超塑性纳米纤维状滑动带控制孕震断层摩擦*

Berend A Verberne， Oliver Plümper，D A Matthijs de Winter， Christopher J Spiers

1) Department of Earth Sciences， Utrecht University， Budapestlaan 4， 3584 CD，Utrecht， Netherlands 2) Department of Biology， Utrecht University， Padualaan 8， 3584 CH，Utrecht， Netherlands



超塑性纳米纤维状滑动带控制孕震断层摩擦*

Berend A Verberne1)， Oliver Plümper1)，D A Matthijs de Winter2)， Christopher J Spiers1)

1) Department of Earth Sciences， Utrecht University， Budapestlaan 4， 3584 CD，Utrecht， Netherlands 2) Department of Biology， Utrecht University， Padualaan 8， 3584 CH，Utrecht， Netherlands

摘要了解控制断层摩擦的内在机制对于了解活动断层的孕震滑动十分关键。 断层带中的位移常常局限在高反射(镜面)的滑动面上， 通常滑动面上还覆盖有薄层的纳米颗粒状断层岩。 本文展示了实验模拟的方解石断层中发育的镜面状滑动面， 它由在室温条件下呈韧性的纳米颗粒链或是纳米纤维线性排列组成。 这些微结构和相应的摩擦数据表明， 断层滑动机制类似于经典的Ashby-Verrall超塑性， 该机制能够产生不稳定的断层滑动。 对这种机制而言， 纳米晶体方解石断层泥中的扩散物质转移速度足够快， 以致于可以控制石灰岩地区的孕震活动。 随着壳内断层上越来越多地被证实存在着纳米颗粒状断层面， 本文提出的机制很有可能普遍适用于壳内孕震活动。

地震活动断层带的核部经常可见一条由纳米颗粒状断层岩所构成的狭窄主滑动带(principal slip zone， PSZ)(一般几毫米到几厘米宽)[1-2]。 最新的野外研究表明， 这种与断层平行的滑动带露头常常能够形成高反射(镜面)的滑动面， 这种现象说明这些“镜面”断层面能够指示过去的地震滑动[3-7]。 不管断层面形态如何， 对于地震破裂成核， 断层滑动带内的磨蚀产物(即断层泥)的摩擦强度必定随着速率的增加而降低。 换言之， 即必须呈现出与自稳定的速度强化滑动相反的速度弱化行为[8]。 阐明控制速度弱化和速度强化滑动的机制， 尤其是那些涉及到镜面状纳米颗粒断层面形成和滑动的情况， 对于了解地震成核过程至关重要。

低速(v≈10-6m/s)摩擦实验以研究上地壳的地震活动成因为目的， 最近的实验研究表明， 模拟的方解石断层泥在温度为80℃～100℃以上时存在从速度强化到速度弱化滑动的转换[9-11]。 对剪切变形样品的微结构研究揭示， 样品内发育有连续的10～100 μm宽的由纳米晶体组成的主滑动带， 并具有结晶学优选方位(crystallographic preferred orientation， CPO)[10]。 当沿剪切面分离滑动带时， 它们就呈现出多个条带状且具有高反射的滑动面碎块[11]。 这种滑动面和已经报道过的高速摩擦实验获得的同震滑动速率(v= 0.1～3 m/s)中形成的纳米颗粒状的镜面滑动面非常类似(尽管后者更加连续)[4-5， 12]。 在高速滑动速率下， 纳米颗粒被认为能够促进粉末润滑， 造成强烈的断层动态弱化[13-14]， 但是， 在前震和间震期的慢速滑动中， 纳米颗粒的作用仍然是个谜。 众所周知， 纳米材料相对于粗颗粒的物质呈现出更快的扩散和物质输送[15-16]。 另外， 最近提出的一个解释断层泥在经历颗粒流剪切变形中速度弱化(热激活)的微观物理学模型揭示出， 颗粒间的扩散物质迁移对于控制断层泥强度和速度依赖性能够起到重要作用(附录和原文附录中的图S1)[17]。 因此， 适用于光亮的主滑动带的纳米物理变形机制， 对于认识控制地震滑动启动的过程十分关键。

