活动断裂带岩石的变形机制和摩擦性质——以圣·安德列斯断层为例

金田龙，王 勤

(南京大学地球科学与工程学院，江苏 南京 210023)

0 引 言

活动断裂带岩石的变形机制、力学性质和显微结构演化是认识孕震机制和断层活动性的重要基础，一直是岩石物理学和地震学的研究热点(Beeler et al.，1996；Kitajima et al.，2010；周永胜等，2014；马瑾等，2016；Dang et al.，2017)。作为太平洋板块与北美板块的边界，北西走向的圣·安德列斯转换断层贯穿美国西海岸的加利福尼亚，长达 1 287 km，结构复杂，地震活动频繁。圣·安德列斯断层经过加利福尼亚很多城市，地震危险性巨大，例如：1906年4月18日的7.9级旧金山大地震导致3 000多人死亡、30多万人无家可归，1966年、2004年又发生了 6.0级帕克菲尔德地震。因此，1991年成立了南加州地震中心(Southern California Earthquake Center，SCEC)，以美国南加州作为活动断裂带的天然试验场，系统研究地震的形成机制、发震过程及震后的次生灾害和社会影响，为防震减灾和震后重建提供科学依据。

断层的摩擦行为是研究活动断裂带强度、地震破裂的成核及传播过程的基础。观察成熟的壳内断层发现：单个滑移事件主要发生在厚度小于1～5 mm的剪切带中，强烈的剪切作用集中于100～300 μm厚度内。这意味着当滑移发生时，除非存在某种机制使断层强度突然降低，否则剪切带温度的迅速升高将导致岩石熔融。虽然在计算岩石圈流变结构时，广泛使用的Byerlee′s law假定上地壳岩石的摩擦系数是0.6(Kohlstedt et al.，1995)，但摩擦生热导致的假玄武玻璃非常少见，表明地震发生时断层的摩擦系数不可能保持恒定，至少不可能保持为0.6或更高。板块边界断层的强度非常低，滑动速率较高，因此，板块边界断层的摩擦行为、断层岩的显微结构、断层带的流变结构与孕震机制是地震动力学和板块边界构造演化的关键问题。

通过对断裂带深钻样品开展岩石物理实验，可以获得原位温度、压力及流体活动条件下的岩石力学参数，有效减少深部结构模型的不确定性，提高模型对天然地震的预测性，实现地震灾害预测与评估、地震早期预警和震后快速响应。圣·安德列斯断层深部实验室(San Andreas Fault Observatory at Depth，SAFOD)提供了圣·安德列斯断层岩样品，使南加州地震中心可以原位监测圣·安德列斯断层的应力、流体和地震活动。

总结了南加州地震中心对圣·安德列斯断层科钻岩芯样品的实验研究进展，结合近年来与地震相关的大陆科学钻探项目，探讨在中国地震科学实验场开展科钻岩芯研究的意义及策略。

1 圣·安德列斯断层深部实验室

圣·安德列斯断层深部实验室的钻孔位于美国加利福尼亚州帕克菲尔德(Parkfield)北部10 km，属于圣·安德列斯断层中部无震蠕滑段与南部强震段的过渡区(图1)。该地区的地壳变形以2～3 cm/a的地表蠕滑速率和震源深度为2.5～12 km的大量微震(震级约2级)为特征(Titus et al.，2005，2006；Thurber et al.，2006)。SAFOD项目以板块边界断裂的地震形成的物理化学过程为研究目标，通过1口垂直井和1口斜井穿过圣·安德列斯断层，直达微震的震源，主孔(图2)近垂直向下探至约1 800 m，再向斜下方钻入太平洋板块的Salinian花岗岩和长石石英砂岩，于2 700 m处穿过圣·安德列斯断层，在约3 100 m处终止于北美板块的Great Valley组。SAFOD钻孔穿过了圣·安德列斯断层的3条分支：西南变形带(southwest deforming zone)、中央变形带(central deforming zone)、东北边界断层(northeast boundary fault)，西南变形带和中央变形带均表现为活动蠕滑。

图1 圣安德列斯断层和南加州断裂分布图(南加州断裂分布图据SCEC官网)Fig. 1 Location of the San Andreas Fault and fault distribution in southern California(distribution map of faults in Southern California according to SCEC offical website)

