)方向受水、Na＋、K＋含量的控制（圖5a）。在富含水的堿性條件下，長石發(fā)生水解反應(yīng)，生成白云母；反之，在缺水的堿性條件下，白云母脫水生成長石。

方程（4）—（7）表明，鉀長石、黑云母、綠泥石、金云母、白云母之間的反應(yīng)受水、Mg＋、K＋含量的控制（圖5b）。在低鎂富含水的條件下，長石發(fā)生水解反應(yīng)，生成白云母，在高鎂富含水的條件下，長石、黑云母發(fā)生水解反應(yīng)，生成綠泥石；反之，在缺水的條件下，白云母或綠泥石脫水生成長石。

長石水解反應(yīng)生成云母類礦物，既可以降低斷層的摩擦強度，也可以降低斷層的流變強度。實驗研究表明（圖6），斷層泥中隨云母或粘土礦物含量增加，斷層摩擦系數(shù)迅速降低［3］。因此，由富含云母的斷層巖組成的斷層，其摩擦強度顯著降低［36，4244］。

圖6 高溫高壓實驗得出的不同礦物和巖石的摩擦系數(shù)［3］

通過對比長石、石英、云母的流變強度和脆塑性轉(zhuǎn)化深度（圖7）得出，與具有較高流變強度的長石和石英相比，富含云母的巖石的流變強度顯著降低，脆塑性轉(zhuǎn)化深度變淺。對斷層巖研究表明，在斷層脆塑性轉(zhuǎn)化域，高溫流體與長石類礦物發(fā)生水巖反應(yīng)，長石水解生成云母類礦物。這種水巖反應(yīng)可以導(dǎo)致斷層巖石強度至少降低一個數(shù)量級［36，44］。

圖7 不同礦物的流變強度和脆塑性轉(zhuǎn)化深度對比［37］

3 流體對強震孕育和發(fā)生的影響

3.1 高壓流體存在的證據(jù)

地球物理學(xué)、地球化學(xué)、地質(zhì)學(xué)等多種數(shù)據(jù)表明斷裂深部普遍存在流體。雖然很多人提出斷層帶具有超壓流體［46，47］，但大部分僅給出了模型。高壓流體存在的直接證據(jù)來自于石英、長石中流體包裹體研究［2，38，40］，以及各種被愈合了的裂縫［48］。Kuster和Yonkee分別對西阿爾卑斯Sesia地區(qū)的逆沖型韌性剪切帶和猶他州Sevier造山帶中逆斷層中變形石英的研究表明，石英內(nèi)含有流體包裹體，并發(fā)現(xiàn)了在脆塑性轉(zhuǎn)化帶附近存在接近靜巖壓力的高壓流體的證據(jù)［2，39］。韓亮對映秀—北川斷裂南段韌性剪切帶中變形花崗巖研究表明，石英含有4種流體包裹體，根據(jù)流體包裹體的捕獲溫度、壓力，得到中地殼斷層帶內(nèi)存在流體壓力系數(shù)約0.9的高壓流體［49］。

3.2 高壓流體形成機制

斷層帶中的裂隙是流體滲流的主要通道，裂隙的滲透率決定了斷層帶流體的壓力，斷層帶中存在高流體壓力需要斷層有特殊的封閉水的機制斷層裂隙愈合。周永勝等［3］研究認為斷層愈合作用是斷層帶局部高壓流體形成的主要機制，裂縫愈合既有物理過程，也有化學(xué)作用過程。

對斷層帶構(gòu)造巖研究表明，斷層帶不同的變形域（不同深度），斷層愈合的機制有差別。Gratier給出3種斷層脆性域裂隙愈合的主要機制［50］，如圖8所示，第1種為在礦物表面能驅(qū)動下的裂隙自愈合方式（圖8a），但此愈合方式僅僅局限于幾μm寬的小裂隙中。一般而言，斷層帶內(nèi)大多數(shù)裂隙的愈合都伴隨著礦物的溶解—沉淀。第2種為在應(yīng)力驅(qū)動下的溶解—沉淀機制，即壓溶蠕變機制（圖8b），此機制下形成的封閉系統(tǒng)從幾mm到幾百m不等。第3種機制是在斷層淺部，流體隨著其高壓消失而向上排出，原先溶解于高壓流體中的礦物質(zhì)（巖鹽、方解石、石英等）在裂隙中析出結(jié)晶，形成脈體，愈合了斷層帶中的裂隙［40，51］（圖8c）。

