馬勝利 姚 路 嶋本利彥 東郷徹宏侯林鋒 王 羽

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)日本產(chǎn)業(yè)技術(shù)綜合研究所，日本筑波 305－8567

3)浙江省地震局，杭州 310013

4)中國科學院上海技術(shù)物理研究所，上海 200083

0 引言

巖石摩擦實驗是斷層力學和震源物理實驗研究中的主要手段之一。Brace等(1966)基于巖石摩擦實驗提出斷層的粘滑可作為一種地震機制，開創(chuàng)了地震機制研究的新紀元?；诖罅總鹘y(tǒng)低速率巖石摩擦實驗結(jié)果得到的拜爾利定律(Byerlee，1978)，為建立巖石圈強度結(jié)構(gòu)提供了重要約束，而在此基礎(chǔ)上進一步建立的速率－狀態(tài)變量摩擦本構(gòu)關(guān)系(Dieterich，1979;Ruina，1983)，則成為研究斷層滑動穩(wěn)定性與地震成核等問題的重要基礎(chǔ)。因此，國內(nèi)外學者圍繞巖石低速摩擦滑動開展了大量研究，取得了豐碩的成果。地震動力學國家重點實驗室的主要創(chuàng)建者馬瑾院士在國內(nèi)率先系統(tǒng)開展了巖石摩擦實驗(Ma et al.，1987)，并組織領(lǐng)導實驗室發(fā)展巖石摩擦實驗技術(shù)。實驗室先后建成了可開展中尺度巖石摩擦的雙軸摩擦實驗裝置和氣體介質(zhì)高溫高壓摩擦裝置，并分別在斷層滑動失穩(wěn)與物理場演化(Ma et al.，2001，2002，2003;Zhuo et al.，2013)、中下地殼巖石摩擦性狀(He et al.，2006，2007，2013;Lu et al.，2014)方面取得了一系列成果。最近20年來，隨著實驗技術(shù)的發(fā)展，用于模擬斷層同震動態(tài)滑動的巖石高速摩擦實驗得以迅速發(fā)展(Shimamoto et al.，1994;Goldsby et al.，2002)，并取得了大量實驗成果(Di et al.，2011;姚路等，2013)。這種新的實驗模擬方法為實驗室模擬地震提供了可能(Shimamoto et al.，2012)，相應(yīng)的研究成果對于認識和評估斷層同震弱化機制、斷層帶強度、地震能量分配、斷層破裂模式和斷層愈合等問題均具有重要的啟示。鑒于高速摩擦實驗對斷層與地震力學研究的重要性，近年來，地震動力學國家重點實驗室建設(shè)了巖石高速摩擦實驗裝置，并結(jié)合汶川地震斷層帶力學性質(zhì)研究，對龍門山斷裂帶斷層泥開展了一系列高速摩擦實驗。本文簡述實驗室在此方面的主要進展，并基于對實驗裝置現(xiàn)狀和現(xiàn)有成果的分析，展望進一步的研究工作。

1 旋轉(zhuǎn)剪切低速－高速摩擦實驗裝置

國際上已有十多個實驗室先后建立了巖石高速摩擦實驗裝置，地震動力學國家重點實驗室于2010年建立了由Shimamoto設(shè)計、日本Marui公司研制加工的旋轉(zhuǎn)剪切低速－高速摩擦實驗裝置，關(guān)于該裝置的技術(shù)細節(jié)以及與國際同類設(shè)備的對比，已有專文報道(Ma et al.，2014)，本文僅簡單介紹裝置的基本組成和性能。

