富层状硅酸盐糜棱岩在水热条件下的摩擦滑动特性及地震成核条件

Recent researches of natural fault zones reveal that phyllosilicates are rich in many fault mylonites. But the effects of frictional properties of such phyllosilicate-rich mylonites on mechanical faulting behaviour have not been studied systematically. Based on previous work, this research will first try to understand the tectonic evolution of the Longmenshan fault zone with mylonite developed through field work and in the same time collect mylonite samples for experiments and analyses. Friction experiments of mylonite will be conducted under hydrothermal conditions to obtain systematic data of frictional strength and rate dependence（a-b）as a function of temperature, pressure and strain rate. Meanwhile, a new sample assemblage will be designed to research the effects of pre-existing foliations of mylonite on its frictional properties. After shearing experiments, the microstructure of deformed samples will be analyzed with SEM, electronic probe and TEM to determine the deformation processes and mechanisms in mylonite gouge during shearing. A new fault model will be proposed based on the result of mylonite and its comparison with previous results of granite and gabbro. This model will be used to constrain the strength profile of Longmenshan fault zone, discuss the condition and mechanisms of earthquake nucleation and also provide data for numerical simulation of earthquake cycles.

最新的野外断层带研究发现很多断层糜棱岩中富含层状硅酸盐矿物。但有关此类断层糜棱岩的摩擦滑动特性对于断层动力学性质的影响的研究迄今为止还未系统地展开。本研究将在前人的工作基础上通过龙门山断裂带的野外工作了解发育糜棱岩断层带的构造活动史，并采集糜棱岩样品进行实验和分析。通过开展富层状硅酸盐糜棱岩在水热条件下的摩擦滑动实验，得到摩擦强度和摩擦滑动速度依赖性参数（a-b）随温度、压力和形变速率的变化。于此同时，设计不同的装样方式对糜棱岩中先存定向组构对于摩擦滑动特性的影响进行研究。对实验变形后样品使用电子扫描电镜、电子探针和透射电镜进行微观变形构造分析，确定糜棱岩断层泥的变形过程和机制。在与前人花岗岩和辉长岩的实验结果进行对比的基础上，依据糜棱岩实验结果和变形机制的研究提出新的断层动力学模型，以此约束龙门山断裂带深部的强度剖面；探讨断层上的地震成核条件和机制，为地震过程模拟提供实验数据。

目前普遍认为大部分地震是发生在先存断层之上的摩擦失稳过程，因此开展断层岩石摩擦实验可以研究间震期（地震孕育期）断层的动力学特性随温度和压力的变化，约束地壳断层的强度以及解释地震成核机制。本研究主要有两个出发点：（1）对野外断层带研究发现天然断层岩石与地壳深部的沉积变质岩和结晶岩（花岗岩和辉长岩）在矿物成分以及岩石组构上都有着显著的差异，预示着断层岩石在断层动力学研究中可能具有与已知数据不同的力学性质。因此为了很好地把握地震孕育深度范围内的真实岩石的力学性质，目前糜棱岩的摩擦滑动实验亟待展开；（2）玄武岩作为洋壳之上的重要组成部分，其在俯冲过程中会随着洋壳俯冲带大陆地壳之下。随着近年来地震观测技术的发展和进步，我们对于俯冲带之上的地震成核范围和周期以及最近发现的慢滑移和震颤有了更加深入的研究。因此在实验领域层状硅酸盐矿物的实验研究之外，对于洋壳玄武岩摩擦力学性质的实验研究是否可以使我们更加全面的理解俯冲带之上的地震活动性和复杂地震现象，比如慢滑移以及震颤。. 糜棱岩实验结果表明糜棱岩在低温下表现为稳定的无震蠕滑行为（速度强化a-b>0）而当温度升高到~250°C时其表现出不稳定的粘滑行为（速度弱化a-b<0），这意味着随温度的升高会导致断层上地震成核的产生。在>300°C的温度条件下, 有效压力的大小会显著的影响糜棱岩的滑动稳定性，有效正压力增大会促进断层由不稳定的速度弱化向稳定速度强化的转变，根据这一发现我们提出了“有效压力控制的地震周期”模型。. 玄武岩的实验结果表明在低温100-200°C条件下，玄武岩表现出稳定的速度强化的摩擦滑动，而当温度增加到300°C之上时表现出周期性的粘滑行为。其中特征滑移距离dc值的突然减小是形成不稳定滑移的主要原因。基于实验结果，我们讨论了俯冲带的断层强度剖面和地震成核范围，所得到的马尼拉俯冲带地震的成核范围与地震观测的结果相吻合。