圖8 裂隙愈合的主要機制［50］

而在脆塑性轉(zhuǎn)化－塑性域，斷層帶中的長石發(fā)生水解反應(yīng)也是裂縫愈合的機制之一。長石在流體作用下發(fā)生水解，生成的含水礦物綠泥石、綠簾石、白云母等逐漸愈合了斷層［36，40］。

此外，動態(tài)和靜態(tài)重結(jié)晶作用，也是裂縫愈合的主要機制［4，54］。韓亮等［48］發(fā)現(xiàn)，在映秀—北川斷裂帶南段出露的韌性剪切帶巖石中有兩期脆性裂縫，而早期脆性裂縫被以動態(tài)重結(jié)晶方式變形的石英脈愈合，這指示了溶解在流體中的石英在動態(tài)重結(jié)晶作用下愈合了脆性裂縫，證實了石英的動態(tài)重結(jié)晶作用是斷裂脆塑性轉(zhuǎn)化帶內(nèi)裂隙愈合的重要機制。Trepmann［54］通過高溫高壓實驗，研究石英動態(tài)重結(jié)晶作用與靜態(tài)重結(jié)晶作用對微裂隙愈合的影響，并給出了動態(tài)和靜態(tài)重結(jié)晶作用愈合裂隙的地質(zhì)證據(jù)。韓亮等［48］采用Carrara大理巖樣品開展了脆塑性轉(zhuǎn)化－塑性變形條件下微裂隙愈合的高溫高壓模擬實驗，結(jié)果表明，動態(tài)重結(jié)晶作用是斷層帶微裂隙和孔隙愈合的重要機制之一。這種愈合作用導(dǎo)致裂隙的滲透性降低，有利于斷層深部形成高壓流體。

3.3 流體在地震循環(huán)周期中的變化

在多個地表出露的塑性變形巖石中，疊加了脆性破裂，而這些脆性破裂又被塑性變形的石英愈合［4，48，53］。這種塑性－脆性－塑性轉(zhuǎn)化和裂縫愈合過程被認為與地震循環(huán)和流體壓力變化相關(guān)［4，54］（圖9）。

圖9 地震前后斷層流體含量及強度隨時間的變化［4］

在強震發(fā)生前和同震加載階段，斷層深部存在接近靜巖壓力的高壓流體，導(dǎo)致斷層有效正壓力極低，斷層突然滑動，發(fā)生地震。由于同震和震后滑移階段，應(yīng)變速率增加，斷層脆塑性轉(zhuǎn)化深度也增加（圖1），原來處于塑性變形的巖石，發(fā)生了脆性變形，形成脆性裂縫。地震發(fā)生后，脆性域的斷層及其周圍巖石裂隙張開，地震前積累的高流體壓力轉(zhuǎn)變?yōu)殪o水壓。隨著流體高壓消失，流體向上排出，原先溶解于高壓流體中的礦物質(zhì)（巖鹽、方解石、石英等）在裂隙中析出結(jié)晶，形成脈體，愈合了淺部斷層帶中的裂隙［41，51，52，5658］。在間震期，由于應(yīng)變速率逐漸恢復(fù)到正常水平，處于脆塑性轉(zhuǎn)化帶的石英，在低應(yīng)變速率條件下發(fā)生震后蠕變，斷層有脆性變形轉(zhuǎn)化為塑性變形，不僅斷層強度逐漸降低，而且同震形成的裂縫通過動態(tài)重結(jié)晶作用被愈合，而長石發(fā)生水解反應(yīng)也會加速裂縫愈合。因此，隨著裂縫愈合程度增加，斷層帶內(nèi)的流體壓力逐漸增大，這為高壓流體形成奠定了基礎(chǔ)［28］。流體壓力、斷層強度、脆塑性轉(zhuǎn)化會隨斷裂帶的破裂及愈合而周期性地變化，這可能與地震的孕育及循環(huán)機理有關(guān)［4，50，54］。

龍門山斷裂帶古地震研究［58，59］揭示出，至少發(fā)生過兩次類似汶川地震的大地震事件。據(jù)此推斷汶川MW7.9地震發(fā)生過多次，這種強震循環(huán)發(fā)生與發(fā)震斷層深部流體壓力高低變化相關(guān)。

