黑云母是自然界中常见的层状硅酸盐矿物,普遍存在于岩浆岩和变质岩中.其在岩石中的含量可从百分之几到百分之几十不等,例如在江西武山花岗闪长斑岩中的黑云母只有7%~8%(东前等,2011),而在美国爱达荷州Riggins以北出露的黑云母片岩中其含量可达72%(Shea and Kronenberg.,1992).作为云母族中的主要矿物之一,黑云母可出现在比其他云母更复杂的地质环境中.在变质岩中,可生成于很宽的温度和压力条件下,在很多接触和区域变质的沉积物中大量生成.在岩浆岩中,它大多在花岗岩、花岗伟晶岩、花岗闪长岩、英云闪长岩、闪长岩、苏长岩、石英霞石正长岩和石英二长岩中生成(Deer et al., 1985).在地下更深处,角闪岩相的条件下(300~1000 MPa,550~750℃),黑云母可以通过重结晶等变质作用生成,可见于片麻岩原岩经受强烈的变形作用变质为千枚糜棱岩的过程中(Bell and Etheridge.,1973).另外,从前人关于黑云母的熔融实验结果中得出熔体出现的温度大多都 在700~800℃(Singh and Johannes.,1996; Brown and Fyfe.,1970 ; Vielzeuf and Montel.,1994; Patiño Douce and Beard, 1995).这些数据显示,黑云母能够稳定存在的温度范围很广,至少在700℃以下是稳定的.
野外应力测量、热流值观测和断层带变形研究 等结果显示一些断层具有弱断层的特征,即可以在 远小于Byerlee定律所估的摩擦系数值下滑动(Holdsworth,2004; Faulkner et al., 2010).例如苏格兰Outer Hebrides断层区(Imber et al., 1997; Imber et al., 2001)、新西兰马尔堡地区走滑断层(Balfour et al., 2005)、美国圣安德列斯断层(Lockner et al., 2011; Chester et al., 1993)等,其中研究最多的是圣安德列斯断层.探索弱断层产生的原因也是多年来的研究热点,到目前为止仍有争议,主要集中在高孔隙水压和弱矿物两个方面.高的孔隙流体压力可以导致滑动所需的有效剪应力减小,从而降低断层强度.地球物理探测表明,在地震震源区存在波速降低、泊松比增大、电阻率降低等异常现象(Zhao et al., 1996; Gupta et al., 1996; Eberhart-Phillips and Michael.,1993; Johnson and McEvilly, 1995),如神户地震震源区的地震层析成像结果表现为低的波速和高的泊松比,P波和S波波速平均比周围岩石低3%~4%,泊松比高于周围 岩石6%(Zhao et al., 1996),而在Parkfield Middle Mountain下也有很大的低速异常区(Eberhart-Phillips and Michael, 1993). 通常认为,这些异常可以作为有地下流体存在的证据.在假定高压水存在的情况下,地下流体的来源也是难解的科学问题.深部挤压和脱水反应过程中释放的流体可以使局部流体压力增加至高达静岩压力的水平(Hickman et al., 1995),但同时高的孔隙压需要低的渗透率来保证,因此需要广泛存在的层状硅酸盐或者围岩的固结来作为阻碍流体散失的有效屏障(Faulkner and Rutter, 2001).Faulkner and Rutter(2001)假设地下15~20 km范围内流体来源于层状硅酸盐矿物的脱水,且假设层状硅酸盐矿物含量达50%,那么其产生的高压流体只能保持12ky,不足以导致大断层在地质历史时期的弱化.可见,此机制还需要有合理的流体来源与补充源来支持,单独用孔隙流体来解释断层大范围长期的弱化还存在很大的争议.因而弱矿物即成为了探讨弱断层成因的另一个思考点.
