蛇纹石矿物大量存在于俯冲带中, 其独特的物理化学性质会对俯冲带动力学产生显著影响。开展蛇纹石矿物的摩擦实验研究有助于理解俯冲带中含蛇纹石断层的摩擦滑动稳定性及解释俯冲带断层的复杂错动行为。目前, 实验室对于蛇纹石矿物的研究已取得了很多成果。文中基于前人的研究工作, 对以下2个方面进行了综述: 1)蛇纹石矿物的稳定赋存状态及蛇纹石矿物之间的相互转换关系; 2)控制蛇纹石矿物摩擦强度及滑动稳定性的因素, 主要包括温度、 孔隙流体及有效正应力的大小。研究表明, 温度的升高可显著增大纤蛇纹石和利蛇纹石的摩擦强度。但对于叶蛇纹石而言, 在较低的流体压力条件下, 其摩擦强度表现出温度强化特征, 而在较高的流体压力条件下却表现出温度弱化特征。蛇纹石矿物的摩擦强度均表现出显著的压力依赖性, 其中纤蛇纹石的摩擦强度表现出更高的压力敏感性。在俯冲带地幔楔条件下叶蛇纹石可大量赋存。前人研究发现叶蛇纹石在较低的流体压力条件下随着温度升高会发生脱水反应, 进而表现出不稳定的速度弱化现象; 而在高压流体条件下, 叶蛇纹石在低剪切变形速率下会表现出速度弱化现象, 叶蛇纹石的摩擦滑动稳定性随剪切滑移速率的变化能够更好地解释俯冲带慢滑移现象。

“亚失稳”研究试验区滇西北短周期测震台网测得的2021年5月21日云南漾濞6.4级地震序列显示, 主震发生前约3d内在破裂区北西段依次出现相邻区域的前震时空丛集; 后续临震时段(主震前约1h)的前震从破裂区中心开始对称地向两端快速扩展, 随后爆发主震。 不同时段的前震空间分布显示了地震进入短临阶段后断层不同部位破裂的时空迁移及快速扩展, 扩展速度由前震丛集过程的约5km/d提高至临震时段的约96km/d; 主震震中位于前震丛集的边缘、 最终破裂区的北西端, 主震后余震向SE迁移, 约0.5h后扩展至整个破裂带, 最终破裂带长度>20km, 显示了本次地震的单向传播特征; 该台网建立以来,漾濞地区的小地震活动显示本区域近3a时段内b值平稳(为0.9~1.1), 6.4级主震前b值异常持续下降至0.6以下, 反映了漾濞地震前存在显著的应力增加过程。

脆塑性转化带对于研究岩石圈变形、 断层强度和变形机制以及强震的孕育和发生具有重要意义。 文中采用汶川地震震源区彭灌杂岩中具有代表性的细粒花岗岩样品, 在固体压力介质三轴实验系统上开展了高温高压非稳态流变实验研究。 实验设计模拟了汶川地震区地壳10~30km深度的实际温度和压力, 温度为190~490℃, 压力为250~750MPa, 应变速率为5×10^-4s^-1, 利用扫描电镜对实验样品进行微观结构观察。 实验力学数据、 微观结构及变形机制分析表明, 在相当于地壳浅部10~15km深处的低温低压条件下, 表现为应变强化, 样品具有脆性破裂-半脆性流动的变形特征; 在相当于地壳15~20km的深度条件下, 随着应变量增加, 应力趋于稳态, 样品具有脆塑性转化特征; 在相当于地壳20~30km的深度条件下, 样品具有塑性流动特征。 当样品处于半脆性域时发生非稳态流变, 主要变形机制为碎裂作用, 同时激活了动态重结晶作用、 位错蠕变等塑性变形机制。 样品强度随着深度不断增大, 在深度为15~20km时达到极大值, 深度为20~30km时强度逐渐减小。 因此, 花岗岩的强度随深度的变化规律与微观结构及变形机制均表明, 在实验温度和压力条件下, 花岗岩具有非稳态流变特征, 在15~20km深处, 龙门山断裂带处于脆塑性转化带, 花岗岩强度达到最大值, 该深度与汶川地震的成核深度一致, 显示出彭灌杂岩的强度和变形对汶川地震的孕育和发生具有控制作用。

