Page 185 - 《爆炸与冲击》2025年第6期
P. 185

第 45 卷              戚承志,等: 慢速和快速滑移下断层颗粒夹层的黏性特性                                  第 6 期

               Keywords:  viscosity; granular gouge; fault; slip velocity

                   按照萨道夫斯基的观点 ,地壳岩体被大大小小的不连续结构面切割,地壳岩体具有复杂的自相似
                                        [1]
               内部结构层次。这些不连续的结构面在大的尺度上表现为断层,在小的尺度上表现为为节理、裂隙等。
               岩体的结构面在很大程度上控制着岩体的物理力学性质,岩体的变形、运动与破坏主要集中于结构面。
               自然界中的动力现象,如天然地震、触发矿震和岩爆等,主要发生于岩体结构面上。因此,研究岩体结构
               面的力学性质一直是地球物理学、地震学、矿山岩石力学的重要课题。
                   断层力学是在地震力学的框架内,由诸多学者们共同努力发展起来的                               [2-13] 。为了描述地震近区高频
               运动的观测参数,在         20 世纪后半叶发展了一种方法,按照这种方法,断层滑移面是不均匀的,含有称为
                               [5]
                     [4]
               凹凸体 或障碍物 的特殊区域。凹凸体在破裂扩展中起着不同的作用。根据粗糙度模型,地震的震级
               取决于几个这样的区域在动力事件中的破坏能力。但需要注意的是,这些区域承受了更高的法向应力,
               而不是具有更大的摩擦因数。这种方法引入了速度强化(velocity strengthening,VS)和速度弱化(velocity
               weakening,VW)的概念。在广泛采用的率-态摩擦模型框架内 ,凹凸体是在接触处具有明显速度弱化特
                                                                     [7]
               性的区域,而断层的其他部分可能是显示速度强化特性的区域                             [14] 。对断裂带深钻获得的地质材料样品
               开展的试验室研究表明           [15-16] ,VS 和 VW 区域的矿物学成分往往不同。大多数构造断层可能包含                        VS 和
               VW 剖面  [17] 。
                   断层的摩擦和强度特性在地震力学中起着关键作用                         [18-20] 。近几十年来,摩擦研究的主要进展是建
               立了率-态摩擦律(rate and state friction law, RSFL)  [7-8] 。在断层滑移速度 v = 0 时,RSFL     律的对数速度依
               赖性与经典静摩擦模型矛盾。针对此问题已经提出了几种修正模型,其中包括在滑移率上增加一个小
               的截止速度     [21] ,将对数改为反双曲正弦函数          [22] 。RSFL 定律的另一个问题是,地震断层滑移速度约为米/秒
                                                                         [7]
               量级,而得到 RSFL      定律的试验范围是从微米/秒到毫米/秒量级的 。地震断层滑移速度下的试验室试
               验表明,摩擦力远低于 RSFL          律对摩擦力对数衰减的外推预测值                [23] 。在广泛的断层滑移速度范围内进行
               的试验表明     [24-26] ,摩擦因数在 v>0.1 m/s 时急剧下降。因此,RSFL           律在亚地震断层滑移速度下成立,但
               在接近或超过临界断层滑移速度 v ≈0.1 m/s 时,其有效性值得怀疑。Toro                       等 [24]  和  Goldsby  等 [25]  对  3  种类
                                             c
               型岩石的摩擦因数         μ  的速度依赖性进行了研究,并提出了一种改进的摩擦定律(modified friction law,
               MFL) [27] 。这  3  种岩石为富含石英的岩石、含硅酸盐的岩石和含碳酸盐的岩石。摩擦滑移有                                 3  种状态:
               状态 1:低速(v<10  m/s);状态 2:中等速度(10  m/s≤v≤10  m/s);状态 3:高速(v>10  m/s),Chen 等                 [28]
                               −4
                                                                   −2
                                                                                           −2
                                                        −4
               把摩擦律扩展到了高速(1 mm/s ≤ v ≤ 10 m/s)。但考虑到滑移层湍流剪切性质的理论研究还较为缺乏。
                   在过去一段时间内,学者们             [15, 29-31]  通过试验研究了颗粒水平上的材料特性对宏观滑移模式的影
               响。Chen 等  [32]  在研究某些材料的摩擦因数µ 对表面粗糙度的依赖性时获得了一个重要结果:对于尺度为
               0.01~10 µm  的粗糙度,摩擦因数与粗糙度密切相关;随着微粗糙度的增加,µ 值迅速达到约                                0.65~0.8,这
               与宏观尺度下岩石表面的普遍 Byerlee               摩擦定律相对应        [33] 。Chen  等  [32]  认为断裂摩擦的减少主要由
               0.01~  10 µm 范  围  内  的  磨  损  ( 小  的  粗  糙  度  ) 控  制  , 而  大  规  模  自  然  断  层  的  粗  糙  度  对  µ 值  的  影  响  有  限  。
                   大多数地震断层都含有颗粒夹层。断层颗粒夹层的力学行为会影响断层地震特性                                        [34-35] 。研究表
               明 [36] ,颗粒夹层的力主要集中在颗粒介质的力链中。力链的长度可能有几个颗粒直径大小,也可能延伸
               数百个颗粒直径,并且优先沿着颗粒系统中最大压应力的方向排列。在持续加载和变形情况下,力链最
               终在其侧向约束薄弱邻域发生屈曲,这种约束屈曲导致剪切带的形成,此为颗粒物质破坏的关键机
               制 [36] 。一旦充分发育,剪切带将材料分割成可以彼此相对滑移的刚体区域                             [37] 。试验和数值模拟表明        [38] ,
               力链网络具有复杂的层次结构。力链的产生率与应变率成正比,力链的寿命与应变率成反比。

                   Kocharyan  等 [39] 、Budkov  等 [40] 、Ostapchuk  等 [41-42]  对颗粒夹层的剪切行为进行了试验室试验、现场试
               验和数值模拟。Budkov         等 [40]  的研究表明,颗粒介质的黏性系数并不像牛顿液体那样是材料的固有特
               性,而是依赖于变形剪切率、温度和其他因素的广义特征参数。数值模拟结果表明:在模拟慢滑时,标准



                                                         061443-2
   180   181   182   183   184   185   186   187   188   189   190