地球物理学报  2020, Vol. 63 Issue (2): 573-582   PDF    
水热条件下富层状硅酸盐矿物糜棱岩的摩擦特性实验研究
张雷, 何昌荣, 周永胜     
中国地震局地质研究所, 地球动力学国家重点实验室, 北京 100029
摘要:为探索断层岩石摩擦特性对于断层力学性质的影响,我们采集了龙门山汶茂断裂韧性剪切带中的富含层状硅酸盐矿物的糜棱岩样品进行了水热条件下摩擦滑动实验研究.实验在三轴压机之上完成,实验温度为100~600℃,有效正压力100 MPa,孔隙水压分别为30 MPa和130 MPa.为获得摩擦滑动的稳定性参数(a-b),剪切滑移速率在1.22 μm·s-1,0.244 μm·s-1和0.0488 μm·s-1之间切换.实验发现在200~500℃的温度范围内,摩擦系数随着温度的增加而显著增大(约0.56~0.72).在200~300℃范围内,随温度的升高糜棱岩的摩擦滑动表现出由稳定的速度强化向不稳定速度弱化转变的趋势.在有效正压力不变的情况下,孔隙水压的增大会促进糜棱岩的摩擦滑动在500~600℃温度范围内由不稳定的速度弱化向稳定的速度强化的转变.实验给出的断层在原地深度处的脆性和塑性变形机制的转变,有助于理解断层深部的地震成核机制以及成核的温压条件.
关键词: 层状硅酸盐      糜棱岩      摩擦强度      地震成核      孔隙水压     
Experiments on frictional properties of phyllosilicate-rich mylonite under hydrothermal conditions
ZHANG Lei, HE ChangRong, ZHOU YongSheng     
State Key Laboratory of Earthquake Dynamics, Institute of Geology, China Earthquake Administration, Beijing 100029, China
Abstract: To investigate the influence of temperature and pressure on the frictional sliding behavior of typical fault rocks, we collected phyllosilicate-rich mylonite from a ductile thrust zone of the Wenmao fault in the Longmen Shan area. Frictional experiments were carried out under temperature of 100~600℃, effective normal stress of 100 MPa, and pore pressure of 30 MPa and 130 MPa. To obtain velocity dependence of friction, frictional slip rates were set as 1.22 μm·s-1, 0.244 μm·s-1 and 0.0488 μm·s-1, respectively. The results indicate a significant increase of friction coefficient (about 0.56~0.72) of the mylonite with temperature at 200~500℃. Mylonite samples show a transition from initial velocity-strengthening behavior to velocity-weakening behavior at 200~300℃, and velocity dependence of friction coefficient on pore pressure. At effective normal stress of 100 MPa and temperature of 500~600℃, the increase of pore pressure can trigger the transition of mylonite from unstable velocity-weakening to stable velocity-strengthening.The laboratory-derived brittle-ductile transition in phyllosilicate-rich mylonite provides new insights into mechanisms of earthquake nucleation in the deep fault.
Keywords: Phyllosilicate    Mylonite    Frictional strength    Earthquake nucleation    Pore pressure    
0 引言

对大量野外断层的调查研究发现大型的地壳断层岩石在不同的温压条件下表现出不同的变形机制.根据Sibson-Scholz的断层带模型,随着断层深度的增加,温度和压力逐渐升高的条件下,断层岩石的变形机制依次为脆性破裂,半脆性变形和塑性变形(Scholz, 1988; Sibson, 1977),且在应变相对集中的断层核部发育了与变形机制相对应的断层岩石类型.在断层浅部较低的温度和压力条件下,断层岩石在地震同震破裂过程中通过碎裂作用形成近地表的松散断层泥以及断层浅部具有随机面理方向的碎裂岩和超碎裂岩;在断层蠕滑过程中,细粒的(< 10 μm)断层碎裂岩和超碎裂岩在断层深部的温压条件下会发生热激活的粒间塑性变形,比如在流体参与下发生的物质扩散迁移作用(压溶).与此同时具有化学活性流体的出现在合适的温压条件下可以触发断层带岩石中的水岩反应,通过矿物的退变质反应生成软弱的层状硅酸盐矿物(如长石蚀变为层状硅酸盐矿物),这种水岩反应主要发生于较低级的绿片岩相条件之下(Wintsch et al., 1995).发生水岩变质反应的断层岩石在间震期缓慢的构造加载速率下形成具有宏观塑性变形特征的富含层状硅酸盐矿物的断层糜棱岩(Jefferies et al., 2006a, b; Sibson, 1977).Sibson(1977)最早使用千糜岩(Phyllonite)来描述这种富含层状硅酸盐矿物的断层糜棱岩.在野外断层的研究中,比如对于日本西南中央构造线断层剖面(Jefferies et al., 2006a, b)以及意大利Zuccale出露断层剖面(Collettini and Holdsworth, 2004)的研究中发现断层核部的糜棱岩含有大量的层状硅酸盐矿物面理(主要为绿泥石和白云母),并在其中还可以发现早期的脆性破裂形成的大的颗粒碎屑.除日本西南中央构造线和Zuccale断层之外,在其他不同构造环境下的大位移断层剖面的研究中也发现富层状硅酸盐矿物糜棱岩,如苏格兰Great Glen断层(Holdsworth et al., 2001; Stewart et al., 1999)、苏格兰Outer Hebrides断层带(Butler et al., 1995; Imber et al., 1997, 2001)和美国犹他州的Wasatch断层(Parry et al., 1988).