为了解俯冲带中常见含水矿物角闪石在水热条件下的摩擦滑动行为, 以普通角闪石作为模拟断层泥样品的材料, 在温度为101~607℃、 围压为136MPa的条件下进行了速率阶跃滑动试验, 孔隙压力为30MPa, 轴向载荷速率为0.04~1.0μm/s。 实验结果表明摩擦系数为0.70~0.72, 与温度无系统性关系。 在303℃、 505℃和607℃时均发生了速度弱化行为, b-a<0.001 4, b/a值为1.06~1.18。 速率与状态摩擦本构关系中的b值随着温度升高而从0.001 3升至0.010 2, 呈上升趋势, 表明在摩擦接触点激活了Arrhenius型蠕变。 普通角闪石的速度弱化程度很弱, 这种微弱的速度弱化特性可能导致在闭锁的孕震带下方的俯冲界面下倾部分上发生慢滑移事件, 例如日本西南部、 卡斯卡迪亚北部和墨西哥的情况。

斜长石在水热条件下（100~600℃）的摩擦滑动实验表现为速度弱化，且实验结果表明其速率直接效应参数（a）和愈合效应参数（b）均随温度的增加而增加。在速率与状态摩擦的本构理论中，速度弱化是摩擦愈合效应比直接效应更强的结果，而速率状态摩擦本构关系中的b在水热条件下主要反映了实际接触面积随时间的增长。由于长石类矿物在600℃以下的接触点微观变形机制以脆性破裂为主，因此在该条件下其明显的摩擦愈合效应只能用压溶机制来解释。为了确定斜长石的压溶过程是否可以在实验室的时间尺度下发生，文中在水热条件下对斜长石粉末样品进行了均匀静压实验研究，由此可避免摩擦滑动实验过程中因颗粒之间接触的持续时间短而无法观察压溶点的问题。实验的温度条件为400℃和500℃，围压为90~150MPa，孔隙压力为30MPa，断层泥厚2mm。实验力学数据表明斜长石断层泥在实验温度和压力范围内均发生了流变过程；实验微观结构显示斜长石颗粒析出现象普遍存在，为斜长石颗粒之间压溶过程的产物，同时也观察到接触点有类似融合的模糊结构，为压溶留下的痕迹。文中的实验结果为斜长石在摩擦滑动中的愈合机制及不稳定滑动与压溶过程关联的理论推断提供了确切的实验证据。

文中针对龙门山断层浅层钻探获取的花岗岩体中的断层泥进行了摩擦滑动实验研究。这种断层泥与其他天然断层泥相比，绿泥石的质量分数很高，约为47%。为研究这种黄绿色断层泥在断层浅部低正应力条件下的摩擦滑动性质，选取的实验条件：围压130MPa，采用围压恒定控制，温度25~150℃，孔隙水压50MPa。通过对比其他天然断层泥的实验结果发现，该断层泥强度较高，稳态摩擦系数在0.47~0.51之间。通过与已有的黏土总质量分数相当但矿物不同的天然断层泥的摩擦系数数据对比，表明不同的非云母层状硅酸盐矿物的摩擦强度排序为：绿泥石 > 伊利石 > 蒙皂石。文中的实验条件对应龙门山地区温度不超过150℃，深度不超过8km的浅层地壳环境，实验结果表明该天然断层泥在整个温度范围内均呈速度强化特征，在摩擦滑动中处于稳定状态。但是断层泥的渗透率很低（<10^-19m²），在高速摩擦滑动时可能会发生热压作用。基于此可得出结论：龙门山断裂带的切过已有的深度不超过8km的碎屑原岩的断层可能产生稳定黏滞滑动的阻力，不会自发地震成核，而在后期高速摩擦滑动（>0.05m/s）时可能会发生同震弱化，形成一定的灾害叠加。

