姚文明, 周永勝, 張雷, 馬璽, 戴文浩

中國地震局地質(zhì)研究所地震動(dòng)力學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 北京 100029

0 引言

假玄武玻璃通常被認(rèn)為是大地震同震摩擦熔融的產(chǎn)物,高速摩擦實(shí)驗(yàn)表明，假玄武玻璃形成于干燥的高速摩擦環(huán)境(Di Toro and Pennacchioni, 2004).基于假玄武玻璃及其圍巖的變形特征，建立了同震滑動(dòng)與假玄武玻璃形成的地質(zhì)模型(Bestmann et al., 2012).新的研究顯示，由于溫度弱化，慢滑移、慢地震過程引起局部溫度升高形成假玄武玻璃(Wang and Barbot,2020)，甚至小地震也能形成假玄武玻璃，例如，在野外剪切帶中觀測到，在相當(dāng)于MW0.2～1.8的脆性破裂中含有假玄武玻璃(Campbell et al., 2020)，而且在含水條件也能形成假玄武玻璃(Song et al., 2020).巖石破裂與斷層摩擦滑動(dòng)實(shí)驗(yàn)表明，假玄武玻璃會增加斷層摩擦強(qiáng)度(Proctor and Lockner, 2016).完全被假玄武玻璃愈合的斷層強(qiáng)度接近于完整巖石的破裂強(qiáng)度，大于斷層摩擦強(qiáng)度，被假玄武玻璃愈合了的破裂面沒有發(fā)生破裂與滑動(dòng)，而是產(chǎn)生了平行于假玄武玻璃的新破裂面(Mitchell et al., 2016).由此可以推斷假玄武玻璃在斷層帶中的富存會顯著地提高斷層的剪切強(qiáng)度，從而阻止同震破裂的傳播.但是與此同時(shí)，對于假玄武玻璃樣品開展的同震破裂速率下的摩擦實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，富含假玄武玻璃的巖石樣品具有異常低的弱化距離和破裂能，這預(yù)示著在同震破裂傳播過程中，假玄武玻璃的存在反而會促進(jìn)動(dòng)態(tài)破裂傳播(Violay et al., 2014).富假玄武玻璃玄武巖樣品的高溫高壓脆塑性轉(zhuǎn)變的實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，在天然俯沖斷層帶的加載速率下，假玄武玻璃的存在會將玄武巖的脆塑性轉(zhuǎn)變溫度由650 ℃降低到100 ℃，并且其塑性變形的激活能降低一個(gè)數(shù)量級,從而顯著降低塑性變形啟動(dòng)的溫度和壓力的閾值(Violay et al.,2012).從上述前人的研究可以發(fā)現(xiàn)假玄武玻璃獨(dú)特的力學(xué)和化學(xué)性質(zhì)會對于斷層的動(dòng)力學(xué)特性產(chǎn)生顯著的影響.

安寧河—?jiǎng)t木河斷裂帶是川滇塊體東邊界的主要斷裂，在歷史上發(fā)生過多次大地震(聞學(xué)澤，2000；聞學(xué)澤等，2008；Wen et al., 2008)，例如，1756年在康定—石棉發(fā)生M7.4級地震，1480年在石棉—冕寧段發(fā)生M7.2級地震，1536年在冕寧—西昌段發(fā)生M7.25級地震，1850年在西昌—巧家段發(fā)生M7.2級地震.該斷裂在石棉西北與磨西斷裂以左階過渡區(qū)相接，在西昌附近發(fā)生明顯轉(zhuǎn)折，與則木河斷裂分界(聞學(xué)澤，2000；聞學(xué)澤等，2008).安寧河斷裂存在斷裂帶結(jié)構(gòu)和活動(dòng)習(xí)性差別，其中，石棉—拖烏段斷裂向東突出，由高山地貌組成，具有逆左行走滑特征，滑動(dòng)速率2.8～3.7 mm·a-1；拖烏—冕寧段為寬度4～6 km的小型盆地和高山構(gòu)成，為典型的左行走滑斷裂，滑動(dòng)速率4.5 mm·a-1；冕寧—西昌段為寬度1～3 km的河谷盆地，具有正左行走滑特征，滑動(dòng)速率5.5 mm·a-1(聞學(xué)澤，2000；聞學(xué)澤等，2008).安寧河斷層上發(fā)生的歷史地震存在顯著的破裂分段特征(Wen et al., 2008).安寧河斷層的活動(dòng)習(xí)性和斷層分段性受地殼淺部速度結(jié)構(gòu)控制(Shao et al., 2022).地震動(dòng)力學(xué)模擬結(jié)果表明安寧河斷層未來可能發(fā)生MW6.9地震，伴隨嚴(yán)重的地面破裂，而且斷層上的摩擦性質(zhì)對于模擬未來地震破裂范圍及地面運(yùn)動(dòng)起到至關(guān)重要的作用(Yao and Yang, 2022).

