断层力学与地震机理-杭州课件.ppt

1、断层力学与地震机理断层力学与地震机理实验研究的若干进展实验研究的若干进展马胜利马胜利 中国地震局地质研究所中国地震局地质研究所地震动力学国家重点实验室地震动力学国家重点实验室致致 谢谢 报告内容取自地震动力学国家重点报告内容取自地震动力学国家重点实验室构造物理团队多位同事、研究生实验室构造物理团队多位同事、研究生及合作者的研究成果。及合作者的研究成果。报告提纲报告提纲 研究意义及主要科学研究意义及主要科学问题问题 断层低速摩擦性状与地震成核条件断层低速摩擦性状与地震成核条件断层亚失稳特征与地震前兆机理断层亚失稳特征与地震前兆机理断层高速摩擦性状与同震滑动机制断层高速摩擦性状与同震滑动机制小结及

2、研究展望小结及研究展望 Brace and ByerleeBrace and Byerlee（19661966）提出）提出断层粘滑断层粘滑是地震产生是地震产生的的机制机制，开创了地震机理研究的新纪元，确立了断，开创了地震机理研究的新纪元，确立了断层力学在地震研究中的重要地位。层力学在地震研究中的重要地位。岩石摩擦实验岩石摩擦实验是研究断层力学行为与地震机理的重是研究断层力学行为与地震机理的重要手段。围绕断层强度、断层滑动稳定性已开展了要手段。围绕断层强度、断层滑动稳定性已开展了大量研究，为认识地震物理过程和机制、探索地震大量研究，为认识地震物理过程和机制、探索地震预测提供了重要基础。预测提供了

3、重要基础。研究意义研究意义1.1.研究意义及主要科学问题研究意义及主要科学问题Byerlee 定律定律岩石摩擦强度与岩石圈强度剖面岩石摩擦强度与岩石圈强度剖面Shear strength DepthBrittle/frictional(Byerlee)Dislocation creep of quartz10-20 kmMPa2006.050MPa20085.0nnnn 关于滑动稳定性即粘滑产生的机制，早期主要用滑关于滑动稳定性即粘滑产生的机制，早期主要用滑动弱化模型来解释（如：动弱化模型来解释（如：ByerleeByerlee，19701970；Rice,Rice,19801980），模型无

4、法解释粘滑的重复发生，但至今仍），模型无法解释粘滑的重复发生，但至今仍广泛应用于震源过程模拟。广泛应用于震源过程模拟。突破性的进展是突破性的进展是速率速率状态摩擦定律（状态摩擦定律（Dieterich,Dieterich,19791979；RuinaRuina，19831983）的提出的提出，以此建立的以此建立的滑动稳定滑动稳定性判据性判据可解释粘滑的重复发生，可解释粘滑的重复发生，实现了断层实现了断层滑动发滑动发生生的地震旋回的地震旋回的的模拟模拟。摩擦滑动失稳与地震摩擦滑动失稳与地震旋回模拟旋回模拟(Barbot et al.,2012,Science)Rate-&state-depend

5、ent friction&stability(nucleation);rate weakening during dynamic ruptureMicroseismicity,Field investigations,Paleoseismic studies Deformation monitored by variousarrays of instruments(e.g.GPS,broadband seismometer)Five important factors for numerical prediction:(1)understand the physical process and

6、 construct equations based on physical principles,(2)ability to numerically solve these equations,(3)knowledge of structures and material properties in the Earth,(4)boundary conditions and their variation with time,(5)initial conditions.(Shi et al.,2014,Earthquake Sci.)对地震数值预报而言，断层物理力对地震数值预报而言，断层物理力

7、学实验研究的意义体现在：学实验研究的意义体现在：理解地震断层作用的物理过程并理解地震断层作用的物理过程并通过数理方程进行描述通过数理方程进行描述 获取地下介质在相应条件下的物获取地下介质在相应条件下的物理力学性质理力学性质地震模拟与地震数值预测地震模拟与地震数值预测主要科学问题主要科学问题地震机理研究需要了解断层从准静态到动态滑地震机理研究需要了解断层从准静态到动态滑动的全过程，其中重点关注的科学问题包括：动的全过程，其中重点关注的科学问题包括：断层滑动稳定性与地震成核断层滑动稳定性与地震成核断层失稳预滑与地震前兆断层失稳预滑与地震前兆断层失稳过程与地震同震滑动断层失稳过程与地震同震滑动(a-

