路　珍　何昌荣

1）中国地震局地质研究所，地震动力学国家重点实验室，北京　100029

2）中国地震局第二监测中心，西安　710054

软弱成分层对断层泥强度的影响

路珍1，2）何昌荣1）*

1）中国地震局地质研究所，地震动力学国家重点实验室，北京100029

2）中国地震局第二监测中心，西安710054

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。

黑云母石英软弱层摩擦强度

0　引言

由于中上地壳的组成通常为长英质，很多情况下对地壳强度剖面的估算往往采用长英质岩石矿物的实验室数据（Scholz，1988；Kohlstedt et al．，1995）。然而，如果考虑层状硅酸盐矿物的富集与连通的结构并采用相应实验室数据进行计算时，所得的地壳强度会很低（Janecke et al．，1988；Wintsch et al．，1995；Holdsworth，2004），这也可能与多年来广受关注的弱断层有关。基于这一线索，弱相矿物的力学性质受到了比以往更加广泛的关注。

作为高温环境下化学稳定并在地壳中广泛存在的云母矿物，对其摩擦性质的研究已经有了一定的进展（Scruggs et al．，1998；Mariani et al．，2006；Van Diggelen et al．，2010；路珍等，2013；Lu et al．，2014）。高温高压条件下的实验表明，白云母的摩擦系数为约0.37～0.56，黑云母的摩擦系数为约0.3～0.4，均小于长英质岩石矿物的强度。然而，这些实验的实验样品多为单一矿物，而自然界中的岩石却多为多种矿物的集合体。用单矿物进行研究可以得到关于矿物力学性质的一些基础数据，但应用于野外仍存在一些限制，因此需要关注混合样品的力学性质。值得注意的是，对于层状硅酸盐矿物在自然界中的存在方式并非总是均匀地分散在岩石中，特别是经过长时间的地壳变形作用后通常会定向排列或者富集贯通。

Holyoke等（2006a，b）对天然细粒片麻岩的变形结构进行了三轴实验研究。该样品含58%石英（连通的）、28%斜长石（分散的）、13%黑云母（呈线状分布，但处于分散状态），样品为切片夹在上下端块中，围压为1 500MPa，温度为745℃和800℃，应变速率为10－5s－1和10－6s－1。这一实验结果表明，应变导致的弱相的连通是应变局部化和岩石整体弱化的重要原因。该实验研究发现，黑云母颗粒的连通方式有2种，当黑云母颗粒尖端的应力集中较高时，使石英和长石颗粒因半脆性变形发生断裂，从而使黑云母沿着（001）面得以滑动进而连通；或者当黑云母颗粒尖端的应力集中较低时，弱相黑云母剪切至石英颗粒边界，在此处形成无应变的重结晶颗粒从而连通起来。

Johnson等（2004）研究了野外含黑云母深成岩体中糜棱结构的演化过程，并对含云母岩石中的变形的开始和进一步局部化的形成做了数值模拟工作。研究区域为墨西哥加利福尼亚半岛San Jose英云闪长岩深成岩体，其内部保留了经历不同变形程度的岩石，为研究变形的发展过程提供了一个天然的实验室。他们对岩石从微弱变形到强烈变形的显微结构演化过程进行了薄片观察研究，结果显示随着变形程度的增加，岩石中的黑云母逐渐被拉长、形成拖尾和相互连接，最终形成糜棱化的叶理。显微观察表明，黑云母在岩石中是最弱的矿物，且在剪切局部化和后来的糜棱结构的发展过程中起了重要的作用。数值模拟工作关注了在变形演化过程中弱相黑云母在其中的作用。他们的模型中黑云母占20%，在变形开始阶段强度还是由强的应力支撑构架决定的，但随着变形的继续，黑云母的应变速率提高，逐渐相互连通形成塑性变形的弱化带，从而使整个岩石弱化。

在Shea等（1993）对片岩和片麻岩的强度与各向异性的研究工作中也发现，变形样品中的微破裂通常出现于云母的尖端，并且通常将相邻的云母连通起来。Gottschalk等（1990）同样发现黑云母的近距离排列会导致破裂阵列的形成，从而影响局部的强度。

