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J. Geophys. Res.-Solid Earth: Flash heating及其触发的局部热增压作用导致水饱和断层泥出现急速动态弱化

2018-11-28

断层带浅部的断层泥和沉积层在大地震中通常会容纳较大的同震断层位移。近年来,对水饱和断层泥开展的高速摩擦实验和震后快速钻探中的温度测量都表明,浅部断层带在同震滑动中具有极低的摩擦系数(< 0.1)。基于理论分析和大量的实验结果,孔隙流体的热增压作用、压实导致的增压作用和flash heating(凹凸体上的急剧摩擦升温)分别在不同的研究中被认为是含水条件下断层泥的主要动态弱化机制。然而,目前对于含水条件下flash heating是否能够发挥作用人缺乏有效的实验证据;一个突出的难点在于上述多种机制的叠加。针对以上科学问题,中国地震局地质研究所姚路副研究员、马胜利研究员、陈建业副研究员(乌特勒支大学)、嶋本利彦特聘教授和何宏林研究员利用地震动力学国家重点实验室的旋转剪切低速至高速摩擦实验设备,通过特殊的实验设计,在低速至高速摩擦实验中揭示了支持含水断层泥动态滑动中出现flash heating及其导致的局部热增压的实验证据。

实验选用高渗透的多孔陶瓷作为围岩对断层泥施加旋转剪切变形。实验在2 MPa的孔隙水压条件下开展,滑动速率介于10 μm/s至1 m/s;每个实验在正式开始之前都先进行位移约为1 m的预滑。高渗透的多孔陶瓷做围岩一方面可用于导入孔隙水压,保证断层泥在摩擦升温条件下依然基本保持“湿”的状态;另一方面,围岩的高渗透性以及被提高的孔隙水沸点都将减缓甚至在一定程度上抑制整个断层泥层的热增压效应。此外,较长的预滑保证了断层泥的充分压实和孔隙水的均匀分布,在很大程度上将抑制以往含水断层泥高速摩擦实验中滑动起始阶段被人为放大的压实增压效应。总的来说,这些独特的实验设计将抑制热增压和压实增压效应,使得flash heating的弱化效应变得突出。

实验样品为采自龙门山断裂带北段青川断层上的一种富含粘土的断层泥和另一种相对粗颗粒的断层泥。实验揭示,粗颗粒断层泥在滑动速率≤10 mm/s时呈现出速度强化;当滑动速率≥40 mm/s时,其在滑动一开始(位移小于0.1m内)就呈现出急速弱化,之后进入摩擦系数较低的稳态滑动状态。然而,富含粘土断层泥的速度强化一直从速率为10 μm/s持续到100 mm/s,在速率大于0.4 m/s时,其力学行为呈现出初始快速弱化,接着迅速强化,最后再次弱化的演化过程。值得注意的是,在两种断层泥所有呈现出初始急速弱化的实验中,总能观察到瞬时轴向扩容(10–25 μm)的同步发生。数值模拟揭示,断层泥中的bulk热压作用难以解释观察到的力学数据。结合矿物组分和微结构特征构建的数值模型揭示,flash heating可能触发了局部的热压作用(局部滑动带尺度),导致了瞬时扩容和初始急速弱化的同步发生。两种断层泥在矿物成分和剪切结构上的差异使得Flash heating以及局部热压的效率存在差异,导致二者在准地震速率到地震滑动速率下的力学行为存在显著不同。由于flash heating导致的局部热压效应从能量上具有极高的效率,因此会导致浅部含水断层带(如断层泥中)在地震破裂中出现急速弱化,这必将显著地促进地震破裂的传播,对浅部断层带的结构演化(如断层带内哪部分可能成为同震滑动带)也将带来重要影响。

图1. 富含粘土和颗粒状断层泥的低速至高速摩擦性状(注意高速滑动下极低的滑动弱化距离和稳态摩擦系数)

图2. 两种断层泥的摩擦速度依赖性

3.左图:实验数据(圆点)与热增压弱化效应的对比(实线);右图:对凹凸体上flash temperature的估计。

以上研究成果发表在在国际知名期刊Journal of Geophysical Research: Solid Earth (Yao, L., Ma, S.,Chen J.,

Shimamoto, T., and He, H., 2018. Flash heating and local fluidpressurization lead to rapid weakening in water-saturated fault gouges. Journal of Geophysical Research: Solid Earth, 123(10): 9084–9100, doi: 10.1029/2018JB016132)

原文链接:https://agupubs.onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1029/2018JB016132.