热水条件下斜长石和辉石断层泥的摩擦滑动研究

论文摘要

由于摩擦滑动与断层活动及地震有直接的关联,因此对于摩擦滑动的本构描述至关重要。基于实验研究,Dieterich提出了初步的速率依赖性本构模型,后经Ruina的进一步提炼,形成了目前我们所熟知的速率与状态依赖性本构关系。在这种本构关系中,关于状态变量有两种常用的演化方程,一种为滑动本构关系,另一种为慢度本构关系。在正应力恒定时,前者只能随着滑动距离而演化,后者则可以描述静止接触时间的效应。稳态滑动时的速率依赖性参数a? b的值至关重要。对小扰动下系统稳定性的线性分析发现,在速度强化条件下( a? b>0),不管系统刚度如何都是稳定的,只有在速度弱化情况下( a? b<0),才可能产生不稳定滑动,并且b ? a的值越大,越容易产生不稳定滑动。因此,参数a? b的符号对于判定滑动稳定性具有重要意义。本实验室以辉长岩为例对下地壳中典型的基性岩进行了摩擦实验研究,并用这些实验结果分析了下地壳的成震成因,论证了下地壳地震发生的可能性。本研究主要关注热水条件下辉长岩中的主要矿物——斜长石和辉石的摩擦性质,以期了解它们各自在辉长岩的摩擦滑动中对辉长岩摩擦性质的影响程度。本研究是在气体介质的高温高压三轴实验系统上进行的。围岩样品为辉长岩,圆柱状,长40mm,直径20mm。样品中间有预先切好的模拟断层面,并于实验前在断层面之间加入1mm厚的矿物粉末来模拟断层泥。实验主要是在30MPa的孔隙压力和200MPa的有效正应力条件下进行的,为了验证实验的重复性,斜长石补充了一组有效围压为100MPa的实验。实验的温度范围从101℃到607℃。轴向变形采用变速率的加载方法,在1.22μm/s与0.122μm/s之间进行速率切换。为了探明更低加载速率下的摩擦性质,补充了几个在0.224μm/s与0.0488μm/s之间切换的低速实验。在热水条件下对辉长岩的两种主要组成矿物斜长石和辉石的摩擦滑动实验研究的结果表明:1)斜长石在整个实验温度范围内(<607℃)显示速度弱化,而辉石除了在200℃附近表现出微弱的速度强化外,在其他温度范围也都表现为速度弱化;2)斜长石在低温时强度随温度的升高而略有增加,高温时强度则随温度的升高而降低。辉石的摩擦强度随着温度的增加没有系统性变化,在0.74上下波动;3)热水条件下高温段的辉长岩稳定滑动是由含量较少的石英的速度强化中和主要矿物斜长石和辉石的速度弱化所致;4)辉长岩的强度仍然受主要矿物成分控制;5)本实验所得热水条件下的实验结果与干燥条件下的结果有很大差异,再一次表明水的存在极大地影响了岩石的摩擦稳定性。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 前言
• 2 研究背景
• 2.1 岩石的摩擦性质
• 2.1.1 摩擦强度
• 2.1.2 摩擦本构关系与稳定性
• 2.2 前人实验研究成果
• 2.2.1 花岗岩及石英的实验结果
• 2.2.2 辉长岩的实验研究结果
• 2.2.3 干燥条件下斜长石和辉石断层泥的实验研究结果
• 3 实验装置与方法
• 3.1 常用装置
• 3.2 实验方法
• 4 实验结果
• 4.1 数据处理
• 4.1.1 温度校正
• 4.1.2 应力校正
• 4.2 实验结果
• 4.2.1 摩擦强度的速率依赖性
• 4.2.2 摩擦强度随温度的变化
• 5 控制滑动行为因素的探讨
• 5.1 斜长石与辉石混合的实验结果
• 5.2 加入次要矿物的实验结果
• 5.2.1 加入5%的角闪石的实验结果
• 5.2.2 加入5%的石英的实验结果
• 6 讨论与结论
• 6.1 矿物的速率依赖性与辉长岩结果的对比
• 6.2 矿物成分对岩石总体强度的影响
• 6.3 对其他类型岩石的摩擦性质的启示
• 致谢
• 参考文献