我们研究了模拟方解石断层泥在直剪低速剪切滑动下主滑动带的微米和纳米结构属性(原文附录中的图S2和表S1)。 实验选用干燥的样品， 滑动速率为v=1 μm/s， 正应力为50 MPa， 温度为18℃和140℃[18]。 这两个温度条件分别对应于不能孕震的速度强化条件和可以孕震的速度弱化条件[9-11]。 在每次实验后卸样过程中均发现， 主滑动带形成于剪切变形样品的边界， 分开后可以看到超细粒的主滑动带内有大量光亮的小斑块(图1a)[11]。 使用原子力显微镜(atomic force microscopy， AFM)进行的表面粗糙度分析揭示， 这些光亮的小斑块存在条带状的纳米表面地貌， 这与同震滑动速率下形成的连续滑动面比较类似(图1b)[12]。 这说明同震和准地震滑动形成的镜面滑动面存在共同的起源， 尽管它们的变形程度和剪切速度存在差异。

(a) 形成于速度强化条件下(18℃)的光亮的滑动面碎块; (b) 原子力显微偏转图像揭示的纳米尺度

图1准地震滑动速率下(1 μm/s)形成的镜面滑动面。 SEM显微照片是剪切滑动面的二次电子像。 剪头指示剪切方向

我们使用高分辨电子扫描显微镜(scanning electron microscopy， SEM)进一步研究了实验中形成的光亮的小斑块的表面形态。 结果发现小斑块由超细粒的约100 nm宽的纤维沿与剪切方向近似平行的方向定向排列而形成(图1c～图1f， 原文附录中的图S3)， 这些纤维嵌在约100 nm的球形颗粒的聚集带， 构成主滑动带(原文附录中的图S4)。 纤维中的个别球形颗粒有时非常明显， 尤其是在纤维的端部(图1d和原文附录中的图S4)； 然而, 这些纳米级小球线性排列逐渐转变成纤维的现象也非常明显(图1f和原文附录中的图S4)。 基于此， 我们认为这些纤维是由纳米小球的链接作用而形成。 在速度强化样品(18℃)中的光亮的滑动面碎块中， 纵贯纳米层的微裂纹显示出纤维发生了明显的拉张和塑性弯曲(图1c和图1d)。 由于我们在实验中使用了高围压(50 MPa)， 这样的裂缝仅仅发生在样品卸压或是卸样的过程中(原文附录中的图S3)。 这些受影响的纳米纤维常常显示出有局部拉张， 并且在破裂之前没有形成颈状结构(图1c和图1d)， 这是超塑性变形的典型特征[16]。 速度弱化样品(140℃)中的光亮的滑动面碎块也包含超细粒的纤维层(图1e)， 并且显示出与速度强化样品中(18℃)基本上一致的SEM微结构。

我们使用聚焦离子束(focused ion beam， FIB)得到了垂直于剪切面、 平行于剪切方向的一个横切片， 进而用来研究主滑动带和光亮的滑动面碎块的内部结构(原文附录中的图S5和S6)。 结果显示主滑动带是一个10～100 μm宽、 具有一定孔隙度(20%～30%)的纳米颗粒块体[10-11]， 而这些光亮的滑动面碎块则由致密的、 0.1～1 μm厚的平面纤维状纳米层构成。 一些样品显示出少量的无定形富碳相， 局部占据了一些直径约为0.1～5 μm的孔洞(原文附录中的图S5)。 这些沉积的物质没有显示出与力学行为或是微结构的相关性， 并且在实验剪切变形过程中没有测量到温度的变化。 我们由此推断这些沉积的物质来自于封装样品所用的聚合物管， 而不是来自于力学-化学分解[19]。 为了了解纤维层的内部结构， 我们分离出一根纳米纤维， 并得到了一个平行于纤维长轴方向的切片， 将其用于透射电镜术(transmission electron microscopy , TEM)研究(图2a和原文附录中的图S7)。 300 nm光圈下的选区电子衍射显示， 显微为环状的衍射形态， 具有较亮的、 对应于方解石(104)优选方向或r平面的衍射弧(图2b)， 这与先前报道的相同条件下， 方解石断层泥实验中形成的纳米晶体主滑动带的光学晶格优选方位一致(附录)[10]。 明场和高分辨率TEM进一步揭示出， 纳米纤维中存在直径100～200 nm的球状颗粒， 它们由5～20 nm的晶体组成， 而且这些纳米颗粒相互错位约5～20°(图2a和图2c)。

