雷蕙如,周永勝,姚文明,馬璽,何昌榮,黨嘉祥,苗社強,戴文浩

中國地震局地質研究所地震動力學國家重點實驗室,北京 100029

0 引言

川滇地塊東邊界是我國南北地震構造帶中段重要組成部分，屬于I級活動地塊邊界帶，主要由鮮水河、安寧河、大涼山、則木河和小江斷裂等多條左旋走滑斷裂組成，是中國大陸晚第四紀構造變形和強震活動最強烈的地區(qū)(鄧起東等，2002；張培震等，2003；冉勇康等，2008)，該區(qū)具有長達數(shù)百年的地震記載歷史.Wen等(2008)對歷史地震研究表明，僅在過去500多年里，川滇交界東部地區(qū)就至少發(fā)生了12次7級以上的地震，其中2/3(8次)的7級以上地震發(fā)生在鮮水河斷裂上，而安寧河斷裂自1536年后、則木河斷裂自1850年后、小江斷裂自1833年后均未發(fā)生過 7 級以上地震.這種大型活動斷裂帶上存在長時間沒有發(fā)生大地震的段落被稱作地震空區(qū)(Fedotov,1965;Sykes,1971;Khattri,1987)，可積累更高的應力和彈性應變能，是未來大地震發(fā)生的危險地段.聞學澤等(2008)通過分析1977—2006年的地震資料得出，安寧河斷裂已具備地震空區(qū)特性，隨著20世紀90年代以來稀疏的小震活動，“安寧河斷層地震空區(qū)”逐漸演化成兩個尺度小一些的小震空段，即“冕寧以北空段”和“冕寧—西昌空段”，長度分別為65km和75km，最晚大地震的離逝時間為527和471年，由累計的地震矩估計出這兩個斷裂段潛在地震的最大可能震級均為7.4級.易桂喜等(2004)基于不同地震活動參數(shù)值的組合判定出安寧河斷裂冕寧段現(xiàn)今正處于較高應力下的閉鎖狀態(tài)，最大閉鎖深度為5～25 km左右，并且該空區(qū)可能正在趨于發(fā)震條件“成熟”.因此，研究該區(qū)域的發(fā)震潛力對于科學指導抗震救災具有極為重要的現(xiàn)實意義，同時，也可以為其他地震空區(qū)的危險性研究提供借鑒,如鮮水河斷裂帶的道孚—康定段空區(qū)(Guo et al.,2020)等.

安寧河斷層以堆積昔格達組河湖相地層為主，沿著花崗巖體滑動(冉勇康等，2008).以往對安寧河斷層地震空區(qū)的地震危險性研究是基于速度結構變化、形變測量和應變率積累及釋放、地震活動性與b值變化、古地震活動等(Wang et al.,2015;Li et al.,2018;Diao et al.,2018；鄭勇和郭汝夢等，2021;Shao et al.,2022)，缺少針對孕震斷層的物理-力學性質和發(fā)震機理研究；此外，除了安寧河斷裂帶，哀牢山—紅河斷裂帶以及龍門山斷裂帶均切過花崗巖體或者沿早期的花崗質糜棱巖帶再活動(陳瑋等，2018；牛露等，2018；李曉慧等，2018).花崗巖作為大陸淺源強震的震源主要巖石，研究花崗巖斷層泥的摩擦強度與滑動穩(wěn)定性有助于認識地震成核條件.本文采用安寧河斷裂帶拖烏附近采集的天然花崗巖斷層泥(圖1)開展摩擦實驗研究，希望探究下列問題：(1)安寧河斷裂帶原位花崗巖斷層泥的摩擦特性是否有其特殊性？(2)安寧河斷裂帶典型花崗巖斷層泥的摩擦強度和滑動穩(wěn)定性隨深度(溫度壓力、孔隙壓)的變化規(guī)律；(3)“安寧河地震空區(qū)”在中地殼是否具備地震成核的可能性，以及斷層的閉鎖程度如何？討論上述問題有助于評估安寧河斷裂帶未來發(fā)生破壞性地震的可能性，為確定斷層可能的發(fā)震帶提供巖石物理和巖石力學判別依據(jù).

圖1 則木河—安寧河—大涼山斷裂及MS>6.5歷史地震震中分布圖圖中五角星處為樣品采集地點.Fig.1 Map showing active faults and epicenters of MS>6.5 historical earthquakes around Zemuhe-Anninghe-Daliangshan FaultThe star is the location where our granite sample was collected.

