自从Brace和Byerlee(1966)将摩擦实验中的黏滑过程与地震过程加以联系的工作开展以来，已有大量的实验及理论研究工作投入，用以确定这些不稳定的性质和它们发生条件.这些研究在近期的突出进展就是通过Dieterich(1978,1979,1981)和Ruina(1983)等的实验工作和理论提炼，得出了速率与状态依赖性本构关系.这种本构关系抓住了岩石摩擦滑动的主要力学特征，而且由于包含速率以及对滑动历史的记忆，它可以用来分析摩擦滑动中的稳定性并再现实验室常见的多种滑动模式.

这种本构关系与滑动稳定性直接相关的内容是其稳态解，即稳态摩擦系数μ^SS与速度V的关系：

式中，μ_*为参照速率V_*下的摩擦系数、a和b为速度依赖性参数.其中，a为表征直接速率效应的本构参数，b为表征过渡过程速度效应的本构参数，其差值a-b即为稳态摩擦系数对速率变化的敏感系数，也称为摩擦的速度依赖性参数.

基于弹簧-滑块系统的理论分析表明(Ruina, 1983; Rice, 1983)，在小扰动条件下，当a-b<0，且系统的刚度k小于临界刚度k_cr(k_cr=(b-a)σ/dc，其中σ和d_c分别是正应力和特征滑动距离)时，系统是不稳定的，而且在缓慢构造加载过程中会在的断层面上产生不稳定滑动的成核(Dieterich and Linker，1992).而(a-b)>0的情况至少在小扰动条件下是稳定的，而且也不会在缓慢的构造加载作用下产生地震成核.由此可见，摩擦的速率依赖性参数(a-b)在判别稳定性以及快速滑动(地震)是否成核的问题上是至关重要的参数.

在以上理论背景下，已针对花岗岩(Lockner et al.，1986；Blanpied et al，1991，1995)、辉长岩(何昌荣等，2004；He et al，2006，2007)等深部岩石进行了摩擦实验研究.花岗岩在热水条件下的摩擦滑动实验结果表明(Blanpied et al，1991，1995)：(1)当温度低于300 ℃时，摩擦系数随着温度的增加而增大；而温度高于300 ℃之后，摩擦系数随着温度的增加而减小；(2)温度在100 ℃到350 ℃范围内(除了250 ℃附近)，表现为速度弱化(a-b<0)，而当温度高于350 ℃时，表现为速度强化(a-b>0)，且其值随着温度的增加而增大.结合Lockner等(1986)对干燥条件下的花岗岩的研究、Blanpied等(1991, 1995)对热水条件下的花岗岩的研究、Chester和Higgs(1992)对干湿两种条件下的石英的研究以及何昌荣等对辉长岩的研究(何昌荣等，2004；He et al，2006，2007)，可以发现如下一些规律：(1)水对岩石的摩擦滑动性质有重要的影响；(2)在有水条件下，随着温度的增加，岩石摩擦滑动的速度依赖性会由速度弱化转变为速度强化；(3)辉长岩的主要组成矿物是辉石和斜长石，但是在有水条件下，辉长岩的摩擦滑动特征并不是其两种主要矿物的简单叠加(罗丽和何昌荣，2009).

尽管上述结晶岩的摩擦滑动实验研究对初步了解中深部断层带上岩石的摩擦滑动性质起到了重要作用，但关于中深部地壳断层的地震成核研究还存在一些问题有待解决.其一，断层深部是否存在强度的弱化机制还不明确，目前多采用花岗岩或辉长岩的摩擦滑动实验结果来表示断层深部岩石的摩擦滑动性质，而在矿物成分上与这些岩石具有差异的断层带深部的岩石是否在力学上有显著的差异却是一个疑问.其二，在中深部地壳的温压条件下是否可以发生地震成核也是值得探讨的问题.因此，我们有必要对地壳深部贴近断层带的岩石的实际情况进行研究.而糜棱岩作为断层带深部剪切带的特征岩石之 一，其野外样品研究和实验模拟研究显示(Trepmann and Stöckhert，2001，2002，2003;Trepmann et al.，2007)， 虽然糜棱岩是塑性变形的产物，但在同震加载阶段，由于高的应变速率与高应力条件或者高的孔隙压力，糜棱岩很可能发生脆性摩擦滑动，而在震后蠕滑阶段和间震期，又转化为塑性变形.这种现象在龙门山断层带中也有发现(韩亮等，2013).因此，研究糜棱岩的摩擦强度与滑动稳定性对认识中地壳断层滑动与地震孕育具有重要意义，而且此类实验研究目前还无人涉及.

