💡这项突破是什么?
壳内大地震的成核通常局限于特定的深度范围。基于速率-状态摩擦理论框架，速度弱化被视为地震自发成核的必要条件（Dieterich, 1979; Ruina, 1983）。水热条件下的摩擦实验可对给定岩性断层上的地震成核深度给出物理约束（e.g., Blanpied, 1991; He et al., 2007）。对于速度弱化的断层，理论模型预计，有效正应力的增加将提高断层的临界刚度，从而促使断层更易满足失稳条件并产生不稳定滑动；以往关于断层摩擦稳定性的正应力依赖性实验研究也多聚焦于此（e.g., Leeman, et al., 2016）。然而，在野外断层的真实孕震环境下，有效正应力还可能显著影响断层带物质在高温流体作用下的变形机制及水岩化学反应。这种效应是否会改变摩擦速度依赖性参数(a–b)的正负，进而影响断层的摩擦滑动稳定性？目前鲜有研究涉及（Zhang & He, 2016; Sawai et al., 2016）；即便是对于壳内常见的代表性岩石，仍缺乏系统性的数据支持。
针对上述问题，中国地震局地质研究所和中国地质大学（北京）联合培养博士研究生宋刚在导师姚路研究员和杨涛教授的指导下，利用地震动力学与强震预测全国重点实验室的旋转剪切装置（图1A），对中上地壳代表性岩石花岗岩，系统开展了宽温度（25℃–400℃）、有效正应力（30–240MPa）和速率（0.4–1250 μm/s）范围的摩擦实验研究。为满足研究需求，研究团队自主升级/改进了实验设备的系统刚度、孔隙压力补偿机制及装样结构，确保实验目标的顺利实现。
图1. (A)旋转剪切摩擦设备高温压力容器示意图；(B)分体式围岩与装样结构。
实验结果表明，（1）在模拟不同深度的原位温压条件下（温度按照25℃/km设计，有效正应力按照静岩压减去静水压，即15 MPa/km设计），速度弱化对应的速率范围区间随温度和有效正应力的增大而向高速域平移（图2）；（2） 在模拟原位温压条件下（即温度、有效正应力同比增加的情况下），花岗岩的摩擦速度依赖性参数(a-b)随温度的变化规律与Blanpied et al. (1991)揭示的高有效正应力下（400 MPa）的结果比较一致（图3A）；与前人以及本研究中其他数据的对比揭示，(a–b)随温度的这一变化规律仅对相对较高的有效正应力条件适用（图3A）；（3）在保持温度50℃、400℃不变的条件下，有效正应力对低速域（0.4至10 μm/s）的摩擦速度依赖性参数(a–b)具有控制作用，较高的正应力有助于呈现速度强化；而当温度为250℃时，有效正应力对低速域(a–b)值正负的影响较小（图3B–D）；（4）当有效正应力保持为较低的50MPa时（地震循环模拟中通常设定的应力条件），即使温度高达400℃，仍可观察到速度弱化现象。
图2. 花岗岩断层泥在模拟不同深度的原位温压条件下的摩擦实验力学结果（温度按照25℃/km设计，有效正应力按照静岩压减去静水压，即15 MPa/km设计）
图3. (A) 本研究中模拟原位温压的摩擦速度依赖性参数(a–b)与前人已发表数据的对比；(B) –(D) 不同温度条件下花岗岩 (a–b)值的正应力依赖性（T = 50, 250和400°C分别对应于近地表、主要孕震层和孕震层底部）。
微观结构分析显示：在50℃和400℃时，主滑动带和强变形带的宽度随有效正应力增大而增大；且在400℃、有效正应力大于150 MPa的条件下开始出现面理化的变形特征（指示碎裂流）；而在250℃时，主变形带的总宽度随正应力呈现出“饱和”的特征。根据微观物理摩擦CNS模型（e.g., Chen & Spiers., 2016），温度、有效正应力和速率均可能通过影响碎裂流和压实蠕变之间的平衡对(a–b)带来影响。对于本研究中关注的低速域内(a–b)的正应力依赖性：（1）在相对较低的50℃条件下，增大正应力可促进压实作用，利于(a–b)由负转正；（2）在温度较高的400℃条件下，增大有效正应力既可显著促进压实作用，也可通过促进凹凸体接触上的塑性变形而降低颗粒边界的摩擦（即促进碎裂流），使得(a–b)出现由负到正的转变；（3）在中间温度250℃条件下，温度对(a–b)正负的控制作用比其他效应均显著，(a–b)的有效正应力依赖性较弱。
有效正应力对低速域内花岗岩摩擦速度依赖性的影响对于认识中上地壳的地震机制及地震成核深度的复杂性具有重要意义。对于野外断层带，随着深度的增加，温度大致呈现线性增加，但孔隙压力和有效正应力可能存在较大的变化幅度。本研究的结果揭示，有效正应力对花岗岩断层呈现速度弱化的深度范围具有重要调控作用（图4）。对于主要孕震层的深度（如10 km），花岗岩断层的摩擦稳定参数受有效正应力的影响较小；然而，对于近地表和孕震层底部，花岗岩断层的摩擦稳定性对有效正应力高度敏感（图4）：对于给定的深度，仅仅是有效正应力的差异即可使花岗岩断层呈现出蠕滑、慢滑移或粘滑等不同的滑动形式。
图4. 基于实验数据外推有效正应力对花岗岩断层地震成核深度的调控效应。
上述研究成果以“Influence of effective normal stress on frictional behavior of granitic faults under hydrothermal conditions”为题，于2026年3月在线发表于Earth and Planetary Science Letters (EPSL)上。第一作者为联合培养博士研究生宋刚，通讯作者为其导师姚路研究员和杨涛教授，共同作者还包括马胜利研究员。该研究获得了国家自然科学基金多个项目（42488301, 42422408, 42161144009 和 42174223）的共同资助。