8、b)0 速度强化速度强化(a-b)0 速度弱化速度弱化(a-ba-b)0 )0 速度弱化是失稳的必要条件速度弱化是失稳的必要条件速率速率状态摩擦本构关系状态摩擦本构关系基本公式：基本公式：稳态摩擦：稳态摩擦：失稳准则：失稳准则：n00*)/ln()/(/*)/ln(VVDVdtdbVVac*)/ln()(ssVVbacncr/Db)(aK2.2.断层低速摩擦性状与地震成核条件断层低速摩擦性状与地震成核条件 岩石摩擦滑动的稳定性取决于岩石摩擦滑动的稳定性取决于摩擦强度的速度依赖性，实验摩擦强度的速度依赖性，实验研究岩石在不同条件下的摩擦研究岩石在不同条件下的摩擦本构参数极为重要。本构参数极为重要

9、。国际上开展了大量研究，其中国际上开展了大量研究，其中最关注的是石英断层泥和花岗最关注的是石英断层泥和花岗岩断层泥的研究，揭示了其速岩断层泥的研究，揭示了其速度依赖性随环境条件的变化。度依赖性随环境条件的变化。构造环境和介质分布的多样性构造环境和介质分布的多样性要求对不同岩石在不同环境条要求对不同岩石在不同环境条件下的摩擦性状进行研究。件下的摩擦性状进行研究。石英和花岗岩断层泥稳态摩擦随温度的变化（据Blanpied et al.,1995)。实验室依托自主研发的气体介质高温高压岩石摩擦实验室依托自主研发的气体介质高温高压岩石摩擦实验装置开展了相关研究，技术指标：实验装置开展了相关研究，技术指

10、标：正压力正压力500MPa，孔隙压孔隙压力力200MPa，温度，温度700C，气体介质高温气体介质高温高压高压摩擦实验装置摩擦实验装置He et al.,Tectonophysics,20060.51.01.52.02.53.03.54.00.20.30.40.50.60.70.81.221.220.1220.1221.22m/s(a)effdisplacement,mmHgbr03,=210MPa,199oC0100200300400500600700-0.020-0.015-0.010-0.0050.0000.0050.010a-b=/ln(V)T,oC Neff=300 MPa,Pp=

11、10 MPa,standard Neff=200 MPa,Pp=10 MPa,standard Neff=200 MPa,Pp=100 MPa,standard 3=130 MPa,Pp=30 MPa,slow 3=130 MPa,Pp=30 MPa,standard 3=180 MPa,Pp=30 MPa,slow 3=180 MPa,Pp=30 MPa,standard He et al.,Tectonophyscs,2007对下地壳典型岩石辉长岩对下地壳典型岩石辉长岩进行了研究，干燥条件下进行了研究，干燥条件下所有温度条件下均为速度所有温度条件下均为速度强化，而含水条件下在强化，而含水条

12、件下在200300出现了速度弱出现了速度弱化 行 为，更 高 温 度 下化 行 为，更 高 温 度 下（400500），较慢的），较慢的滑动速率有利于速度弱化滑动速率有利于速度弱化的出现。表明下地壳具备的出现。表明下地壳具备发生地震成核的条件。发生地震成核的条件。基性岩石低速摩擦实验基性岩石低速摩擦实验plagioclasepyroxene对主要组成矿物以及矿物对主要组成矿物以及矿物组合的摩擦性质进行了研组合的摩擦性质进行了研究，揭示了了控制速度依究，揭示了了控制速度依赖性本构参数的因素，进赖性本构参数的因素，进而分析了控制本构参数的而分析了控制本构参数的 变形机制。变形机制。He et al

13、.,JGR,2013 对对IODP大洋玄武岩摩擦系数大洋玄武岩摩擦系数随温度升高无显著变化趋势，随温度升高无显著变化趋势，而速度依赖性在而速度依赖性在300-600oC范范围内表现为速度弱化行为。围内表现为速度弱化行为。俯冲带断层强度的峰值深度分俯冲带断层强度的峰值深度分别为别为43km和和41km，在不同的，在不同的形变速率下形变速率下2.2 10-13/s和和 8.8 10-14/s，孕震带的深度范围下，孕震带的深度范围下限分别为限分别为 39.4km 和和 38.1km.。Zhang et al.,Marine Geology,2017特殊矿物对长英质岩石摩擦的影响特殊矿物对长英质岩石摩