上述研究表明富层状硅酸盐矿物糜棱岩在断层带中的分布具有普遍性,然而目前为止对于其在不同的温压条件下对于断层力学性质的影响还没有系统的实验研究.

本次研究对于采自龙门山地区汶茂断裂带的富含层状硅酸盐糜棱岩样品进行了水热条件下的摩擦滑动实验研究.实验的温度范围为100~600 ℃,孔隙水压为30 MPa和130 MPa(有效正压力均为100 MPa).本次断层糜棱岩实验研究的焦点问题主要有(1)糜棱岩中富含的软弱层状硅酸盐矿物在断层深部的温压条件下是否会显著的弱化断层强度;(2)富含层状硅酸盐矿物糜棱岩的断层是否可以孕育地震;(3)由于龙门山断裂带深部可能的高压流体环境(周永胜和何昌荣,2009Zhao et al., 2012; Han et al., 2016),通过不同孔隙水压的对比实验探讨孔隙水压对于糜棱岩摩擦性质的影响.系统地开展富含层状硅酸盐矿物糜棱岩在不同实验条件下的摩擦实验研究可以使我们更好地约束断层强度以及解释断层之上的地震成核机制和条件.

1 实验方法 1.1 实验样品

本次研究中的断层糜棱岩样品来自于龙门山地区耿达-汶茂断裂带之上(图 1)的耿达拦水坝断层露头(31.075°N, 103.315°E).汶茂断裂耿达-汶川段主要发育于以花岗岩为主的前寒武纪彭灌杂岩体之中.通过对该地区的野外调查研究以及断层带岩石的变形特征分析,马永旺等(2001)认为该地区的断裂带经历了早期的韧性变形并被后期的脆性构造所叠加,是一条以韧性变形为主的逆冲推覆挤压剪切构造带.

图 1 龙门山和邻近地区简化地质图 图中黄色五角星处为样品采集地点采样点(WMF:汶茂断裂; AGF:安县-灌县断裂; YBF:映秀-北川断裂; PGC:彭灌杂岩; BXC:宝兴杂岩).根据Xu等(2008)修改. Fig. 1 Simplified geological map of the Longmenshan Mountains and adjacent areas (Xu et al., 2008) The yellow star is the location where our mylonite sample was collected. WMF: Wenmao fault; AGF: Anxian-Guanxian fault; YBF:Yingxiu-Beichuan fault; PGC: the Pengguan complex; BXC: the Baoxing complex.

通过对采集的糜棱岩样品进行XRD分析,发现其矿物成分为:15%石英+24%斜长石+36%绿泥石+24%白云母和约1%铁白云石.对该糜棱岩样品的镜下观察发现矿物的颗粒非常细小,绝大部分矿物颗粒粒径<100 μm,基质中主要成分为石英、绿泥石和白云母,大的碎斑矿物主要为长石和石英.在镜下显微照片的观察中发现白云母和绿泥石面理沿着石英脉体发育(见图 2).在局部放大的照片中也发现在石英脉体周围的白云母和绿泥石面理中有定向拉长的石英颗粒碎屑,但没有发现大的长石碎屑,这可能是由于长石通过退变质作用生成了层状硅酸盐矿物(白云母、绿泥石)从而造成其局部的消耗(Wintsch et al., 1995).

