岩石高速摩擦实验的进展

马胜利 姚 路 嶋本利彦 東郷徹宏侯林锋 王 羽

1)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

2)日本产业技术综合研究所，日本筑波 305－8567

3)浙江省地震局，杭州 310013

4)中国科学院上海技术物理研究所，上海 200083

0 引言

岩石摩擦实验是断层力学和震源物理实验研究中的主要手段之一。Brace等(1966)基于岩石摩擦实验提出断层的粘滑可作为一种地震机制，开创了地震机制研究的新纪元。基于大量传统低速率岩石摩擦实验结果得到的拜尔利定律(Byerlee，1978)，为建立岩石圈强度结构提供了重要约束，而在此基础上进一步建立的速率－状态变量摩擦本构关系(Dieterich，1979;Ruina，1983)，则成为研究断层滑动稳定性与地震成核等问题的重要基础。因此，国内外学者围绕岩石低速摩擦滑动开展了大量研究，取得了丰硕的成果。地震动力学国家重点实验室的主要创建者马瑾院士在国内率先系统开展了岩石摩擦实验(Ma et al.，1987)，并组织领导实验室发展岩石摩擦实验技术。实验室先后建成了可开展中尺度岩石摩擦的双轴摩擦实验装置和气体介质高温高压摩擦装置，并分别在断层滑动失稳与物理场演化(Ma et al.，2001，2002，2003;Zhuo et al.，2013)、中下地壳岩石摩擦性状(He et al.，2006，2007，2013;Lu et al.，2014)方面取得了一系列成果。最近20年来，随着实验技术的发展，用于模拟断层同震动态滑动的岩石高速摩擦实验得以迅速发展(Shimamoto et al.，1994;Goldsby et al.，2002)，并取得了大量实验成果(Di et al.，2011;姚路等，2013)。这种新的实验模拟方法为实验室模拟地震提供了可能(Shimamoto et al.，2012)，相应的研究成果对于认识和评估断层同震弱化机制、断层带强度、地震能量分配、断层破裂模式和断层愈合等问题均具有重要的启示。鉴于高速摩擦实验对断层与地震力学研究的重要性，近年来，地震动力学国家重点实验室建设了岩石高速摩擦实验装置，并结合汶川地震断层带力学性质研究，对龙门山断裂带断层泥开展了一系列高速摩擦实验。本文简述实验室在此方面的主要进展，并基于对实验装置现状和现有成果的分析，展望进一步的研究工作。

1 旋转剪切低速－高速摩擦实验装置

国际上已有十多个实验室先后建立了岩石高速摩擦实验装置，地震动力学国家重点实验室于2010年建立了由Shimamoto设计、日本Marui公司研制加工的旋转剪切低速－高速摩擦实验装置，关于该装置的技术细节以及与国际同类设备的对比，已有专文报道(Ma et al.，2014)，本文仅简单介绍装置的基本组成和性能。

旋转剪切低速－高速摩擦实验装置如图1所示。该装置主要包括伺服马达系统、变速系统、轴压加载系统、孔隙水压系统、控制测量系统以及数据采集记录系统等(图1b)。实验主机高3.2m，22kW的伺服马达(扭矩可达14Nm)和齿轮/皮带变速箱安装于机身顶部;旋转记录器通过同步皮带轮与主旋转轴相连，记录转速、累积转数和旋转角;轴向载荷通过一个最高达10kN的气缸自底部向上施加，气体的高压缩性可以保证轴压杆在样品压缩或扩容时实时响应，使得正应力的波动范围为1%～2%;扭矩计由悬臂和一对载荷传感器组成，其中悬臂的中心通过一个滚珠花键同轴压杆相连(图2a)，轴压杆下部又通过一个推力轴承与轴压缸相连，由此实验过程中样品的摩擦力扭矩经过轴压杆传递到扭矩计上进行测量;样品的轴向缩短或扩容可以由底部的轴向位移计进行精确检测。所有观测物理量的采集记录均由一个32通道的通用记录器来完成。