图2 圣·安德列斯断层深部实验室(SAFOD)钻孔的地质剖面(据Zoback et al.，2011修改)1-第四系冲积层；2-第四系Paso Robles组；3-古近—新近系Santa Margarita组；4-古近—新近系Etchegoin组；5-Arkosic砂岩和砾岩；6-Salinian花岗岩和花岗闪长岩；7-古近—新近系；8-白垩系Great Valley组；9-白垩系Franciscan组；10-复发微震群①西南变形带；②中央变形带；③东北边界断层Fig. 2 Geologic cross section at the location of the San Andreas Fault Observatory at Depth (SAFOD)(modified from Zoback et al.,2011)

2002年完成2.2 km的垂直先导井，SAFOD的总钻探深度由此达7 345.6 m，但仅在断层面附近取岩芯样，岩芯长度为62.92 m(Bradbury et al.，2011；Zobak et al.，2011)。SAFOD为南加州地震中心提供了原位微震和应力监测以及断层岩的显微构造、矿物组成和力学性质等重要信息。2002年以来，南加州地震中心连续开展了4期研究计划：SCEC二期(2002-02—2007-01)、SCEC三期(2007-02—2012-01)、SCEC四期(2012-02—2017-01)、SCEC五期(2017-05—2022-04)。通过数据共享和数据整合，建立并逐渐完善了一系列公共平台模型：SCEC二期和三期的地壳速度结构模型(community velocity model)、断裂分布模型(community fault model)，SCEC四期启动的大地测量模型(community geodetic model)、应力模型(community stress model)以及统一的壳幔构造模型(unified structural representation)(Shaw et al.，2015)，为建立基于物理过程的圣·安德列斯断层地震系统动力学模型及地震灾害模拟奠定了基础，推动了地震科普和加州防震减灾的规划设计，成为科学研究、宣传教育与社区互动的典范。

2 断层岩的摩擦性质

Tembe 等(2006)对来自SAFOD钻孔1.85～3.10 km垂直深度的样品进行了半稳态摩擦实验，有效正应力为10、40、80 MPa，轴向缩短速率为0.01～1.0 μm/s，发现圣·安德列斯断层岩样品的摩擦系数较低：页岩、泥岩、粉砂岩的摩擦系数为0.40～0.55，长石石英砂岩的摩擦系数≥0.6，整体摩擦系数约为0.6，强度较高，这与圣·安德列斯断层低强度、正常热流值的观测结果相矛盾。

但是，Tembe 等(2006)对断层岩样品进行的摩擦实验是在天然正应力条件下的低速滑移(<1 mm/s)，无法反映地震发生时高速滑移产生的动力弱化机制。Kitajima等(2010)采集圣·安德列斯断层带Punchbowl断层露头上含黏土矿物的长英质超碎裂岩，制备成1 mm厚的断层泥，置于花岗岩或辉长岩的圆柱体之间，模拟先存断层。使用高速扭转剪切仪在0.2～1.3 MPa下进行高速摩擦实验，滑动速率为0.1～1.3 m/s。采用热力学FEM模型模拟分析实验数据发现：当剪切位移为5 m、滑动速率为0.1 m/s时，断层泥的摩擦系数为0.4～0.6，断层面的温度为70～110 ℃(图3a)；当滑动速率升至1.3 m/s时，摩擦系数降至0.2，断层面的温度升至230～300 ℃(图3b)，显示出非常显著的摩擦生热效应。相同滑动速率下，正应力高的样品摩擦系数较低、温度较高，这可能是摩擦生热效应的影响。

图3 高速摩擦实验中不同正应力和摩擦速率下断层泥摩擦系数(实线)和温度(曲线)随位移的变化(据Kitajima et al.，2010修改)veq-等效滑动速率；σn-正应力Fig. 3 Friction coefficient (solid lines)and temperature (dashed lines)as a function of displacement for gouge sheared at different normal stresses and slip velocities (modified from Kitajima et al.,2010)

在剪切过程中，断层泥发育了4种显微结构域：当摩擦生热效应不明显时，微弱剪切断层泥(单元1)和强烈剪切并发育层理的断层泥(单元2)的摩擦系数为0.4～0.6；随着滑移速率和正应力的增加，摩擦生热效应明显，在达到水汽化(沸腾)临界温度时形成具有无序组构和磨圆碎斑的断层泥(单元 3)，伴随滑动集中到具有非常细粒显微层理的断层泥(单元4)，其摩擦系数降至0.2(图4)。