以上工作都是对于天然岩石的一些结果，岩石变形所经受的温度都较高，以塑性变形为主。而对于细粒的人工模拟断层泥来说，由于实验室条件的限制，其在剪切变形过程中，往往是脆性变形的过程。即使这样，在细粒人工模拟断层泥的摩擦实验中，也可观察到叶理结构的逐渐发展。Haines等（2009，2013）对蒙脱石、伊利石和绿泥石及蒙脱石与石英的混合模拟断层泥样品在室温、无孔隙水压的条件下进行了双剪摩擦实验。实验结果显示断层泥样品中的叶理化程度与剪切应变关系密切，并且随着剪应变的增加叶理化程度加深。另外，在R1剪切贯穿断层泥夹层后，其中的黏土矿物逐渐向P剪切方向旋转，形成沿P方向的叶理。

虽然天然岩石和模拟断层泥样品的变形过程有一些本质的区别，但都肯定了岩石中的弱相经过构造变形作用易于呈叶理组构排布的倾向，而这种排布方式会对岩石的力学性质产生较大的影响。有可能当弱相矿物富集并连通时，很少的含量即能改变岩石的整体强度，不同于强度反差较小的多相矿物岩石中所见的等应变平均模型（谭文彬等，2008；兰彩云等，2010）。

因此，在对弱矿物（例如层状硅酸盐矿物）的影响进行研究时，应该考虑到叶理面的影响。前人很多工作也已经注意到了这种局部的弱相结构，但是大多关注于其显微构造（Johnson et al．，2004；HolyokeⅢet al．，2006a，b）和各向异性对岩石整体的强度的影响（Gottschalk et al．，1990；Rawling et al．，2002），且多为对完整岩石样品的研究和显微构造的定性描述。少数研究工作关注了断层摩擦强度的定量研究，如Niemeijier等（2010）所做的工作，他们将不同厚度的滑石颗粒夹于石英中，在温度和压力都较低，且无水压的条件下对样品进行双剪实验，得到200μm厚的滑石就开始对样品整体强度有所弱化的结果。这一工作明确地指出了软弱层对摩擦滑动强度的影响，对估计断层强度和弱断层的研究有重要启示意义。在上述工作中，没有将弱相的含量定量化，因此未给出含量与强度的定量关系。

文中试图就弱相矿物在摩擦滑动中的影响进行定量实验研究，并主要关注对以下几点问题的解答：1）虽然弱相矿物的连通会大大影响整个岩石的强度，但是影响程度究竟如何（即叶理面影响大小的问题）；2）当叶理面形成后，整体强度是否还受含量的影响；3）弱的叶理面在剪切变形过程中扮演什么角色及其变形过程如何。

针对以上几个问题，用弱矿物组成的软弱层来代表断层带中的叶理面结构，首先对含有软弱层的断层泥进行了摩擦滑动实验（简单剪切实验）研究。实验中选取黑云母为弱相矿物，石英为强相矿物，取不同含量的黑云母薄层夹于石英样品中，从而得到不同含量构成的软弱层对断层泥强度的影响。同时，也取一系列相应含量的黑云母和石英均匀混合样品进行对比实验，从而得到含量一致时叶理结构（软弱层）对强度的影响。

1　实验方法

1.1实验样品

实验所用的黑云母样品采自河北省灵寿采石场，石英样品采自北京昌平德胜口的高纯度石英岩。所用黑云母和石英样品均为经人工粉碎的颗粒状样品，通过200目的筛网进行粒度控制，筛网对应最终粒度的标准值为76μm。但在实际筛分过程中，由于筛网的误差和一些矿物颗粒的超大长宽比，粒径比76μm大的颗粒也可能进入样品，因此会显示有些粒径大于100μm。激光粒度分析显示黑云母的粒度中值为47μm，石英的粒度中值为54μm，其分布如图1所示。

图1　黑云母和石英样品激光粒度分析结果Fig．1　Cumulative particle size distribution of biotite and quartz．

图2　含黑云母软弱层样品的装样方式Fig．2　The set-up of structured gouge with a biotite layer embedded in quartz gouge as a weak layer．