1 實驗樣品

安寧河斷裂帶總體走向NS，傾向東或西，傾角為60°～80°，石棉—拖烏的北段以左旋走滑為主，同時伴有擠壓逆沖的特征，晚更新世至全新世滑動速率2.8～3.7 mm·a-1，拖烏—冕寧的中段為左旋走滑，滑動速率4.5 mm·a-1，冕寧—西昌的南段以左旋走滑為主，兼正斷層特征，滑動速率5.5 mm·a-1(唐榮昌和韓渭濱，1993；冉勇康等，2008；聞學澤等，2008).

本次研究所用的天然花崗巖斷層泥采自安寧河斷裂帶北段拖烏北側2 km處，采樣斷層剖面在出露的脆性花崗巖斷層中(28.83°N，102.26°E)，該花崗巖斷層位于根據(jù)地貌確定的兩支安寧河活動斷層中間的基巖中，花崗巖西側為安寧河主活動斷層，東側被紅色新近紀地層和灰白色坡積物覆蓋，在新近紀地層中發(fā)育有斷層陡坎，推斷為安寧河活動斷層的一小分支斷層.地表出露的花崗巖破碎帶和斷層帶450 m寬，發(fā)育花崗質角礫巖、斷層泥(見圖2a).其中，花崗巖破碎帶近160 m寬，主要由相鄰的白色花崗巖斷層泥(約厚60 cm)(見圖2b)和花崗質角礫巖(平均約厚46 cm)組成(見圖2c).

圖2 (a)采樣處花崗巖斷層帶剖面圖，黃色五角星是本研究的采樣點；(b)和(c)是斷層核部白色新鮮斷層泥和斷層角礫巖照片F(xiàn)ig.2 (a)Profile of outcrop and surrounding contact of granite fracture zone.The yellow star is the location where our granite gouge sample was collected;(b)and (c)are fault gouges and fault breccia photographs of the fault core

在中國地震局地質研究所地震動力學國家重點實驗室對1個白色新鮮花崗巖斷層泥樣品(22D02)、2個花崗巖角礫巖樣品(22B02和22C01)、1個花崗巖圍巖樣品(22D01)進行X射線衍射(XRD)分析表明(見圖3)，從圍巖到角礫巖和斷層泥，礦物組成和含量基本一致.斷層泥樣品X射線熒光光譜分析(XRF)和重鉻酸鉀滴定分析(在國土資源部武漢礦產資源監(jiān)督檢測中心)得到的斷層泥樣品化學成分如表1所示，誤差為0.55%.結合XRD分析結果和掃描電鏡能譜分析(在中國地震局地質研究所地震動力學國家重點實驗室)，確定實驗樣品花崗巖斷層泥的主要礦物組成與含量為石英(33.6%)、斜長石(34.9%)和微斜長石(26%)，以及少量綠泥石(2.5%)、白云母(2%)、綠簾石(1%)，其中斜長石以鈉長石為主.將斷層泥樣品研磨，過200目篩，獲得實驗用的粉末樣品.激光粒度分析(中國地震局地質研究所活動火山與災害研究室)顯示，天然斷層泥粉末樣品的粒度中值為77 μm(圖4).

圖3 花崗巖斷層泥、角礫巖及圍巖的XRD分析結果Fig.3 XRD analysis results of gouge,breccia and protolith of natural granite gouge

圖4 天然花崗巖斷層泥粒度分析結果Fig.4 Particle size distribution of natural granite gouge

表1 花崗巖斷層泥全巖分析Table 1 XRF analysis results of natural granite gouge

2 實驗方法

2.1 實驗設備和流程

本研究中所有的摩擦滑動實驗都在地震動力學國家重點實驗室氣體介質高溫高壓三軸壓機上進行.該實驗設備采用液壓伺服控制系統(tǒng)，最大圍壓為420 MPa,在本實驗中采用控制圍壓確保實驗過程中的正壓力保持恒定，圍壓控制精度為±0.5 MPa；溫度通過可控硅調節(jié)加溫爐的功率來控制，最高可達到700 ℃，溫度控制精度為±2 ℃；最大孔隙水壓可達200 MPa，控制精度為±0.3 MPa(He et al.,2006，2007).實驗裝樣方式如圖5所示，把高度40 mm、直徑為20 mm的花崗巖圓柱沿與軸向夾角為35°的方向切開，作為斷層滑動的圍巖塊，裝樣前用200目的金剛砂對圍巖預切面進行打磨，控制其表面的粗糙度.并用350目砂紙對其棱角邊緣進行打磨，避免在實驗過程中圍巖尖銳處戳破銅管，引起壓力不穩(wěn)定.為了保證花崗巖斷層泥中孔隙水壓的均勻分布，在斷層泥上方的圍巖上鉆取一個與斷層泥層相連通的小孔，作為實驗過程中保持孔隙水壓穩(wěn)定的通道.將200目篩選后的花崗巖斷層泥粉末加入一定量的去離子水，攪拌之后均勻涂抹到圍巖的預切面上，使夾在兩個巖塊之間的斷層泥初始厚度為1 mm，整個圍巖和斷層泥樣品與碳化鎢壓塊和剛玉柱都裝在厚度為0.35 mm的銅管內，并在銅管和加溫爐之間的空隙中填充氮化硼粉末，用于傳熱并阻止氣體對流，使樣品溫度從上至下保持均勻.通過樣品頂部小孔放置的熱電偶測量溫度.

