2008年5月12日M_S8.0级汶川地震是发生在青藏高原东北缘龙门山高角度逆冲断层带上的特大地震(Zhang et al., 2010).震后野外地质调查揭示沿着映秀—北川断裂和灌县—江油断裂产生的地表破裂带长达数百公里，同震地表位移分布十分复杂(Xu et al., 2009；Liu-Zeng et al., 2009；Zhang et al., 2010).为了深入了解汶川地震的发震机理，认识断层的上述同震运动特征，需要对孕震断层，即龙门山断裂带开展详尽的物理-力学性质研究.汶川地震之后迅速启动的汶川地震断裂带科学钻探计划(WFSD；Li et al., 2013)、沿地表破裂带的浅钻计划(Duan et al., 2016)和详细的地表露头考察为了解龙门山断裂带在地层走向和深度方向上的物理、力学和化学性质提供了契机.前人开展的相关研究包括断层结构分析(如韩亮等，2010；Togo et al., 2011a；Li et al., 2013, 2014；Wang et al., 2014a)、粒度分析(陈建业和杨晓松，2014)、渗透率测量(陈建业等，2011；段庆宝和杨晓松，2014)、矿物成分分析(Togo et al., 2011a；党嘉祥等，2012；Chen et al., 2013a)、地球化学和同位素成分分析(Chen et al., 2013a；Duan et al., 2016)、流体同位素分析(Zhang et al., 2014)、磁学性质研究(Yang et al., 2012a, b；Liu et al., 2014)、低速(Verberne et al., 2010；Zhang and He, 2013；刘洋和何昌荣，2017)和高速摩擦滑动性质研究(Togo et al., 2011b；Hou et al., 2012；Chen et al., 2013b；Yao et al., 2013a, 2013b, 2016；Kuo et al., 2014；Wang et al., 2014b；Togo et al., 2016)等.

断层中-高速摩擦实验是近20多年来断层力学领域新发展起来的实验技术(见综述Di Toro et al., 2011；Niemeijer et al., 2012；姚路和马胜利，2013；Ma et al., 2014).传统的断层低速摩擦实验(速率μm·s^-1量级，位移mm量级)旨在模拟断层的准静态滑动(如孕震和成核阶段)，而断层高速摩擦实验(速率m·s^-1量级，位移m量级)主要是为了模拟断层的同震动态摩擦滑动，因此能够为认识断层的同震运动特征、地震破裂的传播和断层带物质在地震中的物理化学变化等问题提供有效的手段.前人对龙门山断裂带断层泥样品开展的摩擦实验揭示，在低速条件下断层泥的摩擦强度随粘土矿物含量增加而降低，而且富含粘土的断层泥几乎都呈现出速度强化(Zhang and He, 2013；刘洋和何昌荣，2017)；在高速条件下干燥断层泥呈现强烈的滑动弱化和速度弱化，并且与矿物成分的关系不大，含水断层泥的摩擦系数可以低至0.1以下(Togo et al., 2011b；Hou et al., 2012；Chen et al., 2013b；Yao et al., 2013a, b；Kuo et al., 2014；Wang et al., 2014b；Togo et al., 2016).然而，前人开展的这些摩擦实验的样品几乎均采自龙门山断裂带切过的沉积岩地层.比如，无论是汶川地震科学钻探一号钻孔，还是中国地震局地质研究所开展的位于龙池、肖家桥、赵家沟和深溪沟的多个浅钻，钻取的均是沉积地层中的断层岩样品.野外调查发现，龙门山断裂带映秀—北川断层在金河磷矿附近切过花岗质岩体，在汶川地震中产生了超过3 m的同震位移(Xu et al., 2009).而且，花岗质岩体是由于彭灌杂岩抬升至地表而出露的，因此可作为龙门山断裂带数公里深度处代表性的断层岩.无论是考虑岩性还是所代表的深度条件，研究花岗质岩体中断层带的力学性质都具有重要意义.本研究的出发点之一是利用龙门山断裂带发育在花岗质岩体中的断层岩样品开展低速至高速摩擦实验，这对于探讨岩性对断层同震力学行为的影响具有重要意义，也将有助于全面了解龙门山断层带的力学性质及其均匀性问题.

