断层带流体对断层强度和强震孕育的影响＊

宋 娟 周永胜

1）中国石油大学（华东）地球科学与技术学院，青岛266580

2）中国地震局地质研究所，地震动力学国家重点实验室，北京100029

综述与评述

断层带流体对断层强度和强震孕育的影响＊

宋 娟1）周永胜2）

1）中国石油大学（华东）地球科学与技术学院，青岛266580

2）中国地震局地质研究所，地震动力学国家重点实验室，北京100029

大量研究表明，流体在断层弱化中起着非常重要的作用。在地壳浅部脆性域，自由水通过流体孔隙压力减小断层有效正压力，从而降低断层摩擦强度；在地壳深部，矿物中的微量结构水弱化岩石流变强度。另外，流体－岩石相互作用等化学过程，如长石水解反应，对断层强度的影响也非常显著。断层深部流体通过物理作用与化学作用影响着岩石的变形机制，从而影响断层力学性质与地震孕育和发生。断层内部流体孔隙压力周期性变化是断层带脆－塑性转化、裂缝张开与愈合等的直接体现，这种变化控制着断层强度与强震周期性发生现象。

断层强度；脆塑性转化；水岩反应；裂缝愈合；高压流体；强震孕育

图1 流体压力和应变速率对断层强度的影响［12］

引言

根据摩擦和流变实验得到地壳强度剖面显示，大陆地壳强度模型类似于“三明治”结构。其中，地壳脆塑性转化深度与地震深度分布具有很好的一致性，表明在脆塑性转化带之上，断层强度最大，最有可能形成强震；在脆塑性转化带内，岩石不具有发生强震的条件但可能发生余震；而在塑性变形层，基本不具备发生地震的条件。断层强度和脆塑性转化带深度除了受地壳物质组成、热流结构等的影响外，还与流体特征和应变速率相关［1］。如图1所示，流体压力增加，断层的摩擦强度降低，脆塑性转化带的深度增加；随应变速率升高，断层摩擦强度增大，断层脆塑性转化带的深度增加［13］。断层带这种随流体压力和应变速率的变化被认为与地震循环相关［4］。

断层深部流体通过物理作用与化学作用影响着岩石的变形机制，从而影响断层力学性质与地震孕育和发生［56］。然而，以往的研究更多的是关注流体孔隙压对断层强度的影响和矿物结构水对矿物塑性流变的弱化这两方面［1］，水岩反应对断层强度影响和在强震孕育中的作用研究相对比较少。由于地壳内部流体有多种存在形式，流体对断层强度影响是一个复杂的过程。针对这些问题，本文综述了地壳深部流体存在状态、流体对断层强度弱化的物理和化学机制、流体对强震孕育与发生的影响等研究进展，讨论流体在强震孕育发生中的重要性。

图2 地壳流体压力模型［15］

1 地壳深部流体存在状态

大量研究表明大陆上地壳含有连续的自由水［78］，也存在结晶水和结构水。上地壳水主要以自由水的形式存在。上地壳通常存在的含水矿物（如角闪石等）中的水一般为结晶水和结构水。以长英质岩石为主的中地壳，岩石中的水主要赋存在含结构水的矿物中。此外，名义上的无水矿物如石英、长石和辉石等也不同程度地含有微量结构水［913］。

在大陆下地壳，目前还没有水存在的直接证据，主要证据来源于岩石学和实验岩石学。岩石学研究表明，下地壳麻粒岩中的无水矿物（如辉石）在稳定的封闭环境下会很快与水发生退变反应，这种反应吸干了能够获取的水分，并留下孤立的盐和CO2，使得水分压受到化学平衡的制约，从而不大可能存在连续的自由水［1416］。但出露于地表麻粒岩的主要矿物中［1718］和单斜辉石在变质反应中［19］都有H2O—CO2包裹体及盐水包裹体。而以麻粒岩为主的下地壳也发现存在一定的结构水［2021］。这些结构水主要赋存于矿物包裹体、晶体缺陷中［9－12，22－25］或出现在晶体颗粒边界［26］。