旋转剪切低速－高速摩擦实验装置最重要的特征是具有宽广的滑动速率范围，它是通过伺服马达和齿轮/皮带变速系统来实现的。伺服马达转速1～1 500rpm，齿轮/皮带变速系统有3个速率设置范围，系统包括一个中心主转轴和4个变速辅助转轴(图2b)，其中后排3个辅助转轴中的左转轴和中心转轴分别装配有降齿比为200︰1和375︰1的减速齿轮箱。这些旋转轴通过皮带或齿轮相连，并通过5个电磁离合器(图2b中的EC－1至EC－5)和2个内超越凸轮离合器(图2－2b中CC－1和CC－2)来耦合或解耦连接，从而实现低速、中速和高速档位的切换。其中5个电磁离合器的使用可在不停止马达的情况下改变滑动速度，产生103或106的速度突变;2个内超越凸轮离合器的使用可产生5倍的速度台阶，而通过改变电压可使马达在0.127～0.2s内转速从0增加到1 500rpm。这样，伺服马达转速和齿轮组合的改变可产生9个数量级以上速度的变化，对于该装置常用的直径为40mm的圆柱样品，滑动速率范围为44mm/a至2.1m/s，覆盖了从板块运动速率到地震滑动速率的范围。其中可模拟断层同震滑动的高速摩擦功能的实现，填补了实验室的技术空白，为系统研究断层摩擦性状与地震机制提供了有效的实验平台。

图1 地震动力学国家重点实验室旋转剪切低速－高速摩擦实验装置Fig.1 The rotary-shear low to high velocity frictional testing machine at State Key Laboratory of Earthquake Dynamics.

该装置的另一个特点是样品腔空间较大，因而可变换样品组合，配置压力容器。目前该装置已成功配置了一个压力容器(图2c)，压力容器与水容器或气体瓶(N2、Ar和H2)连接，通过一个气体增压器提高流体压力，目前设置的流体压力上限为35MPa。对于置放于容器中没有密封套的实验样品，流体压力的作用相当于孔隙压力。因此，该装置具有研究孔隙压力对断层摩擦性质影响的功能，这也是国际上为数不多的能够在高速滑动条件下研究孔隙压力作用的实验装置(Ma et al.，2014)。

2 龙门山断层带断层泥的高速摩擦性质

为了研究龙门山断裂带的力学性质及其与汶川地震发生的关系，地震动力学国家重点实验室沿汶川地震同震地表破裂带选择了8个断层露头，并配合探槽和浅钻，揭示断层带的内部结构与同震滑动带特征，在此基础上采集断层岩样品，进行成分和微观结构分析，开展各种物理力学性质的实验研究，其中利用实验室新建的旋转剪切低速－高速摩擦实验装置开展高速摩擦性质研究是重要的内容之一。迄今为止，对破裂带北段的平溪矿坪子剖面(Yao et al.，2013a，b;Chen et al.，2013a)、破裂带中断的茶坪肖家桥剖面(Hou et al.，2012)和擂鼓镇赵家沟剖面(Chen et al.，2013b)、破裂带南段的虹口深溪沟(Wang et al.，2014)和八角庙(Togo et al.，2011)等5个断层露头的8种断层泥高速摩擦性质进行了不同程度的实验研究。关于旋转剪切低速－高速摩擦实验装置的具体实验方法见姚路(2013)。

图2 旋转剪切低速－高速摩擦实验装置的近距离特写照片Fig.2 Close-up photographes of the rotary-shear low to high velocity frictional testing machine.

2.1 断层泥的高速摩擦强度

高速滑动时的摩擦强度是高速摩擦实验最基本的参数，也是影响同震破裂扩展的重要因素，因此大多数实验工作以此为核心展开。图3展示了1组在自然干燥的条件下典型的断层泥的高速摩擦实验结果。实验样品为平溪矿坪子断层露头上的灰黑色断层泥，是该露头上分布的黄色、黑色和灰黑色3种断层泥中的1种，并且汶川地震滑动带发育在该断层泥中(Yao et al.，2013a)。由图3a可见，灰黑色断层泥具有明显的滑动弱化特征，即摩擦系数随着滑动位移的增加从峰值摩擦向稳态摩擦演化;随着滑动速率增加，滑动弱化现象更为显著，即稳态摩擦系数更低，演化到稳态摩擦所需的位移更小;高速率下的滑动弱化符合负指数衰减型(Yao et al.，2013a)。由图3b可见，在接近同震滑动速率(1.4m/s)的条件下，不同正应力下均表现出显著的滑动弱化现象，且稳态摩擦系数趋于一致，但随着正应力增加，达到稳态摩擦所需的滑动距离减少，即断层滑动弱化的过程更短。

