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    发震断裂带内黏土矿物的纳微米变形

    晁洪太 王志才 王雷 孙岩

    引用本文:
    Citation:

    发震断裂带内黏土矿物的纳微米变形

      作者简介: 晁洪太(1964-), 男, 博士, 研究员, 主要从事地震地质、活动构造、地震区划等方面研究.
    • 基金项目:

      山东省自然科学基金项目 ZR2012DM005

      地震科技星火计划项目 XH17020

    • 中图分类号: P315

    Nano/Micro-Scale Deformation of Clay Minerals in Seismogenic Fault Zone

    图(6)
    计量
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    出版历程
    • 收稿日期:  2017-10-01
    • 刊出日期:  2018-05-15

    发震断裂带内黏土矿物的纳微米变形

      作者简介: 晁洪太(1964-), 男, 博士, 研究员, 主要从事地震地质、活动构造、地震区划等方面研究
    • 1. 山东省地震局, 山东济南 250014
    • 2. 南京大学地球科学与工程学院, 江苏南京 210093
    基金项目:  山东省自然科学基金项目 ZR2012DM005地震科技星火计划项目 XH17020

    摘要: 断层泥是发震断裂最显著的物质标志之一,它保留着许多断层活动的信息.在野外宏观调查和显微视域观察基础上,利用SEM技术,从纳微米尺度,研究发震断裂带内黏土矿物的组合形态和变形样式,并对一些问题进行深入分析和讨论.黏土矿物在断层粘滑滑移过程中,出现定向排列,在正交偏光显微镜下表现为平行排列的消光带.在SEM视域下,可以观察到片状黏土矿物的定向排列,同时可以清晰地识别多次断层粘滑滑移事件.在断层泥中发现的蠕变滑移现象,带有普遍性.在显微视域下,黏土矿物表现为波状消光带.在SEM视域下,可以观察到片状黏土矿物的褶皱变形、流动变形、绕砾滑动、撕裂变形等.鉴于在同一个视域内,可以同时观察到粘滑滑移标志和蠕变滑移标志,通过分析其先后关系,发现蠕变滑移发生于粘滑滑移之前,对应于断层的亚失稳阶段的运动.

    English Abstract

    • 野外调查发现,断层泥是发震断裂最显著的物质标志之一.断层泥是断层运动的产物,它保留着许多断层活动的信息,所以它是活动断层研究的一个重要对象.断层泥的形成比较复杂,主要基于2个方面的作用:一方面是物理作用,即断层的破碎作用;另一方面是化学作用,即部分硅酸岩矿物(例如长石)水解为黏土矿物.断层泥中的岩石碎屑和颗粒矿物主要来自于母岩,黏土矿物主要为高岭土、伊利石、蒙脱石等(夏琤和姚孝新, 1988).大家普遍认为,断层泥在断层滑动过程中发挥了重要作用(Sibson, 1977; Biegal and Sammis, 1989; Moore et al., 1989; Beeler et al., 1996; Kanamori and Heaton, 2000; Wilson et al., 2005; Mair and Abe, 2008; Sun et al., 2008; Reches and Lockner, 2010; Haines et al., 2013; Yuan et al., 2015; 崔德山等, 2016).

      以往,对断层泥的研究,主要在野外宏观尺度下进行,研究内容包括断层泥的分带、颜色、组分以及断层泥带中的小型构造等(何永年等, 1988; Passchier and Trouw, 1996; Sibson, 2003).在实验室内,主要研究的是断层泥的化学成分、颗粒分析以及在显微视域下岩石碎屑、颗粒矿物与黏土矿物之间结构关系等(何永年和史兰斌, 1983; 张秉良等, 1993; Cashman et al., 2007).此后,学者还利用断层泥中石英颗粒的SEM图像,分析其溶蚀程度,推断断层的大致活动年代(Kanaori et al., 1980; 杨主恩等, 1984).对断层泥中黏土矿物的变形研究,主要限于在显微视域下对其矿物集合体的观察(姚大全和汤有标, 1992; 晁洪太, 1998; 晁洪太等, 2001a).