圖5 裝樣和加熱爐示意圖Fig.5 Schematic sample and furnace assembly

由于樣品存在斜向預切面，在實驗中，摩擦面的實際接觸面積會隨軸向位移的增加而減小，因此需要對圍巖兩端的軸向應力進行接觸面積校正.另外，還需要對實驗采集數(shù)據(jù)進行密封摩擦校正，以及銅管的剪切強度的校正.具體校正過程和數(shù)據(jù)處理詳見文獻(He et al.,2006,2007；蘭彩云等，2010).

2.2 速率和狀態(tài)依賴的摩擦本構關系

速率和狀態(tài)依賴摩擦本構關系(式(1))是表征斷層摩擦強度和滑動穩(wěn)定性的基本理論(Dieterich，1978，1979；Ruina,1983),

(1)

(2a)

(2b)

其中，μ為摩擦系數(shù)(μ=τ/σ′n)，τ為剪應力，σ′n為法向應力減去孔隙流體壓力Pp.μ0表示在參照滑動速率V0下的摩擦系數(shù)穩(wěn)態(tài)值，a是表征摩擦強度的直接速率響應大小的本構參數(shù)，V是當前的速度，而b是表征摩擦強度隨狀態(tài)變量演化強弱的本構參數(shù)，dc是特征滑動距離，θ是根據(jù)方程(2a)(Dieterich，1979)或者方程(2b)(Ruina,1983)演化的狀態(tài)變量.在我們反演的結果中，我們使用了 Dieterich 公式，但是對于公式(3)中 (a-b)的值，不論使用方程(2a)還是方程(2b)都會產生相同的結果.在穩(wěn)態(tài)摩擦下，表征摩擦滑動穩(wěn)定性的參數(shù)(a-b)可以改寫為

(3)

對于準靜態(tài)加載條件，僅當(a-b)<0時，稱之為速度弱化，此時摩擦系數(shù)隨速率的增加而減小，斷層有發(fā)生不穩(wěn)定滑動與地震成核的潛在風險；當(a-b)>0時，稱之為速度強化，摩擦系數(shù)隨著速率的增加而增加，此時不會在緩慢的構造加載作用下產生地震成核(Rice and Tse,1986;Dieterich and Linker,1992).因此，參數(shù)(a-b)對于區(qū)分斷層黏滑和蠕滑至關重要.

基于速度-狀態(tài)摩擦本構方程的理論框架，前人開展了石英(Chester and Higgs,1992)、花崗巖(Blanpied et al.,1991,1995;Lockner et al.,1986)、花崗糜棱巖(Zhang et al.,2016)、輝長巖(He et al.,2006,2007)等摩擦滑動穩(wěn)定性實驗，將實驗結果用于地震成核、地震循環(huán)和慢地震模擬中.

3 實驗結果

本研究中，加載的有效正應力為200 MPa、孔隙水壓為30 MPa、溫度為25～600 ℃.實驗條件和結果見表2，摩擦系數(shù)μ和滑移位移關系曲線見圖6和圖7.實驗開始時，以1 μm·s-1的初始加載速度進行加載，在初始的0～1 mm位移范圍內，大部分實驗曲線都顯示了近似線性的加載過程，隨著位移的增加，達到一個屈服點，并在此后進入位移強化的過程，最后達到穩(wěn)態(tài)滑動.在此基礎上，加載速度在高速1 μm·s-1、標速0.2 μm·s-1和慢速0.04 μm·s-1之間切換，通過速率切換獲得摩擦強度和滑動穩(wěn)定性隨速率變化的特征.

