地震观测表明，地震活动主要集中在脆性地壳的上部，称为震源层。该层的厚度从 10 到 50 公里不等，很大程度上取决于不同构造环境中的热结构。该厚度是估计断层破裂区域的深度范围和未来潜在地震的比例地震矩释放的关键指标。从岩石变形机制的角度来看，随着温度随深度的增加而增加，发震层的底部被认为对应于从摩擦/脆性状态到塑性状态的过渡区。在引入和发展了与速率和状态相关的摩擦本构定律后，滑动速度瞬时增加的摩擦响应符号已被用作地震失稳的关键基准。正号代表速度加强，促进断层稳定滑动，负号代表速度减弱，导致不稳定的地震滑动。有人认为，孕震层的下边界标志着随着深度的变化，从不稳定的速度减弱场到稳定的速度增强场的转变。同时，在孕震层之上，地下有一个数公里厚的地震静止带）。

浅层带的存在已被证明会显著影响动态地震破裂期间的断层行为及其所产生的强地震动特性。对于大地震，断层滑动可能在孕震层底部附近成核，然后沿着断层向上和向下传播。对大地测量数据滑移反演确定的同震滑移分布的详细研究表明，当破裂进入浅层时，破裂的进一步向上运移往往受到明显阻碍，导致向地表的同震滑移减少。在过去的几十年中，人们对这种浅层滑移缺陷的原因进行了讨论，特别是与构成浅层区域的材料的摩擦特性有关的问题。

人们发现，涉及速度相关摩擦模型中的深度变化（包括浅层速度强化状态）的地震周期模拟可以再现断层上滑移向地表的减少。除了断层面的摩擦特性之外，对浅滑移不足的另一种解释是，同震和震间期原岩介质的分散断层变形可以容纳一部分预期的弹性应变能，与该部分相当。由于介质在浅层条件下的低刚性和速度强化特性，可以适应较深的深度。当破裂局限于浅层而没有突破地表时，近场地震动会被放大，从而对内陆震源区的基础设施造成更严重的破坏。

对于俯冲带地震，浅部破裂传播是否受到抑制，直接关系到毁灭性海啸的产生。例如，几项实验研究报告了从日本海沟俯冲带浅部取回的样本的摩擦特性，以调查为什么在 2011 年东北冲地震期间，伴随着异常大滑移的破裂通常会穿过浅部。被认为是摩擦稳定的，并到达海底引发巨大海啸。阐明地壳浅层摩擦特性对于了解地震破裂过程、进一步提高地震灾害评估能力至关重要。然而，由于除了主要大陆断层和板块边界断层的数据之外，我们对这些摩擦特性的了解仍然不完整。

使用的样品取自日本中部能登半岛海岸 Anamizu 组的多孔安山质凝灰岩角砾岩。火山碎屑岩是“绿色凝灰岩”地层的一部分，该地层由数千米厚的火山碎屑沉积物序列组成，这些火山碎屑沉积物是由渐新世晚期到中新世中期日本海开口相关的海底火山活动形成的）。这些矿床分布在日本海沿岸 44,000 km 2的面积上，相当于岛弧的 10% 以上（Huzioka 1963；Murata 和 Kano）1995）。据报道，“绿色凝灰岩”地区在过去二十年中经历了三场大地震，包括2004年新泻县中部地震、2007年M6.6新泻县中越大地震和2007年M6.7能登阪东地震。到日本气象厅的数据库。

地层学研究表明，在能登地区采集实验样品的穴水组厚度约为 2 公里。对于摩擦实验，使用了在半岛中西海岸钻探后从中新世 Anamizu 组 60 m 深处取回的新鲜凝灰岩角砾岩芯样品 。凝灰岩角砾岩样品由凝灰岩基质中的砾岩大小的安山岩碎片组成。我们使用样品的基体部分进行摩擦实验。

采用光学显微镜观察结合粉末X射线衍射分析，我们证实凝灰岩基质的特征是斜长石、斜辉石和单斜辉石的斑晶，粒度范围为 0.3 至 1.1 mm，位于斜长石、单斜辉石以及蒙皂石和赤铁矿的蚀变产物的细粒基质中火山玻璃经过化学转化而成。矿物成分为斜长石（~ 57%）、斜方辉石（~ 4%）、单斜辉石（~ 8%）、蒙皂石（~ 17%）和赤铁矿（~ 8%）。通过测量大气条件下完全干燥和水饱和样品之间的重量差来估算岩石的孔隙率，其范围在 19.5% 至 26.1% 之间。另外，体积密度(质量除以包括任何孔隙空间的体积)计算为2030±80kg/m 3。