高温高压实验岩石学也提供了相关的证据：如，天然的和热压合成的斜方辉石中HO－1的扩散作用［27］、单斜辉石岩、角闪岩和玄武质岩石的熔体中水含量的测定和水在基性岩及其熔体中的溶解实验表明，斜长石与单斜辉石和玄武岩浆中可以溶解一定的自由水和HO－1，而且水的溶解度随岩浆成分和压力条件而变化，其中斜长石比辉石溶解水的能力高。溶解了一定水的岩浆在结晶过程中会把水带入到晶体中，以矿物粒间或包裹体中的自由水、矿物的结晶水和结构水等形式存在。因此，由玄武质基性岩及麻粒岩构成的大陆下地壳可能有微量水，它们以矿物包裹体中的自由水、矿物晶体中的结晶水或结构水（氢氧根离子）等形式存在于岩石中。

根据地壳含水情况，提出2种地壳流体压力模型：水饱和地壳模型与干下地壳模型［15］。如图2所示，地壳浅部水流体孔隙压等于静水压，在地壳深部水饱和地壳模型流体孔隙压最大只是静岩压状态。如果地壳深部是无水的干地壳，则流体孔隙压小于静水压，低至静水压为零。根据有效压力定律，此时断层强度相当高。

图3 不同流体压力条件下龙门山构造带的地壳流变结构［3］

2 流体对断层强度的影响

流体在断层弱化中起着非常重要的作用，流体（水）对断层所起的弱化作用既有物理效应，也有化学效应。在地壳浅部脆性域，自由水通过流体压力减小断层有效压力，降低断层摩擦强度；在地壳深部，矿物中的微量结构水弱化岩石流变强度。另外，流体－岩石相互作用，特别是水岩反应等化学过程对断层强度的影响也非常显著。

2.1 流体压力降低断层摩擦强度

有效压力定律：

其中Pf为流体孔隙压力，Pn为断层正应力，μ为断层摩擦系数。

根据有效压力定律，流体压力会降低断层有效压力，因此，如果断层带内存在非常高的流体压力，会显著降低断层带的有效正应力，在摩擦系数不变的条件下，断层的摩擦强度降低。例如，在不同流体压力条件下给出的龙门山构造带的断层摩擦强度（图3，直线所示）。与静水压条件相比（图3b），流体孔隙压为静水压的2倍时（图3a），断层的摩擦强度显著降低，而在没有流体孔隙压时，断层的摩擦强度相当高［3］（图3c）。显然，流体孔隙压对断层摩擦强度有明显的弱化作用。

2.2 矿物中微量结构水对断层流变强度的弱化作用

石英、长石和辉石等名义上的无水矿物也不同程度地含有微量结构水。而以麻粒岩为主的下地壳也发现存在一定的结构水［20，21］。周永胜等［28］利用傅里叶变换红外吸收光谱仪（FTIR），对红河断裂带中地壳韧性剪切带中的细粒长英质糜棱岩和条带状花岗片麻岩中的主要矿物石英、长石进行了水含量分析，结果表明，石英和长石中的水以晶体缺陷水为主，并且含有颗粒边界水和包裹体水。这与Kronenberg和Gleason研究样品中石英和长石研究结果［29，30］类似。

大量流变实验研究表明，结构水对矿物和岩石流变具有显著影响［9，3134］。根据流变参数计算的石英、长石和花岗岩的流变强度显示［34］，含水岩石或矿物的流变强度显著降低（图4），其中，含水石英和长石比干的石英和长石流变强度显著降低；含水花岗岩与干花岗岩流变强度相比也显著降低。显然，即使矿物中的微量结构水对断层流变强度的弱化作用也是非常显著的。

图4 干的、含水石英、长石、花岗岩的流变强度比较［35］

图5 长石的水解反应相图［37］

2.3 水岩反应的产物降低了断层强度

在高温高压条件下，水除了对矿物具有溶解和沉淀作用外，水与岩石会发生化学反应，即水－岩反应。水岩反应对断层强度降低表现在两方面：反应生成云母等低摩擦系数的矿物，降低了断层的摩擦强度；同时，这些水岩反应的产物在高温下也具有较低的流变强度。

