謝瀾

摘 要：地下水資源豐富，水會(huì)改變巖石的強(qiáng)度和變形性狀，從而會(huì)影響斷層的摩擦性狀，造成地震、滑坡等天然災(zāi)害。總結(jié)前人的研究工作發(fā)現(xiàn)：在進(jìn)行巖石的滑動(dòng)摩擦研究過程中，大多采取室內(nèi)試驗(yàn)的方法進(jìn)行研究。本文針對(duì)室內(nèi)試驗(yàn)以及數(shù)值模擬等進(jìn)行總結(jié)，針對(duì)當(dāng)前研究存在的問題，提出未來(lái)的研究發(fā)展趨勢(shì)。

關(guān)鍵詞：摩擦特性;水巖作用;本構(gòu)關(guān)系

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2019.21.070

0 引言

巖石摩擦實(shí)驗(yàn)是斷層力學(xué)和震源物理實(shí)驗(yàn)研究中主要手段之一，在地震動(dòng)力學(xué)特別是地震成因機(jī)制研究中具有重要意義[1]。研究表明，斷層一旦形成，其未來(lái)的運(yùn)動(dòng)將受摩擦規(guī)律控制，斷層運(yùn)動(dòng)的穩(wěn)定性以及運(yùn)動(dòng)形態(tài)決定了斷層的運(yùn)動(dòng)過程是否有震以及百分之多少的地震是由于斷層的滑動(dòng)引起[4]。當(dāng)前，摩擦滑動(dòng)方式主要有兩種，一種是穩(wěn)態(tài)滑動(dòng)，即滑動(dòng)平穩(wěn)的發(fā)生，而另一種則是滑動(dòng)急劇的發(fā)生，這種我們稱之為粘滑，研究亦表明，粘滑將會(huì)造成淺源地震。目前，研究滑動(dòng)摩擦實(shí)驗(yàn)的方法主要有直剪、雙剪、扭剪和三軸[2-3]，而影響巖石滑動(dòng)摩擦的影響因素眾多，例如應(yīng)力、孔隙率、溫度、斷層泥等。但我們發(fā)現(xiàn)裂隙的摩擦滑動(dòng)特性會(huì)受到水的力學(xué)與化學(xué)的耦合作用，這其中的影響機(jī)制復(fù)雜，亟待探明。

近年來(lái)，很多學(xué)者在水-巖作用機(jī)理方面做了大量的工作并取得了豐碩的成果。通過實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)水對(duì)于巖石的滑動(dòng)面有潤(rùn)滑作用，大多起到了弱化的作用。但由于天然環(huán)境極其復(fù)雜，而室內(nèi)試驗(yàn)又無(wú)法準(zhǔn)確的模擬出實(shí)際環(huán)境，故室內(nèi)試驗(yàn)仍存在不少問題。

為了更好地理解水對(duì)巖石的滑動(dòng)摩擦的影響，本文擬通過本構(gòu)關(guān)系的介紹以及室內(nèi)試驗(yàn)的總結(jié)，分析水對(duì)不同巖性的巖石滑動(dòng)摩擦的影響，并對(duì)存在的問題進(jìn)行了討論，進(jìn)而展望未來(lái)的研究趨勢(shì)，對(duì)將來(lái)地震以及滑坡等天然災(zāi)害提供一定的指導(dǎo)。

1 巖石摩擦滑動(dòng)室內(nèi)試驗(yàn)

一種流行的觀點(diǎn)認(rèn)為巖石的摩擦?xí)r間依賴性是由巖石蠕變引起接觸面積增大而引起的[5-6]。學(xué)者Qunyang Li[7]等人使用原子力顯微鏡（AFM）進(jìn)行了納米銳氧化硅片與氧化硅片之間的單凹凸滑動(dòng)保持滑動(dòng)（SA-SHS）摩擦實(shí)驗(yàn)，反而發(fā)現(xiàn)摩擦老化是由界面化學(xué)鍵的形成引起的，計(jì)算了△F/Fss（相對(duì)摩擦力），在所研究的100s保持時(shí)間范圍內(nèi)，在0.5到5之間。宏觀石英巖樣品觀測(cè)到的100秒保持時(shí)間則小于0.05，在納米尺度上相對(duì)摩擦力下降的老化要比在宏觀尺度上大得多，這表明摩擦老化可能是一個(gè)受粗糙面凹凸不平影響的尺度依賴現(xiàn)象。

