水诱导的剪切局部化现象以及蒙脱石泥浆中的滑移模式划分

《Journal of Structural Geology》：Water-induced shear localization and slip mode partitioning in montmorillonite gouge

水对蒙脱石摩擦特性及变形结构的影响：干/湿条件下摩擦系数、剪切刚度及滑移模式分区的实验研究。

　　蒙脱石是一种常见的黏土矿物，广泛存在于浅层俯冲带和地壳断层中。当处于湿润状态时，它可能表现出比其他黏土矿物更低的摩擦强度。在蒙脱石层间存在的水分可以改变其摩擦特性，一方面通过形成薄层水膜润滑颗粒接触，另一方面在无排水压缩条件下，由于流体无法逸出，水分可以降低有效法向应力。然而，关于水如何影响蒙脱石碎屑中变形结构的发育以及滑动行为的变化，目前仍知之甚少。

本研究通过低速剪切实验，探讨了水对蒙脱石碎屑中滑动行为和变形结构的影响。实验使用了干燥粉末和湿润糊状物两种形式的钙蒙脱石（Ca-montmorillonite）和钠蒙脱石（Na-montmorillonite）。干燥粉末实验显示，材料具有较高的摩擦强度和较高的表观剪切刚度（或反映加载框架、推动块和碎屑层共同作用的刚度），并且表现出稳定的滑动行为，主要表现为片状结构的发育。相比之下，湿润糊状物实验则显示了较低的摩擦强度和表观剪切刚度，同时表现出不稳定的粘滑行为，变形结构上同时出现了片状区和剪切局部化区。在干燥粉末中，稳定滑动的实现是因为材料在片状区的流变刚度（或滑动过程中断层弱化的速率）为负，因此低于表观剪切刚度。而在湿润糊状物中，不稳定的粘滑行为可能是因为剪切局部化区的流变刚度高于表观剪切刚度，稳定滑动则被认为发生在片状区。我们的研究结果揭示，蒙脱石碎屑中的水分不仅显著降低了摩擦强度，还促进了剪切局部化区和片状区的形成，最终导致滑动行为在含蒙脱石断层的不同结构区中发生分区。

尽管滑动区的速率增强行为通常被认为能阻止不稳定的滑动，但我们的研究提供了证据表明，这种情况并不总是成立。因为速率增强和粘滑事件仍可能在滑动局部化区中发生，而这些局部化区是滑动区的一部分。这种结构相关的滑动模式分区为传统的断层稳定性评估提供了新的视角。

蒙脱石在浅层俯冲带和大陆地壳中的断层表现出异常低的摩擦强度，并且与大型地震、缓慢滑动事件和灾难性滑坡相关（Lachenbruch和Sass，1980；Vrolijk，1990；von Huene和Scholl，1991；Morrow等，2000, 2017；Moore和Lockner，2007）。蒙脱石常出现在大型构造断层的滑动区，包括与大地震相关的板块边界断层，以及与大规模滑坡相关的区域（Cole和Shaw，1983；Hendron和Patton，1987；Nakamura等，2010；Carpenter等，2011；Chester等，2012, 2013；Underwood和Guo，2013；Kameda等，2015）。例如，在日本海沟，相较于南海海沟，蒙脱石的更高含量被认为有助于通过热压升，使大震滑动传播到浅层区域，这一现象与2011年东日本大地震相关（Ujiie等，2013）。同样，在意大利的1963年瓦伊奥特滑坡中，滑动距离达到约450米，滑动速度为30米/秒，这之前有超过三年的时间，滑坡在富含黏土的厘米厚层中缓慢滑动，其中含有60-70%的蒙脱石（Ferri等，2011）。

在浅层俯冲带中，含蒙脱石的断层最近引起了广泛关注，因为它们可能包含浅层缓慢滑动事件（SSEs），这些事件可能由薄层蒙脱石剪切区内的结构和应力异质性触发（Saffer和Wallace，2015；Wallace，2020；Volpe等，2024）。因此，理解蒙脱石的机械特性，特别是其对水和变形结构的响应，对于评估其在地质灾害中的作用至关重要。