以花岗岩原岩通过变形/变质作用形成的糜棱岩，其矿物组成与花岗岩非常类似，但是它们又有所区别(Yonkee et al.，2003).Yonkee等(2003)以一个在结晶基底岩中持续生长的剪切带为例，利用全岩化学组成、矿物学、流体包裹体特征等，研究了由花岗片麻岩向千枚糜棱岩的逐渐变化过程中矿物成分等的变化.研究结果表明：花岗岩和糜棱岩都主要由长石和石英组成.但是，和花岗岩相比，糜棱岩中的石英会轻微富集，且含量变化范围较大；钾长石、斜长石等所有长石类矿物和铁镁质矿物会强烈贫化；而绿泥石和白云母则会高度富集.糜棱岩与其原岩之间的这种成分差异有可能引起其摩擦滑动特征的重要变化.为了探讨这一问题，本研究选择采自云南红河断裂的长英质糜棱岩为实验样品，研究其摩擦滑动特征，并与以往结晶岩的实验结果进行对比，分析两者的异同点，从而对实际断层上岩石的摩擦滑动特征有一个初步了解.由于地壳深部的断层活动可能发生在热水条件，因此本文主要研究上述糜棱岩在热水条件下的摩擦滑动特征.其中主要包括两个方面：一是摩擦系数的大小；二是摩擦滑动的稳定性，即速度依赖性参数a-b值的符号变化.

由于实验中直接得到的数据包含了铜管、实验系统和传感器等带来的误差，因此，我们必须对实验数据进行校正，具体的校正过程和后期数据处理详见兰彩云等(2010)的研究.

本文中进行了一系列有效正应力为200 MPa 的糜 棱岩断层泥的摩擦滑动实验.实验温度为100 ℃～ 600 ℃、孔隙水压为30 MPa.该系列实验的实验条件及结果详见表1，实验所得的糜棱岩断层泥的摩擦系数-位移曲线见图2.

表1(Table 1)

表1 热水条件下糜棱岩的实验条件与结果 Table 1 Experimental conditions and results of mylonite under hydrothermal conditions 糜棱岩 T/(℃) σeff/MPa Pp/MPa μa a-b 滑动模式 ml-07-1-05 100 200 30 0.689 0.0029 稳滑 ml-07-1-04 200 200 30 0.702 -0.002 振荡 ml-07-1-13 300 200 30 0.74 0.0061 中、低速稳滑，高速振荡衰减； 低速向中速转换时发生黏滑 ml-07-1-12 400 200 30 0.738 -0.002 低速稳滑，中速振荡；中速向 高速转换时发生触发式黏滑 ml-07-1-14 500 200 30 0.72 0.004 稳滑 ml-07-1-11 600 200 30 0.716 0.009 稳滑 注:σeff为有效正应力；Pp为孔隙水压；μa为轴向非弹性应变达到1.5 mm时的摩擦系数，准静态振荡时，取振荡的平均值；a-b为由多个有效台阶计算出来的速度依赖性的平均值.

表1 热水条件下糜棱岩的实验条件与结果 Table 1 Experimental conditions and results of mylonite under hydrothermal conditions

图2

Fig. 2

图2 糜棱岩在200 MPa恒定有效正应力条件下的摩擦系数-位移曲线 (a)速度强化；(b)速度弱化.图中数字表示加载速率，为μm/s. Fig.2 Friction coefficient of mylonite gouge plotted as functions of displacement under effective normal stress of 200 MPa (a) Velocity strengthening. (b) Velocity weakening. In figures, the digital represents the loading rate (μm/s).

3.1 摩擦系数

为了确定强度随温度的变化趋势，我们选取了轴向非弹性应变为1.5 mm时的摩擦系数，准静态振荡时，取振荡的平均值，最后对速度效应进行了校正，统一校正到滑动速率为1 μm/s时的摩擦系数.结果表明，糜棱岩的摩擦系数在300 ℃之前，随着温度的增加而增大；在300 ℃之后，随着温度的增加而减小，摩擦系数总体在0.69~0.74之间变化，其变化幅度并不大(见图3).其变化趋势，与花岗岩在热水条件下的摩擦强度随温度的变化较为一致(Blanpied et al.，1995).

图3

Fig. 3

图3 糜棱岩的摩擦系数随温度的变化 Fig.3 Friction coefficient of mylonite gouge plotted against temperature

3.2 速度依赖性

稳态滑动时，应用公式(1)可得到a-b(见公式(2)).但是由实验得到的摩擦系数-位移曲线有位移强化特性，为了不受位移强化特征的影响，可以根据曲线的走势画出两条平行的斜线，并以斜线之间的距离来表示速度阶跃前后的稳态值的差分值：

如图4所示，糜棱岩的摩擦滑动速度依赖性参数a-b在200 ℃和400 ℃时表现为速度弱化(a-b<0)， 其余温度下均表现为速度强化(a-b>0)，且在400 ℃ 之后，a-b值随着温度的增加而大幅增大.200 ℃时的速度弱化表现为持续性的准静态振荡；400 ℃时，低速稳滑，中速振荡，中速向高速转换时发生触发式黏滑(见图2).这与花岗岩的摩擦实验结果有所差异,热水条件下的花岗岩在100 ℃到350 ℃的温度范围内，除了250 ℃附近，均表现为速度弱化(a-b<0)，而当温度高于350 ℃时，表现为速度强化(a-b>0)，且其值随着温度的增加而增大(见图5)(Blanpied et al.，1995).

