斷層力學(xué)與地震機理

斷層力學(xué)與地震機理——實驗研究的若干進展馬勝利中國地震局地質(zhì)研究所地震動力學(xué)國家重點實驗室致謝報告內(nèi)容取自地震動力學(xué)國家重點實驗室構(gòu)造物理團隊多位同事、研究生及合作者的研究成果。報告提綱研究意義及主要科學(xué)問題

斷層低速摩擦性狀與地震成核條件斷層亞失穩(wěn)特征與地震前兆機理斷層高速摩擦性狀與同震滑動機制小結(jié)及研究展望

BraceandByerlee（1966）提出斷層粘滑是地震產(chǎn)生的機制，開創(chuàng)了地震機理研究的新紀元，確立了斷層力學(xué)在地震研究中的重要地位。

巖石摩擦實驗是研究斷層力學(xué)行為與地震機理的重要手段。圍繞斷層強度、斷層滑動穩(wěn)定性已開展了大量研究，為認識地震物理過程和機制、探索地震預(yù)測提供了重要基礎(chǔ)。研究意義1.研究意義及主要科學(xué)問題Byerlee定律巖石摩擦強度與巖石圈強度剖面關(guān)于滑動穩(wěn)定性即粘滑產(chǎn)生的機制，早期主要用滑動弱化模型來解釋（如：Byerlee，1970；Rice,1980），模型無法解釋粘滑的重復(fù)發(fā)生，但至今仍廣泛應(yīng)用于震源過程模擬。突破性的進展是速率—狀態(tài)摩擦定律（Dieterich,1979；Ruina，1983）的提出，以此建立的滑動穩(wěn)定性判據(jù)可解釋粘滑的重復(fù)發(fā)生，實現(xiàn)了斷層滑動發(fā)生的地震旋回的模擬。摩擦滑動失穩(wěn)與地震旋回模擬(Barbotetal.,2012,Science)Rate-&state-dependentfriction&stability(nucleation);rateweakeningduringdynamicruptureMicroseismicity,Fieldinvestigations,PaleoseismicstudiesDeformationmonitoredbyvariousarraysofinstruments(e.g.GPS,broadbandseismometer)Fiveimportantfactorsfornumericalprediction:(1)understandthephysicalprocessandconstructequationsbasedonphysicalprinciples,

(2)abilitytonumericallysolvetheseequations,(3)knowledgeofstructuresandmaterialproperties

intheEarth,(4)boundaryconditionsandtheirvariationwithtime,(5)initialconditions.(Shietal.,2014,EarthquakeSci.)對地震數(shù)值預(yù)報而言，斷層物理力學(xué)實驗研究的意義體現(xiàn)在：理解地震斷層作用的物理過程并通過數(shù)理方程進行描述獲取地下介質(zhì)在相應(yīng)條件下的物理力學(xué)性質(zhì)地震模擬與地震數(shù)值預(yù)測主要科學(xué)問題地震機理研究需要了解斷層從準靜態(tài)到動態(tài)滑動的全過程，其中重點關(guān)注的科學(xué)問題包括：斷層滑動穩(wěn)定性與地震成核斷層失穩(wěn)預(yù)滑與地震前兆斷層失穩(wěn)過程與地震同震滑動(a-b)>0速度強化(a-b)<0速度弱化(a-b)<0速度弱化是失穩(wěn)的必要條件速率—狀態(tài)摩擦本構(gòu)關(guān)系基本公式：穩(wěn)態(tài)摩擦：失穩(wěn)準則：2.斷層低速摩擦性狀與地震成核條件巖石摩擦滑動的穩(wěn)定性取決于摩擦強度的速度依賴性，實驗研究巖石在不同條件下的摩擦本構(gòu)參數(shù)極為重要。