野外觀測發(fā)現(xiàn)安寧河斷層西側(cè)主要是花崗巖體(冉永康等，2008)，在拖烏附近斷層西側(cè)的花崗巖破碎帶中發(fā)現(xiàn)有新鮮斷層泥，雷蕙如等(2022)采用花崗巖斷層泥開展了摩擦滑動(dòng)實(shí)驗(yàn).在冕寧—西昌段斷層西部出露的花崗片麻巖-碎裂巖中發(fā)現(xiàn)有原地形成的假玄武玻璃脈體.為了研究作為同震熔融產(chǎn)物的假玄武玻璃的摩擦性質(zhì)及其如何影響斷層強(qiáng)度和滑動(dòng)穩(wěn)定性，以及在同震產(chǎn)物的假玄武玻璃中是否具備再次地震成核的可能性，本文開展了假玄武玻璃的摩擦滑動(dòng)實(shí)驗(yàn)研究.

1 實(shí)驗(yàn)樣品

在安寧河斷裂西部的花崗片麻巖-碎裂巖中采集到了脈狀黑色假玄武玻璃(圖1).其中，黑色脈狀假玄武玻璃(D1)出現(xiàn)在碎裂的石英閃長巖(D)中，石英閃長巖邊緣為片麻狀閃長巖(D2).對黑色新鮮假玄武玻璃樣品、實(shí)驗(yàn)閃長巖樣品、閃長巖樣品進(jìn)行X射線熒光光譜(XRF)全巖分析，得到的樣品化學(xué)成分如表1所示，誤差為0.55%.在中國地震局地質(zhì)研究所地震動(dòng)力學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室對上述3個(gè)樣品的微晶分別進(jìn)行了X射線衍射(XRD)分析，結(jié)果表明假玄武玻璃(D1)的主要礦物為斜長石、石英、角閃石、少量黑云母；石英閃長巖(D)的主要礦物為斜長石、石英和角閃石；片麻狀閃長巖(D2)的主要礦物為斜長石、角閃石，少量黑云母和綠泥石.根據(jù)假玄武玻璃與圍巖的接觸關(guān)系及其微觀結(jié)構(gòu)與成分分析，假玄武玻璃是在地質(zhì)時(shí)期石英閃長巖同震摩擦熔融的產(chǎn)物，后期經(jīng)歷抬升和剝蝕，出露于地表，與安寧河斷裂多次歷史地震沒有關(guān)聯(lián).本研究中將假玄武玻璃樣品研磨并通過200目篩，獲得實(shí)驗(yàn)用的粉末樣品斷層泥.

表1 假玄武玻璃和閃長巖的XRF全巖分析結(jié)果(wt%)Table 1 XRF analysis results of natural samples of pseudotachylytes and diorite

圖1 假玄武玻璃與圍巖的接觸關(guān)系(a) 野外樣品； (b) 掃描電鏡下樣品特征. D1：假玄武玻璃；D石英閃長巖；D2片麻狀閃長巖Fig.1 The contact relation between pseudotachylytes and wall rocks(a) The sample collected from field; (b) Microstructure of samples under SEM. D1: Pseudotachylytes; D: Quartz diorite; D2: Gneiss diorite.

