大理岩压溶蠕变与微裂隙愈合实验研究

宋 娟, 周永胜, 党嘉祥, 姚文明

(1.中国石油大学地球科学与技术学院,山东青岛 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)

大理岩压溶蠕变与微裂隙愈合实验研究

宋 娟1, 周永胜2, 党嘉祥2, 姚文明2

(1.中国石油大学地球科学与技术学院,山东青岛 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)

压溶蠕变可能是间震期断层带的主导变形机制之一,开展压溶蠕变及其对微裂隙愈合的实验研究对理解强震孕育和发生具有重要意义。以Carrara大理岩为样品,开展相同围压(800 MPa)和应变速率(1×10-7s-1)、不同温度(300、400、500 ℃)下大理岩压溶蠕变实验。利用扫描电镜研究实验变形样品的微观结构与变形机制,利用傅里叶变换红外吸收光谱测试实验样品的含水量。实验结果表明:在300 ℃条件下,碎裂和压溶是样品主要变形机制,400 ℃时样品同时出现碎裂、压溶和局部动态重结晶,500 ℃时样品主要变形机制为压溶和动态重结晶。压溶主要出现在样品强变形区域,粒度减小与含水量增加促进了压溶发生,而压溶引起孔隙和微裂隙愈合。

压溶; 微裂隙愈合; 大理岩; 高温高压

压溶是上地壳矿物蠕变的主要方式,是碳酸盐岩中普遍存在的成岩方式之一。压溶的作用过程分为三个阶段[1-2]:一是在有效应力的驱动下,可溶性物质的溶解,并且在颗粒相接触的边界相交叉;二是在化学能和流体通量的促使下,可溶性矿物从高应力处扩散;三是可溶性物质在低应力处沉淀。这是一个依赖于时间的非常缓慢的物质扩散迁移过程,且三个阶段中最慢的速率将控制整个压溶蠕变过程的速率[3-4]。断层带内的压溶有两种方式,裂隙间发生的压溶和颗粒间的压溶,压溶作用是裂隙愈合的一种主要机制[5-7]。经过长期地质演化,深部断层带不同阶段的愈合机制可能出现叠加,难以直接观察断层的愈合细节,压溶实验和微裂隙愈合模拟实验是研究断层带愈合机制的重要手段之一。研究发现,断层深部流体会随断裂带破裂及愈合发生周期性变化,从而通过物理和化学作用对岩石的力学性质、变形机制、断层作用演化和地震孕育发生等产生影响[8-12]。压溶蠕变可能是间震期断层带的主导变形机制之一[5,13-16]。一方面,压溶作用致使断层内的裂隙愈合,被封闭在断裂带内的流体压力将逐渐增加,形成接近于静岩压力的流体压力,根据有效应力定律,流体孔隙压对断层强度有明显的弱化作用[17],地震则发生在该流体压力接近静岩压力时;另一方面,地震发生后,断裂带被贯通,断层的连通性及岩石渗透率显著增加,流体压力接近静水压,流体再次活跃起来,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在裂隙中析出结晶,形成脉体,愈合了断层带中的裂隙,致使断层带的强度得到恢复[15,18]。简单剪切是断层带活动构造变形的主要机制,且较高的含水量和较大的应变有利于微裂隙和孔隙的愈合。笔者选择Carrara大理岩,在样品水饱和的情况下开展剪切变形实验,研究方解石压溶及其对微裂隙的愈合。

1 实验装置、实验设计和实验样品

1.1 实验装置

本实验是在中国地震局地质研究所构造物理实验室自主研制的3 GPa熔融盐固体介质三轴高温高压实验系统上进行的。实验装样方式在韩亮等[18]实验的基础上对圆柱形样品(尺寸Φ3 mm×6 mm)进行了改进。经过实验中的技术积累,再次对装样方式进行了关键修改,固体介质高温高压三轴压力容器装样方式如图1(a)所示。先将大理岩加工成直径3 mm的圆柱形,沿与圆柱形横截面夹角45°方向切成厚1 mm薄片的大理岩样品,两面剖光,然后把样品在蒸馏水中真空浸泡48 h以上,使其水饱和,之后将大理岩样品夹在两个同样45°斜切面的刚玉柱之间,用镍箔完全包裹,组成尺寸Φ3 mm×6 mm的圆柱形,如图1(b)所示。实验方法参见文献[18],温度标定参见文献[19],压力标定参见文献[20],摩擦力标定参见文献[21]。