图4 高速摩擦实验中剪切断层泥的显微结构(据Kitajima et al.，2010修改)Fig. 4 Microstructure in the four units of the sheared gouge layer in the high-speed friction experiment(modified from Kitajima et al.,2010)

Kitajima等(2011)使用相同样品进行断层泥的不同速率、不同加速度的高速摩擦实验，发现在半稳态下进行的剪切实验不能用于解释同震滑移速率下的岩石摩擦行为。在地震滑移速率下，断层泥的摩擦系数与温度相关，低温下的摩擦系数随温度升高而上升，高温下的摩擦系数随温度升高而降低。动力弱化与摩擦生热导致的滑动集中与温度升高同时发生，反映了断层面急速加热(flash heating)导致的弱化。因此，动力弱化现象只在高速滑移时发生，伴随着摩擦生热导致滑移面的温度增加，剪切层的显微结构和成分改变，应变局部集中，岩石的摩擦系数显著降低。

此外，断层的愈合速率控制了断层带岩石的强度恢复和地震的复发周期，是研究地震动力学的重要参数。在岩石摩擦实验中，愈合速率定义为一段时间内岩石摩擦系数的变化与时间对数的比值。愈合速率>0，表明岩石的摩擦系数增加，断层强度恢复，可以继续积累应变从而激发下一次地震；愈合速率≤0，意味着断层的持续弱化。值得注意的是，圣·安德列斯断层在SAFOD钻孔区同时存在无震蠕滑和复发微震，深钻样品提供了研究断层带原位的岩性、显微构造和摩擦性质的机会。来自SAFOD钻孔西南变形带和中央变形带的蠕滑断层泥具有非常低的摩擦系数(<0.15)和速度强化的摩擦行为，愈合速率近于零或为负，是因为断层泥中富镁黏土矿物(蒙脱石、柯绿泥石)的富集显著降低了断层的摩擦系数，导致应变集中于中央变形带的断层泥带，这解释了圣·安德列斯断层的低强度、正常的热流值和蠕滑行为。断层带围岩的摩擦系数为0.3～0.6，具有速度弱化的摩擦行为，愈合速率为正，意味着地震可以在围岩中成核，与该地区反复发生微震一致(Carpenter et al.，2011，2012，2015；Lockner et al.，2011；Coble et al.，2014)。Carpenter 等(2012)对SAFOD中央变形带岩芯样品进行摩擦实验发现：从摩擦系数>0.4的高强度围岩到摩擦系数<0.1的低强度活动蠕滑带的过渡带宽度<0.5 m，意味着黏土矿物的不均一分布可导致活动断裂带变形和地震分布的突变。

在SAFOD钻孔的变形带及其围岩中均含有低温蛇纹石，前人猜测蛇纹石有助于降低断层的摩擦系数。对分离出来的蛇纹石进行摩擦实验发现，蛇纹石的摩擦系数为0.29～0.51，随纤蛇纹石含量的增加而降低，并与围岩类似，具速度强化和愈合速率为正的特征。因此蛇纹石不是圣·安德列斯断层蠕滑的“润滑剂”，而是反映了断层带地震活动导致的水岩反应(Carpenter et al.，2015)。

3 岩石的粉碎机制与显微结构

快速传播的地震的端区(tip region)具有强应力和高应变速率，粉碎作用可集中在几毫米厚的区域，使岩石粉碎并形成断层泥(Reches et al.，2005)。Dor 等(2006)对圣·安德列斯断裂带长达140 km的Mojave段的粉碎断层岩进行填图，发现该断层段100 m宽度范围内几乎每一处结晶岩的露头均被粉碎，但缺乏显著的剪切作用。这种粉碎作用发生在浅层几千米的深度内，对应断裂带的低速层，是地震围陷波的波导层。此外，Mojave段断层约70%的粉碎破裂岩出现在圣·安德列斯断裂的北东方向，反映了断层破碎带的不对称性。