实验所用的断层泥样品分为2种类型，一种为黑云母（bt）和石英（qtz）的均匀混合的样品；另一种样品为将一定含量的黑云母夹于石英中，即形成带有黑云母软弱层的样品，如图2所示。含软弱层样品的装样方式为，用厚度分别对黑云母和石英颗粒的质量进行控制，因此不同黑云母和石英的厚度组合即对应于不同的样品百分含量。为了保证数据的可靠性，对每种含量对应的组合方式进行5次相同的装样，可以得出矿物质量百分含量的平均值和标准差。秤取过程中的样品质量为在130℃下烘干24h后的干燥质量。由于这些有限的厚度－含量组合难以在样品总厚度上精确一致，因此在本次研究中选取总厚度在2mm左右的样品进行不同云母含量的强度对比（表1）。而对于均匀混合样品，装样方式相对简单，即将事先按比例混合好的样品夹于上下围岩中即可，选取其厚度统一为1mm。上述两种类型的样品中黑云母所占的质量百分比大致设定为0、5%、30%、70%和100%这几种情况。

表1　含软弱层样品中黑云母质量百分含量（wt%）Table 1　The weight percentages of biotite in structured gouges（wt%）

1.2实验装置与条件

实验所用的仪器是气体介质高温高压三轴实验系统，系统可加围压420MPa，温度用YAMATAKE DCP30型控温仪，通过可控硅调节加温炉的功率来控制，可加到600℃，孔隙压可达200MPa，轴向加载能力为100T。

图3　实验装样图Fig．3　The sample assembly．

实验所采用的围岩样品为圆柱状，长40mm，直径20mm，中间有预制断层面，与样品轴向夹角为35°，实验样品夹于上、下断层面之间。对于含黑云母软弱层样品的实验，上部围岩采用渗透性较好的多孔陶瓷（渗透率约为10－14m2）以使断层泥内部孔隙水压均匀（图2a）；对于混合样品的实验，上部围岩采用带孔辉长岩，以保证足够高的强度。下部围岩均采用辉长岩以阻止孔隙水压损失。本实验采用两段炉体分别加温的方式以保证上下对称的温度分布，实验中所拾取的温度为上部围岩顶部中心的值，在100℃时，中心断层泥处的温度比样品顶部高1℃。实验装样图如图3所示，关于实验系统和装样的其他细节见相关文献（He et al．，2006，2007）。

样品在100℃、200MPa有效围压和30MPa水压的条件下进行三轴剪切实验，实验过程中通过反馈控制保持围压和水压恒定。样品弹性阶段的变形速率和屈服后的剪切滑动速率都控制为1.22μm／s，当样品达到一定滑动量后，变形逐渐趋于稳定，即可得到在一定剪切变形下的剪切强度。

1.3数据处理

对于存在斜向剪切面的样品，在变形过程中摩擦面的实际接触面积会随轴向位移的增加而减小，而外层密封用的铜管也会产生阻挡剪切的力。因此，需要对加载于围岩两端的轴向应力和铜管的剪切力进行校正和扣除。

对轴向应力和铜管剪切力的校正方法详见He等（2006）。

2　实验结果

2.1力学数据

2.1.1混合样品

由于混合样品的强度较高，多孔陶瓷的强度不足以作为围岩来驱动样品滑动，因此黑云母含量在70%以下的样品由单孔辉长岩作为围岩块体。由于云母渗透性较弱，单孔辉长岩比起多孔陶瓷可能会在云母含量较高的样品内存在孔隙水压不均匀的问题。基于这一考虑，对含70%黑云母的样品在相同条件下分别用多孔陶瓷（样品mix－b7q3）和单孔辉长岩（样品mix－70）作为围岩进行实验对比。如表2所示，在相同的非弹性应变量处（γ＝1.8）样品mix－b7q3的摩擦系数为0.372，样品mix－70的摩擦系数为0.405，总体都在0.4左右，存在0.033的差异。因此，在黑云母含量70%以下的样品的强度数据可能存在与此相当或略小的偏差。

表2　均匀混合样品的实验数据Table 2　The results of friction experiments on mixed gouge of biotite and quartz

从黑云母和石英均匀混合样品的摩擦实验结果（图4，5及表2）可以看出，样品强度随黑云母含量的增加而降低。分别取各样品在相同非弹性应变处（γ＝1.8）的摩擦系数值绘于图5中，可见混合样品的强度与黑云母含量呈单调递减的线性关系，斜率为负。对这一趋势进行拟合，得到拟合直线为

式（1）中：μ为样品整体的摩擦系数，x为黑云母的百分含量（0≤x≤1）。拟合的决定系数R2达0.99。计算表明，黑云母和石英均匀混合样品的强度基本符合强度按混合比例分配的数值，即符合等应变平均模型，这与之前斜长石和辉石（谭文彬等，2008）、角闪石和斜长石混合样品（兰彩云等，2010）的强度规律相一致。

