断层摩擦的过山车现象＊

Nadia Lapusta

岩石块体差异运动所造成的壳内断层是大部分地震的根源。在一个地震过程中，断层的两盘发生滑动，或者发生断错，导致地震破裂沿着该断层传播。与此同时，沿着断层面的摩擦力会阻止滑动。滑动过程中摩擦力的变化是断层行为随时间变化的一个决定性因素，且从另一方面来看，摩擦力还影响着地震的震级大小、烈度大小和地震动的分布范围。人们已经知道滑动速率在地震过程中是有变化的，但滑动速率是否影响以及如何影响摩擦力和断层行为，仍是一个有争议的话题。在Sone和Shimamoto的实验中［1］，将地震数据推断出的滑动速率应用到一条天然断层中的岩石样本上，实验所得的摩擦演化的过程与典型地震模型中的摩擦行为有所不同。

断层错动是一个复杂的过程，其中有各种因素互相作用。因此，人们对地震产生、传播和消减过程中的很多方面都认识甚少。然而，如果我们要确认哪些因素控制了地震成核和终止、地震复发，以及受地震影响地震动的范围，对这些方面的理解又是必要的。目前这方面的地震研究进步显著，人们提出了众多模型，解决了地震破裂传播和长时间地震滑动的问题［2－9］，但是现有模型并不能解释观测到的所有现象。因此，这些模型需要利用地震、大地测量学、地质学和实验室数据来不断进行完善。

断层摩擦，以及摩擦在滑动过程中的演化是地震行为模型中非常重要的部分。依据早期的理论，摩擦主要取决于滑移量。这是基于以下假定，即摩擦在达到一个固定值之前，随着断层滑动量的增加而呈线性减少特征。基于这个假定的模型仍被广泛应用［6］。但是，我们对断层摩擦的理解有了进一步发展［2，10］，实验室试验显示，摩擦同样也依赖于滑动速率和滑动过程［2，10］。快速滑动，近似于1m／s 的滑动速率 即地震中的滑移速度 已被证实能够导致摩擦显著减弱。但这也可能是由于剪切生热或是其他因素的作用所致［9，10］。

由Sone和Shimamoto主持的实验室试验［1］测试了随着加载时间变化的滑动速率对摩擦的作用，将我们对摩擦的理解往前推进了一步。研究人员模拟了两块岩石的相对运动，这两块岩石由当中夹着的断裂带物质区分为上下盘，该断裂带物质采自台湾车笼埔断裂破碎带。在实验中，滑动速率设置为早期随着时间增加，后期随着时间减少（图1a），以重现1999年台湾集集地震滑动速率的变化。这是该试验的独特之处，即采用了现实断层中的物质来进行具有变化的滑动速率的地震反演。

模拟结果显示，在不同的滑动速率作用下，摩擦系数首先增大，随后大幅减小，最后又有所增加（图1b）。这个摩擦演化过程与许多地震现象的理论和数值模拟获得的简单摩擦行为（图1c）非常不同。这些简单摩擦模型可能需要根据该实验室观测结果进行进一步的修正。

研究人员认为，他们试验中所发现的摩擦系数在早期的增加可能阻碍了断层的运动。这种摩擦行为可能阻止了小地震变为大地震，也可能对现实中众多的断层滑动特征和地震震级的生成有一定的贡献。此外，断层摩擦的峰值似乎还依赖于滑动速率的变化，这进一步体现了断层滑动的复杂性。

图1 摩擦的起伏变化。Sone和Shimamoto为了理解地震中滑动速率的影响而设计了断层摩擦实验［1］（a）；他们发现摩擦系数经历了一个早期增加，之后显著降低，最后又有所升高的过程（b）；这种摩擦行为与地震研究中常用的摩擦行为（c）非常不同；地震过程中滑动速率的真实变化可能要更为复杂［7－9］（d），且更难以在一个实验中实现

在这些实验中，摩擦系数这种早期增大，之后迅速减小，最后又增大的变化，导致了断层强化。这种摩擦行为与地震期间短时间内滑动脉冲沿断层传播模型一致［9－11］。地震反演［11］显示，这种短期滑动脉冲在真实断裂上是存在的。对速率依赖摩擦模型来说，若要产生短期滑动，断层仅需要相对于摩擦力峰值而言较低的平均剪切力［9，10］。由于地震仅能在局部应力大于静态摩擦力的情况下发生，因此该种行为造成的一个重要后果就是：地震只能在特殊部位发生。

实验结果有力地支持了断层摩擦力依赖滑动速率这一观点。实验结果还显示，在摩擦系数与滑动速率之间并不存在一一对应关系，这表明在断层行为中还存在着其他因素的作用。正如研究人员提到的，他们的发现有助于定性理解所谓的状态依赖摩擦准则［2，8－10］。在该关系中，摩擦依赖于滑动状态，以及滑动状态的变化。通过修改该摩擦准则的状态变化和演化方程，能够将该实验结果融入到数值模型中。这些数值模型在某种程度上还是与早期的实验工作相吻合的。

Sone和Shimamoto同时也提出了一个摩擦力、滑动量与滑动速率之间的数学关系［1］。但是，该数学关系在关于断层滑动的数值模拟中需要谨慎使用，因为该数学关系是与特殊的滑动速率演化，以及其他实验中的特殊参数紧密相连，因此不是普遍适用的。尤其在一般的地震深度（譬如，加利福尼亚3～15km）处，断层附近的挤压力比这些实验中所展示的要大得多。而且在该实验中滑动速率变化是基于低频次地震资料设置的。实际上，滑动开始时滑动速率的增长速度要比实验室数据快得多，滑动速率值也比实验室数据要高得多（图1d）。

在Sone和Shimamoto的实验中，有几个可能明显影响到断层摩擦的因素没有考虑到［1，2，5，7，9，10］。这些因素包括：断层破碎带内流体的作用；高压下断层物质的熔融作用；断层破碎带中物性参数的变化。然而，这些因素是否明显地影响断层行为，以及它们如何互相作用，需要更富有想象力和更精确的试验，通过重建地震深度上的断层破碎带的物性条件来进行确认。为了发现潜在的动态现象和验证地震模型，在实验模型设置上的创造性仍有很大发展空间［12］，以达到重建地震破裂传播过程的目的。这些实验能够直接模拟某种地震破裂特征，譬如极快的破裂速度，以及极大的滑动脉冲［11］。

综上所述，实验、理论和实际观测定性地勾画了地震期间的断层行为，但还有更多的内容需要研究。越来越多种类的相关摩擦实验 譬如Sone和Shimamoto的实验［1］

有望带来高质量的观测数据，高计算能力和精确的断层模型，以助于更好地认识地震现象。

译自：Nature Geoscience．2009，2：676－677原题：The roller coaster of fault friction

（中国地震局地质研究所，中国地震台网中心姚琪 译；中国地震局地质研究所 汲云涛校）

（译者电子信箱，姚琪：yqvoxelgeo＠163．com）

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