2 實(shí)驗(yàn)方法

2.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)備和流程

本研究中所有的摩擦滑動(dòng)實(shí)驗(yàn)都在地震動(dòng)力學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室氣體介質(zhì)高溫高壓三軸壓機(jī)上進(jìn)行.該實(shí)驗(yàn)設(shè)備采用液壓伺服控制系統(tǒng)，最大圍壓為420 MPa，在本實(shí)驗(yàn)中采用了伺服圍壓控制確保實(shí)驗(yàn)過程中的圍壓保持恒定，圍壓控制精度為±0.5 MPa；溫度通過可控硅調(diào)節(jié)加溫爐的功率來控制，最高可達(dá)到700 ℃，溫度控制精度為±2 ℃；最大孔隙水壓可達(dá)200 MPa，控制精度為±0.3 MPa(He et al.,2006，2007).實(shí)驗(yàn)裝樣方式如圖2所示，把高度40 mm、直徑為20 mm的花崗巖圓柱沿與軸向夾角為35°的方向切開，作為斷層滑動(dòng)的圍巖塊，裝樣前用200目的金剛砂對圍巖預(yù)切面進(jìn)行打磨，控制其表面的粗糙度.為了保證假玄武玻璃斷層泥中孔隙水壓的均勻分布，在斷層泥上方的圍巖上鉆取一個(gè)與斷層泥層相連通的小孔，作為實(shí)驗(yàn)過程中保持孔隙水壓穩(wěn)定的通道.將200目篩選后的假玄武玻璃斷層泥粉末加入一定量去離子水，攪拌之后均勻涂抹到圍巖的預(yù)切面上，使夾在兩個(gè)巖塊之間的斷層泥初始厚度為1 mm，整個(gè)圍巖和斷層泥樣品與碳化鎢壓塊和剛玉柱都裝在厚度為0.35 mm的銅管內(nèi)，并在銅管和加溫爐之間的空隙中填充氮化硼粉末，用于傳熱并阻止熱對流，使樣品溫度從上至下保持均勻.

圖2 三軸剪切裝置裝樣示意圖Fig.2 Schematic of the triaxial shearing assembly

由于樣品存在斜向預(yù)切面，在實(shí)驗(yàn)中，摩擦面的實(shí)際接觸面積會隨軸向位移的增加而減小，因此需要對圍巖兩端的軸向應(yīng)力進(jìn)行接觸面積校正.另外，還需要對實(shí)驗(yàn)采集數(shù)據(jù)進(jìn)行密封摩擦校正，以及銅管的剪切強(qiáng)度的校正.具體校正過程和數(shù)據(jù)處理詳見文獻(xiàn)He等(2006,2007).

2.2 速率和狀態(tài)依賴的摩擦本構(gòu)關(guān)系

速率和狀態(tài)依賴摩擦本構(gòu)關(guān)系(式(1))是表征斷層摩擦強(qiáng)度和滑動(dòng)穩(wěn)定性的基本理論(Dieterich，1978，1979；Ruina,1983),

(1)

(2)

其中，μ為摩擦系數(shù)(μ=τ/σ′n)，τ為剪應(yīng)力，σ′n有效正壓力.μ0表示在參照滑動(dòng)速率V0下的摩擦系數(shù)穩(wěn)態(tài)值，a是表征在速率切換時(shí)摩擦強(qiáng)度的直接速率響應(yīng)大小的本構(gòu)參數(shù)，V是切換后的滑動(dòng)速率，b是表征摩擦強(qiáng)度隨位移演化的本構(gòu)參數(shù)，dc是特征滑動(dòng)距離，表示摩擦強(qiáng)度在速率切換時(shí)達(dá)到新的穩(wěn)態(tài)值所滑動(dòng)的距離，θ是表征摩擦滑動(dòng)面凹凸體接觸面積隨位移演化的狀態(tài)變量.