14、擦的影响 弱矿物黑云母在常温下具有弱矿物黑云母在常温下具有较低的摩擦系数，但摩擦系较低的摩擦系数，但摩擦系数随温度升高而升高。数随温度升高而升高。黑云母的摩擦速度依赖性参黑云母的摩擦速度依赖性参数数a-b随温度升高而减小，表随温度升高而减小，表现出随温度升高向不稳定转现出随温度升高向不稳定转化的趋势。化的趋势。黑云母的摩擦性状及其影响黑云母的摩擦性状及其影响Lu and He,Tectonophysics,2014 石英石英+云母均匀混合断层泥摩云母均匀混合断层泥摩擦系数随云母含量增加而线擦系数随云母含量增加而线性减小，而含黑云母叶理断性减小，而含黑云母叶理断层泥的摩擦随云母含量增加层泥的摩擦

15、随云母含量增加呈现呈现幂指数幂指数减小趋势。在叶减小趋势。在叶理发育的情况下，即使少量理发育的情况下，即使少量（wt.5%）黑云母的存在也）黑云母的存在也会显著弱化断层。会显著弱化断层。含黑云母叶理断层泥摩擦系含黑云母叶理断层泥摩擦系数随温度增加而增加；数随温度增加而增加；200-600oC时为速度弱化，表明断时为速度弱化，表明断层的层的孕震孕震带可深入到中下地带可深入到中下地壳范围。壳范围。Lu and He,Tectonophysics,2018糜棱岩断层泥的摩糜棱岩断层泥的摩擦强度在擦强度在200以上随以上随温度增加而增加。温度增加而增加。随温度增加，断层随温度增加，断层泥摩擦速度依赖性

16、经泥摩擦速度依赖性经历了速度强化历了速度强化速度速度弱化弱化速度强化的转速度强化的转换，不稳定深度更大。换，不稳定深度更大。富含层状硅酸盐矿物的糜棱岩富含层状硅酸盐矿物的糜棱岩的的摩擦摩擦强度与速度依赖性强度与速度依赖性Zhang and He,JGR,2016 浅部浅部断层断层岩岩的摩擦的摩擦强度及速度依赖性强度及速度依赖性断层泥摩擦随粘土含量增加而降低，断层泥摩擦随粘土含量增加而降低，有机碳会显著地弱化断有机碳会显著地弱化断层泥的摩擦强度层泥的摩擦强度。富含碳酸盐矿物断层泥在富含碳酸盐矿物断层泥在100-150100-150的温度和较慢的滑移速的温度和较慢的滑移速率下表现出速度弱化行为，而

17、率下表现出速度弱化行为，而富含粘土矿物断层泥均表现出富含粘土矿物断层泥均表现出速度强化的摩擦行为速度强化的摩擦行为。Zhang and He,Tectonophysics,2013;Verberne et al.,BSSA,2010u 率先对基性岩的摩擦性状开展了实验研究，获率先对基性岩的摩擦性状开展了实验研究，获得了系统的本构参数，为下地壳震颤和俯冲带得了系统的本构参数，为下地壳震颤和俯冲带地震成核的模拟提供了依据。地震成核的模拟提供了依据。u 对可能影响长英质岩石摩擦滑动性状的特殊矿对可能影响长英质岩石摩擦滑动性状的特殊矿物开展了实验研究，研究结果丰富了对地震成物开展了实验研究，研究结果丰

18、富了对地震成核条件的认识。核条件的认识。u 对地壳浅部黏土类断层泥和沉积岩的摩擦滑动对地壳浅部黏土类断层泥和沉积岩的摩擦滑动性状开展了实验研究，可为地震模拟提供更完性状开展了实验研究，可为地震模拟提供更完整的本构参数。整的本构参数。6005004003002001000100200300400500600 2.85*10-16s-1=0.9=0.37深度(km)断层强度(MPa)温度()20353025201510506005004003002001000100200300400500600 1*10-12s-12.85*10-16s-1=0.9=0.37深度(km)断层强度(MPa)温度(。

19、C)35302520151050汶川地震汶川地震断断层层脆脆-塑性转化带流变结构塑性转化带流变结构间震期到地震成核阶段间震期到地震成核阶段同震到震后快速蠕滑阶段同震到震后快速蠕滑阶段地震成核部位具有低强度（高孔隙压力造成）、速度弱化的特征，地震成核部位具有低强度（高孔隙压力造成）、速度弱化的特征，断层带高压流体的存在可能对地震成核起着重要作用断层带高压流体的存在可能对地震成核起着重要作用。Han et al.,J Asian Earth Sci.,2016 对于地震预测特别是短期预测，前兆现象是必须依赖的基对于地震预测特别是短期预测，前兆现象是必须依赖的基础。通过岩石础。通过岩石力学力学实验研