旋轉(zhuǎn)剪切低速－高速摩擦實驗裝置如圖1所示。該裝置主要包括伺服馬達系統(tǒng)、變速系統(tǒng)、軸壓加載系統(tǒng)、孔隙水壓系統(tǒng)、控制測量系統(tǒng)以及數(shù)據(jù)采集記錄系統(tǒng)等(圖1b)。實驗主機高3.2m，22kW的伺服馬達(扭矩可達14Nm)和齒輪/皮帶變速箱安裝于機身頂部;旋轉(zhuǎn)記錄器通過同步皮帶輪與主旋轉(zhuǎn)軸相連，記錄轉(zhuǎn)速、累積轉(zhuǎn)數(shù)和旋轉(zhuǎn)角;軸向載荷通過一個最高達10kN的氣缸自底部向上施加，氣體的高壓縮性可以保證軸壓桿在樣品壓縮或擴容時實時響應(yīng)，使得正應(yīng)力的波動范圍為1%～2%;扭矩計由懸臂和一對載荷傳感器組成，其中懸臂的中心通過一個滾珠花鍵同軸壓桿相連(圖2a)，軸壓桿下部又通過一個推力軸承與軸壓缸相連，由此實驗過程中樣品的摩擦力扭矩經(jīng)過軸壓桿傳遞到扭矩計上進行測量;樣品的軸向縮短或擴容可以由底部的軸向位移計進行精確檢測。所有觀測物理量的采集記錄均由一個32通道的通用記錄器來完成。

旋轉(zhuǎn)剪切低速－高速摩擦實驗裝置最重要的特征是具有寬廣的滑動速率范圍，它是通過伺服馬達和齒輪/皮帶變速系統(tǒng)來實現(xiàn)的。伺服馬達轉(zhuǎn)速1～1 500rpm，齒輪/皮帶變速系統(tǒng)有3個速率設(shè)置范圍，系統(tǒng)包括一個中心主轉(zhuǎn)軸和4個變速輔助轉(zhuǎn)軸(圖2b)，其中后排3個輔助轉(zhuǎn)軸中的左轉(zhuǎn)軸和中心轉(zhuǎn)軸分別裝配有降齒比為200︰1和375︰1的減速齒輪箱。這些旋轉(zhuǎn)軸通過皮帶或齒輪相連，并通過5個電磁離合器(圖2b中的EC－1至EC－5)和2個內(nèi)超越凸輪離合器(圖2－2b中CC－1和CC－2)來耦合或解耦連接，從而實現(xiàn)低速、中速和高速檔位的切換。其中5個電磁離合器的使用可在不停止馬達的情況下改變滑動速度，產(chǎn)生103或106的速度突變;2個內(nèi)超越凸輪離合器的使用可產(chǎn)生5倍的速度臺階，而通過改變電壓可使馬達在0.127～0.2s內(nèi)轉(zhuǎn)速從0增加到1 500rpm。這樣，伺服馬達轉(zhuǎn)速和齒輪組合的改變可產(chǎn)生9個數(shù)量級以上速度的變化，對于該裝置常用的直徑為40mm的圓柱樣品，滑動速率范圍為44mm/a至2.1m/s，覆蓋了從板塊運動速率到地震滑動速率的范圍。其中可模擬斷層同震滑動的高速摩擦功能的實現(xiàn)，填補了實驗室的技術(shù)空白，為系統(tǒng)研究斷層摩擦性狀與地震機制提供了有效的實驗平臺。

圖1 地震動力學國家重點實驗室旋轉(zhuǎn)剪切低速－高速摩擦實驗裝置Fig.1 The rotary-shear low to high velocity frictional testing machine at State Key Laboratory of Earthquake Dynamics.

該裝置的另一個特點是樣品腔空間較大，因而可變換樣品組合，配置壓力容器。目前該裝置已成功配置了一個壓力容器(圖2c)，壓力容器與水容器或氣體瓶(N2、Ar和H2)連接，通過一個氣體增壓器提高流體壓力，目前設(shè)置的流體壓力上限為35MPa。對于置放于容器中沒有密封套的實驗樣品，流體壓力的作用相當于孔隙壓力。因此，該裝置具有研究孔隙壓力對斷層摩擦性質(zhì)影響的功能，這也是國際上為數(shù)不多的能夠在高速滑動條件下研究孔隙壓力作用的實驗裝置(Ma et al.，2014)。

2 龍門山斷層帶斷層泥的高速摩擦性質(zhì)

