俯冲带蛇纹石矿物摩擦滑动特性实验研究

Recent discovery of slow slip and tremor in subduction zone has caused extensive concerns. The study of slow slip and tremor provides a window into deep roots of subduction zone for us to understand its mechanical properties. However, the physics of slow slip and tremor are still enigmatic. Newly-progress in research indicates that slow slip and tremor may come from an unstable frictional slip phenomenon, which is different from normal earthquake. According to seismology observation, slow slip and tremor mostly originate from the seismic-aseismic transition zone on the megathrust fault in subduction zone, meanwhile, a series of solid evidences indicate that such transition zone is characterized by high pore pressure. The pore fluid is from the dehydration of hydrous minerals in the subduction slab and leads to pervasive serpentinization of ultramafic rock in mantle wedge corner which lowers its surrounding permeability and causes over-pressured fluid trapped in the subduction interface. Based on above assumptions, we plan to study frictional properties of serpentine minerals under conditions of actual tectonic-loading environment in subduction zone to reveal the physical process of slow slip and tremor.

近年来在俯冲带之上观测到的慢滑移和震颤现象引起了人们的广泛关注。对慢滑移和震颤现象的观测和研究为我们了解俯冲带深部的力学性质打开了一扇窗户，然而慢滑移和震颤的物理过程和机制至今依然是一个谜题。目前的研究表明慢滑移和震颤很可能是俯冲板块之上不同于常规地震的不稳定滑移现象。观测发现慢滑移和震颤的发生区域通常位于俯冲带深部地震活动性转变区域（由地震成核区域向无震蠕滑转变），同时一系列的证据显示该区域可能含有高压流体，而高压流体的产生与俯冲带上覆板块地幔楔的蛇纹岩化过程有关。总之目前证据表明在慢滑移和震颤的发生区域内可能含有大量蛇纹石矿物以及高压流体。基于以上认识我们计划通过模拟俯冲带的构造加载环境对蛇纹石矿物摩擦特性进行实验研究从而来探索慢滑移和震颤的物理过程和产生机制。

随着俯冲带地震观测手段的进步,在俯冲带地幔楔附近发现有大量的慢地震和振颤现象，包括非火山的低频震颤，低频地震，极低频地震和慢滑移。由于俯冲板片在俯冲过程中的脱水反应所造成的地幔楔附近基性岩石的蛇纹岩化会形成大量的蛇纹石矿物，主要产物为叶蛇纹石。因此开展叶蛇纹石矿物的剪切摩擦实验研究是目前探索慢滑移及震颤现象的一个直观和基本的手段。为了探讨在俯冲带构造加载环境中（高压流体条件）叶蛇纹石矿物的摩擦力学性质，我们使用叶蛇纹石作为实验样品，开展了水热条件下的摩擦滑动实验研究。实验中的有效正应力分别为30MPa，50MPa和100MPa，孔隙流体压力为100MPa，温度范围为100~500℃。为探讨孔隙流体压力的影响，我们同时开展了30MPa有效正压力和30MPa孔隙流体压力条件下的对比实验研究。实验结果发现在实验温度范围内叶蛇纹石的摩擦强度系数随着温度的升高表现出系统的降低趋势。随着实验范围内有效正压力的提高，叶蛇纹石的摩擦强度系数也随之降低。在实验温度高于300℃的条件下，叶蛇纹石的摩擦强度表现出显著的位移弱化现象。与此同时，在30-50MPa有效正压力条件下，叶蛇纹石在300℃和0.04μm/s的加载速率下均表现出慢粘滑现象，而在100℃-200℃以及400℃-500℃的温度条件下表现为速度强化。当有效正压力升高到100MPa时，慢粘滑现象消失。通过微观剪切构造观察，我们发现叶蛇纹石在实验温度和压力条件下的剪切变形主要是脆性的碎裂流动（粒度降低）和粒间的压溶过程。通过实验结果的系统分析，我们发现叶蛇纹石的不稳定摩擦滑动的温度范围为300-400℃，较低的有效正压力和较低的构造加载速率环境。实验表明在俯冲带地幔楔附近的高压流体条件和低有效正压力环境下，叶蛇纹石矿物的存在可以促成慢滑移现象，但是其背后的物理机制与前人已有的认知(不稳定的摩擦滑动由叶蛇纹石脱水过程所控制)不同。这为我们探讨俯冲带慢滑移现象的物理过程和机制提供了新的思路。