图 2 糜棱岩光学镜下显微照片 白色箭头代表断层带的剪切旋向;图 2b图 2a中白色矩形框的镜下放大. Fig. 2 Microstructure of mylonite under optical microscope White arrow indicates the sense of shear. Fig. 2b is a closed-up image of the squared area in Fig. 2a.
1.2 实验设备和流程

本次研究的剪切摩擦实验是在气体介质高温高压三轴压机之上进行.在实验过程中通过对围压的伺服控制可以使实验过程中的正压力保持恒定,其控制精度为0.5 MPa.通过孔隙水压伺服控制系统,孔隙水压的精度可以保持在±0.3 MPa的范围之内.实验过程中,温控系统通过调节上下两端炉丝的功率大小可以保证在高温热对流条件下炉体内样品段温度的分布保持均匀(样品中间段和围岩端部的温度变化幅度<13 ℃).

在实验前断层泥样品的制备中,首先将完整的糜棱岩样品进行粉碎研磨,然后使用200目的筛网进行筛选直到所有的研磨样品通过筛网,从而得到粒度小于75 μm的粉末样品.在实验中使用具有预切面的辉长岩作为围岩,其预切面与轴向的夹角为35°.装样之前使用200目的金刚砂对围岩预切面进行打磨从而控制其表面粗糙度.然后,将糜棱岩粉末加入一定量水搅拌之后涂抹到围岩的预切面之上,并通过专门的装样装置控制断层泥层的厚度为1 mm.由于糜棱岩样品中含有较多具有较低渗透率的层状硅酸盐矿物,因此在断层泥上方的围岩之上钻取了两个与断层泥层相连通的孔洞,作为实验过程中施加孔隙水压的通道,从而保证断层泥中孔隙水压的均匀分布,见图 3.

图 3 装样装置图 Fig. 3 Sample assembly

实验中的数据采样频率设置为1 Hz.为最终得到真实的数据值,需要对实验采集数据进行轴压的密封摩擦校正、剪切变形过程中由于上下围岩接触面积减小造成的轴压增大校正以及铜管的剪切强度校正.上述三种校正的详细介绍参见He等(2006).

1.3 速率和状态依赖的摩擦本构关系

根据滑动速率和状态依赖的摩擦滑动本构关系(Dieterich, 1979, 1981; Ruina, 1983),广义上的摩擦系数μ=τ/σ可描述为

(1)

μ*表示在参照滑动速率v*下的摩擦系数稳态值.当滑动速率从v*变化到v时,摩擦强度对滑动速率的变化会产生瞬时的直接响应,即aln(v/v*),其中a是表征摩擦强度的直接速率响应大小的本构参数.但是直接响应并不是摩擦强度对于速率变化的最终响应,随后摩擦系数μ会进入一个随位移或时间的演化过程并最终到达一个稳态值(图 4).在演化过程中剪应力的变化可以用一个以状态变量θ为自变量的函数来进行描述,即ln(θ/θ*),其中θ*表示在某一参照滑动速率v*下所对应的状态变量的稳态值,而b是表征摩擦强度随状态变量演化强弱的本构参数.在滑动速率切换的瞬间状态变量θ的值是不变的,在随后的演化过程中θ随着滑动位移或时间而演化并最终达到一个新的稳态值.目前有两种最常用的演化方程来描述状态变量θ的演化.当正应力恒定时,其中一种的状态变量只随着滑动位移而演化(即滑动速率v=0时状态变量保持不变),因此称为滑动本构关系(slip law),如(2)式所示:

(2)

图 4 摩擦强度对于滑动速率的直接响应(速率效应)和随后的随滑动位移或时间的演化(状态效应) Fig. 4 Direct response of frictional strength to slip rate and subsequent evolution to steady state value of frictional strength after a step change in slip rate

dc是强度演化的特征滑动距离.另一种对状态变量演化的描述则考虑了滑移效应的同时也考虑了静止接触时间效应,称为慢度本构关系,如(3)式所示:

(3)

方程(1)和(2)或(3)共同描述了断层岩石在摩擦滑动过程中其内在变量的变化,称之为速率和状态摩擦本构方程.

在任意滑动速率v下,当摩擦滑动处于稳态时,即dθ/dt=0,此时从方程(2)和(3)中可以得到相同的状态变量的稳态值θss=dc/v.将此稳态值代入方程(1)中就可以得到摩擦系数的稳态值:

(4)

用差分形式将(4)式进行变换可以得到一个重要的表征摩擦滑动稳定性的参数-速度依赖性(a-b),其形式如下:

(5)

当(a-b)>0时,称之为速度强化,此时摩擦系数随着速率的增加而增加;当(a-b)<0时,称之为速度弱化,此时摩擦系数随速率的增加而减小.对小扰动下系统稳定性的分析表明只有在速度弱化条件下才会在断层带中自发地产生地震成核现象,而当断层岩石表现出速度强化时断层不会发生地震成核(Rice and Tse, 1986).因此,这一参数随深度的变化控制着断层滑动的动力学过程.