周永勝等［3］對汶川地震發(fā)震斷層高角度逆沖滑動的力學(xué)條件的分析提出，高孔隙流體壓力很可能是觸發(fā)斷層滑動發(fā)生強震的重要原因。斷裂帶既可作為流體的通道，又可作為阻礙流體運動的障礙［46，60］。如果斷層內(nèi)部有流體，而且滲透率很高，流體壓力最大只是靜水壓狀態(tài)。但在很長的間震期，處于脆塑性轉(zhuǎn)化帶的巖石，在巖石塑性變形、壓溶、靜態(tài)重結(jié)晶、水巖反應(yīng)等作用下，地震形成的斷層和微裂縫逐漸被愈合，把斷層深部的流體密封，斷層愈合后流體壓力逐漸增加，形成接近于靜巖壓的流體壓力。當流體壓力達到靜巖壓時，斷層突然滑動，出現(xiàn)大的應(yīng)力降，發(fā)生強震。地震發(fā)生后斷層裂縫張開，滲透率增大，流體壓力降低到靜水壓狀態(tài)。隨著斷層逐漸被愈合，流體壓力又一次逐漸增大，孕育下一次強震。地震就這樣周而復(fù)始地發(fā)生，但由于斷層愈合需要的時間隨地震發(fā)生次數(shù)增加而延長，導(dǎo)致地震復(fù)發(fā)時間間隔延長［28］。

4 紅河斷裂帶構(gòu)造巖研究揭示出的斷層帶流體對斷層強度的影響，及其對強震發(fā)生的啟示

斷層塑性—脆性—塑性轉(zhuǎn)化與地震循環(huán)、裂縫愈合和流體壓力變化等都是通過局部露頭和實驗給出的，缺少一個完整的研究實例。而紅河斷裂帶中的塑性變形巖石，為這種研究提供了真實的場所。

Wintsch對紅河斷裂帶出露的塑性變形巖石的微觀結(jié)構(gòu)和成分分析表明［37］，巖石變形機制既包含了脆性破裂，也含有水巖反應(yīng)和塑性變形，并給出巖石變形和水巖反應(yīng)的可能路徑，如圖10所示。露頭巖石在地質(zhì)抬升的過程中經(jīng)歷5個變形階段：第一階段，反應(yīng)－蠕變階段：在高溫低應(yīng)變速率和含流體條件下，長石和石英發(fā)生塑性流變，形成葉理化片巖和片麻巖，同時，長石水解生成黑云母和綠泥石；第二個階段：在抬升過程中，隨應(yīng)變速率增大，巖石出現(xiàn)碎裂，對應(yīng)于地震事件；第三階段：在深度不變（溫度、壓力恒定）條件下，巖石發(fā)生水巖反應(yīng)和蠕變，巖石逐漸糜棱巖化，這時流體的存在弱化了巖石的強度，這對應(yīng)于間震期低應(yīng)變速率和裂縫愈合階段；第四階段，在深度基本不變的條件下，巖石出現(xiàn)碎裂，并且云母等脫水反應(yīng)，形成長石、石英脈體，充填愈合了裂縫，這對應(yīng)于同震和震后蠕滑階段；第五階段：在緩慢抬升過程中，巖石在水作用下發(fā)生壓溶蠕變，在間震期斷層淺部的壓溶蠕變和裂縫愈合。

周永勝等［28］對紅河斷裂帶中的細粒長英質(zhì)糜棱巖和條帶狀花崗片麻巖中的主要礦物石英、長石進行了水含量分析，結(jié)果表明石英和長石中的水以晶體缺陷水為主，并且含有顆粒邊界水和包裹體水。中地殼長石和石英中存在的微量水對巖石變形有弱化作用，容易引起巖石塑性變形，形成韌性剪切帶及其細粒糜棱巖［30，31，33，34］。這和Wintsch給出的第三階段變形和巖石糜棱巖化過程相吻合［37］。

紅河斷裂帶塑性變形巖石的變形、化學(xué)反應(yīng)、流體特征及其對強震孕育發(fā)生的例子表明，流體對斷層強度和強震孕育的影響既有物理效應(yīng)，也有化學(xué)效應(yīng)，需要把物理、化學(xué)效應(yīng)綜合起來進行研究。因此，開展野外斷層脆塑性轉(zhuǎn)化－塑性變形樣品變形和化學(xué)成分分析研究，結(jié)合高溫高壓實驗，是深入研究這一問題的有效途徑。