图1 实验装样结构图Fig.1 Sample assembly

1.2 实验设计

实验设计的围压800 MPa、温度300～500 ℃、应变速率1×10-7s-1,研究含水样品的压溶蠕变与微裂隙愈合。由于实验应变速率远高于天然断层变形速率,提高围压能拟制含水实验样品的碎裂流动,促进压溶蠕变,因此本实验围压设计为800 MPa。

图2 温度及应变速率对样品主要变形机制的影响[22]Fig.2 Temperature and strain rate impact on deformation mechanism of samples

张媛媛[22]研究表明在应变速率为1×10-7s-1、温度为300～400 ℃条件下,大理岩主要发生压溶蠕变,在温度高于500 ℃转化为塑性变形(图2)。本实验温度设计为300、400和500 ℃。在自然界断层极低的应变速率及有水存在的条件下,压溶蠕变可能成为脆塑性转化带的主要变形机制之一。张媛媛研究还表明在较低的温度、1×10-7s-1应变速率条件下压溶蠕变是主要变形机制,随着应变速率的逐渐升高,样品的主要变形机制从压溶蠕变向压溶+碎裂流动转化,最终以碎裂流动为主,压溶作用消失(图2)。本实验应变速率设计为1×10-7s-1,为了样品达到足够的应变和出现充分的压溶,实验时间要达到110 h以上。

实验样品的显微结构是确定愈合机制和观察微裂隙愈合程度的直接证据,为了保留愈合过程中的显微结构,减少卸样产生的后期变形,实验结束时快速关闭加温系统，同时迅速降低轴压至相对静压条件,再以相同卸载速率同时降低围压和轴压。

1.3 实验样品

实验采用的样品为Carrara大理岩,主要矿物为方解石,含有少量金云母((K,Na)2(Mg,Fe2+)6[Si6Al2]O20(OH,F,Cl)4)、白云石((Ca,Mg)[CO3]2)、磷灰石(Ca5[PO4]3(F,Cl,OH))等。偏光显微镜下显示样品结构均匀,方解石颗粒粒度范围约60～100 μm,双晶发育(图3(a))。在中国地震局地质研究所构造物理实验室的高分辨率扫描电子显微镜下,实验原始样品Carrara大理岩显示颗粒间紧密接触,颗粒边界清晰,棱角分明,较为平直,颗粒边界和三联点部位存在孤立分布的微小孔隙(图3(b)),图3(c)是图3(b)的局部放大,原岩中存在少量的溶蚀作用。

图3 原岩样品的显微结构Fig.3 Microstructures of starting samples

2 实验结果

实验过程中样品的外部主应力方向不变,其内部主压应力方向与主剪切断层面皆呈近45°夹角,样品为简单剪切变形。给出的三个实验结果见表1。

表1 大理岩剪切变形实验条件及结果

2.1 实验力学数据

大理岩样品在围压800 MPa,应变速率1×10-7s-1,温度300～500 ℃条件下的剪应力-剪应变曲线如图4所示。所有实验力学数据都经过摩擦力校正。三组实验样品的剪应力-剪应变曲线类似,其中300℃和400℃条件下的剪应力-剪应变曲线基本相同,500℃条件下的实验样品的强度略低。

图4 相同围压和应变速率,不同温度下的样品的剪应力-剪应变曲线Fig.4 Shear stress versus shear strain curves for shear deformation experiments of Carrara marble at different temperature under constant confining pressure and strain rate

2.2 实验样品的显微结构

将所有实验变形样品沿最大主应力方向(差应力方向)及主剪切面的长轴方向切开,磨制成探针片,在电子显微镜下对三个实验样品进行了微观结构分析。

300 ℃ 样品的电子显微镜图像如图5所示(图5(a)中白色箭头指示样品主剪切面剪应力的方向),样品变形主要由碎裂和压溶主导。图5(a)显示的样品主要是碎裂,在碎裂的方解石中及方解石颗粒边界出现显著的压溶作用。图5(b)是图5(a) 中方框内的局部放大,方解石颗粒或碎块之间的压溶作用表现为线接触(灰色箭头)、凹凸接触(黑色箭头)和缝合线接触(白色箭头)(图5(b))。