2 实验结果

本次研究在100 MPa有效正压力和100~600 ℃温度条件下开展了三轴摩擦滑动实验.实验中为研究孔隙水压对于糜棱岩摩擦性质的影响在实验中分别采用了30 MPa和130 MPa两种孔隙流体压力,实验力学曲线见图 5-7.在实验的初始阶段,所有样品的变形曲线都会表现为轴压加载下的弹性变形.当轴压足够大时断层面上的剪应力就会克服摩擦阻力使样品发生剪切错动,这在变形曲线上表现为曲线到达‘屈服点’之后的拐折.在初始剪切位移约0.5~1 mm的范围内,样品的摩擦强度随位移的演化会达到稳态(图 5-7).在剪切滑移过程中,样品的摩擦系数都表现出位移强化,其中为保证摩擦系数能够达到稳态值,摩擦系数值都取自2.0~2.5 mm剪切位移处和0.244 μm·s-1的滑移速率下.

图 5 糜棱岩样品在30 MPa有效水压条件下以及100~300 ℃温度条件下的实验变形曲线 Fig. 5 Deformation curves of mylonite under 30 MPa effective normal stress and 100~300 ℃ temperature conditions
图 6 糜棱岩样品在30 MPa有效水压条件下以及400~600 ℃温度条件下的实验变形曲线 Fig. 6 Deformation curves of mylonite under 30 MPa effective normal stress and 400~600 ℃ temperature conditions
图 7 糜棱岩样品在130 MPa有效正压力条件下以及100~600 ℃温度条件下的实验变形曲线 Fig. 7 Deformation curves of mylonite under 130 MPa effective normal stress and 100~600 ℃ temperature conditions
2.1 摩擦系数

实验中的摩擦系数用μ=τ/σeff来计算,其中τ为剪切力,σeff为有效正压力.图 8给出了糜棱岩的摩擦系数随温度的变化趋势.在30 MPa和130 MPa孔隙水压条件下,糜棱岩的摩擦系数都表现出随温度的增加而增大,分别从100 ℃下的约0.57增加到600 ℃下的约0.72.但是摩擦系数随温度的变化趋势又分为三个区域:在100~200 ℃温度范围内,摩擦系数随温度的变化趋势不明显;在200~500 ℃的温度范围内,摩擦系数随温度的增加而快速增大;在500~600 ℃的温度范围内,摩擦系数随温度的增加而缓慢增大.摩擦系数随温度的变化表明温度对于糜棱岩的摩擦强度具有显著的影响.

图 8 糜棱岩样品稳态摩擦系数随温度的变化趋势 花岗质糜棱岩数据来自于任凤文和何昌荣(2014). Fig. 8 Steady-state friction coefficient of mylonite versus temperature The data of granitic myloite is from Ren and He (2014).
2.2 摩擦滑动稳定性及速度依赖性(a-b)

通过实验剪切变形曲线可以发现样品在30 MPa和130 MPa的孔隙水压条件下和在低于200 ℃的温度范围内都表现出稳定的速度强化(a-b>0)的摩擦行为,(a-b)的大小范围分别为0.0059和0.0045~0.0074,结果见表 1.

表 1 实验参数和结果 Table 1 Experiment parameters and results

在30 MPa孔隙水压力条件下,样品在400~600 ℃范围内表现出速度弱化(a-b<0)的摩擦滑动行为,(a-b)的变化范围为-0.0031~-0.0053.其中样品在0.0488 μm·s-1切换到0.244 μm·s-1或0.244 μm·s-1切换到1.22 μm·s-1时会导致触发性的黏滑事件.当速率由快速向慢速切换时,样品在较慢的滑移速率下(0.0488 μm·s-1和0.244 μm·s-1)均表现出稳定的摩擦滑动行为(图 6).在130 MPa孔隙水压条件下,样品在300 ℃时出现小的黏滑事件,但是总体以稳定滑动为主.而在400~500 ℃温度条件下其摩擦滑动行为与30 MPa孔隙水压条件下的实验结果类似,表现出速度弱化的摩擦滑动行为,(a-b)变化范围为-0.001~-0.014.当温度升高到600 ℃时,样品在较慢的滑移速率下(0.0488 μm·s-1和0.244 μm·s-1)表现出速度强化的摩擦滑动行为,而在1.22 μm·s-1滑移速率下产生黏滑现象.

