论文部分内容阅读
龙门山断裂带映秀-北川断层在金河磷矿露头附近切过彭灌杂岩中的花岗质岩体.本文利用中国地震局地质研究所开展的龙门山断层金河磷矿浅钻中三种断层泥样品开展了低速到高速摩擦滑动实验研究.不同于前人的摩擦实验主要是针对沉积地层中的断层泥样品,本文对原岩为花岗质岩石的断层泥样品的实验研究将从岩性上对龙门山断层带的摩擦性质获得更全面的认识.此外,本文还对实验变形样品开展了BET比表面积研究,揭示了断层泥在地震断层作用中的表面能变化,对认识地震能量分配问题提供了约束.摩擦实验在干燥和孔隙水压两种条件下开展,有效正应力和孔隙压力分别为1.2MPa和0.5MPa（接近野外浅钻的原位状态）,速率范围涵盖20μm/s至1.4 m/s.三种岩芯断层泥均主要含有石英、长石、方解石和层状硅酸盐矿物,主要的差异在于层状硅酸盐矿物的种类和含量.其中,黑色断层泥（BG）含14%伊利石、14%蒙脱石和9%绿泥石;灰绿色断层泥（GGG）含45%绿泥石、2%伊利石和1%蒙脱石;黄绿色断层泥（YGG）含56%绿泥石、3%伊利石和3%蒙脱石.实验结果显示,（1）三种断层泥在干燥条件下的摩擦性质差别不大,中低速下(Veq=20μm/s0.14m/s)的摩擦强度介于0.550.80,速度依赖性不明显;高速(Veq=1.4 m/s)滑动下均呈现显著的滑动弱化.（2）在孔隙水压条件下,中低速下断层泥摩擦强度表现为GGG>YGG>BG;三者的中低速摩擦强度与层状硅酸盐矿物的种类而非总含量紧密相关——蒙脱石和伊利石相比绿泥石更能有效地弱化断层.（3）三种断层泥在孔隙水压条件下的摩擦强度在Veq=20μm/s0.14 m/s的范围内存在清晰的增大趋势,这种中低速率域的速度强化暗示着对断层的加速滑动存在一定的阻碍作用.（4）孔隙水压下,黄绿色和灰绿色断层泥中–高速摩擦实验中(Veq=0.14 m/s和1.4m/s)呈现急速的初始快速弱化,这种迅速的初始动态弱化同时伴随断层泥层的瞬时扩容,凹凸体急剧加热导致的局部热压作用可能是造成这种力学行为的物理机制.黑色断层泥、灰绿色断层泥和黄绿色断层泥的初始BET比表面积(ABET)分别为:42.467 m2/g、13.123 m2/g和11.749 m2/g,在经历高速滑动之后,三种断层泥在干、湿条件下的BET比表面积都显著降低,暗示着可能发生了颗粒烧结.中低速域内,干燥条件下实验后BG样品的ABET相对于初始样品存在一定程度的降低,且ABET随着滑动速率Veq的增大而减小,而实验后的GGG和YGG样品的A<sub>BET相对于初始样品变化不大;而在孔隙水压条件下,中低速实验后BG的ABET与初始样品相比基本不变,而GGG和YGG变形样品的ABET则明显增加（增加了约一倍）.总体而言,在中低速范围内,孔隙水压条件下实验样品的ABET比干燥条件下的更大;显微结构观察揭示可能的原因在于:孔隙水的存在使得断层泥呈现分散式的剪切变形,更多的断层带物质卷入剪切变形,从而消耗相对更多的能量于颗粒磨碎过程之中,导致BET比表面积的增加因此比干燥条件下更加明显.对表面能的估算表明,颗粒磨碎所消耗的能量至多不超过摩擦力做功的8%,暗示着断层作用中颗粒磨碎所占的能量比例较低.