自然断层带在其孕震深度范围内通常处于高温高压的孔隙流体环境之中。这些“热液”（通常为水）通过一系列复杂的物理-化学过程控制着地震周期各个阶段内断层的力学性质，如摩擦强度、稳定性、愈合快慢等，从而对地震的孕育和发生产生重要影响。然而，由于实验技术上的难题，在水热条件(hydrothermal conditions)下开展的断层摩擦实验多限于低速率(≤ ~100 μm/s)和小位移(≤ ~100mm)。这一现状阻碍了对野外真实环境下断层力学性质和地震机制的认识。

在地震动力学国家重点实验室嶋本利彦特聘研究员、马胜利研究员和姚路副研究员历经数年的努力下，为旋转剪切低速-高速摩擦实验系统配备的高温孔隙压力容器得以正常投入使用，实验系统的温度、压力、速率和位移四方面综合性能国际领先。意大利帕多瓦大学Giulio Di Toro教授特派遣博士生冯炜前来开展合作研究。针对上述科学问题，冯炜博士、姚路副研究员与中意双方团队对辉长岩开展了水热条件下宽速率 (1 μm/s至100 mm/s)和大位移 (最大约3 m) 的摩擦实验(光面岩石摩擦实验)；实验中孔隙水的状态包括三种： 蒸汽态 (T = 400°C, Pp = 10 MPa)、液态 (T = 300°C, Pp = 10 MPa)和超临界态(T = 400°C, Pp = 30 MPa)。

实验揭示，在孔隙水为液态和超临界态时，经历大位移的摩擦滑动，辉长岩在1 μm/s至100 mm/s的速率条件下均呈现出显著的滑动弱化，稳态摩擦系数低至0.20–0.35（图1a和1c）；而当孔隙水为气态时，辉长岩仅在速率为10 和100 mm/s时才呈现明显的滑动弱化（图1e）。意方团队对摩擦实验后滑动面及细颗粒物质开展详细的微观结构（图2a–c）和物性分析（XRD和Raman；图2d–f），揭示超临界和液态水环境的实验样品中可见新生成的粘土矿物以及吸附水（图2d–f）。据此可推测，新生成的弱矿物相、水的化学键以及水力弱化效应是造成超临界和液态高温水环境下断层呈现不依赖于速率的显著滑动弱化的原因（图3a和3b）。

上述实验研究清晰地展示了高温高压条件下水的相态对断层大位移滑动下摩擦强度的影响，对认识地震成核、传播、停止等多个物理过程都具有重要启示；比如，断层在预滑过程中的扩容效应若造成孔隙水由液态或超临界态转变为气态，那么断层的摩擦系数可能瞬时增加，对断层的加速滑动及地震成核可能起到阻碍或延迟作用。

该研究成果以“Physical state of water controls friction of gabbro-built faults”为题，于2023年8月发表于Nature Communications上。第一作者为意大利帕多瓦大学的冯炜博士（2023年6月已完成博士论文答辩）；Giulio Di Toro教授和姚路副研究员作为冯炜博士学位论文的指导老师为该文章的通讯作者；合作者包括中方马胜利研究员、杨超群博士，意方Chiara Cornelio博士、Rodrigo Gomila博士、Luigi Germinario博士、Claudio Mazzoli教授。

Feng, W., Yao, L.#, Cornelio, C., Gomila, R., Ma, S., Yang, C., Germinario, L., Mazzoli, C., Di Toro, G.#, 2023. Physical state of water controls friction of gabbro-built faults. Nature Communications, 14, 4612, doi: https://doi.org/10.1038/s41467-023-40313-x.

该研究涉及的摩擦实验均在地震动力学国家重点实验室完成，获得了国家自然科学基金（姚路：42174223、41774191、42111530030；马胜利：U1839211）和国家留学基金委（冯炜：201906440130）的资助；意方开展微观结构和物性分析的相关资助还包括Marie Skłodowska-Curie grant (No. 896346—FRICTION to R.G.)、ERC Consolidator Grant (614705 NOFEAR to G.D.T.)、Italian Civil Protection project (EXTEND to G.D.T.)和Ministero dell’Università e della Ricerca project (PRIN 2022WE2JY9 to G.D.T.)。

原文链接： https://www.nature.com/articles/s41467-023-40313-x

图1 水热条件下辉长岩的摩擦力学行为。

左侧图展示了在1 μm/s至100 mm/s的速率条件下摩擦系数随滑动位移的演化，右侧图展示了静摩擦，峰值摩擦和稳态摩擦的速度依赖性。

实验结果揭示当孔隙流体为高温液态或超临界水时，辉长岩呈现显著的滑动弱化，这一行为不依赖于滑动速率；

而在气态孔隙水的情况下，弱化行为仅发生在较高的滑动速率条件下，表现出速率依赖性。 

图2 变形后样品的微观分析。

（a）（b）（c）辉长岩在以10 mm/s的速率滑动300 mm位移后的表面形态、粗糙度以及滑动带的微观结构；

（d）XRD测试结果；其中，呈现出显著滑动弱化行为的液态和超临界孔隙水条件下的样品中存在新生成的粘土矿物；

（e）Raman测试揭示滑动带有水的H-O-H弯曲信号存在；（f）Raman面扫揭示滑动面上H-O-H水的分布与擦痕位置保持一致。

图3 辉长岩在超临界和液态高温高压孔隙水环境下呈现滑动弱化的可能机制。

在水热条件下，随着剪切滑动，滑动带颗粒持续磨细，水岩反应加剧，生成新的弱相粘土矿物；

这些矿物可以吸附孔隙水呈现出H-O-H弯曲振动模式；同时，剪切磨损过程中产生的断层泥可与孔隙水混合，增加滑动带混合物质的等效粘度，进而激活水力弱化作用。

以上过程可能共同作用，使得辉长岩断层呈现出不依赖于滑动速率的显著滑动弱化。