3 讨论 3.1 温度对于糜棱岩摩擦性质的影响

在100~200 ℃条件下,糜棱岩表现出速度强化的摩擦滑动行为,与此同时,其摩擦系数约为0.57低于传统的花岗岩, 辉长岩和花岗质糜棱岩的摩擦强度值约0.7(Blanpied et al., 1998, He et al., 2007, 任凤文和何昌荣,2014)(图 89).在前人关于富含层状硅酸盐矿物断层泥摩擦实验的研究中已经发现在较低的温度范围内 < 300 ℃,样品会表现出速度强化的摩擦滑动行为(Den Hartog et al., 2012; Niemeijer and Collettini, 2013; Zhang and He, 2016).目前普遍认为在低温条件下软弱的层状硅酸盐矿物与其他成岩矿物相混合时会主导剪切变形从而表现出速度强化的摩擦滑动行为和较弱的摩擦强度(Logan and Rauenzahn, 1987; Saffer and Marone, 2003; Ikari et al., 2009; Tembe et al., 2010).依据前人的研究结果,实验中糜棱岩在100~200 ℃下表现出的速度强化摩擦行为和较低的摩擦强度值是因为摩擦滑动主要由弱的层状硅酸盐矿物(绿泥石和白云母)所控制.

图 9 糜棱岩速度依赖性随温度和孔隙水压的变化趋势:不同有效正压力下(100 MPa, 200 MPa和300 MPa)的实验结果对比 Fig. 9 Velocity dependence of mylonite versus temperature and pore pressure: comparing experiment results of various effective normal stress conditions (100 MPa, 200 MPa and 300 MPa)

温度在200~300 ℃范围时糜棱岩的速度依赖性由速度强化转变为不稳定的速度弱化的摩擦滑动行为(图 9).先前的研究中已经发现糜棱岩在100~300 MPa有效正压力条件下(孔隙水压30 MPa)在该温度区间都会产生速度依赖性的转变,转变温度约270 ℃(Zhang and He, 2016).结合本次实验结果来看糜棱岩在此处的速度依赖性的转变是温度的函数,没有表现出有效正压力和孔隙水压的依赖性.

关于速度依赖性转变的机制,先前富层状硅酸盐矿物糜棱岩的实验研究中发现速度依赖性的转变可能与石英和长石矿物颗粒在200~300 ℃发生的亚临界裂纹扩展所导致的压实过程有关(Meredith and Atkinson, 1985),石英和长石颗粒的亚临界裂纹扩展导致的细粒化会改变剪切形变的分配,从而在300~600 ℃温度范围内剪切变形不再受层状硅酸盐矿物的摩擦滑动所主导(Zhang and He, 2016).在剪切变形过程中压实和扩容的共同作用所导致的孔隙度随加载速率的演化在宏观力学曲线上表现出速度弱化的摩擦滑动行为(Niemeijer and Spiers, 2006, 2007).在糜棱岩实验变形过程中石英和长石的细粒化过程本身会造成显著的压实作用(孔隙度降低).在前人研究中发现当实验温度在300 ℃以上时,石英和花岗岩样品在剪切变形过程中的压溶变形过程会导致其摩擦强度显著的弱化(摩擦系数由约0.7到0.4)(Blanpied et al., 1998; Chester, 1994).与此相反,富含层状硅酸盐糜棱岩情况则是其摩擦系数在300~600 ℃范围随着温度的增加而持续增强,由0.57增大到0.74(图 8).增强的原因有两个因素,其一是层状硅酸盐本身的强度随着温度的升高而增强(Van Diggelen et al., 2010; Lu and He, 2014).其二是随温度增强的亚临界裂纹扩展和碎裂过程导致的细粒化会促使石英或长石矿物颗粒的压溶速率加快从而促进压实过程.在剪切滑移过程中,压实作用会造成断层泥颗粒之间的孔隙度降低使得颗粒之间的相互滑移需要克服更大的阻力(Morrow and Byerlee, 1989).

3.2 孔隙水压对于断层地震成核过程的影响

通过目前的实验研究发现,富层状硅酸盐矿物断层上的无震蠕滑向地震成核的转变,存在两种机制.第一种机制是在断层抬升过程中,由于温度的降低(本次研究中转变温度为540 ℃)断层变形机制发生了由半脆性流变向脆性为主的变形方式转变,表现为由速度强化的摩擦行为向周期性黏滑(速度弱化摩擦行为)的转变(见图 79).在其他地壳岩石的实验研究中也都观察到随温度的无震蠕滑向不稳定成核的转变现象,比如花岗岩(如Blanpied et al.1998),辉长岩(He et al., 2007).另一种转变机制是断层蠕变过程中孔隙流体的释放和孔隙压力的逐渐增大会显著的降低断层之上的有效正压力,而伴随着有效正压力的降低出现由半脆性的蠕滑向不稳定脆性变形的转变,如本次实验结果与已有结果(Zhang and He, 2016)对比所显示的情形(图 9).

