断层动力与断层泥纳米结构耦合机制：揭示地壳浅层小位移地震的变形动力学指示器

《Nature Communications》：Nanostructures as indicator for deformation dynamics

本刊推荐：为揭示断层动力学与断层泥结构间的反馈机制，研究人员通过开展初始完整花岗岩在上地壳条件下的破裂与滑动实验，系统研究了不同滑移速率（准静态3×10-5mm/s至完全动态>1.5 mm/s）对断层泥纳米结构的控制作用。研究发现断层泥非晶化程度与滑移速率呈正相关，并在动态样本中发现磁铁矿纳米晶等熔融证据。关键突破在于揭示断层泥纳米结构由功率耗散（而非总能量输入）直接控制，且非晶材料的存在对破裂过程中的强度演化无显著影响。该成果证实上地壳小位移事件（Mw<2）可形成传统认为需大位移/高温高压条件才能产生的断层结构，为地震地质标志识别提供新范式。

　　

在地球科学领域，断层如何形成和滑动一直是核心问题。每当地震发生，地下深处的岩石会沿着断层发生快速滑动，这个过程不仅释放巨大能量，还会在断层核心区域引发深刻的微观结构变化。传统观点认为，只有大规模的地震事件才能在断层带中形成特定的变形结构，比如极端的颗粒细化、非晶化（amorphization）甚至摩擦熔融形成的假玄武玻璃（pseudotachylyte）。这些结构被视为识别古地震活动的关键标志。然而，近年来科学家们开始质疑：是否小规模、浅源的地震事件也能产生类似的微观结构？这些微观结构的形成究竟受什么因素控制？它们又会对断层的长期力学行为产生怎样的影响？这些问题的解答对于准确解读地震遗迹、评估断层活动性至关重要。

为了深入探究这些问题，由Sarah Incel领衔的国际研究团队在《Nature Communications》上发表了最新研究成果。他们以典型地壳岩石——韦斯特利花岗岩（Westerly granite）为研究对象，设计了一套精巧的实验方案，模拟上地壳条件下（有效压力40 MPa）断层的形成和滑动过程。研究团队特别关注了滑移速率这一关键参数，设置了从准静态（3×10^?5mm/s）到完全动态（>1.5 mm/s）的不同变形条件，包括干样和流体饱和样，同时将总滑移量控制在较小范围内（最大4.2 mm）。这种实验设计使得研究人员能够孤立出滑移速率对断层泥结构的影响，从而揭示变形动力学与微观结构之间的内在联系。

在技术方法层面，本研究整合了岩石力学实验与多尺度结构分析。通过三轴压缩实验实现不同滑移速率的断层形成，利用扫描电子显微镜（SEM）进行断层泥微观结构观测，并采用聚焦离子束（FIB）技术制备纳米尺度的透射电子显微镜（TEM）样品。通过选区电子衍射（SAED）和能量色散X射线光谱（EDS）对断层泥的结晶状态和化学成分进行定性和半定量分析，从而明确非晶质与结晶质的分布特征及熔融证据。

机械数据

实验力学数据表明，所有样本在破坏前均达到约380 MPa的差应力（干动态样本WGN03因未预制切口而峰值应力达560 MPa）。通过剪切应力-滑移量曲线积分计算能量耗散发现，总能量密度在不同实验间仅变化3-5倍，而功率耗散（单位面积功率）却跨越8个数量级（从准静态的5 W·m^?2到干动态的285×10⁶W·m^?2）。这一巨大差异提示功率而非总功可能是控制断层泥结构差异的关键因素。

微观结构分析

SEM观察显示所有样本均出现显著的颗粒细化，但动态样本（WG14和WGN03）中非晶质区域更频繁出现，且伴随流状构造（flow textures）和气泡（vesicles）。值得注意的是，动态样本中普遍存在数十至数百纳米尺度的亮色纳米晶（BSE模式下），初步判断为富铁相。

纳米结构分析

TEM与SAED分析证实所有断层泥均含非晶质，但其相对含量与滑移速率正相关。准静态样本（WG06）以微米级碎粒为主，SAED显示明显衍射斑和微弱晕圈（图3）；自稳定样本（WG12）出现成分分层（长石/石英/黑云母层），SAED显示结晶与非晶质共存（图4）。而动态样本中，WG14的断层泥呈现碎片漂浮于非晶基质中的特征，并发现透镜状熔融包裹体（图5-6）；干动态样本WGN03几乎全为非晶质，其中发育大量自形磁铁矿（magnetite）纳米晶（数十纳米），显示凹面晶界（霍珀晶体结构）及元素扩散环带（Fe、O、Ti贫化，Si富集），确认为黑云母高温分解的新生相（图7-8）。

讨论与结论

研究通过系统分析证实滑移速率是控制断层泥纳米结构的关键参数：非晶化程度与峰值滑移速率正相关，且动态样本（>1.5 mm/s）中出现的磁铁矿纳米晶、正长石部分熔融等特征确认为摩擦熔融的直接证据。更重要的是，结构差异与功率耗散而非总能量输入高度关联（图9）。尽管动态样本中发育熔融层，但表观摩擦系数分析表明，其显著应力降可能源于活塞惯性效应而非熔体润滑；相反，准静态和自稳定样本中由机械研磨产生的纳米晶/非晶质断层泥并未引起明显弱化，这可能与长石在短时变形中难以激活黏性变形机制有关。

该研究的科学意义在于首次系统论证了上地壳小位移事件（M_w<2）可产生与大地震相似的断层泥结构，突破了传统地质标志的适用条件。磁铁矿纳米晶作为抗改造的地震指示物，为识别古地震活动提供新依据。此外，研究强调初始完整岩石（而非预制断层）的变形更贴近自然断层状态，其粗糙度可能延缓熔体连通化进程，这对准确评估地震成核与传播动力学具有重要启示。