采用干燥和含水Carrara大理岩样品，在温度400~700℃、围压300MPa、应变速率10^-4/s和10^-5/s条件下开展了轴向压缩实验。利用傅里叶变换红外光谱仪，测试了实验样品中的水含量，通过偏光显微镜、扫描电镜与能谱分析了实验变形样品的微观结构。实验力学数据表明，在400℃时，样品表现为应变强化特征；在500~700℃条件下，样品转变为稳态流变。样品强度随温度增加而降低，随应变速率降低而降低；而水对大理岩强度的影响不显著。微观结构分析表明，在400℃时，大理岩以脆性破裂为主，含水样品局部出现压溶。在500℃时干样品和含水大理岩处于脆塑性转化变形域。干样品在600℃时变形以位错滑移为主，而干样品在700℃时和含水样品在600~700℃时，以位错攀移和动态重结晶为主要变形机制。较低的应变速率和较高的水含量促进了压溶作用和动态重结晶。

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。

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100℃, 有效围压为200MPa, 水压为30MPa, 剪切滑动速率为1.22μm/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, 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义。

通过对龙门山映秀-北川断裂平溪黑色断层泥一系列的分析测试，发现黑色断层泥中含有约9wt%的有机质组分，并且属于干酪根类型。通过对有机质的气相色谱质谱分析得到，其中主要的烷烃化合物成分为正构烷烃（C₁₄-C₂₁）、无环异戊二烯烷烃（姥鲛烷和植烷）、甾烷、萜烷和n烷基环已烷（C₁₀-C₂₁）。对有机化合物的初步分析表明，有机质形成于海相或咸水湖泊相的还原环境，并且赋存时间长，有机质成熟度高。通过对比实验发现，黑色断层泥中有机质的出现能够显著地弱化断层的摩擦强度以及提高断层摩擦滑动的稳定性。

汶川地震发震断层为高角度逆断层，这种断层滑动和发生强震需要断层深部具备特殊的力学条件。发震断层地区地表出露若干韧性剪切带，其中不同类型石英变形具有不同的变形温度。细粒糜棱岩中的石英表现为高温位错蠕变，变形温度为500～700℃；含残斑初糜棱岩中的石英表现为中温位错蠕变，其变形温度为400～500℃；早期石英脉中的石英表现为低温位错蠕变，变形温度为280～400℃；晚期石英脉以碎裂变形为主，其变形温度为150～250℃。石英的这些变形特征显示出断层带经历了多期脆-塑性转化。根据糜棱岩中的重结晶石英的粒度估计的断层塑性流动应力为15～80MPa。石英和长石内的微量水以晶体缺陷水、颗粒边界水和流体包裹体水的形式存在，水含量随岩石的应变增加而升高，变化范围为0.01～0.15wt%。断层脆-塑性转化带内石英含有大量与裂隙愈合相关的次生流体包裹体，其捕获温度为330～350℃，流体压力为70～405MPa，估计的流体压力系数为0.16～0.9，代表强震发生后，断层带内产生的大量微裂隙逐渐愈合过程中的流体特征。在考虑断层带流体压力和应变速率变化条件下，利用石英流变参数建立了从间震期到地震成核阶段断层脆-塑性转化带流变结构和震后快速蠕滑阶段断层脆-塑性转化带流变结构。结果表明，在间震期、地震成核阶段、震后快速滑动阶段，断层强度和脆-塑性转化深度随应变速率和流体压力变化而变化，且脆-塑性转化特征与石英的变形机制、断层速度弱化和强化转化深度、汶川地震震源深度等吻合，显示映秀-北川断层具备摩擦滑动速度弱化和地震成核的基础，而断层带内存在高压流体可能是触发高角度逆断层滑动和汶川地震发生的主要机制。

