路 珍

（中國(guó)地震局地質(zhì)研究所，北京 100029）

弱斷層的成因一直是一個(gè)熱門的問題，而通過實(shí)驗(yàn)室對(duì)弱礦物力學(xué)性質(zhì)進(jìn)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(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示其具有低的摩擦強(qiáng)度。關(guān)于黑云母的熔融實(shí)驗(yàn)結(jié)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(duì)黑云母在高溫、含水條件下摩擦性質(zhì)的研究有助于理解弱斷層成因、深部的變形機(jī)制、宏觀力學(xué)行為以及地震活動(dòng)。由于黑云母的低強(qiáng)度和片狀結(jié)構(gòu)，在地殼長(zhǎng)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(jié)構(gòu)面或葉理面。因此，在了解黑云母本身的力學(xué)性質(zhì)的基礎(chǔ)上，研究斷層帶內(nèi)與黑云母相關(guān)的結(jié)構(gòu)面或葉理面對(duì)斷層摩擦行為（包含摩擦強(qiáng)度和摩擦穩(wěn)定性）的影響同樣是一個(gè)重要的科學(xué)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(duì)象，在從低溫到高溫的溫度范圍內(nèi)，分別對(duì)純黑云母樣品和黑云母—石英混合樣品的摩擦性質(zhì)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，并主要關(guān)注其摩擦強(qiáng)度和滑動(dòng)穩(wěn)定性兩方面的隨溫度的變化。

對(duì)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(shì)，與白云母類似，但總體上低于白云母的摩擦強(qiáng)度。黑云母在25℃～200℃表現(xiàn)為速度強(qiáng)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(gòu)方程對(duì)粘滑行為進(jìn)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(jí)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(guān)的變形顯微結(jié)構(gòu)特點(diǎn)。100℃條件下主要表現(xiàn)出脆性變形的特點(diǎn)。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(diǎn)。對(duì)于500℃～600℃條件下，在剪切帶之間同時(shí)表現(xiàn)出了強(qiáng)烈變形區(qū)和中等變形區(qū)的特點(diǎn)。

結(jié)構(gòu)面對(duì)強(qiáng)度定量影響的研究結(jié)果顯示斷層泥中結(jié)構(gòu)面的存在可以很大程度地降低斷層帶的強(qiáng)度。在100℃的條件下，黑云母和石英均勻混合樣品的強(qiáng)度隨著黑云母含量的增多呈線性單調(diào)遞減趨勢(shì)，屬于等應(yīng)變并列支撐的強(qiáng)度結(jié)構(gòu)；而含黑云母層樣品的摩擦強(qiáng)度與黑云母含量呈一個(gè)負(fù)冪次衰減關(guān)系，并且黑云母含量為約5%時(shí)就對(duì)強(qiáng)度有很明顯的弱化，而含量達(dá)到約30%后則對(duì)強(qiáng)度影響不再顯著，強(qiáng)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(qiáng)度都在含黑云母層樣品之上，且兩者強(qiáng)度差異在黑云母含量為約19%時(shí)達(dá)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(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比顯示，黑云母層的存在對(duì)斷層帶的強(qiáng)度和滑動(dòng)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(shì)。其強(qiáng)度比黑云母單礦物斷層泥樣品高35%左右，強(qiáng)度對(duì)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(shì)。在200MPa有效正應(yīng)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(qiáng)化向速度弱化轉(zhuǎn)變，過渡溫度在200℃左右，其中400℃～600℃出現(xiàn)了粘滑，此時(shí)對(duì)應(yīng)的｜a－b｜值很小，平均約為0.000 7，且特征滑動(dòng)距離dc值也很小，在亞微米的量級(jí)（平均值為約0.4μm）。在230MPa的較高有效正應(yīng)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(dòng)的力學(xué)特點(diǎn)。對(duì)于黑云母和石英均勻混合樣品，其速度依賴性受滑動(dòng)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(dòng)大多都表現(xiàn)為速度強(qiáng)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(yīng)力條件下，含黑云母層樣品的變形顯微結(jié)構(gòu)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(duì)于黑云母層兩側(cè)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(shì)。在500℃和600℃的高溫條件下，兩側(cè)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(yīng)力條件下，含黑云母層樣品出現(xiàn)塑性流動(dòng)行為對(duì)應(yīng)的變形結(jié)構(gòu)顯示剪切帶不但在黑云母層中發(fā)育，在兩側(cè)的石英層中也可見較多的R1剪切面發(fā)育，說明塑性流動(dòng)行為與石英的剪切變形密切相關(guān)。對(duì)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(shí)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(jié)構(gòu)還顯示溫度的升高可以增強(qiáng)樣品的細(xì)?；潭?。

將黑云母單礦物的摩擦滑動(dòng)特征應(yīng)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(qiáng)度性質(zhì)，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(shí)，黑云母在斷層帶中的富集連通可能會(huì)引起中地殼深度范圍內(nèi)的不穩(wěn)定滑動(dòng)，造成小震或震顫。

含黑云母層斷層泥的結(jié)果更能代表弱斷層帶的實(shí)際情況。其對(duì)應(yīng)的斷層剖面強(qiáng)度接近黑云母單礦物斷層泥的結(jié)果。與黑云母單礦物相類似，其強(qiáng)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(jié)果顯示，含黑云母層樣品比均勻混合樣品更接近低強(qiáng)度斷層的性質(zhì)。我們推測(cè)當(dāng)斷層帶中的黑云母在長(zhǎng)期的地殼變形作用下富集并且連通后，可能會(huì)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(gòu)關(guān)系；熱水條件；弱斷層