為了研究龍門山斷裂帶的力學性質(zhì)及其與汶川地震發(fā)生的關(guān)系，地震動力學國家重點實驗室沿汶川地震同震地表破裂帶選擇了8個斷層露頭，并配合探槽和淺鉆，揭示斷層帶的內(nèi)部結(jié)構(gòu)與同震滑動帶特征，在此基礎(chǔ)上采集斷層巖樣品，進行成分和微觀結(jié)構(gòu)分析，開展各種物理力學性質(zhì)的實驗研究，其中利用實驗室新建的旋轉(zhuǎn)剪切低速－高速摩擦實驗裝置開展高速摩擦性質(zhì)研究是重要的內(nèi)容之一。迄今為止，對破裂帶北段的平溪礦坪子剖面(Yao et al.，2013a，b;Chen et al.，2013a)、破裂帶中斷的茶坪肖家橋剖面(Hou et al.，2012)和擂鼓鎮(zhèn)趙家溝剖面(Chen et al.，2013b)、破裂帶南段的虹口深溪溝(Wang et al.，2014)和八角廟(Togo et al.，2011)等5個斷層露頭的8種斷層泥高速摩擦性質(zhì)進行了不同程度的實驗研究。關(guān)于旋轉(zhuǎn)剪切低速－高速摩擦實驗裝置的具體實驗方法見姚路(2013)。

圖2 旋轉(zhuǎn)剪切低速－高速摩擦實驗裝置的近距離特寫照片F(xiàn)ig.2 Close-up photographes of the rotary-shear low to high velocity frictional testing machine.

2.1 斷層泥的高速摩擦強度

高速滑動時的摩擦強度是高速摩擦實驗最基本的參數(shù)，也是影響同震破裂擴展的重要因素，因此大多數(shù)實驗工作以此為核心展開。圖3展示了1組在自然干燥的條件下典型的斷層泥的高速摩擦實驗結(jié)果。實驗樣品為平溪礦坪子斷層露頭上的灰黑色斷層泥，是該露頭上分布的黃色、黑色和灰黑色3種斷層泥中的1種，并且汶川地震滑動帶發(fā)育在該斷層泥中(Yao et al.，2013a)。由圖3a可見，灰黑色斷層泥具有明顯的滑動弱化特征，即摩擦系數(shù)隨著滑動位移的增加從峰值摩擦向穩(wěn)態(tài)摩擦演化;隨著滑動速率增加，滑動弱化現(xiàn)象更為顯著，即穩(wěn)態(tài)摩擦系數(shù)更低，演化到穩(wěn)態(tài)摩擦所需的位移更小;高速率下的滑動弱化符合負指數(shù)衰減型(Yao et al.，2013a)。由圖3b可見，在接近同震滑動速率(1.4m/s)的條件下，不同正應(yīng)力下均表現(xiàn)出顯著的滑動弱化現(xiàn)象，且穩(wěn)態(tài)摩擦系數(shù)趨于一致，但隨著正應(yīng)力增加，達到穩(wěn)態(tài)摩擦所需的滑動距離減少，即斷層滑動弱化的過程更短。

根據(jù)實驗曲線可獲得每種斷層泥的峰值摩擦系數(shù)μp、穩(wěn)態(tài)摩擦系數(shù)μss、滑動弱化距離Dc、比破裂能EG及其隨滑動速率v、正應(yīng)力σn的變化情況，對同一露頭不同斷層泥摩擦參數(shù)的比較可揭示露頭尺度斷層性質(zhì)的均勻性，而對不同露頭斷層泥摩擦參數(shù)的比較則可揭示斷層帶尺度摩擦性質(zhì)的均勻性。這里我們僅僅考察對斷層破裂過程有重要影響的摩擦強度在龍門山斷層帶的分布情況。圖4是匯集現(xiàn)有實驗結(jié)果(Togo et al.，2011;Hou et al.，2012;Yao et al.，2013a;姚路，2013;Wang et al.，2014)得到的5個露頭共計7種自然干燥斷層泥在不同滑動速率下的摩擦系數(shù)(正應(yīng)力為1.0MPa)，可見，不同斷層泥的峰值摩擦系數(shù)存在較明顯的差異，雖然多數(shù)樣品具有速度弱化的趨勢，但速度弱化的程度明顯低于穩(wěn)態(tài)值隨速度的變化，考慮到低速摩擦下獲得的摩擦系數(shù)隨黏土含量增加而減小的實驗結(jié)果(Zhang et al.，2013)，峰值摩擦的差異可能由斷層泥礦物組成的不同而引起;但7種斷層泥的穩(wěn)態(tài)摩擦系數(shù)相差不大，顯然與斷層泥礦物組成無關(guān)，且均隨滑動速率增加而顯著減小，在接近同震滑動速率(m級/s)時，穩(wěn)態(tài)摩擦系數(shù)僅為0.1～0.2。采用虹口八角廟露頭滑動帶內(nèi)斷層泥進行的含水高速摩擦實驗的初步結(jié)果(Togo et al.，2014)表明，水的存在可使穩(wěn)態(tài)摩擦系數(shù)降至0.03左右。