在準(zhǔn)靜態(tài)加載條件下，當(dāng)a-b<0時(shí)，稱之為速度弱化，此時(shí)摩擦系數(shù)隨速率的增加而減小，斷層會發(fā)生不穩(wěn)定滑動(dòng)與地震成核；當(dāng)a-b>0時(shí)，稱之為速度強(qiáng)化，摩擦系數(shù)隨著速率的增加而增加，此時(shí)不會在緩慢的構(gòu)造加載作用下產(chǎn)生自發(fā)的地震成核(Rice and Tse, 1986; Dieterich and Linker, 1992).因此，速度依賴性參數(shù)(a-b)對于區(qū)分?jǐn)鄬羽せ腿浠陵P(guān)重要.

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

本研究的實(shí)驗(yàn)條件為：溫度100～500 ℃、有效正應(yīng)力250 MPa、孔隙水壓30 MPa和干燥條件，軸向加載速率在0.04 μm·s-1、 0.2 μm·s-1和1 μm·s-1之間切換.實(shí)驗(yàn)條件和結(jié)果見表2，摩擦系數(shù)μ和滑移位移關(guān)系曲線見圖3.實(shí)驗(yàn)開始時(shí)，以1 μm·s-1的初始加載速度進(jìn)行加載，在初始的0～1 mm位移范圍內(nèi)，大部分實(shí)驗(yàn)曲線都顯示了近似線性的加載過程，隨著位移的增加，達(dá)到一個(gè)屈服點(diǎn)，并在此后進(jìn)入到一個(gè)隨滑移距離而強(qiáng)化的過程，最后達(dá)到穩(wěn)態(tài)滑動(dòng).在此基礎(chǔ)上，加載速度在標(biāo)速1 μm·s-1、0.2 μm·s-1和慢速0.04 μm·s-1之間切換，通過速率切換考察摩擦強(qiáng)度和滑動(dòng)穩(wěn)定性隨速率的變化特征.

實(shí)驗(yàn)中的摩擦系數(shù)用測得的剪切力τ和有效正應(yīng)力σeff來計(jì)算，公式為μ=τ/σeff.為了保證摩擦系數(shù)能達(dá)到穩(wěn)態(tài)值，摩擦系數(shù)值都取自滑動(dòng)位移在2.5～3.0 mm處和滑移速率為0.2 μm·s-1時(shí)的穩(wěn)態(tài)值,因?yàn)樵诖嘶瑒?dòng)位移下切換速率后摩擦系數(shù)能很快達(dá)到穩(wěn)態(tài)滑動(dòng)，不會因?yàn)槲灰频娜趸蛷?qiáng)化造成較大誤差(圖3).圖4給出了本研究假玄武玻璃斷層泥摩擦系數(shù)隨溫度的變化趨勢.干燥條件下及溫度在300～400 ℃時(shí)，假玄武玻璃斷層泥的摩擦系數(shù)從0.69增加到0.71；含孔隙壓條件下，在100 ℃時(shí)，摩擦系數(shù)為0.68；在300～400 ℃溫度范圍內(nèi)，摩擦系數(shù)為0.72；在500 ℃時(shí)，摩擦系數(shù)達(dá)到最高值0.73.假玄武玻璃的摩擦系數(shù)在干燥條件略低于含水條件，其在300 ℃和400 ℃的摩擦系數(shù)分別為0.69和0.71.