断层构造岩研究发现［3640］，在断层带内，通过水岩反应会产生大量含水的层状或环状硅酸盐矿物，如橄榄石变成蛇纹石与滑石；辉石变成角闪石、绿泥石、阳起石等；长石变成石英＋云母＋角闪石＋绿帘石等。靖晨等［41］通过对映秀—北川断裂南段的韧性剪切带中变形花岗岩的化学成分与剪切变形关系的研究发现，随着矿物变形的增强，导致SiO2、K2O降低，Fe2O3、CaO、MgO增加，这说明长石含量降低，铁镁质矿物含量增多，据此推断长石经水解反应发生云母化。

水岩反应中长石的水解反应最普遍（图5）：

方程（1）钠长石水解反应生成白云母和石英。3K－feldspar＋2 H＋＝muscovite＋

方程（2）钾长石也可以水解反应生成白云母和石英。

方程（1）和（2）表明，钾长石、钠长石和白云母3者之间的反应方向受水、Na＋、K＋含量的控制（图5a）。在富含水的碱性条件下，长石发生水解反应，生成白云母；反之，在缺水的碱性条件下，白云母脱水生成长石。

方程（4）—（7）表明，钾长石、黑云母、绿泥石、金云母、白云母之间的反应受水、Mg＋、K＋含量的控制（图5b）。在低镁富含水的条件下，长石发生水解反应，生成白云母，在高镁富含水的条件下，长石、黑云母发生水解反应，生成绿泥石；反之，在缺水的条件下，白云母或绿泥石脱水生成长石。

长石水解反应生成云母类矿物，既可以降低断层的摩擦强度，也可以降低断层的流变强度。实验研究表明（图6），断层泥中随云母或粘土矿物含量增加，断层摩擦系数迅速降低［3］。因此，由富含云母的断层岩组成的断层，其摩擦强度显著降低［36，4244］。

图6 高温高压实验得出的不同矿物和岩石的摩擦系数［3］

通过对比长石、石英、云母的流变强度和脆塑性转化深度（图7）得出，与具有较高流变强度的长石和石英相比，富含云母的岩石的流变强度显著降低，脆塑性转化深度变浅。对断层岩研究表明，在断层脆塑性转化域，高温流体与长石类矿物发生水岩反应，长石水解生成云母类矿物。这种水岩反应可以导致断层岩石强度至少降低一个数量级［36，44］。

图7 不同矿物的流变强度和脆塑性转化深度对比［37］

3 流体对强震孕育和发生的影响

3.1 高压流体存在的证据

地球物理学、地球化学、地质学等多种数据表明断裂深部普遍存在流体。虽然很多人提出断层带具有超压流体［46，47］，但大部分仅给出了模型。高压流体存在的直接证据来自于石英、长石中流体包裹体研究［2，38，40］，以及各种被愈合了的裂缝［48］。Kuster和Yonkee分别对西阿尔卑斯Sesia地区的逆冲型韧性剪切带和犹他州Sevier造山带中逆断层中变形石英的研究表明，石英内含有流体包裹体，并发现了在脆塑性转化带附近存在接近静岩压力的高压流体的证据［2，39］。韩亮对映秀—北川断裂南段韧性剪切带中变形花岗岩研究表明，石英含有4种流体包裹体，根据流体包裹体的捕获温度、压力，得到中地壳断层带内存在流体压力系数约0.9的高压流体［49］。

3.2 高压流体形成机制

断层带中的裂隙是流体渗流的主要通道，裂隙的渗透率决定了断层带流体的压力，断层带中存在高流体压力需要断层有特殊的封闭水的机制断层裂隙愈合。周永胜等［3］研究认为断层愈合作用是断层带局部高压流体形成的主要机制，裂缝愈合既有物理过程，也有化学作用过程。

对断层带构造岩研究表明，断层带不同的变形域（不同深度），断层愈合的机制有差别。Gratier给出3种断层脆性域裂隙愈合的主要机制［50］，如图8所示，第1种为在矿物表面能驱动下的裂隙自愈合方式（图8a），但此愈合方式仅仅局限于几μm宽的小裂隙中。一般而言，断层带内大多数裂隙的愈合都伴随着矿物的溶解—沉淀。第2种为在应力驱动下的溶解—沉淀机制，即压溶蠕变机制（图8b），此机制下形成的封闭系统从几mm到几百m不等。第3种机制是在断层浅部，流体随着其高压消失而向上排出，原先溶解于高压流体中的矿物质（岩盐、方解石、石英等）在裂隙中析出结晶，形成脉体，愈合了断层带中的裂隙［40，51］（图8c）。

