富含层状硅酸盐的构造断层中岩石物理性质的摩擦作用

摘要

富含层状硅酸盐断层的摩擦特性研究 原位 几何结构的摩擦力明显低于其等效粉末形式的摩擦力。

摘要

许多用于表征构造断层摩擦特性的岩石变形实验是在断层粉末岩石或裸露岩石表面进行的。这些实验对于记录颗粒状矿物相的摩擦特性至关重要，并为表现出高摩擦特性的地壳断层提供了证据。然而，这些实验无法完全反映富含层状硅酸盐的断层的摩擦特性。

大量对天然断层的研究记录表明，流体辅助的反应软化作用促进了强矿物被层状硅酸盐替代，这些层状硅酸盐分布形成连续的叶理构造。为研究此类叶理化构造如何影响断层的摩擦特性，我们进行了以下工作：1）从天然断层中采集富含叶理化层状硅酸盐的岩石；2）将断层岩样品切割成厚度为0.8–1.2 cm、面积为5 cm × 5 cm的固体薄片，使叶理方向平行于薄片5 cm × 5 cm的表面；3）对固体薄片在叶理面内剪切和垂直于叶理面剪切两种条件下进行摩擦试验 原位 几何形态及通过破碎和过筛获得因而破坏了原始样品片理结构的粉末样品；4）从实验后的岩石样品中回收用于显微结构研究的样品；5）利用光学显微镜、扫描电子显微镜和透射电子显微镜进行显微结构分析。

力学数据显示，具有明显片理结构的固体样品与相应的粉末样品相比，摩擦力显著降低。微米和纳米结构研究表明，低摩擦源于沿由层状硅酸盐组成的片理面发生滑动。当相同岩石被研磨成粉末时，摩擦强度较高，因为滑动通过破裂、颗粒旋转、平移及相关的膨胀作用来实现。摩擦实验表明，即使层状硅酸盐仅占岩石总体积的很小比例，具片理的断层岩也可能具有低摩擦性，这意味着大量地壳断层可能为弱断层。

引言

本实验的总体目标是测试富含层状硅酸盐且保持完整结构的断层在剪切过程中的摩擦特性 原位 几何形状，并证明其摩擦系数显著低于相同材料粉末实验所获得的摩擦系数。

大量地质学研究记录了构造断层在长期演化过程中由流体辅助反应引起的弱化现象。这种弱化作用表现为石英、长石、方解石、白云石、橄榄石、辉石等强矿物被弱的层状硅酸盐矿物所替代。^{1,2,3,4,5,6,7,8,9,10}这种弱化起源于颗粒尺度，主要由于沿片状硅酸盐层间发生极低摩擦的滑动，这些层共同作用产生一种润滑效应。从颗粒尺度开始，通过富集片状硅酸盐区域的相互连通性，断层弱化被传递至整个断层带。¹¹为了捕捉沿相互连通的片状硅酸盐叶理面发生摩擦滑动的作用，已对天然断层岩样品的完整固体薄片在其原位条件下进行了剪切实验。 原位 岩石变形实验中的几何形态^12,13,14实验结束后，对测试样品进行了显微结构研究，以确认变形是否确实通过沿层状硅酸盐片层的摩擦滑动得以 accommodated。

与通过对断层岩进行破碎和筛分获得的粉末材料进行的传统摩擦试验相比，在完整薄片上开展的实验能够捕捉到由流体辅助反应软化所形成的相互连通的富层状硅酸盐层之间的摩擦滑动。事实上，在制备粉末的过程中，断层岩的破碎和筛分破坏了层状硅酸盐层的连通性；当材料在实验室中受到剪切时，连续的层状硅酸盐层缺失，导致变形主要表现为颗粒破碎、旋转和位移，从而产生较高的摩擦强度。

在固体岩片上进行的实验显示，其摩擦力显著低于使用相同岩石类型粉碎成粉末材料所进行实验的摩擦力，特别是当层状硅酸盐含量< 40% 时尤为明显¹⁵。随着层状硅酸盐含量的增加，在粉末材料上的实验也记录到摩擦力的降低，因为在这些情况下，大量的层状硅酸盐足以促使弱矿物相在整个实验断层中相互连通^{16,17,18,19,20,21,22}。此外，为模拟弱层相互连通条件下的摩擦滑动，研究人员还对由100%弱矿物相组成的粉末开展了其他类型的摩擦实验^23,24,25。

多年来，高温变形实验中已充分证实岩石组构会促进几何学断层弱化，该现象可代表韧性岩石圈的行为²⁶。本文所述实验方法所得结果表明，层状硅酸盐组构在地震成因的上地壳大量断层中同样会促进断层弱化。