國際上開展了大量研究，其中最關(guān)注的是石英斷層泥和花崗巖斷層泥的研究，揭示了其速度依賴性隨環(huán)境條件的變化。構(gòu)造環(huán)境和介質(zhì)分布的多樣性要求對不同巖石在不同環(huán)境條件下的摩擦性狀進行研究。石英和花崗巖斷層泥穩(wěn)態(tài)摩擦隨溫度的變化（據(jù)Blanpiedetal.,1995)。實驗室依托自主研發(fā)的氣體介質(zhì)高溫高壓巖石摩擦實驗裝置開展了相關(guān)研究，技術(shù)指標(biāo)：正壓力~500MPa，孔隙壓力~200MPa，溫度~700oC，氣體介質(zhì)高溫高壓摩擦實驗裝置Heetal.,Tectonophysics,2006Heetal.,Tectonophyscs,2007對下地殼典型巖石輝長巖進行了研究，干燥條件下所有溫度條件下均為速度強化，而含水條件下在200~300℃出現(xiàn)了速度弱化行為，更高溫度下（400~500℃），較慢的滑動速率有利于速度弱化的出現(xiàn)。表明下地殼具備發(fā)生地震成核的條件。基性巖石低速摩擦實驗plagioclasepyroxene對主要組成礦物以及礦物組合的摩擦性質(zhì)進行了研究，揭示了了控制速度依賴性本構(gòu)參數(shù)的因素，進而分析了控制本構(gòu)參數(shù)的變形機制。Heetal.,JGR,2013對IODP大洋玄武巖摩擦系數(shù)隨溫度升高無顯著變化趨勢，而速度依賴性在300-600oC范圍內(nèi)表現(xiàn)為速度弱化行為。俯沖帶斷層強度的峰值深度分別為43km和41km，在不同的形變速率下2.2

10-13/s和8.8

10-14/s，孕震帶的深度范圍下限分別為39.4km和38.1km.。Zhangetal.,MarineGeology,2017特殊礦物對長英質(zhì)巖石摩擦的影響弱礦物黑云母在常溫下具有較低的摩擦系數(shù)，但摩擦系數(shù)隨溫度升高而升高。黑云母的摩擦速度依賴性參數(shù)a-b隨溫度升高而減小，表現(xiàn)出隨溫度升高向不穩(wěn)定轉(zhuǎn)化的趨勢。黑云母的摩擦性狀及其影響LuandHe,Tectonophysics,2014石英+云母均勻混合斷層泥摩擦系數(shù)隨云母含量增加而線性減小，而含黑云母葉理斷層泥的摩擦隨云母含量增加呈現(xiàn)冪指數(shù)減小趨勢。在葉理發(fā)育的情況下，即使少量（wt.5%）黑云母的存在也會顯著弱化斷層。含黑云母葉理斷層泥摩擦系數(shù)隨溫度增加而增加；200-600oC時為速度弱化，表明斷層的孕震帶可深入到中下地殼范圍。LuandHe,Tectonophysics,2018糜棱巖斷層泥的摩擦強度在200℃以上隨溫度增加而增加。隨溫度增加，斷層泥摩擦速度依賴性經(jīng)歷了速度強化—速度弱化—速度強化的轉(zhuǎn)換，不穩(wěn)定深度更大。富含層狀硅酸鹽礦物的糜棱巖的摩擦強度與速度依賴性ZhangandHe,JGR,2016

淺部斷層巖的摩擦強度及速度依賴性斷層泥摩擦隨粘土含量增加而降低，有機碳會顯著地弱化斷層泥的摩擦強度。富含碳酸鹽礦物斷層泥在100-150℃的溫度和較慢的滑移速率下表現(xiàn)出速度弱化行為，而富含粘土礦物斷層泥均表現(xiàn)出速度強化的摩擦行為。ZhangandHe,Tectonophysics,2013;Verberneetal.,BSSA,2010率先對基性巖的摩擦性狀開展了實驗研究，獲得了系統(tǒng)的本構(gòu)參數(shù)，為下地殼震顫和俯沖帶地震成核的模擬提供了依據(jù)。對可能影響長英質(zhì)巖石摩擦滑動性狀的特殊礦物開展了實驗研究，研究結(jié)果豐富了對地震成核條件的認識。對地殼淺部黏土類斷層泥和沉積巖的摩擦滑動性狀開展了實驗研究，可為地震模擬提供更完整的本構(gòu)參數(shù)。汶川地震斷層脆-塑性轉(zhuǎn)化帶流變結(jié)構(gòu)間震期到地震成核階段同震到震后快速蠕滑階段地震成核部位具有低強度（高孔隙壓力造成）、速度弱化的特征，斷層帶高壓流體的存在可能對地震成核起著重要作用。Hanetal.,JAsianEarthSci.,2016對于地震預(yù)測特別是短期預(yù)測，前兆現(xiàn)象是必須依賴的基礎(chǔ)。通過巖石力學(xué)實驗研究，理解前兆現(xiàn)象的物理機制，建立物理模型，預(yù)測可能產(chǎn)生的地球物理現(xiàn)象，是地震預(yù)測的基本科學(xué)方法之一（Scholz，1990）?；趲r石力學(xué)實驗建立前兆物理模型可概括為兩類：一類是基于巖石塊體的本構(gòu)關(guān)系，預(yù)測斷層周圍巖體中的性質(zhì)變化：擴容—擴散模型；另一類是基于斷層的本構(gòu)關(guān)系，預(yù)測斷層上的滑動：成核模型。強震發(fā)生與預(yù)存斷層滑動有關(guān)已成為共識，因此成核模型研究成為主流。3.斷層亞失穩(wěn)特征與地震前兆機理粘滑實驗揭示的失穩(wěn)成核現(xiàn)象（Ohnaka等，1986）成核模型的基礎(chǔ)是斷層失穩(wěn)前的預(yù)滑現(xiàn)象，摩擦實驗早已揭示出預(yù)滑及其擴展過程（Scholzetal.,1972；Dieterich,