本次实验研究同时发现,在一定的有效正压力条件下(如100 MPa)和较高的温度条件下(500~600 ℃),增大孔隙水压也会促使延性变形的发生(图 9),表现为非常显著的速度强化现象.在130 MPa孔隙水压条件下糜棱岩在600 ℃和较低的滑移速率下(0.244~0.0488 μm·s-1)表现出速度强化的摩擦滑动行为,而在30 MPa孔隙水压下则表现出速度弱化的摩擦滑动行为.这一对比表明,孔隙水压的增大会促进糜棱岩由不稳定的速度弱化行为向稳定的速度强化的摩擦滑动行为的转变.其中可能的机制为孔隙水压的升高促进了糜棱岩的塑形变形过程,比如石英通过压溶实现的变形.压溶速率的加快使得更多的剪切应变通过压溶来进行,而当其速率足够快时就会抑制扩容过程,从而表现出速率强化的摩擦滑动行为(Niemeijer and Spiers, 2006, 2007).当滑移速率较大时(1.22 μm·s-1),变形依然是通过脆性的剪切摩擦为主从而表现出速度弱化的行为.目前孔隙水压大小对于压溶速率的影响还未有相关的实验研究可靠参考,因此这一机制的解释是否合理还有待寻找更多的证据.无论机制如何,实验结果显示的重要结论是,有效正压力增大会提高摩擦滑动的稳定性从而抑制成核,而孔隙水压在高温条件下对于塑性变形的促进作用,说明断层深部有效正压力与孔隙水压的耦合对滑动稳定性的影响是复杂的,在讨论断层的地震成核条件时需要同时加入孔隙水压这一影响因素.

4 结论

通过对富层状硅酸盐矿物断层糜棱岩在水热条件下的摩擦实验研究和数据分析,主要得到如下主要结果:

(1) 糜棱岩断层泥的摩擦强度总体上表现出随着温度的增加而增大的趋势,但呈现出三段式的变化:在100~200 ℃的范围内,摩擦系数随温度增加而增大的趋势并不明显;在200~500 ℃的温度范围内,摩擦系数随温度的增加而快速增大;而当温度在500~600 ℃范围内时,摩擦系数随温度增加表现出微弱的增大趋势.

(2) 糜棱岩的摩擦滑动行为在200~300 ℃的温度范围内表现出由速度强化向速度弱化的转变.在130 MPa孔隙水压条件下糜棱岩随温度升高到600 ℃又转变为稳定的速度强化摩擦滑动行为.

(3) 根据糜棱岩的实验结果得出,温度对于糜棱岩的摩擦滑动性质有着显著的影响,不仅影响了糜棱岩的摩擦强度也控制着摩擦滑动稳定性的变化.同时,孔隙水压升高会促进糜棱岩由不稳定滑移向稳定滑移的转变.