5.12汶川地震同震地表破裂带在虹口八角-深溪沟一带主要出露于三叠系须家河组的炭质泥岩中,同震断层泥在颜色、结构上与老断层泥和围岩类似。通过开挖探槽,系统采样,采用粉晶X射线衍射定量分析方法,研究了同震地表破裂带的围岩、断层角砾岩、老断层泥和新断层泥的矿物成分特征。同震断层泥的主要成分为石英和黏土矿物,含微量长石和白云石;断层泥的显著特征为高黏土矿物含量,从同震断层泥、老断层泥、角砾岩到围岩黏土矿物含量依次降低,黏土矿物以伊利石和伊蒙混层为主,含微量绿泥石和高岭石,矿物组成明显比地表破裂带北段同震断层泥简单。不同颜色的同震断层泥成分略有不同,黑色断层泥中伊利石含量明显高于白色断层泥;老断层泥中含有方解石和白云石,而同震断层泥不含方解石,只含微量白云石。同震断层泥中伊蒙混层高含量表明,在本次地震错动中有富含K的流体参与。

在热水条件下对辉长岩的2种主要组成矿物斜长石和辉石进行了摩擦滑动实验研究。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的变化,在0.74上下波动;3)在热水条件下辉长岩的摩擦性质并不是这2种主要矿物的叠加,有可能是辉长岩中的次要矿物的存在导致了辉长岩的速度强化;4)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。

摩擦滑动的力学行为能够很好地由速率和状态依赖性摩擦本构关系来描述。文中对地壳岩石滑动稳定性的控制因素进行了综述:1)微小扰动对摩擦滑动的影响分析(线性分析)表明,摩擦滑动中不稳定产生的重要条件是速率依赖性参数a-b<0,在这种条件下,地震滑动可以在断层上成核;2)下地壳的水含量测定表明,可能存在"干"、"湿"两种情况,而已有岩石流变实验结果表明稳定大陆内部下地壳在干燥条件下为脆性变形行为;3)近年来发现一部分强震发生在基性的下地壳,使辉长岩高温高压摩擦实验受到重视。干燥条件下辉长岩的摩擦实验研究表明,在420～615℃的温度范围内,速度弱化可能是典型的滑动行为。综合考虑较冷大陆内部下地壳可能出现的"干燥"条件以及在此条件下不大可能发生塑性流动等相关因素,这一结果可能就是在一些地区下地壳发生地震的原因。

固体介质压力标定一般分为2方面。其一是轴压标定,最有效的方法是轴压活塞反复前进和后退,根据活塞循环来获得摩擦力的大小,其中有2个关键环节:1)活塞和样品接触点的确定;2)动摩擦力的确定。其二是围压标定,最有效的方法是利用矿物相变,适用于固体压机压力标定的相变有:石英-柯石英相变、钠长石-硬玉+石英相变,其适合温压范围分别为:500～1200℃、2.5～3.2GPa,600～1200℃、1.6～3.2GPa。我们对2GPa固体介质高温高压实验设备进行了轴压标定,在不同温度、围压、活塞速率等条件下进行了实验,结果表明:围压、温度、活塞运动速率等因素都对动摩擦力有不同程度的影响。因此,轴压标定应该针对不同的实验条件分别进行。