蒙脱石是一种众所周知的膨胀矿物，具有极强的吸水能力。当被饱和时，蒙脱石会扩大其层间间距（Bird，1984；Ikari等，2007）。在无排水加载条件下，这种膨胀可能在矿物被压缩且流体无法逸出时升高流体压力，从而降低有效法向应力（Summers和Byerlee，1977）。水合还促进了润滑水膜的形成，使摩擦系数降低超过60%（Morrow等，2000；Moore和Lockner，2004, 2007）。除了这些物理和流体机械效应外，变形的空间组织——特别是不同微结构域的发育——对滑动稳定性也起到额外的控制作用。速率增强行为与稳定滑动相关，通常与沿多个离散、平行剪切面分布的变形有关（Logan和Rauenzahn，1987；Beynon和Faulkner，2020），而速率减弱行为与不稳定的滑动相关，通常与剪切局部化和Y型剪切有关（Saffer等，2001；Kubo和Katayama，2015）。尽管不同研究的实验条件（如温度、法向应力、滑动速率）有所差异，但大多数研究都一致认为，水和变形结构在调节蒙脱石的摩擦特性方面起着关键作用（Ikari等，2007；Morrow等，2017）。在本研究中，我们根据微结构观察区分了两种结构：（1）片状区（FZ），一种分布式的、带状的结构，贯穿碎屑层的厚度，包含平行的P型和R型剪切以及颗粒排列；（2）局部化区（LZ），一种极薄、连续的带状结构，与Y型剪切方向平行，集中应变；它比周围基质更细粒、更致密，其在偏振光下的干涉色更强，其结构与自然和实验断层中报道的主滑动区（PSZs）相似。

最近，Woo等（2024）解决了自然和实验断层区中观察到的一个显著悖论：片状区（FZ，其论文中称为“DZ”）表现出速率增强行为，指示稳定蠕变，经常与能够容纳不稳定的粘滑事件的剪切局部化区（LZ）共存，然而，对整体碎屑层的实验室测量通常显示正速率依赖性，表明整体速率增强行为（图1a和b）。这种明显的矛盾引发了一个重要问题：是什么机制允许不稳定的局部滑动在看似稳定的整体碎屑中发生？Woo等（2024）表明，片状区表现出较低的临界流变刚度（Kc）并促进稳定滑动，而剪切局部化区则表现出较高的Kc，导致不稳定的粘滑。他们提出，测量到的整体行为可能由片状区的稳定滑动主导，从而掩盖了剪切局部化区的局部速率减弱行为。他们对钙蒙脱石的实验表明，这种共存现象：一个薄层（<50微米）最初表现出典型的粘滑（图1c），但在加入较厚层（2毫米）后，应力下降显著减少，而粘滑仍然在薄层中发生——这与滑动模式的分区一致（图1d）。

Woo等（2024）提出的框架为理解共存的变形结构如何分区滑动行为提供了关键的见解。然而，一个基本问题仍然未被解决：水在含蒙脱石断层中如何影响这些结构的形成及其机械意义？为了解决这一空白，我们进行了系统的低速剪切实验，比较了钙蒙脱石和钠蒙脱石的干燥粉末和湿润糊状物形式。我们的结果表明，水的存在不仅降低了摩擦强度，还促进了剪切局部化区的形成，导致滑动模式在片状区的稳定滑动和剪切局部化区的不稳定滑动之间发生分区。这种由临界刚度（Kc）差异驱动的结构控制机制，为理解含水黏土断层的地震行为提供了一个过程层面的框架，并为自然系统中的断层滑动行为提供了更全面的解释。

本研究中使用的剪切实验材料为钙蒙脱石（Ca-montmorillonite）和钠蒙脱石（Na-montmorillonite），它们分别来源于黏土矿物学会，并被标记为SAz-2和SWy-2。这些矿物的更多细节可以在Chipera和Bish（2001）中找到。我们进行了预处理程序，以分离小于2微米的颗粒，旨在减少其他矿物的影响。该程序如下：我们将10克干燥粉末与500毫升蒸馏水混合在一个烧杯中。随后，我们将混合物进行处理，以去除较大颗粒并保留细小颗粒。这一过程通过离心分离和筛分完成，确保实验材料的均匀性和一致性。

实验结果表明，钙蒙脱石和钠蒙脱石在干燥粉末和湿润糊状物两种状态下表现出显著不同的摩擦特性（图5b-e）。钙蒙脱石和钠蒙脱石的干燥粉末均表现出滑动硬化行为，摩擦系数达到初始峰值0.38-0.44后，摩擦强度继续增加至约0.53-0.65。相比之下，钙蒙脱石和钠蒙脱石的湿润糊状物则表现出较小的初始峰值摩擦系数约0.05-0.13，并且最大摩擦系数较低。这种差异表明，水分对摩擦特性的影响是显著的，尤其是在滑动过程中，水分的加入改变了材料的力学行为。

