水对岩石滑动摩擦特性影响的研究进展

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　　摘 要：地下水资源丰富，水会改变岩石的强度和变形性状，从而会影响断层的摩擦性状，造成地震、滑坡等天然灾害。总结前人的研究工作发现：在进行岩石的滑动摩擦研究过程中，大多采取室内试验的方法进行研究。本文针对室内试验以及数值模拟等进行总结，针对当前研究存在的问题，提出未来的研究发展趋势。
　　关键词：摩擦特性;水岩作用;本构关系
　　DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2019.21.070
　　0 引言
　　 岩石摩擦实验是断层力学和震源物理实验研究中主要手段之一，在地震动力学特别是地震成因机制研究中具有重要意义[1]。研究表明，断层一旦形成，其未来的运动将受摩擦规律控制，断层运动的稳定性以及运动形态决定了断层的运动过程是否有震以及百分之多少的地震是由于断层的滑动引起[4]。当前，摩擦滑动方式主要有两种，一种是稳态滑动，即滑动平稳的发生，而另一种则是滑动急剧的发生，这种我们称之为粘滑，研究亦表明，粘滑将会造成浅源地震。目前，研究滑动摩擦实验的方法主要有直剪、双剪、扭剪和三轴[2-3]，而影响岩石滑动摩擦的影响因素众多，例如应力、孔隙率、温度、断层泥等。但我们发现裂隙的摩擦滑动特性会受到水的力学与化学的耦合作用，这其中的影响机制复杂，亟待探明。
　　 近年来，很多学者在水-岩作用机理方面做了大量的工作并取得了丰硕的成果。通过实验研究发现水对于岩石的滑动面有润滑作用，大多起到了弱化的作用。但由于天然环境极其复杂，而室内试验又无法准确的模拟出实际环境，故室内试验仍存在不少问题。
　　 为了更好地理解水对岩石的滑动摩擦的影响，本文拟通过本构关系的介绍以及室内试验的总结，分析水对不同岩性的岩石滑动摩擦的影响，并对存在的问题进行了讨论，进而展望未来的研究趋势，对将来地震以及滑坡等天然灾害提供一定的指导。
　　1 岩石摩擦滑动室内试验
　　 一种流行的观点认为岩石的摩擦时间依赖性是由岩石蠕变引起接触面积增大而引起的[5-6]。学者Qunyang Li[7]等人使用原子力显微镜（AFM）进行了纳米锐氧化硅片与氧化硅片之间的单凹凸滑动保持滑动（SA-SHS）摩擦实验，反而发现摩擦老化是由界面化学键的形成引起的，计算了△F/Fss（相对摩擦力），在所研究的100s保持时间范围内，在0.5到5之间。宏观石英岩样品观测到的100秒保持时间则小于0.05，在纳米尺度上相对摩擦力下降的老化要比在宏观尺度上大得多，这表明摩擦老化可能是一个受粗糙面凹凸不平影响的尺度依赖现象。
　　 传统的研究岩石滑动摩擦的室内试验大多是小尺寸圆柱体试样，高度是直径的两倍，限于小尺寸试样，加载的法向应力和剪切速度都无法达到理想状态。2015年，Futoshi Yamashita[8]进行了米尺度级的岩石摩擦实验，接触面积达到了1.5米长，0.1米宽，实验发现岩石摩擦的尺度依赖性，摩擦力与尺度有关，较大尺度的岩石在较小的速率失去摩擦强度自然断层可能会迅速减弱。André Niemeijer[9]使用新开发的装置对辉长岩进行研究，使得试验样品可以达到更高的法向应力（高达50Mpa）发现滑移弱化距离随着正常应力的增加而减小，与理论上随着滑动率而减小保持一致。大尺寸试验受多种因素制约开展较少，日后可开展大尺度实验，增加法向应力以及切向应力。更贴近自然断层所处环境，深刻的了解尺度依赖性。
　　 室内实验受限于环境等因素的制约，难以贴近真实情况，所以采用数值模拟的研究方法可以大大提高结论的推广性。但值得注意的是，数值模拟层面上的研究，可能与真实的断层活动存在差异，因此日后研究出更贴近真实断层活动的模型则尤为重要。
　　2 结论与展望
　　 自20世纪60年代以来，我们就已经得知地震可以通过注入的流体来诱发。流体在不同的地质条件下都对引发地震活动有着至关重要的影响。而往往地震活动又容易诱发火山活动等其他自然灾害，对人类的生命和财产安全带来巨大损失。
　　 大部分地震都是由于断层的摩擦滑动引起的，所以了解岩石的滑动摩擦特性则至关重要。而地壳中流体活动又会影响地震的周期性，所以研究流体活动对岩石摩擦滑动性质的影响是非常有必要的。本文总结了研究岩石滑动摩擦的所需要的本构关系的演化过程以及近年来各国开展的室內试验的研究进展。并提出了笔者思考后目前存在的研究问题以及为日后的研究开展提出了自己的见解。
　　参考文献：
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　　[3]Wang W.Micromechanics of rock friction and wear processes： a theoretical and experimental study[D].Columbia University， 1994.
　　[4]薛霆虓.大尺度断层活动数值模拟及地震学研究[D].中国科学技术大学，2008.
　　[5]张龙，江在森，武艳强.速度-状态摩擦本构定律及其在地震断层中的应用研究进展[J].地球物理学进展，2013，28（05）：2352-2362.
　　[6]Yamashita F，Fukuyama E，Mizoguchi K，et al.Scale dependence of rock friction at high work rate[J].Nature，2015，528（7581）：254.
　　[7]Dieterich，J.H.& Conrad，G.Effect of humidity on time-dependent and velocitydependent friction in rocks.J.Geophys.Res.89（B6）：4196-4202（1984）.
　　[8]Dieterich J H，Kilgore B D.Direct observation of frictional contacts： New insights for state-dependent properties[J].Pure and Applied Geophysics，1994，143（1-3）：283-302.
　　[9]Niemeijer A，Di Toro G，Nielsen S，et al.Frictional melting of gabbro under extreme experimental conditions of normal stress，acceleration，and sliding velocity[J].Journal of Geophysical Research： Solid Earth，2011，116（B7）.
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