传统地壳强度剖面是由可代表长英质岩石矿 物的实验室数据估算而得(Scholz,1988; Kohlstedt et al., 1995),而用富含层状硅酸盐矿物进行计算,所得的地壳强度会很低(Holdsworth,2004; Janecke and Evans, 1988; Wintsch et al., 1995).最近Van Diggelen 等得到的白云母的实验室结果同样低于 Byerlee定律的估计值(Van Diggelen et al., 2010). 作为引起断层强度长期处于低值的可能原因(Faulkner et al., 2010),有关弱矿物的力学性质引起了实验研究的广泛关注.目前通过钻探获得最多的弱矿物主要是黏土矿物,如在圣安德列斯断层科学钻探的岩芯中发现蒙脱石、伊俐石、滑石、皂石等(Lockner et al., 2011; Tembe et al., 2009).但很显然,这些黏土矿物在深部是不能稳定存在的(Velde,1993).因此,如果弱断层在深部同样保持较低强度,用黏土矿物是不能加以解释的.除黏土矿物外,实验研究表明云母等层状硅酸盐矿物的强度也较低,比石英、长石等常见造岩矿物弱很多(周永胜等,2009). Shea和Kronenberg(1993)的研究也得出当变形和破裂沿着云母富集带发生时,样品的强度会随着云母含量的增多而减小,延塑性则会增大.由于黑云母在地下深处的温压条件下可以稳定存在,所以一旦其富集连通,可能会大大降低断层带的强度,成为弱断层的原因.
因此可见,对黑云母剪切变形性质进行研究并获取其摩擦系数和滑动稳定性方面的数据,对于更深入研究地壳强度、变形机制以及地震动力学问题有基础性意义.但前人关于黑云母粒状样品的剪切研究并不多.Scruggs等对黑云母粒状样品在室温、无孔隙水压条件下进行过长距离旋转剪切实验,在实验前样品经潮湿空气处理为含水条件(Scruggs and Tullis, 1998).很明显,已有的结果在实验条件上有一定的局限性,室温和无孔隙水压的条件与地壳深部条件相差甚大,难以适用.而在高温高压下已有的实验结果却是以黑云母单晶为实验样品的,将黑云母单晶的流变强度用于大陆地壳强度剖面的建 立,得到了比其他硅酸盐矿物更低的强度(Kronenberg et al., 1990). 虽然单晶的结果在实验条件上更有意义,但其只关注了完整样品的变形强度,目前尚缺乏关于摩擦性质的数据.因此要更全面了解断层深部的力学性质有必要对黑云母在高温高压的实验条件下进行摩擦实验研究.
目前人们普遍接受的地壳强度模型认为浅部地壳的变形以脆性破裂为主,深部地壳的变形以晶体塑性流动为主,而其中的过渡区域通常称为脆塑性转换带.在该处的变形则认为破裂模式转化为脆延性,主导机制转化脆塑性.脆塑性转化带还具有更重要的意义,即理论上通常将脆塑性转化的深度与浅源地震深度的下限相对应.这个深度的截止范围依赖于地热等温面,因此在不同的地温梯度下所对应的深度是不同的.很多地震观测资料显示这个深度通常集中在地壳十几、二十多公里左右(张媛媛等,2012).若粗略地选取地温梯度为2~3℃/100 m,则十几、二十多公里左右的深度即对应大概三四百摄氏度.
为了研究这一转化带的力学性质,我们选择了300℃和400℃作为研究的温度条件.又由于在相同正应力条件下,摩擦系数的大小即可反映剪切强度的强弱,因此文中用摩擦系数来对强度进行衡量.本次工作主要关注黑云母在所研究温度范围内的摩擦系数、滑动稳定性等摩擦性质,希望在补充其摩擦性质基础数据的同时为弱断层带成因、脆塑性转化带力学性质等问题的探索提供数据参考.
2 实验方法 2.1 实验样品实验所采用的样品是黑云母的粒状样品,采自河北省灵寿采石场.样品通过人工粉碎后用200目的筛网进行粒度控制,最终粒度小于76 μm.激光粒度分析显示粒度中值为47 μm,粒度分布见图 1.
实验所用的仪器是气体介质高温高压三轴实验系统,可加围压420 MPa,温度用YAMATAKE DCP30型控温仪,通过可控硅调节加温炉的功率来控制,温度可加到600℃,孔隙压200 MPa,轴向加 载能力为100 T.其他细节详见相关文献(He et al., 2006; He et al., 2007).
