斷層力學(xué)與地震機(jī)理

斷層力學(xué)與地震機(jī)理——實(shí)驗(yàn)研究的若干進(jìn)展馬勝利中國(guó)地震局地質(zhì)研究所地震動(dòng)力學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室致謝報(bào)告內(nèi)容取自地震動(dòng)力學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室構(gòu)造物理團(tuán)隊(duì)多位同事、研究生及合作者的研究成果。報(bào)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(jī)理斷層高速摩擦性狀與同震滑動(dòng)機(jī)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(jī)制，開創(chuàng)了地震機(jī)理研究的新紀(jì)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(shí)驗(yàn)是研究斷層力學(xué)行為與地震機(jī)理的重要手段。圍繞斷層強(qiáng)度、斷層滑動(dòng)穩(wěn)定性已開展了大量研究，為認(rèn)識(shí)地震物理過程和機(jī)制、探索地震預(yù)測(cè)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(qiáng)度與巖石圈強(qiáng)度剖面關(guān)于滑動(dòng)穩(wěn)定性即粘滑產(chǎn)生的機(jī)制，早期主要用滑動(dòng)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(jìn)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(dòng)穩(wěn)定性判據(jù)可解釋粘滑的重復(fù)發(fā)生，實(shí)現(xiàn)了斷層滑動(dòng)發(fā)生的地震旋回的模擬。摩擦滑動(dòng)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(duì)地震數(shù)值預(yù)報(bào)而言，斷層物理力學(xué)實(shí)驗(yàn)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(jìn)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(cè)主要科學(xué)問題地震機(jī)理研究需要了解斷層從準(zhǔn)靜態(tài)到動(dòng)態(tài)滑動(dòng)的全過程，其中重點(diǎn)關(guān)注的科學(xué)問題包括：斷層滑動(dòng)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(dòng)(a-b)>0速度強(qiáng)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(zhǔn)則：2.斷層低速摩擦性狀與地震成核條件巖石摩擦滑動(dòng)的穩(wěn)定性取決于摩擦強(qiáng)度的速度依賴性，實(shí)驗(yàn)研究巖石在不同條件下的摩擦本構(gòu)參數(shù)極為重要。

國(guó)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(duì)不同巖石在不同環(huán)境條件下的摩擦性狀進(jìn)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(shí)驗(yàn)室依托自主研發(fā)的氣體介質(zhì)高溫高壓巖石摩擦實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)裝置Heetal.,Tectonophysics,2006Heetal.,Tectonophyscs,2007對(duì)下地殼典型巖石輝長(zhǎng)巖進(jìn)行了研究，干燥條件下所有溫度條件下均為速度強(qiáng)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(dòng)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?；詭r石低速摩擦實(shí)驗(yàn)plagioclasepyroxene對(duì)主要組成礦物以及礦物組合的摩擦性質(zhì)進(jìn)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(jìn)而分析了控制本構(gòu)參數(shù)的變形機(jī)制。Heetal.,JGR,2013對(duì)IODP大洋玄武巖摩擦系數(shù)隨溫度升高無顯著變化趨勢(shì)，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(qiáng)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(duì)長(zhǎng)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(shì)。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(shì)。在葉理發(fā)育的情況下，即使少量（wt.5%）黑云母的存在也會(huì)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(shí)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(qiáng)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(qiáng)化—速度弱化—速度強(qiáng)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(qiáng)度與速度依賴性ZhangandHe,JGR,2016

