引言
断层凹槽常见于构造断层核心中，对断层摩擦强度、滑移稳定性和地震核化具有关键控制作用1, 2, 3, 4, 5。在长期剪切过程中，自然断层形成了由微米级细颗粒和较粗岩石碎片组成的高度异质性的颗粒层。这种颗粒大小的异质性记录了断层区域的破碎和力学演变，可能影响凹槽摩擦、变形局部化和滑移稳定性6, 7, 8, 9, 10, 11。经典的速率-状态摩擦理论表明，断层是趋向于稳定滑移还是不稳定破裂不仅取决于摩擦系数的大小，还取决于摩擦和状态对滑移速度变化的响应8, 12, 13, 14, 15, 16, 17。因此，阐明凹槽颗粒大小如何调节摩擦强度、速度依赖性和修复-松弛过程对于理解深部断层的滑移和地震核化机制非常重要。
基于野外观测、实验室摩擦实验和数值模拟的先前研究18, 19, 20, 21, 22, 23, 24, 25, 26, 27, 28已系统地表明，断层凹槽的摩擦特性受到矿物组成1, 16, 29, 30、粘土含量19, 20、流体条件18, 21, 22、颗粒大小2, 4, 5, 6, 31以及正常应力2, 4, 6, 32, 33的强烈影响。在这些因素中，颗粒大小分布被广泛认为是连接断层区域微观结构演变与宏观摩擦响应的关键变量34, 35。一方面，颗粒大小控制了凹槽层的初始孔隙结构、接触密度、颗粒间互锁和力链分布7, 36, 37；另一方面，正常应力的增加提高了局部接触力，促进了磨损、破碎和颗粒大小减小，从而影响了压实、剪切局部化和摩擦稳定性6, 36, 38, 39。因此，颗粒大小和正常应力可能通过颗粒破碎、孔隙塌陷和结构重组共同作用，控制从分布颗粒变形到局部剪切的转变32, 40, 41, 42, 43。然而，关于它们对摩擦强度、速率依赖性和修复-松弛行为的耦合效应的系统实验限制仍然有限。
然而，仅靠稳态摩擦系数、峰值强度和速率依赖参数不足以揭示颗粒大小效应背后的物理机制。颗粒断层凹槽中的剪切变形受到颗粒接触网络和力链结构的强烈影响36, 37, 44, 45。颗粒大小的变化可以改变接触密度、孔隙结构、应力传递路径和局部应力集中，从而影响颗粒破碎、孔隙压实、膨胀性、剪切局部化和摩擦修复。先前的研究表明，力链的形成、塌陷和重组可以显著改变颗粒介质的宏观强度、体积变形和滑移稳定性46, 47。尽管如此，很少有实验同时量化了在广泛初始颗粒大小和正常应力范围内的摩擦强度、速度依赖性、修复-松弛行为、正常变形和剪切后微观结构。因此，这些响应之间的耦合仍然不完全明确。有必要整合宏观摩擦响应、正常变形特征和剪切后微观结构演变，以揭示颗粒大小调节断层凹槽滑移稳定性的物理机制。
为了将颗粒大小效应与矿物学变异性区分开，我们使用成分均匀的石英粉末作为理想化的模拟凹槽，并结合了直剪、速度步进和滑移-保持-滑移实验以及颗粒大小和剪切后微观结构观察。基于此，我们提出了一个颗粒破碎-填充框架，其中初始颗粒大小主要通过调节颗粒破碎、孔隙空间减少、接触网络重组和剪切局部化来影响摩擦稳定性和时间依赖的强度恢复，而不是通过显著改变稳态摩擦系数。