在湿润条件下，材料的摩擦特性发生了明显变化，同时变形结构也发生了调整。湿润糊状物的摩擦系数显著低于干燥粉末，这表明水分对摩擦行为的抑制作用。此外，湿润糊状物的剪切刚度也明显低于干燥粉末，这表明水分对材料刚度的影响是显著的。在湿润条件下，材料表现出更明显的粘滑行为，这与不稳定的滑动相关。这种粘滑行为的出现表明，湿润糊状物中的剪切局部化区可能具有更高的流变刚度，而片状区则表现出较低的流变刚度。这种差异导致了滑动行为在不同结构区中的分区。

在本研究中，我们发现水分不仅显著改变了钙蒙脱石和钠蒙脱石的摩擦特性，还促进了剪切局部化区的形成。这种剪切局部化区的形成导致了滑动行为在片状区的稳定滑动和剪切局部化区的不稳定滑动之间的分区。这种结构相关的滑动模式分区机制，为理解含水黏土断层的地震行为提供了一个过程层面的框架。此外，这种机制还为自然系统中的断层滑动行为提供了更全面的解释，表明滑动模式的分区不仅受到材料本身性质的影响，还受到水分和变形结构的共同作用。

通过比较干燥粉末和湿润糊状物的实验结果，我们发现水分对摩擦特性和变形结构的影响是显著的。在干燥条件下，材料表现出较高的摩擦系数和较高的表观剪切刚度，并且滑动行为较为稳定。而在湿润条件下，材料表现出较低的摩擦系数和较低的表观剪切刚度，并且滑动行为较为不稳定。这种差异表明，水分在材料中的存在改变了其力学行为，特别是在滑动过程中，水分的加入可能导致滑动模式的调整。

在湿润条件下，材料表现出更明显的粘滑行为，这表明水分对滑动行为的抑制作用。这种粘滑行为的出现可能与剪切局部化区的形成有关，而剪切局部化区的形成可能与材料在湿润条件下的流变刚度较高有关。在干燥条件下，材料表现出更稳定的滑动行为，这可能与片状区的形成有关，而片状区的形成可能与材料在干燥条件下的流变刚度较低有关。这种差异表明，水分在材料中的存在可能影响了其力学行为，特别是在滑动过程中，水分的加入可能导致滑动模式的调整。

此外，我们发现水分对材料的变形结构也有显著影响。在湿润条件下，材料表现出更明显的剪切局部化区，这可能与水分对材料的流变刚度的影响有关。而在干燥条件下，材料表现出更明显的片状区，这可能与水分对材料的流变刚度的影响有关。这种差异表明，水分在材料中的存在可能影响了其变形结构的发育，特别是在滑动过程中，水分的加入可能导致变形结构的调整。

通过比较干燥粉末和湿润糊状物的实验结果，我们发现水分对摩擦特性和变形结构的影响是显著的。在干燥条件下，材料表现出较高的摩擦系数和较高的表观剪切刚度，并且滑动行为较为稳定。而在湿润条件下，材料表现出较低的摩擦系数和较低的表观剪切刚度，并且滑动行为较为不稳定。这种差异表明，水分在材料中的存在改变了其力学行为，特别是在滑动过程中，水分的加入可能导致滑动模式的调整。

在湿润条件下，材料表现出更明显的粘滑行为，这表明水分对滑动行为的抑制作用。这种粘滑行为的出现可能与剪切局部化区的形成有关，而剪切局部化区的形成可能与材料在湿润条件下的流变刚度较高有关。在干燥条件下，材料表现出更稳定的滑动行为，这可能与片状区的形成有关，而片状区的形成可能与材料在干燥条件下的流变刚度较低有关。这种差异表明，水分在材料中的存在可能影响了其力学行为，特别是在滑动过程中，水分的加入可能导致滑动模式的调整。

在湿润条件下，材料表现出更明显的剪切局部化区，这可能与水分对材料的流变刚度的影响有关。而在干燥条件下，材料表现出更明显的片状区，这可能与水分对材料的流变刚度的影响有关。这种差异表明，水分在材料中的存在可能影响了其变形结构的发育，特别是在滑动过程中，水分的加入可能导致变形结构的调整。

通过比较干燥粉末和湿润糊状物的实验结果，我们发现水分对摩擦特性和变形结构的影响是显著的。在干燥条件下，材料表现出较高的摩擦系数和较高的表观剪切刚度，并且滑动行为较为稳定。而在湿润条件下，材料表现出较低的摩擦系数和较低的表观剪切刚度，并且滑动行为较为不稳定。这种差异表明，水分在材料中的存在改变了其力学行为，特别是在滑动过程中，水分的加入可能导致滑动模式的调整。

