何昌榮 羅 麗

1）中國地震局地質(zhì)研究所，地震動力學國家重點實驗室，北京 100029

2）江西省地震局，南昌 330039

為了深入研究輝長巖摩擦滑動的力學機制，近年來我們對輝長巖的兩類主要礦物斜長石和輝石分別進行了實驗研究，并發(fā)現(xiàn)這兩種礦物在熱水條件下的高溫段（400～600 °C）都出現(xiàn)了強烈的速度弱化。本文針對這種在以往摩擦滑動研究中不常見的速度弱化行為進行了物理化學機制的深入探討。

對摩擦滑動強度的直接速度響應（速率與狀態(tài)本構律中的a值）和狀態(tài)演化效應（速率與狀態(tài)本構律中的b值）的流變學考察表明，穩(wěn)態(tài)速度依賴性（a-b）的絕對值通常不會很大，其上限值約為10-2?；诖耍霈F(xiàn)在400～600 °C, 超臨界水條件下（孔隙水壓為30 MPa）的強烈速度弱化必然在摩擦滑動中其接觸點的變形機制上出現(xiàn)了重要的變化。為此，我們理論推導了接觸點的壓溶作用與摩擦狀態(tài)演化效應的關系，得出的b值如下：

其中，下標PS代表顆粒間壓溶過程，S2=RT/Vm；R為氣體常數(shù)；T為溫度（K）；Vm為物質(zhì)的摩爾體積，τr為真實剪應力；σy為強度高限。這一結(jié)果是以以下列粒狀物質(zhì)的壓溶速率與真實應力的關系為基礎，通過考慮壓溶過程中的幾何關系而得到的。其中 可表示體應變速率或者單軸壓縮時的應變速率，下標x分別代表溶解（s）、析出（p）和邊界流體擴散控制機制（d），Ax為幾何常數(shù)，Zx(T)為各機制下與溫度相關的常數(shù)；fx(φ)與各控制機制相對應的孔隙度的函數(shù)（單軸壓縮時表示軸向應變的函數(shù)）； Vm為摩爾體積；d為顆粒直徑；q為與控制機制有關的粒度指數(shù)，邊界流體擴撒控制時為3；其他情況為1。

方程（2）通常用來描述壓密型蠕變，而在斷層泥持續(xù)剪切錯動時，顆粒材料處于體積基本不變，即體積壓縮處于停滯狀態(tài)，因此，fx(φ)可視為常數(shù)。對于給定的溫度和孔隙度，用 Cx替代這些常數(shù)的乘積（這里字母C用來表示常數(shù)），公式（2）可寫成如下簡潔形式

根據(jù)微壓痕硬度測試結(jié)果，對透輝石接觸點的真實應力進行了估算（3.44～3.79 GPa），取τr/σy=0.74（斜長石及輝石摩擦強度平均值，可知b值的變化范圍為1.4～2.1×10-2；由于斜長石在微硬度測試時表現(xiàn)為脆性破裂，因此，接觸點的應力受控于破裂強度，可用0.2 G來進行估算，其中G為剪切模量。同樣，由壓溶機制引起的斜長石的bPS值為1.45～1.88×10-2。因此，兩種礦物由于壓溶過程引起的狀態(tài)演化效應參數(shù)bPS與實驗得到的量級相當。

以上結(jié)果表明，斜長石和輝石所表現(xiàn)的強烈速度弱化滑動行為是由于a值變化不大的情況下（接觸點流變性質(zhì)變化不大），狀態(tài)演化參數(shù) b值則由于壓溶作用大大增強，導致了強烈的速度弱化。因此，在深部的特定條件下，尤其在超臨界水條件下，水-巖相互作用可以成為不穩(wěn)定構造活動的控制機制。