圖10 紅河斷裂塑性變形巖石的變形－反應(yīng)路徑［37］

致謝：感謝審稿專家對本文提出的有益修改建議。

（作者電子信箱，宋娟：songjuan95＠126.com）

［1］張媛媛，周永勝.斷層脆塑性轉(zhuǎn)化帶的強度與變形機制及其流體和應(yīng)變速率的影響.地震地質(zhì)，2012，34（1）：172－194

［2］Kuster M，Stockhert B.High differential stress and sublithostatic pore fluid pressure in the ductile regime—microstructural evidence for short－term post－seismic creep in the Sesia Zone，Western Alps.Tectonophysics，1999，303：263－277

［3］周永勝，何昌榮.汶川地震區(qū)的流變結(jié)構(gòu)與發(fā)震高角度逆斷層滑動的力學(xué)條件.地球物理學(xué)報，2009，52（2）：474－484

［4］Trepmann C A，Stckhert B.Quartz microstructures developed during non－steady state plastic flow at rapidly decaying stress and strain rate.J.Stuct.Geol.，2003，25（12）：2035－2051

［5］Groshong R H Jr.Low temperature deformation mechanisms and their interpretation.Bull.Geol.Soc.Amer.，1988，100（9）：1329－1360

［6］Newman J，Mitra G.Fluid influenced deformation and recrystallization of dolomite at low temperature along a natural faulzone：Mountain City window，Tennessee.Geol.Soc.Am.Bull.，1994，106（10）：1267－1280

［7］Smithson S B，Wenzel F，Ganchin Y V，et al.Seismic results at kola and KTB deep scientific boreholes：velocities，reflections，fluids，and crustal composition.Tectonophysics，2000，329（1）：301－317

［8］Zharikov A V，Vitovtova V M，Shmonov V M，et al.Permeability of the rocks from the Kola superdeep borehole at high temperature and pressure：implication to fluid dynamics in the continental crust.Tectonophysics，2003，370（1－4）：177－191

［9］Griggs D T.A model of hydrolytic weakening in quartz.J.Geophy.Res.，1974，79：1653－1661

［10］Hobbs B E.Point defect chemistry of minerals under a hydrothermal environment.J.Geophy.Res.，1984，89（B6）：4026－4038

［11］Paterson M.The thermodynamics of water in quartz.Phys.Chem.Miner.，1986，13：245－255

［12］Beran A.OH groups in nominally anhydrous framework structures：an infrared spectropic investigation of danburite and labradorite.Phys.Chem.Miner.，1987，14：441－445

［13］Bell D R，Rossman G R.Water in earth’s mantle：the role of nominally anhydrous minerals.Science，1992，255（5050）：1391－1397

［14］Yardley B W D，Valley J W.How wet is the Earth’s crust？Nature，1994，371（15）：205－206

［15］Yardley B W D，Valley J W.The petrologic case for a dry lower crust.J.Geophy.Res.，1997，102（B6）：12173－12185.

［16］Yardley B W D.Effect of cooling on the water content and mechanical behavior of metamorphosed rock.Geology，1981，9，405－408

［17］劉樹文.冀東高級變質(zhì)巖石的流體包裹體研究.巖石學(xué)報，1995，11（4）：375－385

［18］劉樹文.太行山阜平片麻雜巖的流體與巖石平衡體系研究.中國科學(xué)：D輯，1996，27（3）：239－244

［19］Kodera P，Murphy P J，Ronkin A H.Retrograde mineral reactions in saline fluid inclusions：the transformation ferropyrosmalite－clinopyroxene.American Mineralogist，2003，88（1）：151－158

［20］夏群科，楊曉志，郝艷濤，等.深部地球中水的分布和循環(huán).地學(xué)前緣，2007，14（2）：10－23

［21］Xia Q K，Yang X Z，Deloule E.Water in the lower crustal granulite xenoliths from Nushan，eastern China.J.Geophys.Res.，2006，111：B11202

［22］Hobbs B E.The hydrolytic weakening effect in quartz，in Point Defects in Minerals，Geophys Monogr Ser 31.In：Schock R N（ed.），AGU，Washington D C，1985：151－170

［23］Johnson E A，Rossman G R.The concentration and speciation of hydrogen in feldspars using FTIR and 1H MAS NMR spectroscopy.Am.Mineral，2003，88（5－6）：901－911

［24］Post A，Tullis J.The of water penetration in experimentally deformed quartzite：implications for hydrolytic weakening.Tectonophysics，1998，295：117－137