根据实验曲线可获得每种断层泥的峰值摩擦系数μp、稳态摩擦系数μss、滑动弱化距离Dc、比破裂能EG及其随滑动速率v、正应力σn的变化情况，对同一露头不同断层泥摩擦参数的比较可揭示露头尺度断层性质的均匀性，而对不同露头断层泥摩擦参数的比较则可揭示断层带尺度摩擦性质的均匀性。这里我们仅仅考察对断层破裂过程有重要影响的摩擦强度在龙门山断层带的分布情况。图4是汇集现有实验结果(Togo et al.，2011;Hou et al.，2012;Yao et al.，2013a;姚路，2013;Wang et al.，2014)得到的5个露头共计7种自然干燥断层泥在不同滑动速率下的摩擦系数(正应力为1.0MPa)，可见，不同断层泥的峰值摩擦系数存在较明显的差异，虽然多数样品具有速度弱化的趋势，但速度弱化的程度明显低于稳态值随速度的变化，考虑到低速摩擦下获得的摩擦系数随黏土含量增加而减小的实验结果(Zhang et al.，2013)，峰值摩擦的差异可能由断层泥矿物组成的不同而引起;但7种断层泥的稳态摩擦系数相差不大，显然与断层泥矿物组成无关，且均随滑动速率增加而显著减小，在接近同震滑动速率(m级/s)时，稳态摩擦系数仅为0.1～0.2。采用虹口八角庙露头滑动带内断层泥进行的含水高速摩擦实验的初步结果(Togo et al.，2014)表明，水的存在可使稳态摩擦系数降至0.03左右。

图3 平溪矿坪子灰黑色断层泥的摩擦系数－位移曲线(据Yao et al.，2013a)Fig.3 Curves of friction coefficient versus displacement for gray blackish gouge from Kuangpizi，Pingxi(after Yao et al.，2013a).

图4 龙门山断裂带断层泥峰值摩擦系数和稳态摩擦系数与滑动速率的关系Fig.4 Friction coefficient plotted against slip rates for gouges from Longmenshan Fault zone.

上述结果表明，尽管龙门山断层带断层泥低速率下的摩擦强度和峰值强度具有明显的非均匀性，但高速稳态摩擦强度具有很好的一致性，断层在高速滑动下显著的滑动弱化必定在汶川地震中极大地促进了破裂的传播。断层泥高速滑动时的低摩擦系数，特别是含水情况下极低的摩擦系数可为汶川地震断层观测到的极低的温度异常提供解释(Togo et al.，2014)。

2.2 断层高速滑动显著弱化的主导机制

如何理解龙门山断裂带断层泥在高速滑动下显著弱化的机制?根据已有研究成果，造成断层泥高速滑动弱化的可能机制包括凹凸体急剧加热、热压作用以及纳米颗粒滚动润滑等弱化机制。为此，围绕这3种可能的机制进行了实验研究。

采用虹口八角庙露头黑色断层泥样品(主要成分为伊利石和石英)开展了极薄(0.1～0.14mm)和常规厚度断层泥(1.0～1.4mm)的高速摩擦对比实验，实验结果揭示薄层断层泥的剪切滑移能够更快地弱化断层，而且断层出现显著滑动弱化，滑动速率也低得多。较薄的断层泥带意味着较大的应变率和生热率，因此上述实验结果表明断层弱化对摩擦生热极为敏感(姚路，2013)。为了检验上述结论，采用具有不同热导率的黄铜、不锈钢、钛铝钒合金、辉长岩等作为围岩柱对虹口八角庙露头断层泥样品开展了高速摩擦实验。结果表明(图5a)，断层泥的高速摩擦滑动性状与围岩的热导率呈现出较好的相关性，从黄铜、不锈钢、钛铝钒合金、到辉长岩，随着围岩热导率的减小，断层弱化速度明显加快，其中热导率接近的钛铝钒合金和辉长岩作围岩的实验结果极为相似。黄铜作围岩的实验中仅观察到微弱的滑动弱化，温度测量和计算表明这与黄铜的高热导抑制了断层带的急剧升温有关，表明断层带中由摩擦生热导致的快速升温在断层高速滑动弱化中起着主导作用。

