地震是断层滑动失稳的结果.从岩石变形机制出发，断层带脆-韧性转换被认为控制着断层从不稳定滑动到稳定滑动的转换^{[1, 2]}；基于速率-状态摩擦定律^{[3, 4]}，速度弱化是断层失稳的必要条件，断层摩擦从速度弱化向速度强化的转换控制着断层从不稳定滑动到稳定滑动的转换.因此，断层带脆-韧性转换和断层摩擦速度依赖性转换是涉及地震成核条件、发震层带深度等问题的重要研究课题.此外，近年来陆续在多个板块俯冲带观测到了不同类型的慢地震现象^[5~10]，研究表明慢地震是由于断层摩擦从速度弱化向速度强化转换^{[11, 12]}或断层变形从脆性转换为塑性^[5]引起的.因此，断层带脆-韧性转换和摩擦速度依赖性转换研究也是慢地震机制研究的关键所在.

迄今为止，对断层带脆-韧转换、速度依赖性转换与滑动稳定性已有很多实验研究.Stesky^[13]最早系统地研究了温度对花岗岩脆-韧转换与摩擦滑动的影响，发现随着温度的升高，花岗岩的摩擦从不稳定滑动向稳定滑动转换，而这种转换与断层带变形从脆性向塑性转换相对应.随后，国内外学者对多种岩石摩擦稳定性转换与变形机制的关系进行了研究，Ma和Ma^[14]曾对此进行过综述.Shimamoto^[15]对岩盐断层带的摩擦实验表明，断层带在较低围压下有一个速度弱化区、滑动不稳定，降低滑动速率或增加围压，岩盐断层带均会发生从脆性的摩擦滑动向韧性剪切流动的转换，断层滑动趋于稳定.这一研究是关于断层带脆-韧性转换、速度依赖性与滑动稳定性的关系最系统的结果之一.近年来的摩擦实验，以研究摩擦的速度依赖性与稳定性转换为主.例如，Blanpied等^[16]研究了热水条件下花岗岩断层泥摩擦滑动速度依赖性的转换，He等^{[17, 18]}研究了辉长岩断层泥摩擦滑动速度依赖性随温度的变化，Bos和Spiers^[19]以及Niemeijer和Spiers^[20]用岩盐和硅酸盐类矿物的混合物作为断层泥，研究了摩擦的速度依赖性和微观机制的变化；等等.这些结果揭示了不同岩石摩擦滑动稳定性与脆-韧性转换或速度依赖性转换的关系.

对于断层带地震活动特征的研究，除需要了解断层带滑动稳定性转换及其机制，还需要了解这种转换所对应的可以探测的物理现象，如小震活动、断层位移特征的变化等，特别是对慢地震机理研究，这是不可缺少的.然而，现有实验大都是在三轴高温高压实验条件下进行的，难以观测岩石摩擦速度依赖性转换和脆-韧性转换过程中对应的物理参量变化，因此也难以结合野外观测资料进行分析讨论.基于现有实验条件，本文选择在室温条件下即可发生脆-韧性转换或摩擦速度依赖性转换的材料作为断层带介质，开展摩擦实验并观测相关物理参量的变化.根据前人的实验结果，硬石膏具有随压力的增加可发生由黏滑向稳定滑动转换的性质^[21]，因此我们选择了硬石膏作为断层带介质.鉴于实验观测中与地震事件最为相似的是声发射信号，我们利用声发射技术观测摩擦实验中断层带的微破裂，同时也观测断层带的变形分布.

实验标本为花岗闪长岩，尺寸为300mm×200mm×50mm，每个标本沿长方体一对角线预置一条与长轴呈30°夹角、宽3mm的断层，断层带用硬石膏充填（石膏和水的重量百分比为3:1），断层面用400#金刚砂研磨.实验在一套双向加载伺服控制装置上进行，载荷和位移通过一套分辨率为16bit的数据采集系统记录.标本表面布设了声发射传感器和应变片，分别用多通道声发射数据采集系统和多通道数字应变仪观测标本在实验过程中的微破裂和应变场，其中声发射事件的相对能量通过对声发射波形的线长积分来确定^[22].实验标本的结构和传感器布局如图 1所示.实验过程中首先以相同的应力速率使σ₁和σ₂同步加载至预定的σ₂值，然后保持σ₂恒定，σ₁方向上则以0.5μm/s的位移速率加载，在差应力趋于稳定后，通过改变加载点位移速率，研究断层带摩擦滑动的速度依赖性.