      此前,人们对地震的发震机理依然不是十分清楚,表现为对断层的活动机制了解得还不够,对许多现象还不能给予合理的解释,比如,一条发震断裂,在地震发生时,必定是发生了粘滑断错,地表宏观的断错标志也说明这一点(Wallace, 1970; 丁国瑜等, 1993; 邓起东和闻学泽, 2008).然而,在断层泥中又发现了许多蠕变滑移的现象,而且带有普遍性.直到本文作者利用SEM技术,在同一个视域内,观察到断层主滑移带同震粘滑滑移的标志与主滑移带旁侧叶理带内震前蠕变滑移的标志建立联系后,才认识到这些蠕变滑移标志是断层在亚失稳阶段发生蠕变滑移的产物,即蠕变滑移发生于断层粘滑滑移之前,继而这一问题才得到初步回答(晁洪太等, 2016; Chao et al., 2017).

      本文在野外宏观调查和显微视域观察基础上,利用SEM技术,从纳微米尺度,研究发震断裂带内黏土矿物的组合形态和变形样式,以丰富宏观研究的不足,并对一些问题进行深入分析和讨论.

      • 粘滑滑移是发震断裂的主要活动方式,即在力的作用下,断层突然断错并产生较大的位移,伴随而来的是地震能量的瞬时释放.

        在野外调查中经常看到的现象是,不同颜色、不同胶结程度的断层泥呈带状分布,而且可以比较容易地识别最新粘滑滑移面(晁洪太等, 2001a).图 1a给出一例,样品采自山东莒县小土岭,属于郯庐断裂带的一段,也是1668年郯城81/2级地震发震断裂最北端的一段(晁洪太等, 1994, 1997; 郯庐活动断裂带地质填图组, 2013).断层断错地表,宏观地貌清晰,断层错断了全新世松散沉积物,断层性质为高角度逆冲性质,断层面平直,发育有新鲜的断层泥.母岩为白垩系青山组火山碎屑岩.断层泥①为浅黄绿色,带宽2 mm左右,边界平直,最为新鲜,属于最新滑动面,应是1668年地震时断层滑动的产物.断层泥②为浅灰绿色,位于断层泥①与全新世松散沉积物之间,比较新鲜,与全新世松散沉积物之间的边界不清晰,混杂有松散沉积物的成分,时代应早于断层泥①.断层泥③位于上盘一侧,颜色为深灰绿色,厚度5~10 cm,具有片理化,有一定胶结,属于年代较老的断层泥.很显然,呈分带出现的断层泥是断层多期活动的产物.

        图  1  发震断裂多期粘滑滑移的微观标志

        Figure 1.  Micro-indications of multiple stick-slipping events of seismogenic fault

        即使在同一断层泥带内,在显微视域下也能够识别出多次断层活动.如图 1b所示,在显微视域下,可以识别出3次活动,实线箭头所指一组断层线平直,切穿所有构造线,属于最新一次活动,应对应于1668年地震事件.虚线箭头所指一组断层线较平直,属于次新的一次活动.点线箭头所指一组断层线呈弯曲状,被前两组断层线所限制和改造,属于较早的一次活动.

        在SEM视域下,可以更加清晰地识别多次断层粘滑滑移事件.图 1c样品采自山东莒南左山,属于1668年郯城81/2级地震发震断裂中部的段落.断层性质为走滑运动性质,地表断层地貌清晰,跨断层冲沟同步右行扭曲(黄伟师, 1988; 晁洪太等, 1994; 郯庐活动断裂带地质填图组, 2013),发育多期断层泥,微观现象丰富.母岩为白垩系王氏组砂岩.在SEM视域下,断层主滑移面上的擦线清晰,可以识别出两次粘滑滑移事件,分别用实线箭头和虚线箭头标识.实线箭头所标识的擦线是一组主要擦线,位移量较大,这组擦线覆盖整个主滑移面,代表一次主要的粘滑滑移事件.虚线箭头所标识的另一组擦线,在主滑移面上零星分布,滑过实线箭头所示的擦线,形成擦槽,属于一次小的粘滑滑移事件,而且发生在上一次粘滑滑移事件之后.图 1d样品采自山东安丘于家山下,属于郯庐断裂带的一段,是公元前70年安丘7级地震发震断裂的一段.宏观地貌较为清晰,断层断错晚更新世松散沉积物,断层为逆走滑性质,发育新鲜的断层泥.母岩为白垩系王氏组砂岩.在SEM视域下,断层主滑移面上的擦线清晰,可以识别两组擦线,分别用实线箭头和虚线箭头标识.实线箭头所标识的一组擦线掩盖了虚线箭头所标识的另一组擦线,两组擦线位移量都较大,应该都是主要的粘滑滑移事件,两次事件一先一后.

