斜长石在下地壳温度及较低有效压力条件下的摩擦滑动.pdf

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1、第38卷第2期地震地质Vo1．38．No．22016年6月SEISMOLOGYANDGEOLOGYJun．，2016斜长石在下地壳温度及较低有效压力条件下的摩擦滑动姚胜楠何昌荣(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)摘要近年来圣安德烈斯断层在下地壳深度上震颤的发现使其力学性质引起了更多的关注。文中对斜长石断层泥在低正应力条件下的摩擦滑动性质进行了实验。实验条件为有效正应力100MPa，采用围压控制，温度100～600℃，孔隙水压30MPa。通过对比有效正应力为200MPa，其他条件都相同时的实验结果发现，斜长石的摩

2、擦滑动力学行为基本一致，仅在本构参数a值随温度的变化规律上略有差异，但在整个温度范围均呈速度弱化。由此可见，有效正应力的降低对斜长石的摩擦滑动行为影响不大，因而在下地壳可以产生不稳定滑动的结论仍然成立。关键词较低正应力斜长石速度弱化不稳定滑动下地壳中图分类号：P315．2文献标识码：A文章编号：0253—4967(2016)02—290—13O引言前人通过不同的方法对大陆地震震源深度进行研究发现(Cheneta1．，1983；臧绍先等，1984；Wongeta1．，1990；张国民等，2002；杨智娴等，2003)，大陆震源绝大多数分布在20

3、km深度以内，发震层多位于中、上地壳，因此一般认为中、上地壳为脆性，下地壳为韧性。石耀霖等(2003)指出大多数地震发生在中地壳深度。曾融生等(2000)通过讨论雅鲁藏布江和南藏的地壳俯冲带的地震学证据，证实在莫霍面以下80～100km(下地壳至上地幔)也存在地震带。而近年来通过对地震深度的重新定位(韦生吉等，2009)，通过理论计算和观测记录的方法精确确定2003年赤峰地震的震源深度为(25~2)km，深度已达下地壳。新的研究发现，印度西隆高原的地震也会发生在下地壳(Maggieta1．，2000a，b；Baieta1．，2012)。近年来

4、在圣安德烈斯断层下地壳发现的震颤进一步引发了对下地壳力学性质的思考，使这一问题受到高度关注。而对下地壳地震孕震机制的研究首先需要对下地壳岩石的力学性质有所了解。先前的实验研究已经得出岩石的摩擦滑动失稳机制和断层之上的地震成核密切相关(Braceeta1．，1966；Diet-erich，1992)，因此为研究下地壳的孕震机制，我们需要对下地壳岩石的摩擦滑动的力学性质随温度和压力的变化有系统性的了解。辉长岩是下地壳主要造岩矿物的集合体，He等(2007)对辉长岩断层泥在热水条件下的摩擦滑动性质进行了研究。通过对比孔隙水压10MPa，温度25～6

5、00％，有效正应力分别为[收稿日期]2015-05—19收稿，2016—06—08改回。[基金项目]国家自然科学基金(41274186)与地震动力学国家重点实验室自主项目(LED2012A01)共同资助。2期姚胜楠等：斜长石在下地壳温度及较低有效压力条件下的摩擦滑动29l200MPa和300MPa丽种条件下的摩擦滑动力学性质发现，有效正应力的变化对其摩擦性质有着显著影响：在300MPa有效正应力下，在整个温度范围内都表现为稳定的速度强化行为；而在200MPa有效正应力下，200～300~C范围内则出现了速度弱化。该结果表明，较低的正应力较有利

6、于发生速度化行为。由于辉长岩包含黑云母、角闪石、石英等次要矿物，不同的矿物在高温高压下可能具有不同的力学性质，因此控制其滑动稳定性的因素难以确定。通过将主要矿物分离进行的实验表明，斜长石在有效正应力200MPa、水压30MPa、温度100～600~C的实验条件下，均表现为速度弱化的不稳定滑动行为；而辉石除了200~C时表现为微弱的速度强化(即稳定滑动)外，其他结果也均表现为不稳定的速度弱化行为(罗丽等，2009；Heeta1．，2013)。实验同时表明，少量石英的添加对辉长岩从速度弱化向速度强化的转变有着重要的影响作用，而其他次要矿物的添加则

7、没有明显的影响(Heetal。，2013)。由于天然岩石中的矿物组成是多样的，含少量石英和只含微量石英的情况都有，因此在没有石英的情况下考察深部的力学性质同样具有重要意义。同时，为了隔离矿物复杂性和压力的双重影响，本文只关注单矿物的情况，以此来研究有效正压力的影响。斜长石和辉石的实验表明了下地壳有产生不稳定滑动的可能性(Heeta1．，2013)，但由于深部的有效压力有不同的情况，如经常在数值模拟中采用的50MPa的情况(La—pustaeta1．。2003)以及在慢速滑动模拟中对应的更低的有效压力(Liueta1．，2007，2009)，那

8、么压力变化是否会引起这种不稳定滑动向稳定滑动的转变就成为实际应用中的1个重要问题，需要通过实验研究来解答。为了探究前面所述的斜长石、辉石及其集合体(如辉长岩)的速度