脆塑性转化带Carrara大理岩断层稳定性的实验研究

Experiments on fault stability of Carrara marble across the brittle-ductile transition

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摘要为探究脆塑性转化带断层的力学性质和滑动稳定性,本文采用干燥的Carrara大理岩预切断层(saw-cut)样品,在气体介质三轴高温岩石力学实验仪上开展了摩擦实验研究,实验温度70～400 ℃,围压30～100 MPa,位移速率在0.08 μm·s-1,0.4 μm·s-1,2 μm,s-1之间切换.实验力学数据揭示,不同围压下Carrara大理岩断层摩擦系数随温度变化规律不同:低围压(30 MPa)下,摩擦系数随温度升高先增大后减小,中高围压(≥70 MPa)下摩擦系数则表现为随温度先减小后增大.断层摩擦滑动行为在100～300 ℃的范围内表现出由稳定的速度强化转化为不稳定的速度弱化,且在400 ℃左右重新转变为稳定的速度强化.实验后断层滑动面形貌和微观结构分析表明,稳定滑动断层面为高反射镜面,擦痕清晰;黏滑断层面为有光泽的凹凸不平的表面;最高围压下蠕滑的断层面粗糙无光泽,擦痕不可辨别.本文认为受温度激活的塑性变形过程逐步主导了岩石变形,对断层激活发生不稳定滑动至关重要,而高围压则会抑制断层的不稳定滑动.本研究结果不仅为识别野外断层黏滑和蠕滑提供了实验证据,而且为探究强震孕育和发生机理等提供重要的参数.