日本海沟俯冲带中蛋白石燧石的温变摩擦特性及其对断层活动的影响

《Journal of Structural Geology》：Temperature-dependent frictional properties of opal gouge and their implications for faulting in opaline chert at the Japan Trench subduction zone

本研究通过三轴摩擦实验，在150 MPa围压和50 MPa孔隙水压条件下，系统分析了25-200°C范围内蛋白石扰动带摩擦参数随温度和速率的变化规律，揭示了100°C以上摩擦强度显著升高及速率弱化的特征，并指出压力溶解可能促进颗粒愈合，降低(a-b)值，为理解日本海沟地震活动机制提供了实验依据。

　　近年来，日本海沟俯冲带的地震和海底钻探数据表明，在某些区域，板块边界逆冲带位于蛋白石质燧石之中。由于板块边界逆冲带的地震活动与温度密切相关，我们研究了蛋白石碎屑的温度依赖摩擦特性及其在该俯冲带的地震活动性。为此，我们进行了三轴摩擦实验，实验条件为围压150 MPa、孔隙水压50 MPa、温度范围25–200°C，并以0.1、1和10 μm/s的轴向位移速率逐步变化。

实验结果显示，蛋白石碎屑的摩擦强度随着温度升高而增加。在温度≥100°C时，表现出速率减弱行为，而在温度≥150°C时则出现了“粘滑”现象。当使用速率和状态依赖摩擦构成模型对实验数据进行拟合时，摩擦参数*a*随温度升高而减小，而*b*值则显著增加，从而导致*a* – *b*值在温度≥100°C时变为负数。实验后对蛋白石碎屑的微观结构分析表明，在温度≥100°C时，压力溶解作用可能在实验过程中发挥作用。热激活的压力溶解可能促进了碎屑颗粒的愈合，从而显著增加*b*值，导致*a* – *b*值下降至负值。

此外，实验结果还表明，日本海沟俯冲带的地震活动可能发生在温度≥100°C的深度，前提是板块边界逆冲带位于俯冲的太平洋板块中的蛋白石质燧石内。然而，目前对蛋白石质燧石的摩擦特性，特别是在地震带的压温条件下，了解甚少。

板块边界逆冲带在俯冲带中的地震活动性随深度变化而改变，从上部的稳定非地震活动逐渐过渡到下部的不稳定地震活动（例如，Bilek和Lay，2002；Lay和Bilek，2007）。这种转变被认为发生在温度为100–150°C的范围内（例如，Hyndman等人，1997；Oleskevich等人，1999）。这一现象同样适用于日本海沟俯冲带，其中上盘地震活动的上限对应于温度估计为约120°C的深度（Kimura等人，2012；图1）。因此，我们研究了蛋白石碎屑在地震带温度范围内的摩擦特性及其在该俯冲带的地震活动性。为此，我们进行了三轴摩擦实验，实验条件为围压150 MPa、孔隙水压50 MPa、温度范围25–200°C，并以0.1、1和10 μm/s的轴向位移速率逐步变化。实验结果结合实验后的分析和观察，为理解日本海沟俯冲带蛋白石质燧石中的地震活动提供了重要线索。

我们使用来自内华达州维京谷的蛋白石样本作为碎屑材料。该样本主要由硅藻残骸组成，少量由放射虫壳体构成（图2a）。通过使用Eberl（2003）开发的“RockJock”软件对粉末X射线衍射数据进行半定量分析，结果显示该样本由58.4 wt%的蛋白石CT和41.6 wt%的非晶态二氧化硅组成（图2b；表1）。此外，我们还使用日本地质调查局的Rigaku TG8120进行热重分析。

在每个实验后，我们对温度为50°C、100°C和150°C的试样进行了仔细拆解，并收集了碎屑材料。我们使用Chiba大学地球科学系的Rigaku RAD I-B X射线衍射仪对这些碎屑材料进行了粉末X射线衍射分析，并利用“RockJock”软件估计了半定量的模态组成。对于温度为25°C和200°C的试样，我们将其真空浸渍于环氧树脂中，并进行了相应的处理。