        黏土矿物在断层粘滑滑移过程中,呈现复杂的变形样式,主要表现为片状黏土矿物的定向排列.在显微视域下,表现为片状黏土矿物集合体的平行排列,在正交偏光显微镜下可见平行排列的消光带.图 2a图 2b样品均采自山东海阳东石兰沟,位于海阳断裂中段.该断裂为晚更新世活动断裂,地表断层地貌较清晰,断错了中、晚更新世松散沉积物.母岩为中生代花岗岩、煌斑岩和白垩系莱阳组砂岩.最新活动年代距今6.76万年,对应古地震事件(晁洪太等, 2001b; 周本刚等, 2002).图 2a中实线箭头标识的是主滑动面,在显微视域下,一侧为松散沉积物,一侧为断层泥.主滑动面附近的片状黏土矿物定向排列,表现为一条主消光带.松散沉积物中可见片状黏土矿物集合体的平行排列,表现为平行排列的消光带.断层泥中的片状黏土矿物集合体,具有波状消光,其具体含义详见问题讨论小节的分析.图 2b中实线箭头标识的是松散沉积物中的断层滑动面,可见片状黏土矿物集合体的平行排列,表现为平行排列的消光带.

        图  2  发震断裂滑动面黏土矿物定向排列

        Figure 2.  Directional arrangement of flake clay minerals on the major sliding zone of seismogenic fault

        在SEM视域下,可以观察到片状黏土矿物的具体变形特点.图 2c图 1c的局部放大,实线箭头指示擦线在更大放大倍数下的表现.在ab组构面看到的是,片状黏土紧贴主断层滑动面,呈叠瓦状排列(见虚线箭头所指个别片状黏土矿物的清晰边界).图 2d样品采自山东海阳东石兰沟,在ac组构面看到的是,片状黏土矿物沿断层主滑移面定向排列(晁洪太等, 2009).限于当前的工作局限性,没有在更大放大倍数下进一步观察每一片黏土矿物更细节的表现,今后可以继续做更深的工作,积累更多的资料.片状黏土矿物的定向排列,是断层快速粘滑滑移的产物.

      • 蠕变滑移也是断层的活动方式之一,即在力的作用下,断层缓慢变形,只产生较小的位移,不对应地震事件或仅伴随微(小)地震事件.

      • 在野外观察和采集的样品中,断层泥中黏土矿物的褶皱(或揉皱)变形比较常见.图 3a样品采自山东莒县石井,属于1668年郯城81/2级地震发震断裂的一段,地表断层地貌清晰,断层以逆冲性质为主,兼有右旋走滑分量,断层错断了晚更新世和全新世松散沉积物.母岩为白垩系王氏组砂岩和白垩系青山组火山碎屑岩.从手标本可以看到断层泥与白垩系青山组火山碎屑岩之间的边界平直,在断层泥一侧紫红色断层泥和灰绿色断层揉皱在一起.图 3b是在显微镜下放大40倍的图像,同样可见断层泥的揉皱变形.