1978）。廣為引用的成核模型如，Ohnaka（1986，1992）基于實驗結(jié)果提出了短期前兆模型，Dieterich（1986）基于速率-狀態(tài)摩擦本構(gòu)關(guān)系提出了地震成核模型?；谒俾?狀態(tài)摩擦本構(gòu)關(guān)系地震成核模型（Dieterich，1986）圍繞斷層滑動成核過程進行了很多實驗研究，涉及摩擦非均勻性的影響、成核中的聲發(fā)射活動、尾波變化、應(yīng)變和斷層位移的分布以及預(yù)滑區(qū)特征（如：馬勝利等，2002，2003；McLaskeyandKilgore，2013；McLaskeyandLockner，2014；Xieetal.,2017;宋義敏等，2012；Hedayatetal.,2015;Nielsenetal.,2010；MclaskeyandKilgore,2013；Latouretal.,2013）等?；谒俾?狀態(tài)摩擦定律和實驗結(jié)果對地震成核開展了一系列數(shù)值模擬研究（如：Dieterich,1992;CampilloandIonescu，1997；何昌榮，2000；UenishiandRice，2003；RubinandAmpuero，2005；AmpueroandRubin，2008；KanekoandAmpuero，2011），深化對成核過程的理解。成核模型存在的主要問題是，缺少明確的時間點，觀測到的變化較小或時間過短，難以應(yīng)用到實際斷層的觀測等。馬瑾等（2012，2014，2016）提出了斷層滑動亞失穩(wěn)模型：一次粘滑失穩(wěn)包含穩(wěn)態(tài)、亞穩(wěn)態(tài)、亞失穩(wěn)態(tài)和失穩(wěn)態(tài)4個階段，亞失穩(wěn)是指斷層達到應(yīng)力峰值后到動態(tài)滑動發(fā)生前的階段。亞失穩(wěn)階段由應(yīng)力由積累為主轉(zhuǎn)變?yōu)獒尫艦橹?，?biāo)志著斷層失穩(wěn)進入到不可逆階段，也是各種物理量變化顯著而又存在有效觀測時間窗口的階段，因而是觀測地震短臨前兆的關(guān)鍵階段。斷層滑動應(yīng)力積累-釋放階段劃分（馬瑾，2016）亞失穩(wěn)階段是否有獨特的物理場變化涉及是否存在短臨前兆以及野外斷層如何識別亞失穩(wěn)等關(guān)鍵問題。利用構(gòu)造變形物理場實驗系統(tǒng)開展巖石摩擦實驗，觀測應(yīng)變、斷層位移、溫度、聲發(fā)射等，揭示亞失穩(wěn)階段物理場的變化特征和機制。構(gòu)造變形物理場實驗系統(tǒng)應(yīng)力峰值前沿斷層出現(xiàn)了應(yīng)變積累和釋放區(qū)交替出現(xiàn)，亞失穩(wěn)階段應(yīng)變釋放區(qū)明顯擴展，隨后沿斷層均表現(xiàn)為應(yīng)變加速釋放。馬瑾等，地震地質(zhì),2014斷層粘滑失穩(wěn)過程中的應(yīng)變場演化峰值應(yīng)力前便出現(xiàn)了多個預(yù)滑區(qū)，亞失穩(wěn)階段斷層上預(yù)滑區(qū)擴展連通，隨后位移顯著增加，斷層整體加速預(yù)滑。卓燕群等，中國科學(xué),2013斷層粘滑失穩(wěn)過程中斷層位移演化Zhuo

et

al.,2015

斷層粘滑失穩(wěn)過程中斷層位移演化峰值應(yīng)力前斷層及周圍表現(xiàn)為溫度增加，亞失穩(wěn)斷層周圍出現(xiàn)溫度下降，進入準動態(tài)階段因斷層預(yù)滑而發(fā)生顯著的溫度上升。Renetal.,Pgeoph,