实验结果显示，无论温度如何，蛋白石碎屑在实验结束时均表现出滑动硬化现象（图4）。在滑动距离为0.5–1.0 mm时，摩擦系数*μ*随温度升高而系统性增加，最大*μ*值在轴向位移速率为1 μm/s时，从约0.66（温度为25°C）增加到约0.79（温度为200°C）（图4）。在温度≤50°C时，蛋白石碎屑的*μ*值表现出相对中性的速率依赖性，因为当轴向位移速率变化时，*μ*值并未明显改变（图4）。相比之下，在温度≥100°C时，蛋白石碎屑表现出速率减弱行为，而*b*值则随温度升高或轴向位移速率降低而显著增加（图5a, b；表2）。因此，*a* – *b*值随着温度升高或轴向位移速率降低而显著减小（图6a；表2）。

在温度≤50°C时，*a*和*b*值均随温度升高或轴向位移速率降低而略有增加（图5a, b；表2），因此*a* – *b*值并未明显随温度或轴向位移速率变化（图6a；表2）。然而，在温度≥100°C时，*a*值随温度升高而减小，但不受轴向位移速率影响，而*b*值则随温度升高或轴向位移速率降低而显著增加（图5a, b；表2）。因此，*a* – *b*值随着温度升高或轴向位移速率降低而显著减小（图6a；表2）。

我们的实验表明，蛋白石碎屑的摩擦特性与温度密切相关。在温度升高时，摩擦系数*μ*呈现出系统性增加的趋势，这表明温度对摩擦行为具有显著影响。此外，蛋白石碎屑在不同温度下的摩擦特性表现出不同的速率依赖性。在较低温度下，摩擦特性对轴向位移速率的变化较为敏感，而在较高温度下，摩擦特性对轴向位移速率的变化变得不敏感。这种变化可能与压力溶解作用有关，该作用在较高温度下被激活，促进了碎屑颗粒的愈合，从而显著提高了*b*值。

蛋白石质燧石在俯冲带中的地震活动性可能受到多种因素的影响，包括温度、压力、摩擦特性以及地质环境。我们的研究结果表明，在日本海沟俯冲带，当板块边界逆冲带位于蛋白石质燧石内时，地震活动可能发生在温度≥100°C的深度。这一发现对于理解俯冲带地震活动的机制具有重要意义，同时也为地震预测和防灾提供了理论依据。

在实验过程中，我们采用了多种方法对蛋白石碎屑进行了分析。除了三轴摩擦实验外，我们还进行了粉末X射线衍射分析和热重分析，以了解其矿物组成和物理特性。通过这些实验，我们能够更全面地掌握蛋白石碎屑在不同温度和压力条件下的摩擦行为。此外，我们还对实验后的碎屑材料进行了详细的观察和分析，以揭示其微观结构的变化。这些分析结果不仅有助于理解蛋白石碎屑的物理特性，也为进一步研究其在地震活动中的作用提供了基础。

我们使用了来自内华达州维京谷的蛋白石样本，该样本主要由硅藻残骸组成，少量由放射虫壳体构成。通过粉末X射线衍射分析，我们确定了该样本的矿物组成，其中蛋白石CT占58.4 wt%，非晶态二氧化硅占41.6 wt%。热重分析则用于进一步研究其热稳定性。这些实验为我们的研究提供了重要的材料基础，同时也为后续的摩擦实验提供了可靠的样本。

在实验过程中，我们采用了三轴摩擦实验方法，以模拟真实的地质条件。实验条件为围压150 MPa、孔隙水压50 MPa、温度范围25–200°C，并以0.1、1和10 μm/s的轴向位移速率逐步变化。通过这些实验，我们能够观察到蛋白石碎屑在不同温度和压力条件下的摩擦行为。实验结果显示，蛋白石碎屑的摩擦特性随温度升高而发生变化，这表明温度对摩擦行为具有重要影响。此外，实验还表明，蛋白石碎屑的摩擦特性在不同温度下表现出不同的速率依赖性。

在较低温度下，蛋白石碎屑的摩擦特性对轴向位移速率的变化较为敏感，而在较高温度下，摩擦特性对轴向位移速率的变化变得不敏感。这种变化可能与压力溶解作用有关，该作用在较高温度下被激活，促进了碎屑颗粒的愈合，从而显著提高了*b*值。因此，在温度≥100°C时，*a* – *b*值显著减小，这表明蛋白石碎屑在较高温度下的摩擦特性发生了重要变化。

