富含黑云母断层岩碎屑在热水条件下的摩擦滑动性质和弱断层的矿物根源研究

In order to investigate the origin of compositionally-weak fault and the mechanical behavior of fault zone composed of biotite-rich rocks in general, this study plans to perform frictional sliding experiments on biotite and biotite-quartz mixture gouges that are chemically stable at depth up to mid-crust under hydrothermal conditions. For the first time we will obtain coefficient of friction and sliding stability as functions of temperature; Also, the texture of biotite-quartz mixture that leads to the lowest strength will be explored through experiments, which will provide a data basis for discussions on compositionally-weak fault. Deformed samples will be observed with optical microscope and SEM to properly describe the texture; and the mechanical data will be analyzed based on the rate and state dependent friction constitutive relation to examine the possibility of seismic slip nucleation at specific depths.

为了探讨弱断层的矿物根源以及含黑云母断层带的一般力学性质，本研究拟在热水条件下对深达中地壳的温度条件下能够稳定存在的黑云母以及黑云母-石英混合物碎屑进行剪切滑动实验研究，并将首次得到黑云母在高温高压条件下的摩擦系数随温度的变化以及滑动稳定性随温度的变化规律；同时探索黑云母-石英混合时可最大限度降低摩擦强度的矿物分布结构类型，为弱断层的矿物根源提供实验依据。样品结构将采用光学显微镜和扫描电镜（SEM）进行分析，以达到对结构的正确描述；同时，将基于速度及状态依赖性摩擦本构关系对力学数据进行分析，界定在深部的特定温度条件下是否在断层带上产生地震成核。

弱断层的成因是一个热门的问题，而 黑云母是自然界中常见的层状硅酸盐矿物。已有室温条件下的摩擦实验结果显示其具有低的摩擦强度。黑云母的熔融实验结果显示，其可以稳定存在的温度范围很广， 至少在 700°C以内可以稳定存在 ，并且常常出现在断层岩中，因此对黑云母在高温、含水条件下摩擦性质的研究有助于理解弱断层成因、 深部的变形机制、宏观力学行为以及地震活动。 在上述背景下，本次工作选取黑云母和黑云母-石英混合断层泥样品为研究对象， 在从低温到高温的温度范围内，分别对纯黑云母样品和黑云母-石英混合样品的摩擦性质进行了实验研究。实验结果简述如下。..黑云母单矿物断层泥. 摩擦系数： ~0.25 到~0.44 （温度25°C-600°C）， 随温度增加而增加； . 速度依赖性(a-b值)：速度强化（ 25°C-200°C）；速度弱化（300°C-600°C）..含黑云母结构层(夹层)样品. 摩擦系数： ~0.4 到~0.6 （温度25°C-600°C）,随温度增加而增加； . 速度依赖性(a-b值)：速度强化（ 25°C-200°C）；速度弱化（200°C-600°C）. 速度弱化向强化转化点:（600°C，正压力230MPa，位移>2.3mm）..黑云母-石英均匀混合样品. 摩擦系数：0.6-0.7 （温度25°C-600°C）,随温度增加微弱升高； . 速度依赖性：速度强化（100°C，300-600°C， 速率1.22-0.244μm/s). 速度弱化（200°C、400°C-600°C，速率0.244-0.0488μm/s）。. . 含结构面样品的剪切变形主要集中在所夹的黑云母结构面中，其中可见 R1、P、Y 和 B 剪切面广泛发育。 黑云母结构面两侧的石英也发生了很大程度的颗粒减小。在 500°C和600°C的高温条件下，两侧石英层中也在局部可见有 R1 剪切面的发育，说明石英在高温下逐渐参与并最终在600°C和较高压力下控制了剪切变形。 . 将黑云母的摩擦滑动特征应用于断层，发现其摩擦系数并不能用来解释圣安德烈斯断层的低强度性质，还需要有超静水压的作用。 孔隙压为 2.2 倍静水压时，黑云母在断层带中的富集连通可能会引起中地壳深度范围内的不稳定滑动，造成小震或震颤，而且使地震成核深度向中地壳范围下移。