20、究，理解前兆现象的物理机制，实验研究，理解前兆现象的物理机制，建立物理模型，预测可能产生的地球物理现象，是地震预建立物理模型，预测可能产生的地球物理现象，是地震预测的基本科学方法测的基本科学方法之一之一（ScholzScholz，19901990）。）。基于岩石力学实验建立前兆物理模型可概括为两类：一类基于岩石力学实验建立前兆物理模型可概括为两类：一类是基于岩石块体的本构关系，预测断层周围岩体中的性质是基于岩石块体的本构关系，预测断层周围岩体中的性质变化：变化：扩容扩容扩散模型扩散模型；另一类是基于断层的本构关系，；另一类是基于断层的本构关系，预测断层上的滑动：成核模型。强震发生与预存断层滑动

21、预测断层上的滑动：成核模型。强震发生与预存断层滑动有关已成为共识，因此成核模型研究成为主流。有关已成为共识，因此成核模型研究成为主流。3.3.断层亚失稳特征与地震前兆机理断层亚失稳特征与地震前兆机理粘滑实验揭示的失稳成核现象粘滑实验揭示的失稳成核现象（Ohnaka 等，等，1986）成核模型的基础是断层失稳成核模型的基础是断层失稳前的预滑现象，前的预滑现象，摩擦实验早摩擦实验早已揭示出预滑及其扩展过程（已揭示出预滑及其扩展过程（Scholz et al.,1972Scholz et al.,1972；Dieterich,Dieterich,19781978）。）。广为引用的成核模型如，广为引用

22、的成核模型如，OhnakaOhnaka（19861986，19921992）基于实验）基于实验结果提出结果提出了了短期前兆模型短期前兆模型，DieterichDieterich（19861986）基于速率基于速率-状状态摩擦本构关系提出态摩擦本构关系提出了了地震成核模型。地震成核模型。基于基于速率速率-状态摩擦本构关系状态摩擦本构关系地震成地震成核模型（核模型（Dieterich，1986）围绕围绕断层滑动成核过程进行断层滑动成核过程进行了很多实验研究，涉及摩擦了很多实验研究，涉及摩擦非非均匀性的影响均匀性的影响、成核中的、成核中的声发射活动声发射活动、尾波变化尾波变化、应变和应变和断层位移的

23、分布断层位移的分布以及以及预滑区预滑区特征特征（如：马胜利等，如：马胜利等，20022002，20032003；McLaskey and KilgoreMcLaskey and Kilgore，20132013；McLaskey and LocknerMcLaskey and Lockner，20142014；Xie et al.,Xie et al.,2017;2017;宋义敏等，宋义敏等，20122012；Hedayat et al.,2015;Nielsen et al.,2010Hedayat et al.,2015;Nielsen et al.,2010；Mclaskey Mclas

24、key and Kilgore,2013and Kilgore,2013；Latour et al.,2013Latour et al.,2013）等。等。基于速率基于速率-状态摩擦定律和实验状态摩擦定律和实验结果对地震成核结果对地震成核开展了一系开展了一系列数值模拟研究列数值模拟研究（如：（如：Dieterich,1992;Campillo and IonescuDieterich,1992;Campillo and Ionescu，19971997；何；何昌荣，昌荣，20002000；Uenishi and RiceUenishi and Rice，20032003；Rubin and A

25、mpueroRubin and Ampuero，20052005；Ampuero and RubinAmpuero and Rubin，20082008；Kaneko and AmpueroKaneko and Ampuero，20112011），深化对成深化对成核过程的理解。核过程的理解。成核模型存在的主要问题是，成核模型存在的主要问题是，缺少明确的时间点，观测到缺少明确的时间点，观测到的变化较小或时间过短，难以应用到实际断层的观测等。的变化较小或时间过短，难以应用到实际断层的观测等。马瑾等（马瑾等（20122012，20142014，20162016）提）提出了断层滑动出了断层滑动亚失稳模