表2 天然花崗巖斷層泥的實驗條件與結果Table 2 Experimental conditions and results of natural granite fault gouge

3.1 摩擦系數(shù)

實驗中的摩擦系數(shù)用測得的剪切力τ和有效正應力σeff來計算，公式為μ=τ/σeff.為了保證摩擦系數(shù)能達到穩(wěn)態(tài)值，摩擦系數(shù)值都取自滑動位移在2.5～3.0 mm處和滑移速率為0.2 μm·s-1時的穩(wěn)態(tài)值,因為在此滑動位移下切換速率后摩擦系數(shù)能很快達到穩(wěn)態(tài)滑動，不會因為速度弱化或強化造成較大誤差(圖6和圖7).圖8給出了本研究天然花崗巖斷層泥摩擦系數(shù)隨溫度的變化趨勢.在室溫25 ℃下，花崗巖斷層泥的摩擦系數(shù)最大，為0.714，隨后逐漸降低，在100 ℃時降到最低0.663；在100～400 ℃，摩擦系數(shù)隨溫度升高而增大，從0.663到0.704，在400 ℃達到峰值；當超過400 ℃時，摩擦系數(shù)開始下降，500 ℃時出現(xiàn)第二個低值，在600 ℃時摩擦系數(shù)略有回升.

圖6 花崗巖斷層泥樣品在25～300 ℃條件下的實驗變形曲線(有效正應力為200 MPa，孔隙水壓為30 MPa)Fig.6 Deformation curves of natural granite gouge under 25～300 ℃ temperature (The effective normal stress is 200 MPa and pore water pressure is 30 MPa)

圖7 花崗巖斷層泥樣品在400～600 ℃條件下的實驗變形曲線(有效正應力為200 MPa，孔隙水壓為30 MPa)Fig.7 Deformation curves of natural granite gouge under 400～600 ℃ temperature (The effective normal stress is 200 MPa and pore water pressure is 30 MPa)

圖8 天然花崗巖斷層泥穩(wěn)態(tài)摩擦系數(shù)隨溫度的變化趨勢(有效正應力為200 MPa，孔隙水壓為30 MPa)Fig.8 Steady-state friction coefficient of natural granite gouge versus temperature (The effective normal stress is 200 MPa and pore water pressure is 30 MPa)

3.2 摩擦強度的速度依賴性

本次實驗的力學數(shù)據(jù)顯示，在實驗溫度條件下，花崗巖斷層泥都表現(xiàn)為穩(wěn)態(tài)摩擦滑動行為，沒有出現(xiàn)黏滑和震蕩現(xiàn)象，因此只能通過速度依賴性參數(shù)(a-b)值的正負性來判斷是速度弱化還是速度強化(表2，圖9).在25～200 ℃條件下，大部分實驗數(shù)據(jù)表現(xiàn)出穩(wěn)定的速度強化(a-b>0)的摩擦行為，隨著溫度從25 ℃升到200 ℃，(a-b)值有降低的趨勢，從0.0044下降到0.0003，其速度強化程度隨溫度增加而減弱.200 ℃的最后一個速度切換臺階(從1 μm·s-1到0.2 μm·s-1)出現(xiàn)輕微的速度弱化現(xiàn)象(a-b<0)，(a-b)的值為-0.00001.

在200 ℃以上，(a-b)值的正負性表現(xiàn)出對速率的依賴性.在300 ℃時，由慢速0.04 μm·s-1往高速1 μm·s-1和標速0.2 μm·s-1切換時為速度強化(a-b>0).最后一次切換中，由標速0.2 μm·s-1往慢速0.04 μm·s-1切換時(a-b)為-0.0016，呈現(xiàn)速度弱化；400 ℃時，由中、低速度(0.2 μm·s-1、0.04 μm·s-1)向中、高速度(0.2 μm·s-1、1 μm·s-1)切換時(a-b)>0，為速度強化，反之由標速0.2 μm·s-1往慢速0.04 μm·s-1和高速1 μm·s-1往標速0.2 μm·s-1切換時為速度弱化；在500 ℃和600 ℃時，除了從標速0.2 μm·s-1往高速1 μm·s-1切換時是速度強化(a-b>0)外，其他速度從高往低切換和從低往高切換都表現(xiàn)為速度弱化.

因此，圖9和表2表明，在低于200 ℃時，花崗巖斷層泥以速度強化和穩(wěn)定蠕滑為主.隨著溫度升高，(a-b)出現(xiàn)有條件的負值，在300～400 ℃，向高速切換時(a-b)為正值，斷層為速度強化和穩(wěn)定蠕滑，向低速切換時(a-b)趨向于負值，斷層具備速度弱化和不穩(wěn)定滑動的條件；在500 ℃和600 ℃大部分實驗趨于速度弱化和不穩(wěn)定滑動.本研究首次發(fā)現(xiàn)向不同速度方向切換控制了斷層的滑動穩(wěn)定性.

