页岩断层摩擦滑动稳定性的位移依赖性——诱发地震物理机制的新视角

姚路 博士

中国地震局地质研究所

2022.05.27（星期五）15:00，腾讯会议号：624-220-840

报告摘要：

因人类工业活动导致的诱发地震在世界范围内主要的几个大洲广泛分布，而且逐年增多。尽管前人提出了高孔隙压效应、孔弹性效应和无震蠕滑导致的快速加载等几种主要的断层活化机制，但在回答诱发地震的孕震机制时仍存在困难。突出的矛盾在于以页岩、泥质砂岩、碳酸盐岩为代表的岩石在近地表数公里的原位温压条件下通常具有速度强化的摩擦性质，根据速率-状态摩擦理论，速度强化的断层将发生无震蠕滑，无法自发地发生地震成核。鉴于无震滑动是油气开采目标岩层内断层的普遍滑动形式和主要能量释放方式，本研究利用旋转剪切低速至高速摩擦实验系统对页岩开展了1至3公里深度内原位温压条件下的大位移（~600 mm）低速（0.2至10 μm/s）摩擦滑动实验研究，一定程度上探索持续的蠕滑是否会对断层的稳定性产生影响。实验揭示，在2至3 km原位温压条件下，随着滑动位移的增大，页岩呈现从稳定滑动、自持性振荡、慢滑移到粘滑的转变；速度依赖性参数(a-b)随着滑动位移的增大逐渐由正转负，而且温度和正应力也在这一转变中起到了重要作用。微观结构观察、X射线衍射分析和非晶化页岩样品的对比实验表明，粘土矿物的破坏是导致页岩的摩擦速度依赖性随位移发生转变的主要原因。实验结果对解开诱发地震的成核谜题具有重要的启示。页岩水压致裂诱发地震的一种可能孕震过程为：注水活化断层导致原本速度强化的断层发生无震蠕滑，累积的剪切变形导致滑动带内粘土矿物被破坏而发生速度依赖性的转变，直至满足不稳定滑动的条件、出现微震或较大的地震。本研究也为减轻诱发地震灾害提供了新的思路，即对无震蠕滑量的密切监测将为分析诱发地震危险性提供重要的参考。

报告人简介：

  姚路博士于2013年在中国地震局地质研究所获博士学位，2016年起任中国地震局地质研究所副研究员。主要研究方向为断层力学、构造物理实验和地震物理机制，主要包括断层在原位温压条件下的低速至高速摩擦性质、断层动态弱化机制及其对地震物理过程的影响。主持多项国家自然科学基金项目，近年来率先在国际上开展水热条件下断层中-高速摩擦性质的研究。已在Geology, JGR, GRL, Tectonophysics, JSG等期刊发表论文十多篇，部分成果以研究焦点或亮点文章的形式获得了同行的积极点评和关注。