        图  3  发震断裂带内黏土矿物褶皱(或揉皱)变形

        Figure 3.  Fold deformation of clay minerals in seismogenic fault zone

        在SEM视域下,常常观察到片状黏土矿物的褶皱变形.图 3c3d样品采自山东郯城麦坡,该处断层段是否属于1668年郯城81/2级地震发震断裂,一直存在争议.但是,该处断层段属于全新世活动断层,并发生过古地震事件,大家的意见是一致的(方仲景等, 1986; 国家地震局地质研究所, 1987; 高维明等, 1988; 李家灵, 1989; 李家灵等, 1991; 晁洪太等, 1997).该处断层地貌清晰,断层性质为逆走滑性质,表现为白垩系王氏组二段紫红色砂岩以高角度逆冲到白垩系王氏组三段粉红色砂岩之上,断层泥发育.断层错断了地表全新世松散沉积物(李家灵等, 1991).在微米尺度下,黏土矿物发生褶皱(图 3c).在纳米尺度下,黏土矿物的褶皱现象更加清晰,多片黏土矿物同步发生褶皱(图 3d).我们在采自其他活动断裂带的样品中还观察到片状黏土矿物的滑脱褶皱、剑鞘褶皱等变形样式(晁洪太等, 2009).

      • 在野外观察和采集的样品中,断层泥中黏土矿物的波状变形(或称流动构造)常见.图 4a样品采自山东郯城麦坡.在显微视域下,可见2种颜色断层泥相互融合,呈流动状态.图 4b样品采自江苏新沂桥北镇,该处断层属于郯庐断裂带的一段,地表断层地貌清晰,断层以走滑性质为主,断层错断了晚更新世和全新世松散沉积物,为全新世活动断层,对应距今4 960年左右的最新一次古地震事件(李家灵等, 1991).母岩为白垩系王氏组砂岩.在显微视域下,可见断层泥波状起伏,呈流动状态.

        图  4  发震断裂带内黏土矿物波状变形

        Figure 4.  Wavelike deformation of clay minerals in seismogenic fault zone

        上述断层泥的流动构造,在SEM视域下,表现为片状黏土矿物的波状变形.图 4c样品采自山东新泰.该处为新泰-蒙阴断裂,属于第四纪活动断裂,为正断性质,有走滑分量.母岩为古近系官庄组砾岩(砾石为灰岩成分)(晁洪太等, 1992).在微米尺度下,清晰可见片状黏土矿物呈波状起伏,似流水状.图 4d样品采自山东潍坊市朱里.该处断层属于郯庐断裂带的一段,是公元前70年安丘7级地震发震断裂的一段,断层性质以走滑性质为主,剖面上或显示逆冲,或显示正断(王志才等, 2015).母岩为白垩系王氏组砂砾岩.在纳米尺度下,可见片状黏土矿物呈波状起伏,同样具有流水状.

      • 在显微视域下观察岩石碎屑或颗粒矿物与黏土矿物之间的变形联系,主要表现为黏土矿物的绕砾滑动.图 5a样品采自山东平邑白彦官庄.该处为苍尼断裂的中段,属于全新世活动断层(晁洪太等, 1992).地表断层地貌较清晰,断层为走滑性质,断层错断了晚更新世和全新世松散沉积物,断层泥发育.母岩为太古界泰山群花岗片麻岩.本文作者的研究表明,该断裂属于公元前179年“齐楚地震”的发震断裂,震级为7级(晁洪太等, 2012).图 5a样品为最新滑动面附近受到错断的松散沉积物.放大20倍情况下,可见坚硬的长石矿物颗粒周围的黏土矿物出现定向排列,正交偏光下显示出波状消光带.图 5b样品采自山东莒县石井.断层泥中坚硬的长石矿物颗粒,具有一定的磨圆度,周围的黏土矿物出现绕砾滑动,呈“眼球状”构造.

        图  5  发震断裂带内黏土矿物绕砾滑动

        Figure 5.  Sliding around the gravels of clay minerals in seismogenic fault zone

        在SEM视域下,可以清晰观察片状黏土矿物与岩石碎屑或矿物颗粒之间的关系.图 5c图 5d样品采自山东新泰.在微米尺度下,可以看见片状黏土矿物紧贴坚硬的岩石碎屑定向排列.