(a) 使用FIB-SEM获得的镜面状滑动面上单个纳米纤维的TEM明场图像(原文附录中的图S7); (b) 选区衍射图像， 衍射环上高强度的弧段对应于方解石的(104)面或是r面; (c) 纳米纤维的高分辨率TEM图像， 其中白色虚线圆圈突出了一个单独的纳米晶体， 加粗的白线指示了(104)面的方位(见附录)

图2使用TEM观测到的单个纳米纤维图像

我们所观察到的纳米小球和纳米纤维的内部多晶亚结构与受到冲击的延性金属中观察到的微结构具有明显的相似性[24]。 正如在金属中那样， 方解石的延性能够允许5～20 nm的亚结构通过纳米单元壁由晶体致密位错网不断演化发展而形成[25]。 塑性变形、 破裂以及磨蚀可能将初始断层泥转变成了所观察到的纳米小球。 为了解释纳米小球的链接作用以及所观测到的纤维结构和CPO， 我们注意到纳米颗粒接触面处的定向附着常被用来作为解释纳米晶体能够迅速合并而形成单晶的一种机制， 这种机制对于方解石也是如此[26-28]。 有鉴于此， 我们认为方解石表面能量的强各向异性能够在相邻小球之间的高能晶界上产生类似的优选烧结现象(颈状结构的生长)(图3b和图3c)， 从而导致动态链接作用和平行于剪切面的最低能量(104)面[29]的定向排列， 进一步导致生成所观察到纤维状结构和CPO。

原理上讲， 我们提出的摩擦滑动机制(图3a～图3c和原文附录中的图S1)与扩散适应性颗粒边界滑动(grain boundary sliding， GBS)(图3d)[30]的Ashby-Verrall超塑性模型类似， 但是， 考虑到当扩散性物质迁移速率可能太慢以致于不能适应颗粒边界滑动的情况， 摩擦颗粒边界滑移和颗粒间的气穴现象(扩容生成的孔隙度)有可能会出现。 我们的研究结果表明， 方解石断层中发育的纳米晶体主滑动带能够通过一种协同化的纳米颗粒流或纳米纤维流以及扩散性物质迁移的综合机制产生速度弱化， 即产生地震断层摩擦滑动(图3a～图3c)， 这种过程即使是在通常认为的温度太低以致于不能产生扩散或是超塑性的上地壳环境中也能发挥作用。 我们的实验中能够观察到这些过程是因为扩散性物质迁移被生成的滑动带岩石的纳米属性以及含水而增强的颗粒边界扩散极大地加速了。 可以设想， 在同震滑动速率下， 类似的机制也能发挥作用， 因为这种情况下产生的高温能够促进固相扩散。 鉴于在构造活动区域能够观察到大量的纳米颗粒状断层面[1-7]， 以及纳米物质中异常高的扩散速率[15-16]， 我们提出的这个机制可能不仅仅与贯穿富含方解石岩石(如灰岩)中的断层有关， 也可能与一般情况下壳内地震的成因相关。

(a)纳米小球滚动和(b)优势高能量面上局部烧结链接部位(颈状部位的生长)的颗粒边界交换， 从而形成(c)协同滑动的纳米纤维(线性排列或是链状的纳米烧结小球)。 注意, (a)～(c)中的孔穴(孔隙度演化)与(d)的差异， d代表着零孔隙度的纯扩散性颗粒边界滑动机制[30]

图3伴有扩散性物质迁移的纳米颗粒流动过程中的纳米纤维形成机制的二维示意图

文献来源： Berend A Verberne， Oliver Plümper， D A Matthijs de Winter， et al. Superplastic nanofibrous slip zones control seismogenic fault friction. Science， 2014， 346(6215): 1342-1344

(中国地震台网中心吴曼译； 中国地震局地质研究所姚路校)

(译者电子信箱， 吴曼： wudawoman1985@126.com)

参 考 文 献

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* 收稿日期：2016-02-23； 采用日期： 2016-03-20。

中图分类号：P315.5；

文献标识码：A；

doi:10.3969/j.issn.0235-4975.2016.05.007