💡这项突破是什么?
厘定大陆断层的摩擦特性，尤其是那些影响断层滑动稳定性的复杂因素，是揭示地震孕震成核机制、开展基于物理模型的地震预测与模拟分析的基础。地震的发生并非偶然，它是地壳岩石在复杂应力场与流体环境中逐渐积累能量并突然释放的结果。而在这一过程中，断层带中摩擦性质的演化起着决定性作用。
在地壳中，变形往往集中于局部断层或断裂带内，其宽度从数百米到数公里不等。断层核心区的岩石在反复滑动中经历强烈的破碎与磨损，形成由超碎屑角砾岩和断层泥组成的薄弱带，厚度往往只有几毫米甚至更薄。在这种局部化滑动带中，断层泥颗粒经历持续粉碎，粒径可细化至微米级甚至亚微米级。相比之下，未成熟的断层中则常含有分选较差、粒径可达数百微米的粗颗粒断层泥。长期的地震循环中，断层带内的颗粒粒径并非单向减小，而是经历循环演化：粉碎、胶结、长大和再破碎等过程交替发生。在地壳深部（高温高压条件下），晶格滑移，扩散蠕变与晶间压溶等依赖粒径的塑性变形机制开始主导岩石变形。这意味着粒度本身就是决定断层摩擦性质、滑动稳定性及地震循环的核心参数。
在过去几十年中，岩石物理实验中已较为系统探讨了温度、孔隙流体压力、有效正应力和滑动速率等因素对花岗岩断层摩擦性的影响，然而，初始断层泥粒径的影响仍不清楚；前期研究表明（雷蕙如等, 2024，JGR），摩擦滑动过程中，颗粒粒径随位移累积不断细化，摩擦速率依赖性（a-b）随粒径减小由不稳定滑动转变为稳定滑动；干燥条件下不同粒径断层泥颗粒滑动方式也不同，因此在进行地震周期模拟周是否需要考虑粒径演化也是一个重要因素。
针对上述问题，博士后雷蕙如在荷兰乌特勒支大学高温高压旋转剪切摩擦实验系统上开展了针对两种粒径（3μm和30μm）断层泥的实验研究，在大陆断层孕震成核的温度压力和滑动速率下进行剪切摩擦，并对实验后的样品微观结构和断层带中粒径的变化进行了统计，主要结论如下：
（1）初始细粒径断层泥扩展了断层的不稳定滑动的温度范围。从初始粗颗粒断层泥不稳定滑动温度范围100-350℃扩展到细粒径的25-400℃（图2）。表明含细粒断层泥的断层产生不稳定滑动和地震成核的深度区间更广。
（2）在水热高温（400℃）条件下，初始细颗粒断层泥在断层滑动过程中经历晶粒生长作用，导致剪切变形后的平均粒径高于初始粗粒径。这种温度-流体依赖的晶粒生长机制会限制断层速度不稳定滑动的深度下限（图3及附件）。
（3）断层摩擦行为（(a-b)值）转变主要受断层泥机械破碎与扩容型颗粒流动（导致断层不稳定）、颗粒生长和压溶作用及压实蠕变（稳定滑移）的共同调制，这种摩擦行为与变形机制与新建立的断层微观物理模型（CNS模型（陈建业等，2016， JGR）相吻合。
图1 初始细粒径断层泥实验的力学数据。
(a)孔隙流体压力 (Pf = 100 MPa) 和有效正应力 (σn = 100 MPa) 条件下，进行速度阶跃实验时摩擦系数与剪切位移的关系。
(b)稳态摩擦系数。三角形表示本研究中的初始细粒径样品的摩擦系，而方形符号则代表初始粗粒径样品的摩擦系数（Lei et al., 2024）。
(c)初始细粒径样品在不同温度-压力条件下的摩擦行为参数(a-b)的值变化。
图2 (a)细粒度样品的摩擦系数与剪切位移关系曲线；(b)粗粒度样品的摩擦系数与剪切位移关系曲线。
图3 (a)本研究中初始细粒度样品在不同速度–温度条件下获得的速率–状态摩擦参数(a−b)；
(b)初始粗粒度样品（据 Lei et al., 2024）在不同速度–温度条件下获得的速率–状态摩擦参数(a−b)。
(c)展示了初始细粒度断层泥对(a−b)参数及随深度变化的潜在断层摩擦稳定性/不稳定性的影响。
(d)断层带结构示意图，说明了随深度增加地震与闭锁段的分布，展示了不同深度下的摩擦行为特征。
上述研究成果以“Frictional Behavior of Natural Granite Gouges at Hydrothermal Conditions With Varied Initial Grain Size”为题，于2025年10月发表在Geophysical Research Letters（GRL）上，第一作者为中国地震局地质研究所构造物理实验室博士后雷蕙如。共同作者包括构造物理研究室周永胜研究员和陈建业研究员，以及荷兰乌得勒支大学André Niemeijer副教授与Christopher J. Spiers教授。
本研究受国家自然科学基金 (42174224，U2139202），中央级公益性科研院所基本科研业务专项（IGCEA2101，JB-24-31）的联合资助，一并致谢。
原文信息：
Lei, H., Zhou, Y*., Niemeijer, A. R*., Chen, J., & Spiers, C. J. (2025). Frictional behavior of natural granite gouges at hydrothermal conditions with varied initial grain size. Geophysical Research Letters, 52(19), e2025GL115135.
参考文献：
Chen, J., & Spiers, C. J. (2016). Rate and state frictional and healing behavior of carbonate fault gouge explained using microphysical model. Journal of Geophysical Research: Solid Earth, 121(12), 8642-8665.
Lei, H., Niemeijer, A. R., Zhou, Y., & Spiers, C. J. (2024). Frictional properties of natural granite fault gouge under hydrothermal conditions: A case study of strike‐slip fault from Anninghe Fault zone, southeastern Tibetan Plateau. Journal of Geophysical Research: Solid Earth, 129(8), e2024JB028760.