圖9 天然花崗巖斷層泥速度依賴性隨溫度的變化趨勢(有效正應力為200 MPa，孔隙水壓為30 MPa)Fig.9 Velocity dependence of natural granite gouge versus temperature(The effective normal stress is 200 MPa and pore water pressure is 30 MPa)

4 討論

4.1 與前人結果的對比

4.1.1 礦物成分對比

花崗質巖石摩擦滑動實驗研究相對比較少，主要有Westerly花崗巖(Blanpied et al.,1991,1995，1998 )、花崗質糜棱巖(任鳳文和何昌榮，2014)和層狀硅酸鹽花崗糜棱巖(Zhang et al.,2016;張雷等，2020).花崗糜棱巖是花崗巖經(jīng)過高溫剪切變形的產物，其礦物組成與花崗巖相似，都以石英，長石為主，含有少量層狀硅酸鹽礦物(Yonkee et al.,2003).為了對比本研究的花崗巖斷層泥與其他三種花崗質巖石的摩擦性質異同，并討論安寧河斷裂帶原地花崗巖斷層泥摩擦穩(wěn)定性與地震成核的特殊性，首先需要對比不同實驗樣品的礦物成分(表3).本研究所用的花崗巖斷層泥、Westerly花崗巖和花崗質糜棱巖的石英和長石總量很接近，分別為94.5%、95%和92%，層狀硅酸鹽礦物在5%～8%之間；而層狀硅酸鹽花崗糜棱巖(Zhang et al.,2016)的石英和長石含量僅為39%，白云母和綠泥石總量為60%，與上述3種花崗質巖石樣品有很大差別.本實驗花崗巖斷層泥樣品的石英含量(33.6%)與微斜長石(26%)含量介于Westerly花崗巖中的石英(28%)和微斜長石(35%)與花崗質糜棱巖的石英(37%)與微斜長石(23%)之間.斜長石含量(34.9%)略高與其他2種樣品(均為32%)，但差別很小.此外，本實驗中的天然花崗巖斷層泥的粒徑中值為77 μm，Westerly花崗巖粉末粒徑小于90 μm，花崗質糜棱巖粒徑中值為59 μm，富含層狀硅酸鹽糜棱巖的中值粒徑較小，為14 μm.

表3 花崗巖斷層泥、花崗質糜棱巖、Westerly花崗巖和富含層狀硅酸鹽的糜棱巖的礦物組成對比Table 3 Mineral composition of natural granite gouge,granite mylonite,Westerly granite and granite gouge,phyllosilicate-rich mylonite

4.1.2 摩擦系數(shù)隨溫度的變化

圖8給出了本實驗的摩擦系數(shù)，與前人關于花崗質巖石摩擦實驗的摩擦系數(shù)隨溫度變化對比(圖10)發(fā)現(xiàn)，摩擦系數(shù)范圍在0.663～0.714，與Byerlee定律給出的摩擦系數(shù)(0.6～0.8之間)基本一致(Byerlee,1978).然而，本實驗獲得的花崗巖斷層泥摩擦系數(shù)在不同溫度段有所變化，在25 ℃時高于Westerly花崗巖的摩擦系數(shù)，在100～450 ℃時低于Westerly花崗巖(相較于1 μm·s-1)和花崗質糜棱巖，但高于富含層狀硅酸鹽的糜棱巖，在450～600 ℃時高于Westerly花崗巖，低于其他兩種糜棱巖.這種強度上的差別主要受石英和層狀硅酸鹽礦物含量、溫度以及孔隙水壓的控制，而其他實驗條件(有效正應力、加載速率)在本研究中的影響很小(Den Hartog et al.,2013b).摩擦系數(shù)隨著石英和長石含量增加而增大，隨著層狀硅酸鹽含量增加而降低(Den Hartog et al.,2013b;Zhang and He,2013)，隨著實驗溫度增加而增大，特別是富含層狀硅酸鹽的斷層泥，摩擦系數(shù)隨溫度增加變化更加顯著(Den Hartog et al.,2013b;Zhang and He,2016).

Blanpied等(1995)指出由于其實驗設備可發(fā)生的位移很小，造成Westerly花崗巖的干燥實驗和含水實驗在低溫下25 ℃測得的摩擦強度可能偏低.所以在圖10中，除去在25 ℃摩擦系數(shù)的值，三類花崗質巖石在100～400 ℃時的摩擦系數(shù)從0.68增加至0.75，并在300～400 ℃達到峰值，在低溫條件下摩擦系數(shù)逐漸增加是由加載過程中花崗巖斷層泥的粒徑和孔隙減小、斷層泥逐漸壓實引起的，這種壓縮變化規(guī)律與斷層泥體積應變一致(Marone et al.,1990;Scott et al.,1994).摩擦系數(shù)達到峰值后隨著溫度增加又逐漸降低，特別是Westerly花崗巖的摩擦系數(shù)在600 ℃時降到0.6以下，這是由于在高溫和高孔隙水壓下(100 MPa),石英在剪切變形過程中的壓溶變形和熱活化引起的晶體塑性導致其摩擦強度弱化(Blanpied et al.,1998;Chester,1994；Niemeijer et al.,2008).