图5 采用不同材料作围岩时断层泥的高速摩擦实验结果(据Yao et al.，2014)Fig.5 Experimental results at high-velocity friction for gouges with different materials as wall rock(after Yao et al.，2014).

作为对比，采用上述4种围岩柱对纯石英模拟断层泥样品开展了相同的实验，实验结果表明(图5b中的4条实线)，随着围岩热导率的减小，断层泥也逐渐表现出滑动弱化现象，再次说明断层带摩擦生热在滑动弱化中起着主导作用。但与图5a对比可见，除了高热导的黄铜，另3种材料作为围岩时富含伊利石和石英的断层泥在同等条件下比纯石英更弱，这暗示着与黏土矿物脱水相关的热压作用也对断层弱化有明显作用，即断层高速摩擦增温使得黏土矿物脱水，引起孔隙压迅速增加，导致断层弱化。为了对此进行检验，采用黄铜作为围岩，对水饱和石英断层泥进行了高速摩擦实验，由图5b中的虚线可见，断层出现了明显的滑动弱化。对比用黄铜作围岩时干燥和水饱和条件下的实验结果可知，断层带高速摩擦增温导致孔隙水压迅速增加是断层弱化的机制。显然，对于黏土矿物普遍存在的天然断层泥，凹凸体急剧加热以及与黏土矿物脱水相关的热压作用均在断层高速滑动弱化中发挥着重要作用。

由于地震断层带及高速摩擦实验变形带中存在纳米级断层泥，因此纳米级断层泥滚动润滑机制被认为是弱化的可能机制。利用黄铜作围岩对纳米氧化镁开展的高速摩擦实验表明，在升温受抑制的情况下，即使是纯纳米颗粒物质也不能显著地弱化断层(姚路，2013)，表明纳米颗粒的滚动润滑机制并非断层高速滑动弱化的主要机制。

2.3 地震断层带的强度恢复性质

Slide-Hold-Slide(SHS)实验是研究断层愈合和强度恢复性质的主要实验方法，对采自断层露头的断层泥进行了SHS实验，以期了解龙门山断裂带在汶川地震之后的强度恢复过程。在每个实验中，第1次滑动持续约10s，第2次滑动在保持一定时间后重新开始，实验中进行了温度测量和计算。根据实验数据，将实验保持过程中摩擦系数的增加Δμ定义为第2次滑动的峰值摩擦系数与第1次滑动稳态摩擦系数之差，即 Δμ=μp，2ndμss，1st，可获得摩擦随保持时间的变化(Yao et al.，2013b)。图6是平溪矿坪子灰黑色和黄色断层泥SHS实验结果，可见，断层摩擦的愈合Δμ随保持时间th的增加而增加，总体表现出分段半对数线性增长趋势，即断层在经历高速滑移显著滑移弱化之后，能够在5～10s内快速恢复大部分的强度(摩擦系数增加约0.4)，之后是与时间对数成正比的缓慢愈合。温度计算表明初始快速的强度恢复与断层带温度的快速降低有关(Yao et al.，2013b)。对虹口深溪沟黑色断层泥开展的SHS实验获得了相似的结果(Wang et al.，2014)。

断层强度的恢复速度对于大地震之后余震的分布有一定的控制作用，强度的快速恢复是同震主破裂带余震减少的原因之一。此外，断层从动态滑动显著弱化状态中快速恢复大部分强度的时间尺度仅为5～10s，小于一般大地震的上升时间，从而有利于地震破裂以自愈合滑动脉冲方式扩展。

图6 平溪矿坪子灰黑色(GBG)、黄色断层泥(YG)及深溪沟黑色断层泥(BG)的SHS实验中Δμ与保持时间t h对数之间的关系Fig.6 Δμ plotted against the hold time on the logarithmic scale in SHS experiments for grayish black gouge(GBG)and yellowish gouge(YG)from Kuangpingzi，Pingxi，and blackish gouge(BG)from Shenxigou.