致谢  在本次实验研究中感谢姚文明工程师对于实验设备的维护和技术支持.
References
Blanpied M L, Marone C J, Lockner D A, et al. 1998. Quantitative measure of the variation in fault rheology due to fluid-rock interactions. Journal of Geophysical Research:Solid Earth, 103(B5): 9691-9712. DOI:10.1029/98JB00162
Butler C A, Holdsworth R E, Strachan R A. 1995. Evidence for Caledonian sinistral strike-slip motion and associated fault zone weakening, Outer Hebrides Fault Zone, NW Scotland. Journal of the Geological Society, 152(5): 743-746. DOI:10.1144/gsjgs.152.5.0743
Chester F M. 1994. Effects of temperature on friction:constitutive equations and experiments with quartz gouge. Journal of Geophysical Research:Solid Earth, 99(B4): 7247-7261. DOI:10.1029/93JB03110
Collettini C, Holdsworth R E. 2004. Fault zone weakening and character of slip along low-angle normal faults:insights from the Zuccale fault, Elba, Italy. Journal of the Geological Society, 161(6): 1039-1051. DOI:10.1144/0016-764903-179
Den Hartog S A M, Peach C J, De Winter D A M, et al. 2012. Frictional properties of megathrust fault gouges at low sliding velocities:New data on effects of normal stress and temperature. Journal of Structural Geology, 38: 156-171. DOI:10.1016/j.jsg.2011.12.001
Dieterich J H. 1979. Modeling of rock friction: 1. Experimental results and constitutive equations. Journal of Geophysical Research:Solid Earth, 84(B5): 2161-2168. DOI:10.1029/JB084iB05p02161
Dieterich J H. 1981. Constitutive properties of faults with simulated gouge. //Carter N L, Friedman M, Logan J M, et al eds. Mechanical Behavior of Crustal Rocks. Washington DC: Geophysical Monograph Series, 103-120.
Han L, Zhou Y S, He C R, Li H B. 2016. Sublithostatic pore fluid pressure in the brittle-ductile transition zone of Mesozoic Yingxiu-Beichuan fault and its implication for the 2008 MW7. 9 Wenchuan earthquake. Journal of Asian Earth Sciences, 117(1): 107-118.
He C R, Yao W M, Wang Z L, et al. 2006. Strength and stability of frictional sliding of gabbro gouge at elevated temperatures. Tectonophysics, 427(1-4): 217-229. DOI:10.1016/j.tecto.2006.05.023
He C R, Wang Z L, Yao W M. 2007. Frictional sliding of gabbro gouge under hydrothermal conditions. Tectonophysics, 445(3-4): 353-362. DOI:10.1016/j.tecto.2007.09.008
Holdsworth R E, Stewart M, Imber J, et al. 2001. The structure and rheological evolution of reactivated continental fault zones:a review and case study. Geological Society, London, Special Publications, 184(1): 115-137. DOI:10.1144/GSL.SP.2001.184.01.07
Ikari M J, Saffer D M, Marone C. 2009. Frictional and hydrologic properties of clay-rich fault gouge. Journal of Geophysical Research:Solid Earth, 114(B5): B05409. DOI:10.1029/2008JB006089
Imber J, Holdsworth R E, Butler C A, et al. 1997. Fault-zone weakening processes along the reactivated Outer Hebrides Fault Zone, Scotland. Journal of the Geological Society, 154(1): 105-109. DOI:10.1144/gsjgs.154.1.0105
Imber J, Holdsworth R E, Butler C A, et al. 2001. A reappraisal of the Sibson-Scholz fault zone model:The nature of the frictional to viscous ("brittle-ductile") transition along a long-lived, crustal-scale fault, Outer Hebrides, Scotland. Tectonics, 20(5): 601-624. DOI:10.1029/2000TC001250
Jefferies S P, Holdsworth R E, Shimamoto T, et al. 2006a. Origin and mechanical significance of foliated cataclastic rocks in the cores of crustal-scale faults:Examples from the Median Tectonic Line, Japan. Journal of Geophysical Research:Solid Earth, 111(B12): B12303. DOI:10.1029/2005JB004205
Jefferies S P, Holdsworth R E, Wibberley C A J, et al. 2006b. The nature and importance of phyllonite development in crustal-scale fault cores:an example from the Median Tectonic Line, Japan. Journal of Structural Geology, 28(2): 220-235. DOI:10.1016/j.jsg.2005.10.008
Logan J M, Rauenzahn K A. 1987. Frictional dependence of gouge mixtures of quartz and montmorillonite on velocity, composition and fabric. Tectonophysics, 144(1-3): 87-108. DOI:10.1016/0040-1951(87)90010-2
Lu Z, He C R. 2014. Frictional behavior of simulated biotite fault gouge under hydrothermal conditions. Tectonophysics, 622: 62-80. DOI:10.1016/j.tecto.2014.03.002
Ma Y W, Yang J. 2001. Tectonic deformation of the nappe tectonic in the middle of Longmen Mountains. Journal of Chengdu University of Technology, 28(3): 236-240.