图 1

Fig. 1

图 1 实验标本结构及传感器布局图 图中方框及数字表示应变片及编号，圆圈表示声发射传感器. Fig. 1 Configuration of samples and locations of transducers The rectangle symbols with numbers denote strain gauges and corresponding channels and the circle symbols denote acoustic emission transducers.

图 2汇集了含硬石膏断层带在恒定加载点速率、不同σ2条件下的差应力-时间曲线及摩擦系数-位移曲线.由图 2a可见，当σ₂=5MPa时，断层带的力学特征表现为具有峰值强度和剩余强度的类型，其中在峰值附近发生了多次具有较大应力降的失稳，随后强度降低并逐渐趋于稳定，且伴有准周期性的小失稳.随着σ₂的增大，断层带的峰值强度和剩余强度均明显增高，但从峰值强度向剩余强度演化的过程趋于稳定，此后仍表现为准周期性的小失稳.当σ₂增加至20MPa时，断层带强度比σ₂为15MPa时明显降低，曲线形态也发生了转变，断层带在屈服后表现为位移强化，即强度随位移（时间）增加而增加.由图 2b可得，当σ₂从5MPa增加到15MPa时，其峰值摩擦系数近乎等同为0.76，但稳态摩擦系数值随着正应力的增大而有所提高（5MPa时为0.6；10MPa时为0.64；15MPa时为0.66）；但当σ₂达到20MPa时，其峰值摩擦系数明显降低为0.54.显然，随着σ₂的增加，断层带滑动行为从不稳定向稳定转换，变形特征表现出从典型的脆性到韧性的转换.

图 2

Fig. 2

图 2 含硬石膏断层带在加载点速率v=0.5μm/s、不同σ2条件下的摩擦 (a)差应力-时间曲线; (b)摩擦系数(剪应力/正应力)-位移曲线. Fig. 2 Frictional behavior of the fautt zone containing anhydrite at velocity of 0.5 μm/s and different σ2 (a) Differential stress-time curves; (b) Coefficient offriction (shear stress/normal stress)-displacement curves.

图 3给出了σ₂=5MPa和20MPa两种条件下断层带附近平行断层滑动方向的应变随时间的变化曲线.可见，在σ₂=5MPa时（图 3a），断层带附近各部位的应变值在同一时间有明显差异，反映出断层带强度在空间上是不均匀的，但各部位应变的演化趋势基本一致，且与标本的差应力-时间曲线有很好的对应性.其中与峰值强度附近的较强的失稳和随后的一系列小失稳相对应，表现出周期性的应变积累-释放过程，说明这些失稳伴有断层的滑动，导致断层带两侧应变的突然释放，因此属于断层带的黏滑失稳.在σ₂=20MPa时（图 3b），断层带各部位的应变在同一时间大小有明显差异，各部位演化趋势也存在差异，但总体呈现的演化趋势与断层带的稳定滑动相一致.其中有些部位与标本的差应力-时间曲线有很好的对应性，即在屈服后表现为随时间而增加的特征，有些部位则在屈服后有弱化行为，说明断层带强度在空间上仍是不均匀的.与断层的宏观力学行为相一致，断层各部位均未见明显的应变快速释放过程.

图 3

Fig. 3

图 3 含硬石膏断层带平行断层滑动方向的应变随时间的变化曲线 (a)σ2=5 MPa; (b)σ2=20 MPa. Fig. 3 Strain parallel to slip direction along the fautt zone containing anhydrite plotted against time (a)σ2=5 MPa; (b)σ2=20 MPa.

