一些工业活动，如水库蓄水，地下废液回注，储气库循环注采等，可对断层所受的应力产生周期性的扰动，最终导致断层发生不稳定滑动。更好地认识应力扰动下的断层泥摩擦特性有助于减小工业活动有关的地质灾害和工程风险。前人的实验和理论研究主要关注应力扰动对速度强化断层泥的摩擦强度和断层失稳过程的影响。但是，当断层处于临界状态时（准静态加载下可出现 “自持性震荡”），应力扰动对其摩擦强度的影响尚不清晰。此外，目前没有合适的本构模型对此类实验结果开展定量表征。

中国地震局地质研究所构造物理实验室博士生余博文，在陈建业研究员，马胜利研究员以及荷兰乌特勒支大学Chris Spiers教授的指导下，在张淼副研究员，齐文博副研究员，博士生陈浩的技术支持下，对处于临界状态下的断层开展了双直剪摩擦实验（图1），实验过程中对样品施加不同频率和振幅的周期性正应力扰动，实验时精确测量断层滑动速度和断层厚度，利用超声波主动源监测断层泥内部颗粒间接触面积。实验结果表明，当正应力扰动振幅不变同时扰动频率处于0.03–0.1 Hz时，断层平均摩擦强度发生弱化并且会触发一系列不稳定滑动事件（图2）。在正应力扰动频率不变，扰动振幅大于背景有效正应力的5%时也观察到了相同的现象（图3）。通过对透射超声波的特征参数（透射系数，波速以及尾波相关系数）分析后发现，断层弱化和不稳定滑动事件总是与断层扩容相关（图4）。为了定量描述实验中观察到的断层剪切强度演化，对现有的微观物理摩擦定律（Chen-Niemeijer-Spiers模型，即“CNS模型（Chen and Spiers，2016；Niemeijer and Spiers, 2007）”）进行了改进，主要引入了扰动过程中由于样品整体的泊松效应引起的正应力-剪应力弹性耦合效应以及正应力改变时断层泥孔隙度的变化。改进版的CNS模型可基本重现实验结果（图5）。该模型将为实验数据外推至野外提供理论基础，并可应用在地下循环注采或类似场景下的断层稳定性评价当中。

该成果以“Frictional Properties of Simulated Fault Gouges Subject to Normal Stress Oscillation and Implications for Induced Seismicity”为题，于2024年9月21日在线发表于地学领域Top期刊Journal of Geophysical Research: Solid Earth。第一作者为博士生余博文，通讯作者为陈建业研究员。

本研究获国家自然科学基金（U1839211、U2239204、42174224），荷兰科学研究组织（NWO）DeepNL研究项目（Science4Steer Project, project number DEEP.NL.2018.046），以及国家留学基金委（202204190008）的联合资助。

原文链接：http://dx.doi.org/10.1029/2024JB029521

图1 （a）双直剪实验样品结构以及传感器布置示意图。（b）样品与传感器布置放大图。（c）样品东-西向截面。

图2 不同正应力扰动频率下的断层剪切强度，厚度以及滑动位移的变化。

（a）加载正应力；（b）剪应力；（c）断层泥厚度以及滑动位移；（d-e）高频扰动下曲线放大图；（g-i）一次不稳定滑动事件对应的各实验曲线

图3 不同正应力扰动振幅下的断层剪切强度，厚度以及滑动位移的变化。

（a）加载正应力；（b）剪应力；（c）断层泥厚度以及滑动位移；（d-e）一次不稳定滑动事件对应的各实验曲线（g-i）低振幅扰动下曲线放大图。

图4 高频（1 Hz）正应力扰动下，断层弱化和不稳定滑动事件对应的透射超声波特征参数的变化。

（a）加载正应力；（b）剪应力；（c）归一化后的超声波透射系数；（d）波速；（e）尾波自相关系数。

图5 一个典型的实验结果与改进版CNS模型模拟结果的对比。

（a）加载正应力；（b）剪应力；（c）断层泥厚度变化。

参考文献：

1. Chen, J., & Spiers, C. (2016). Rate and state frictional and healing behavior of carbonate fault gouge explained using microphysical model:Microphysical model for friction. Journal of Geophysical Research: Solid Earth, 121(12), 8642–8665. https://doi.org/10.1002/2016JB013470.

2. Niemeijer, A. R., & Spiers, C. J. (2007). A microphysical model for strong velocity weakening in phyllosilicate‐bearing fault gouges. Journal of Geophysical Research, 112(B10), B10405. https://doi.org/10.1029/2007JB005008