地震断层作用中的能量分配是一项重要的科学问题.一般认为，地震过程中的能量耗散主要包括辐射地震波、破裂能和摩擦力做功三种形式(Kanamori and Brodsky，2004).其中，破裂能是充满争议、极易混淆的物理量，主要在于断裂力学、岩石力学、地质和地震学中对破裂能的定义存在着一些差异(e.g.Scholz，2002；Kanamori and Brodsky, 2004；Chester et al., 2005).比如，在断裂力学中，破裂能是指裂纹尖端形成新的裂纹面所需要的能量，而在断层滑动弱化模型中它是指从突破峰值摩擦到稳态摩擦滑动所消耗的能量(Scholz，2002).近年来，基于高速摩擦实验对地震能量分配问题的研究进展包括：(1)通过高速摩擦实验再现断层的动态滑动，通过力学数据直接计算破裂能(e.g.Mizoguchi et al., 2007；Togo et al., 2011b；Yao et al., 2013a)；(2)通过对高速摩擦实验前后的样品直接开展Brunauer-Emmett-Teller (BET)比表面积测量，估计同震滑动中断层带物质的表面能变化(Togo and Shimamoto, 2012；Sawai et al., 2012).对于断层带物质表面能的研究，相关的背景是前人曾广泛使用光学或电子显微镜下的粒度统计(Chester et al., 2005；Ma et al., 2006)或激光粒度分析(Rockwell et al., 2009；Storti et al., 2010a, b)来获得样品的粒度分布，进而在假定样品颗粒具有某种几何形态的情况下换算样品的比表面积.对于这两种常规手段，前者通常存在统计样本有限的问题，后者则受测量参数的影响较大(Storti et al., 2010a)；而且，二者均不是直接获得表面积信息.Togo和Shimamoto(2012)和Sawai等(2012)分别利用BET比表面积仪测定了石英砂和富含层状硅酸盐矿物的断层泥在高速摩擦实验前后的比表面积变化，揭示断层泥颗粒磨碎所消耗的能量占摩擦总功和破裂能的比例极低(不超过2%).本研究的另一个出发点就是结合低速至高速摩擦实验，对金河磷矿断层泥样品开展BET比表面积测试，以便了解断层泥在地震断层作用中的表面能变化，为更好地认识地震能量分配提供约束.

龙门山断裂金河磷矿剖面(31°27′41″N，103°59′56″E)位于映秀—北川断裂中段(见图 1)，断层上盘是新元古代的彭灌杂岩(出露的主要是花岗质岩石和基性岩脉)，下盘是古生界碳酸盐地层(马永旺等，1996；张沛等，2008；图 1a).断层在此处走向40°，倾角70°~87°，接近地表断层面轻微反转.汶川地震中，该剖面附近产生的同震垂向逆冲位错为3.4 m(Xu et al., 2009).地表出露的断层带近2 km宽，发育角砾岩、断层泥、初碎裂岩和碎裂岩.其中，断层带核部近3 m宽，主要由相邻的黄绿色(厚约20 cm)、灰绿色(厚约20 cm)和黑色断层泥(厚约2 m)及灰白色花岗质角砾岩(厚约1 m)组成(图 2a—2c).三种断层泥分布界限清楚，结构均一，包含两个透镜体(见图 2b，2c).中国地震局地质研究所实施的浅钻计划LMSD-3在金河磷矿剖面上打了A，B两个钻孔，其中，B钻孔打穿断层核部，终孔深度54 m.钻孔岩芯的岩性分布与地表露头的岩性分布基本一致(Duan et al., 2016).图 3为B钻孔中深度41.8~42.9 m和46.7~47.6 m段的岩芯样品照片和素描图，这两段岩芯为断层核部物质，包含黄绿色(YGG，图中A)、黑色(BG，图中B)和灰绿色三种断层泥(GGG，图中C；关于金河磷矿剖面及钻孔的断层带结构请参考Duan等(2016)已做的详细研究).其中，黄绿色断层泥在B钻孔中深度为42 m(图中A处)，约10 cm厚，切过花岗角砾岩；前人的研究认为同震滑动带即发育在该断层泥之中(Duan et al., 2016).黑色断层泥总体厚度约2 m，取样位置为深度42.7 m(图中B处)；灰绿色断层泥出现在钻孔B的47.3 m和49 m深度处(取样位置为深度46.8 m).本研究所用的样品即为此三种断层泥.

图 1

Fig. 1

图 1 (a) 龙门山断裂带金河磷矿剖面区域地质图(据1：20万地质图绘制)；(b)汶川地震同震地表破裂带(据Xu et al., 2009)及图(a)的空间位置 Fig. 1 (a) Geological map of the region adjacent to the Jinhe outcrop of the Longmenshan fault zone (reproduced from the geological map of 1 : 200000 in scale. (b) Surface ruptures along the Longmenshan fault zone associated with the Wenchuan earthquake (after Xu et al., 2009); the area of (a) is indicated by a black rectangle

图 2

Fig. 2

图 2 (a) 龙门山断裂带金河磷矿露头剖面照片；(b)—(c)断层核部放大图及其素描图 Fig. 2 (a) Photograph of the Jinhe outcrop; (b)—(c) Close-up of the fault core and its simplified sketch

图 3

Fig. 3

图 3 金河磷矿浅钻钻孔B中断层核部岩芯照片及其素描图. (a)—(b)深度41.8~42.9 m的岩芯；(c)—(d)深度46.7~47.7 m的岩芯 Fig. 3 Photographs and their sketches of the drilling cores of 41.8~42.9 m (a—b) and 46.7~47.6 m (c—d) in depth from hole-B

对岩芯的结构观察表明，黑色断层泥面理特征明显，面理方向与岩芯轴向的夹角为50°~60°，其碎屑长轴与剪切方向一致；有多期次剪切痕迹，裂缝中充填许多方解石脉体.XRD全岩及粘土矿物成分分析揭示黑色断层泥成分主要为石英、长石(钠长石和钾长石)、层状硅酸盐矿物和少量方解石、石膏和黄铁矿；层状硅酸盐矿物总共占37%(见表 1)，其中蒙脱石占14%、伊利石占14%、绿泥石占9%.在扫描电镜下观察揭示，黑色断层泥长英质碎屑被包含少量碳酸盐碎屑的细粒断层泥基质所围绕，整体呈面理化发育(图 4a).

