在断层剪切应变集中化或者流体化学沉淀作用下，石墨能够在滑动表面富集并诱发断层的滑动弱化行为(Oohashi et al., 2012; 2013)。同时，石墨晶体又具有高导电性。石墨薄片在矿物颗粒边缘形成的互相连通导电网格组构也是导致断层带低阻异常的重要机制之一(Haak et al., 1997; 陈进宇等, 2017)。因此，如果能在含石墨断层泥摩擦滑动的过程中实时获取其电阻值的响应，将极大帮助我们认知石墨在断层带的滑动弱化与高导异常中所发挥的作用。
基于此，地震动力学国家重点实验室陈进宇博士与陈建业研究员、姚路副研究员合作，创新性地设计了一套能够实时约束断层在长距离摩擦过程中导电性质的装样组件，并将其应用至Shimamoto第三代旋转剪切低速-高速摩擦实验系统中（图1）。在2~5 MPa正应力、室温和纯N2气氛的环境下，以~1.0 mm/s滑动速率，对干燥并含石墨的石英与方解石断层泥开展了1~5 m滑距的摩擦-导电实验。此外，在马玺副研究员的帮助下获取了实验样品精细的显微结构。根据实验结果主要获得以下结论：
(1) 当石墨含量达到3.4~13.6 vol.%时，石墨-石英颗粒能够在靠近石英断层泥滑动端的应变集中带内形成类似CCAs (Boutareaud et al. 2008)的石墨-皮层碎屑组构(GCCs)，导致其电导率迅速升高7个数量级以上并维持较高的摩擦强度。而当石墨含量进一步升至13.6 vol.%以上时，额外的石墨薄片能够在滑动表面富集并产生润滑效果（图2）。与此同时，石英粒径增大也能促进石墨导电网格组构的发育与软弱滑动面的形成。
(2) 与石英断层泥相反，即便石墨含量低至~ 2 vol.%也能导致方解石断层泥产生明显的滑动弱化行为。但是如果要产生连通的导电路径则需要石墨含量达到> 5.3 vol.%（图3）。推断这与方解石晶体硬度低、存在良好的解理面有关。粘结在滑动面上的孤立石墨薄片可以促进周围方解石颗粒加速滑动。石英与方解石断层泥之间的摩擦-导电性质存在如此巨大差异，说明Haak et al., 1997与Glover and Ádám, 2008提出的在野外单纯依靠导电性来推断含碳断层带滑动稳定性的结论并不十分可靠。
(3) 推断>3.4 vol.%石墨含量能够解释断层带的高导异常。此外，一个非常有意思的现象是断层泥电导率的突然升高发生早于摩擦滑动达到稳态甚至峰值之前。这说明断层带初始滑动前就能够产生潜在的电磁异常信号。这也为野外电磁台站监测含碳断层带的预滑现象提供了相应的实验证据（图4）。
图1 摩擦-导电实验装置图。(a) Shimamoto第三代旋转剪切低速-高速摩擦实验系统；
(b) 系统内部装样图；(c) 断层泥样品尺寸及剪切-导电方向几何示意图。
图2 当摩擦滑动达到稳态时，石墨含量对石英断层泥摩擦系数-电导率-显微结构的影响
图3 当摩擦滑动达到稳态时，石墨含量对方解石断层泥摩擦强度-电导率-显微结构的影响
图4 含碳断层带初始滑动前可能会产生导电异常信号，并被断层附近的地震电磁台站捕捉到
以上研究成果分别发表在国际地学期刊Journal of Geophysical Research: Solid Earth、Tectonophysics和Frontiers in Earth Science上。本研究受到了国家自然科学基金（41904087）、地震动力学国家重点实验室自主研究课题（LED2021A09）、中国地震局地质研究所中央级公益性科研院所基本科研业务专项（IGCEA1821）的共同资助。
论文信息：
Chen, Jinyu*, Chen, Jianye*, Yao, Lu, & Ma, Xi. (2023). Shear-Enhanced Electrical Conductivity of Synthetic Quartz-Graphite Gouges: Implications for Electromagnetic Observations in Carbonaceous Shear Zones, J. Geophys. Res. Solid Earth, 128(11), e2023JB027716. https://doi.org/10.1029/2023JB027716.
Chen, Jinyu*, Chen, Jianye, & Yao, Lu. (2023). Frictional strength, electrical conductivity, and microstructure of calcite–graphite mixtures sheared at a subseismic slip rate, Tectonophysics, 868(5), 230085. https://doi.org/10.1016/j.tecto.2023.230085.
Chen, Jinyu*. (2022). The Effect of Quartz Particle Size on the Frictional and Electrically Conductive Properties of Mixed Graphite–Quartz Gouges, Front. Earth Sci., 10, 913315. https://doi.org/10.3389/feart.2022.913315.
