软弱成分层对断层泥强度的影响.pdf

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1、第37卷第1期地震地质VO1．37．NO．12015年3月SEISMOL0GYANDGEOL0GYM81"．，2015doi：10．3969／j．issn．0253—4967．2015．01．006软弱成分层对断层泥强度的影响路珍'何昌荣1)中国地震局地质研究所，地震动力学国家重点实验室，北京1000292)中国地震局第二监测中心，西安710054摘要分别对不同含量的黑云母、石英均匀混合和黑云母以软弱层形式夹于石英中的2种断层泥在温度为1o0℃，有效围压为200MPa，水压为30MPa，剪切滑动速率为1．22p~m／s的条件下进行摩擦实验。实验发现，当黑云母以软弱层存在时，

2、强度随含量的增加呈负幂次衰减关系，5％的含量就会对强度产生很大的降低作用，当含量达到30％后，强度受含量的影响便不再显著，逐渐趋于稳定。而对于均匀混合样品，强度随黑云母含量的增加呈单调线性递减关系，即云母含量越高对应强度越低。显微结构显示，在混合样品中，黑云母和石英共同承担了变形的作用，分配关系与各自所占含量保持一致。而在含软弱层的样品中，变形与矿物含量间的关系不大，主要集中在黑云母软弱层中发生，而石英的变形程度不大。文中研究的结果定量地描述了软弱层对断层强度的显著影响，表明一旦岩石中的弱矿物富集并且连通，则会大大降低断层的强度，对弱断层或高角度逆断层的形成具有一定的启示意

3、义。关键词黑云母石英软弱层摩擦强度中图分类号：P313文献标识码：A文章编号：0253—4967(2015)O1—0068—13O引言由于中上地壳的组成通常为长英质，很多情况下对地壳强度剖面的估算往往采用长英质岩石矿物的实验室数据(Scholz，1988；Kohlstedteta1．，1995)。然而，如果考虑层状硅酸盐矿物的富集与连通的结构并采用相应实验室数据进行计算时，所得的地壳强度会很低(Janeckeeta1．，1988；Wintseheta1．，1995；Holdsworth，2004)，这也可能与多年来广受关注的弱断层有关。基于这一线索，弱相矿物的力学性质受到了

4、比以往更加广泛的关注。作为高温环境下化学稳定并在地壳中广泛存在的云母矿物，对其摩擦性质的研究已经有了一定的进展(Scruggseta1．，1998；Marianieta1．，2006；VanDiggeleneta1．，2010；路珍等，2013；Lueta1．，2014)。高温高压条件下的实验表明，白云母的摩擦系数为约0．37～0．56，黑云母的摩擦系数为约0．3～0．4，均小于长英质岩石矿物的强度。然而，这些实验的实验样品多为单一矿物，而自然界中的岩石却多为多种矿物的集合体。用单矿物进行研究可以得到关于矿物力学性质的一些基础数据，但应用于野外仍存在一些限制，因此需要关注混

5、合样品的力学[收稿日期]2013—12-17收稿，2014-08-18改回。(基金项目]国家自然科学基金(41274186)和地震动力学国家重点实验室自主研究课题(LED2012A01)共同资助。通讯作者：何昌荣，男，研究员，E-mail：crhe@ies．ae．en。1期路珍等：软弱成分层对断层泥强度的影响69性质。值得注意的是，对于层状硅酸盐矿物在自然界中的存在方式并非总是均匀地分散在岩石中，特别是经过长时间的地壳变形作用后通常会定向排列或者富集贯通。Holyoke等(2006a，b)对天然细粒片麻岩的变形结构进行了三轴实验研究。该样品含58％石英(连通的)、28％斜长

6、石(分散的)、13％黑云母(呈线状分布，但处于分散状态)，样品为切片夹在上下端块中，围压为1500MPa，温度为745℃和800℃，应变速率为10S‘。和10S。。。这一实验结果表明，应变导致的弱相的连通是应变局部化和岩石整体弱化的重要原因。该实验研究发现，黑云母颗粒的连通方式有2种，当黑云母颗粒尖端的应力集中较高时，使石英和长石颗粒因半脆性变形发生断裂，从而使黑云母沿着(001)面得以滑动进而连通；或者当黑云母颗粒尖端的应力集中较低时，弱相黑云母剪切至石英颗粒边界，在此处形成无应变的重结晶颗粒从而连通起来。Johnson等(2004)研究了野外含黑云母深成岩体中糜棱结构的

7、演化过程，并对含云母岩石中的变形的开始和进一步局部化的形成做了数值模拟工作。研究区域为墨西哥加利福尼亚半岛SanJose英云闪长岩深成岩体，其内部保留了经历不同变形程度的岩石，为研究变形的发展过程提供了一个天然的实验室。他们对岩石从微弱变形到强烈变形的显微结构演化过程进行了薄片观察研究，结果显示随着变形程度的增加，岩石中的黑云母逐渐被拉长、形成拖尾和相互连接，最终形成糜棱化的叶理。显微观察表明，黑云母在岩石中是最弱的矿物，且在剪切局部化和后来的糜棱结构的发展过程中起了重要的作用。数值模拟工作关注了在变形演化过程中弱