闪速加热导致以地震速率滑动的地壳岩石摩擦强度降低＊

闪速加热导致以地震速率滑动的地壳岩石摩擦强度降低＊

David L Goldsby，Terry E Tullis
（Department of Geological Sciences，Brown University，Providence，RI 02912，USA）

地震期间断层的抗滑阻力是地震物理学中的一个关键未知数。实验室中慢滑速率下岩石的摩擦系数为0.6～0.8，与地壳内高应力测量结果一致。我们的研究结果表明，在很高的、地震滑移速率下，地壳硅酸盐岩石摩擦系数的明显降低缘于微观粗糙接触体的强烈“闪速”加热以及由此引起的抗剪强度的衰减。由闪速加热产生的摩擦系数值可以解释沿某些活断层——如圣安德烈斯断层——实测热流异常的缺失。而由闪速加热导致的近乎纯粹的速度弱化摩擦则可以解释地震破裂是如何以自愈合滑动脉冲模式传播的。

虽然实验室实验中低滑移速率下的高摩擦系数以及由地壳钻孔测得的高应力［1］都支持断层处于静止的坚固状态的观点，但新近出现的源自断层力学的观点却认为，地震期间主要断层处于动态的脆弱状态。此观点基于与下列情况相关的明显热流异常缺失的综合观测结果，其中包括：① 地震滑移［2－3］，② 最大应力接近于断层的法向方向和由此产生的发育断层上的低分解剪切应力［4］，③过去10年间陡然增多的实验室研究项目表明，当岩石在高滑移速率和地震所特有的大滑动位移情况下发生剪切时，它们会被不同

的动态弱化机制（如熔化润滑［5－6］、凝胶润滑［78］、粉末润滑［9］；见［10－11］中的评述）所弱化。

两个相聚的岩石表面其实只与其名义接触面积的很小一部分接触。岩石摩擦试验的典型试样已推断出［12－13］或测得［14］平均接触尺度为～1到25μm，由此获得架状硅酸盐的接触应力（甚至适度的名义法向应力）为～10GPa。宏观摩擦特性缘于这些高应力微观接触的交互作用。接触处的输入总热量Qc在整个存续期θ期间为：Qc＝fcσcVAcθ，其中，fc为接触摩擦系数（即接触剪切应力τc除以接触法向应力σc），V 是滑动速度，Ac是接触面积。在低滑移速率下，接触处产生的热在整个接触存续期中会缓缓散开，使得温度上升幅度很小，对接触强度产生的影响也微乎其微。然而，当滑移速率足够高时，没有足够的时间可供接触处产生的热大量散失，这就使得接触温度升高，接触强度降低。由此，高接触应力和高滑动速度可能会引起接触处的强烈、瞬间加热，甚至熔化，从而导致剪切强度和宏观摩擦降低。由这种所谓的“闪速”加热引起的极度弱化甚至可以出现在滑动面平均温度仅仅略高于环境温度的情况下。

在此，我们介绍的是在地壳孕震带中获得的多种岩石上进行的高速摩擦试验结果。这些试验在相对较小的位移上（～45mm）探测到的地震滑移速度高达～0.4m/s。速度高可以激活低滑移速率下观测不到的动态弱化机制，而位移相对较小则可以确保滑动面的平均温度维持在仅仅略高于室温的状态。由此，这些试验条件可以将闪速加热与高滑移速率时的数米滑动相关的行为谱分开，如滑动面上由摩擦加热产生的熔化层（熔化润滑［56，15］）或硅胶状层（凝胶润滑［7－8］）的粘性剪切。

在石英岩上进行连续变化速度（CVV）测试，其低速段上的摩擦系数可达～0.6（图1a），这一数值与从前在低滑移速率下的石英岩上所做的许多研究（如文献［16－17］）获得的数值一致，也符合“拜尔利（Byerlee）定律”［18］。摩擦系数的最小值为～0.2（近似于振荡摩擦值的“平均数”），是在～0.36m/s的峰值滑动速度时测得的。在接下来的35mm的滑移中，随着速度的适度降低，摩擦系数也适度增大，其后，在试验即将结束时，随着速度的骤然下降，摩擦系数迅速增大。在试验末尾，低速情况下的摩擦系数值与试验开始时低速情况下获得的摩擦系数值几乎相同（图1a）。在相同的石英岩样本上进行的变速率（VS）试验结果支持CVV结果（图1b）。