图 4汇集了含硬石膏断层带在恒定加载点速率、不同σ₂条件下的声发射观测结果.在σ₂=5MPa的条件下（图 4a），在差应力达到峰值强度的大约70%之前，几乎没有声发射事件发生，之后声发射大量出现，声发射率表现出显著增长的趋势且在峰值强度附近达到最大值；与峰值强度附近几次较大的黏滑事件相对应，声发射率明显起伏，一次黏滑事件可引起大量声发射，其中黏滑应力降对应能量较大的声发射丛集.上述特征反映出在此阶段断层带的变形既包括石膏层的破裂又包括摩擦滑动.当断层强度趋于稳定后，声发射率明显降低，与准周期性的小失稳相对应，出现一个或一丛声发射事件，声发射率较小且变化不大，表明在此阶段断层以摩擦滑动为主.σ₂=10MPa和15MPa时的声发射特征（图 4b、c）与σ₂=5MPa时的声发射特征基本相似，只是在达到峰值强度前声发率并没有明显的起伏，而在峰值强度向剩余强度过渡阶段则有较明显的起伏.此外，σ₂=15MPa时断层带一开始加载便有声发射事件发生，表明断层带已有微破裂发生.当σ₂=20MPa时（图 4d），断层带在差应力上升过程中就有较强的声发射活动，接近屈服强度时，声发射活动非常密集，声发射率上升至较大的值，并在整个断层滑动都保持较高的声发射率.

图 4

Fig. 4

图 4 含硬石膏断层带在不同σ2条件下的差应力-时间曲线、声发射M-T图以及声发射率-时间曲线 (a)σ2=5 MPa; (b)σ2=10 MPa; (c)σ2=15 MPa; (d)σ2=20 MPa. Fig. 4 Differential stress-time curve, M-T diagram and occurrence rate-time curve of acoustic emission of fautt zone containing anhydrite under different σ2 (a)σ2=5 MPa; (b)σ2=10 MPa; (c)σ2=15 MPa; (d)σ2=20 MPa.

上述实验结果表明，在较低的σ₂下，断层带的变形首先表现为硬石膏层的脆性破裂和断层的黏滑，破裂造成了大量声发射事件的产生，而黏滑引起了断层带两侧岩石中应变的积累和快速释放；破裂后的断层带则表现为准周期性的黏滑，伴有应变的积累和快速释放、并产生了少量声发射事件.σ₂的增加具有使断层滑动趋于稳定、变形由脆性向韧性转换的作用，但断层强度随σ₂的增大而增大、以及峰值强度附近大量声发射的发生均表明，断层带的微观变形机制仍受破裂和摩擦所控制.当σ₂=20MPa时，断层带强度降低、滑动稳定，表现出典型韧性变形特征，但变形过程中始终伴有大量声发射的产生，表明断层带的变形可能受控于碎裂流动.

实验中，以0.5μm/s为背景速度对不同σ₂条件下断层带摩擦滑动的速度依赖性进行了研究（见图 5）.由图 5可知，当σ₂=5MPa，以0.5μm/s为界，随着加载点速度的降低（图 5d），断层黏滑周期增长、应力降增加，断层强度也有所增加，但当加载点速度降至0.01μm/s时，断层滑动行为出现了转换，断层趋于稳滑，且断层强度有所下降；随着加载点速度的增大（图 5a），断层黏滑周期缩短、应力降减小，断层强度减小，但当速度由4.5μm/s增至13.5μm/s时，黏滑应力降明显减小并趋于稳定滑动，断层强度则略有上升.当σ₂=10MPa，以0.5μm/s为界，降低加载点速度（图 5e），断层在0.5~0.05μm/s范围内仍表现出黏滑行为，但断层强度略表现为位移弱化且随加载点速度增大而略微有所降低；当速度为0.01μm/s时，断层趋于稳滑，强度明显降低.当增大加载速度到1.5μm/s时（图 5b），断层摩擦行为表现为黏滑，断层强度降低；继续增大加载速度到4.5μm/s，断层摩擦行为表现为黏滑，但断层强度略有增大；当加载速度继续增大到13.5μm/s时，断层表现为微小振荡，断层强度增大.当σ₂=15MPa（图 5c），以0.5μm/s为界增大加载速度（0.5~4.5μm/s）时，断层摩擦行为表现为黏滑，断层强度随着速度的增大而略有降低，表现为速度弱化；当加载速度为13.5μm/s时，断层摩擦行为表现为极微小的振荡，断层强度明显增大，表现为速度强化.在σ₂=20MPa的条件下，在0.5~1.5μm/s的速度下观测到速度强化，但由于断层周围的岩石很容易发生破裂，因此难以获得完整的速度依赖性实验结果.