      • 在SEM视域下,偶尔可见黏土矿物层间出现撕裂的现象.图 6a6b样品采自山东安丘于家山下.片状黏土矿物层间出现撕裂变形,黏土矿物出现“藕断丝连”现象.

        图  6  发震断裂带内黏土矿物撕裂变形

        Figure 6.  Entangling deformation of clay minerals in seismogenic fault zone

        上述发震断裂带内黏土矿物所表现出的褶皱变形、流动变形、绕砾滑动、撕裂变形4种变形样式,均是断层缓慢蠕变滑移的产物.

      • 野外宏观调查经常发现,一条发震断裂具有原地多次重复断错的特点,在山脊、水系等标志物处断错位移量统计数据具有分组现象,就是重要的证据(Wallace, 1970; 丁国瑜等, 1993; 邓起东和闻学泽, 2008).同样,在断层泥中,也保留有多期活动的证据,比如断层泥的分带等现象.在显微视域下,从断层泥条带中还可以经常观察到一些其他形式的滑移构造面,比如平行滑动条带(Y面)、吕德剪切(R1面)、菱形剪切破裂(R1面、R2面和Y面的组合)(晁洪太等,2001b).这些滑移构造面,都是断层粘滑滑移的结果.沿上述滑移面,片状黏土矿物进行定向排列,符合力学规律.在实验室模拟的黏土矿物变形中,也发现了上述现象(Haines et al., 2013).只是因为受到视域的限制,以往在显微视域下,只能从片状黏土矿物集合体的消光现象进行观察和描述.直到在SEM视域下观察,片状黏土矿物的具体表现,才较清晰地呈现出来.

        在活动断层研究和工程选址实践中,最重要的研究内容之一是确定断层的最新活动年代.断层最新年代的确定,一方面可以依赖于被断错的最新松散沉积物的测年,例如14C测年、热释光或光释光测年等.但是在没有发育松散沉积物的地区,只能依赖于断层物质(比如断层泥)的测年,例如热释光测年、电子自旋共振测年等(林传勇等, 1995).对断层泥进行测年,需要识别断层最新滑动面,并对最新滑动面进行采样,这样测得的年龄才更为准确.以往,人们常常难以把握断层最新滑动面(或带),因此在采集测年样品时,一般采集一块较大的样品,很显然,针对这一样品的测年结果,往往是一个混合年龄,而不能代表最新的滑动面(或带)的年龄.

        在野外调查过程中,可以凭借宏观标志和经验来判断识别新、老断层泥,并进而确定断层最新滑动面.但是,依然不准确.通过在显微视域和在SEM视域下观察断层泥中黏土矿物的表现,可以较准确地识别最新滑动面;进而可以指导人们在采集断层泥测年样品时更加精准,由此获得的测年数据也更为准确.值得提醒的是,最新一次滑动面(带),厚度大多为mm级,少数情况为cm级,因此更需要野外工作和实验室工作密切配合.

      • 在大量的野外调查中发现,发震断裂内断层泥的揉皱变形是普遍存在的.在显微视域下观察黏土矿物集合体的表现,即如图 5a5b颗粒矿物周边黏土矿物呈现的波状消光带,以及图 2a断层泥一侧所显现的波状消光.其原因是正如在SEM视域下看到的,片状黏土矿物呈褶曲排列或流动变形,在偏光显微镜下黏土矿物片与片之间的消光位出现角度差, 在转动薄片观察时就出现消光位延迟,故表现为波状消光.

        人们在发震断裂上发现断层蠕变滑移的标志,一度无法给出合理的解释.后来,人们就笼统地认为这样的断层本身就兼顾粘滑和蠕滑两种活动方式,即时而粘滑发震,时而蠕变滑移(不对应地震事件).或者认为,断层的某一段是粘滑段落,而另一段是蠕滑段落.