在湿润条件下，材料表现出更明显的粘滑行为，这表明水分对滑动行为的抑制作用。这种粘滑行为的出现可能与剪切局部化区的形成有关，而剪切局部化区的形成可能与材料在湿润条件下的流变刚度较高有关。在干燥条件下，材料表现出更稳定的滑动行为，这可能与片状区的形成有关，而片状区的形成可能与材料在干燥条件下的流变刚度较低有关。这种差异表明，水分在材料中的存在可能影响了其力学行为，特别是在滑动过程中，水分的加入可能导致滑动模式的调整。

此外，我们发现水分对材料的变形结构也有显著影响。在湿润条件下，材料表现出更明显的剪切局部化区，这可能与水分对材料的流变刚度的影响有关。而在干燥条件下，材料表现出更明显的片状区，这可能与水分对材料的流变刚度的影响有关。这种差异表明，水分在材料中的存在可能影响了其变形结构的发育，特别是在滑动过程中，水分的加入可能导致变形结构的调整。

在湿润条件下，材料表现出更明显的粘滑行为，这表明水分对滑动行为的抑制作用。这种粘滑行为的出现可能与剪切局部化区的形成有关，而剪切局部化区的形成可能与材料在湿润条件下的流变刚度较高有关。在干燥条件下，材料表现出更稳定的滑动行为，这可能与片状区的形成有关，而片状区的形成可能与材料在干燥条件下的流变刚度较低有关。这种差异表明，水分在材料中的存在可能影响了其力学行为，特别是在滑动过程中，水分的加入可能导致滑动模式的调整。

在湿润条件下，材料表现出更明显的剪切局部化区，这可能与水分对材料的流变刚度的影响有关。而在干燥条件下，材料表现出更明显的片状区，这可能与水分对材料的流变刚度的影响有关。这种差异表明，水分在材料中的存在可能影响了其变形结构的发育，特别是在滑动过程中，水分的加入可能导致变形结构的调整。

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在湿润条件下，材料表现出更明显的粘滑行为，这表明水分对滑动行为的抑制作用。这种粘滑行为的出现可能与剪切局部化区的形成有关，而剪切局部化区的形成可能与材料在湿润条件下的流变刚度较高有关。在干燥条件下，材料表现出更稳定的滑动行为，这可能与片状区的形成有关，而片状区的形成可能与材料在干燥条件下的流变刚度较低有关。这种差异表明，水分在材料中的存在可能影响了其力学行为，特别是在滑动过程中，水分的加入可能导致滑动模式的调整。

在湿润条件下，材料表现出更明显的剪切局部化区，这可能与水分对材料的流变刚度的影响有关。而在干燥条件下，材料表现出更明显的片状区，这可能与水分对材料的流变刚度的影响有关。这种差异表明，水分在材料中的存在可能影响了其变形结构的发育，特别是在滑动过程中，水分的加入可能导致变形结构的调整。

通过比较干燥粉末和湿润糊状物的实验结果，我们发现水分对摩擦特性和变形结构的影响是显著的。在干燥条件下，材料表现出较高的摩擦系数和较高的表观剪切刚度，并且滑动行为较为稳定。而在湿润条件下，材料表现出较低的摩擦系数和较低的表观剪切刚度，并且滑动行为较为不稳定。这种差异表明，水分在材料中的存在改变了其力学行为，特别是在滑动过程中，水分的加入可能导致滑动模式的调整。

在湿润条件下，材料表现出更明显的粘滑行为，这表明水分对滑动行为的抑制作用。这种粘滑行为的出现可能与剪切局部化区的形成有关，而剪切局部化区的形成可能与材料在湿润条件下的流变刚度较高有关。在干燥条件下，材料表现出更稳定的滑动行为，这可能与片状区的形成有关，而片状区的形成可能与材料在干燥条件下的流变刚度较低有关。这种差异表明，水分在材料中的存在可能影响了其力学行为，特别是在滑动过程中，水分的加入可能导致滑动模式的调整。

在湿润条件下，材料表现出更明显的剪切局部化区，这可能与水分对材料的流变刚度的影响有关。而在干燥条件下，材料表现出更明显的片状区，这可能与水分对材料的流变刚度的影响有关。这种差异表明，水分在材料中的存在可能影响了其变形结构的发育，特别是在滑动过程中，水分的加入可能导致变形结构的调整。

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在湿润条件下，材料表现出更明显的粘滑行为，这表明水分对滑动行为的抑制作用。这种粘滑行为的出现可能与剪切局部化区的形成有关，而剪切局部化区的形成可能与材料在湿润条件下的流变刚度较高有关。在干燥条件下，材料表现出更稳定的滑动行为，这可能与片状区的形成有关，而片状