映秀-川北斷裂帶北東段巖石結(jié)構與巖石組成研究

映秀-川北斷裂帶北東段巖石結(jié)構與巖石組成研究

2008年5月12日，青藏高原東緣龍門山斷裂帶發(fā)生m。本文以映秀-北川斷裂帶北東段(北川斷裂帶)南壩地區(qū)露頭剖面為研究對象，通過野外觀測以及樣品采集、顯微構造觀察和地球化學分析等，來探討北川斷裂帶的巖石組成和內(nèi)部結(jié)構。雖然地表露頭所獲得的斷裂帶物質(zhì)受到風化過程的影響，但是該研究仍然可以揭示斷裂帶的構造變形及其活動性，為認識龍門山斷裂帶地震破裂機制和斷裂動力學提供科學依據(jù)。1基于構建背景和分析的分析1.1研究區(qū)地質(zhì)背景龍門山斷裂帶地處青藏高原與四川盆地之間(圖1a)，為中國東部和西部地形地貌的邊界，也是我國重要的地震活動帶之一(龍門山斷裂帶主要由三條近平行的逆沖斷裂帶組成(圖1b)，由西向東分別為:汶川-茂縣斷裂(龍門山后山斷裂)、映秀-北川斷裂(龍門山中央斷裂)和灌縣-安縣斷裂(龍門山前山斷裂)(映秀-北川斷裂不僅是青藏高原東緣地形陡變帶的邊界(本文研究區(qū)位于四川省平武縣南壩鎮(zhèn)地區(qū)，屬于映秀-北川斷裂帶北東段的北川斷裂帶。研究區(qū)內(nèi)主要發(fā)育有震旦、寒武、志留及泥盆紀的砂板巖互層，且有少量碳質(zhì)板巖(圖2)。其中震旦紀地層為千枚巖、結(jié)晶灰?guī)r、變砂巖和硅質(zhì)白云巖;寒武紀地層為變砂巖、板巖和硅質(zhì)巖;志留紀地層為千枚巖夾變砂巖、灰?guī)r;泥盆紀地層為石英砂巖、粉砂巖和泥巖。研究剖面位于寒武紀砂板巖中(圖2b)，并出露2008年汶川地震地表破裂帶(圖3)，破裂帶伴隨有～2m的垂直位移和～2.8m的右旋水平位移(1.2樣品化學特征檢測沿著南壩地區(qū)出露的北川段斷裂帶剖面，我們對斷裂巖及其圍巖進行了系統(tǒng)采樣。為確保取樣的連續(xù)性和完整性，斷裂兩盤斷層角礫巖帶和破碎帶取樣間距約0.5～2m，黑色斷裂物質(zhì)中間隔2～5cm連續(xù)取樣，共采集24塊樣品，其中20塊樣品進行了XRD測試(表1)，中間黑色斷裂物質(zhì)選取NB-1～5、斷層角礫巖帶樣品NB-12和破碎帶樣品巖石NB-14制成薄片。首先將巖石薄片在光學顯微鏡下觀察，然后對代表性樣品薄片在掃描電鏡下進行詳細觀測，包括礦物組成、顆粒大小、結(jié)構構造等特征，分析其微觀構造與斷裂流體作用。利用粉末樣品進行X射線衍射(XRD)儀器分析其物質(zhì)成分及結(jié)構等信息，通過微區(qū)X射線熒光分析儀(μXRF)對重要樣品薄片開展化學成分面掃描，分析元素分布特征。SEM和μXRF實驗在自然資源部深地動力學重點實驗室進行，XRD實驗在北京北達智匯微構分析測試中心進行。2斷裂體系及構造在南壩鎮(zhèn)北東方向～500m處的省級公路(S105)被2008年汶川地震錯斷，破裂面產(chǎn)狀為走向N44°E，傾向NW，傾角70°，被錯斷的公路產(chǎn)生～2.8m的右旋水平位移和～2m的垂直位移(圖3)，顯示出右旋走滑伴隨由NW向SE方向逆沖的運動學特征。