图 5

Fig. 5

图 5 各σ2条件下含硬石膏断层带滑动行为的速度依赖性 (a)σ2=5 MPa时较快速率下摩擦系数-位移曲线; (b)σ2=10 MPa较快速率下摩擦系数-位移曲线; (c)σ2=15 MPa时较快速率下摩擦系数-位移曲线; (d)σ2=5 MPa时较慢速率下摩擦系数-位移曲线; (e)σ2=10 MPa时较慢速率下摩擦系数-位移曲线; (f)各σ2条件下应力差值-速度对数曲线. Fig. 5 Velocity dependence of the fault zone containing anhydrite at different σ2 (a) Coefficient of friction-displacement curve at higher velocities at σ2=5 MPa; (b) Coefficient of friction-displacement curve at higher velocities at σ2=10 MPa; (c) Coefficient of friction-displacement curve at higher velocities at σ2=15 MPa; (d) Coefficient of friction-displacement curve at slower velocities at σ2=5 MPa; (e) Coefficient of friction-displacement curve at slower velocities at σ2=10 MPa; (f) Differential shear stress vs.logu

基于上述实验结果，我们给出了断层带剪应力差值-加载点速度关系（图 5f）.由图 5f可见，硬石膏断层带在较低速度下表现为速度强化，即强度随速度的增大而增强；在中等速度下表现为速度弱化，即强度随速度的增加而减弱；在较高速度下又有转向速度强化的趋势.

在进行断层摩擦速度依赖性实验的同时，观测了相应的声发射活动.图 6给出了加载点速度逐渐减小过程中对应的差应力-时间曲线和声发射M-T图.由图 6a可见，在σ₂=5MPa的条件下，在0.5~0.05μm/s的速度弱化域，与黏滑事件相对应，出现一丛或一个声发射事件；当加载点速度由0.05μm/s减小至0.01μm/s时，即由速度弱化向速度强化转换时，声发射特征发生了明显的变化，声发射事件只有在加载阶段初期偶尔出现，当滑动达到稳定后无声发射事件发生.由图 6b可见，在σ₂=10MPa的条件下，当加载点速度由0.5μm/s降至0.05μm/s时，断层带强度降低、滑动趋于稳定，而当加载点速度回升至0.25μm/s时，断层带强度上升、滑动不稳定，表明0.05μm/s是速度弱化转换为速度强化的临界速度.同样，在速度弱化域，与黏滑事件相对应，出现一丛或一个声发射事件；转换为速度强化后，虽未见断层黏滑失稳，但仍可见声发射事件或事件丛准周期性地出现.

图 6

Fig. 6

图 6 较慢加载点速率下硬石膏断层带的差应力-时间曲线和声发射M-t图 (a)σ2=5 MPa; (b)σ2=10 MPa. Fig. 6 Differential stress-time curve and M-t diagram of fault zone containing anhydrite at slower loading point velocities (a)σ2=5 MPa; (b)σ2=10 MPa.

图 7为加载点速度逐渐增大过程中对应的差应力-时间曲线、声发射M-t图，其中也给出了声发射率和加载点位移速度随时间的变化.由图 7a可见，σ₂=5MPa时，随着加载速率的增大，声发射率也有明显的增大，除了加载点速度为4.5μm/s时，后期声发射率有所降低；尽管在滑动速率为13.5μm/s时断层带有转化为速度强化、滑动趋于稳定的趋势，但声发射率仍显著增加.随着σ₂的增加，声发射率依然保持随加载点速度增大而增大的变化趋势（图 7b、c），但在σ₂=15MPa的条件下，当加载点速度提高到13.5μm/s时，随着断层带由速度弱化转换为明显的速度强化，声发射率明显降低（见图 7c）.

图 7

Fig. 7

图 7 较快加载点速率下硬石膏断层带的差应力-时间曲线和声发射M-t图 (a)σ2=5 MPa; (b)σ2=10 MPa; (c)σ2=15 MPa. Fig. 7 Differential stress-time curve and M-t diagram of fault zone containing anhydrite at faster loading point velocities. (a)σ2=5 MPa; (b)σ2=10 MPa; (c)σ2=15 MPa.