圖3 平溪礦坪子灰黑色斷層泥的摩擦系數(shù)－位移曲線(據(jù)Yao et al.，2013a)Fig.3 Curves of friction coefficient versus displacement for gray blackish gouge from Kuangpizi，Pingxi(after Yao et al.，2013a).

圖4 龍門山斷裂帶斷層泥峰值摩擦系數(shù)和穩(wěn)態(tài)摩擦系數(shù)與滑動速率的關(guān)系Fig.4 Friction coefficient plotted against slip rates for gouges from Longmenshan Fault zone.

上述結(jié)果表明，盡管龍門山斷層帶斷層泥低速率下的摩擦強度和峰值強度具有明顯的非均勻性，但高速穩(wěn)態(tài)摩擦強度具有很好的一致性，斷層在高速滑動下顯著的滑動弱化必定在汶川地震中極大地促進了破裂的傳播。斷層泥高速滑動時的低摩擦系數(shù)，特別是含水情況下極低的摩擦系數(shù)可為汶川地震斷層觀測到的極低的溫度異常提供解釋(Togo et al.，2014)。

2.2 斷層高速滑動顯著弱化的主導機制

如何理解龍門山斷裂帶斷層泥在高速滑動下顯著弱化的機制?根據(jù)已有研究成果，造成斷層泥高速滑動弱化的可能機制包括凹凸體急劇加熱、熱壓作用以及納米顆粒滾動潤滑等弱化機制。為此，圍繞這3種可能的機制進行了實驗研究。

采用虹口八角廟露頭黑色斷層泥樣品(主要成分為伊利石和石英)開展了極薄(0.1～0.14mm)和常規(guī)厚度斷層泥(1.0～1.4mm)的高速摩擦對比實驗，實驗結(jié)果揭示薄層斷層泥的剪切滑移能夠更快地弱化斷層，而且斷層出現(xiàn)顯著滑動弱化，滑動速率也低得多。較薄的斷層泥帶意味著較大的應(yīng)變率和生熱率，因此上述實驗結(jié)果表明斷層弱化對摩擦生熱極為敏感(姚路，2013)。為了檢驗上述結(jié)論，采用具有不同熱導率的黃銅、不銹鋼、鈦鋁釩合金、輝長巖等作為圍巖柱對虹口八角廟露頭斷層泥樣品開展了高速摩擦實驗。結(jié)果表明(圖5a)，斷層泥的高速摩擦滑動性狀與圍巖的熱導率呈現(xiàn)出較好的相關(guān)性，從黃銅、不銹鋼、鈦鋁釩合金、到輝長巖，隨著圍巖熱導率的減小，斷層弱化速度明顯加快，其中熱導率接近的鈦鋁釩合金和輝長巖作圍巖的實驗結(jié)果極為相似。黃銅作圍巖的實驗中僅觀察到微弱的滑動弱化，溫度測量和計算表明這與黃銅的高熱導抑制了斷層帶的急劇升溫有關(guān)，表明斷層帶中由摩擦生熱導致的快速升溫在斷層高速滑動弱化中起著主導作用。

圖5 采用不同材料作圍巖時斷層泥的高速摩擦實驗結(jié)果(據(jù)Yao et al.，2014)Fig.5 Experimental results at high-velocity friction for gouges with different materials as wall rock(after Yao et al.，2014).