若将样品弱化程度定义为样品和纯石英相比强度所降低的百分率，那么根据拟合曲线，分别将不同含量混合样品的强度与纯石英的强度进行对比，可以得出黑云母含量对样品弱化的影响程度。计算表明，在均匀混合样品中，样品强度的弱化程度与黑云母含量呈正线性关系，即黑云母的含量少则弱化程度低，黑云母的含量多则弱化程度高。例如5%的黑云母只能引起强度4%的降低，而70%黑云母的加入即能引起强度降低44%。

2.1.2含黑云母软弱层的样品

含黑云母软弱层样品的实验结果见表3、图5和图6。与前述均匀混合样品对比可以看出，在相同含量附近，含软弱层样品的强度低于均匀混合样品的强度，且样品强度仍然是随着黑云母含量的增加呈减小趋势，但不再呈线性衰减关系（图5）。

表3　含黑云母弱软弱层样品的实验数据Table 3　The results of friction experiments on structured gouge with a biotite layer embedded in quartz gouge as a weak layer

图4　黑云母和石英均匀混合样品摩擦系数与应变关系曲线Fig．4　Friction coefficient of mixed gouge of biotite and quartz plotted as functions of shear strain．

图5　样品摩擦系数随黑云母含量的变化Fig．5　The coefficient of friction plotted as function of biotite content．

将含不同含量黑云母软弱层样品相同非弹性应变处（γ＝1.8）的摩擦系数实验数据绘于图5中，可以看出对于含黑云母软弱层的样品，其摩擦强度随黑云母含量的变化表现出非线性的衰减，且其变化符合下列曲线方程：拟合的决定系数R2达0.99，符号含义与前相同。由拟合曲线可以清楚地看出，样品的强度随其中黑云母的含量呈负幂次衰减关系。

图6　含黑云母弱结构面样品摩擦系数与应变关系曲线Fig．6　Friction coefficient of structured gouges with biotite weak layers plotted as functions of shear strain．

图5显示，很少量的黑云母就能对强度产生很大程度的弱化，如5%黑云母的加入就能引起强度降低近34%，其影响程度相当于均匀混合样品中将近60%云母含量的效果。当黑云母含量在30%以下时，强度随黑云母含量的增加而减小的幅度比其总体趋势更加明显，表现为黑云母含量从5%增加到30%会引起强度从34%到52%的降低；而在含量达到30%以上后，强度便趋于缓慢下降态势，表现为黑云母从30%增加到70%却只引起了强度从52%到59%的降低。显然，这种黑云母含量对样品强度的影响明显区别于均匀混合样品的情况，体现了软弱层对强度弱化的重要作用。

2.1.3相同黑云母含量下2种样品的强度差异

在弱相矿物含量一致时，含黑云母软弱层的样品和均匀混合样品的强度差异有助于了解叶理面的定量化影响，因此值得关注。由上述实验结果可知，在黑云母含量相近的条件下混合样品的强度都高于含黑云母软弱层样品的强度（图5）。利用2种样品的拟合曲线方程可以计算含黑云母软弱层样品和均匀混合样品强度差异的极大值。

由拟合方程得到两者强度差异为

由式（3）可以算出其最大值在17.8%处，所对应的Δμ为0.23。因此可以得出，在黑云母含量为17.8%时，含软弱层样品和均匀混合样品的强度差异最大。

2.2变形样品显微结构

为了进一步了解均匀混合样品和含软弱层样品各自的变形特点，对其显微结构进行了研究。选取黑云母含量为5%的均匀混合和含软弱层的样品共2组，对其沿中心轴线且垂直于断层面切片，制成薄片，用扫描电镜（SEM）进行了观察。对剪切面的描述沿用Logan等（1979）对结构面的命名。

为了进行对比，首先对含软弱层和均匀混合（都含～15%bt）样品在室温下的未变形显微结构进行了观察（图7）。如图7a所示，在含黑云母软弱层断层泥的未变形样品中，黑云母和石英颗粒都比较完整，没有经受剪切变形。黑云母片状颗粒平行于断层面方向定向排列，颗粒粒径较大，边界清晰。两侧的石英颗粒粒径也比较大，棱角分明，且颗粒间的孔隙度较大。在未变形的均匀混合断层泥样品中，黑云母和石英颗粒同样没有经受变形，黑云母片状颗粒随机地分散在棱角分明的石英颗粒的基质中，同样样品中的孔隙度较大（图7b）。

