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本研究通过滑移-保持-滑移（SHS）剪切试验，对比分析Inagawa和Inada两种花岗岩在20℃和60℃下的摩擦愈合行为，发现温度升高促进愈合，但受矿物组成影响显著：Inada花岗岩（石英-长石丰富）因热膨胀系数高和溶解速率快，高温下愈合更显著；Inagawa花岗岩（黑云母丰富）则因低热膨胀和溶解受限，愈合提升有限。结合率-状态摩擦（RSF）理论分析，揭示温度与矿物共同作用下的摩擦稳定性机制，为地热处置库长期安全评估提供依据。
Jintong Zhang | Hideaki Yasuhara | Kiyoshi Kishida | Zhihong Zhao
京都大学城市管理系，日本京都
摘要
岩石裂缝的摩擦愈合对于核废料地质储存库的长期稳定性至关重要。本研究通过在20°C和60°C下进行滑动-保持-滑动（SHS）直接剪切实验，探讨了温度对Inagawa花岗岩和Inada花岗岩摩擦愈合行为的影响，保持时间从1分钟到5天不等。综合分析包括量化保持阶段的机械压实和随后的剪切诱导膨胀、监测来自裂缝界面的化学溶解过程，并应用速率-状态摩擦（RSF）理论来表征控制滑动稳定性的关键参数。实验结果表明，在20°C时，Inagawa花岗岩的摩擦愈合速率显著高于Inada花岗岩。尽管将温度升高到60°C可以增强两种花岗岩的愈合效果，但在Inada花岗岩中这种增强更为明显。这种行为反映了岩性依赖的热-机械-化学效应：富含石英和长石的Inada花岗岩由于这些矿物在高温下的热膨胀系数较高且溶解速率加快，因此愈合效果更显著；而富含黑云母的Inagawa花岗岩由于热膨胀系数较低且溶解动力学受限，其愈合速率仅略有提高。此外，速率-状态摩擦（RSF）分析表明，Inagawa花岗岩具有更短的截止时间和更高的截止速度，这表明虽然它的愈合速度更快，但不稳定滑动的潜力也更大。这些发现为花岗岩的摩擦稳定性提供了机制上的见解，突显了控制断裂岩石行为的热、机械和化学（TMC）过程的复杂相互作用。
引言
深部地下挖掘会重新分布原位应力场，促进裂缝的产生和扩展，从而损害岩体的完整性。1, 2, 3 这些不连续性不仅集中了应力，还可能成为摩擦滑动的潜在位置，对长期稳定性产生关键影响。4, 5, 6 在核废料储存库等长期应用中，构造应力和动态载荷对这些裂缝的综合影响决定了工程安全性。7, 8, 9 由此产生的摩擦响应可能表现为稳定滑动或周期性粘滑现象，后者通常与灾难性不稳定相关。10, 11, 12, 13 因此，表征这些不连续性的内在摩擦行为并理解触发灾难性失效的机制对于确保深部工程结构的整个生命周期安全至关重要。
岩石不连续性沿线的间歇性粘滑行为是控制地质构造长期稳定性的基本机械过程。10, 14, 15 这种行为的一个关键要素是摩擦愈合，即在静态接触期间发生的随时间变化的强化现象，这显著提高了随后滑动所需的峰值摩擦强度。16, 17 这种愈合机制对于调节地震和滑坡等地质灾害的成核和传播至关重要。18, 19 对于深部地质储存库（DGR），由于废物衰变热会导致围岩长期处于较高温度（60-80°C）环境中，20, 21, 22 因此理解这些热条件下的摩擦行为对于进行可靠的长期安全评估至关重要。
断层带中的摩擦愈合是由地震间期的热激活和流体辅助过程驱动的，这是一个已确立的现象。23, 24, 25, 26 然而，实验研究主要集中在石英、长石和碳酸盐岩等单矿物系统在高温（140-600°C）下的摩擦行为上。27, 28, 29 因此，像花岗岩这样的多矿物岩石在深部地质储存库特有的中等温度范围（60-80°C）内的摩擦特性仍然知之甚少。理解控制这些特定环境下断裂花岗岩滑动行为的耦合热-机械-化学（TMC）过程是确保长期储存库安全的关键步骤。