围岩样品为圆柱状,长40 mm,直径20 mm.中间有预制断层面,与样品轴向夹角为35°,为了提高断层面上的渗透率采用带有双孔的辉长岩作为上部围岩,下部则用完整辉长岩以阻止孔隙水压损失.实验前在上、下断层面之间加入1 mm厚的黑云母粒 状样品模拟断层磨损物质来进行简单剪切实验.整个样品、碳化钨压块以及刚玉柱都包在厚度为0.35 mm 的铜管内,并在铜管和加温炉之间的空隙中填充氮化硼粉末,用于传热并阻止气体对流,使样品的上下温度保持均匀(图 2).本实验采用两段炉体分别加温的方式,630℃以下样品中部与两端的温度控制在14℃的范围内.通过中心孔中插入热偶来测量样品的温度,测温点在围岩顶部,温度精度为±1℃.
实验在300℃和400℃的温度下进行,有效正应力为200 MPa且在实验过程中保持恒定,水压包含10 MPa和30 MPa.实验过程中通过反馈控制保持正应力和水压恒定,而断层泥样品中的含水量则会随着孔隙度的变化而变化,但始终处于饱和水状 态.为了研究样品强度的速度依赖性,实验采用变速率的方法,滑动速度在1.22 μm·s-1和0.122 μm·s-1 之间进行切换.为了检验双孔辉长岩是否具有足够的孔隙渗透性,在300℃条件下利用多孔陶瓷作为上部围岩进行了补充实验.
在样品受到均匀压缩而没有发生剪切变形之前,对样品厚度进行了测量,由此估计得到的样品应变速率为10-3~10-4s-1.
2.3 数据处理加载于完整围岩样品的轴向应力为围岩两端的压力值与样品横截面的比值.然而,对于存在斜向剪切面的样品,在三轴压缩摩擦实验中,摩擦面的实际接触面积会随轴向位移的增加而减小.因此,需要对加载于围岩两端的轴向应力进行接触面积校正.另外,由于样品在剪切错动过程中,铜管也会产生阻挡剪切的力,这使实际样品的剪切力小于仪器所测得的剪切力,因此为了保证数据的准确性,需要扣除铜 管的剪切力.
对接触面积和铜管剪切力的校正方法,详见文献(He et al., 2006; He et al., 2007; 兰彩云等,2010).
3 实验结果实验得到了四组结果,力学曲线如图 3所示,详细的实验结果见表 1.我们主要关注两个方面的问题,一个是摩擦系数,另一个是摩擦稳定性.
由图 3可以看出,黑云母在300℃和400℃摩擦系数整体不高,平均大概在0.36左右.取轴向非弹性应变为1.5 mm处的摩擦系数值进行对比,如图 4所示.可以看出在相同的压力条件下,400℃下的摩擦系数低于300℃下的值(样品bio-b03和bio-b04),降低幅度在6%左右.而样品bio-b04sub的实验结果可以看出黑云母在10 MPa孔隙水压条件下的摩擦系数大于30 MPa下的(样品bio-b04和bio-b04sub),且增幅在0.05左右,因此,可得在相同条件下,低孔隙水压所对应的摩擦系数较大,这和有效应力原理保持一致.
值得注意的是,在300℃条件下,利用多孔陶瓷作为上部围岩的摩擦系数实验结果低于相同压力条件下双孔辉长岩的结果(样品bio-b03和bio-c03),降幅在0.04左右(表 1).分析造成这种差别的原因可能是出于渗透性的影响,虽然双孔辉长岩在渗透性方面已经做了改进,但是水压仍有可能会在局部不均匀,相比而言,孔隙度较高的多孔陶瓷更有利于水压的均匀,因此参考这一对比,可为我们的实验结果提供一个偏差范围,即在利用双孔辉长岩作为上部围岩时,可能会对摩擦系数有一些高估(300℃为0.04,其他情况可能是类似的).