CVV测试数据揭示出一个明显的滞后效应，从慢滑速率到0.36m/s的峰值速度的初始加速期间，某一特定速率下测得的摩擦值高于从峰值速度到0.1m/s的减速期间获得的数据（图2）。在同一样本上进行的重复测试获得了同样的滞后回线。将VS测试获得的离散摩擦与速度数据点的关系曲线（如图2）放在CVV测试获得的数据上进行比较，结果显示与CVV试验的减速部分获得的数据非常吻合（图2）。图2中两种测试获得的匹配摩擦系数与速度趋向的关系曲线表明，摩擦与～0.1m/s以上滑移速率成倒数关系1/V（图3）。

此外还用均密石英岩、钠长石、花岗岩和辉长岩进行了CVV测试。这些测试获得了与上述石英岩测试质量相同的结果。由这些测试获得的数据被绘制在图3中，并与闪速加热模型进行了比较［19－20］。均密石英岩数据图（图3b）也包含了另一个均密石英岩研究项目的数据，那一项目在很短的滑动位移处（～1mm）探测到了高滑移速率（高达2～4m/s）［21］。那些试验测定的法向应力（65～70MPa）比我们测定的高得多；然而，两个研究项目获得的接触应力和平均接触尺度预期不会有太大差别［22］。

图1 （a）石英岩高速摩擦试验的摩擦系数（黑色道）和滑动速度（红色道）相对于滑动位移的关系图。当超过弱化速度Vw时，摩擦与滑移关系曲线基本上就是速度与滑移关系曲线的镜像（水平镜面）。在高滑移速率的滑动前后获得的低滑移速率下的摩擦系数fo数据几乎相同。（b）石英岩VS测试的摩擦系数（黑色道）和滑动速度（红色道）相对于滑动位移的关系图。与（a）图一样，当超过特征弱化速度Vw时，摩擦曲线基本上就是速度曲线的镜像。在高速滑移前后获得的低滑移速率下的摩擦系数fo数据几乎相同。从0.06 m/s到0.13 m/s的加速期内，只有当～3 mm的滑移出现在速度超过V＝0.10 m/s时才观测到弱化

图2 由图1的CVV测试（黑色实线）和随后在同一石英岩样本上进行的几次VS测试（蓝灰色空心圆）获得的摩擦系数与滑动速度的关系曲线。箭头表示CVV测试中获得数据的顺序。由CVV试验揭示的摩擦系数中的滞后效应缘于相对于减速期的较低摩擦而言加速期的较高摩擦，而这又归因于高于弱化速度Vw的剪切局部化和低于弱化速度Vw的非局部化效应

每次测试后对样本表面进行了检查，发现在最初光秃的岩石表面上形成了一个薄薄的断层泥层。这个断层泥层的厚度为≤30μm，正如岩石薄片的透射式光学显微镜穿过滑动表面看到的一样（图S4）。利用扫描电子显微镜对滑动表面进行分析从而确定接触尺度的尝试未能得出确切结果；然而，在表面粗糙度类似的硅酸盐岩石样本上所做的摩擦试验（如文献［13］）得出临界滑动弱化距离Dc（平均接触尺度的替代值）的数值为1～25μm。在某一特定样本上进行的类似的连续测试出现了数据重现性，说明接触尺度没有随着滑移的积累而发生重大变化（图S3）。

试验结果无论在质量还是数量方面都与理论相符［19］。接触面被加热至适合于环境滑动速度的温度，滑动距离大约相当于接触尺度［23－24］，对于粗糙度类似于此处测试的岩石而言，其滑动距离为1～25μm［12－14］，这样一来，宏观摩擦系数便几乎成为高于特征弱化速度Vw的滑动速度的一个纯函数（图S5），在此

其中，α是热扩散系数，D是接触直径，ρC为热容量（此处ρ为密度，C为热容量），Tw代表特征弱化温度，Tf代表滑动面的平均温度。当V＞Vw时，在接触的存续期中，其

图3 摩擦与速度数据的关系曲线与闪速加热的Rice模型预测［19］的比较，图中以红色曲线示出；曲线的虚线部分表示外推至1 m/s或更高的滑移速率。图（a）为石英岩试验结果（黑色符号：CVV测试；蓝灰色符号：VS测试）；图（b）均密石英岩；图（c）Tanco钠长石；图（d）Westerly花岗岩；图（e）印度辉长岩