圖10 不同樣品穩(wěn)態(tài)摩擦系數(shù)隨溫度變化的趨勢Fig.10 Steady-state friction coefficient of different samples versus temperature

與上述花崗質巖石不同，層狀硅酸鹽糜棱巖的摩擦強度隨著溫度升高持續(xù)增加，從0.52增加到0.68.在100～200 ℃，層狀硅酸鹽糜棱巖的摩擦強度較低，摩擦滑動主要受弱的層狀硅酸鹽礦物(云母和綠泥石)所控制(Logan and Rauenzahn,1987;Saffer and Marone,2003;Ikari et al.,2009;Tembe et al.,2010;張雷等，2020).隨著溫度增加，層狀硅酸鹽的強度增強(Van Diggelen et al.,2010;Lu and He,2014)，熱活化作用使晶粒致密堆積，壓實作用會造成斷層泥顆粒之間的孔隙度降低，導致晶?；ユi(Morrow and Byerlee,1989)，顆粒間相互滑移需要克服更大的阻力，產生更大的摩擦強度.本實驗最高溫度(600 ℃)沒有達到白云母、綠泥石的脫水溫度，實驗樣品中白云母與綠泥石含量約4%～5%，其摩擦系數(shù)約0.3～0.4(Zhang and He,2014)，小于石英和長石的摩擦系數(shù)，考慮其含量很少，對花崗巖斷層泥整體的摩擦系數(shù)基本沒有影響.

通過上述對比得出，天然花崗巖斷層泥摩擦系數(shù)的變化趨勢與其他水熱條件下花崗巖的摩擦系數(shù)大致相同，且峰值出現(xiàn)在300～400 ℃之間，峰值摩擦系數(shù)范圍為0.7～0.75.富含層狀硅酸鹽的花崗糜棱巖在上地殼的強度相對較低，但在中地殼具有與花崗巖類似的強度.

4.1.3 影響花崗巖斷層泥速度依賴性的因素

由圖9可知花崗巖斷層泥滑動穩(wěn)定性參數(shù)(a-b)值的正負性表現(xiàn)出對溫度和速率的依賴性，在低于200 ℃時，所有速率下花崗巖斷層泥都表現(xiàn)為速度強化和穩(wěn)定蠕滑，高于200 ℃時，向低速切換或慢速下開始出現(xiàn)速度弱化和不穩(wěn)定滑動(圖9).在相同數(shù)量級的滑移速率和相近實驗條件下，與前人的結果相比較(圖11)，Westerly花崗巖的速度弱化溫度為100～350 ℃(Blanpied et al.,1991,1995，)，花崗質糜棱巖的速度弱化溫度為200 ℃和400 ℃(任鳳文和何昌榮，2014)，層狀硅酸鹽花崗糜棱巖的速度弱化溫度為250～530 ℃(Zhang et al.,2016)，而在比上述更低的溫度以及更高的溫度下滑動穩(wěn)定性都為速度強化.這種低溫速度強化-中溫速度弱化-高溫速度強化的摩擦規(guī)律也發(fā)生在類似的層狀硅酸鹽-石英集合體(Den Hartog et al.,2013b)、含水石英(Chester and Higgs,1992)、輝長巖(He et al.,2007)等的摩擦實驗中.本研究中天然花崗巖斷層泥的速度弱化區(qū)間為200～600 ℃，還未完全進入上述高溫速度強化階段.隨著溫度增加，速度弱化程度明顯增加，并且受滑動速率影響，這與上述其他花崗巖的速度依賴性具有顯著差別.

圖11 不同巖性的速度依賴性參數(shù)(a-b)隨溫度的變化Fig.11 Velocity dependence (a-b)of different samples versus temperature