26、型亚失稳模型：一次：一次粘滑失稳包含稳态、亚稳态、亚粘滑失稳包含稳态、亚稳态、亚失稳态和失稳态失稳态和失稳态4 4个阶段，个阶段，亚失亚失稳是指断层达到应力峰值后到动稳是指断层达到应力峰值后到动态滑动发生前的阶段。态滑动发生前的阶段。亚失稳阶段由应力由积累为主转亚失稳阶段由应力由积累为主转变为释放为主，标志着变为释放为主，标志着断层失稳断层失稳进入到不可逆阶段进入到不可逆阶段，也是各种物，也是各种物理量变化显著而又存在有效观测理量变化显著而又存在有效观测时间窗口的阶段，因而是观测地时间窗口的阶段，因而是观测地震短临前兆的关键阶段。震短临前兆的关键阶段。断层滑动应力积累断层滑动应力积累-释放阶段

27、划分释放阶段划分（马瑾，2016）亚失稳阶段是否有独特亚失稳阶段是否有独特的物理场变化涉及是否的物理场变化涉及是否存在短临前兆以及野外存在短临前兆以及野外断层如何识别亚失稳等断层如何识别亚失稳等关键问题。关键问题。利用构造变形物理场实利用构造变形物理场实验系统开展岩石摩擦实验系统开展岩石摩擦实验，观测应变、断层位验，观测应变、断层位移、温度、声发射等，移、温度、声发射等，揭示亚失稳阶段物理场揭示亚失稳阶段物理场的变化特征和机制。的变化特征和机制。构造变形物理场实验系统构造变形物理场实验系统应力峰值前沿断层出现了应变积累和释放区交替出现，亚失稳应力峰值前沿断层出现了应变积累和释放区交替出现，亚失

28、稳阶段应变释放区明显扩展，随后沿断层均表现为应变加速释放。阶段应变释放区明显扩展，随后沿断层均表现为应变加速释放。马瑾等，地震地质马瑾等，地震地质,2014断层粘滑失稳过程中断层粘滑失稳过程中的应变场演化的应变场演化峰值应力前便出现了多个预滑区，亚失稳阶段断层上预滑区峰值应力前便出现了多个预滑区，亚失稳阶段断层上预滑区扩展连通，随后位移显著增加，断层整体加速预滑扩展连通，随后位移显著增加，断层整体加速预滑。卓燕群等，中国科学卓燕群等，中国科学,2013断层粘滑失稳过程中断层粘滑失稳过程中断层位移演化断层位移演化Zhuo et al.,2015 断层粘滑失稳过程中断层位移演化断层粘滑失稳过程中断

29、层位移演化峰值应力前断层及周围表现为温度增加，亚失稳断层周围出现温峰值应力前断层及周围表现为温度增加，亚失稳断层周围出现温度下降，进入准动态阶段因断层预滑而发生显著的温度上升。度下降，进入准动态阶段因断层预滑而发生显著的温度上升。Ren et al.,Pgeoph,2017断层粘滑失稳过程中温度场的演化断层粘滑失稳过程中温度场的演化失稳前震颤式事件失稳前震颤式事件的优势频率随预滑的优势频率随预滑加速而升高，震颤加速而升高，震颤式事件的扩展与预式事件的扩展与预滑区扩展具有时空滑区扩展具有时空上的一致性，而预上的一致性，而预滑区扩展与凹凸体滑区扩展与凹凸体破坏存在相互作用破坏存在相互作用且二者形成

30、正反馈且二者形成正反馈效应，使断层加速效应，使断层加速向失稳演化。向失稳演化。Zhuo et al.,GRL,2018震颤式事件的扩展与预滑区扩展震颤式事件的扩展与预滑区扩展断层粘滑失稳过程中的声发射断层粘滑失稳过程中的声发射u 提出了断层亚失稳模型，提出了断层亚失稳模型，在亚失稳阶段在亚失稳阶段，随着断，随着断层应力以积累为主转变为以释放为主，断层各部层应力以积累为主转变为以释放为主，断层各部位从无序的独立活动转变为有序的协同化活动，位从无序的独立活动转变为有序的协同化活动，且在亚失稳阶段且在亚失稳阶段后期后期表现为加速协同化。表现为加速协同化。u 应变场、断层位移、温度场以及微破裂在亚失稳

31、应变场、断层位移、温度场以及微破裂在亚失稳阶段的阶段的协同化协同化变化（显著特征）表明，利用物理变化（显著特征）表明，利用物理场变化识别断层亚失稳是有可能的，这为野外断场变化识别断层亚失稳是有可能的，这为野外断层地震短临前兆提供了新思路。层地震短临前兆提供了新思路。55m/day0.6mm/s1、2.5、74 mm/s大震前的小震迁移大震前的小震迁移(Kato(Kato等，等，2012)2012)23mm/s2000-6-6(5.9)断层应力场演化与地震前小震迁移断层应力场演化与地震前小震迁移马瑾等，马瑾等，20144.4.断层高速摩擦性状与同震滑动机制断层高速摩擦性状与同震滑动机制集集地震破

