地震發(fā)生后的間震期內(nèi)，斷層強度隨時間逐漸恢復的過程被稱為斷層愈合，這種行為直接關系到地震復發(fā)周期、地震應力降以及破裂特征，是認識地震周期及開展地震預測的關鍵信息。斷層愈合在地震研究不同學科方向指代的內(nèi)涵略有差異，既包括力學上的摩擦愈合（frictional healing），也包括裂隙閉合、斷層帶物質壓實、水巖相互作用等其他物理-化學范疇的愈合。室內(nèi)實驗研究摩擦愈合一般借助于“滑動-保持-滑動”（slide-hold-slide）巖石摩擦實驗（如，Dieterich, 1972; Marone, 1998; Scholz, 2019）。大量的實驗數(shù)據(jù)揭示，盡管斷層的摩擦愈合受礦物組成、溫度、流體狀態(tài)、加載速率和應變等多種因素影響，斷層強度恢復通常隨著保持時間呈對數(shù)線性增加（粘土礦物除外；如Marone, 1998; Carpenter et al., 2016等）。相關實驗數(shù)據(jù)也被用于分析自然界中快地震和慢地震的復現(xiàn)周期（Marone et al., 1995; 1998; Shreedharan et al., 2023）。然而，2022年巖石變形Gordon會議（GRC）上，美國地質調查局（USGS）、帕多瓦大學與中國地震局地質研究所聯(lián)合團隊分別獨立報道了花崗巖、輝長巖斷層在水熱條件下一定溫度區(qū)間內(nèi)出現(xiàn)的“反常”愈合行為，具體表現(xiàn)為斷層愈合在一定保持時間后不增反降（Feng et al., 2023，博士論文；圖1）。2023年，USGS團隊將花崗巖的相關結果發(fā)表，但對這些結果的普遍性和物理機制并未做深入探討（Jeppson et al., 2023）。然而，上述兩批新的實驗數(shù)據(jù)以及過去文獻中散布的零星數(shù)據(jù)（以往部分實驗數(shù)據(jù)被當作實驗偏差或因離散度太大而未獲重視；如Karner et al., 1997）均表明，水熱條件下斷層強度恢復與保持時間對數(shù)之間的線性關系即使對于常見硅酸鹽巖石也并不總是成立，這對于斷層愈合過去數(shù)十年的傳統(tǒng)認識提出了挑戰(zhàn)。
地震動力學與強震預測國家重點實驗室訪問學者馮煒（德國地學研究中心GFZ博士后）、中國地震局地質研究所構造物理實驗室姚路研究員和馬勝利研究員，聯(lián)合清華大學李群仰教授和博士生王文州、以及帕多瓦大學Giulio Di Toro教授和Rodrigo Gomila助理教授，基于馮煒博士利用地質所旋轉剪切實驗設備獲得的初步結果（圖1），近3年來對水熱條件下斷層愈合率降低的物理機制及其普適性進行了持續(xù)性深入研究。通過一系列精妙設計的系統(tǒng)性實驗，包括改變保持時間增降序列的愈合實驗、分離輝長巖主要礦物組分（長石和輝石）的單組分愈合實驗、多溫度階段愈合實驗等，揭示如下結果：（1）長保持時間下出現(xiàn)的愈合程度降低的行為僅取決于保持時間的長短，與保持時間的施加順序無關；（2）長石在較長保持時間下可呈現(xiàn)負愈合率的現(xiàn)象，而輝石的愈合與保持時間對數(shù)呈現(xiàn)較好的線性關系，因此長石的存在是輝長巖出現(xiàn)愈合率降低的關鍵原因；（3）長石在長保持時間下愈合速率降低的過程表現(xiàn)出熱激活特征（圖2）。
圖1. 輝長巖滑動-保持-滑動（slide-hold-slide）摩擦愈合實驗結果
圖2. （a） 改變保持時間增降序列的摩擦愈合實驗；（b）輝石、長石單組分及其1.68:1混合斷層泥的愈合實驗；（c）多溫度階段愈合實驗
為了探討長石對斷層愈合的影響是否具有普適性，研究團隊將摩擦愈合實驗擴展至多種類型的長石（正長石、鈉長石和中長石）和富含長石的巖石（玄武巖、閃長巖和花崗巖）。結果表明，在溫度達到200 °C或250 °C且存在高壓流體的條件下，在保持時間大于數(shù)百至數(shù)千秒后即能呈現(xiàn)愈合強度飽和或降低、愈合速率由正變負的現(xiàn)象（圖3）。
圖3. 多種長石與富含長石巖石的摩擦愈合實驗結果
從愈合機制來看，時間依賴性的愈合行通常為被認為源于準靜態(tài)接觸過程中凹凸體真實接觸面積的增加（ΔAr）或接觸強度（Δτa）的增加（Dieterich and Kilgore, 1994; Li et al., 2011）。軸向位移數(shù)據(jù)顯示，在準靜態(tài)接觸過程中斷層整體發(fā)生壓實，指示真實接觸面積的增加。因此，若宏觀上表現(xiàn)出愈合降低，則必然指示長石界面接觸強度存在弱化過程。為了驗證這個假設，研究團隊利用原子力顯微鏡開展了單顆粒接觸的滑動實驗。該實驗能夠定性分離出接觸面積和接觸強度對于愈合的貢獻。實驗揭示，在高濕度（RH~80%）條件下長石-長石接觸在長保持時間下表現(xiàn)出愈合率降低的行為，而接觸面積在保持階段并未隨著時間而演化，這表明長石接觸的愈合率降低主要源于接觸強度的降低（圖4）。
圖4. 原子力顯微鏡單顆粒接觸摩擦愈合實驗
該研究從宏觀摩擦實驗與微觀接觸實驗兩個尺度，清晰地揭示了長石對斷層愈合行為的重要影響，該發(fā)現(xiàn)挑戰(zhàn)了當前關于間震期斷層強度隨時間對數(shù)線性增加的傳統(tǒng)認識，揭示了地震周期中斷層強度演化的復雜性。該研究內(nèi)容以“Feldspar reduces fault frictional healing rate under hydrothermal conditions”為題，與2026年1月發(fā)表于Nature Communications上。該研究受到了國家自然科學基金（姚路：42422408、42174223；李群仰：12025203；馬勝利：U1839211），國重實驗室開放基金（馮煒：LED2024b09）和意大利PRIN 2022WE2JY9 等研究項目的共同資助。
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