400℃样品电子显微结构如图6所示(图中白色箭头指示样品主剪切面剪应力的方向),样品碎裂呈带状分布,在碎裂带内粒度显著减小,并伴随显著的压溶过程,局部可见动态重结晶。相比于300℃,400℃样品的塑性变形显著,颗粒间大多表现为压溶缝合线接触,图6(a)中的虚线指示压溶典型锯齿状缝合线构造,图6(b)显示压溶作用产生在弱变形的颗粒边界,黑色箭头指示局部存在动态重结晶,形成的细粒方解石呈浑圆状,细粒方解石之间压溶缝合线接触。

图5 300℃大理岩样品的显微结构特征Fig.5 Microstructures of Carrara marble deformed at 300 ℃

图6 400 ℃大理岩样品的显微结构特征Fig.6 Microstructures of Carrara marble deformed at 400 ℃

温度500 ℃ 条件下样品的显微结构特征如图7所示(白色箭头指示样品主剪切面剪应力的方向),样品压溶蠕变和动态重结晶非常显著,粒度显著细粒化。样品中缝合线出现频率高,颗粒间呈缝合接触(图7(a)),有的多条缝合线向粒间孔隙聚集(图7(b),黑色箭头所示),方解石压溶形成明显的雁列式白色方解石溶解沉淀条带(图7(c),黑色箭头所示)。弱变形的大颗粒边缘局部形成方解石的碎裂条带,颗粒粒度显著细粒化,压溶缝合线发育,图7(d)显示弱变形的大颗粒之间,由于压溶作用及相对空间大,促使方解石细颗粒沿大颗粒边界面延伸,形成定向排列的细颗粒和大颗粒之间长颗粒平滑接触关系或颗粒间缝合线接触关系,条带内长颗粒平滑接触,颗粒定向排列,颗粒间缝合线接触(白色箭头),可见细小尖峰突起的缝合面,缝合线两侧明显的物质缺失,同时可见纳米级细粒动态重结晶浑圆状颗粒(黑色箭头所示)。图7(e)显示样品中密集的、平行于P面的剪切破裂面或压溶劈理域,大颗粒之间和动态重结晶形成的细颗粒之间压溶缝合线接触,且溶解面的连通性强。图7(f)黑色箭头所示的剪节理被方解石沉淀物填充,图7(d)和图7(f)中细白色箭头指示颗粒间缝合线接触,可见细小尖峰突起的缝合面以及缝合线两侧明显的物质缺失。

图7 500 ℃大理岩样品的显微结构特征Fig.7 Microstructures of Carrara marble deformed at 500 ℃

3 实验样品的含水量测试

利用地震动力学国家重点实验室的傅里叶变换红外吸收光谱(Bruker Vertex-70V)和Hyperio红外显微镜,对实验样品进行含水量测试。把实验样品磨制成厚度为200 μm的薄片,然后两面剖光。在进行含水量测试前,所有实验后样品在恒温150 ℃ 下烘干5 h,去除样品表面的吸附水和磨片过程中浸入的孔隙水。计算含水量时,采用Paterson方法[23],在2 300～3 800 cm-1进行计算。实验样品薄片厚度均一化后的红外吸收光谱表明吸收峰出现在3 600 cm-1附近,根据H的分峰标准[24-28],波数3 600 cm-1附近的吸收峰为颗粒边界型液态水。在500 ℃ 条件下的实验样品中,选择16个点进行含水量测试,结果表明样品平均含水量为0.45%,相对样品的强剪切变形区域,含水量普遍较高,平均为0.82%,有含水量高达1.19%;相对样品的弱变形区域平均含水量0.17%,含水量普遍较低,最低至0.013%。