上述实验结果表明，硬石膏断层带在较低位移速率下表现为速度强化，在中等位移速率下表现为速度弱化，在较高位移速率下又有转向速度强化的趋势；σ₂的增加具有使速度弱化范围缩小、即滑动趋于稳定的作用.在速度弱化域，声发射事件与黏滑事件相对应，单个或成丛的出现，且频度随加载速度增大而增加；在低速端的速度强化域，尽管无黏滑出现，但仍可见间歇性的声发射或事件丛；而在高速端的速度强化域，则仍有很强的声发射活动，只是相对于速度弱化域声发射率有所降低而已.

为了了解断层带的变形机制，对实验后断层带的显微构造进行了观察.图 8给出了不同条件下石膏断层带的显微照片.这里我们参照Bartlett^[23]提出的剪切带内部结构描述断层带内的破裂面.由图 8a可见，在σ₂=5MPa，加载点速度较快的条件下，断层带内石膏晶体颗粒粒度大小不一，分布杂乱，断层带内平行剪切方向的Y破裂发育，也可见张性T破裂及R剪切面，其中沿Y破裂面石膏颗粒非常细小.这些特征说明断层带的变形主要表现为沿Y破裂面的剪切滑动，并且发生局部剪切和张性破裂.在图 8b中，在σ₂=5MPa、加载点速度较慢的条件下，断层带石膏颗粒粒度普遍变细，变形均匀，没有出现局部化的Y剪切面，但局部发育张性T破裂以及不连续的R剪切面，表明断层带的变形以断层介质的均匀流动为主，含局部化的剪切和张性破裂.在相同的低侧向压力条件下，加载速率由高变低时，断层带主要的微观结构从Y剪切面向均匀流动转变，与力学上表现出的断层滑动速度弱化向速度强化转变是一致的.在图 8c中，在σ₂=20MPa的条件下，断层带内的石膏晶体粒度显著减小，且颗粒粒度均一，石膏晶体颗粒沿剪切面呈定向分布，而且断层带内发育R剪切面和X剪切面.这些特征表明，断层带的变形受断层带介质的韧性变形和沿密集的次级剪切破裂的滑动所控制.

图 8

Fig. 8

图 8 石膏断层带的显微照片(箭头指向为断层滑动方向). (a)σ2=5 MPa，较快加载速率; (b)σ2=5 MPa，较慢加载速率; (c)σ2=20 MPa. Fig. 8 Microstructure of the fault zone containing anhydrite (a) at σ2=5 MPa and faster velocities; (b) at σ2=5 MPa and slower velocities; (c) at σ2=20 MPa.

R面的间歇性存在是因为高侧向压力作用下，断层带介质持续受到粉碎和剪切扩容作用，当剪切颗粒粒度达到某一临界水平，摩擦滑动将达到稳定状态，进一步的变形则集中在与剪切带成锐角的R面或边界剪裂中^{[24, 25]}.这也解释了侧向应力为20MPa时，声发射率出现间歇性回落的现象（见图 3d）.扩容率从正变为负时，断层泥变形从均匀变形向不均匀剪切变形转换.侧向应力为20MPa时，断层滑动不出现大应力降的黏滑，由此可推测声发射的出现来自于微破裂的产生，而微破裂的生成会导致扩容的产生，因此声发射率图也反映了断层带扩容率的变化情况.声发射率图（图 3d）显示，断层滑动产生的声发射率总体趋势为增加，但局部出现声发射率降低的阶段，这些阶段代表扩容的降低，变形转换为局部性，且在沿R剪面方向集中，但这种间歇性的剪切面所能调节的应变量有限，所以扩容也间歇性产生.因此，在声发射率经历一短期的低值后，又开始回升.另一方面，应变虽趋向于集中在R面，但石膏颗粒不能承载过大的应变，应变以颗粒尺度的破碎、滑动被释放，从而不能形成大的应力降，这也是R面的存在，在应力曲线上却没有表现出应力降的原因.