为了在本研究中进行摩擦测试，我们使用了新安装的双轴双直接剪力加载装置（BASH），该装置由电力工业中央研究所设计，由日本制造。该装置的三个主要部件是剪切加载单元，最大载荷为1000 kN，行程为50 mm，滑动速度为0.1 μm/s至5 mm/s；样品室单元长 500 毫米、高 300 毫米、宽 100 毫米；和最大载荷为 600 kN 的正常载荷单元。

样品室可容纳三个岩石样品，接触面积为50 cm×10 cm，厚度为10 cm。中心块夹在侧块之间，并由连接到双直剪配置中的螺旋千斤顶的水平移动轴挤压。当我们进行单直接剪切摩擦实验时，下部固定岩石块被尺寸相似的不锈钢块取代，底部有一个低摩擦滚轮。对于尺寸为 10 cm × 5 cm 的小岩石样品，将图所示的额外组件安装到室内。

为了进行摩擦实验，我们从凝灰岩角砾岩的核心样品中制备了 5 毫米厚的方形岩石板。由于凝灰角砾岩岩心样品固结得足够好，易于处理，因此将其切割成方板，面向花岗岩块的端面使用高精度平面磨床进行抛光，以确保平整度和平行度在12μm以内。在插入设备之前，将样品抽真空并浸入去离子水中超过16小时，该时间足以使内部孔隙充满水。在我们的实验中，我们使用水饱和样品来模拟深度的原位（潮湿）条件。

摩擦实验是使用上述双轴加载装置在双直剪配置中进行的，其中两个 5 毫米厚的方形板放置在中央花岗岩块和两侧花岗岩块之间，穿过接触界面，尺寸为48 mm × 48 mm。使用 #14 SiC 磨料对三个花岗岩块的表面进行研磨和粗糙化，以引起板样品内变形，而不是沿着板样品和花岗岩块之间的边界。两个板样品中的剪切变形是通过中心块相对于固定侧块的移动来实现的。在样品室中，夹在受力花岗岩块之间的薄板样品没有受到夹套的限制，端面直接暴露在大气环境中，这表明样品中的孔隙压力可以隐式控制为等于气压。

在大气条件下，在 2 至 20 MPa 的法向应力下进行了一系列速度步进摩擦试验。这些应力模拟了 Anamizu 地层底部深处的环境有效压力条件，根据样品的堆积密度和水密度 (1000 kg/m 3 ) 假设为 10 MPa / km 。滑动过程中法向应力 ( σ n ) 保持恒定，而剪切应力 ( τ）增加以使板样品变形。

实验期间以 100 Hz 记录法向应力和剪切应力、剪切位移和样品厚度数据。实验开始后，首先将板样品以1 μm/s的速度剪切至2 mm或更大的位移，直至剪切应力达到稳态。然后，我们将滑动速度从 0.1 逐步改变为 100 μm/s，每一步至少有 0.3 毫米的位移，以评估摩擦参数对速度的依赖性。实验结束后，将变形板样品平行于剪切方向切成薄片，以便使用光学和扫描电子显微镜观察与不同法向应力相关的微观结构变化。

使用迭代最小二乘反演建模技术以及具有一个状态变量的 Dieterich 速率和状态相关摩擦本构定律（老化定律）来分析速度步进摩擦数据。在本构定律中，摩擦系数可表示为：

其中μ 0是参考速度V 0下的稳态摩擦系数，V是从V 0开始的速度阶跃后的滑动速度，θ是状态变量，D c是临界滑移距离，a（直接效应）和b（进化效应）是常数。在稳定状态下（dθ/dt  = 0，则Vθ  =  D c），摩擦系数为：

这里，摩擦力与速度的关系由 ( μ ss  −  μ 0 )/ln( V / V 0 ) =  a  −  b给出。虽然 ( a  −  b )的正值表示速度增强，这会促进稳定的断层滑动，但与负 ( a  −  b ) 值相关的速度减弱是不稳定断层滑动成核导致地震产生的必要条件。

在 2 至 20 MPa 法向应力下变形的凝灰岩角砾岩样品的位移与剪应力曲线中，所有样品在位移约 0.3 mm 时均表现出剪应力线性增加至屈服点，然后达到残余常数或稳定状态下略有增加的趋势。使用达到准稳态的 1.5 毫米位移处的法向应力和剪切应力数据，我们使用以下表达式构建了样品摩擦行为的莫尔-库仑失效包络线 :

其中τ是剪应力，σ是正应力，C是内聚强度。

我们修正了摩擦系数，考虑到C  = 0.22 MPa，该系数是从法向应力与剪应力之间的线性回归得出的，而表观摩擦系数（其中C不可避免地假定为零）经常用于岩石摩擦学习。图中显示了稳态摩擦系数，该系数是使用方程式 1.5 毫米位移时的剪切/法向应力计算得出的。和C价值。我们角砾岩样品的摩擦系数范围在 0.40 至 0.47 之间，随着正应力从 2 MPa 增加到 10 MPa，摩擦系数从最大值（~ 0.47）降至最小值（~ 0.40），随后在 20 MPa 时略有增加至 0.43 。