图8 裂隙愈合的主要机制［50］

而在脆塑性转化－塑性域，断层带中的长石发生水解反应也是裂缝愈合的机制之一。长石在流体作用下发生水解，生成的含水矿物绿泥石、绿帘石、白云母等逐渐愈合了断层［36，40］。

此外，动态和静态重结晶作用，也是裂缝愈合的主要机制［4，54］。韩亮等［48］发现，在映秀—北川断裂带南段出露的韧性剪切带岩石中有两期脆性裂缝，而早期脆性裂缝被以动态重结晶方式变形的石英脉愈合，这指示了溶解在流体中的石英在动态重结晶作用下愈合了脆性裂缝，证实了石英的动态重结晶作用是断裂脆塑性转化带内裂隙愈合的重要机制。Trepmann［54］通过高温高压实验，研究石英动态重结晶作用与静态重结晶作用对微裂隙愈合的影响，并给出了动态和静态重结晶作用愈合裂隙的地质证据。韩亮等［48］采用Carrara大理岩样品开展了脆塑性转化－塑性变形条件下微裂隙愈合的高温高压模拟实验，结果表明，动态重结晶作用是断层带微裂隙和孔隙愈合的重要机制之一。这种愈合作用导致裂隙的渗透性降低，有利于断层深部形成高压流体。

3.3 流体在地震循环周期中的变化

在多个地表出露的塑性变形岩石中，叠加了脆性破裂，而这些脆性破裂又被塑性变形的石英愈合［4，48，53］。这种塑性－脆性－塑性转化和裂缝愈合过程被认为与地震循环和流体压力变化相关［4，54］（图9）。

图9 地震前后断层流体含量及强度随时间的变化［4］

在强震发生前和同震加载阶段，断层深部存在接近静岩压力的高压流体，导致断层有效正压力极低，断层突然滑动，发生地震。由于同震和震后滑移阶段，应变速率增加，断层脆塑性转化深度也增加（图1），原来处于塑性变形的岩石，发生了脆性变形，形成脆性裂缝。地震发生后，脆性域的断层及其周围岩石裂隙张开，地震前积累的高流体压力转变为静水压。随着流体高压消失，流体向上排出，原先溶解于高压流体中的矿物质（岩盐、方解石、石英等）在裂隙中析出结晶，形成脉体，愈合了浅部断层带中的裂隙［41，51，52，5658］。在间震期，由于应变速率逐渐恢复到正常水平，处于脆塑性转化带的石英，在低应变速率条件下发生震后蠕变，断层有脆性变形转化为塑性变形，不仅断层强度逐渐降低，而且同震形成的裂缝通过动态重结晶作用被愈合，而长石发生水解反应也会加速裂缝愈合。因此，随着裂缝愈合程度增加，断层带内的流体压力逐渐增大，这为高压流体形成奠定了基础［28］。流体压力、断层强度、脆塑性转化会随断裂带的破裂及愈合而周期性地变化，这可能与地震的孕育及循环机理有关［4，50，54］。

龙门山断裂带古地震研究［58，59］揭示出，至少发生过两次类似汶川地震的大地震事件。据此推断汶川MW7.9地震发生过多次，这种强震循环发生与发震断层深部流体压力高低变化相关。

周永胜等［3］对汶川地震发震断层高角度逆冲滑动的力学条件的分析提出，高孔隙流体压力很可能是触发断层滑动发生强震的重要原因。断裂带既可作为流体的通道，又可作为阻碍流体运动的障碍［46，60］。如果断层内部有流体，而且渗透率很高，流体压力最大只是静水压状态。但在很长的间震期，处于脆塑性转化带的岩石，在岩石塑性变形、压溶、静态重结晶、水岩反应等作用下，地震形成的断层和微裂缝逐渐被愈合，把断层深部的流体密封，断层愈合后流体压力逐渐增加，形成接近于静岩压的流体压力。当流体压力达到静岩压时，断层突然滑动，出现大的应力降，发生强震。地震发生后断层裂缝张开，渗透率增大，流体压力降低到静水压状态。随着断层逐渐被愈合，流体压力又一次逐渐增大，孕育下一次强震。地震就这样周而复始地发生，但由于断层愈合需要的时间随地震发生次数增加而延长，导致地震复发时间间隔延长［28］。