淺部斷層巖的摩擦強(qiáng)度及速度依賴性斷層泥摩擦隨粘土含量增加而降低，有機(jī)碳會(huì)顯著地弱化斷層泥的摩擦強(qiáng)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(qiáng)化的摩擦行為。ZhangandHe,Tectonophysics,2013;Verberneetal.,BSSA,2010率先對(duì)基性巖的摩擦性狀開展了實(shí)驗(yàn)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(duì)可能影響長(zhǎng)英質(zhì)巖石摩擦滑動(dòng)性狀的特殊礦物開展了實(shí)驗(yàn)研究，研究結(jié)果豐富了對(duì)地震成核條件的認(rèn)識(shí)。對(duì)地殼淺部黏土類斷層泥和沉積巖的摩擦滑動(dòng)性狀開展了實(shí)驗(yàn)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(qiáng)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(duì)地震成核起著重要作用。Hanetal.,JAsianEarthSci.,2016對(duì)于地震預(yù)測(cè)特別是短期預(yù)測(cè)，前兆現(xiàn)象是必須依賴的基礎(chǔ)。通過巖石力學(xué)實(shí)驗(yàn)研究，理解前兆現(xiàn)象的物理機(jī)制，建立物理模型，預(yù)測(cè)可能產(chǎn)生的地球物理現(xiàn)象，是地震預(yù)測(cè)的基本科學(xué)方法之一（Scholz，1990）?；趲r石力學(xué)實(shí)驗(yàn)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(cè)斷層周圍巖體中的性質(zhì)變化：擴(kuò)容—擴(kuò)散模型；另一類是基于斷層的本構(gòu)關(guān)系，預(yù)測(cè)斷層上的滑動(dòng)：成核模型。強(qiáng)震發(fā)生與預(yù)存斷層滑動(dòng)有關(guān)已成為共識(shí)，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(jī)理粘滑實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)早已揭示出預(yù)滑及其擴(kuò)展過程（Scholzetal.,1972；Dieterich,

1978）。廣為引用的成核模型如，Ohnaka（1986，1992）基于實(shí)驗(yàn)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(dòng)成核過程進(jìn)行了很多實(shí)驗(yàn)研究，涉及摩擦非均勻性的影響、成核中的聲發(fā)射活動(dòng)、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。基于速率-狀態(tài)摩擦定律和實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)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(duì)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(shí)間點(diǎn)，觀測(cè)到的變化較小或時(shí)間過短，難以應(yīng)用到實(shí)際斷層的觀測(cè)等。馬瑾等（2012，2014，2016）提出了斷層滑動(dòng)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(gè)階段，亞失穩(wěn)是指斷層達(dá)到應(yīng)力峰值后到動(dòng)態(tài)滑動(dòng)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)獒尫艦橹鳎瑯?biāo)志著斷層失穩(wěn)進(jìn)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(cè)時(shí)間窗口的階段，因而是觀測(cè)地震短臨前兆的關(guān)鍵階段。斷層滑動(dòng)應(yīng)力積累-釋放階段劃分（馬瑾，2016）亞失穩(wěn)階段是否有獨(dú)特的物理場(chǎng)變化涉及是否存在短臨前兆以及野外斷層如何識(shí)別亞失穩(wěn)等關(guān)鍵問題。利用構(gòu)造變形物理場(chǎng)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)開展巖石摩擦實(shí)驗(yàn)，觀測(cè)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(chǎng)的變化特征和機(jī)制。構(gòu)造變形物理場(chǎng)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)應(yīng)力峰值前沿?cái)鄬映霈F(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(kuò)展，隨后沿?cái)鄬泳憩F(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(chǎng)演化峰值應(yīng)力前便出現(xiàn)了多個(gè)預(yù)滑區(qū)，亞失穩(wěn)階段斷層上預(yù)滑區(qū)擴(kuò)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(guó)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(jìn)入準(zhǔn)動(dòng)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(chǎng)的演化失穩(wěn)前震顫式事件的優(yōu)勢(shì)頻率隨預(yù)滑加速而升高，震顫式事件的擴(kuò)展與預(yù)滑區(qū)擴(kuò)展具有時(shí)空上的一致性，而預(yù)滑區(qū)擴(kuò)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(kuò)展與預(yù)滑區(qū)擴(kuò)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(dú)立活動(dòng)轉(zhuǎn)變?yōu)橛行虻膮f(xié)同化活動(dòng)，且在亞失穩(wěn)階段后期表現(xiàn)為加速協(xié)同化。應(yīng)變場(chǎng)、斷層位移、溫度場(chǎng)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(chǎng)變化識(shí)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(chǎng)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(dòng)機(jī)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(dòng)態(tài)應(yīng)力降、震源參數(shù)(EG&Dc)、能量分配、斷層強(qiáng)度恢復(fù)、破裂模式等。新結(jié)果和新認(rèn)識(shí)：穩(wěn)定的斷層蠕滑段由于顯著動(dòng)態(tài)弱化可能會(huì)造成巨大破壞(Noda&Lapusta,2013)。前人實(shí)驗(yàn)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(qiáng)度。關(guān)于弱化機(jī)制提出了熔體潤(rùn)滑、凹凸體急劇加熱、熱壓作用、納米級(jí)粉末潤(rùn)滑作用、硅質(zhì)膠體潤(rùn)滑作用、顆粒表面脫吸附水等機(jī)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(jī)制、流體的影響等都是需要深入研究的問題。1：伺服馬達(dá)，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(tái)，8：軸壓桿，9：扭矩計(jì)，10：軸向位移計(jì)，11：推力軸承，12：軸向載荷計(jì)，13：軸壓氣缸。Maetal.,Eq.Sci.2014