作為對比，采用上述4種圍巖柱對純石英模擬斷層泥樣品開展了相同的實驗，實驗結(jié)果表明(圖5b中的4條實線)，隨著圍巖熱導率的減小，斷層泥也逐漸表現(xiàn)出滑動弱化現(xiàn)象，再次說明斷層帶摩擦生熱在滑動弱化中起著主導作用。但與圖5a對比可見，除了高熱導的黃銅，另3種材料作為圍巖時富含伊利石和石英的斷層泥在同等條件下比純石英更弱，這暗示著與黏土礦物脫水相關(guān)的熱壓作用也對斷層弱化有明顯作用，即斷層高速摩擦增溫使得黏土礦物脫水，引起孔隙壓迅速增加，導致斷層弱化。為了對此進行檢驗，采用黃銅作為圍巖，對水飽和石英斷層泥進行了高速摩擦實驗，由圖5b中的虛線可見，斷層出現(xiàn)了明顯的滑動弱化。對比用黃銅作圍巖時干燥和水飽和條件下的實驗結(jié)果可知，斷層帶高速摩擦增溫導致孔隙水壓迅速增加是斷層弱化的機制。顯然，對于黏土礦物普遍存在的天然斷層泥，凹凸體急劇加熱以及與黏土礦物脫水相關(guān)的熱壓作用均在斷層高速滑動弱化中發(fā)揮著重要作用。

由于地震斷層帶及高速摩擦實驗變形帶中存在納米級斷層泥，因此納米級斷層泥滾動潤滑機制被認為是弱化的可能機制。利用黃銅作圍巖對納米氧化鎂開展的高速摩擦實驗表明，在升溫受抑制的情況下，即使是純納米顆粒物質(zhì)也不能顯著地弱化斷層(姚路，2013)，表明納米顆粒的滾動潤滑機制并非斷層高速滑動弱化的主要機制。

2.3 地震斷層帶的強度恢復性質(zhì)

Slide-Hold-Slide(SHS)實驗是研究斷層愈合和強度恢復性質(zhì)的主要實驗方法，對采自斷層露頭的斷層泥進行了SHS實驗，以期了解龍門山斷裂帶在汶川地震之后的強度恢復過程。在每個實驗中，第1次滑動持續(xù)約10s，第2次滑動在保持一定時間后重新開始，實驗中進行了溫度測量和計算。根據(jù)實驗數(shù)據(jù)，將實驗保持過程中摩擦系數(shù)的增加Δμ定義為第2次滑動的峰值摩擦系數(shù)與第1次滑動穩(wěn)態(tài)摩擦系數(shù)之差，即 Δμ=μp，2ndμss，1st，可獲得摩擦隨保持時間的變化(Yao et al.，2013b)。圖6是平溪礦坪子灰黑色和黃色斷層泥SHS實驗結(jié)果，可見，斷層摩擦的愈合Δμ隨保持時間th的增加而增加，總體表現(xiàn)出分段半對數(shù)線性增長趨勢，即斷層在經(jīng)歷高速滑移顯著滑移弱化之后，能夠在5～10s內(nèi)快速恢復大部分的強度(摩擦系數(shù)增加約0.4)，之后是與時間對數(shù)成正比的緩慢愈合。溫度計算表明初始快速的強度恢復與斷層帶溫度的快速降低有關(guān)(Yao et al.，2013b)。對虹口深溪溝黑色斷層泥開展的SHS實驗獲得了相似的結(jié)果(Wang et al.，2014)。

斷層強度的恢復速度對于大地震之后余震的分布有一定的控制作用，強度的快速恢復是同震主破裂帶余震減少的原因之一。此外，斷層從動態(tài)滑動顯著弱化狀態(tài)中快速恢復大部分強度的時間尺度僅為5～10s，小于一般大地震的上升時間，從而有利于地震破裂以自愈合滑動脈沖方式擴展。

圖6 平溪礦坪子灰黑色(GBG)、黃色斷層泥(YG)及深溪溝黑色斷層泥(BG)的SHS實驗中Δμ與保持時間t h對數(shù)之間的關(guān)系Fig.6 Δμ plotted against the hold time on the logarithmic scale in SHS experiments for grayish black gouge(GBG)and yellowish gouge(YG)from Kuangpingzi，Pingxi，and blackish gouge(BG)from Shenxigou.