3.2 摩擦强度的速度依赖性为了了解样品摩擦稳定性方面的性质,我们引 入了速度与状态依赖性本构关系(Dieterich,1978; Dieterich,1979; Dieterich,1981; Ruina,1983),在此框架下计算了速度依赖性参数.在稳态条件下,摩擦系数的表达式为
其中,μ为摩擦系数,V为滑动速率,μ*表示在某一参照速率V*下的摩擦系数稳态值,a为表征直接速度效应的本构参数,b为表征过渡过程强弱的本构参数.由上述理论得到了速度依赖性参数a-b,表达式为
V1和V2分别为剪切滑动速度变化前后的值,μss1和μss2分别为速度V1和V2下对应的摩擦系数稳态值.此参数与滑动稳定性直接相关,即当a-b>0时,为速度强化,滑动通常表现为稳滑行为;当a-b<0时,为速度弱化,可产生不稳定滑动的成核,从而引发地震(Rice and Tse, 1986).
本次实验得到的实验结果显示,在300℃黑云母的摩擦滑动为稳滑行为,在400℃是为黏滑行为,而黏滑即对应为速度弱化,为不稳定滑动的特征.对于稳滑行为,采用公式(2)对速度依赖性参数a-b进行计算.而对于黏滑行为,则采用Verberne等所述的方法(Verberne et al., 2010),这种方法是在系统刚度k和临界刚度kcr相等的准静态震荡的情况下进行数值模拟,从而可以得出b-a的值与摩擦系数平均值的关系.基于慢度方程进行模拟计算所得到的结果如下:
其中υ0= V/V*,其他符号与前相同.对于实验所得黏滑的情况,利用方程(3)得到的值应是 |b-a|的一个下限值,也就是说实际a-b值会更低.a-b值的计算结果详见表 1和图 5.由图 5所示,在相同实验条件下(样品bio-b03和bio-b04),300℃所对应的a-b值大于0,400℃所对应a-b值小于0,表现出随温度增加而减小的趋势,即随温度增加黑云母的摩擦滑动向不稳定转化.由400℃孔隙水压不同的两组实验对比(样品bio-b04和bio-b04sub)可得二者的速度依赖性差异不大,都表现为黏滑行为,a-b都为负且较接近,说明水压条件对速度依赖性影响不大.与摩擦系数相 同,在300℃双孔辉长岩和多孔陶瓷分别作为上部围岩的两组实验中(样品bio-b03和bio-c03)速度依赖性也略有不同,用双孔辉长岩为上部围岩的情况为明显的速度强化,而多孔陶瓷上部围岩的情况则表现为很弱的速度依赖性,且具有微弱的速度弱化.由此可以看出,利用双孔辉长岩作为上部围岩时,在速度依赖性方面有一些高估,因此在300℃应是微弱的速度弱化,而由于400℃的结果是理论估计值故不受这一因素影响.
3.3 变形样品的显微结构将样品沿中心轴线垂直于预制滑动面切割,磨制成薄片,对其进行了扫描电镜观察.对变形组构的定名沿用Logan et al.(1979)的论述.
图 6给出了典型的变形显微结构,从中可以看出,在300℃和400℃的变形样品中都普遍发育局部化剪切带,在断层泥内部可见R1剪切、Y剪切和P剪切,R1面是在剪切拉张的受力环境下形成的,P面是在压缩环境下沿云母层间滑动而形成的.在模拟断层泥剪切带中不同类型的剪切面往往不是独立存在的,通常相互连接、贯通和交错,例如R1剪切和Y剪切经常相连形成“Y”型剪切面;P和R1剪切相交从而形成“X”型剪切面;此外,局部可见剪切面延伸至边界时和边界剪切相连通,从而导致沿边界分布的剪切滑动.断层泥中广泛发育局部化剪切带表明断层泥内部经历了强烈的脆性剪切作用.