［25］Grant K，Gleeson S，Roberts S.The high－temperature behavior of defect hydrogen species in quartz：Implications for hydrogen iso－tope studies.Am.Mineral，2003，88：262－270

［26］Ito Y，Nakashima S.Water distribution in low－grade siliceous metamorphic rocks by micro－FTIR and its relation to grain size：a case from the Kanto Mountain region.Japan Chem.Geol.，2002，189：1－18

［27］Stalder R，Skogby H.Hydrogen diffusion in natural and synthetic orthopyroxene.Phys.Chem.Miner.，2003，30（1）：12－19

［28］周永勝，何昌榮，楊曉松.中地殼韌性剪切帶中的水與巖石變形的關(guān)系.中國科學(xué)：D輯：地球科學(xué)，2008，38（7）：819－832

［29］Kronenberg A K，Segall P，Wolf G H.Hydrolytic weakening and penetrative deformation within a natural shear zone.In：Duba A G，Durham W B，Handin J W，et al.（eds）.The Brittle－Ductile Transition in Rocks，Geophys Monogr.Ser.AGU，Washington，D C，1990（56）：21－36

［30］Gleason，G C，DeSisto S.A natural example of crystal－plastic deformation enhancing the incorporation of water into quartz.Tectonophysics，2008，446：16－30

［31］Tullis J，Yund R A，F(xiàn)arver J.Deformation－enhanced fluid distribution in feldspar aggregates and implications for ductile shear zones.Geology，1996，24：63－66

［32］Koch P S，Christie J M.Effect of water on rheology of experimentally deformed quartzite.J.Geophys.Res.，1989，94（B10）：13975－13996

［33］Dimanov A，Dresen G.Rheolgy of synthetic anorthite－diopside aggregates：implications for ductile shear zones.J.Geophys.Res.，2005，110（B7）：B07203

［34］Rybacki E，Dresen G.Deformation mechanism maps for feldspar rocks.Tectonophysics，2004，382（3－4）：173－187

［35］劉貴，周永勝.長英質(zhì)巖石的流變學(xué)特征及其影響因素.地震地質(zhì)，2012，34（2）：365－383

［36］Wintsch R P，Christoffersen R，Kronenberg A K.Fluid－rock reaction weakening in fault zones.J.Geophy.Res.，1995（100）：13021－13032

［37］Wintsch R P，Yeh M－W.Oscillating brittle and viscous behavior through the earthquake cycle in the Red River Shear Zone：Monitoring flips between reaction，and textural softening and hardening.Tectonophysics.2012，587：46－62

［38］Nugent M A，Brantley S L，Pantano C G，et al.The influence of natural mineral coatings on feldspar weathering.Nature，1998，395：588－691

［39］Yonkee W A，Parry W T，Bruhn R L.Relations between progressive deformation and fluid－rock interaction during shear－zone growth in a basement－cored thrust sheet，Sevier orogenic belt，Utah.American Journal of science，2003，303：1－59

［40］Whitmeyer S J，Wintsch R P.Reaction localization and softening of texturally hardened mylonites in a reactivated fault zone，central Argentina.J.Meta.Geol.，2005，23（6）：411－424

［41］靖晨，周永勝，蘭彩云.龍門山韌性剪切帶主要礦物結(jié)構(gòu)水含量與變形關(guān)系.巖石學(xué)報，26（5）：1604－1616

［42］Bos C J，Spiers C J.Frictional viscous flow of phyllosilicate bearing fault rock：microphysical model and implications for crustal strength profiles.J.Geophys.Res.，2002，107（B2）：ECV1－1—ECV1－13.doi：10.1029／2001JB000301

［43］Moore D E，Rymer M J.Talc－bearing serpentinite and the creeping section of the San Andreas fault.Nature，2007，448（7155）：795－797

［44］Lockner D A，Morrow C，Moore D，et al.Low strength of deep san Andreas fault gouge from SAFOD Core.Nature.2011，472（7341）：82－85

［45］Gratier J，Gueydan F.Deformation in the presence of fluids and mineral reactions：effect of fracturing and fluid－rocks interaction on seismic cycle.In：Handy M R，Hirth G，Hovius N（eds）.Tectonic faults：agent of change on a dynamic earth.Cambridge，The MIT Press，2007：319－356

［46］Sibson R H.Fluid flow accompanying faulting：field evidence and models.In：Simpson D W et al.（eds）.Earthquake prediction－an international review.Maurice Ewing，American Geophydical Unin，1981：593－603