研究表明,干的基性下地壳处于半脆性摩擦与半脆性流变的过渡状态,因此,文中采用多种基性岩样品进行了干的和含水基性岩的脆塑性转化实验,以深入理解大陆下地壳的力学性质。实验围压450～500MPa,应变速率1×10^-4s^-1。实验结果表明,济南辉长岩(样品C)、延庆辉绿岩(样品D)和含水辉绿岩从300℃到900℃经历了脆性破裂、碎裂流动、半脆性流动和塑性流动几个变形域,而细粒攀枝花辉长岩(样品A)和中细粒攀枝花辉长岩(样品B)从700℃到900℃经历了半脆性流动和塑性流动2个变形域。干的辉长岩样品比干的辉绿岩样品发生脆延性转化的温度高100℃;所有干的基性岩样品的脆塑性转化都发生在700℃,但半脆性流动域变形微观结构有差别,辉绿岩中斜长石和辉石发生了细粒化,并存在强烈的定向,形成初糜棱岩结构,辉长岩样品的细粒化和定向特征不明显。干的基性岩在以位错滑移为主的高温塑性流变域的强度和微观结构基本相同。水对基性岩脆塑性转化的影响体现在岩石的强度和脆延性与脆塑性的转化温度两方面。在实验温度范围内,含水辉绿岩样品的强度远小于干的辉绿岩和辉长岩样品的强度,含水辉绿岩发生脆延性转化和脆塑性转化的温度比干的辉绿岩低了100℃,比干的辉长岩低了200℃,而进入塑性变形域的温度则更低。

模拟断层泥的摩擦实验对地震的成核及断层带变形组构的研究具有重要意义。文中对辉长岩摩擦实验中的断层泥变形组构及形成机理进行了研究,以期从实验室角度来理解地壳深部断层活动的性质和特点。断层泥剪切组构中的边界剪切带,R₁,Y剪切面比较发育,T裂隙次之;R₂,P,X剪切面不发育。R₁面与边界面的夹角较小,平均在11°左右,为单剪变形过程中达到破裂极限状态时形成的1组库仑破裂面。分析表明R₁面密度随正应力的增加而明显增高。而在相同的正应力下,随温度的增高,R₁面的密度也有增加的趋势。当温度高于500℃时,断层带内的斜长石出现塑性变形特征,R₁剪切面与矿物的压性面理组成典型的S-C组构。

在干燥条件下对辉长岩的摩擦本构参数进行了实验研究。结果表明:1)辉长岩模拟断层泥的摩擦速度依赖性参数(a-b)基本为正或者接近于没有速度依赖性,表明在干燥条件下不具备不稳定滑动的成核条件,对下地壳地震成核的可能性有参考意义;2)摩擦强度在干燥条件下与Byerlee定律高度一致,表明在下地壳的高温环境下Byerlee定律仍可给出适当的强度估计,至少在干燥条件下如此;3)Byerlee定律给出的剪应力强度与正应力的关系中有一个截距,但是本研究中关于模拟断层泥的结果却没有明显的截距,表明断层物质的有无在摩擦强度的表现上存在重要差异。

文中概述了超高压变质岩在静水压条件下的形成温压范围和存在的问题,并重新整理和分析了Hirth等(1994)在差应力条件下石英向柯石英转化的高温高压实验数据。结果表明,存在较大差应力的条件下柯石英出现需要的围压(1.20～1.25GPa),远小于静水压下的围压(2.5～3GPa),显然差应力的影响是显著的。榴辉岩中部分石榴石存在塑性变形,这表明在碰撞造山的构造环境中构造差应力是客观存在的,而构造差应力的上限受岩石强度制约。因此,差应力在超高压变质岩的形成过程中起到了重要作用,而系统地进行高温高压实验研究是深入探讨这一问题必要而有效的方法之一。

岩石流变参数和变形机制是根据断层摩擦和岩石幂次流动本构关系建立岩石圈强度剖面的基础.近30年来,高温高压实验取得了很大进展,获得了大量地壳矿物和岩石流变资料.本文系统总结了这些流变实验资料,并应用流变数据结合地震震源深度分布,对华北地壳流变性质进行了研究.结果表明,以花岗岩和低级变质岩为代表的上地壳为脆性破裂,其强度受断层摩擦约束,以长英质片麻岩为主的中地壳和以中性麻粒岩为主的下地壳上层处于塑性流变状态,由干的基性麻粒岩组成的下地壳下层处于脆性向塑性流变的过渡状态.华北地壳的这种物质组成和流变为地壳不同层次的解耦和强震孕育提供了力学条件,也构成了不同尺度块体的底边界.