32、裂过程模拟集集地震破裂过程模拟（Noda and Napusta,Nature,2013Noda and Napusta,Nature,2013）为震源物理研究提供基础和约束：动态应力降、震源参数为震源物理研究提供基础和约束：动态应力降、震源参数 (E EG G&D Dc c)、能量分配、断层强度恢复、破裂模式等。、能量分配、断层强度恢复、破裂模式等。新结果和新认识：稳定的断层蠕滑段由于显著动态弱化可能新结果和新认识：稳定的断层蠕滑段由于显著动态弱化可能会造成巨大破坏会造成巨大破坏(Noda&Lapusta,2013)。前人实验结果表明，高速摩擦时各种岩石均表现出明显前人实验结果表明，高速摩擦

33、时各种岩石均表现出明显的滑移弱化特征；的滑移弱化特征；断层泥表现出更为显著的滑移弱化和断层泥表现出更为显著的滑移弱化和低摩擦强度。低摩擦强度。关于弱化机制提出了熔体润滑、凹凸体急剧加热、关于弱化机制提出了熔体润滑、凹凸体急剧加热、热压热压作用、纳米级粉末润滑作用、硅质胶体润滑作用、作用、纳米级粉末润滑作用、硅质胶体润滑作用、颗粒颗粒表面脱吸附水等机制。表面脱吸附水等机制。Di Toro et al.,2011 天然断层物质的天然断层物质的高速摩擦形状、高速摩擦形状、本构关系、滑移本构关系、滑移弱化的机制、流弱化的机制、流体的影响等都是体的影响等都是需要深入研究的需要深入研究的问题。问题。1：伺

34、服马达，2：齿轮/皮带变速系统，3：主加载框架，4：旋转记录器，5：样品，6：围岩锁固装置，7：轴压杆稳固平台，8：轴压杆，9：扭矩计，10：轴向位移计，11：推力轴承，12：轴向载荷计，13：轴压气缸。Ma et al.,Eq.Sci.2014 实验室建立了可模拟断层同震实验室建立了可模拟断层同震滑动高速度（滑动高速度（m/sm/s）、大位移）、大位移（mm级）的摩擦实验装置。级）的摩擦实验装置。配备可加温孔隙压力容器，可配备可加温孔隙压力容器，可模拟地壳深部断层摩擦性质。模拟地壳深部断层摩擦性质。稳态摩擦系数在断层带上稳态摩擦系数在断层带上具有较好具有较好的的一致性，表现出显著的一致性，表

35、现出显著的滑动滑动弱化弱化；总体上与断层泥的矿物成分无明显的相关性。；总体上与断层泥的矿物成分无明显的相关性。显著的滑动弱化显著的滑动弱化在地震在地震过程过程中中会会极大地促进破裂的扩展极大地促进破裂的扩展。龙门山断裂带断层泥样品的高速摩擦实验龙门山断裂带断层泥样品的高速摩擦实验Yao et al.,Tectonophysics,2013 高速滑动下断层强度恢复特征高速滑动下断层强度恢复特征Yao et al.,JGR,2013 摩擦系数在摩擦系数在510 s内恢复了约内恢复了约 0.4，强度快速恢复与温度的快速下降强度快速恢复与温度的快速下降相关。相关。强度快速恢复支持地震破裂以自强度快速恢

36、复支持地震破裂以自愈合滑动脉冲模式传播。愈合滑动脉冲模式传播。Yao et al.,JGR,2013Flash temperature model(Archard,1959,Wear)A single circular asperity moving over a large flat surface(semi-infinite half-space)HeatinputMax.thermalenergy storageEffective heated distanceFlash heating model(Rice,2006,JGR)断层面凹凸体上的应力远大于宏观断层面凹凸体上的应力远大于宏观

37、应力，因此摩擦升温更加急剧，如应力，因此摩擦升温更加急剧，如果凹凸体达到其弱化温度的时间果凹凸体达到其弱化温度的时间 w w小于凹凸体的存在时间小于凹凸体的存在时间，就会在，就会在一部分的接触时间内处于弱化状态，一部分的接触时间内处于弱化状态，微观凹凸体的总体效应引起断层表微观凹凸体的总体效应引起断层表现为宏观的滑动弱化现为宏观的滑动弱化(Rice,1999,(Rice,1999,AGU Abs.;Rice,2006,JGR;Beeler et AGU Abs.;Rice,2006,JGR;Beeler et al.,2008,JGR)al.,2008,JGR)。Typically 0.1 m