實(shí)驗(yàn)室建立了可模擬斷層同震滑動(dòng)高速度（~m/s）、大位移（~m級(jí)）的摩擦實(shí)驗(yàn)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(dòng)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(dòng)弱化在地震過程中會(huì)極大地促進(jìn)破裂的擴(kuò)展。龍門山斷裂帶斷層泥樣品的高速摩擦實(shí)驗(yàn)Yaoetal.,Tectonophysics,2013……高速滑動(dòng)下斷層強(qiáng)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(qiáng)度快速恢復(fù)與溫度的快速下降相關(guān)。強(qiáng)度快速恢復(fù)支持地震破裂以自愈合滑動(dòng)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(yuǎn)大于宏觀應(yīng)力，因此摩擦升溫更加急劇，如果凹凸體達(dá)到其弱化溫度的時(shí)間θw小于凹凸體的存在時(shí)間θ，就會(huì)在一部分的接觸時(shí)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(dòng)弱化(Rice,1999,AGUAbs.;Rice,2006,JGR;Beeleretal.,2008,JGR)。

Typically~0.1m/sforbarerocksurface

同震滑動(dòng)弱化的主導(dǎo)機(jī)制—Flash

Heating

同震滑移弱化的主導(dǎo)機(jī)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(shí)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(duì)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(qiáng)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(duì)高速滑動(dòng)弱化的貢獻(xiàn)很大。Yaoetal.,Geology,2016滑動(dòng)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(cè)量和計(jì)算表明斷層帶中由摩擦生熱導(dǎo)致的快速升溫在滑動(dòng)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(shí)驗(yàn)結(jié)果。納米顆粒在高速滑動(dòng)時(shí)的弱化程度與圍巖的熱導(dǎo)率成反比，納米顆粒的滾動(dòng)潤(rùn)滑機(jī)制并不明顯。納米顆粒的滾動(dòng)潤(rùn)滑作用不明顯Yaoetal.,GRL,2016不同熱傳導(dǎo)率圍巖對(duì)納米顆粒高速摩擦的影響納米顆粒的滾動(dòng)潤(rùn)滑機(jī)制并非高速滑動(dòng)弱化的主要機(jī)制，溫度依然是斷層弱化的必要條件。Yaoetal.,GRL,2016測(cè)量和計(jì)算表明，納米顆粒高速摩擦實(shí)驗(yàn)中，斷層帶的溫度與圍巖的熱導(dǎo)率成反比，表明滑動(dòng)弱化依然受溫度控制。水對(duì)高速摩擦強(qiáng)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(shí)的平均摩擦系數(shù)處于根據(jù)鉆孔測(cè)溫剖面估算的摩擦系數(shù)上下限之間。含水條件下斷層動(dòng)態(tài)強(qiáng)度及弱化機(jī)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(kuò)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(kuò)容造成的擴(kuò)散效應(yīng)，孔隙壓力才會(huì)增大。因此，滑動(dòng)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(cè)量斷層帶的滲透性質(zhì)并計(jì)算TP(Wibberley&Shimamoto,2005,Nature)熱壓作用機(jī)制高速滑動(dòng)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(tái)。實(shí)驗(yàn)中出現(xiàn)了水的汽化作用，這種作用促進(jìn)了同震熱壓，同時(shí)抑制了溫度的上升。Chenetal.,GRL,2017水的汽化作用對(duì)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