4 讨 论

4.1 压溶与剪切变形的关系

实验后样品在电子显微镜下都出现大量次级剪切变形面,如图8所示(箭头指示主剪切面上剪应力方向),这些次级剪切面出现在P面(白色短虚线)、X面(黑色短虚线)、Y面(白色实线)、R1面(黑色点虚线)、R2面(白色点虚线)的方向上,压溶作用主要沿着P面、X面、Y面方向展布在这些剪切面上,应力和剪切变形相对集中,方解石形成细粒变形带。如图5(a)白色方框区域所示,碎裂的方解石细粒变形带沿P面方向展布,图5(b)显示沿P面形成的压溶条带。图6(a)虚线所示的压溶缝合线和图7(d)和7(e)显示的压溶条带均平行于P面,样品沿P面滑动的压应力引起颗粒的压实和溶解,形成缝合线组构、颗粒的拉长等构造现象。在压溶过程中,压溶总是发生在与最大主压应力σ1相垂直的面上,由于易溶物质在该面上被不断地溶解带走,造成了被溶矿物颗粒的长轴沿垂直最大压应力的方向(P面)定向排列,显示出颗粒间的长颗粒平滑接触关系。除P面之外,沿X面也出现显著的压溶缝合线或压溶条带,如图8黑色短虚线所示和图7(f)黑色箭头指示沿X面的剪切裂纹显著被方解石沉淀愈合。压溶缝合线也发现沿Y面分布,如图7白色实线所示的。图7(f)白色箭头所示的颗粒间的压溶缝合线与Y面平行,推测主要是由于最大剪应力和流体的作用,在最大剪应力方向上物质发生溶解,溶解的物质转移到应力小的地方,形成了与Y面平行的缝合线构造。图7(d)细白色箭头指示的缝合线垂直于Y面,细齿方向与最大剪应力方向一致,推测方解石在该方向上溶解,溶解物质沉淀于颗粒两端张性空间处沉淀或迁移流出。在图7(f)白色箭头左侧显示垂直于Y面的压溶条带。

在图8中黑色和白色点虚线分别表示R1和R2面,在高倍电子显微镜下显示,方解石沿R1面和R2面碎裂,但压溶作用相对其他次级剪切面不明显,仅发现局部沉淀过程。图7(c)黑色箭头指示在样品的边部出现白色的雁列式的压溶沉淀条带,其平行于R1面,推测R1面是在实验初期形成的一种张性剪裂面[29],由于压力和流体的作用,大理岩中易溶物质发生物质的迁移,在R1张性剪切裂隙中沉淀所致。本实验结果显示,压溶出现的部位与应力或应变相对集中的区域一致,表明较大应变或应力能有效促进压溶作用。

图8 500 ℃大理岩样品的次级剪裂面电子显微结构图像Fig.8 Electron microscopic image of secondary shear plane of deformed sample at 500 ℃

从显微结构看,三个实验样品中存在明显的压溶作用,且压溶作用发生在局部碎裂的区域,即剪切变形带。所有样品主体是碎裂,300、400 ℃局部有压溶,500 ℃局部有动态重结晶作用,实验后样品主要呈现的是局部变形,可能压溶和重结晶的作用还不足以显现,故表现出由主体碎裂控制的相似的应力应变曲线特征。

4.2 含水量和粒度对压溶的影响

实验样品的含水量测试结果表明,样品强变形区域,含水量较高,弱变形区域含水量相对较低,在电子显微镜下,300、400 和500 ℃ 三个实验样品中压溶出现的部位与含水量相对较高的区域一致,而含水量低的区域压溶作用相对不显著,显示出高含水量促进了压溶作用。

压溶过程包括可溶物质的溶解、扩散和沉淀三个阶段,三个阶段中最慢的速率将控制整个压溶蠕变过程的速率,在溶解和沉淀速率一定的情况下,扩散速率将决定压溶蠕变的过程。如果矿物颗粒粒度大,则扩散行程长,那么在时间一定的情况下,扩散速率慢,反之,粒度小的扩散速率快,也就是说矿物粒度大小与扩散速率成反比。

电子显微镜分析结果表明,300 ℃样品以碎裂和压溶为主,压溶蠕变出现在碎裂的区域(图5),这表明样品的碎裂导致孔隙度和渗透率增加,形成了物质迁移的通道,同时碎裂导致样品粒度减小,从而提高了扩散的速率,促进了压溶作用。对实验样品的电子显微图像观察发现,400和500 ℃样品粒度相比300 ℃样品显著减小,压溶作用更显著,实验样品中的压溶作用主要发生在粒度约小于8 μm的区域,大于此粒度的矿物颗粒压溶作用相对较少。