圖3 假玄武玻璃斷層泥樣品在250 MPa有效正應(yīng)力、100～500 ℃條件下的摩擦實(shí)驗(yàn)曲線其中，(a)—(d)分別為含孔隙壓30 MPa和溫度從100 ℃、300 ℃、400 ℃、500 ℃條件下的摩擦滑動(dòng)曲線; (e)—(f)分別為干燥條件和溫度在400 ℃、300 ℃條件下的摩擦滑動(dòng)曲線；圖中標(biāo)出了所有加載速率.Fig.3 Frictional slip curves of pseudotachylytes under 250 MPa effective normal stress and 100～500 ℃ temperature conditions(a)—(d) Frictional slip curves under 30 MPa pore pressure and 100 ℃, 300 ℃, 400 ℃, 500 ℃ temperature conditions; (e)—(f) Frictional slip curves under dry condition and 400 ℃, 500 ℃ temperature. All loading velocity were given in figures.

圖4 假玄武玻璃斷層泥穩(wěn)態(tài)摩擦系數(shù)隨溫度的變化趨勢Fig.4 Steady-state friction coefficient of natural pseudotachylytes gouge versus temperature

部分實(shí)驗(yàn)在加載速率切換過程中的速度依賴性非常微弱(如W100、D300、D400)，也有部分實(shí)驗(yàn)加載速率在0.04～0.2 μm·s-1以及0.2～1 μm·s-1變化時(shí)摩擦強(qiáng)度出現(xiàn)擾動(dòng)引起的先瞬態(tài)增加后隨著演化過程出現(xiàn)急劇下降特征(如W300、W400、 W500)(圖3).通過比較圖3中每一次速率切換后的摩擦強(qiáng)度穩(wěn)態(tài)值，獲得精確的速度依賴性參數(shù)(a-b).假玄武玻璃在300～400 ℃和干燥條件下切換加載速率時(shí)，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)都具有(a-b)>0特征，表現(xiàn)出穩(wěn)定的速度強(qiáng)化摩擦行為(圖5，表2).在水熱條件下(a-b)值的正負(fù)性表現(xiàn)出對速率的依賴性(圖5，表2)，其中，在100～300 ℃時(shí)，在標(biāo)速0.2 μm·s-1和慢速0.04 μm·s-1之間切換時(shí)(a-b)<0，表現(xiàn)出速度弱化的摩擦滑動(dòng)行為，在標(biāo)速1 μm·s-1和0.2 μm·s-1切換時(shí)(a-b)>0(圖5，表2)，是典型的速度強(qiáng)化；而在400～500 ℃的溫度條件下，假玄武玻璃在所有加載速率切換時(shí)都是(a-b)<0(圖5，表2)，表現(xiàn)出速度弱化的摩擦滑動(dòng)行為.

表2 假玄武玻璃斷層泥的實(shí)驗(yàn)條件與結(jié)果Table 2 Experimental conditions and results of pseudotachylytes fault gouge

圖5 假玄武玻璃斷層泥速度依賴性參數(shù)(a-b)隨溫度的變化趨勢Fig.5 Velocity dependence parameter (a-b) of pseudotachylyte gouge versus temperature

4 討論

雷蕙如等(2022)對安寧河斷裂破碎帶中的花崗巖斷層泥開展了摩擦強(qiáng)度和滑動(dòng)穩(wěn)定性實(shí)驗(yàn)研究，其實(shí)驗(yàn)條件與本研究所用實(shí)驗(yàn)條件基本相同.圖6給出了本研究假玄武玻璃與花崗巖斷層泥(雷蕙如等，2022)的摩擦強(qiáng)度對比結(jié)果.由圖6得出，在所有溫度條件下，花崗巖斷層泥的摩擦系數(shù)都低于假玄武玻璃.由于假玄武玻璃強(qiáng)度高，被假玄武玻璃愈合了的同震破裂，原地再次發(fā)生同震滑動(dòng)的可能性小.前人的實(shí)驗(yàn)結(jié)果同樣給出了類似的結(jié)論(Proctor and Lockner，2016；Mitchell et al., 2016).Mitchell等(2016)采用相同成分和結(jié)構(gòu)的花崗巖和板巖，分別加工成3組不同斷層結(jié)構(gòu)的樣品.樣品A是完整巖石樣品，樣品B是含有假玄武玻璃愈合了裂隙的樣品，樣品C是預(yù)切一個(gè)與樣品B中的假玄武玻璃愈合斷層相同產(chǎn)狀的斷層.在相同的溫度和應(yīng)變速率條件下，含斷層的樣品C的摩擦強(qiáng)度只有完整樣品A的破裂強(qiáng)度的60%，而含有假玄武玻璃愈合了裂隙的樣品B的破裂強(qiáng)度與完整巖石的破裂強(qiáng)度基本相同.微觀結(jié)構(gòu)分析表明，含有假玄武玻璃愈合了裂隙的樣品B，在實(shí)驗(yàn)破裂過程中，沒有沿著原來的假玄武玻璃斷層破裂和滑動(dòng)，而是在其附近新形成了一條近于平行的新破裂面，這表明，愈合了的斷層強(qiáng)度與圍巖相當(dāng)，原有的愈合斷層被廢棄了，新形成一條斷層取代了原有斷層.顯然，被假玄武玻璃完全愈合了的裂隙，其強(qiáng)度可以恢復(fù)到完整巖石的強(qiáng)度，原地發(fā)生破裂和摩擦滑動(dòng)的概率很低.