京津唐张地区普遍存在壳内低速层,鄂尔多斯块体内部没有发现低速层,壳内低速层的这种分布受新生代裂陷伸展的控制.华北地区中地壳下部和下地壳低速层是岩石塑性流变的结果,中地壳上部低速层是地壳裂陷伸展时形成的水平拆离带和韧性剪切带,岩石各向异性和流体作用可能是引起低速的原因.壳内软弱层(低速和塑性流变层)增强了块体层间的解耦作用,对地震孕育起着重要作用.

岩石脆延性转化(brittle-ductile transition)和脆塑性转化(brittle-plastic transition)是不同的概念。脆延性转化指从岩石的局部变形破坏到宏观均匀流动变形的转化,它与宏观结构和力学行为的变化相关。脆塑性转化指脆性向晶体塑性变形的转化,它与力学行为和微观机制的变化相关。通过地壳中最主要的石英、长石的实验室和野外变形温压条件对比发现,达到相同的变形特征,在实验室和野外所需温压条件不同。建立变形机制图使解决这一矛盾成为可能。但受实验资料的限制,目前几种主要岩石的变形机制图还无法建立。因此,通过对实验与自然环境下变形特征及微观机制对比,找出两者温压条件的差别,就成为将实验研究结果外推解决实际地质问题的有效途径。

目前有两种最常用的岩石摩擦本构关系,其主要区别在于是否与静接触时间有关。对这两种本构关系的基本性质进行了对比研究,得出如下结论:(1)在匀速滑动的稳态附近,两种本构关系趋向一致;(2)在正应力恒定条件下,两种本构关系的主要差异在于克服摩擦力所需能量的大小。与静接触时间相关的本构关系在粘滑中需消耗较大的能量来克服摩擦阻力,在粘滑的减速段,这种本构关系可达到的最低速率比另一种本构关系低10个数量级;(3)在正应力变化条件下,与静接触时间相关的本构关系基本继承了正应力恒定条件下的行为特征,而另一种本构关系在剪应力-速度相平面上却出现了一个长尾巴,使最低滑动速率降到比正应力恒定时的值低10多个数量级。

在与主压应力方向斜交的断层上,正应力与剪应力之间存在线性相关关系,以此为基础导出了小扰动条件下决定稳定性的临界刚度与滑动速率的关系。由于这一关系具有临界刚度随滑动速率增加而减小的特点,因此速率增加可能导致周期性粘滑向稳定滑动转化,而速率减小可能使本来稳定的滑动转化为周期性粘滑过程。在这种斜交断层中,速率增加虽然可能抑制周期性粘滑,但是稳滑时超过一定限度的速率增加会导致一次性不稳定滑动。三轴摩擦实验提供了关于粘滑与稳滑可相互转化的支持证据。

通过负刚度实验,得到了300MPa围压条件下花岗岩锯切面和石英岩剪切破裂面的剪应力-滑动曲线。突发滑动的持续时间从一般位移控制条件下的几毫秒延长到0.5s左右。并在普通函数记录仪上对滑动过程曲线作了全过程的记录。又将压机刚度降为任意设定值,可得到应力降与刚度相关而滑动距离基本不变的结果。这一结果与速度依赖性摩擦本构律及滑动弱化本构律所估计的结果不同,它类似于滑动面几何约束控制的滑动依赖性本构关系。

应用摩擦实验装置,在法向压力σ_n=10～120MPa下研究了孔隙压变化速率对岩石错动面滑动行为的影响。当孔隙压增压速率较大时,具粘滑振荡特性的岩石错动面仍将发生粘滑振荡,当孔隙压增压速率较小时,错动面发生稳定滑动,当增压速率介于上述两者之间时,错动面则呈粘滑-稳滑转化。以上结果对地震前兆和地震控制研究有重要意义。