2017斷層粘滑失穩(wěn)過程中溫度場的演化失穩(wěn)前震顫式事件的優(yōu)勢頻率隨預(yù)滑加速而升高，震顫式事件的擴展與預(yù)滑區(qū)擴展具有時空上的一致性，而預(yù)滑區(qū)擴展與凹凸體破壞存在相互作用且二者形成正反饋效應(yīng)，使斷層加速向失穩(wěn)演化。Zhuoetal.,GRL,

2018震顫式事件的擴展與預(yù)滑區(qū)擴展斷層粘滑失穩(wěn)過程中的聲發(fā)射提出了斷層亞失穩(wěn)模型，在亞失穩(wěn)階段，隨著斷層應(yīng)力以積累為主轉(zhuǎn)變?yōu)橐葬尫艦橹?，斷層各部位從無序的獨立活動轉(zhuǎn)變?yōu)橛行虻膮f(xié)同化活動，且在亞失穩(wěn)階段后期表現(xiàn)為加速協(xié)同化。應(yīng)變場、斷層位移、溫度場以及微破裂在亞失穩(wěn)階段的協(xié)同化變化（顯著特征）表明，利用物理場變化識別斷層亞失穩(wěn)是有可能的，這為野外斷層地震短臨前兆提供了新思路。55m/day≈0.6mm/s1、2.5、74mm/s大震前的小震遷移(Kato等，2012)23mm/s2000-6-6(5.9)斷層應(yīng)力場演化與地震前小震遷移馬瑾等，20144.斷層高速摩擦性狀與同震滑動機制集集地震破裂過程模擬（NodaandNapusta,Nature,2013）為震源物理研究提供基礎(chǔ)和約束：動態(tài)應(yīng)力降、震源參數(shù)(EG&Dc)、能量分配、斷層強度恢復(fù)、破裂模式等。新結(jié)果和新認識：穩(wěn)定的斷層蠕滑段由于顯著動態(tài)弱化可能會造成巨大破壞(Noda&Lapusta,2013)。前人實驗結(jié)果表明，高速摩擦?xí)r各種巖石均表現(xiàn)出明顯的滑移弱化特征；斷層泥表現(xiàn)出更為顯著的滑移弱化和低摩擦強度。關(guān)于弱化機制提出了熔體潤滑、凹凸體急劇加熱、熱壓作用、納米級粉末潤滑作用、硅質(zhì)膠體潤滑作用、顆粒表面脫吸附水等機制。DiToroetal.,2011天然斷層物質(zhì)的高速摩擦形狀、本構(gòu)關(guān)系、滑移弱化的機制、流體的影響等都是需要深入研究的問題。1：伺服馬達，2：齒輪/皮帶變速系統(tǒng)，3：主加載框架，4：旋轉(zhuǎn)記錄器，5：樣品，6：圍巖鎖固裝置，7：軸壓桿穩(wěn)固平臺，8：軸壓桿，9：扭矩計，10：軸向位移計，11：推力軸承，12：軸向載荷計，13：軸壓氣缸。Maetal.,Eq.Sci.2014

實驗室建立了可模擬斷層同震滑動高速度（~m/s）、大位移（~m級）的摩擦實驗裝置。配備可加溫孔隙壓力容器，可模擬地殼深部斷層摩擦性質(zhì)。穩(wěn)態(tài)摩擦系數(shù)在斷層帶上具有較好的一致性，表現(xiàn)出顯著的滑動弱化；總體上與斷層泥的礦物成分無明顯的相關(guān)性。顯著的滑動弱化在地震過程中會極大地促進破裂的擴展。龍門山斷裂帶斷層泥樣品的高速摩擦實驗Yaoetal.,Tectonophysics,2013……高速滑動下斷層強度恢復(fù)特征Yaoetal.,JGR,2013摩擦系數(shù)在5~10s內(nèi)恢復(fù)了約0.4，強度快速恢復(fù)與溫度的快速下降相關(guān)。強度快速恢復(fù)支持地震破裂以自愈合滑動脈沖模式傳播。Yaoetal.,JGR,2013Flashtemperaturemodel(Archard,1959,Wear)Asinglecircularasperitymovingoveralargeflatsurface(semi-infinitehalf-space)