表 1 Table 1

表 1 金河磷矿浅钻岩芯中三种断层泥的矿物成分 Table 1 Mineral composition of the three kinds of fault gouges from the Jinhe shallow drilling cores 样品 矿物成分 石英 斜长石 微斜长石 方解石 赤铁矿 绿泥石 伊利石 蒙脱石 黑色断层泥(BG) 41% 4% 6% 11% 1% 9% 14% 14% 灰绿色断层泥(GGG) 14% 21% - 15% 2% 45% 2% 1% 黄绿色断层泥(YGG) 8% 18% 7% 3% 2% 56% 3% 3%

表 1 金河磷矿浅钻岩芯中三种断层泥的矿物成分 Table 1 Mineral composition of the three kinds of fault gouges from the Jinhe shallow drilling cores

图 4

Fig. 4

图 4 金河磷矿浅钻断层泥的背散射电子图像 (a)黑色断层泥；(b)灰绿色断层泥；(c)黄绿色断层泥. Fig. 4 Back-scattered electron images of the blackish, gray-greenish and yellow-greenish fault gouges recovered from the Jinhe shallow drilling cores

灰绿色断层泥主要成分为石英、斜长石、方解石、白云石和层状硅酸盐矿物及少量黄铁矿.层状硅酸盐矿物占48%(表 1)，其中绿泥石占45%，伊利石和蒙脱石共占3%.扫描电镜下观察表明，灰绿色断层泥面理发育程度较弱(见图 4b)；碎屑主要为石英，碳酸盐岩和长石，碎屑裂缝中胶结大量方解石脉体；基质中主要包含层状硅酸盐矿物和极少量细粒石英颗粒.

黄绿色断层泥主要成分为石英、长石(钠长石和钾长石)、层状硅酸盐矿物和少量方解石、黄铁矿；层状硅酸盐矿物占62%(见表 1)，其中绿泥石占56%，伊利石和蒙脱石共占6%.扫描电镜观察揭示，黄绿色断层泥中没有明显的面理或脉体发育，碎屑呈分散分布，主要由石英细粒和包含少量长石的绿泥石组成.

本文低速-高速摩擦实验所用的设备为中国地震局地质研究所旋转剪切摩擦实验机(图 5a—5b)，其为Shimamoto第三代旋转剪切低速-高速摩擦实验系统.该设备马达转速1~1500 rpm，配合皮带-齿轮变速系统，可实现的速率范围为1.4×10^-9 m·s^-1 ~2.1 m·s^-1(对于40 mm的实心圆柱样品).轴向载荷目前最高可达100 kN，所配备的孔隙水压容器(图 5b)最大流体压力可达35 MPa(更多该仪器装置的介绍及性能指标详见Ma等(2014)).

图 5

Fig. 5

图 5 (a) 中国地震局地质研究所旋转剪切低速-高速摩擦实验机(LHVR-Beijing)；(b)孔隙压力容器(引自Ma et al., 2014)；(c)—(d)摩擦实验的装样结构 Fig. 5 (a) A photograph of the rotary shear low-to high-velocity frictional testing machine (LHVR-Beijing) at Institute of Geology, China Earthquake Administration; (b) A photograph of the pressure vessel; (c)—(d) Sample assembly for the friction experiments

本文的研究共计完成了37个摩擦实验，实验分为室温干燥和0.5 MPa的孔隙水压两种条件，设定的有效正应力都是1.2 MPa(对应断层泥野外原位条件下的静岩压力)，等效速率介于2×10^-5 m·s^-1~1.4 m·s^-1.其中，这里的等效滑动速率V_eq是在假设圆形滑动面上剪应力均匀的情况下，根据摩擦力做功等效的原则来定义的，其表达式为(Shimamoto and Tsutsumi, 1994)

(1)

式中R为每秒的旋转圈数，r_i和r_o分别为样品的内外半径.

实验所用的黑色、灰绿色和黄绿色三种断层泥经过手工研磨后全部过筛(#150目)，并置于65 ℃烘箱中烘干48 h.每次实验使用的断层泥重量为2.5 g；实验中统一使用直径为40 mm的多孔陶瓷圆柱体作为围岩(其热导率与辉绿岩相近；装样结构见图 5c，5d).围岩的端面用#80的金刚砂打磨粗糙以在一定程度上抑制边界剪切；实验统一使用内径为39.980~39.985 mm、外径约52~53 mm，高度约15 mm的Teflon圆环将断层泥围限起来，避免实验过程中断层泥被轻易挤出(Teflon与下部静止端围岩接触长度约9 mm，与上围岩接触长度约5 mm；实验后的制作薄片的切片位置为距离边缘5 mm处).考虑到实验前断层泥粉末的疏松状态与野外断层带内断层泥的充分压实存在明显不同，每个实验在开始都进行了等效滑动速率为5 mm·s^-1、位移为0.8 m的预滑.