Rockwell 等(2009)对圣·安德列斯断层和附近Garlock断层的粉碎花岗岩进行粒度分析，发现粉碎花岗岩的粒径在26～208 μm之间，遵循幂指数连续变化的假幂律分布(pseudo-power law with a continuously changing exponent)，提出粉碎作用不仅是剪切的结果，动态破裂前锋经过时垂直断层面正应力的突然降低可能也有影响。Wechsler 等(2011)对比研究了圣·安德列斯断层南部Littlerock附近42 m钻孔的新鲜岩芯样品与露头样品，通过岩性化学成分变化、粒径分布和孔隙率研究断层岩的破坏结构，发现粉碎岩的孔隙率很高，部分样品达20%，断层泥的孔隙率仅为1%。根据显微结构可区分出2类断层岩：① 粉碎带(pulverized zone)具有张性破裂，晶粒呈棱角状，粒径较大(10～100 μm)，流体包裹体密度高，显示多期破裂-愈合历史；② 碎裂带(cataclasitic zone)的晶粒粒径较小(0.5～10 μm)，略有磨圆，黏土含量高，经历了多期方解石胶结和剪切作用(图5)。该研究建立了粉碎断层岩的图像识别系统，确定了粉碎断层岩的粒径分布规律、显微结构和物理化学特征，证实了粉碎岩只能形成于快速传播地震的断裂端部，孔隙率、渗透率高，流体活动性强，与低孔、低渗的断层泥显著不同，为研究地震的物理机制提供了重要信息。

图5 圣·安德列斯断层粉碎岩和碎裂岩的显微结构对比(a)来自Littlerock钻孔9.3 m深度的粉碎花岗岩，斜长石沿解理面裂开，白云母基本保持不变，钾长石经历了多期破碎和愈合(据Wechsler et al.，2011)；(b)来自SAFOD钻孔3 189.7 m深度的面理化碎裂粉砂岩(据Bradbury et al.，2011)G-石榴子石；K-钾长石；M-白云母；P-斜长石；Q-石英Fig. 5 Microstructures of pulverized and cataclastic rocks from the San Andreas Fault(a)Pulverized granitoid from a depth of 9.3 m of the Littlerock borehole,plagioclase split along cleavage plane,muscovite remained basically unchanged,and potassium feldspar underwent multiple stages of fracture and healing (after Wechsler et al.,2011);(b)Foliated cataclastic sandstone from a depth of 3 189.7 m of the SAFOD borehole (after Bradbury et al.,2011)

4 断层岩的有机质热成熟度与古地震的关系

地震时的摩擦生热会导致滑动面上的温度升高(图3)，由于热扩散的时间尺度不同，只有地震能形成较大的温度异常峰值。圣·安德列斯断裂带的蠕滑段现今不具有任何热异常，因此，可通过测量断层岩的有机质热成熟度来追踪蠕滑段是否发生过大地震。

Polissar等(2011)基于有机地球化学的分析技术，开发了从SAFOD断层岩中提取沥青的方法，建立了研究断层面的摩擦热的新方法——氢解作用。由于有机质体系不受后期退变的影响，因此保留了最高的古温度，可用于研究古地震造成的热异常。对于没有发生摩擦熔融(假玄武玻璃)的断层，该方法可用于估计剪切摩擦导致的温度升高和滑移量。

首先提取断层岩中的沥青，通过干酪根在高温(>500 ℃)、高氢压(>10 MPa)下的催化反应获得有机分子，对碳架进行分析，获得与地震滑移相关的摩擦应力(Polissar et al.，2011)、与摩擦生热相关的生物标志物(Savage et al.，2014)、热成熟度(Sheppard et al.，2015)等信息。根据甲基菲指数计算的镜质体反射率，圣·安德列斯断裂带南段Punchbowl断层和围岩没有经历过差异加热(图6)，暗示断层可能在低应力下滑动，或者活动滑移面厚度>1 mm，或者地震震级<6级(Polissar et al.，2011)。

图6 Punchbowl断层岩的镜质体反射率计算结果(据Polissar et al.，2011修改)Fig. 6 Inferred result of vitrinite reflectance of Punchbowl Fault rocks (modified from Polissar et al.,2011)

5 讨 论

5.1 断层带的大陆科学钻探项目

断层的孕震机制和破裂过程一直是构造地质学、岩石物理学和地球物理学研究的热点。穿过活动断裂带的钻孔不仅可以提供新鲜样品以研究断层岩的岩性、显微结构和物理化学性质，而且可以与地表露头和地震剖面对比，约束断裂带的三维展布状况。此外，钻孔还提供了原位观测近震微震造成的地下应力、温度、流体活动变化的实验室。因此，在活动断裂上打深钻已成为国际大陆科学钻探计划(International Continental Scientific Drilling Program，ICDP)的重要资助方向。除了SAFOD外，ICDP还资助了在新西兰Alpine走滑断裂带、意大利Central Apennines、台湾车笼埔断层、希腊Corinth湾、印度Koyna水库、土耳其North Anatolian断层等地开展的科学钻探，建立了原位地震观测实验室。