图7　含黑云母软弱层和黑云母－石英均匀混合样品的未变形显微结构Fig．7　The microstructures of undeformed gouge．

图8　黑云母质量百分含量为5%样品的变形显微结构Fig．8　Fabrics of deformed gouges with～5wt%biotite after shear deformation as seen in SEM images．

对于经受剪切变形的样品，由图8a可以看出，样品mix－5pb受到了明显的剪切作用，R1剪切面在样品中广泛发育，其与边界夹角约为10°～13°。在此样品中，石英含量占绝大部分（95%），并以基质的形式存在于样品中，主要经受了强烈的脆性变形作用，由于破裂其粒径由未变形时的几十微米减小到了零点几微米的量级，经历了2个数量级的变化。相比之下，含量较少的黑云母（含5%）分散地存在于石英中，并多呈弯曲状定向排列，定向多沿P剪切面方向，与边界夹角为15°左右。由云母弯曲的形状可见其也经历了一定的变形作用。然而，在qbq－5样品中，同样含5%左右的黑云母，其变形结构却与样品mix－5有很大的差别（图8b）。在此样品中，变形主要发生在含量约5%的黑云母夹层中，而两侧含量95%的石英则几乎没有发生剪切变形。从图8b的局部放大图中可以看出，黑云母夹层中发育很多剪切面，除了有R1剪切面，沿P方向发育的剪切面也较多见。R1与边界夹角为10°左右，而P与边界夹角为10°～15°。云母颗粒粒径大幅减小至3～4μm的水平，可见经历了很强的破裂过程。而在石英颗粒中，虽可见其发生了一定程度的碎裂，但颗粒减小程度并不强烈，而且在石英层中也没有剪切面穿过。

通过不同样品变形特点的对比可以看出，均匀混合样品和含软弱层样品在变形过程中有很大的不同。对于黑云母和石英均匀混合的样品来说，当样品受到力的作用发生变形时，其中的黑云母和石英共同承担变形的作用，且与其各自所占百分含量有密切关系，由于mix－5样品中石英含量较多，所以起到了框架支撑作用。而在含软弱层的样品中，样品在受到力的作用后对变形的承担受含量影响不大，而是与样品中所含的软弱层有很大关系，表现为变形优先集中在黑云母弱软弱层中发生，两侧的石英均没有发生太大的变形，这说明很少含量形成的薄的软弱层就能吸收绝大部分的变形。这种显微结构上显示的软弱层在剪切变形中的作用与前述宏观力学数据所揭示的现象相一致。

3　讨论

3.1叶理面对强度的影响

由上述实验结果可以看出软弱层在断层泥力学性质中的重要性。单纯地将岩石粉碎混合进行研究会破坏其原有的结构，从而湮没结构带的信息。而含有软弱层的样品可以有效地保留上述信息，使实验室研究和野外实际现象更好地联系起来。

在本次对含软弱层断层泥的研究工作中，3个黑云母含量的样品定量地显示了均匀混合样品与含软弱层样品的重要差异。对于含黑云母软弱层的样品，5%的黑云母就可以对强度产生重要的影响；而这种影响在黑云母含量达到30%后便不再显著，强度逐渐趋于稳定的水平；当所含黑云母质量百分比相似时，均匀混合样品和含软弱层样品的强度差异在黑云母含量为18%左右时达到最大。

Niemeijier等（2010）关于滑石和石英的实验结果显示，当所夹滑石为200μm厚时开始对整体强度有所弱化，而厚度到800μm后，厚度对强度的影响已不再明显，强度开始趋于稳定，可以看出样品强度随滑石厚度的增加呈现一个衰减的趋势。为了从厚度影响的角度分析我们的数据并与他们的结果进行对比，我们对本次实验中含黑云母软弱层断层泥样品的夹层厚度与摩擦系数关系进行了进一步考察，结果如见图9所示。图9显示，含软弱层的断层泥样品在黑云母夹层为～0.1mm厚时就对样品强度有明显的降低，当夹层厚度达到0.8～1mm时，强度便逐渐趋于稳定，降低幅度不再明显。可见我们的结果和Niemeijier等（2010）的结果基本一致。同时，这一趋势与摩擦系数随含量变化的趋势（图5）相伴随，表明摩擦系数随含量变化的控制因素可能就是厚度的变化，而厚度变化反映在了含量的变化上。上述结果表明，对于含有软弱层的样品，其强度与其中弱相叶理的关系可能普遍具有如上所述的特性，因此我们的实验结果对其他弱矿物的影响也具参考意义。