震后公路重新修復，路邊斷裂帶明顯呈現(xiàn)。從地表露頭剖面來看，斷裂帶寬度約為30m，總體走向為N40°～45°E，以發(fā)育黑色斷裂物質(zhì)層為中心，兩側(cè)發(fā)育斷層角礫巖和破碎帶(圖4)。汶川地震破裂面沿黑色斷裂物質(zhì)層上邊界分布，斷裂帶上盤物質(zhì)為斷層角礫巖、破碎帶和具弱破裂的圍巖;斷裂帶下盤物質(zhì)為黑色物質(zhì)層、斷層角礫巖、破碎帶和具弱破裂的圍巖(圖4)，圍巖主要為變質(zhì)砂巖和板巖。斷裂帶上盤，與黑色物質(zhì)層相鄰的斷層角礫巖層厚約4m，其北西側(cè)破碎帶厚度約10m。斷裂帶下盤，黑色物質(zhì)層厚20～40cm，相鄰斷層角礫巖層厚約3m，其南東側(cè)的破碎帶厚度約12m，呈現(xiàn)出近對稱的單核斷裂結(jié)構。黑色物質(zhì)層與斷層角礫巖有明顯的邊界，其中北西邊界平直，南東邊界凹凸不平(圖4)，破碎帶與圍巖之間沒有明顯的界限。黑色斷裂物質(zhì)和斷層角礫巖均發(fā)育有弱面理(圖5a,d)。宏觀上看，黑色斷裂物質(zhì)固結(jié)較好且粒度較細(圖5e)，較脆易破碎，內(nèi)部未見明顯的角礫，可略見兩組面理構造(圖5a,b)。在黑色物質(zhì)層北西側(cè)邊界發(fā)育厚約10mm厚的狹窄的薄層(圖5b)，從2008年汶川地震快速應急調(diào)查現(xiàn)場結(jié)果來看，地表破裂面發(fā)育在黑色物質(zhì)層的上邊界面(圖3)，這狹窄的邊界層是汶川地震的滑動帶，貫穿整個黑色物質(zhì)層北西邊界，呈NW方向陡傾的面理。在黑色物質(zhì)帶中有一條厚約2～3cm的黃褐色條帶(圖5c)，它與旁邊的黑色塊體有較明顯的邊界(圖5c);另外，在黑色物質(zhì)層中可見SW向陡傾的面理(圖5)，與NW方向陡傾的汶川地震滑動帶呈～30°夾角。3斷裂巖中的擴展物質(zhì)性研究區(qū)中北川斷裂帶發(fā)育在寒武紀粉砂質(zhì)板巖中，破碎帶中巖石的顯微構造基本與粉砂質(zhì)板巖構造特征一致，斷層角礫巖保留有圍巖的部分構造特征，斷裂帶中黑色斷裂物質(zhì)幾乎看不見圍巖構造特征。破碎帶中的巖石原巖結(jié)構仍然保留(圖6a)，只是微破裂增多。斷層角礫巖主要由具有原巖特征的、大小不一的、角礫狀碎塊組成，碎塊之間不規(guī)則接觸，無明顯位移，斷層角礫巖中次生面理構造明顯(圖6b)，面理產(chǎn)狀與黑色斷裂物質(zhì)層近一致。黑色斷裂物質(zhì)在光學顯微鏡下主要呈黑色和棕灰色或灰褐色，呈塊狀和角礫狀結(jié)構(圖7)，其中黑色物質(zhì)總體粒度均勻，薄片中可見規(guī)模不同的不規(guī)則次生裂隙，裂隙中有被黃棕色物質(zhì)充填(圖7e)。黑色斷裂物質(zhì)層的西邊界與角礫巖接觸部位，可見變粉砂巖中汶川地震的滑動帶，同時在黑色斷裂物質(zhì)邊界有厚約0.5mm的滑動帶(圖8a)。