大地震的同震阶段，断层带物质将经历显著的摩擦升温（数秒内温度可升至数百甚至近千摄氏度）和大应变的剪切变形（数米的剪切位移发生在~mm至~cm宽的主滑动带内）。过去数十年的研究表明，断层同震弱化的主导性机制（如flash heating、热增压、熔融、纳米颗粒的超塑性流动等）都是起源于摩擦升温，或者说是由摩擦升温所激活的。但是，对于剪切变形在断层动态弱化中的作用及其是否对热激活的弱化机制有促进作用，前人的关注十分缺乏。

       中国地震局地质研究所构造物理实验室博士生余博文、硕士生覃伟峰，在姚路副研究员和马胜利研究员的指导下，通过中等速率(1 mm/s)的摩擦实验、同步热分析、XRD、微结构分析，揭示剪切变形能够显著增加粘土矿物（绿泥石）的热化学反应速率（图1）并且大幅降低其热分解起始温度（图2和图3）和激活能。理论模型、验证性高速摩擦实验（图3）和数值模拟（图4）的综合分析表明，上述变化能够提高凹凸体急速升温(flash heating)弱化机制和热化学增压弱化机制的效率，使得断层的滑动具有更低的峰值摩擦、更快的弱化速率和更低的破裂能，从而促进地震破裂在近地表富含粘土地层中的传播。

       上述研究表明，近地表断层虽然因为富含粘土矿物，在准静态条件下易于表现为稳定滑动，但其动态弱化的特征速率比前人认为的可能更低，即在地震破裂到来时极易出现动态弱化。这些结果对于认识大地震过程中近地表断层的力学行为及地震破裂传播具有重要启示，也为理解地壳浅部沉积岩地层内的诱发地震事件具有重要参考意义。

       该研究成果以“Shear-induced distortion of clay minerals aids in dynamic weakening of shallow faults during earthquakes”为题，于2023年1月发表于地学领域top期刊Earth and Planetary Science Letters。第一作者为博士生余博文，通讯作者为姚路副研究员。

本研究获中央级公益性科研院所基本科研业务专项（所长基金重点项目IGCEA2107），国家自然科学基金（U1839211、42111530030、42174223）以及国家重点研发计划（2021YFC3000603-04）的联合资助。

原文链接：https://doi.org/10.1016/j.epsl.2022.117971

图1 在不同实验条件下发生剪切变形样品的热重曲线，图a-c为纯绿泥石断层泥的测试结果，图d为绿泥石和石英混合断层泥的测试结果。

d: 剪切位移，σn: 正应力。

图2 （a）绿泥石样品的热分解过程与剪切变形中机械功的关系。（b）绿泥石热分解起始温度随剪切变形机械功的变化。

图3 未变形（黑色曲线）和预先变形（红色曲线）的含绿泥石断层泥高速摩擦实验结果。

图4 基于flash weakening和热化学增压模型的数值模拟结果（红色曲线）与实验结果（灰色曲线）的对比图。

图a对应初始未变形的纯绿泥石断层泥，红色实线代表考虑了剪切变形所引起的特征弱化温度降低的模拟结果，红色虚线代表考虑恒定弱化温度的模拟结果。

图b对应球磨机研磨后的纯绿泥石断层泥，模拟中弱化温度恒为实测值。