双相矿物介质断层泥在同震滑动过程中的弱化、 强化及其转换机制

来源：地震地质杂志2025年第4期北京时间：

作者：黄建桦, 张波, 党嘉祥, 邹俊杰, 何宏林, 张进江

单位：1)北京大学, 地球与空间科学学院, 造山带与地壳演化教育部重点实验室, 北京 1008712)中国地震局地质研究所, 北京 1000293)中国地震局地震预测所, 北京 100036

摘要：断层泥的非均质性是影响或控制断层滑动过程摩擦强度变化的重要因素之一, 但同震滑移过程中断层泥的非均质性在控制断层滑动行为、 摩擦强度和速度依赖性等方面的效应仍不清楚。文中采用人工合成的双矿物相断层泥(石英和白云石以不同比例混合), 在1MPa正应力条件下, 开展了低速—高速(0.000 1~1.0m/s)旋转剪切摩擦实验。结果表明, 在滑动速率为1.0m/s的高速滑动实验中, 石英含量不同的白云石断层泥的摩擦行为呈现出显著差异, 并表现出2个阶段弱化的特征; 随石英含量的增加, 白云石断层泥的稳态摩擦系数μss值呈现出先增加后降低的趋势, 而滑动弱化距离Dc值则呈现出指数型增加趋势。微观构造观测结果显示, 高速滑动(≥0.5m/s)时, 主滑动面发育5~10μm厚的纳米颗粒层; 在石英含量≤20wt%的试样中, 主滑动面附近发育熔体斑块; 当石英含量增加到30wt%时, 主滑动面附近出现相互连通的熔体薄膜或熔体层。总结认为, 含石英组分的白云石断层泥在高速滑动过程中, 纳米颗粒润滑和瞬时生热作用共同主导了第1阶段的弱化, 随后主滑动面上石英颗粒的少量熔融和纳米颗粒黏结效应, 导致摩擦强度得以部分恢复。当SiO2熔体含量不断增加并形成熔体薄膜/熔体层时, 熔体润滑作用导致了第2阶段的滑动弱化。文中实验结果表明, 在同震滑动(m/s级)过程中, 具有不同摩擦特性的非均质断层泥对断层摩擦强度起着重要的控制作用, 自然界中碳酸盐岩断层岩内含有少量的石英(≤20wt%)有助于抑制同震滑动时的断层弱化。

关键词：非均质性,断层弱化,高速摩擦实验,含石英的白云石断层泥,

基金资助：国家自然科学基金(U1939201); 国家自然科学基金(42202255); 中国地震局地震预测研究所基本科研业务专项(CEAIEF20230208)