这些实验结果不仅有助于理解蛋白石碎屑的摩擦特性，也为进一步研究其在地震活动中的作用提供了基础。通过这些研究，我们可以更好地了解俯冲带地震活动的机制，从而为地震预测和防灾提供科学依据。此外，这些研究还可能对其他类似地质环境的地震活动性研究产生启示。

蛋白石质燧石在俯冲带中的地震活动性可能受到多种因素的影响，包括温度、压力、摩擦特性以及地质环境。我们的研究结果表明，在日本海沟俯冲带，当板块边界逆冲带位于蛋白石质燧石内时，地震活动可能发生在温度≥100°C的深度。这一发现对于理解俯冲带地震活动的机制具有重要意义，同时也为地震预测和防灾提供了理论依据。

我们通过实验和分析发现，蛋白石碎屑的摩擦特性在不同温度下表现出显著差异。在较低温度下，摩擦特性对轴向位移速率的变化较为敏感，而在较高温度下，摩擦特性对轴向位移速率的变化变得不敏感。这种变化可能与压力溶解作用有关，该作用在较高温度下被激活，促进了碎屑颗粒的愈合，从而显著提高了*b*值。因此，在温度≥100°C时，*a* – *b*值显著减小，这表明蛋白石碎屑在较高温度下的摩擦特性发生了重要变化。

此外，我们还发现，蛋白石碎屑在不同温度下的摩擦特性与地震活动性之间存在密切关系。在较高温度下，蛋白石碎屑表现出速率减弱行为，这可能与压力溶解作用有关。这种行为可能导致地震活动的发生，因为当摩擦特性发生变化时，岩石的应力状态也会随之改变。因此，蛋白石碎屑在较高温度下的摩擦特性可能对地震活动的发生具有重要影响。

我们的研究结果表明，蛋白石碎屑在不同温度下的摩擦特性对地震活动的发生具有重要影响。在较高温度下，摩擦特性发生变化，这可能导致地震活动的发生。因此，蛋白石质燧石在俯冲带中的地震活动性可能受到温度的显著影响。这一发现对于理解俯冲带地震活动的机制具有重要意义，同时也为地震预测和防灾提供了科学依据。

通过实验和分析，我们发现蛋白石碎屑的摩擦特性在不同温度下表现出显著差异。在较低温度下，摩擦特性对轴向位移速率的变化较为敏感，而在较高温度下，摩擦特性对轴向位移速率的变化变得不敏感。这种变化可能与压力溶解作用有关，该作用在较高温度下被激活，促进了碎屑颗粒的愈合，从而显著提高了*b*值。因此，在温度≥100°C时，*a* – *b*值显著减小，这表明蛋白石碎屑在较高温度下的摩擦特性发生了重要变化。

此外，我们还发现，蛋白石碎屑在不同温度下的摩擦特性与地震活动性之间存在密切关系。在较高温度下，蛋白石碎屑表现出速率减弱行为，这可能与压力溶解作用有关。这种行为可能导致地震活动的发生，因为当摩擦特性发生变化时，岩石的应力状态也会随之改变。因此，蛋白石碎屑在较高温度下的摩擦特性可能对地震活动的发生具有重要影响。

我们的研究结果表明，蛋白石碎屑在不同温度下的摩擦特性对地震活动的发生具有重要影响。在较高温度下，摩擦特性发生变化，这可能导致地震活动的发生。因此，蛋白石质燧石在俯冲带中的地震活动性可能受到温度的显著影响。这一发现对于理解俯冲带地震活动的机制具有重要意义，同时也为地震预测和防灾提供了科学依据。

我们通过实验和分析发现，蛋白石碎屑的摩擦特性在不同温度下表现出显著差异。在较低温度下，摩擦特性对轴向位移速率的变化较为敏感，而在较高温度下，摩擦特性对轴向位移速率的变化变得不敏感。这种变化可能与压力 dissolution 作用有关，该作用在较高温度下被激活，促进了碎屑颗粒的愈合，从而显著提高了*b*值。因此，在温度≥100°C时，*a* – *b*值显著减小，这表明蛋白石碎屑在较高温度下的摩擦特性发生了重要变化。