Meredith P G, Atkinson B K. 1985. Fracture toughness and subcritical crack growth during high-temperature tensile deformation of Westerly granite and Black gabbro. Physics of the Earth and Planetary Interiors, 39(1): 33-51. DOI:10.1016/0031-9201(85)90113-X
Morrow C A, Byerlee J D. 1989. Experimental studies of compaction and dilatancy during frictional sliding on faults containing gouge. Journal of Structural Geology, 11(7): 815-825. DOI:10.1016/0191-8141(89)90100-4
Niemeijer A R, Spiers C J. 2006. Velocity dependence of strength and healing behaviour in simulated phyllosilicate-bearing fault gouge. Tectonophysics, 427(1-4): 231-253. DOI:10.1016/j.tecto.2006.03.048
Niemeijer A R, Spiers C J. 2007. A microphysical model for strongvelocity weakening in phyllosilicate-bearing fault gouges. Journal of Geophysical Research:Solid Earth, 112(B10): B10405. DOI:10.1029/2007JB005008
Niemeijer A R, Collettini C. 2013. Frictional properties of a low-angle normal fault under in situ conditions:thermally-activated velocity weakening. Pure and Applied Geophysics, 171(10): 2641-2664. DOI:10.1007/s00024-013-0759-6
Parry W T, Wilson P N, Bruhn R L. 1988. Pore-fluid chemistry and chemical reactions on the Wasatch normal fault, Utah. Geochimica et Cosmochimica Acta, 52(8): 2053-2063. DOI:10.1016/0016-7037(88)90184-6
Ren F W, He C R. 2014. An experimental study of frictional sliding of granitic mylonite under hydrothermal conditions. Chinese J Geophy (in Chinese), 57(3): 877-883. DOI:10.6038/cjg20140317
Rice J R, Tse S T. 1986. Dynamic motion of a single degree of freedom system following a rate and state dependent friction law. Journal of Geophysical Research:Solid Earth, 91(B1): 521-530. DOI:10.1029/JB091iB01p00521
Ruina A. 1983. Slip instability and state variable friction laws. Journal of Geophysical Research:Solid Earth, 88(B12): 10359-10370. DOI:10.1029/JB088iB12p10359
Saffer D M, Marone C. 2003. Comparison of smectite-and illite-rich gouge frictional properties:application to the updip limit of the seismogenic zone along subduction megathrusts. Earth and Planetary Science Letters, 215(1-2): 219-235. DOI:10.1016/S0012-821X(03)00424-2
Scholz C H. 1988. The brittle-plastic transition and the depth of seismic faulting. Geologische Rundschau, 77(1): 319-328. DOI:10.1007/BF01848693
Sibson R H. 1977. Fault rocks and fault mechanisms. Journal of the Geological Society, 133(3): 191-213. DOI:10.1144/gsjgs.133.3.0191
Stewart M, Strachan R A, Holdsworth R E. 1999. Structure and early kinematic history of the Great Glen Fault Zone, Scotland. Tectonics, 18(2): 326-342. DOI:10.1029/1998TC900033
Tembe S, Lockner D A, Wong T F. 2010. Effect of clay content and mineralogy on frictional sliding behavior of simulated gouges:Binary and ternary mixtures of quartz, illite, and montmorillonite. Journal of Geophysical Research:Solid Earth, 115(B3): B03416. DOI:10.1029/2009JB006383
Van Diggelen E W E, De Bresser J H P, Peach C J, et al. 2010. High shear strain behaviour of synthetic muscovite fault gouges under hydrothermal conditions. Journal of Structural Geology, 32(11): 1685-1700. DOI:10.1016/j.jsg.2009.08.020
Wintsch R P, Christoffersen R, Kronenberg A K. 1995. Fluid-rock reaction weakening of fault zones. Journal of Geophysical Research:Solid Earth, 100(B7): 13021-13032. DOI:10.1029/94JB02622
Xu Z Q, Ji S C, Li H B, et al. 2008. Uplift of Longmenshan range and the Wenchuan earthquake. Episodes, 31(3): 291-301. DOI:10.18814/epiiugs/2008/v31i3/002
Zhang L, He C R. 2016. Frictional properties of phyllosilicate-rich mylonite and conditions for the brittle-ductile transition. Journal of Geophysical Research:Solid Earth, 121(4): 3017-3047. DOI:10.1002/2015JB012489
Zhao G Z, Unsworth M J, Zhan Y, et al. 2012. Crustal structure and rheology of the Longmenshan and Wenchuan MW7.9 earthquake epicentral area from magnetotelluric data. Geology, 40(12): 1139-1142. DOI:10.1130/G33703.1
Zhou Y S, He C R. 2009. The rheological structures of crust and mechanics of high-angle reverse fault slip for Wenchuan MS8.0 earthquake. Chinese Journal of Geophysics (in Chinese), 52(2): 474-484.
马永旺, 杨尽. 2001. 龙门山中段推覆构造的变形特征. 成都理工学院学报, 28(3): 236-240. DOI:10.3969/j.issn.1671-9727.2001.03.003
任凤文, 何昌荣. 2014. 热水条件下花岗质糜棱岩的摩擦滑动实验研究. 地球物理学报, 57(3): 877-883. DOI:10.6038/cjg20140317
周永胜, 何昌荣. 2009. 汶川地震区的流变结构与发震高角度逆断层滑动的力学条件. 地球物理学报, 52(2): 474-484.