水對巖石滑動摩擦特性影響的研究進展

引言
　　 巖石摩擦實驗是斷層力學(xué)和震源物理實驗研究中主要手段之一，在地震動力學(xué)特別是地震成因機制研究中具有重要意義[1]。研究表明，斷層一旦形成，其未來的運動將受摩擦規(guī)律控制，斷層運動的穩(wěn)定性以及運動形態(tài)決定了斷層的運動過程是否有震以及百分之多少的地震是由于斷層的滑動引起[4]。當前，摩擦滑動方式主要有兩種，一種是穩(wěn)態(tài)滑動，即滑動平穩(wěn)的發(fā)生，而另一種則是滑動急劇的發(fā)生，這種我們稱之為粘滑，研究亦表明，粘滑將會造成淺源地震。目前，研究滑動摩擦實驗的方法主要有直剪、雙剪、扭剪和三軸[2-3]，而影響巖石滑動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)裂隙的摩擦滑動特性會受到水的力學(xué)與化學(xué)的耦合作用，這其中的影響機制復(fù)雜，亟待探明。
　　 近年來，很多學(xué)者在水-巖作用機理方面做了大量的工作并取得了豐碩的成果。通過實驗研究發(fā)現(xiàn)水對于巖石的滑動面有潤滑作用，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)試驗又無法準確的模擬出實際環(huán)境，故室內(nèi)試驗仍存在不少問題。
　　 為了更好地理解水對巖石的滑動摩擦的影響，本文擬通過本構(gòu)關(guān)系的介紹以及室內(nèi)試驗的總結(jié)，分析水對不同巖性的巖石滑動摩擦的影響，并對存在的問題進行了討論，進而展望未來的研究趨勢，對將來地震以及滑坡等天然災(zāi)害提供一定的指導(dǎo)。
　　1 巖石摩擦滑動室內(nèi)試驗
　　 一種流行的觀點認為巖石的摩擦?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）進行了納米銳氧化硅片與氧化硅片之間的單凹凸滑動保持滑動（SA-SHS）摩擦實驗，反而發(fā)現(xiàn)摩擦老化是由界面化學(xué)鍵的形成引起的，計算了△F/Fss（相對摩擦力），在所研究的100s保持時間范圍內(nèi)，在0.5到5之間。宏觀石英巖樣品觀測到的100秒保持時間則小于0.05，在納米尺度上相對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)的研究巖石滑動摩擦的室內(nèi)試驗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)力和剪切速度都無法達到理想狀態(tài)。2015年，F(xiàn)utoshi Yamashita[8]進行了米尺度級的巖石摩擦實驗，接觸面積達到了1.5米長，0.1米寬，實驗發(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度自然斷層可能會迅速減弱。André Niemeijer[9]使用新開發(fā)的裝置對輝長巖進行研究，使得試驗樣品可以達到更高的法向應(yīng)力（高達50Mpa）發(fā)現(xiàn)滑移弱化距離隨著正常應(yīng)力的增加而減小，與理論上隨著滑動率而減小保持一致。大尺寸試驗受多種因素制約開展較少，日后可開展大尺度實驗，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)實驗受限于環(huán)境等因素的制約，難以貼近真實情況，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，可能與真實的斷層活動存在差異，因此日后研究出更貼近真實斷層活動的模型則尤為重要。
　　結(jié)論與展望
　　 自20世紀60年代以來，我們就已經(jīng)得知地震可以通過注入的流體來誘發(fā)。流體在不同的地質(zhì)條件下都對引發(fā)地震活動有著至關(guān)重要的影響。而往往地震活動又容易誘發(fā)火山活動等其他自然災(zāi)害，對人類的生命和財產(chǎn)安全帶來巨大損失。
　　 大部分地震都是由于斷層的摩擦滑動引起的，所以了解巖石的滑動摩擦特性則至關(guān)重要。而地殼中流體活動又會影響地震的周期性，所以研究流體活動對巖石摩擦滑動性質(zhì)的影響是非常有必要的。本文總結(jié)了研究巖石滑動摩擦的所需要的本構(gòu)關(guān)系的演化過程以及近年來各國開展的室內(nèi)試驗的研究進展。并提出了筆者思考后目前存在的研究問題以及為日后的研究開展提出了自己的見解。