4 红河断裂带构造岩研究揭示出的断层带流体对断层强度的影响，及其对强震发生的启示

断层塑性—脆性—塑性转化与地震循环、裂缝愈合和流体压力变化等都是通过局部露头和实验给出的，缺少一个完整的研究实例。而红河断裂带中的塑性变形岩石，为这种研究提供了真实的场所。

Wintsch对红河断裂带出露的塑性变形岩石的微观结构和成分分析表明［37］，岩石变形机制既包含了脆性破裂，也含有水岩反应和塑性变形，并给出岩石变形和水岩反应的可能路径，如图10所示。露头岩石在地质抬升的过程中经历5个变形阶段：第一阶段，反应－蠕变阶段：在高温低应变速率和含流体条件下，长石和石英发生塑性流变，形成叶理化片岩和片麻岩，同时，长石水解生成黑云母和绿泥石；第二个阶段：在抬升过程中，随应变速率增大，岩石出现碎裂，对应于地震事件；第三阶段：在深度不变（温度、压力恒定）条件下，岩石发生水岩反应和蠕变，岩石逐渐糜棱岩化，这时流体的存在弱化了岩石的强度，这对应于间震期低应变速率和裂缝愈合阶段；第四阶段，在深度基本不变的条件下，岩石出现碎裂，并且云母等脱水反应，形成长石、石英脉体，充填愈合了裂缝，这对应于同震和震后蠕滑阶段；第五阶段：在缓慢抬升过程中，岩石在水作用下发生压溶蠕变，在间震期断层浅部的压溶蠕变和裂缝愈合。

周永胜等［28］对红河断裂带中的细粒长英质糜棱岩和条带状花岗片麻岩中的主要矿物石英、长石进行了水含量分析，结果表明石英和长石中的水以晶体缺陷水为主，并且含有颗粒边界水和包裹体水。中地壳长石和石英中存在的微量水对岩石变形有弱化作用，容易引起岩石塑性变形，形成韧性剪切带及其细粒糜棱岩［30，31，33，34］。这和Wintsch给出的第三阶段变形和岩石糜棱岩化过程相吻合［37］。

红河断裂带塑性变形岩石的变形、化学反应、流体特征及其对强震孕育发生的例子表明，流体对断层强度和强震孕育的影响既有物理效应，也有化学效应，需要把物理、化学效应综合起来进行研究。因此，开展野外断层脆塑性转化－塑性变形样品变形和化学成分分析研究，结合高温高压实验，是深入研究这一问题的有效途径。

图10 红河断裂塑性变形岩石的变形－反应路径［37］

致谢：感谢审稿专家对本文提出的有益修改建议。

（作者电子信箱，宋娟：songjuan95＠126.com）

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AbstractFluid plays a very important role in weakening behavior of fault.In the shallow crust with brittle deformation，the pore fluid pressure from water decreases effective normal pressure and friction strength of fault.In the deep crust，the trace structure water in minerals weakens rheological strength of fault.Besides，fluid－rock interactions，especially the chemical process，such as feldspar hydrolysis reaction，have a significant influence on fault strength.The fluid in the deep fault zones affects the deformation mechanism through the physical and chemical action，which controls fault mechanics properties and earthquake gestation.The periodic changing of pore fluid pressure in fault zone is the reflection of brittle plastic transition，fractures opening and healing.These processes control the fault strength，and lead to strong earthquakes occur periodically.

Effect of the fluid to fault strength and strong earthquake gestation

Song Juan1），Zhou Yongsheng2）
1）China University of Petroleum，Qinghai 266555，China
2）State Key Laboratory of Earthquake Dynamics，Institute of Geology，CEA，Beijing 100029，China

fault strength；brittle－plastic transition；water－rock reaction；fracture healing；high pore fluid pressure；strong earthquake g estation

P315；

A；

10.3969／j.issn.0235－4975.2013.12.003

2013－07－01；

2013－07－08。

国家自然科学基金项目（40972146）和地震动力学国家重点实验室自主课题（LED2009A01）资助。