在实验性地震滑移过程中，湿蛇纹岩切割体的脱羟作用与非晶化现象及其对共震流体排出的影响

《Journal of Structural Geology》：Dehydroxylation and amorphization of wet serpentinite gouges during experimental seismic slip and implications for coseismic fluid drainage

蛇纹岩在高应变率剪切过程中发生脱水非晶化及纳米晶矿物相变，其动力学过程受排水条件调控。通过水饱和蛇纹岩粉末的旋转剪切实验及多尺度表征，发现排水条件下摩擦生热效率降低导致温度峰值升高至635°C，促使蛇纹岩向橄榄石/恩斯特石纳米晶转变。数值模拟显示流体排出抑制热压致裂，反而加剧剪切加热。研究成果揭示自然断层带中地震滑移触发的非晶化纳米晶形成机制。

　　本研究围绕蛇纹岩在高速滑动过程中因摩擦生热而发生的脱水和非晶化现象展开，探讨了这些反应在不同流体条件下的表现。蛇纹岩是一种在地球构造环境中广泛存在的岩石类型，常见于俯冲带、洋中脊分离断层以及大陆转换断层等区域。在这些地质构造中，蛇纹岩相关断层和剪切带在地震周期内可能对地壳的流变特性及强度起到关键作用。因此，研究蛇纹岩剪切带的结构和组成对于理解地震活动期间的地壳变形具有重要意义。

在自然界中，蛇纹岩剪切带常常表现出一种“块状嵌入基质”的结构特征。这种结构由广泛发育的片理基质、逐渐形成的滑动面纤维和裂缝带，以及被嵌入其中的破碎或断裂的块体组成。片理的形成通常被认为与压力溶解作用有关，而一些学者将其与断层蠕动联系起来。然而，剪切带内部的多代裂缝网络以及块体的存在表明，水压裂缝可能在整个剪切带范围内发生。这些裂缝可能反映了在同构造交代反应过程中产生的高流体压力。此外，在新西兰的Livingstone断层中发现的纳米晶橄榄石和透辉石，被解释为蛇纹岩在地震破裂过程中因高温脱水形成的产物。结合地质观测、地球物理测量、数值模拟和实验室实验，可以推测蛇纹岩剪切带可能同时具备稳定蠕动和不稳定地震破裂的特征。

尽管已有大量研究证实了在相对干燥条件下，蛇纹岩在高速滑动时会发生显著的动态弱化，并伴随脱水和形成纳米晶橄榄石、透辉石等产物，但在存在水的情况下，这些反应是否仍然有效仍是一个未解的问题。为了解决这一问题，研究团队在旋转剪切装置中使用专门设计的碎屑样品夹具，模拟了水饱和蛇纹岩碎屑在高速滑动下的行为。通过这种方式，研究人员能够研究流体排水对蛇纹岩碎屑摩擦行为的影响，以及滑动区内部可能发生的相变过程。

实验过程中，研究人员在两种不同的流体条件下（排水和不排水）对水饱和的蛇纹岩碎屑进行了高速滑动实验，滑动速率设定为1 m/s，法向应力为10 MPa。所有实验中，表观摩擦系数（即剪切应力与法向应力的比值）均从峰值（约0.32–0.42）逐渐下降至稳态值（约0.09–0.29）。在不排水实验中，观察到碎屑压实现象，滑动区内的温度在实验结束时达到了约180°C。而在排水实验中，除了碎屑压实外，还出现了膨胀现象，滑动区内的最高温度甚至达到了约635°C。这些温度变化反映了摩擦生热在不同流体条件下的显著差异。

为了进一步验证这些现象，研究人员结合了扫描电子显微镜（SEM）、聚焦离子束透射电子显微镜（FIB-TEM）以及同步辐射X射线衍射（XRD）分析等多种技术手段。结果显示，脱水和非晶化反应仅在排水条件下发生，形成了纳米晶橄榄石和透辉石。这些产物的形成表明，在地震破裂过程中，蛇纹岩可能经历了极端的温度条件，从而导致其矿物结构的显著改变。此外，一维数值模拟模型考虑了主要的相变过程（水转化为蒸汽，蛇纹石转化为橄榄石），揭示了在排水和不排水实验中，滑动区温度的快速上升。然而，排水条件下，热压的效率逐渐降低，导致剪切加热增强，从而促进了脱水和非晶化反应的发生。

研究结果表明，蛇纹岩剪切带中出现的特殊纳米晶产物，如橄榄石和透辉石，只有在地震滑动过程中流体能够从滑动区排出时才可能发生。这为理解天然蛇纹岩断层中的地震活动提供了新的视角。同时，这些发现也对解释天然蛇纹岩结构中的地震滑动指示物具有重要意义。在地震期间，流体的排出可能显著影响断层的摩擦行为和热力学条件，进而影响岩石的变形模式和产物形成。因此，了解流体在断层滑动过程中的作用，对于揭示地震破裂机制和评估地震风险具有重要的科学价值。

本研究的实验设计和结果为探索蛇纹岩在高速滑动条件下的行为提供了关键的数据支持。通过使用旋转剪切装置和专门设计的碎屑样品夹具，研究人员能够在实验室环境中再现天然断层中可能发生的复杂过程。实验过程中，滑动速率和法向应力的设定与天然断层的条件相匹配，从而确保了实验结果的地质相关性。此外，实验中对流体条件的精确控制，使得研究人员能够区分排水和不排水条件对摩擦行为和热效应的影响。

在排水实验中，观察到的高温条件表明，流体的排出可能促进了摩擦生热的积累，使得滑动区内的温度迅速上升。这种温度升高可能触发了蛇纹岩的脱水反应，从而导致其矿物结构的变化。而在不排水实验中，由于流体无法有效排出，热压效应可能限制了温度的上升，使得脱水和非晶化反应无法充分发生。这种差异表明，流体在断层滑动过程中的存在和排出路径可能对岩石的变形和产物形成起到关键作用。

研究团队还通过数值模拟进一步验证了实验结果。模拟结果显示，在排水和不排水条件下，滑动区内的温度均会迅速上升，但排水条件下，热压的效率逐渐降低，导致剪切加热的增强。这种现象可能解释了为何在排水实验中能够观察到更显著的脱水和非晶化反应。数值模拟的结果与实验数据相互印证，为理解蛇纹岩在地震破裂过程中的热力学行为提供了理论支持。

综上所述，本研究通过实验和模拟相结合的方法，揭示了流体条件对蛇纹岩高速滑动过程中摩擦行为和矿物相变的重要影响。研究结果表明，脱水和非晶化反应的发生依赖于流体是否能够从滑动区排出，这一发现对于解释天然断层中的地震活动具有重要意义。此外，这些结果也为进一步研究蛇纹岩在不同地质环境下的行为提供了新的思路。未来的研究可以结合更多的地质观测和实验数据，进一步探讨流体在断层滑动过程中的作用机制，以及这些机制对地震破裂模式和地壳变形的影响。