控制摩擦愈合的机制大致分为机械和化学两类。从机械角度来看，愈合归因于实际接触面积的随时间膨胀和凸起接触点的强化。23 这一过程与裂缝的机械开口和表面几何形状密切相关；初始开口较小的裂缝往往表现出更高的峰值剪切强度，而开口较差的裂缝通常表现出较低的峰值剪切强度。30, 31, 32, 33 从化学角度来看，压力溶解和沉淀等流体辅助过程也可以显著加速愈合过程，其中主导机制高度依赖于矿物组成。34 例如，富含方解石的断层在较低温度下就能有效愈合，而富含石英的断层则需要较高温度来增强愈合效果，粘土矿物的存在往往抑制这一过程。35 尽管有这些基本理解，但在深部地质储存库的热条件下，多矿物岩石（如花岗岩）中这些机械（开口控制）和化学（矿物组成控制）过程之间的相互作用仍不甚明确。
为了解决这些研究空白，本研究采用滑动-保持-滑动（SHS）直接剪切试验来研究20°C和60°C下Inagawa花岗岩和Inada花岗岩的摩擦愈合行为。重点关注温度如何根据矿物组成修改机械和化学过程。从机械角度来看，量化了保持阶段的随时间变化的裂缝压实和重新剪切过程中的膨胀，以表征与愈合相关的变形行为。从化学角度来看，分析了流出物溶质浓度，以评估高温条件下的溶解-传输过程的作用。此外，应用速率-状态摩擦（RSF）分析来评估愈合速率和滑动稳定性。这些分析共同提供了一个综合框架，用于研究温度和矿物组成对花岗岩摩擦愈合的耦合热-机械-化学影响。
材料
本研究调查的两种材料是来自日本的Inagawa花岗岩和Inada花岗岩。根据ISRM推荐的方法对其基本机械性能进行了表征。36 通过对圆柱形试样（直径50毫米×100毫米）进行单轴压缩试验，测定了其单轴抗压强度（UCS）和切线杨氏模量（Et）。37 在平面表面上进行的直接剪切试验得出了基本摩擦角（φ）。38
剪切应力恢复的演变
图3展示了在1.0 MPa正常应力下进行的滑动-保持-滑动（SHS）实验的代表性结果，使用G1（Inagawa）和G4（Inada）试样来说明摩擦愈合过程。在这些试验中，在初始剪切位移后（G1为2.0毫米，G4为1.0毫米），随后进行了从60秒到5天的保持阶段。需要注意的是，由于G1在43200秒期间的异常滑动，其数据被排除在分析之外。
压实行为
SHS试验保持阶段的机械响应表现为裂缝的随时间变化的正常闭合，即压实。根据以往的研究，这种压实被建模为保持时间的对数函数。40, 41 归一化正常闭合（Δb/σn）与保持时间（t）之间的关系表示为：
Δb/σn = B * log(t + 1)
流出物浓度
为了研究化学过程，分析了来自裂缝的流出物溶液，因为溶质浓度可以清晰地反映溶解-传输现象。27 20°C等温实验的结果显示，在48小时的测试期间，两种花岗岩中的元素浓度保持稳定。此外，ICP-AES分析揭示了两种花岗岩中元素浓度呈现出明显的三层模式。
讨论
本研究中的裂缝愈合可以通过断裂界面处机械变形和化学辅助过程的耦合演化来解释。实验观察表明，愈合不是由单一主导机制引起的，而是由随时间变化的压实、重新滑动期间的膨胀相关变形以及界面接触强度的变化共同作用的结果。
结论
本研究对20°C和60°C下Inagawa花岗岩和Inada花岗岩的摩擦愈合进行了全面调查。通过一系列最长保持时间为5天的SHS直接剪切实验，进行了多方面的分析。这种综合方法包括量化机械压实和膨胀、使用速率-状态摩擦（RSF）参数表征滑动稳定性，以及监测流出物化学成分，以确定其作用。
CRediT作者贡献声明
Jintong Zhang：撰写——原始草稿、方法论、调查、正式分析、数据管理。
Hideaki Yasuhara：撰写——审稿与编辑、监督、方法论。
Kiyoshi Kishida：监督、资源协调、项目管理、方法论。
Zhihong Zhao：监督。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的可能会影响本文所述工作的竞争性财务利益或个人关系。
致谢
作者衷心感谢京都大学的Takao Yano博士对实验工作的支持，同时也感谢爱媛大学的M.Eng. Fuminori Ohnishi在ICP分析方面提供的帮助。
