Page 185 - 《爆炸与冲击》2025年第6期

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

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