在速度弱化階段中，相較于其他三類花崗巖的實驗曲線，本實驗樣品(a-b)值的正負性受滑動速率的影響十分明顯，并且隨著溫度升高，速度弱化程度逐漸增強，具體表現(xiàn)為(a-b)<0的平均值隨著溫度的增加而增加(見圖11和表1)，從-0.0016到-0.0091.在前人關于各種礦物的摩擦特性實驗中也發(fā)現(xiàn)了加載速率的快慢對斷層摩擦滑動穩(wěn)定性有顯著的影響(Higgs,1981;Den Hartog et al.,2013b;Lu and He,2018;Chen et al.,2020).在旋轉剪切實驗中觀察到室溫下Westerly花崗巖的速度依賴性隨著加載速率增大(從速度<10 μm·s-1到速度>32 μm·s-1)，由速度弱化轉變?yōu)樗俣葟娀?Blanpied et al.,1987)(圖12).但在Westerly花崗巖的三軸剪切實驗中并沒有發(fā)現(xiàn)加載速率對速度依賴性的顯著影響(Blanpied et al.,1995)，未觀察到的原因可能是在較高有效正應力和流體壓力(σeff=400 MPa,Pp=100 MPa)以及小位移實驗中，速度對(a-b)的影響較小.根據(jù)本研究初步觀察到水熱條件下花崗巖斷層泥的速度依賴性受加載速率的影響，在未來研究中應進行更寬速度范圍的速度切換實驗來進一步研究加載速率對花崗巖斷層滑動穩(wěn)定性的影響.

圖12 花崗巖穩(wěn)態(tài)摩擦的速度依賴性和加載速率的關系(Blanpied et al.,1987)Fig.12 Velocity dependence of steady-state friction of granite versus sliding velocity(Blanpied et al.,1987)

此外，除了花崗巖斷層泥，Westerly花崗巖、花崗質糜棱巖和層狀硅酸鹽花崗糜棱巖的滑動穩(wěn)定性都有從中溫速度弱化到高溫(500～600 ℃)速度強化的第三個階段(圖11)，而本研究的花崗巖斷層泥直到600 ℃還沒有出現(xiàn)速度弱化向速度強化(由第二階段向第三階段)的轉變.這一差異可能受石英-斜長石的壓溶、孔隙流體等方面的影響.理論和實驗研究表明，速度依賴性參數(shù)a是速度變化的直接響應，而b是表征斷層接觸狀態(tài)隨時間演化的參數(shù)，在斷層摩擦滑動過程中，斷層實際接觸面積受斷層泥碎裂與愈合控制，其中凹凸體的高應力流變和含流體條件下的壓溶引起的愈合效應都會導致實際接觸面積增加，從而增大b值，導致(a-b)為負.因此壓溶引起的愈合是不穩(wěn)定滑動的微觀物理機制(He et al.,2013).因此在本實驗中，相對更低的滑動速率增加了石英和斜長石的壓溶作用，促進了愈合過程.

孔隙流體壓力的大小也會影響速度弱化-速度強化的變化趨勢(Proctor et al.,2020)，高孔隙流體壓力的存在會促進斷層的穩(wěn)定滑動(Bedford et al.,2021).Westerly花崗巖摩擦實驗的孔隙水壓為100 MPa，而本實驗的孔隙水壓為30 MPa.伊利石-石英斷層泥摩擦實驗的(a-b)值隨著孔隙壓力從100 MPa降低到30 MPa而減小，增加了速度弱化區(qū)域的溫度范圍(Den Hartog et al.,2013b).更重要的是，對石英斷層泥水熱條件下摩擦實驗后的微觀結構進行觀察，發(fā)現(xiàn)溫度高于300 ℃時，石英會發(fā)生溶解-沉淀現(xiàn)象，并且加載速度越慢越利于壓溶作用的發(fā)生(Chester and Higgs,1992).當溫度高于400 ℃，孔隙水壓為30 MPa時，孔隙中的水處于超臨界態(tài)(Liebscher,2010)，石英溶解度會顯著下降接近零點(Akinfiev and Diamond,2009；Manning,1994)，力學數(shù)據(jù)顯示與干燥條件下的Westerly花崗巖速度依賴性相似(Blanpied et al.,1995).總而言之，在500～600 ℃條件下，花崗巖斷層泥出現(xiàn)顯著的速度弱化，這可能受斷層泥中石英和斜長石的溶解-沉淀機制控制.目前孔隙水壓的大小對石英和斜長石的壓溶速率的影響還未有相關的實驗研究可供參考，因此這一機制解釋還有待更進一步的實驗研究.從本研究的結果來看，未來除了需要對加載速率對水熱條件下花崗巖滑動摩擦穩(wěn)定性做基礎的研究工作外，還需在討論斷層的地震成核條件時同時加入孔隙水壓這一重要影響因素.