38、/s for bare rock surface 同震滑动弱化的主导机制同震滑动弱化的主导机制Flash Heating 同震滑移弱化的主导机制同震滑移弱化的主导机制Flash Heating Yao et al.,Geology,2016 随围岩热导率减小，断层弱化速度明显加快；随围岩热导率减小，断层弱化速度明显加快；含黏土矿物时弱化更明显，表明也存在热压作用导致含黏土矿物时弱化更明显，表明也存在热压作用导致的弱化。的弱化。围岩热传导率对断层泥高速摩擦的影响围岩热传导率对断层泥高速摩擦的影响 随围岩热导率降低，断随围岩热导率降低，断层泥弱化更显著，强度层泥弱化更显著，强度恢复更迅速。恢复更迅

39、速。断层泥厚度演化也受热断层泥厚度演化也受热导率影响，这可能是热导率影响，这可能是热-化学压力作用的证据。化学压力作用的证据。温度温度/热弱化对高速滑动热弱化对高速滑动弱化的贡献很大。弱化的贡献很大。Yao et al.,Geology,2016滑动带内紧邻旋转端围岩滑动带内紧邻旋转端围岩100微米变形带内微米变形带内的温度与稳态摩擦系数的关系的温度与稳态摩擦系数的关系Yao et al.,Geology,2016 温度测量和计算表明断层带中由摩擦生热导致的快速升温在温度测量和计算表明断层带中由摩擦生热导致的快速升温在滑动弱化中起着主导作用。滑动弱化中起着主导作用。用考虑了断层面温度变化和断层

40、泥影响的凹凸体急剧加热模用考虑了断层面温度变化和断层泥影响的凹凸体急剧加热模型型（Platt et al.，2014)，可以很好地解释实验结果。可以很好地解释实验结果。纳米颗粒在高速纳米颗粒在高速滑动时的弱化程滑动时的弱化程度与围岩的热导度与围岩的热导率成反比，纳米率成反比，纳米颗粒的滚动润滑颗粒的滚动润滑机制并不明显。机制并不明显。纳米颗粒的滚动润滑作用不明显纳米颗粒的滚动润滑作用不明显Yao et al.,GRL,2016 不同热传导率围岩对纳米颗粒高速摩擦的影响不同热传导率围岩对纳米颗粒高速摩擦的影响 纳米颗粒的滚动润滑机制并纳米颗粒的滚动润滑机制并非高速滑动弱化的主要机制，非高速滑动弱

41、化的主要机制，温度依然是断层弱化的必要温度依然是断层弱化的必要条件。条件。Yao et al.,GRL,2016 测量和计算表明，纳米颗粒测量和计算表明，纳米颗粒高速摩擦实验中，断层带的高速摩擦实验中，断层带的温度与围岩的热导率成反比，温度与围岩的热导率成反比，表明滑动弱化依然受温度控表明滑动弱化依然受温度控制。制。水对高速摩擦强度的影响水对高速摩擦强度的影响Togo et al.,JGR,2016干燥条件稳态摩擦系数干燥条件稳态摩擦系数0.120.21，含水条件下降至含水条件下降至 0.020.15。干燥和含水时的平均摩擦系数处于干燥和含水时的平均摩擦系数处于根据钻孔测温剖面估算的摩擦系数上

42、根据钻孔测温剖面估算的摩擦系数上下限之间。下限之间。含水条件下断层动态强度及弱化机制含水条件下断层动态强度及弱化机制摩擦增热摩擦增热 T Pp Pe 摩擦摩擦 Energy conservationFluid mass conservation热增压作用是热传导与流体扩散相热增压作用是热传导与流体扩散相互耦合的物理过程，只有升温增压互耦合的物理过程，只有升温增压效应超过了因渗流和剪切扩容造成效应超过了因渗流和剪切扩容造成的扩散效应，孔隙压力才会增大。的扩散效应，孔隙压力才会增大。因此，因此，滑动带的渗透率和宽度是热滑动带的渗透率和宽度是热压作用重要的影响因素压作用重要的影响因素。(Wibber

