断层带孔隙流体在同震阶段由于显著的摩擦升温而发生体积膨胀，如果热膨胀效应不足以被流体扩散效应抵消，孔隙压力就会快速上升，导致有效正应力降低，断层出现显著弱化，这一过程即为断层的热增压（thermal pressurization）弱化过程。热增压机制具有完善的理论分析（e.g., Lachenbruch, 1980, JGR; Rice, 2006, JGR）和普遍存在的可能性（壳内断层带通常存在孔隙流体，且断层核部渗透率一般较低），并有数值模拟（e.g. Noda et al., 2005, BSSA）甚至是地震学研究（Viesca & Garapash, 2015, Nat. Geosci.）的支持，但依然缺乏令人信服的实验证据。相反，近年来的一些实验研究通过近断层孔隙压力测量，揭示粘滑过程中或者高速滑移的起始阶段断层面附近的孔隙压力会因为扩容效应而降低（Brantut, 2020, EPSL; Proctor et al., 2020, GRL; Aretusini et al., 2021, Nat. Commun.），暗示着热增压作用可能不是断层同震滑动起始阶段的主要弱化机制。然而，一些实验又清晰地揭示了岩石渗透率与断层弱化的直接关联（Badt et al., 2020, JGR）。这些关于热增压作用相互矛盾的研究结果影响了对这一机制及其在断层同震弱化中所起作用的认识。另外，考虑震级较大的地震破裂在中上地壳水饱和的结晶岩断层中的传播（图1）——破裂峰前之后断层的滑动必然造成断层带物质的破碎、磨损和局部熔融，在宏观熔融还未出现的短暂窗口期内，上述物理-化学过程将如何影响热增压作用也未曾被探究。

地震动力学国家重点实验室姚路副研究员、马胜利研究员与意大利帕多瓦大学合作者Giulio Di Toro教授对上述谜题进行了研究。考虑到前人相关实验工作可能存在如下两方面局限性：1）三轴粘滑实验中位移较小，无法评估断层带物质破碎、摩擦、局部熔融对热增压的影响；2）断层泥高速摩擦滑动带内的温度和孔隙压力梯度均较高，即使近断层测量可能也难以捕捉到滑动带内的瞬态孔隙压力变化。本研究对辉绿岩开展孔隙水压条件下的裸岩（rock-on-rock）高速摩擦实验（滑动速率2.0 m/s，位移10至20 m，孔隙水压25 MPa；图3），并巧妙地利用含有凹坑的断层面（pitted slip surface）人为增加断层面上的含水量，进而探索在相对开放的流体边界条件下（或断层相对高渗），能否观测到断层热增压弱化。

实验揭示：（1）断层在峰值摩擦之后存在一个瞬态的弱化阶段（图3b–d），并且该阶段可同步观测到宏观孔隙压力的瞬时增加（尽管可能选低于断层面上的局部孔隙压力）；（2）人为增加断层面上的含水量（使用pitted slip surface）将明显有利于观察到与孔隙压力瞬时增加伴随的断层弱化（图3c–d; 实线）。微结构分析揭示在断层瞬态弱化出现的起始阶段，滑动带内主要变形机制仍为脆性的破碎、磨损作用（图4a）；但在连续发育的环状擦痕带内，可见清晰的局部熔融和大量亚微米级的细粒物质（图4b–d）；宏观熔融层只在位移10–20 m的实验中才能观察到（图4e, f）。微结构与力学数据暗示着断层滑动早期沿擦痕分布的细颗粒物与局部熔体可能在总体高渗透性的剪切带内起到了圈闭带的作用。据此，我们构建了简单的几何模型，利用Comsol开展有限元模拟评估实验中的热增压作用。模拟结果显示，当不考虑磨损导致的圈闭效应（wear-induced sealing effects）时，断层出现热增压弱化需要剪切带的渗透率低于1e-14 m2（图5a）；而当存在低渗的圈闭带时，即使剪切带总体渗透率高达1e-8 m2，热增压弱化依然显著（图5b）；模拟结果也揭示出热增压效应会随着断层面附近含水量的增多而变得更加显著（图5c）；圈闭带自身的渗透率只要低于1e-15 m2，即使总体剪切带的渗透率高达1e-12 m2，依然能够出现明显的热增压弱化（图5d）。综合摩擦实验、微结构和数值模拟的结果表明，实验中断层带磨损导致的圈闭效应是在流体边界开放的模拟断层上能够观测到热增压弱化的主要原因（图6）。

上述结果直观展示了断层同震热增压作用的实验证据，并对热增压弱化的激活条件和断层同震等效渗透性提出了新的认识。大地震的同震阶段，断层带物质磨碎/磨细造成的瞬态圈闭效应能够与断层带扩容、破裂、流体扩散等效应竞争，使得孔隙流体的热增压弱化机制也能够在渗透性相对较高的断层上发挥效力（断层带具有低渗的性质之前一直被认为是发生热增压弱化的必要条件之一）。此外，本研究与近年来的其他相关工作也暗示着断层带同震阶段的等效渗透率会受到破裂、扩容、压实、磨碎物瞬态圈闭等多种复杂物理化学过程的共同影响，是发生快速动态演化、难以被准确评估的物理量。

该研究成果以“Coseismic fault sealing and fluid pressurization during earthquakes”为题，于2023年3月发表于Nature Communications上。第一和通讯作者为姚路副研究员，共同作者包括马胜利研究员和Giulio Di Toro教授。该研究获得了国家自然科学基金（41774191、42111530030、U1839211）、所长基金重点项目（IGCEA2107）和ERC Consolidator Grant 614705 NOFEAR的共同资助。

原文链接： https://www.nature.com/articles/s41467-023-36839-9

图1 地震破裂沿中上地壳硅酸盐岩断层传播时断层带内可能的物理-化学过程

图2 实验设备与实验样品

图3 辉绿岩高速(2.0 m/s)摩擦实验结果。（a）干燥条件下的实验；（b-d）孔隙水压25 MPa、 有效正应力3–10 MPa条件下的实验结果。

黄色背底标出的即为伴随着宏观孔隙压瞬时增加而出现的瞬态断层弱化；部分实验中通过使用含凹坑的断层面(pitted slip surface)增加了断层面附近的含水量

图4 瞬态弱化起始时刻(a–e; 位移约4.5 m)和经历大位移摩擦滑动后(位移约10–20 m)辉绿岩模拟断层的微结构特征。

前者以脆性破碎、磨损为主，环状擦痕带内的可见局部熔融与亚微米级的细粒物质共存（b–d）；后者可见宏观熔融层（e, f）

图5 考虑断层带磨损导致流体圈闭效应的热增压数值模拟结果。

kseal和kbsz分别表示圈闭带（由沿着擦痕的细颗粒物和局部熔体所形成）和总体剪切带的渗透率，Φseal和Φbsz分别表示二者的孔隙度