图4

Fig. 4

图4 糜棱岩的速度依赖性参数a-b随温度的变化 Fig.4 Steady-state rate dependence of friction (a-b) of mylonite gouge plotted against temperature

图5

Fig. 5

图5 热水条件下花岗岩的速度依赖性参数a-b随温度的变化(Blanpied et al.，1995) Fig.5 Steady-state rate dependence of friction (a-b) of granite gouge plotted against temperature under hydrothermal conditions(Blanpied et al.，1995)

由于我的研究是对样品进行研磨后，用其模拟断层泥来进行实验，主要是研究糜棱岩中的矿物相对摩擦滑动性质的影响，而糜棱岩中的剪切组构对摩擦滑动性质的影响则有待后续研究.因此，在确定的实验条件下，矿物成分无疑是控制摩擦滑动特征的最主要因素.说到糜棱岩的矿物组成，很容易就联想到花岗岩，因为两者的主要矿物组成非常类似，因此，在这里，我们将对两者的摩擦滑动特征进行对比分析.

Blanpied等(1991，1995)对热水条件下的花岗岩进行了研究，其所用的花岗岩为Westerly花岗岩.而本文中选用的实验样品为采自云南红河断裂带的糜棱岩.两者的成分对比表明，其总体上差别很小(详见表2).

表2)

表2 糜棱岩和Westerly花岗岩(Stesky et al.，1974)的矿物组成对比 Table 2 Mineral composition of mylonite and Westerly granite(Stesky et al.，1974) 矿物组成 石英 斜长石 微斜长石 云母 高岭石 方解石 糜棱岩 37% 32% 23% 5% 1% 1% Westerly花岗岩 28% 32% 35% 5% 0% 0%

表2 糜棱岩和Westerly花岗岩(Stesky et al.，1974)的矿物组成对比 Table 2 Mineral composition of mylonite and Westerly granite(Stesky et al.，1974)

上述糜棱岩和花岗岩的摩擦实验结果显示，两者速度依赖性的变化都不是单调的，说明速度依赖性随温度的变化具有一定的复杂性.糜棱岩速度弱化向速度强化转化的临界点在430 ℃附近，但是其在300 ℃时显示速度强化；而花岗岩速度弱化向速 度强化转化的临界点在350 ℃左右，但是其在250~275 ℃ 又出现了速度强化.

通过对比分析花岗岩和糜棱岩的实验结果，我 们发现两种岩石摩擦滑动性质最显著的差异在400 ℃ 时的速度依赖性.400 ℃时，糜棱岩为速度弱化，而花岗岩为速度强化.那么造成这一差异的原因是什么呢？通过光学显微镜的观察，我们发现糜棱岩中的云母多为片状白云母，其含量大约占云母总量的80%.而花岗岩中的云母则以板柱状的黑云母为主，且其粒径较小(Blanpied et al.，1995).Scruggs和Scruggs(1998)研究了在室温、低压条件下云母的一些摩擦性质，发现黑云母比白云母弱，而且黑云母表现为速度弱化而白云母表现为速度强化.然而在高 温高压及热水条件下，白云母和黑云母至少在300 ℃ 以上均表现为速度弱化(Mariani et al.，2006；Van Diggelen et al.，2010；Lu and He，2013).因此，花岗岩与花岗质糜棱岩在滑动稳定性上的差别很可能与所含云母类型无关.有限的实验结果表明，造成这种差别的原因很可能与压力条件的差异有关，其中在300 ℃以上的高温段上施加更高的有效压力似乎更容易出现速度强化，正如辉长岩(He et al.，2007)以及伊利石和石英混合的断层泥(Den Hartog and Spiers，2013)的结果.由于目前已有结果还不够系统，因此今后需要进一步的实验工作来系统地阐明这一问题.

综上所述，糜棱岩和花岗岩的主要组成矿物虽然很相似，但是我们的初步结果显示了这两种岩石的实验结果有所不同，尤其表现在速度依赖性的差异上.从目前的有限数据分析来看，这种差异源于有效正压力条件差异的可能性较大.尽管造成差异的控制因素仍不十分明了，但是在实验中我们看到速度弱化向速度强化转化的温度在430 ℃附近，且这一实验结果是可重复的确定性数据.基于此，如果深部存在的超高压流体使得深部的摩擦强度低于流变强度，则地震成核的深度至少可以向下延至430 ℃所对应的深度，有别于以往在350 ℃附近的认识.