傳統(tǒng)的研究巖石滑動(dòng)摩擦的室內(nèi)試驗(yàn)大多是小尺寸圓柱體試樣，高度是直徑的兩倍，限于小尺寸試樣，加載的法向應(yīng)力和剪切速度都無(wú)法達(dá)到理想狀態(tài)。2015年，F(xiàn)utoshi Yamashita[8]進(jìn)行了米尺度級(jí)的巖石摩擦實(shí)驗(yàn)，接觸面積達(dá)到了1.5米長(zhǎng)，0.1米寬，實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)巖石摩擦的尺度依賴性，摩擦力與尺度有關(guān)，較大尺度的巖石在較小的速率失去摩擦強(qiáng)度自然斷層可能會(huì)迅速減弱。André Niemeijer[9]使用新開發(fā)的裝置對(duì)輝長(zhǎng)巖進(jìn)行研究，使得試驗(yàn)樣品可以達(dá)到更高的法向應(yīng)力（高達(dá)50Mpa）發(fā)現(xiàn)滑移弱化距離隨著正常應(yīng)力的增加而減小，與理論上隨著滑動(dòng)率而減小保持一致。大尺寸試驗(yàn)受多種因素制約開展較少，日后可開展大尺度實(shí)驗(yàn)，增加法向應(yīng)力以及切向應(yīng)力。更貼近自然斷層所處環(huán)境，深刻的了解尺度依賴性。

室內(nèi)實(shí)驗(yàn)受限于環(huán)境等因素的制約，難以貼近真實(shí)情況，所以采用數(shù)值模擬的研究方法可以大大提高結(jié)論的推廣性。但值得注意的是，數(shù)值模擬層面上的研究，可能與真實(shí)的斷層活動(dòng)存在差異，因此日后研究出更貼近真實(shí)斷層活動(dòng)的模型則尤為重要。

2 結(jié)論與展望

自20世紀(jì)60年代以來(lái)，我們就已經(jīng)得知地震可以通過注入的流體來(lái)誘發(fā)。流體在不同的地質(zhì)條件下都對(duì)引發(fā)地震活動(dòng)有著至關(guān)重要的影響。而往往地震活動(dòng)又容易誘發(fā)火山活動(dòng)等其他自然災(zāi)害，對(duì)人類的生命和財(cái)產(chǎn)安全帶來(lái)巨大損失。

大部分地震都是由于斷層的摩擦滑動(dòng)引起的，所以了解巖石的滑動(dòng)摩擦特性則至關(guān)重要。而地殼中流體活動(dòng)又會(huì)影響地震的周期性，所以研究流體活動(dòng)對(duì)巖石摩擦滑動(dòng)性質(zhì)的影響是非常有必要的。本文總結(jié)了研究巖石滑動(dòng)摩擦的所需要的本構(gòu)關(guān)系的演化過程以及近年來(lái)各國(guó)開展的室內(nèi)試驗(yàn)的研究進(jìn)展。并提出了筆者思考后目前存在的研究問題以及為日后的研究開展提出了自己的見解。

參考文獻(xiàn)：

[1]姚路，馬勝利.斷層同震滑動(dòng)的實(shí)驗(yàn)?zāi)M——巖石高速摩擦實(shí)驗(yàn)的意義、方法與研究進(jìn)展[J].地球物理學(xué)進(jìn)展，2013，28（02）：607-623.

[2]JAEGER J C，COOK N G W，ZIMMERMAN R W.Fundamentals of rock mechanics[M].4th ed.New York：Blackwell Publishing，2007：65-79.

[3]Wang W.Micromechanics of rock friction and wear processes： a theoretical and experimental study[D].Columbia University， 1994.

[4]薛霆虓.大尺度斷層活動(dòng)數(shù)值模擬及地震學(xué)研究[D].中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)，2008.

[5]張龍，江在森，武艷強(qiáng).速度-狀態(tài)摩擦本構(gòu)定律及其在地震斷層中的應(yīng)用研究進(jìn)展[J].地球物理學(xué)進(jìn)展，2013，28（05）：2352-2362.

[6]Yamashita F，F(xiàn)ukuyama E，Mizoguchi K，et al.Scale dependence of rock friction at high work rate[J].Nature，2015，528（7581）：254.

[7]Dieterich，J.H.& Conrad，G.Effect of humidity on time-dependent and velocitydependent friction in rocks.J.Geophys.Res.89（B6）：4196-4202（1984）.

[8]Dieterich J H，Kilgore B D.Direct observation of frictional contacts： New insights for state-dependent properties[J].Pure and Applied Geophysics，1994，143（1-3）：283-302.

[9]Niemeijer A，Di Toro G，Nielsen S，et al.Frictional melting of gabbro under extreme experimental conditions of normal stress，acceleration，and sliding velocity[J].Journal of Geophysical Research： Solid Earth，2011，116（B7）.