圖6 花崗巖和假玄武玻璃樣品穩(wěn)態(tài)摩擦系數(shù)隨溫度變化的趨勢Fig.6 Steady-state friction coefficient of granitic and pseudotachylyte samples as functions of temperature

在干燥條件下假玄武玻璃的實(shí)驗(yàn)結(jié)果都表現(xiàn)出速度強(qiáng)化，但在相同溫度和30MPa孔隙水壓條件下都表現(xiàn)為速度弱化(圖5).根據(jù)斜長石、角閃石、輝石等摩擦實(shí)驗(yàn)結(jié)果(He et al., 2013,2016; Tian and He, 2019; Liu and He, 2020)，含水條件下促進(jìn)了斷層泥中礦物的壓溶過程和斷層的愈合效應(yīng)，這是斷層發(fā)生不穩(wěn)定滑動(dòng)的根源(He et al., 2016).與此相反，在干燥條件下，斷層泥以礦物碎裂為主，決定了斷層的速度強(qiáng)化型溫度滑動(dòng)特征.在真實(shí)的斷層深部(如安寧河斷裂)都不同程度地含有流體，這與本實(shí)驗(yàn)含孔隙壓條件類似.因此，本研究中含水條件下的實(shí)驗(yàn)表現(xiàn)出的不穩(wěn)定滑動(dòng)更接近于真實(shí)的安寧河斷層滑動(dòng)行為.