综上所述,较高的含水量及较低的粒度有效促进了压溶作用。

4.3 压溶对孔隙和微裂隙的愈合作用

在电子显微镜显二次电子模式下,样品中可见压溶作用产生的方解石沉淀物质愈合了孔隙和微裂隙。如图9(a)所示,新生的方解石沉淀物在孔隙或裂隙聚集,样品中的微裂隙或孔隙被方解石沉淀物质填充,部分或全部愈合了孔隙和微裂隙(白色箭头)。图9(b)显示出新生的方解石沉淀物质在孔隙或裂隙中心汇集,其粒度向着孔隙或裂隙中心生长、增大,部分或全部愈合了孔隙和微裂隙。图7(d)和7(e)显示随着压溶程度增加,可溶性物质不断分异富集,形成局部集中的压溶条带,压溶条带相对缝合线平直,条带内可见新生的方解石沉淀物,压溶作用的结果改变了晶粒的形态,形成椭圆形,且长轴具有定向排列形式。图7(f)黑色箭头所示的剪节理被方解石沉淀物填充、愈合。

图9 压溶对孔隙和微裂隙的愈合作用Fig.9 Microstructure of micro-cracks and pores healing by pressure solution

本实验样品中,压溶主要出现在碎裂区域,在应力和剪切变形相对集中的细粒变形带,这表明溶解作用发生在碎裂、压实作用之后,颗粒接触点由于应力和流体的作用,在应力集中点促使方解石的溶解,溶解的物质沉淀于颗粒间、碎块间或迁移流出,从而形成齿状镶嵌穿插的缝合线构造,产生看似“过度压实”的组构(图5(b),图6(a)和图7),缝合线为附近或较远处裂缝愈合提供胶结所需的溶质。样品的强变形区域含水量较高、粒度较小,压溶也更显著,显示增加含水量与减小粒度都能有效促进压溶作用,压溶作用形成的沉淀物质促进孔隙和微裂隙的愈合。

5 结 论

(1)300 ℃样品变形机制主要由碎裂和压溶主导,400 ℃样品碎裂、压溶和局部动态重结晶共存,500 ℃样品主要变形机制为压溶和动态重结晶。

(2)压溶主要出现在样品强变形带。压溶形成的细粒变形带主要沿着P面、X面和Y面分布,样品的强变形区域含水量较高，粒度较小,压溶也更显著,显示增加含水量与减小粒度都能有效促进压溶作用,压溶作用形成的沉淀物质能促进孔隙和微裂隙的愈合。

[1] WEYL P K. Pressure solution and the force of crystallization: a phenomenological theory[J]. J Geophys Res, 1959,64(11):2001-2025.

[2] RENARD F, ORTOLEVA P, GRATIER J P. Pressure solution in sandstones: influence of clays and dependence on temperature and stress[J]. Tectonophysics, 1997,280(3):257-266.

[3] RUTTER E H. Pressure solution in nature, theory and experiment[J]. J Geol Soc, 1983,140(5):725-740.

[4] GRATIER J P, GUIGUET R, RENARD F, et al. A pressure solution creep law for quarts from indentation experiments[J]. J Geophys Res, 2009,114(B3):B034403.

[5] GRATIER J P,FAVREAU P,RENARD F, et al. Fluid pressure evolution during the earthquake cycle controlled by fluid flow and pressure solution crack sealing[J]. Earth Planets Space, 2002,54(11):1139-1146.

[6] GRATIER J P, FAVREAU P, RENARD F. Modeling fluid transfer along Californian faults when integrating pressure solution crack sealing and compaction processes[J]. J Geophys Res, 2003,108(2):141-157.

[7] BOS C J, SPIERS C J. Frictional viscous flow of simulated fault gouge caused by the combined effects of phyllos silicates and pressure solution[J]. Tectonophysics,2000,327(3/4):173-194.

[8] NEWMAN J, MITRA G. Fluid-influenced deformation and recrystallization of dolomite at low temperatures along a natural fault zone, Mountain City window, Tennessee[J]. Geol Soc Am Bull, 1994,106(10):1267-1280.

[9] KUSTER M, STOCKHERTB. High differential stress and sublithostatic pore fluid pressure in the ductile regime-microstructural evidence for shot-term post-seismic creep in the Sesia zone, Western Alps[J]. Tectonophysics, 1999,303(1/2/3/4):267-277.