3 近期研究工作展望

旋轉(zhuǎn)剪切低速－高速摩擦實驗裝置的建立，拓展了實驗室?guī)r石摩擦實驗技術(shù)，提升了斷層與地震力學研究的能力，并在地震斷層帶力學性質(zhì)研究方面取得了新進展。但無論從實驗裝置的功能、還是從研究工作的深度來看，都有很大的提升空間，而與此相關(guān)的問題將是近期研究的主要方向。

旋轉(zhuǎn)剪切低速－高速摩擦實驗裝置目前僅限于在常溫下進行實驗，且最大正應(yīng)力僅8MPa(按直徑為40mm的實心樣品計算)，因此僅適合于研究地殼淺部斷層的摩擦性質(zhì)。對于地震機制和地震物理－化學過程研究，需要了解斷層在不同深度層次的摩擦性質(zhì)及其轉(zhuǎn)換關(guān)系，因此，需要對該設(shè)備進行改進和完善，擴展其實驗條件和功能。一是研制新的軸向伺服控制系統(tǒng)，使正應(yīng)力達到100MPa左右，以便研究地殼深部斷層的摩擦性質(zhì);二是增配新的高溫高壓容器(溫度～500℃、孔隙壓～70MPa)，以便研究超臨界水的影響;三是改進剪切應(yīng)力的控制方式，以便更好地模擬地震加載過程。

關(guān)于龍門山斷裂帶高速摩擦性質(zhì)的研究，目前主要限于對干燥斷層泥的研究，初步研究已經(jīng)揭示了水對摩擦強度影響顯著(Togo et al.，2014)，因此需要系統(tǒng)研究水對斷層泥高速摩擦的影響。更重要的是，隨著實驗裝置功能的擴展，需要將研究范圍從斷層泥擴展至碎裂巖和糜棱巖，全面了解龍門山斷裂帶在不同深度上的高速摩擦性質(zhì)，為深入理解地震機制、模擬地震過程提供依據(jù)。除龍門山斷層外，還應(yīng)選擇伴有強震活動的典型的走滑斷層帶、正斷層帶開展研究，為全面認識地震斷層帶的力學性質(zhì)提供基礎(chǔ)。

目前對巖石高速摩擦性質(zhì)的認識主要來源于常溫、干燥條件下的實驗結(jié)果，孔隙壓力的影響剛剛開始研究，而環(huán)境溫度的影響尚未考慮。我們利用前述旋轉(zhuǎn)剪切低速－高速摩擦實驗裝置在控制孔隙壓力條件下研究了輝綠巖和石英巖的摩擦性狀(Togo et al.，2013)，表明孔隙壓力對摩擦速度依賴性影響顯著。因此，在增配高溫高壓容器后，有必要系統(tǒng)開展水熱作用條件下的高速摩擦實驗，檢驗和發(fā)展目前對巖石高速性質(zhì)的認識，為斷層力學與地震破裂過程研究提供堅實的物理基礎(chǔ)。

4 小結(jié)

為了深化斷層與地震力學研究，地震動力學國家重點實驗室建設(shè)了一套旋轉(zhuǎn)剪切低速－高速摩擦實驗裝置，可開展滑動速率介于板塊運動速率(cm/a量級)至地震滑動速率(m/s量級)的巖石摩擦實驗，其中高速摩擦性能填補了實驗室的技術(shù)空白。以此為依托，圍繞汶川地震斷層帶力學性質(zhì)研究，開展了一系列高速摩擦實驗。結(jié)果表明:龍門山斷裂帶斷層泥的高速摩擦性質(zhì)具有一致性，其高速滑動下顯著的滑動弱化必定在汶川地震中極大地促進了破裂的擴展;斷層弱化的主導機制是與摩擦生熱相關(guān)的過程，包括凹凸體急速加熱弱化和黏土礦物脫水促進的熱壓作用;斷層泥在經(jīng)歷高速滑動弱化之后摩擦系數(shù)可在5～10s內(nèi)恢復0.4，斷層強度的快速恢復是同震主破裂帶余震減少的原因之一。近期實驗室?guī)r石高速摩擦研究的主要方向是，對旋轉(zhuǎn)剪切低速－高速摩擦實驗裝置進行技術(shù)改造，使其能夠模擬地殼不同深度的溫度、壓力和流體環(huán)境;研究龍門山斷裂帶和其他典型斷裂帶不同深度上的高速摩擦性質(zhì)及其轉(zhuǎn)換關(guān)系，全面開展水熱作用下的巖石高速摩擦實驗，進一步為斷層與地震力學研究提供基礎(chǔ)。

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