圖7給出了本研究假玄武玻璃和花崗巖斷層泥(雷蕙如等，2022)摩擦實(shí)驗(yàn)的速度依賴性參數(shù)對比結(jié)果.由圖7得出，假玄武玻璃與花崗巖斷層泥在100～500 ℃和含孔隙壓條件下，由標(biāo)速1～0.2 μm·s-1往慢速0.04 μm·s-1切換時(shí)的滑動(dòng)穩(wěn)定性隨溫度變化趨勢基本相同，都是a-b<0，出現(xiàn)速度弱化和不穩(wěn)定滑動(dòng)，但標(biāo)速條件下(1～0.2 μm·s-1)，花崗巖斷層泥100～500 ℃時(shí)都呈現(xiàn)速度強(qiáng)化，而假玄武玻璃斷層泥在100～300 ℃時(shí)為速度強(qiáng)化，在300 ℃呈現(xiàn)強(qiáng)化向弱化轉(zhuǎn)化，在400～500 ℃時(shí)都具有速度弱化.大量實(shí)驗(yàn)研究都表明，巖石的速度依賴性不僅隨溫度升高而出現(xiàn)規(guī)律性變化，即低溫速度強(qiáng)化-中溫速度弱化-高溫速度強(qiáng)化轉(zhuǎn)變(Scholz, 1998; Marone, 1998; He et al., 2006,2007, 2013, 2016; Den Hartog and Spiers, 2013; Chen et al., 2017, 2020)，而且隨加載速率出現(xiàn)規(guī)律性變化，降低加載速率，不穩(wěn)定滑動(dòng)向低溫域偏移，引起在較低溫條件(如100 ℃)出現(xiàn)不穩(wěn)定滑動(dòng)(Den Hartog and Spiers,2013).斷層滑動(dòng)穩(wěn)定性受滑動(dòng)過程的斷層物質(zhì)接觸狀態(tài)(擴(kuò)容和愈合)控制，這種接觸狀態(tài)演化由斷層泥顆粒碎裂(擴(kuò)容)與塑性變形(壓溶、晶體塑性)引起的愈合相互競爭決定(Marone, 1998; He et al., 2006,2007, 2013, 2016; Den Hartog and Spiers, 2013; Chen et al., 2017, 2020).在低溫條件下，斷層滑動(dòng)以斷層泥顆粒碎裂引起的擴(kuò)容為主，決定了斷層的速度強(qiáng)化；在中溫條件下，斷層泥顆粒碎裂和塑性變形引起的愈合共同控制了斷層滑動(dòng)行為，導(dǎo)致斷層出現(xiàn)速度弱化和不穩(wěn)定滑動(dòng)；在高溫條件下，斷層泥顆粒以塑性變形為主，引起斷層滑動(dòng)向速度強(qiáng)化轉(zhuǎn)化.早期研究認(rèn)為晶體塑性變形是引起斷層愈合和接觸狀態(tài)改變的主要因素(Marone,1998)，最新研究表明在含水條件下斷層物質(zhì)壓溶過程是控制斷層愈合和接觸狀態(tài)改變的主要巖石，是斷層出現(xiàn)速度弱化和不穩(wěn)定滑動(dòng)的根源(He et al., 2016).本研究得到的慢速過程有利于速度弱化和不穩(wěn)定滑動(dòng)，與石英-黏土礦物斷層泥(Den Hartog and Spiers, 2013)和花崗巖斷層泥(雷蕙如等，2022)得到的滑動(dòng)穩(wěn)定性隨加載速率變化規(guī)律類似.標(biāo)速(1～0.2 μm·s-1)條件下斷層泥容易發(fā)生碎裂和擴(kuò)容而不易發(fā)生壓溶或晶體塑性，而慢速(0.2～0.04 μm·s-1)滑動(dòng)有利于壓溶過程，從而促進(jìn)了不穩(wěn)定滑動(dòng)(He et al., 2016; Den Hartog and Spiers,2013; Chen et al., 2017, 2020)，因此，加載速率增加引起斷層泥出現(xiàn)碎裂和擴(kuò)容，導(dǎo)致斷層向速度強(qiáng)化和穩(wěn)定滑動(dòng)轉(zhuǎn)化，與此相反，加載速率降低引起斷層泥出現(xiàn)壓溶，導(dǎo)致斷層向速度弱化和不穩(wěn)定滑動(dòng)轉(zhuǎn)化.

上述假玄武玻璃的速度依賴性隨溫度和滑動(dòng)速率的變化趨勢與花崗巖斷層泥有顯著差異，這可能與假玄武玻璃的力學(xué)性能有關(guān).在天然俯沖斷層帶的加載速率下，富假玄武玻璃的玄武巖樣品的脆塑性轉(zhuǎn)變溫度由650 ℃降低到100 ℃，并且其塑性變形的激活能由456 kJ·mol-1降低到56 kJ·mol-1,從而顯著降低塑性變形啟動(dòng)的溫度和壓力的閾值(Violay et al.,2012).在同震破裂速率條件下，富含假玄武玻璃的巖石樣品具有異常低的弱化距離和破裂能，這預(yù)示著在同震破裂傳播過程中，假玄武玻璃的存在會促進(jìn)動(dòng)態(tài)破裂傳播(Violay et al., 2014).由此推測，斷裂帶內(nèi)存在假玄武玻璃，不僅能增加斷層不穩(wěn)定滑動(dòng)和地震的風(fēng)險(xiǎn)，而且會促進(jìn)同震動(dòng)態(tài)破裂傳播.