方案

1. 岩石样品采集

1. 在一处出露良好、富含层状硅酸盐矿物的天然断层露头上，选择合适的露头位置（断层岩沿包含断层线理的平面保存完好），以采集具有代表性的岩石样品用于实验。应注意选择叶理间距不超过几毫米的断层岩，以便在厚度达1.5 cm的矩形薄片中保留层状硅酸盐层带，这些薄片将在摩擦实验中进行剪切。
2. 使用锤子和凿子采集一块面积约为10 cm × 10 cm、厚度超过3 cm的断层岩样品。
3. 根据野外观察到的运动学标志（例如擦痕面、叶理、拖曳褶皱等），在岩石样品上标记剪切方向。
   注意：样品面积可小于10 cm × 10 cm，但必须大于5 cm × 5 cm，此为实验装置加载块的尺寸。
   ​警告：具有叶理结构的岩石样品非常易碎，因此采集后建议用胶带或塑料薄膜包裹样品。所采集的样品必须未受风化作用影响，以确保其代表发震深度处的断层岩。

2. 双直剪配置中摩擦实验的样品制备

1. 切割岩石样品，制备成可适配岩石变形装置加力块的矩形薄片。该过程通常分为两个步骤：首先使用标准实验室切割机获得略大于加力块的岩石样品；然后使用高精度旋转刀片或手持磨具将样品加工成面积为 5 cm × 5 cm、厚度为 0.8–1.2 cm 的薄片（图 1，左）。在标准双剪切直剪试验中，单次实验需要两片相同岩石的薄片。在切割和成型过程中，应确保样品中天然富含层状硅酸盐的剪切面与加力块表面保持平行，即片理方向应与薄片 5 cm × 5 cm 的面平行。
2. 使用盘磨机将完整样品切割后剩余的材料粉碎，并过筛以获得粒径 <125 µm 的粉末（图 1，右）。
3. 将两片相同的薄片安装在不锈钢加力块上，其名义摩擦接触面积为 5 cm × 5 cm，然后将其与中央加力块组装，构成对称双直剪结构。
   注意：机器施加于样品的剪切方向必须与薄片上记录的天然剪切方向一致，该方向已在步骤 1.3 中标记。
4. 使用粉末构建两层相同的岩石层，每层厚度约为 5 mm，面积为 5 cm × 5 cm²。对于这些粉末状岩石样品，样品制备过程中经盘磨机处理已破坏其天然片理结构。使用精密调平夹具，制备出均匀且可重复的粉末岩石层。组装成对称双直剪结构。

3. 摩擦实验

1. 在双向加载装置中^27,28，使用水平伺服控制的液压活塞对岩石样品施加并维持恒定的法向应力。
2. 通过垂直伺服控制的液压活塞以恒定位移速率（通常为 10 μm/s）施加剪切应力。
   注意：载荷通过安装在冲头与样品组件之间的两个应变片式载荷传感器（精度 0.03 kN）进行测量。水平和垂直位移由LVDT（线性可变差动变压器），精度为 0.1 µm，在加载框架和冲头上端进行测量^27,28。
3. 所有实验的特征均为初始应变硬化阶段，即在弹性加载期间剪切应力迅速增加，直至达到屈服点，随后进入摩擦应力的稳态剪切阶段。

4. 实验后样本采集

1. 摩擦实验结束后，小心取出实验断层样品。可在卸载前使用橡皮筋或胶带固定样品，以保持变形岩石的完整性。
2. 用环氧树脂浸渍岩石样品。对于粉末实验，若条件允许，应避免真空浸渍，以防树脂在压力下渗入样品而破坏原始微结构。
3. 将这些岩石样品沿实验剪切方向平行切割。确定实验剪切方向的方法有多种。在我们的双直剪配置中，与断层泥层接触的钢块表面加工有高0.8 mm、间距1 mm的凹槽，以防止断层泥与钢之间发生滑动，并确保剪切变形集中在断层泥内部；因此，在本实验中，剪切方向与凹槽方向垂直。
4. 从切割样品制备薄片，用于微结构研究。

5. 微观结构分析

1. 使用光学显微镜观察，以表征断层带整体的显微结构。
2. 利用扫描电子显微镜（SEM）研究主要的变形过程。
3. 利用透射电子显微镜（TEM）获取纳米尺度下变形过程的详细信息。有关如何进行显微结构分析的更多细节可参见以往的文献^{4,5,6,7,8,9,10,29}。

结果

在正应力与剪应力的关系图中，固态片理化样品和粉末样品均沿一条符合脆性破裂包络线的直线分布，但固态薄片的摩擦值明显低于其对应的粉末样品³⁰。例如，在富滑石片理的具体情况下，每种正应力条件下的片理化断层岩石，其摩擦系数比由其制成的粉末低0.2–0.3（图2和¹²）。这种较低的摩擦性可通过测试岩石的显微结构研究加以解释：片理化固态薄片的滑动面沿先存的富层状硅酸盐片理发生。透射电子显微镜（TEM）图像显示，滑移主要由与层间剥离相关的（001）易滑方向所容纳。相比之下，粉末材料的实验显微结构表明，显著的变形通过颗粒尺寸减小和局部化来实现。

尽管完整断层岩及其粉末样品的矿物组成相同，但具有片理结构的样品表现出的摩擦系数显著低于其粉末样品。显微结构研究表明，片理化断层岩较低的摩擦（即断层弱化）是由于重新激活了样品中原本存在的富层状硅酸盐的天然界面，而粉末样品在制备过程中（步骤2.2–2.4）破坏了这些结构，因而缺乏此类界面。