图 6是黑色断层泥(BG)(图 6a，6b)、灰绿色断层泥(GGG)(图 6c，6d)和黄绿色断层泥(YGG)(图 6e，6f)在室温干燥(图 6a，6c，6e)和孔隙水压(图 6b，6d，6f)实验条件下的摩擦系数随滑动位移的变化.图中的曲线用不同颜色代表不同的滑动速率；每个实验的预滑(速率5 mm·s^-1)终止于位移0.8 m处，之后滑动速率切换至目标值.结果显示，在干燥条件下，1)当速率V_eq＜0.14 m·s^-1时，三种断层泥在0.8~4.0 m位移段都或多或少存在滑动强化，以黑色断层泥最为明显；虽然实验数据存在一定离散性，但总体来说三种断层泥的稳态(或准稳态)摩擦强度差异不大，介于0.55~0.80. 2)当V_eq=1.4 m·s^-1时，三种断层泥均呈现显著动态弱化(图 6a，6c，6e)，黑色、灰绿色和黄绿色断层泥的稳态摩擦系数(μ_ss)分别为0.30，0.37和0.39，滑动弱化距离约为1~3 m.

图 6

Fig. 6

图 6 黑色(BG)、灰绿色(GGG)和黄绿色(YGG)断层泥在20 μm·s-1~1.4 m·s-1滑动速率下的摩擦系数-位移曲线.各图对应的实验样品和实验条件为：(a) BG，干燥；(b) BG，孔隙水压；(c) GGG，干燥；(d) GGG，孔隙水压；(e) YGG，干燥；(f) YGG，孔隙水压.图(g)、(h)、(i)展示了(b)、(d)、(f)中两个中高速实验的完整实验曲线 Fig. 6 Friction coefficient versus displacement curves for the blackish gouge (BG), the grey-greenish gouge (GGG) and the yellow-greenish gouge (YGG) at slip rates ranging from 20 μm·s-1 to 1.4 m·s-1. The samples and experimental conditions for the tests shown in each diagram are as follows: (a) BG, dry; (b) BG, pore pressure; (c) GGG, dry; (d) GGG, pore pressure; (e) YGG, dry; (f) YGG, pore pressure. (g), (h) and (i) show the whole results of the experiments with the highest two velocities in (b)、(d) and (f), respectively

孔隙水压条件下实验数据的一致性和平滑性相对较好(由于V_eq=0.14和1.4 m·s^-1的实验中滑动位移较大，图 6b，6d，6f中为方便比较仅在主图中绘制了位移5 m内的实验数据；这两个速率下完整的数据分别参见图 6g，6h，6i).如图所示，在孔隙水压条件下，黑色断层泥在V_eq=20 μm·s^-1~1.4 m·s^-1的速度范围内均具有较低的摩擦强度，随着速率的增大，μ_ss由0.18(V_eq=20 μm·s^-1)增加至0.25(V_eq=1.4 m·s^-1)左右，呈现出速度强化的特征；但即使在1.4 m·s^-1的高速滑动下，黑色断层泥也没有呈现出滑移弱化(图 6b).灰绿色断层泥在V_eq=20 μm·s^-1~14 mm·s^-1的速度区间内，μ_ss维持在0.55~0.59，呈现微弱的速度强化(图 6d)；在V_eq= 0.14 m·s^-1时开始出现滑动弱化，在V_eq=1.4 m·s^-1时摩擦系数μ在0.4 m位移内迅速降低至0.22，最终μ_ss稳定为0.16(图 6d).黄绿色断层泥在V_eq=20 μm·s^-1~14 mm·s^-1的速度区间内，μ_ss维持在0.45左右，呈现微弱的速度强化(图 6f)；在V_eq=0.14 m·s^-1时，摩擦系数先降低再升高，并稳定在相对较高的数值(μ_ss=0.44)；在V_eq=1.4 m·s^-1时，黄绿色断层泥在滑动一开始就立即出现大幅弱化(μ从0.35瞬时降低至0.12)，之后是一个强化过程(μ从0.12增加至0.38)，接着再次呈现一个滑动弱化过程(μ从0.38降低至0.26).总体来说，三种断层泥在孔隙水压条件下力学性状存在明显的差异.

本研究利用日本BELSORP-mini Ⅱ比表面积仪(图 7a)测量实验前后的断层泥的比表面积.该比表面积仪所用的测量方法为容量法(e.g.，Gregg, et al., 1967)，基本原理是根据Brunauer、Emmett、Teller(BET)三名科学家在Langmuir吸附理论的基础上建立的BET多分子层吸附理论(Gregg, et al., 1967；庄继华，2006)，其表达方程即BET方程为

图 7

Fig. 7

图 7 BET比表面积测量仪(BELSORP-mini Ⅱ)以及内外三层(S内，S中和S外)等面积取样示意图 Fig. 7 A photograph of the instrument for BET surface area measurement (BELSORP-mini Ⅱ) and a schematic diagram showing the sampling method (the sample was divided into three circular portions, S内, S中 and S外, with the same area)

式中P为吸附质的吸附平衡压力，P₀为吸附质在吸附温度时的饱和蒸汽压，V为平衡压力为P时吸附质的吸附量，V_m为单层吸附量，C为吸附相关的常数.通过在实验中测量一系列相对压力P/P₀和吸附气体量V，以P/P₀为横轴、1/(V(P₀/P-1))为纵轴作图(即BET图)，由斜率和截距即可求得单层容量V_m和BET参数C，质量比表面积A_s可通过单层容量V_m和每个分子在单层上所占有的平均面积求出(Gregg, et al., 1967；柳翱等，2012).