其中fo是低滑移速率下的摩擦系数，fw是弱化状态下的摩擦系数［19］。将式2与图3中的实验数据进行了比较，所用数值为已发表的构成岩石的不同矿物的热扩散系数α和热容量ρC。我们假定：①σc等于每一种岩石中含量最丰富的矿物的压痕硬度H，从而，τc＝fcH，其中fc等于低速率下测定的宏观摩擦系数f；②当超过Tw～1 000℃时，接触剪切强度被严重降低。尽管存在较大范围的不确定性（缘于材料参数的相当大的不确部分时间是处于未弱化和弱化状态，总强度就是这些状态的加权和。假定一条断层上的宏观剪切应力τ和名义法向应力σ满足τ/σ＝（τc）ave/σc＝f，其中（τc）ave是平均接触剪切应力，f是摩擦系数［19］，并假定接触处的热弱化（或者甚至熔化）被限定在一个相对接触尺度而言的薄层上（即σc为常数），那么当V＞Vw时，作为滑移速度函数的f可表示为：定性），式2还是很好地预测了Vw值，这些数值是由1～10μm范围内估算接触尺度的数据展示出来的。式2与我们的数据高度吻合，也与图3b中Yuan和Prakash［21］的数据高度吻合，这进一步证实了我们的数据外推的正确性和将Rice理论应用于更高滑移速率的正确性。不同岩石的Vw值类似，都是～0.1m/s，这似乎有些令人惊奇；然而，主要矿物的压痕硬度和其他材料参数（热扩散系数、热容量和密度）的数值都类似（表S2），而且样本的粗糙度也差不多，这就导致了Vw值类似。

可以通过下列过程减弱闪速加热对天然断层产生的显著影响：① 断层泥（断层内被磨碎的岩石）中呈均匀分布的剪应力，这可能使断层泥颗粒尺度滑移速率比远场速率低一个因子L/P，其中L为层厚度，P为断层泥颗粒尺度；② 断层泥过度粉碎，以至于接触面很小，足以使Vw值比地震滑移速率大（式2）。黏土矿物在断层中很常见，这种矿

物如果承载的话，其承受的接触应力会比强度更高的架状硅酸盐小，这就有可能使Vw转而超过地震滑移速率（式2）。尽管如此，闪速加热仍被认为是许多地震中的一个最主要的或者说起作用的动态断裂弱化机制，这主要是缘于滑动的局部化。对于小地震中的相对较小滑移以及较大地震的初始滑移阶段，闪速加热可能控制着断层的强度。对于震级足够大的地震中的持续滑动，其他一些动态断层弱化机制可能会与闪速加热结合起来产生共同效应，或者比闪速加热起着更加重要的主导作用，这些机制包括热空隙流体增压［25－26］、熔化润滑［5－6］，或由于凝胶形成而引起的弱化［7－8］。由闪速加热、热空隙流体增压以及/或硅胶润滑引起的摩擦降低以及由此导致的断层Tf的适度升高可以解释沿已知发生过地震滑动的活断层（如圣安德烈斯断层）的明显热流异常缺失，也可以解释为什么很少观测到假玄武玻璃［27］。

我们的结果对于动态破裂方式——即破裂是以自愈合滑动脉冲（Heaton脉冲［28］）模式发生还是以常规裂缝形式发生——有着重要的启示意义。滑动脉冲指远离震源而传播的一条狭窄的自愈合滑动带，以至于断层面上的一个点只在整个地震期间的一小部分（～10%）时间内滑动。相比之下，在裂缝式的破裂中，断层面上的一个点所经历的滑动时间几乎与地震持续时间相等。滑动脉冲行为的两个必要条件是：① 断层具有速度弱化摩擦特征［29－30］，② 摩擦强度恢复的时间尺度短于破裂持续时间［28］。闪速加热具有极强的速度弱化摩擦特征，而且随着滑移速率的降低会非常迅速地愈合，所以闪速加热可以充分满足上述两个条件。整合了闪速加热本构方程（如式2）的动态破裂模型可以产生滑动脉冲行为（如文献［29］）。因此，可以预期闪速加热会很容易导致实际上的滑动脉冲破裂。

（网上辅助资料包括：材料和方法、SOM测试、图S1—S6、表S1和S2、参考文献34－48；网址：www.sciencemag.org/cgi/content/full/334/6053/216/DC1）

译自：Science，14October 2011，Vol.334，216－218

原题：Flash heating leads to low frictional strength of crustal rocks at earthquake slip rates

（中国地震局地球物理研究所 左玉玲 译；郑需要 校）

（译者电子信箱，左玉玲：yulingzuo＠yahoo.com.cn）

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A；

10.3969/j.issn.0235－4975.2011.12.004

2011－11－26。