图 1：测试断层岩的代表性图像：片状固体与粉末状物质。（左）沿由箭头标示的天然片理方向剪切的片状固体样品。（右）通过破碎和筛分片状固体岩石获得的粉末。请点击此处查看此图的放大版本。

图2：对相同材料（富滑石片理）的固体片理样品与粉末状岩石进行摩擦试验。 每组数据点沿一条与脆性破坏包络线一致的直线分布，但固态片理化岩石的摩擦系数明显低于其粉末状对应物的摩擦系数。 μ = 0.3 且 μ = 0.57。 请点击此处以查看此图的放大版本。

图3：天然叶理与实验室再活化叶理的对比。左侧图像显示一条天然富含滑石的叶理，周围分布有呈S形的方解石碎斑³¹；右侧图像显示在薄片上完成摩擦实验后同一叶理的状态³²。请注意，在摩擦实验过程中，大部分滑移是沿层状硅酸盐层以摩擦滑动方式发生的，且原始显微结构得以保留。请点击此处查看该图的高清版本。

讨论

值得一提的是，本实验方法用于表征稳态断层摩擦强度，该参数通过低滑动速率（即 0.01 µm/s < v < 100 µm/s）条件下的实验测定。所测得的低摩擦值表明，富含层状硅酸盐的断层由于长期流体辅助的反应软化及叶理发育而表现出较弱的力学性质^{1,4,5,6,7,8,9,10,11,12,30}。这种低摩擦强度可作为评估断层在稳态条件下或地震周期震前阶段强度的代理指标。因此，本分析未考虑在高滑动速率（即 > 10 cm/s）下由温度升高所诱发的重要动态弱化机制³³。

该实验方案中的关键步骤涉及样品的采集与制备。由于层状硅酸盐在垂直于（001）基面方向（即垂直于片理方向）具有极低的抗拉强度，在野外使用锤子和凿子或在实验室使用手持研磨机操作时，岩石样品常常会碎裂，导致成型过程需要重新开始。因此，强烈建议采集的样品数量应多于实验所必需的数量，并做好耐心操作的准备。

在将力学数据与微结构数据进行整合之前，重要的是要验证在天然断层岩中观察到的沿富含层状硅酸盐的叶理面发生的摩擦滑动是否能够在实验室内重现，换句话说，天然断层岩的微结构是否与对薄片进行剪切实验所获得的微结构相似（图3）。

在对具有薄层片状硅酸盐网络的固体岩片进行的实验中，弱矿物相的连续层可能在显著剪切（位移> 12 mm）过程中被消耗。在此阶段，变形由强矿物相的碎裂作用以及沿片状硅酸盐的滑动共同承担。这一过程伴随着应变硬化阶段，摩擦系数增加约0.1或更高¹³。

大多数旨在表征构造断层摩擦特性的岩石变形实验，是在由天然断层岩经破碎和筛分得到的粉末组成的毫米级岩石薄层上进行的^24,27，或在预先切割好的断层岩上进行³⁴。这类实验对于表征变形发生在断层泥³⁵或局部化变形的狭窄滑动面³⁶上的断层摩擦特性至关重要。对于富含层状硅酸盐的断层，低摩擦强度（即断层弱化）与富层状硅酸盐网络的相互连通性有关，这种现象在野外表现为多个相互交织的主滑动带。这表明，即使层状硅酸盐含量较少，只要其连通性足够高，也能引起显著的断层弱化^37,38。因此，我们在固体薄片上开展实验室实验的最终目标是在摩擦测试过程中保持富层状硅酸盐层的天然连续性。

其他针对强相与弱相矿物粉末混合物的实验室实验已记录到，加入弱相矿物会导致断层弱化^{18,19,20,21,22}。研究发现，当含40–50%的层状硅酸盐时，由于剪切过程中这些矿物相相互连通，摩擦系数显著降低。这表明，当层状硅酸盐含量较高（即> 40%）时，对薄片或粉末进行的实验结果具有相似性²⁵。

在大量富含层状硅酸盐、片状或粉末状材料（层状硅酸盐含量> 40%）的天然断层岩上，于广泛变化的实验条件下进行的一系列摩擦试验表明，其摩擦系数范围为0.1–0.3³⁰。这意味着相当数量的地壳断层具有弱性特征。

材料

本文使用的材料清单

姓名	公司	目录编号	评论
盘磨机	许多公司	无	标准圆盘磨机用于粉碎岩石
断层岩	天然露头	无	全球所有富含层状硅酸盐的露头
锤子和凿子	许多公司	无	地质学家使用的标准锤子和凿子
光学显微镜	许多公司	无	用于矿物学研究的标准显微镜
岩石变形装置	我们使用像 BRAVA 这样的原型 &和 BRAVA2.0	无	岩石变形装置（Marone 等，1998；Collettini 等，2014）
用于切割岩石的锯	许多公司	无	标准锯用于切割断层岩石
SEM，扫描电子显微镜	许多公司	无	用于在微米尺度上研究微观结构的显微镜
透射电子显微镜，透射电子显微镜	许多公司	无	用于在纳米尺度上研究微观结构的显微镜