3 近期研究工作展望

旋转剪切低速－高速摩擦实验装置的建立，拓展了实验室岩石摩擦实验技术，提升了断层与地震力学研究的能力，并在地震断层带力学性质研究方面取得了新进展。但无论从实验装置的功能、还是从研究工作的深度来看，都有很大的提升空间，而与此相关的问题将是近期研究的主要方向。

旋转剪切低速－高速摩擦实验装置目前仅限于在常温下进行实验，且最大正应力仅8MPa(按直径为40mm的实心样品计算)，因此仅适合于研究地壳浅部断层的摩擦性质。对于地震机制和地震物理－化学过程研究，需要了解断层在不同深度层次的摩擦性质及其转换关系，因此，需要对该设备进行改进和完善，扩展其实验条件和功能。一是研制新的轴向伺服控制系统，使正应力达到100MPa左右，以便研究地壳深部断层的摩擦性质;二是增配新的高温高压容器(温度～500℃、孔隙压～70MPa)，以便研究超临界水的影响;三是改进剪切应力的控制方式，以便更好地模拟地震加载过程。

关于龙门山断裂带高速摩擦性质的研究，目前主要限于对干燥断层泥的研究，初步研究已经揭示了水对摩擦强度影响显著(Togo et al.，2014)，因此需要系统研究水对断层泥高速摩擦的影响。更重要的是，随着实验装置功能的扩展，需要将研究范围从断层泥扩展至碎裂岩和糜棱岩，全面了解龙门山断裂带在不同深度上的高速摩擦性质，为深入理解地震机制、模拟地震过程提供依据。除龙门山断层外，还应选择伴有强震活动的典型的走滑断层带、正断层带开展研究，为全面认识地震断层带的力学性质提供基础。

目前对岩石高速摩擦性质的认识主要来源于常温、干燥条件下的实验结果，孔隙压力的影响刚刚开始研究，而环境温度的影响尚未考虑。我们利用前述旋转剪切低速－高速摩擦实验装置在控制孔隙压力条件下研究了辉绿岩和石英岩的摩擦性状(Togo et al.，2013)，表明孔隙压力对摩擦速度依赖性影响显著。因此，在增配高温高压容器后，有必要系统开展水热作用条件下的高速摩擦实验，检验和发展目前对岩石高速性质的认识，为断层力学与地震破裂过程研究提供坚实的物理基础。

4 小结

为了深化断层与地震力学研究，地震动力学国家重点实验室建设了一套旋转剪切低速－高速摩擦实验装置，可开展滑动速率介于板块运动速率(cm/a量级)至地震滑动速率(m/s量级)的岩石摩擦实验，其中高速摩擦性能填补了实验室的技术空白。以此为依托，围绕汶川地震断层带力学性质研究，开展了一系列高速摩擦实验。结果表明:龙门山断裂带断层泥的高速摩擦性质具有一致性，其高速滑动下显著的滑动弱化必定在汶川地震中极大地促进了破裂的扩展;断层弱化的主导机制是与摩擦生热相关的过程，包括凹凸体急速加热弱化和黏土矿物脱水促进的热压作用;断层泥在经历高速滑动弱化之后摩擦系数可在5～10s内恢复0.4，断层强度的快速恢复是同震主破裂带余震减少的原因之一。近期实验室岩石高速摩擦研究的主要方向是，对旋转剪切低速－高速摩擦实验装置进行技术改造，使其能够模拟地壳不同深度的温度、压力和流体环境;研究龙门山断裂带和其他典型断裂带不同深度上的高速摩擦性质及其转换关系，全面开展水热作用下的岩石高速摩擦实验，进一步为断层与地震力学研究提供基础。

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