43、ley&Shimamoto,2005,Nature)测量断层带测量断层带的渗透性质的渗透性质并计算并计算TPTP(Wibberley&Shimamoto,2005,Nature)热压作用机制热压作用机制 高速滑动中伴随断高速滑动中伴随断层的快速弱化，断层的快速弱化，断层温度迅速增加，层温度迅速增加，随后出现了温度平随后出现了温度平台。台。实验中出现了水的实验中出现了水的汽化作用，这种作汽化作用，这种作用促进了同震热压，用促进了同震热压，同时抑制了温度的同时抑制了温度的上升。上升。Chen et al.,GRL,2017 水的汽化作用对高速摩擦的影响水的汽化作用对高速摩擦的影响 流体汽化导致孔隙

44、压力流体汽化导致孔隙压力增加，而吸热作用抑制增加，而吸热作用抑制了温度的上升，因此孔了温度的上升，因此孔隙水沿压力温度相图中隙水沿压力温度相图中的液体的液体-气体转换曲线气体转换曲线运移。运移。汽化作用对温度上升的汽化作用对温度上升的抑制，可帮助解释大震抑制，可帮助解释大震后观测到的很低的钻孔后观测到的很低的钻孔温度异常。温度异常。Chen et al.,GRL,2017 Very small ss&Dc 孔隙水压可控条件孔隙水压可控条件下的高速摩擦实验下的高速摩擦实验Yao et al.,JGR,2018 含水条件下动态弱化主导机制含水条件下动态弱化主导机制Flash heating与局部热

45、压作用与局部热压作用 碎屑类断层泥和富碎屑类断层泥和富含粘土断层泥摩擦含粘土断层泥摩擦系数均随速率升高系数均随速率升高而降低。而降低。两类断层泥的摩擦两类断层泥的摩擦行为也表现出不同行为也表现出不同的特征。的特征。V 10-100 mm/s,速度速度强化强化地震破裂的传地震破裂的传播需要突破这一播需要突破这一barrier.V 40-100 mm/s,断层断层泥呈现快速的动态弱化，泥呈现快速的动态弱化，摩擦系数降至摩擦系数降至 0.1,滑滑动弱化距离低至动弱化距离低至 0.1 m.宏观热压作用难以解释较低的特征弱化速率和较小的弱化距离；宏观热压作用难以解释较低的特征弱化速率和较小的弱化距离；F

46、lash heatingFlash heating及其引起的局部热压作用可能是主要的机制。及其引起的局部热压作用可能是主要的机制。Yao et al.,JGR,2018u 高速滑动下高速滑动下断层带表现出显著的滑动断层带表现出显著的滑动弱化弱化，且，且与与矿物矿物成分无明显的相关性成分无明显的相关性；滑动；滑动停止后摩擦系数停止后摩擦系数可在可在510 s内内恢复约恢复约 0.4；孔隙水会使断层更弱，；孔隙水会使断层更弱，而水的汽化作用可促进同震热压，同时抑制温度而水的汽化作用可促进同震热压，同时抑制温度的上升。的上升。u 断层高速滑动中，由断层高速滑动中，由Flash heating导致的快

47、速升导致的快速升温在滑动弱化中起着主导作用，含孔隙压条件下温在滑动弱化中起着主导作用，含孔隙压条件下flash heating及其及其支配的局部支配的局部热压作用发挥着主热压作用发挥着主导作用；其它机制均是特定条件下的辅助机制，导作用；其它机制均是特定条件下的辅助机制，而非主导机制。而非主导机制。5.小结及研究展望小结及研究展望对断层从准静态到动态滑动的全过程进行了实验对断层从准静态到动态滑动的全过程进行了实验研究，获得了一些新结果和新认识，深化了对断研究，获得了一些新结果和新认识，深化了对断层力学行为与地震机理的认识。层力学行为与地震机理的认识。需要继续深化研究并完善模型，如：矿物成分及需要继续深化研究并完善模型，如：矿物成分及流体赋存状态对地震成核的影响，断层结构和介流体赋存状态对地震成核的影响，断层结构和介质非均匀性等对亚失稳模型的影响，地壳温压和质非均匀性等对亚失稳模型的影响，地壳温压和流体条件下高速摩擦性质及本构关系等。流体条件下高速摩擦性质及本构关系等。需要密切结合野外断层的调查和观测研究结合，需要密切结合野外断层的调查和观测研究结合，不断深化实验研究和模拟工作，更好服务于地震不断深化实验研究和模拟工作，更好服务于地震机理和地震预测研究。机理和地震预测研究。谢谢！