图9　含软弱层断层泥的摩擦系数随黑云母夹层厚度的变化Fig．9　The friction coefficient of structured gouge plotted as a function of thickness of the biotite layer．

此次工作已经较定量地得到了黑云母软弱层对强度的影响，但是仍有一些问题值得思考。实验中的软弱层是平行于模拟断层面装样的，即与边界夹角为0°。但是在实际受到剪切变形的样品中还可以观察到沿R1方向和沿P方向发展的剪切面或叶理面，它们均与边界存在一个角度，因此想到不同类型的叶理面也许会对强度产生不同的影响，这一方面的进一步研究会更深入、更全面地了解叶理面的影响。另外，通常在断层泥力学性质的研究过程中，主要关注2个方面的参数，一个是摩擦强度，另一个便是摩擦稳定性。本次工作主要关注了摩擦强度的特性，而忽略了对摩擦稳定性的研究，但摩擦稳定性是同等重要的信息，与地震成核的可能性直接相关。以上所讨论的几个方面有必要在以后的工作中展开研究。

3.2实验结果对断层活动的启示

实验结果已经很好地证明，一旦岩石中的弱矿物富集并且连通，那么就会大大降低断层的强度，且含量为5%时已有了明显作用。

黑云母作为一种常见的造岩矿物，普遍存在于岩浆岩和变质岩中。经常可见其作为少量矿物存在于花岗质岩石中。在糜棱岩中，往往含有相比其原岩更多的层状硅酸盐矿物。通过本次工作可以看出，对于含有如黑云母之类的弱矿物的岩石，一旦其中的弱矿物连通起来，无论其所占含量多与少都可以带来足够的影响。归属于龙门山区重要地质体之一的“彭灌杂岩”主要由黑云花岗岩、斜长花岗岩、钾长花岗岩、花岗闪长岩、英云闪长岩和闪长岩等组成（张沛等，2008），且该岩体中发育着程度不同、规模不等的韧性剪切带，所发育的叶理化带宽度从10cm左右至数米到数十米不等，在叶理化岩石中，暗色矿物从原岩中的10%可增加达30%以上，主要为黑云母和绿泥石类（吴山，1993）。因此，在研究彭灌杂岩的构造变形甚至与彭灌杂岩体相关的龙门山断裂带的强度时，有必要考虑弱叶理化的影响。尽管抬升上来的韧性剪切带有片理化趋势和层状硅酸盐矿物的富集，但目前对彭灌杂岩中现今断层带的实际情况仍缺乏系统的了解。但可以肯定的是，层状硅酸盐矿物在断层带上的富集与连通必然会大大降低其强度，从而更易于滑动，这也许在高角度逆断层的错动上与可能存在的高压流体（韩亮，2012）一起扮演了一定程度的助力角色。

4　结论

分别对不同含量的黑云母、石英均匀混合样品和含黑云母软弱层样品进行了摩擦实验研究，通过对实验力学数据和变形样品的显微结构分析，得到了以下几点结论：

（1）黑云母和石英均匀混合样品的强度随着黑云母含量的增多呈线性单调递减趋势，属于等应变平均模型。而含黑云母软弱层样品的摩擦强度与黑云母含量呈一个负幂次衰减关系，并且黑云母含量为5%时就对强度有很明显的弱化，而含量达到30%后则对强度影响不再显著，强度逐渐趋于稳定的水平。

（2）在相似含量的条件下，黑云母、石英均匀混合样品的强度都在含软弱层样品之上，且两者强度差异在黑云母含量约为18%时达到最大。

（3）显微结构显示，对于均匀混合样品，变形由黑云母和石英共同承担，且与各自所占百分含量相关。对于含软弱层的样品，矿物含量对于变形的承担影响不大，变形都优先集中在弱软弱层内发生，两侧的石英均没有发生太大的变形。