（1）实验结果表明，含硬石膏的断层带随σ₂的增加，断层带力学性质由脆性转变为韧性、摩擦滑动由不稳定滑动转换为稳定滑动.分析表明，在较低的σ₂下，断层带的变形首先表现为硬石膏层的脆性破裂和断层的黏滑，脆性破裂形成了断层带内一系列次级破裂面，其中平行断层剪切方向的Y面最为发育，并造成了大量声发射事件的产生，而黏滑引起了断层带两侧岩石中应变的积累和快速释放；破裂后的断层带以沿Y面的滑动为主要变形方式，表现为准周期性的黏滑，伴有应变的积累和快速释放、并产生了少量声发射事件.σ₂的增加具有使断层滑动趋于稳定、变形由脆性向韧性转换的作用，但断层强度随σ₂的增大而增大、峰值强度附近大量声发射的发生以及断层带微观结构特征均表明，断层带的微观变形机制仍受破裂和摩擦所控制.当σ₂=20MPa时，断层带强度降低、滑动稳定，表现出典型的韧性变形特征，但断层带内石膏颗粒均匀且粒度极细，发育有两组等间距分布的剪切面，变形过程中始终伴有大量声发射的产生，表明断层带的变形在微观机制上表现为韧性变形与脆性微破裂共存，可能属于变形相对均匀的碎裂流动；σ₂=20MPa时断层强度较σ₂=15MPa时明显降低，这可能与颗粒的碎裂过程有关^{[26, 27]}.因此，硬石膏断层带随σ₂增加滑动方式由不稳定滑动转换为稳定滑动，断层带变形方式从局部化的脆性破裂和摩擦向均匀分布的韧性变形与密集分布的脆性剪切破裂转变.

（2）摩擦滑动的速度依赖性实验结果表明，硬石膏断层带在较低加载点速度下表现为速度强化，即强度随速度的增大而增强，且滑动稳定；在中等加载点速度下表现为速度弱化，即强度随速度的增加而减弱，并伴有准周期性的黏滑；在较高加载点速度下又有转向速度强化的趋势；随着σ₂的提高，从较低速度下的速度强化转换为中等速度下的速度弱化的临界速度提高，而较高速度下由速度弱化向速度强化转换的趋势也更为明显，表明σ₂的提高使得速度弱化的范围逐渐减少，滑动趋于稳定.在速度弱化域，断层带的变形以局部化的脆性破裂和摩擦为主，声发射事件与黏滑事件相对应，单个或成丛的出现，且频度随加载速度增大而增加；在高速端的速度强化域，断层带的变形受分布式的碎裂流动所控制，虽然断层滑动趋于稳定，但能量较小的声发射活动仍很密集；而在低速端的速度强化域，断层带的变形可能受细粒物质的流动所控制，在从速度弱化转换为速度强化的临界速度下，可见间歇性的声发射或事件丛，而随着断层带完全进入速度强化域，则无声发射活动.硬石膏断层带的摩擦速度依赖性与岩盐断层带的摩擦速度依赖性^[15]具有相似性，尽管变形机制不同，但在较低压力条件下降低滑动速度，断层带均有从速度弱化向速度强化转换、滑动趋于稳定的趋势.地壳常见岩石是否具有类似性质，是一个值得深入研究的问题，而这需要用实际的岩石在更宽的滑动速度下开展研究.

（3）在慢地震研究中已发现间歇性颤动和滑移、慢滑移等现象，并提出了断层带脆-韧性转换、断层带摩擦速度依赖性从速度弱化向强化转换是慢地震产生机制的观点^[5~12].硬石膏断层带的力学性质随σ₂的增加发生了脆-韧性转换，但转换后仍有大量声发射（即微破裂）发生，表明这种转换只是宏观力学行为的转换，微观机制仍为脆性破裂，因此无法为解释慢地震的特征提供依据.硬石膏断层带随加载速度变化发生了两次速度依赖性转换，其中断层带在高速端由速度弱化转换为速度强化时伴有很强的微破裂活动，也与慢地震现象无相似之处，而在低速端由速度弱化转换为速度强化时，表现出的间歇性的微破裂活动与在天然断层带附近所探测到的间歇性颤动现象有相似性.因此，实验研究断层带在低速端的速度依赖性转换，特别是揭示转换机制与转换过程中伴随的微破裂和滑移特征，可为慢地震机制提供坚实的物理基础.

刘力强、刘培洵、陈顺云、陈国强等在实验和数据处理方面给与的帮助，谨致谢意.