4.2 花崗巖斷層泥摩擦實驗結果對安寧河斷層地震空區(qū)的孕震啟示

本研究結果為理解安寧河斷層地震空區(qū)物理機制與斷層閉鎖深度和地震可能的成核深度提供了實驗依據(jù).根據(jù)川西地區(qū)地殼溫度隨深度變化曲線(周永勝和何昌榮，2009；Xi et al.,2018)以及Blanpied等(1995)關于地熱梯度的計算結果，本文選取20 ℃/km的地溫梯度，根據(jù)實驗溫度換算對應的安寧河斷層深度，給出花崗巖斷層滑動穩(wěn)定性參數(shù)隨深度的變化趨勢(圖13).滑動穩(wěn)定性參數(shù)(a-b)<0對應于斷層不穩(wěn)定滑動，具備地震成核條件，而(a-b)>0對應于斷層穩(wěn)定滑動，不具備地震孕育條件.圖13顯示，在斷層在小于～8 km的淺部，花崗巖斷層滑動穩(wěn)定性參數(shù)(a-b)>0，不具備發(fā)生大地震的條件；在斷層深度大于8～10 km時，表現(xiàn)出無震蠕滑向不穩(wěn)定滑動轉變，斷層開始具備成核條件.

前人對地震活動性以及形變分析的結果均反映安寧河斷層的冕寧以北段(栗子坪—冕寧)和冕寧—西昌段是地震空區(qū)，斷層可能處于閉鎖狀態(tài)，并且屬于有顯著應變積累的斷層段(易桂喜等，2004；江在森等，2005；聞學澤等，2008)，并估計其潛在破裂平均深度為20 km(聞學澤等，2008).如果根據(jù)前人實驗結果(Blanpied et al.,1995;任鳳文等，2014)推測速度弱化和潛在地震成核深度不超過20km.本實驗采用的花崗巖斷層泥樣品采集自拖烏北，代表了安寧河斷層北段中上地殼的物質.本實驗結果顯示(圖13)，在200～600 ℃的溫度條件下(對應于大約10～30 km深度)，花崗巖斷層泥的滑動穩(wěn)定性參數(shù)(a-b)始終存在小于0的情況，所以斷層不穩(wěn)定滑動的深度包含并大于前人研究的安寧河地震空區(qū)的深度范圍.據(jù)此推測，安寧河斷層中北段的地震空區(qū)是斷層處于閉鎖狀態(tài)的具體表現(xiàn)，在大約10～30 km深度都具備地震成核條件，存在較大的地震危險性.

圖13 安寧河斷裂帶的速度依賴性隨深度和溫度的變化Fig.13 Velocity dependence of Anninghe Fault versus depth and temperature

5 結論

本研究對采自四川安寧河斷層帶中的天然花崗巖斷層泥樣品進行了水熱條件下的摩擦滑動實驗研究，獲得花崗巖斷層泥的摩擦強度隨溫度的變化趨勢以及斷層滑動穩(wěn)定性隨深度(溫度)變化規(guī)律，結合前人對安寧河斷裂地震空區(qū)的研究結果，對斷層閉鎖深度進行了討論，得到以下結果：

(1)花崗巖斷層泥的摩擦系數(shù)在0.663～0.714之間.在100～600 ℃時，與其他花崗質巖石的摩擦系數(shù)變化趨勢大致相同，呈現(xiàn)兩段式變化：溫度低于300～400 ℃時，摩擦強度隨著溫度增加而增大，溫度高于300～400 ℃時，隨著溫度增加而減小.摩擦系數(shù)的峰值范圍為0.7～0.75，對應溫度在300～400 ℃.

(2)花崗巖斷層泥的摩擦滑動行為在200 ℃開始由速度強化轉變?yōu)樗俣热趸?，速度弱化行為隨著溫度升高而變強，直到600 ℃在高速向低速切換或者慢速下依然呈現(xiàn)很強的速度弱化現(xiàn)象；前人給出的花崗巖摩擦不穩(wěn)定滑動的溫度上限為350～400 ℃，本實驗獲得的安寧河斷層中花崗巖斷層泥不穩(wěn)定滑動發(fā)生的溫度區(qū)間(200～600 ℃)比其他花崗質巖石的范圍更寬.其次，本研究首次發(fā)現(xiàn)加載速率的切換方向對水熱條件下的花崗巖斷層泥的滑動穩(wěn)定性有顯著的影響，在同一溫度下，速度降低會促進花崗巖由穩(wěn)定滑動向不穩(wěn)定滑動轉變.

(3)結合川滇地區(qū)地溫梯度以及本研究的滑動穩(wěn)定性參數(shù)(a-b)得出，安寧河斷層中北段的地震空區(qū)是斷層處于閉鎖狀態(tài)的具體表現(xiàn)，且地震成核條件對應的閉鎖深度在10～30 km，因此，該地區(qū)的中-長期強震或大地震潛勢值得注意和進一步研究.

致謝感謝陳建業(yè)和張雷在實驗過程中的幫助；感謝3位審稿人對本文提出的寶貴建議.