致谢感谢姚文明工程师在实验过程中提供的技术支持。

韩亮．2012．龙门山断裂脆塑性转化带内花岗岩的流体特征与裂缝愈合的实验模拟研究［D］：［学位论文］．北京：中国地震局地质研究所．

HAN Liang．2012．Water in granites from the brittle-plastic transition zone of the Longmenshan Fault and experimental simulation of cracks healing［D］．Ph D thesis．Institute of Geology，China Earthquake Administration，Beijing（in Chinese）．

兰彩云，何昌荣，姚文明，等．2010．热水条件下角闪石断层泥的摩擦滑动性质：与斜长石断层泥的对比［J］．地球物理学报，53（12）：2929—2937．

LAN Cai-yun，HE Chang-rong，YAO Wen-ming，et al．2010．Frictional sliding of hornblende gouge as compared with plagioclase gouge under hydrothermal conditions［J］．Chinese J Geophys，53（12）：2929—2937（in Chinese）．

路珍，何昌荣．2014．热水条件下黑云母断层泥的摩擦强度与稳定性［J］．地球物理学报，57（4）：1123—1132．

LU Zhen，HE Chang-rong．2014．The frictional strength and stability of biotite under hydrothermal conditions［J］．Chinese J Geophys，57（4）：1123—1132（in Chinese）．

谭文彬，何昌荣．2008．高温高压及干燥条件下斜长石和辉石断层泥的摩擦滑动研究［J］．地学前缘，15（3）：279—286．

TAN Wen-bin，HE Chang-rong．2008．Frictional sliding of pyroxene and plagioclase gouges in gabbro under elevated temperature and dry condition［J］．Earth Science Frontiers，15（3）：279—286（in Chinese）．

吴山．1993．龙门山彭灌杂岩体中韧性剪切带的发现及其构造意义［J］．矿物岩石，13（2）：71—77．

WU Shan．1993．The discovery and significance of ductile shear zones in Pengguan complex granite mass of Longmen Mountains［J］．J Mineral Petrol，13（2）：71—77（in Chinese）．

张沛，周祖翼，许长海，等．2008．川西龙门山彭灌杂岩地球化学特征：岩石成因与构造意义［J］．大地构造与成矿学，32（1）：105—116．

ZHANG Pei，ZHOU Zu-yi，XU Chang-hai，et al．2008．Geochemistry of Pengguan complex in the Longmenshan region，westen Sichuan Province，SW China：Petrogenesis and tectonic implications［J］．Geotectonica et Metallogenia，32（1）：105—116（in Chinese）．

Gottschalk R R，Kronenberg A K，Russell J E，et al．1990．Mechanical anisotropy of gneiss：Failure criterion and textural sources of directional behavior［J］．Journal of Geophysical Research，95（B13）：21613—21634．

Haines S H，Kaproth B，Marone C，et al．2013．Shear zones in clay-rich fault gouge：A laboratory study of fabric development and evolution［J］．Journal of Structural Geology，51：206—225．

Haines S H，van der Pluijm B A，Ikari M J，et al．2009．Clay fabric intensity in natural and artificial fault gouges：Implications for brittle fault zone processes and sedimentary basin clay fabric evolution［J］．Journal of Geophysical Research：Solid Earth，114：B05406．

He C，Wang Z，Yao W．2007．Frictional sliding of gabbro gouge under hydrothermal conditions［J］．Tectonophysics，445：353—362．

He C，Yao W，Wang Z，et al．2006．Strength and stability of frictional sliding of gabbro gouge at elevated temperatures［J］．Tectonophysics，427：217—229．

Holdsworth R E．2004．Weak faults-rotten cores［J］．Science，33：181—182．

Holyoke III C W，Tullis J．2006a．The interaction between reaction and deformation：An experimental study using a biotite＋plagioclase＋quartz gneiss［J］．Journal of Metamorphic Geology，24：743—762．

Holyoke III C W，Tullis J．2006b．Mechanisms of weak phase interconnection and the effects of phase strength contrast on fabric development［J］．Journal of Structural Geology，28：621—640．

Janecke S U，Evans J P．1988．Feldspar-influenced rock rheologies［J］．Geology，16：1064—1067．

Johnson S E，Vernon R H，Upton P．2004．Foliation development and progressive strain-rate partitioning in the crystallizing carapace of a tonalite pluton：Microstructural evidence and numerical modeling［J］．Journal of Structural Geology，26：1845—1865．