测量时，每个样品都先使用BELSORP-miniⅡ配套的BELPREP-flowⅡ前处理组件通过气体吹扫法将样品表面的原吸附气体分子去除.BELSORP-miniⅡ的一项专利技术是在测量时同时使用一个空的样品管对液氮液位下降造成的死体积变化进行测定，并将其用于样品管死体积变化的校正(Nakai et al., 2005).因此，该测量仪在尽可能简化机身的同时还保证了优良的测量精度和较低的误差水平(总表面积为10 m²和35 m²时误差分别为0.4%和0.05%)(Nakai et al., 2005)，可测样品的内部孔隙最小达1 nm，最小总面积可达0.01 m².所有摩擦实验后的待测样品在取样时按等面积分成三份(如图 7右上方图中所示，由内到外分别为S_内，S_中和S_外；个别样品因泄漏或收集的问题，仅进行了整体测量)，在玛瑙研钵上压散，尽可能避免二次磨碎.除干燥条件下高速实验的样品因经历高温存在烧结或黏连而难以完全收集之外，其他所有干燥条件和孔隙水压条件下的实验样品都仍然保持粉末状态，样品收集总体来说比较容易.

图 8是从初始样品和实验变形样品中选出来7个代表性样品的吸附/脱附曲线图和BET图，吸附曲线为Ⅱ型曲线(Gregg, et al., 1967).吸附曲线的相对压力值设定范围为0~1，但曲线并不是在所有范围内都是直线，而是只有大概在0.04~0.35范围内接近直线.为了节省时间，我们参照前人(如Togo and Shimamoto, 2012)的一般处理方法，只对几个样品的相对压力值测量范围设置为0.0~1.0(如图 8a)，其余样品相对压力值大概在0.04~0.40之间，有效取值范围取最佳线性范围.

图 8

Fig. 8

图 8 三种断层泥初始样品和代表性实验变形样品的吸附/脱附曲线图(a)与BET曲线图(b) Fig. 8 Adsorption/desorption isotherm (a) and BET plot (b) for the starting materials and representative deformed samples of the three gouges

图 9是实验变形断层泥的BET比表面积(A_{_BET})与实验中滑移速率的关系图.为便于比较，初始样品的BET比表面积在纵坐标轴上用短线表示.由于同一个实验样品按由内到外的面积三等份分别进行了BET表面积测试(见图 7b中S_内，S_中和S_外)，根据式(1)，S_内、S_中和S_外对应的等效速率V_{eq_内}、V_{eq_中}和V_{eq_外}存在一定的差异(在描述力学数据时提及的V_eq是对整个圆形滑动面定义的，这里V_{eq_内}比整个滑动面的V_eq小，而V_{eq_中}和V_{eq_外}比V_eq大).图 9a，9b，9c分别为实验样品在室温干燥条件下S_内、S_中和S_外区域的BET比表面积，而图 9d，9e，9f分别为孔隙水压条件下对应的结果.由图可见，BG的BET比表面积(A_{_BET})总体上比GGG和YGG的要大.在干燥条件下(图 9a—9c)，实验后BG样品的A_{_BET}相对于初始样品存在一定程度的降低，且A_{_BET}随着滑动速率V_eq的增大而减小；而实验后GGG和YGG的A_{_BET}相对于初始样品变化不大，A_{_BET}随整体V_eq的变化也不明显，只在整体V_eq为1.4 m·s^-1时呈现略微降低(图 9a—9c).孔隙水压条件下(图 9d—9f)，当整体V_eq≤0.14 m·s^-1时，实验后BG的A_{_BET}与初始样品相比基本不变，而GGG和YGG变形样品的A_{_BET}则明显增加(增加了约一倍).当整体V_eq=1.4 m·s^-1时，三种断层泥的A_{_BET}均显著降低.值得注意的是，对比实验后样品和初始样品的A_{_BET}可以发现，在中低速范围内(整体V_eq≤0.14 m·s^-1)，孔隙水压条件下实验变形断层泥的A_{_BET}比干燥条件下的更大.

图 9

Fig. 9

图 9 初始断层泥和不同滑动速率下实验变形断层泥的BET比表面积-滑移速率曲线.(a)—(c)干燥条件下实验样品的测试结果；(d)—(f)孔隙水压条件下实验样品的测试结果.图中(a)—(c)和(d)—(f)从左至右分别给出了断层泥内层(S内)、中层(S中)和外层(S外)样品的测试结果.初始和预滑之后断层泥的BET比表面积也绘在图中用作对比 Fig. 9 BET surface area versus slip rates curves for the initial and experimentally deformed gouges at various slip rates, and under dry (a—c) and pore pressure (d—f) conditions. (a)—(c) and (d)—(f) shown above, from left to right, give the results of the inner (S内), middle (S中) and outer (S外) circular portions of the disk-shaped samples.The initial and pre-sheared gouge samples were also plotted for comparison

薄片制作时使用了超低黏度的树脂固化断层泥及围岩，切片位置距离圆柱中心轴约15 mm.薄片的微结构观察是在中国地震局地质研究所使用蔡司Sigma场发射扫描电镜完成(背散射模式，加速电压为15 kV). 图 10和11分别是干燥和孔隙水压条件下代表性的实验样品显微结构图，所选的样品来自相对慢速(V_eq=0.14 mm·s^-1)和高速(V_eq=1.4 m·s^-1)两种速率条件下的摩擦实验.各图中断层泥层的上方为围岩旋转端，剪切方向均为左旋.