在断层泥显微结构中,除了局部化剪切带,还发现了云母矿物发生了滑移扭折变形.这是剪切滑动受阻时,在黑云母晶体间产生的典型塑性变形结构.从局部放大图片可以看出,扭折带在变形样品中广泛分布,其在图中为两条扭折带边界之间所夹的一条窄带,其相对云母页理的延伸方向发生了一定量的滑动和旋转,扭折面与页理方向所成的角度在50°左右.扭折带宽度范围不大,常见宽度为0.4~1.4 μm之间,其中0.4 μm量级左右的窄扭折带较多.在图 6b放大图中可见,在相同大小的视域内,有些部位扭折带可达4~5条,微小的扭折带紧密排布相互交错,而另一些地方则只发育1~2条,说明不同部位扭折带的密集程度有所不同.除较窄的扭折带外,还发育两翼较长的“V”型褶皱,当多个“V”型褶皱并列发育时,则形貌上类似于棱角褶皱,“V”型褶皱的扭折面与页理面夹角大约为42°~45°.在“V”型褶皱的翼部也会发育有局部小的扭折带,表明样品变形的复杂多样化.在经受变形的黑云母集合体中,沿黑云母层面发生了相对层间滑动的同时出现了晶体(001)面的层间张开位移,在扭折核部表现为一些三角形状的孔隙(图中白色圆圈).纵观整个黑云母模拟断层带,发现上述塑性变形结构多在剪切带之间发育,且扭折带边界可以指示剪切变形旋向,即断层边界与其呈锐角所指向的方向为剪切变形旋向.
从变形样品的显微结构可以看出,黑云母断层泥在剪切滑动过程中同时经历了脆性剪切和塑性扭折变形.脆性剪切变形表现为多条贯通的剪切带,显然是主要的变形机制之一.前述力学数据表明这种脆性剪切变形决定了大的宏观力学性质,而塑性扭折变形则是黑云母集合体为了适应滑动的进行而发生的局部调节变形,是伴随剪切带发生的,在力学上不是起主要控制作用的变形机制.
实验所得黑云母在300℃和400℃下的摩擦系数平均值为0.36,均低于常见造岩矿物石英、辉石、斜长石等(He et al., 2007; Blanpied et al., 1991; Blanpied et al., 1995; Chester et al., 1992; Chester,1994; 罗丽等,2009).Scruggs and Tullis(1998)得到的黑云母在室温长距离旋转剪切条件下的摩擦系数仅为0.25左右.这种强度上的差别可能同时来自温度和压力两个方面的影响因素.室温的结果表现出黑云母在实验中所有的速度和位移条件下都表现为速度弱化,虽然在数值上有所差别,但是300℃及400℃的热水条件实验,也都呈现了速度弱化.在Scruggs和Tullis(1998)的工作中,可见有一些个别云母颗粒受力后发生弯曲和扭折,说明扭折对于云母来说发生很普遍,在常温下经受一定力的作用,扭折就可以出现.另外,他们还注意到黑云母和长石中剪切带的密集和局部化对应着速度弱化,而白云母变形带内更均一的变形对应着更加稳定的行为.而在我们的高温高压实验中并未发现不同速度依赖性在显微结构上有明显的不同.
前人对白云母也做了相关的研究,分别有室温和高温下的结果.在室温下,白云母的摩擦系数的平均值为0.36,在实验中所有的速度和位移下都表现 为速度强化(Scruggs and Tullis, 1998).Van Diggelen 等在长距离旋转剪切的条件下得到白云母在400℃、 孔隙水压100 MPa的条件下摩擦系数平均值为0.54(Van Diggelen et al., 2010).Mariani等 对白云母进行三轴剪切实验得到其在300℃和400℃、 孔隙水压103 MPa的条件下摩擦系数的平均值大约为0.4左右(Mariani et al., 2006).这些均高于我们本次黑云母的结果.与本次工作相类似,在Mariani et al.(2006)的工作中白云母在400℃、孔隙水压为34 MPa、69 MPa和103 MPa的条件下也出现了黏滑.且在白云母的变形微观结构中同样可以看到扭折结构的出现(Van Diggelen et al., 2010).同时,在Mariani et al.(2006)的实验中也可以看到白云母强度曲线出现应变强化的特点,他们将这种现象归因于云母颗粒不一致的排列阻碍了低剪切应变下颗粒间的和沿刚性边界的滑动.而实际上也可能是变形没有达到稳态的表象.