2008年5月12日8.0级汶川地震后，中国在当年11月6日启动了汶川地震断裂带科学钻探项目(Wenchuan Earthquake Fault Scientific Drilling，WFSD)，获得了穿过汶川地震滑移面的连续岩芯记录，找到了断层带多次活动的证据和主滑移面(Li et al.，2013)，并通过渗透率监测发现在大地震的余震过程中断裂带已经逐渐愈合(Xue et al.，2013)。WFSD的钻井已成为长期的地震监测井，为研究龙门山断裂带的地震活动性提供了第一手观测资料。

5.2 川滇地区地震实验场与科学钻探

川滇地区是我国地震多发带，构造复杂，地形起伏很大，地震后的滑坡、泥石流等次生灾害严重。自2014年成立以来，川滇国家地震监测预报实验场借鉴美国南加州地震中心的运行方式，编制了川滇地区地表破裂带分布图(吴熙彦等，2018)和地震目录(史翔宇等，2020)，完成了川滇地区的地壳速度结构模型(Yao，2020)。2018年5月12日开始建设以川滇为研究区的中国地震科学实验场，由于不同断裂带的构造背景、发震机制、震源深度、地貌特征和岩性不同，中国地震科学实验场的建设将提升对大陆汇聚和转换挤压过程中的地震动力学、应变分配和构造演化的认识，为川滇地区的地震监测、危险性评价和防震减灾工作提供重要的理论支撑。

深钻项目是地震实验场不可或缺的组成部分。考虑到科学钻探所需的资金和技术水平，每个ICDP项目都需要经过研讨会申请(workshop proposal)和钻探申请(full drilling proposal)2个阶段的评审：① 通过召开研讨会吸引全球的科学家对关键科学问题进行研讨，组建一流的研究队伍；② 提交钻探申请进行钻探。岩芯样品对全球公开，通过国际合作推动科学进步。这一流程可集中全球的科学家对岩芯样品进行多学科综合研究，将有限的资金用于解决重大基础科学问题。

5.3 建议

建议将科学钻探列入规划，组织参加ICDP的钻探研讨会和培训，吸引国内外的一流科学家，为深钻的成功实施做好人才、技术、装备和管理的准备，使中国地震科学实验场成为地震学、构造地质学、岩石物理学、地质工程、防震减灾技术等领域的国际合作平台。以深钻选址和科学研究为目的，确定目标断层，开展地质和地球物理综合研究。利用该区矿产勘查和开发过程中已有的浅钻和先导孔，采用最新的技术方法开展原位观测，积累经验和数据，再向ICDP提交深钻申请，与之前的先导孔一并建立原位地震监测网，从而促进对川滇地区的地壳结构、地震活动、变形机制以及强震灾害评估与震后长期效应的认识。

目前，国内在构造物理方面的实验条件已与国际接轨，某些科研院所及高校也拥有大型岩石力学和岩石物理实验室以及显微结构分析平台。通过对川滇活动断裂带的科钻岩芯样品开展系统的显微构造分析和岩石物理实验，可以深化对不同变形条件下活动断裂带岩石的变形机制和摩擦性质的认识，为揭示典型地震断裂带的孕震机制、破裂过程和复发周期提供关键信息。

6 结 论

(1)近年来美国南加州地震中心对圣·安德列斯断层的岩石摩擦性质、显微结构和成分的研究表明：动力弱化现象只在高速滑移时才发生，富黏土矿物的断层泥具有非常低的摩擦系数(<0.15)和速度强化特征，导致断层强度降低、应变集中和蠕滑的变形行为；断层粉碎岩与快速传播地震相关，与断层泥和碎裂岩在显微结构和物理性质上具有显著差异；断层岩有机质热成熟度提供了研究古地震事件的新手段。

(2)活动断裂带的科学钻探项目为研究断层带岩石的显微构造、力学性质和变形历史提供了宝贵的岩芯样品，将科学钻探与地震实验场的建设相结合，为探索不同构造背景下活动断裂带的孕震机制和地震过程提供重要信息。