        直到本文作者利用SEM技术,在同一个视域内,观察到断层主滑移带同震粘滑滑移的标志与主滑移带旁侧叶理带内震前蠕变滑移的标志建立联系后,才认识到是断层在亚失稳阶段发生的蠕变滑移的产物(晁洪太等, 2016; Chao et al., 2017).也就是说,在应力作用下,断层的整个发震过程中存在2个阶段:第1阶段,亚失稳阶段的缓慢蠕变滑移,表现为黏土矿物的褶皱变形、流动变形、绕砾滑动、撕裂变形等.第2阶段:失稳阶段的快速粘滑滑移.表现为断层主滑移面上的擦线、黏土矿物的定向排列等.这一力学过程,得到了实验验证(马瑾等, 2012; 马瑾和郭彦双, 2014).我们在野外找到了实物证据,并给出了较为合理的解释.

        诚然,模拟实验研究表明,在以蠕变滑移方式活动的断裂带内,也可以观察到局部化的粘滑滑移变形(Haines et al., 2013).这正体现了断层运动的复杂性,与断层在蠕变滑移阶段也往往会伴随微(小)地震事件发生是一致的,这些微(小)地震事件的发生,无疑是断层局部化粘滑滑移的结果.我们在本文中所选择的研究对象,都是发生过较大地震事件的发震断裂,重点探讨了这些发震断裂带内带有普遍性的蠕变滑移现象.通过大量的观察,我们不认为这些蠕变滑移是通过后期断层粘滑滑移改造形成的,因为后期断层粘滑滑移改造的结果,一般表现为图 1b所显示的现象.因此,结合野外宏观观察,对比显微域和超显微域观察,我们认为发震断裂带内的蠕变滑移是一个重要的变形阶段, 而且从断层泥变形组构的相对空间位置上看,断层的蠕变滑移的确发生于粘滑滑移之前,应当对应于岩石在屈服阶段尤其是亚失稳阶段的变形(晁洪太等, 2016; Chao et al., 2017).

        需要补充说明的是,以上研究还是探索性的,资料分析也是初步的,有关研究结论有待进一步讨论或修正.今后工作的重点是选择更多地宏观研究程度较高的发震断裂,继续加强样品采集和实验室分析,更多地积累微观和超微观信息,以期对诸多关键问题进行回答,比如断层的多期粘滑滑移事件与主震、余震的关系,断层亚失稳阶段具体的物质变形组合和微观表现,断层蠕变滑移与粘滑滑移的先后时间关系, 断层在震后调整阶段是否也存在蠕变滑移等.另外,也积极开展模拟实验研究,即在已知边界条件下,模拟断层泥的不同滑动行为, 通过与天然断层泥的定量对比分析,进一步揭示发震断裂的运动学和动力学规律.

      • (1) 断层泥是发震断裂最显著的物质标志之一,它保留着许多断层活动的信息.可以在野外宏观调查和显微视域观察基础上,利用SEM技术,从纳微米尺度,研究发震断裂带内黏土矿物的组合形态和变形样式.

        (2) 黏土矿物在断层粘滑滑移过程中,主要表现为片状黏土矿物的定向排列.在显微视域下,表现为片状黏土矿物集合体的平行排列,在正交偏光显微镜下可见平行排列的消光带.在SEM视域下,可以更加清晰地观察到片状黏土矿物的定向排列,并可以识别多次断层粘滑滑移事件.

        (3) 借助在显微视域和在SEM视域下观察断层泥中黏土矿物的表现,可以较准确地识别最新滑动面,进而帮助我们更加精准地采集断层泥测年样品,由此获得的测年数据也更为准确.

        (4) 在断层泥中呈现的蠕变滑移现象,带有普遍性.在显微视域下观察黏土矿物集合体,表现为波状消光带.在SEM视域下,表现为黏土矿物的褶皱变形、流动变形、绕砾滑动、撕裂变形等现象.

        (5) 鉴于在同一个视域内,可以同时观察到粘滑滑移标志和蠕变滑移标志,通过分析其先后关系,发现蠕变滑移发生于断层粘滑滑移之前,对应于断层的亚失稳阶段的运动.

    参考文献 (77)

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