从与白云母的对比中可知,虽然同为云母族中的常见矿物,黑云母和白云母的力学性质存在着差异,白云母的摩擦系数要高于黑云母.从生成环境和存在条件来说,白云母主要出现于酸性岩浆岩中,中性岩和基性岩中较少见,而黑云母的产出更多样化,基、中、酸、碱性岩中都有出现(赵珊茸等,2002),另外黑云母的熔融温度也比白云母的高(Brown and Fyfe, 1970),因此,在深部黑云母比白云母所能存在的环境更广.
4.2 实验结果对断层构造活动的启示在典型的地壳强度模型中,我们实验所选取的 300℃和400℃对应着脆塑性转换带的范围(Kohlstedt et al., 1995; Sibson,1977; Sibson,1982).在特定的地温和岩石条件下脆塑性转化带会随着变形速率和孔隙水压的变化而上下移动,当变形速率增大或孔隙水压增大时,脆塑性转换带会下移,原有的塑性 区会转变为可能孕震的脆性区(Sibson,1982; Küster and Stöckhert,1999; Schaff et al., 2002).那么,即使通常在野外被认为反映了脆塑性或塑性变形的岩石(如碎裂岩和糜棱岩等)在变形速率和水压的影响下,也可能会在塑性区经历地震破裂.我们有时候在野外看不到保留下来的脆性破裂结构,可能是由于相应 结构在后期的缓慢变形作用下没有保留下来(Sibson,1977).我们得到黑云母在300~400℃出现的速度弱化现象,是不稳定滑动的表现,在摩擦滑动时可能引起地震成核.因此,若黑云母在断层区深部存在,不排除其引起断层的不稳定滑动从而引起地震的可能性.另外,如果考虑到主震的发生会提高断层的应变速率,那么黑云母在脆塑性转化带的存在也可能会增强余震发生的概率.
本次实验得到黑云母的摩擦系数在0.36左右,比Byerlee定律所估计的值小很多.由于其较低的摩擦系数,在富含黑云母的岩石中,特别是当其定向排列并连通时,变形会集中发育在其富集区,地壳的局部强度可能会因其存在而变得较低.而要得到黑云母对应的地壳强度剖面还需各温度下更多的实验数据.黑云母较低的摩擦系数也可以应用到弱断层的成因分析上.Van Diggelen et al.(2010)将其得到的白云母的摩擦系数用于弱断层的解释上,得出白云母并不能作为解释弱断层形成的原因.而我们所得黑云母摩擦系数比白云母的低,因此在弱断层的应用上更有优势.
5 结论对黑云母模拟断层泥样品进行了摩擦实 验,实验条件为300℃和400℃,孔隙水压为30 MPa,有效正应力为200 MPa,实验过程中进行了不同剪切滑动速度的切换,应变速率最低达10-4s-1.根据对实验结果进行的分析对比和讨论,得到以下结论:
(1)黑云母在实验条件下的摩擦系数平均在0.36左右,低于石英、长石、辉石等常见的造岩矿物. 速度依赖性随温度升高速度弱化有所增强.在 300℃下为稳滑行为,速度依赖性为很微弱的速度 弱化.而在400℃出现了黏滑现象,即很强的速度弱化.
(2)变形样品中R1剪切、Y剪切和P剪切都大量发育,另外也发现了云母发生塑性变形时典型的扭折结构.扭折通常是在剪切带之间发育,伴随剪切滑动产生.宏观力学性质仍体现脆性剪切变形性质.
(3)黑云母的存在可能会增强脆塑性转化带上地震成核的可能性.另外其低的摩擦系数在弱断层形成的矿物学根源上比其他层状硅酸盐矿物更有优势,如果考虑岩石中弱矿物的富集可能会控制岩石圈局部的强度并使变形在弱条带处优先发生,则弱矿物的摩擦滑动性质就可以用于建立大陆地壳强度剖面.
致谢 感谢周永胜研究员和Chris Spiers教授在研究过程中的讨论.感谢姚文明工程师在实验过程中提供的技术支持.本研究得到了国家自然科学基金(41274186)和地震动力学国家重点实验室自主项目(LED2012A01)的资助.[1] | Balfour N J, Savage M K, Townend J. 2005. Stress and crustal anisotropy in Marlborough, New Zealand: evidence for low fault strength and structure-controlled anisotropy. Geophysical Journal International, 163(3): 1073-1086. |
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