图 10

Fig. 10

图 10 干燥条件下三种断层泥经历中速(Veq=0.14 mm·s-1)和高速(Veq=1.4 m·s-1)摩擦实验后的显微结构. (a)—(f)为断层泥层的整体结构; (g)—(m)为剪切带的局部放大图 Fig. 10 Microstructures of the three gouges after intermediate-(Veq=0.14 mm·s-1) and high-velocity (Veq=1.4 m·s-1) friction experiments under dry conditions. (a)—(f) Large-scale SEM images showing overall structures of the deformed gouge layers; (g)—(m) Close-up images of the shear zone

由图可见，干燥条件下，当V_eq=0.14 mm·s^-1时，三种断层泥都在围岩旋转端发育局部化的滑动带(图 10a，10b，10c所示)，其中BG和GGG的滑动带相对较薄(＜100 μm；图 10a，10b，10g，10h)；YGG的滑动带较厚(约400 μm；图 10c，10i)，且呈现多条细的滑动带互相叠覆的结构(如图 10i).在高速滑动下(V_eq=1.4 m·s^-1)，BG的滑动带较宽(如图 10d).由于滑动带之外的弱变形区域可反映初始样品中的颗粒粒度大小，与之对比可见滑动带主要由基质和细粒化的碎屑组成(图 10d，10j)，X射线能谱分析(EDS)表明滑动带物质主要是细粒化的长石、石英和层状硅酸盐矿物；GGG在高速滑动下的变形也比较强烈(图 10e，10k)，粒度明显降低，局部可见杏仁状气孔构造(图 10l)；YGG在高速滑动下的颗粒细粒化比较明显(图 10f，10m)，可见滑动带叠覆的现象(图 10f)和粘土-碎屑集合体(图 10m).

孔隙水压条件下，三种断层泥在V_eq=0.14 mm·s^-1时的变形都弥散于整个断层泥层之中(图 11a，11b，11c)，颗粒粒径均有所减小，大颗粒边角呈次圆状(图 11g，11h，11i)；其中BG整体弱面理(图 11a，11g)，GGG和YGG则无明显面理(图 11b，11c).高速滑动下(V_eq=1.4 m·s^-1)三种断层泥的变形均集中在与围岩接触的边界上，并形成数条重叠的较厚滑动带(图 11d—11f，11j—11l).

图 11

Fig. 11

图 11 孔隙水压条件下中速(Veq=0.14 mm·s-1)和高速(Veq=1.4 m·s-1)摩擦实验后三种断层泥的代表性显微结构. (a)—(f)为断层泥层总体结构；(g)—(l)为对应于(a)—(f)中方框部位的局部放大图 Fig. 11 Microstructures of the three gouges after intermediate-(Veq=0.14 mm·s-1) and high-velocity (Veq=1.4 m·s-1) friction experiments under pore water pressure. (a)—(f) Large-scale SEM images showing overall structures of the deformed gouge layers; (g)—(l) Close-up images of the selected area indicated by rectangles in (a)—(f)

图 12展示了三种断层泥在干燥和孔隙水压条件下的稳态摩擦随滑动速率的变化(即摩擦速度依赖性).干燥条件下由于实验数据较离散，相对比较确定的信息是三种断层泥在中低速(V_eq≤0.1 m·s^-1)条件下强度较高(0.55~0.80)，在高速滑动下(V_eq接近1.0 m·s^-1时)呈现显著动态弱化；虽然三种断层泥在矿物组成上差异较大，但总体上强度差异不大.这些性质与前人揭示的龙门山断层带多种断层泥在干燥条件下的力学性质比较一致(如Hou et al., 2012；Yao et al., 2013；Wang et al., 2014b)，也同样支持前人所认为的干燥条件下龙门山断层带的高速摩擦性质比较均一的观点(Yao et al，2013).

图 12

Fig. 12

图 12 干燥和孔隙水压条件下三种断层泥摩擦强度的速度依赖性(μss：稳态摩擦系数；μmin：摩擦曲线的最低值) Fig. 12 Velocity dependence of frictional strength of the three gouges under dry and pore pressure conditions (μss:steady-state friction coefficient; μmin:minimum value of friction coefficient)

在孔隙水压条件下，三种断层泥的摩擦强度呈现显著差异(图 12b).与干燥条件下的摩擦强度相比，GGG的强度差异不大，YGG的强度呈现明显降低，而BG的强度则大幅降低.由前文三种断层泥的成分分析可知，摩擦强度最高的GGG含绿泥石45%，伊利石和蒙脱石共3%，层状硅酸盐矿物总量为48%；强度次之的YGG含绿泥石56%，伊利石和蒙脱石共6%，层状硅酸盐矿物总量达62%；而强度最低的BG含蒙脱石和伊利石共28%，绿泥石9%，层状硅酸盐矿物总量为37%.断层力学中的一般观点认为，断层泥中层状硅酸盐矿物含量增大和局部定向都能够有效地降低断层泥的摩擦强度(如张雷和何昌荣，2014).由于本实验的初始样品为过筛的断层泥粉末，基本可以排除原生剪切组构对摩擦强度的影响.如图 12b所示，三种断层泥的摩擦强度并没有与层状硅酸盐矿物总含量呈现负相关的关系，合理的解释可能是层状硅酸盐矿物的类型对摩擦强度具有更重要的影响.前人的研究表明，蒙脱石、伊利石和绿泥石低正压力和相对较低温度条件下的摩擦强度大小为：蒙脱石＜伊利石＜绿泥石(Renard and Ortoleva, 1997；张雷和何昌荣，2014；刘洋和何昌荣，2017).因此，上述三种断层泥中BG由于蒙脱石和伊利石含量较高而具有最低的强度；而YGG和GGG以绿泥石为主，因此强度相对更高，并且GGG的层状硅酸盐矿物总量比YGG低，因此GGG具有最高的强度.