Kohlstedt D L，Evans B，Mackwell S J．1995．Strength of the lithosphere：Constraints imposed by laboratory experiments［J］．Journal of Geophysical Research，100（B9）：17587—17602．

Logan J M，Friedman M，Higgs N，et al．1979．Experimental studies of simulated gouge and their application to studies of natural fault zones［A］．In：Proc ConfⅧ：Analysis of actual fault zones in bedrock，US Geol Surv，Open-File Rept：305—343．

Lu Z，He C．2014．Frictional behavior of simulated biotite fault gouge under hydrothermal conditions［J］．Tectonophysiscs，622：62—80．

Mariani E，Brodie K H，Rutter E H．2006．Experimental deformation of muscovite shear zones at high temperatures under hydrothermal conditions and the strength of phyllosilicate-bearing faults in nature［J］．Journal of Structural Geology，28：1569—1587．

Niemeijer A，Marone C，Elsworth D．2010．Fabric induced weakness of tectonic faults［J］．Geophysical Research Letters，37：L03304．

Rawling G C，Baud P，Wong T F．2002．Dilatancy，brittle strength，and anisotropy of foliated rocks：Experimental deformation and micromechanical modeling［J］．Journal of Geophysical Research，107（B10）：2234．

Scholz C H．1988．The brittle-plastic transition and the depth of seismic faulting［J］．Geologische Rundschau，77：319—328．

Scruggs V J，Tullis T E．1998．Correlation between velocity dependence of friction and strain localization in large displacement experiments on feldspar，muscovite and biotite gouge［J］．Tectonophysics，295：15—40．

Shea W T，Kronenberg A K．1993．Strength and anisotropy of foliated rocks with varied mica contents［J］．Journal of Structural Geology，15（9／10）：1097—1121．

Van Diggelen E W E，De Bresser J H P，Peach C J，et al．2010．High shear strain behaviour of synthetic muscovite fault gouges under hydrothermal conditions［J］．Journal of Structural Geology，32：1685—1700．

Wintsch R P，Christoffersen R，Kronenberg A K．1995．Fluid-rock reaction weakening of fault zones［J］．Journal of Geophysical Research，100（B7）：13021—13032．

Abstract

We investigated frictional sliding behavior of mixture gouges of quartz with various weight proportions of biotite and their structured equivalents with same weight proportions of biotite as layers embedded in quartz gouge．Our experiments were performed under effective confining pressure of 200MPa，pore pressure of 30MPa，temperature of 100℃and the shear displacement rate of 1.22μm／s．The results show that for structured gouges with biotite layers embedded in quartz gouge as a weak structure，the strength has a power law decreasing trend with increasing weight proportions of biotite．The fault gouges can be weakened significantly by as little as 5wt%biotite，and 30wt%biotite corresponds to a beginning point of less sensitive strength change in response to increasing biotite proportion．On the other hand，the strength of mixed gouges shows a linear decreasing trend with increasing biotite proportion．Microstructures of deformed samples show that in mixed gouges，biotite and quartz are both sheared and grain size extremely reduced，and their contributions to overall strength have a close relation with their respective contents．However，in structured gouges，the shear deformation mainly occurred in the weak biotite layers with no shears crossing the quartz gouge．These results confirm the importance of the weak fabric in its effect on frictional strength．If the weak minerals form foliations and interconnected arrangements，it will lead to weakness of fault zones．

QUANTITIVE INFLUENCE OF WEAK PHASE LAYER ON STRENGTH OF FAULT GOUGE

LU Zhen1，2）HE Chang-rong1）
1）State Key Laboratory of Earthquake Dynamics，Institute of Geology，China Earthquake Administration，Beijing100029，China
2）The Second Monitoring and Application Center，China Earthquake Administration，Xi′an710054，China

biotite，quartz，weak structure，coefficient of friction

P313

A文献标识码：0253－4967（2015）01－0068－13

10．3969／j．issn．0253－4967．2015．01．006

路珍，女，1987年生，2014年在中国地震局地质研究所获博士学位，从事与地震动力学相关的高温高压岩石力学研究，电话：010－62009040，E－mail：lzzhen828＠163.com。

2013－12－17收稿，2014－08－18改回。

国家自然科学基金（41274186）和地震动力学国家重点实验室自主研究课题（LED2012A01）共同资助。

何昌荣，男，研究员，E－mail：crhe＠ies．ac．cn。