HeatinputMax.thermalenergystorageEffectiveheateddistanceFlashheatingmodel(Rice,2006,JGR)斷層面凹凸體上的應(yīng)力遠大于宏觀應(yīng)力，因此摩擦升溫更加急劇，如果凹凸體達到其弱化溫度的時間θw小于凹凸體的存在時間θ，就會在一部分的接觸時間內(nèi)處于弱化狀態(tài)，微觀凹凸體的總體效應(yīng)引起斷層表現(xiàn)為宏觀的滑動弱化(Rice,1999,AGUAbs.;Rice,2006,JGR;Beeleretal.,2008,JGR)。

Typically~0.1m/sforbarerocksurface

同震滑動弱化的主導(dǎo)機制—Flash

Heating

同震滑移弱化的主導(dǎo)機制—Flash

Heating

Yaoetal.,Geology,2016隨圍巖熱導(dǎo)率減小，斷層弱化速度明顯加快；含黏土礦物時弱化更明顯，表明也存在熱壓作用導(dǎo)致的弱化。圍巖熱傳導(dǎo)率對斷層泥高速摩擦的影響隨圍巖熱導(dǎo)率降低，斷層泥弱化更顯著，強度恢復(fù)更迅速。斷層泥厚度演化也受熱導(dǎo)率影響，這可能是熱-化學(xué)壓力作用的證據(jù)。溫度/熱弱化對高速滑動弱化的貢獻很大。Yaoetal.,Geology,2016滑動帶內(nèi)緊鄰旋轉(zhuǎn)端圍巖100微米變形帶內(nèi)的溫度與穩(wěn)態(tài)摩擦系數(shù)的關(guān)系Yaoetal.,Geology,2016溫度測量和計算表明斷層帶中由摩擦生熱導(dǎo)致的快速升溫在滑動弱化中起著主導(dǎo)作用。用考慮了斷層面溫度變化和斷層泥影響的凹凸體急劇加熱模型（Plattetal.，2014)，可以很好地解釋實驗結(jié)果。納米顆粒在高速滑動時的弱化程度與圍巖的熱導(dǎo)率成反比，納米顆粒的滾動潤滑機制并不明顯。納米顆粒的滾動潤滑作用不明顯Yaoetal.,GRL,2016不同熱傳導(dǎo)率圍巖對納米顆粒高速摩擦的影響納米顆粒的滾動潤滑機制并非高速滑動弱化的主要機制，溫度依然是斷層弱化的必要條件。Yaoetal.,GRL,2016測量和計算表明，納米顆粒高速摩擦實驗中，斷層帶的溫度與圍巖的熱導(dǎo)率成反比，表明滑動弱化依然受溫度控制。水對高速摩擦強度的影響Togoetal.,JGR,2016干燥條件穩(wěn)態(tài)摩擦系數(shù)0.12~0.21，含水條件下降至0.02~0.15。干燥和含水時的平均摩擦系數(shù)處于根據(jù)鉆孔測溫剖面估算的摩擦系數(shù)上下限之間。含水條件下斷層動態(tài)強度及弱化機制摩擦增熱T↑

Pp

↑

Pe↓

摩擦

↓

EnergyconservationFluidmassconservation熱增壓作用是熱傳導(dǎo)與流體擴散相互耦合的物理過程，只有升溫增壓效應(yīng)超過了因滲流和剪切擴容造成的擴散效應(yīng)，孔隙壓力才會增大。因此，滑動帶的滲透率和寬度是熱壓作用重要的影響因素。(Wibberley&Shimamoto,2005,Nature)測量斷層帶的滲透性質(zhì)并計算TP(Wibberley&Shimamoto,2005,Nature)熱壓作用機制高速滑動中伴隨斷層的快速弱化，斷層溫度迅速增加，隨后出現(xiàn)了溫度平臺。實驗中出現(xiàn)了水的汽化作用，這種作用促進了同震熱壓，同時抑制了溫度的上升。Chenetal.,GRL,2017水的汽化作用對高速摩擦的影響流體汽化導(dǎo)致孔隙壓力增加，而吸熱作用抑制了溫度