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在许多地质环境中都普遍观察到颗粒粉碎。为了阐明晶粒粉碎在干颗粒摩擦中的作用，我们在各种法向应力下以恒定的滑移率使用环剪切配置剪切了易碎岩盐 （NaCl） 晶粒。我们观察到瞬态摩擦行为：恒定状态在小滑移位移下表现出高摩擦系数，而减弱状态在大滑移位移下表现出摩擦力的显着衰减。两种状态的特征滑移长度均随正常应力的增加而减小，并具有相似的指数特征。显微 X 射线断层扫描揭示了这两种状态的微观结构从分布式晶粒粉碎到渐进剪切定位的演变。我们提出，粉碎的细颗粒的填充过程，在此过程中，细颗粒饱和，然后溢出剪切区，定义了瞬态摩擦行为。鉴于粉碎和局域现象的普遍存在，这项研究可能对自然剪切系统具有重要意义。![]()
图 1 测试后的环-剪切配置和剪切区。（a） 环剪切装置的描述。（b） 粗粒介质的剪切带样品俯视图。（c） 粗粒介质的剪切带块。![]()
图 2 代表性摩擦行为（左）和剪切带的横截面（右）。（左）粗粒 （a） 和细粒 （b） 介质运行中摩擦力的演变，其中摩擦系数和高度变化与不同法向应力下的滑移位移作图。适用于承受 0.2 MPa （c） 以下大滑移位移的粗颗粒和细颗粒。（右）六次运行的横截面图像 （d）-（i）（表 S1），其中粗粒样品在 0.6 MPa 的法向应力下被剪切至给定值，增加了滑移位移 （δ）。
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图 3 法向应力对摩擦参数的影响。（a） 摩擦曲线的拟合。（b） 常数状态，（c） 弱化状态和 （d） 样品在法向应力下的压实的特征滑移长度。（e） 对法向应力的恒定摩擦系数。（f） 稳态摩擦系数与法向应力的关系。
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图 4 瞬态摩擦行为和相应的剪切带结构的描述。红色圆圈表示大颗粒接触，蓝色点表示粉碎的细颗粒。
使用环剪切配置对颗粒岩盐进行摩擦实验。我们发现，颗粒粉碎是确定涉及易碎颗粒的剪切颗粒系统的摩擦行为的关键机制。我们认为，颗粒粉碎产生细颗粒，这些颗粒在恒定摩擦状态下逐渐使多孔剪切区饱和，并最终通过溢出剪切区并促进减弱状态下的剪切定位来导致摩擦减弱。此外，我们观察到其内在粉碎和微观结构与天然断层带和岩石雪崩沉积物相似，表明它们与自然剪切带的相关性和重要意义。然而，关于细粉碎颗粒之间的摩擦力非常低，特征长度和法向应力之间的负相关斜率等于 2，以及剪切局部动力学的定量描述，潜在的机制仍未解决。需要进一步的研究来解决这些问题。