棕灰色物質(zhì)基質(zhì)較為均勻，可見不規(guī)則次生裂隙，其內(nèi)部分布大小不一的黑色斷裂物質(zhì)碎塊，碎塊多為次棱角狀到次圓狀，可見渾圓塊體(圖7、圖8)，還可見砂巖礫(圖8b,c,e)，棕黃色物質(zhì)圍繞角礫邊緣分布(圖8c,d,f)。掃描電鏡(SEM)觀察顯示黑色斷裂物質(zhì)由很多粒徑大小不一(2～30μm)的石英顆粒和細小的黏土礦物組成(圖9)。其中可見水滴狀、球狀、環(huán)帶和孔洞狀構造(圖10),EDS成分分析顯示其主要為含Si質(zhì)成分物質(zhì)(圖10g,h)。4斷裂巖中礦物成分的特征斷裂帶樣品的XRD圖譜顯示(圖11)，破碎帶巖石、斷層角礫巖和黑色斷裂物質(zhì)主要礦物成分為:石英、微斜長石、斜長石以及黏土礦物，在黑色物質(zhì)層中除上述礦物外，還有黃鉀鐵礬和重晶石等礦物。黏土礦物主要為:伊利石、綠泥石、伊蒙混層，僅兩個黑色斷裂物質(zhì)樣品中含有蒙脫石。對20個斷裂帶樣品進行了礦物含量的分析(表1)?？傮w來看，黑色斷裂物質(zhì)(NB-1、NB-4、NB-5、NB-6、NB-7、NB-8、NB-9、NB-10)中石英含量31%～50%，長石含量18%～26%，黏土礦物成分含量24%～36%;斷層角礫巖(NB-11、NB-13、NB-14、NB-19、NB-20、NB-21)中石英含量35%～45%，長石含量24%～36%，黏土礦物成分含量18%～34%;破碎帶(NB-15～18、NB-22～24)中石英含量31%～47%，長石含量24%～45%，黏土礦物成分含量15%～45%。從破碎帶到斷層角礫巖再到黑色斷裂物質(zhì)，石英含量變化不大，但是長石含量逐漸降低，黏土礦物含量明顯增加。此外，對黑色斷裂物質(zhì)標本進行切割及表面拋光后，采用μXRF無損檢測技術對其切面進行元素掃描。測試結(jié)果(圖12)表明，深黑色角礫的Fe、K元素含量低于棕灰色的部分，深黑色角礫中的Ba、Ti、V含量高于淺色部分的，其中黑色角礫裂隙中的Ba、Ti、V含量明顯偏高。5討論5.1斷裂帶結(jié)構特點根據(jù)變形程度的不同，斷裂帶可分為斷層核部和破碎帶。斷層核部通常是作為一個滑移面或滑動帶，由斷裂巖(斷層泥、斷層角礫巖、碎裂巖或假玄武玻璃)組成，破碎帶通常是由具有破裂分布較寬的圍巖組成。斷裂核部寬度一般較窄，小斷裂可能僅有1～3mm寬，大斷裂也就10～30cm寬。斷裂帶核部寬度雖然很窄但卻容納了斷裂帶的大部分變形。斷裂帶可分為單核結(jié)構和多核結(jié)構這兩種典型類型(在研究區(qū)，北川斷裂帶中斷裂巖和破碎帶的呈規(guī)律分布，以陡傾的黑色斷裂物質(zhì)為中心，兩側(cè)分別為斷層角礫巖和破碎帶，并且它們的厚度基本一致，汶川地震滑動面沿黑色斷裂物質(zhì)層北西邊界分布，并有～10mm的滑動帶(圖3、圖5)，從顯微鏡下觀察到的滑動帶則更窄。該黑色斷裂物質(zhì)是早期斷裂滑動所產(chǎn)生的直接或間接物質(zhì)，是斷裂帶的高應變帶。因此，北川斷裂帶具有典型的單核結(jié)構特征，寬度～30m。