[10] 马立杰, 刘俊来, 崔迎春.浅部地壳岩石变形过程中地质流体的化学效应:水解弱化及其微观机制[J]. 地学前缘, 2001,8(4):244.

MA Lijie, LIU Junlai, CUI Yingchun. A chemical effect in the process of shallow crust rock deformation: hydrolytic weakening and its mechanisms[J]. Earth Science Frontiers (China University of Geosciences Beijing).2001,8(4):244.

[11] 周永胜,韩亮,靖晨,等.龙门山断层脆塑性转化带流变结构与汶川地震孕震机制[J]. 地震地质,2014,36(3):882-893.

ZHOU Yongsheng, HAN Liang, JING Chen, et al. The rheological structures of brittle-plastic transition in Longmenshan fault zone and seismogenic mechanism of Wenchuan earthquake[J]. Seimology and Geology (in Chinese), 2014,36(3):882-893.

[12] HAN L, ZHOU Y S, HE C R, et al. Sublithostatic pore fluid pressure in the brittle-ductile transition zone of Mesozoic Yingxiu-Beichuan fault and its implication for the 2008 Mw 7.9 Wenchuan earthquake[J]. Journal of Asian Earth Sciences 2016,117:107-118.

[13] RENARD F. Kinetics of crack-sealing, intergranular pressure solution, and compaction around active faults[J]. J Stuct Geol, 2000,22(10):1395-1407.

[14] GRATIER J P, RICHARD J, RWNARD F, et al. Aseismic sliding of active faults by pressure solution creep: evidence from the San Andreas Fault Observatory at depth[J]. Geology Society of America, 2011,39(12):1131-1134.

[15] TREPMANN C A, STÖCKHERT B. Quartz microstructures developed during non-steady state plastic flow at rapidly decaying stress and strain rate[J]. J Stuct Geol, 2003,25(12):2035-2051.

[16] TENTHOREY E, COX S F,TODD H F. Evolution of strength recovery and permeability during fluid-rock reaction in experimental fault zones[J]. Earth Planet Sci Lett, 2003,206(1/2):161-172.

[17] 周永胜,何昌荣.汶川地震区的流变结构与发震高角度逆断层滑动的力学条件[J].地球物理学报,2009,52(2):474-484.

ZHOU Yongsheng, HE Changrong. The rhelological structures of crust and mechanics of high-angle reverse fault slip for Wenchuan Ms 8.0 earthquake[J]. Chinese J Geophys (in Chinese), 2009,52(2):474-484.

[18] 韩亮,周永胜,姚文明.中地壳断层带内微裂隙愈合与高压流体形成条件的模拟实验研究[J].地球物理学报,2013,56(1): 91-105.

HAN Liang, ZHOU Yongsheng, YAO Wenming. A simulating experimental study on crack healing and the formation of high pore fluid pressure in faults middle crust[J]. Chinese J Geophys (in Chinese), 2013,56(1):91-105.

[19] 韩亮,周永胜,党嘉,等.3 GPa熔融盐固体介质高温高压三轴压力容器的温度标定[J].高压物理学报,2009,25(6):407-414.

HAN Liang, ZHOU Yongsheng, DANG Jia, et al. Temperature calibration for 3 GPa molten salt medium triaxial pressure vessel[J]. Chinese Journal of High Pressure Physics, 2009,25(6):407-414.

[20] 韩亮,周永胜,何昌荣,等.3 GPa熔融盐固体介质高温高压三轴压力容器的围压标定[J].高压物理学报,2011,25(3):213-220.

HAN Liang, ZHOU Yongsheng, HE Changrong, et al. Confined pressure calibration for 3 GPa molten salt medium triaxial pressure vessed under high pressure and temperature[J]. Chinese Journal of High Pressure Physics, 2011,25(3):213-220.

[21] 刘照星,周永胜,刘贵,等. 3 GPa熔融盐固体介质三轴高温压力容器的轴压摩擦力标定[J]. 高压物理学报, 2013,27(1):19-28.

LIU Zhaoxing, ZHOU Yongsheng, LIU Gui, et al. Axial friction calibration for 3 GPa molten salt medium triaxialpressure vessel under high pressure and high temperature[J]. Chinese Journal of High Pressure Physics,2013,27(1):19-28.