此外，三种断层泥在孔隙水压条件下的摩擦强度在V_eq=20 μm·s^-1~0.14 m·s^-1的范围内存在清晰的增大趋势.这种中低速率范围内的速度强化暗示着断层在加速滑动过程中需要突破中速域的力学障碍才能产生后续的失稳滑动.

黄绿色和灰绿色断层泥在孔隙水压条件下的中-高速摩擦实验中(V_eq=0.14 m·s^-1和1.4 m·s^-1)呈现急速的初始快速弱化(图 6d和6f；见图 13虚线处摩擦系数的突降).由于本研究中每个实验都施加了位移约0.8 m的预滑，保证了断层泥的充分压实；而且围岩材料为高渗透性的多孔陶瓷，因此滑动一开始的急速弱化不可能是突然的压实作用导致的增压效应造成的.实际上，轴向位移数据揭示摩擦系数在滑动起始时的突降总是伴随着断层泥层的瞬时扩容(见图 13虚线处红色曲线所示的轴向位移突增)；而在没有出现急速弱化的实验中，并没有观察到断层泥厚度(轴向位移)的瞬时变化(见图 13中蓝色曲线).Yao等(2017)在对龙门山断裂北段部分断层泥样品的中-高速摩擦实验中观察到了类似的现象；通过对比实验、微结构分析和数值模拟计算，他们认为断层泥层中宏观的热压作用也不足以解释上述现象，而唯一可能的解释是凹凸体急剧加热(flash heating)导致了微观尺度的局部热压作用，在引起断层泥瞬时扩容的同时造成了急速动态弱化.

图 13

Fig. 13

图 13 黄绿色(YGG)和灰绿色(GGG)断层泥在滑动速率为14 mm·s-1和1.4 m·s-1摩擦实验中的摩擦系数与轴向位移演化 Fig. 13 The evolution of friction coefficient and axial displacement in the friction experiments performed on the yellow-greenish (YGG) and grey-greenish gouges (GGG) at slip rates of 14 mm·s-1 and 1.4 m·s-1

上述实验结果对认识同震断层作用具有重要启示.在断层强度方面，虽然干燥条件下断层泥的低速至高速摩擦强度差异不大，跟矿物成分也没有明显的关系；但在孔隙水压条件下，断层泥中层状硅酸盐矿物的种类及其含量则对断层的强度具有重要影响.在断层摩擦的速度依赖性方面，中低速域观察到的速度强化暗示着断层在加速滑动过程存在着中速域的力学屏障.然而，一旦突破这一屏障，断层将会发生显著的滑动弱化；特别是在含水条件下，凹凸体急剧加热导致的微观尺度局部热压作用可能使得断层泥更快速地弱化，使断层在地震破裂峰前到来时“一触即溃”.

在经历高速(V_eq=1.4 m·s^-1)摩擦滑动之后，三种断层泥在干燥和孔隙水压条件下的BET比表面积(A_{_BET})都显著降低.这与Sawai等(2012)在对Nojima断层泥高速摩擦样品BET表面积测试中揭示的结果一致.他们的研究中存在的一项争议性问题是摩擦实验密封样品所用的Teflon环的热分解可能对断层泥的A_{_BET}降低存在一定的贡献.本研究中开展了一些孔隙水压条件下的高速摩擦实验，这些实验中断层泥的宏观升温由于孔隙水的存在而被抑制.因此，这些实验中Teflon热分解的影响较小，所观测到的断层泥A_{_BET}的显著降低是客观存在的.Togo和Shimamoto(2012)曾用细颗粒物的烧结和焊接效应来解释高速摩擦中断层泥A_{_BET}的降低.本研究中孔隙水压条件下实验样品的A_{_BET}明显降低可能暗示着细颗粒物的烧结并不一定需要显著的宏观升温，只要颗粒接触点(凹凸体)上的温度较高即可实现.

对于中低速域(V_eq=20 μm·s^-1~0.14 m·s^-1)的实验变形样品，干燥条件下，GGG和YGG的A_{_BET}变化不大，BG的A_{_BET}则随着滑动速率的增大而明显降低；孔隙水压条件下，BG的A_{_BET}变化不大，而GGG和YGG的A_{_BET}明显增加(接近一倍).这些结果表明孔隙水对中低速域内三种断层泥实验变形样品的A_{_BET}存在着显著的影响.微结构观察对GGG和YGG的实验变形样品在孔隙水压条件下具有比干燥条件下更大的A_{_BET}给出了合理的解释.干燥条件下，断层泥的变形主要集中在局部剪切带内，断层泥层的大部分区域几乎未发生任何变形(图 10b，10c)；而孔隙水压条件下，断层泥呈现出分散式的剪切变形，整个断层泥层均存在颗粒磨圆、磨碎的现象(图 11b，11c).类似的含水条件下滑动带更宽的现象在前人的研究中也有报道(Togo et al., 2016).对于自然断层带，这种结果暗示着孔隙水的存在可能导致更多的断层带物质卷入剪切变形，消耗相对更多的能量于颗粒磨碎过程之中.

