水對(duì)巖石滑動(dòng)摩擦特性影響的研究進(jìn)展

引言
　　 巖石摩擦實(shí)驗(yàn)是斷層力學(xué)和震源物理實(shí)驗(yàn)研究中主要手段之一，在地震動(dòng)力學(xué)特別是地震成因機(jī)制研究中具有重要意義[1]。研究表明，斷層一旦形成，其未來(lái)的運(yùn)動(dòng)將受摩擦規(guī)律控制，斷層運(yùn)動(dòng)的穩(wěn)定性以及運(yùn)動(dòng)形態(tài)決定了斷層的運(yùn)動(dòng)過(guò)程是否有震以及百分之多少的地震是由于斷層的滑動(dòng)引起[4]。當(dāng)前，摩擦滑動(dòng)方式主要有兩種，一種是穩(wěn)態(tài)滑動(dòng)，即滑動(dòng)平穩(wěn)的發(fā)生，而另一種則是滑動(dòng)急劇的發(fā)生，這種我們稱之為粘滑，研究亦表明，粘滑將會(huì)造成淺源地震。目前，研究滑動(dòng)摩擦實(shí)驗(yàn)的方法主要有直剪、雙剪、扭剪和三軸[2-3]，而影響巖石滑動(dòng)摩擦的影響因素眾多，例如應(yīng)力、孔隙率、溫度、斷層泥等。但我們發(fā)現(xiàn)裂隙的摩擦滑動(dòng)特性會(huì)受到水的力學(xué)與化學(xué)的耦合作用，這其中的影響機(jī)制復(fù)雜，亟待探明。
　　 近年來(lái)，很多學(xué)者在水-巖作用機(jī)理方面做了大量的工作并取得了豐碩的成果。通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)水對(duì)于巖石的滑動(dòng)面有潤(rùn)滑作用，大多起到了弱化的作用。但由于天然環(huán)境極其復(fù)雜，而室內(nèi)試驗(yàn)又無(wú)法準(zhǔn)確的模擬出實(shí)際環(huán)境，故室內(nèi)試驗(yàn)仍存在不少問(wèn)題。
　　 為了更好地理解水對(duì)巖石的滑動(dòng)摩擦的影響，本文擬通過(guò)本構(gòu)關(guān)系的介紹以及室內(nèi)試驗(yàn)的總結(jié)，分析水對(duì)不同巖性的巖石滑動(dòng)摩擦的影響，并對(duì)存在的問(wèn)題進(jìn)行了討論，進(jìn)而展望未來(lái)的研究趨勢(shì)，對(duì)將來(lái)地震以及滑坡等天然災(zāi)害提供一定的指導(dǎo)。
　　1 巖石摩擦滑動(dòng)室內(nèi)試驗(yàn)
　　 一種流行的觀點(diǎn)認(rèn)為巖石的摩擦?xí)r間依賴性是由巖石蠕變引起接觸面積增大而引起的[5-6]。學(xué)者Qunyang Li[7]等人使用原子力顯微鏡（AFM）進(jìn)行了納米銳氧化硅片與氧化硅片之間的單凹凸滑動(dòng)保持滑動(dòng)（SA-SHS）摩擦實(shí)驗(yàn)，反而發(fā)現(xiàn)摩擦老化是由界面化學(xué)鍵的形成引起的，計(jì)算了△F/Fss（相對(duì)摩擦力），在所研究的100s保持時(shí)間范圍內(nèi)，在0.5到5之間。宏觀石英巖樣品觀測(cè)到的100秒保持時(shí)間則小于0.05，在納米尺度上相對(duì)摩擦力下降的老化要比在宏觀尺度上大得多，這表明摩擦老化可能是一個(gè)受粗糙面凹凸不平影響的尺度依賴現(xiàn)象。
　　 傳統(tǒng)的研究巖石滑動(dòng)摩擦的室內(nèi)試驗(yàn)大多是小尺寸圓柱體試樣，高度是直徑的兩倍，限于小尺寸試樣，加載的法向應(yīng)力和剪切速度都無(wú)法達(dá)到理想狀態(tài)。2015年，F(xiàn)utoshi Yamashita[8]進(jìn)行了米尺度級(jí)的巖石摩擦實(shí)驗(yàn)，接觸面積達(dá)到了1.5米長(zhǎng)，0.1米寬，實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)巖石摩擦的尺度依賴性，摩擦力與尺度有關(guān)，較大尺度的巖石在較小的速率失去摩擦強(qiáng)度自然斷層可能會(huì)迅速減弱。André Niemeijer[9]使用新開(kāi)發(fā)的裝置對(duì)輝長(zhǎng)巖進(jìn)行研究，使得試驗(yàn)樣品可以達(dá)到更高的法向應(yīng)力（高達(dá)50Mpa）發(fā)現(xiàn)滑移弱化距離隨著正常應(yīng)力的增加而減小，與理論上隨著滑動(dòng)率而減小保持一致。大尺寸試驗(yàn)受多種因素制約開(kāi)展較少，日后可開(kāi)展大尺度實(shí)驗(yàn)，增加法向應(yīng)力以及切向應(yīng)力。更貼近自然斷層所處環(huán)境，深刻的了解尺度依賴性。
　　 室內(nèi)實(shí)驗(yàn)受限于環(huán)境等因素的制約，難以貼近真實(shí)情況，所以采用數(shù)值模擬的研究方法可以大大提高結(jié)論的推廣性。但值得注意的是，數(shù)值模擬層面上的研究，可能與真實(shí)的斷層活動(dòng)存在差異，因此日后研究出更貼近真實(shí)斷層活動(dòng)的模型則尤為重要。
　　結(jié)論與展望
　　 自20世紀(jì)60年代以來(lái)，我們就已經(jīng)得知地震可以通過(guò)注入的流體來(lái)誘發(fā)。流體在不同的地質(zhì)條件下都對(duì)引發(fā)地震活動(dòng)有著至關(guān)重要的影響。而往往地震活動(dòng)又容易誘發(fā)火山活動(dòng)等其他自然災(zāi)害，對(duì)人類的生命和財(cái)產(chǎn)安全帶來(lái)巨大損失。
　　 大部分地震都是由于斷層的摩擦滑動(dòng)引起的，所以了解巖石的滑動(dòng)摩擦特性則至關(guān)重要。而地殼中流體活動(dòng)又會(huì)影響地震的周期性，所以研究流體活動(dòng)對(duì)巖石摩擦滑動(dòng)性質(zhì)的影響是非常有必要的。本文總結(jié)了研究巖石滑動(dòng)摩擦的所需要的本構(gòu)關(guān)系的演化過(guò)程以及近年來(lái)各國(guó)開(kāi)展的室內(nèi)試驗(yàn)的研究進(jìn)展。并提出了筆者思考后目前存在的研究問(wèn)題以及為日后的研究開(kāi)展提出了自己的見(jiàn)解。