[22] 张媛媛. 脆塑性转化带的强度与变形机制的实验研究:以大理岩为例[D].北京:中国地震局地质研究所,2012.

ZHANG Yuanyuan. An experimental study on strength and deformation mechanisms of the brittle-plastic transition belt： the marble for example[D].Beijing: Institute of Geology, China Earthquake Administration, 2012.

[23] PATERSON M S. The determination of hydroxyl by infrared absorption in quartz, silicate glasses and similar materials [J]. Bulletin de Mineralogy, 1982,105(1):20-29.

[24] AINES R D, ROSSMAN G R. Water in minerals? A peak in the infrared [J]. J Geophys Res, 1984,89(B6):4059-4071.

[25] BERAN A. OH groups in nominally anhydrous framework structures: an infrared spectroscopic investigation of danburite and labradorite[J]. Phys Chem Miner, 1987,14(5):441-445.

[26] JOHNSON E A, ROSSMAN G R. The concentration and speciation of hydrogen in feldspars using FTIR and 1H MAS NMR spectroscopy[J]. Am Mineral, 2003,88(5/6):901-911.

[27] KRONENBERG A K, WOLF G H. Fourier transform infrared spectroscopy determinations of intragranular water content in quartz-bearing rocks: implications for hydrolytic weakening in the laboratory and within the earth[J]. Tectonophysics, 1990,172(3/4):155-271.

[28] RYBACKI E, DRESEN G. Dislocation and diffusion creep of synthetic anorthite aggregates[J]. J Geophy Res, 2000,105(B11):26017-26036.

[29] HE C R, LUO L, TAO Q F, et al. Velocity-weakening behavior of plagioclase and pyroxene gouges and stabilizing effect of small amounts of quartz under hydrothermal conditions[J]. J Geophys Res: Solid Earth, 2013,118(7):1-23.

(编辑 修荣荣)

Anexperimentalstudyonpressuresolutioncreepandmicro-crackhealingofCarraramarble

SONG Juan1, ZHOU Yongsheng2, DANG Jiaxiang2, YAO Wenming2

(1.SchoolofGeosciencesinChinaUniversityofPetroleum,Qingdao266580,China;2.StateKeyLaboratoryofEarthquakeDynamics,InstituteofGeology,ChinaEarthquakeAdministration,Beijing100029,China)

Pressure solution creep is one of the main deformation mechanisms which control crack healing kinetics around active faults. The experimental study of pressure solution creep and micro-crack healing is one of the methods to understand the mechanism of earthquake nucleation and occurance of strong earthquakes. We conducted pressure solution creep experiments using samples of Carrara marble at different temperatures(300,400,500 ℃), constant confining pressure(800 MPa) and strain rate(1×10-7s-1). Scanning electron microscopy(SEM) was used to study the microstructure and deformation mechanisms of the initial and deformed samples. Fourier transform infrared absorption spectrum were used to measure the water content of the samples. The experimental results show that cataclasis and pressure solution are the main deformation mechanism at 300 ℃; cataclasis, pressure solution and local dynamic recrystallization appear at 400 ℃; and pressure solution and dynamic recrystallization are main deformation mechanism at 500 ℃. The experiments suggest that the high water content, the large strain and fine grains are favorable for pressure solution to occur; which further leads to the healing of micro-cracks and pores.

pressure solution; micro-crack healing; Carrara marble; high temperature and pressure

2017-03-21

国家自然科学基金青年基金项目(41504068)

宋娟(1975-)，女，讲师，硕士，研究方向为高温高压岩石流变学与地震学。E-mail:songjuan95@126.com。

1673-5005(2017)05-0052-09

10.3969/j.issn.1673-5005.2017.05.006

P 618.13

A

宋娟,周永胜,党嘉祥,等.大理岩压溶蠕变与微裂隙愈合实验研究[J].中国石油大学学报(自然科学版),2017,41(5):52-60.

SONG Juan, ZHOU Yongsheng, DANG Jiaxiang, et al. An experimental study on pressure solution creep and micro-crack healing of carrara marble[J].Journal of China University of Petroleum (Edition of Natural Science),2017,41(5):52-60.