根據(jù)地表熱流數(shù)據(jù)計(jì)算的川西地區(qū)的地殼溫度剖面表明(周永勝，何昌榮，2009；周永勝等，2014),500～600 ℃對應(yīng)的地殼深度約為25～30 km.川西地區(qū)流變結(jié)構(gòu)顯示(周永勝等，2014)，在間震期緩慢加載的應(yīng)變速率條件下，斷層脆塑性轉(zhuǎn)化帶的深度約為30 km，在同震高速加載速率條件下，其脆塑性轉(zhuǎn)化深度可到40～45 km.結(jié)合本研究獲得的假玄武玻璃斷層泥與雷蕙如等(2022)給出的花崗巖斷層泥摩擦滑動(dòng)穩(wěn)定性隨溫度變化規(guī)律(圖7)，在5～30 km深度，花崗巖和假玄武玻璃都具備不穩(wěn)定滑動(dòng)和地震成核條件.數(shù)值模擬結(jié)果表明，走滑斷層孕震帶(速度弱化區(qū))的深度范圍是控制地震破裂長度的主要因素之一，孕震帶的寬度越大，同震破裂沿?cái)鄬幼呦虻膫鞑シ秶酱?Weng and Yang, 2017)，并影響近斷層地表震動(dòng)，從而影響估算斷層摩擦性質(zhì)(Chen and Yang, 2020).本研究給出的安寧河斷裂帶的地震成核深度達(dá)30 km，該結(jié)果不僅可以為斷層閉鎖模型假設(shè)深度的范圍(Jiang et al., 2015; Li et al.,2021)提供約束和重要的啟示，而且其孕震帶深度大，預(yù)示著地震同震破裂長度可能比較大(Weng and Yang, 2017).

圖7 不同加載速率條件下花崗巖和假玄武玻璃的速度依賴性參數(shù)(a-b)隨溫度的變化趨勢Fig.7 Velocity dependence parameter (a-b) of granitic and pseudotachylyte samples versus temperature at various loading rates

5 結(jié)論

(1)在100～500 ℃條件下，假玄武玻璃的摩擦系數(shù)隨溫度升高而增大(約為0.68～0.73)，干燥條件的摩擦系數(shù)低于含孔隙壓條件.

(2)在標(biāo)準(zhǔn)滑動(dòng)速率條件下，從300 ℃開始，假玄武玻璃表現(xiàn)出由速度強(qiáng)化向速度弱化轉(zhuǎn)變，在400 ℃時(shí)具有顯著的速度弱化現(xiàn)象；假玄武玻璃滑動(dòng)穩(wěn)定性與加載速率有關(guān)，由高速向低速切換或低速條件下(0.04 μm·s-1)，從100～500 ℃，假玄武玻璃都處于不穩(wěn)定滑動(dòng)狀態(tài)，降低滑動(dòng)速度可以促進(jìn)假玄武玻璃的不穩(wěn)定滑動(dòng)；假玄武玻璃與花崗巖滑動(dòng)穩(wěn)定性基本相同，在5～30 km深度都具備地震成核條件.

(3)假玄武玻璃的摩擦強(qiáng)度比花崗巖高，被假玄武玻璃愈合了的同震破裂，原地再次發(fā)生同震滑動(dòng)的可能性小.如果斷裂帶內(nèi)存在假玄武玻璃，不僅能增加斷層不穩(wěn)定滑動(dòng)和地震的風(fēng)險(xiǎn)，而且會促進(jìn)同震動(dòng)態(tài)破裂傳播.

致謝感謝三位審稿人提出的寶貴建議，提高了本論文的質(zhì)量.何昌榮、黨嘉祥、雷蕙如、苗社強(qiáng)、鄒俊杰參加了野外地質(zhì)調(diào)查和樣品采集.