［47］Cox S F.Faulting processes at high fluid pressures：an example of fault valve behavior from the Wattle Gully Fault.Victoria Australia.J.Geophys.Res.，1995，100（B7）：12841－12859

［48］韓亮，周永勝，姚文明.中地殼斷層帶內(nèi)微裂隙愈合與高壓流體形成條件的模擬實驗研究.地球物理學(xué)報，2013，56（1）：91－105

［49］韓亮.龍門山斷裂脆塑性轉(zhuǎn)化帶內(nèi)花崗巖的流體特征與裂縫愈合的實驗?zāi)M研究.北京：中國地震局地質(zhì)研究所，博士論文，2012

［50］Gratier J P，F(xiàn)avreau P，Renard F，et al.Fluid pressure evolution during the earthquake cycle controlled by fluid flow and pressure solution crack sealing.Earth Planets Space，2002，54：1139－1146

［51］Xu Z Q，Ji S C，Li H B，et al.Uplift of the Longmenshan range and the Wenchuan earthquake.Chinese J.Geophys.，2008，51（4）：1066－1073

［52］Wintsch R P，Kvale C M，Kisch H J.Open system，constant volume development of slaty cleavage，and strain induced replacement reactions in the Martinsburg Formation，Lehigh Gap，PA.Geol.Soc.Am.Bull.，1991，103：916－927

［53］Moore J C，Saffer D.The up dip limit of the seismogenic zone in the accretionaryprism of SW Japan：an effect of diagenetic／low grade metamorphic processes and declining fluid pressure.Geology，2001，29：183－186

［54］Trepmann C A，St Ckhert B，Dorner D，et al.Simulating coseismic deformation of quartz in the middle crust and fabric evolution during postseismic stress relaxation an experimental study.Tectonophysics，2007，442（1－4）：83－104

［55］Sibson R H，Robert F，Poulsen H.High－angle reverse faults，fluid－pressure cycling and mesothermal gold－quartz deposits.Geology，1988，16：551－555

［56］Brantley S L，Evans B，Hickman S H，et al.Healing of microcracks in quartz：implications for fluid flow.Geology，1990（18）：136－139

［57］嵇少丞，王茜，孫圣思，等.亞洲大陸逃逸構(gòu)造與現(xiàn)今中國地震活動.地質(zhì)學(xué)報，2008，82（12）：1643－1667

［58］Ran Y K，Chen L C，Chen J，et al.Paleoseismic evidence and repeat time of large earthquakes at three sites along the Longmenshan fault zone.Tectonophyiscs，2010，491：141－153

［59］Wang H，Ran Y K，Chen L C，et al.Determination of horizontal shortening and amount of reverse－faulting from trenching across the surface rupture of the 2008 MW7.9 Wenchuan earthquake，China.Tectonophysics，2010，491：10－20

［60］Hippler S J.Deformation microstructures and diagensis in sandstone adjacent to an extensional fault：implications for the flow and entrapment of hydrocarbons.AAPG Bulletin，1993，77：625－637

AbstractFluid plays a very important role in weakening behavior of fault.In the shallow crust with brittle deformation，the pore fluid pressure from water decreases effective normal pressure and friction strength of fault.In the deep crust，the trace structure water in minerals weakens rheological strength of fault.Besides，fluid－rock interactions，especially the chemical process，such as feldspar hydrolysis reaction，have a significant influence on fault strength.The fluid in the deep fault zones affects the deformation mechanism through the physical and chemical action，which controls fault mechanics properties and earthquake gestation.The periodic changing of pore fluid pressure in fault zone is the reflection of brittle plastic transition，fractures opening and healing.These processes control the fault strength，and lead to strong earthquakes occur periodically.

Effect of the fluid to fault strength and strong earthquake gestation

Song Juan1），Zhou Yongsheng2）
1）China University of Petroleum，Qinghai 266555，China
2）State Key Laboratory of Earthquake Dynamics，Institute of Geology，CEA，Beijing 100029，China

fault strength；brittle－plastic transition；water－rock reaction；fracture healing；high pore fluid pressure；strong earthquake g estation

P315；

A；

10.3969／j.issn.0235－4975.2013.12.003

2013－07－01；

2013－07－08。

國家自然科學(xué)基金項目（40972146）和地震動力學(xué)國家重點實驗室自主課題（LED2009A01）資助。