围岩热导率对断层泥高速摩擦性质的影响——对断层同震主导弱化机制的启示

摘要

近年来多个大地震的震后快速钻探均揭示断层带内仅存在较低的温度异常.这些数据表明曾经困扰地震学界的圣安德烈斯热流悖论问题在大多数的断层带上都可能存在着.较低的温度或热流异常暗示着断层至少在动态滑动过程中处于极度弱化的状态.断层力学研究中对断层弱化机制的探索由来已久,最被人熟知的两种莫过于高孔隙压机制和弱矿物相断层泥的润滑机制;如果仅针对断层动态滑动的弱化,曾经被提出的物理机制主要包括:熔体润滑、热压作用、声波液化、凹凸体急剧加热弱化作用、硅质胶体润滑作用、正应力降低弱化效应、流体弹性动力润滑作用、粉末(纳米颗粒)润滑作用等.断层泥的高速摩擦稳态强度随着围岩热导率的降低而显著地降低，围岩热导率越低，断层泥的滑动弱化距离越小、特征弱化速率越高，使用高热导率黄铜做围岩的实验中几乎观察不到滑动弱化现象，伊利石-石英断层泥相对于石英断层泥在同样实验条件下具有更低的稳态摩擦强度和更小的滑动弱化距离，纳米氧化镁的高速摩擦性状也与围岩热导率直接相关。有限元温度计算表明，围岩热导率显著影响着断层泥滑动带中的摩擦升温数值；对比同样速率下不同围岩实验中的稳态摩擦系数，可以发现高速摩擦滑动中所谓的速度弱化实际上很大程度上包含了温度弱化效应。扫描电镜下的微结构观察也揭示了围岩热导率的差异会造成滑动带的内部结构存在差异，低热导率围岩下的实验样品中能够观察到滑动带烧结现象；在较高速率下，滑动面上广泛发育有纳米颗粒物质。实验数据、温度计算和微结构观察表明，断层带内的宏观升温显著地影响着断层的高速滑动弱化行为，修正的凹凸体急剧加热弱化机制能够很好地解释观测到的现象；对于伊利石-石英断层泥，热化学增压对于断层弱化也起到了重要作用。这两种机制可能是浅部断层带内主导的同震弱化机制。但是，在断层带升温受抑制的情况下，仅仅依靠纳米颗粒并不能显著地弱化断层，暗示着纳米颗粒润滑作用在浅部断层带内可能并不是主导的同震弱化机制。