在映秀-北川斷裂帶南西段虹口地區(qū)，映秀斷裂帶寬約240m，由五個次級不同的斷裂巖帶組成:碎裂巖帶(具有假玄武玻璃)、黑色斷層泥和角礫巖帶、灰色斷層角礫巖帶、深灰色斷層角礫巖帶以及斷層泥和角礫巖帶，斷裂巖組合顯示映秀斷裂帶具有多核斷裂結(jié)構特征(5.2斷裂帶南分段從XRD分析結(jié)果(表1、圖11)來看，研究區(qū)內(nèi)的黑色斷裂物質(zhì)中黏土礦物含量較高(24%～36%)，從SEM圖像可見，黏土礦物顆粒細小呈無方向性分布，局部可見細小的伊利石圍繞石英顆粒邊部生長(圖9b)，為后期形成的黏土礦物。以上表明黑色物質(zhì)可能是斷層泥，但其質(zhì)地脆且易碎、為相對均質(zhì)的塊狀結(jié)構，不同于普通斷層泥呈松軟狀和映秀-北川斷裂帶南西段虹口地區(qū)具有棱角狀大小不一的碎塊及帶狀構造的斷層泥(部分黑色斷裂物質(zhì)(NB-6,-7)的局部XRD圖譜顯示，在16°～34°的低衍射角(2θ)范圍具有寬的非晶質(zhì)物質(zhì)衍射波譜的峰帶特征(圖13)，在SEM圖像中發(fā)現(xiàn)有水滴狀、球狀、環(huán)帶和似氣孔狀構造的熔融結(jié)構(圖10)，這些特征都明顯指示了斷裂核部黑色物質(zhì)具有熔融形成的假玄武玻璃的特征，表明該黑色斷裂物質(zhì)是假玄武玻璃斷層脈，是古地震的產(chǎn)物。此外，黑色物質(zhì)的Fe、Ba、Ti元素含量相對較高(圖12)，這與映秀-北川斷裂帶虹口地區(qū)出露的假玄武玻璃具有高Fe、Ba、Ti含量的特征(顯微結(jié)構觀察顯示，黑色物質(zhì)中只發(fā)現(xiàn)了類似氣孔和球粒構造，沒有看到由于熔融而產(chǎn)生的明顯的流動構造、不同類型微晶和不規(guī)則港灣狀構造等，可能是后期蝕變作用造成熔融特征被覆蓋。斷裂帶是流體的通道(5.3滑動川斷裂帶的機制5.3.1滑動面為斷裂帶底部大量的研究發(fā)現(xiàn)斷裂帶的地震滑動過程中，滑動面通常分布在斷裂帶底部，如映秀-北川斷裂帶南部虹口露頭中，2018年汶川地震破裂面發(fā)育在映秀斷裂帶底部(5.3.2斷裂潤滑是斷裂帶的弱化機制斷裂滑移過程可分為速度弱化和速度強化(我們的研究認為南壩露頭中黑色斷裂物質(zhì)是蝕變的假玄武玻璃，其中保存有少量熔融特征，指示了斷裂滑移過程中存在摩擦熔融潤滑的弱化機制，表明摩擦熔融潤滑是北川斷裂帶重要的弱化機制。目前研究認為假玄武玻璃斷層脈的厚度隨斷層滑移量的增大而增加(6含假玄武玻璃帶的斷裂發(fā)育本文通過對映秀-北川斷裂帶北東段南壩地區(qū)地表露頭調(diào)查，結(jié)合顯微構造、XRD、μXRF等手段對斷裂帶內(nèi)部巖石進行綜合分析，得出以下幾點結(jié)論:(1)北川斷裂帶寬度約30m，由假玄武玻璃、斷裂角礫巖和破碎帶組成。以含假玄武玻璃帶為核部，兩側(cè)均發(fā)育厚度不等的斷層角礫巖帶和破碎帶，構成近對稱的單核斷裂結(jié)構，暗示其構造演化歷史與南西段虹口地區(qū)～240m寬的映秀斷裂帶相比較短。(