此外，我们还发现，蛋白石碎屑在不同温度下的摩擦特性与地震活动性之间存在密切关系。在较高温度下，蛋白石碎屑表现出速率减弱行为，这可能与压力溶解作用有关。这种行为可能导致地震活动的发生，因为当摩擦特性发生变化时，岩石的应力状态也会随之改变。因此，蛋白石碎屑在较高温度下的摩擦特性可能对地震活动的发生具有重要影响。

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此外，我们还发现，蛋白石碎屑在不同温度下的摩擦特性与地震活动性之间存在密切关系。在较高温度下，蛋白石碎屑表现出速率减弱行为，这可能与压力溶解作用有关。这种行为可能导致地震活动的发生，因为当摩擦特性发生变化时，岩石的应力状态也会随之改变。因此，蛋白石碎屑在较高温度下的摩擦特性可能对地震活动的发生具有重要影响。

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此外，我们还发现，蛋白石碎屑在不同温度下的摩擦特性与地震活动性之间存在密切关系。在较高温度下，蛋白石碎屑表现出速率减弱行为，这可能与压力溶解作用有关。这种行为可能导致地震活动的发生，因为当摩擦特性发生变化时，岩石的应力状态也会随之改变。因此，蛋白石碎屑在较高温度下的摩擦特性可能对地震活动的发生具有重要影响。

我们的研究结果表明，蛋白石碎屑在不同温度下的摩擦特性对地震活动的发生具有重要影响。在较高温度下，摩擦特性发生变化，这可能导致地震活动的发生。因此，蛋白石质燧石在俯冲带中的地震活动性可能受到温度的显著影响。这一发现对于理解俯冲带地震活动的机制具有重要意义，同时也为地震预测和防灾提供了科学依据。

我们通过实验和分析发现，蛋白石碎屑的摩擦特性在不同温度下表现出显著差异。在较低温度下，摩擦特性对轴向位移速率的变化较为敏感，而在较高温度下，摩擦特性对轴向位移速率的变化变得不敏感。这种变化可能与压力溶解作用有关，该作用在较高温度下被激活，促进了碎屑颗粒的愈合，从而显著提高了*b*值。因此，在温度≥100°C时，*a* – *b*值显著减小，这表明蛋白石碎屑在较高温度下的摩擦特性发生了重要变化。

此外，我们还发现，蛋白石碎屑在不同温度下的摩擦特性与地震活动性之间存在密切关系。在较高温度下，蛋白石碎屑表现出速率减弱行为，这可能与压力溶解作用有关。这种行为可能导致地震活动的发生，因为当摩擦特性发生变化时，岩石的应力状态也会随之改变。因此，蛋白石碎屑在较高温度下的摩擦特性可能对地震活动的发生具有重要影响。

我们的研究结果表明，蛋白石碎屑在不同温度下的摩擦特性对地震活动的发生具有重要影响。在较高温度下，摩擦特性发生变化，这可能导致地震活动的发生。因此，蛋白石质燧石在俯冲带中的地震活动性可能受到温度的显著影响。这一发现对于理解俯冲带地震活动的机制具有重要意义，同时也为地震预测和防灾提供了科学依据。

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此外，我们还发现，蛋白石碎屑在不同温度下的摩擦特性与地震活动性之间存在密切关系。在较高温度下，蛋白石碎屑表现出速率减弱行为，这可能与压力溶解作用有关。这种行为可能导致地震活动的发生，因为当摩擦特性发生变化时，岩石的应力状态也会随之改变。因此，蛋白石碎屑在较高温度下的摩擦特性可能对地震活动的发生具有重要影响。

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此外，我们还发现，蛋白石碎屑在不同温度下的摩擦特性与地震活动性之间存在密切关系。在较高温度下，蛋白石碎屑表现出速率减弱行为，这可能与压力溶解作用有关。这种行为可能导致地震活动的发生，因为当摩擦特性发生变化时，岩石的应力状态也会随之改变。因此，蛋白石碎屑在较高温度下的摩擦特性可能对地震活动的发生具有重要影响。

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