然而，目前仍不确定BG的A_{_BET}为何在干燥条件下的实验中随着滑动速率的增大而降低，而在孔隙压条件的实验中不存在速率相关性变化.BG所含的蒙脱石、伊利石以及有机质在摩擦滑动中发生的变化可能起到了重要作用，未来需要对这一问题进行进一步探索.

利用实验样品比表面积的数据，我们可以对摩擦实验中样品表面能的变化进行估计.常见矿物的比表面能量级为~1 J·m^-2(Scholz，2002)，如石英为1 J·m^-2，正长石为7.7 J·m^-2(Brace and Walsh, 1962).本研究中，相对于初始样品，干燥条件下摩擦实验样品的A_{_BET}未出现明显的增加(图 9a—9c)，仅有GGG和YGG在孔隙水压条件下的中低速实验中观察到A_{_BET}的系统性增加(图 9d—9f).即使考虑到最极端的情况，A_{_BET}的增加仍不超过15 m²·g^-1.因此2.5 g实验样品的总表面能至多增加15 m²·g^-1× 2.5 g×5 J·m^-2=187.5 J(假设断层泥的比表面能为5 J·m^-2).由于这些实验中未出现明显的滑动弱化，破裂能难以通过力学数据求取，但摩擦力做功可由力学曲线积分获得.GGG和YGG中低速域(V_eq=20 μm·s^-1~0.14 m·s^-1)实验的摩擦力做功在多数情况下分别约为3600 J和2400 J.因此，这些实验中用于颗粒磨碎的能量不超过摩擦力做功的8%.

上述结果对了解断层作用中的能量分配具有重要启示.断层从低速到高速摩擦滑动过程中，断层带物质可能经历机械破碎、热分解、烧结或焊接及其他各种复杂的水岩相互作用.Brantut等(2011)曾在石膏的高速摩擦实验中揭示石膏的热分解脱水反应能抑制断层带的宏观升温；Chen等(2017)在含水断层泥的高速摩擦实验中也发现孔隙水的相变能让断层的宏观温度短暂地恒定在相变点.而且，前人的研究(Togo and Shimamoto, 2012；Sawai et al., 2012)和本研究均揭示断层泥的磨碎和细颗粒的烧结这一相反的作用过程在断层高速滑动中很可能会同时发生.这些研究结果表明了断层作用中能量分配的复杂性，除了传统观点中认为的摩擦生热和辐射地波是主要能量耗散途径以外，断层带物质上述各种物理化学变化也将消耗相当一部分能量；但比较确定的是，用于颗粒磨碎的能量比例较低.

本文研究的是龙门山断裂带金河磷矿剖面发育在花岗岩地层中断层的物理-力学性质.在对断层带的结构和物质成分进行仔细分析的基础上，我们选用了浅钻岩芯中的三种断层泥样品开展了低速至高速摩擦实验研究(有效正应力和孔隙水压接近原位条件)，并对实验样品开展了BET比表面积测试.取得的主要结论如下：

(1) 干燥条件下，金河磷矿浅钻岩芯中三种断层泥的力学性质比较均一：中低速下(V_eq=20 μm·s^-1 ~0.14 m·s^-1)的摩擦强度介于0.55~0.80，速度依赖性不明显；高速(V_eq=1.4 m·s^-1)滑动下均呈现显著的滑动弱化.孔隙水压条件下，三种断层泥的力学性状呈现明显的差异，中低速下的摩擦强度并未与层状硅酸盐矿物总量呈现负相关，但却与其种类存在紧密联系——蒙脱石和伊利石比绿泥石更能有效地降低断层摩擦强度.

(2) 三种断层泥在孔隙水压条件下存在中低速率域的速度强化，表明断层在加速滑动过程中需要突破这一力学屏障才能产生后续的失稳滑动.

(3) 黄绿色和灰绿色断层泥在孔隙水压下的高速摩擦滑动中观测到急速的初始快速弱化，并同时伴随着断层泥的瞬时扩容.凹凸体急剧加热(flash heating)导致的微观局部热压作用可能是这种力学行为的一种机制.类似的物理机制可能在自然断层带上同样存在，能够解释含水条件下断层更加迅速的动态弱化.

(4) 在经历高速摩擦滑动之后，三种断层泥在干燥和孔隙水压条件下的BET比表面积(A_{_BET})都显著降低，暗示着烧结作用的发生.中低速域内，孔隙水压下实验样品的A_{_BET}比干燥条件下更大；这是由于孔隙水的存在使滑动带变宽，更多的断层泥颗粒参与剪切变形，因此消耗相对更多的能量于颗粒磨碎过程之中.定量估算表明，本文摩擦实验中用于颗粒磨碎的能量至多不超过摩擦力做功的8%，暗示着颗粒磨碎在断层作用中所占的能量比例较低.

感谢段庆宝、陈建业在前期采集野外数据和样品等方面所做的工作，感谢Toshihiko Shimamoto教授在实验设计和数据分析上的指导，感谢姚文明、马玺和戴文浩在实验准备工作和扫描电镜分析过程中所给的帮助.感谢刘俊来教授和白武明研究员提出的诸多建设性修改意见.