图也显示了在一定范围的法向应力下速度阶跃序列 (0.1–1–10–100 μm/s) 期间的摩擦响应。达到稳定状态后，滑动速度按一个数量级逐步增加或减少，会产生摩擦响应，该响应由摩擦力瞬时增加或减少 ln(V / V 0 )和随后逐渐变化b ln组成随着位移的增加， ( V / V 0 ) 达到新的稳态，从而遵守速率和状态摩擦定律。

对于本研究中测试的样品，摩擦速度依赖性与法向应力之间存在复杂的联系。在 2 MPa 的法向应力下，我们观察到 ( a  −  b ) 值在 − 0.037 和 0.016 之间。当法向应力增加到 10 MPa 时，样品表现出速度强化行为，( a  −  b ) 值范围为 ~ 0 到 0.010。然后，在 20 MPa 的法向应力（对应于 2 km 深度的应力）下，( a  −  b ) 减小回 - 0.002 至 0.005 的值。我们观察到 ( a  − b ) 随着法向应力的增加，除了在 2 MPa 时观察到显着的分散。对于D c，我们的数据显示随着法向应力的增加，没有系统趋势，尽管在较高的法向应力下值范围变得更宽（~ 60 μm）。此外，虽然一些研究报告这些摩擦参数随着剪切位移而变化，但我们的数据中没有记录摩擦参数明显的滑移依赖性。

我们研究了地壳浅部沉积盖层在 2 至 20 MPa 正应力范围内摩擦力的速度依赖性。多孔凝灰岩角砾岩样品的特征主要是速度强化行为，并且随着法向应力从 5 MPa 增加到 20 MPa，它们表现出速度依赖性略有下降的趋势。实验研究发现，摩擦力的速度依赖性随法向应力的变化而变化。Orellana 等人从富含高岭石的粘土岩中制备粉状凿岩的数据。以及 Carpenter 等人关于富含蒙皂石的天然断层泥。

表明，在低于 100 MPa 的法向应力下，大多数速度强化行为是明显的，在某些情况下，在低于 40 MPa 的低法向应力下，( a  –  b ) 显示出下降趋势。我们的样品表现出类似的正速度依赖性，并且显示出速度依赖性随正应力的减小，这可能是由于样品中含有粘土矿物（蒙脱石）。此外，Ikari 等人进行的摩擦实验。在一系列凿孔材料上证明了摩擦速度依赖性与摩擦强度之间的相关性。当摩擦系数小于 0.5 时，( a  −  b ) 始终为正，这一发现与我们的结果大致一致。

根据我们的结果，凝灰岩角砾岩样本表现出大部分摩擦稳定、速度增强的行为，我们证实了广泛接受的假设，即浅地壳层主要充当地震期间从震源区动态（不稳定）破裂传播的屏障。这一发现解释了孕震带宽度的上限和浅层滑移缺陷的出现。研究区附近 2007 年能登阪东地震的余震分布表明，发震带的上限由大约 2 公里厚的沉积层定义，该沉积层由我们采集样本的中新世火山碎屑沉积物组成。

这与实验中获得的地震稳定特性是一致的。此外，对于同样发生在“绿色凝灰岩”地区的 2004 年新泻县中部地震，相关的地表滑移比根据地震数据估计的深度滑移小一个数量级。这被解释为由于厚厚的沉积物覆盖而导致的浅滑动赤字，我们的实验室数据隐含地支持了这一结论。然而，目前在低滑移速度下获得的结果并不排除地震破裂传播可能通过浅层失控的可能性，当在同震滑移率下激活动态弱化机制时，该浅层在低滑移率下表现出速度增强。

为了检查浅沉积物层的摩擦特性，我们对日本主要沉积物沉积物中新世“Green Tuff”地层的多孔凝灰岩角砾岩样品进行了速度步进摩擦测试，法向应力为 2 至 20 MPa。实验结果表明，样品主要表现出速度增强行为，且 ( a  −  b）随着正常压力的增加。摩擦稳定特性与“绿色凝灰岩”地区发生的地震的特征是低地震活动性和浅层区域出现浅滑动赤字的观察结果一致。死后样品的微观结构分析表明，随着法向应力的增加，变形织物从剪切局部化转变为分布式碎裂流。然而，在我们的样品中，我们没有观察到微观结构和摩擦速度依赖性之间的明确关系，如先前报道的那样。我们建议实验室研究，例如这里介绍的，可以详细阐明浅沉积层摩擦速度依赖性的深度变量分布。