應(yīng)用石英微形貌特征測定斷層活動年齡

陳 艷

確定活斷層最新一期的活動時代，對大型工程選址、建/構(gòu)筑物的地震安全性評價等具有重要意義。如地層出露或揭露情況良好，可以通過地質(zhì)學(xué)方法進行確定(最老未錯斷地層的形成時代即為斷層最后一次活動時代)。但是，對隱伏于第四系之下或發(fā)生殲滅的活動性斷層，通常很難發(fā)現(xiàn)其地層切割關(guān)系，因此需要對斷層產(chǎn)物(斷層泥、斷層角礫等)進行形成時代判定。利用斷層泥中的穩(wěn)定礦物如石英、長石、磷灰石等的熱力學(xué)、形貌特征等反演斷層的最新活動時代，是主要工作方法。其中，電子自旋共振法(ESR)、熱釋光法(TL)和礦物微形貌法是三種最主要的測年手段。通過這些測試手段，不僅可以查明地質(zhì)方法無法探明的隱伏斷層的活動年齡，而且測定的年齡可以比地質(zhì)方法更精確(如TL法可測定距今幾百年的活動性斷層)，因此得到廣泛應(yīng)用。

值得注意的是，ESR法和TL法均有其不足之處。如在應(yīng)用TL測年時，如果最新一期斷層的活動強度較小(溫度壓力不足)，會導(dǎo)致該方法測定的年齡偏老。基于此，20世紀80年代由Kanaori等[1]發(fā)明了通過礦物微形貌特征判定斷層活動年代的方法，通過30年的發(fā)展，該方法盡管還存在較多的不足，但業(yè)已成為ESR法和TL法測年的重要驗證方法。由于石英是地球表層巖/地層中廣泛分布的礦物(占地殼含量的12.6%)[2]，同時其具有很難風(fēng)化分解的特征，因此被廣泛用作形貌測年。

應(yīng)用斷層泥中石英的微形貌特征進行活動性斷層測年業(yè)已在理論和工程應(yīng)用方面獲得了許多進展，然而，該方法尚存在一些理論和應(yīng)用方面的問題，因此值得做進一步研究。本文的目的是通過總結(jié)石英形貌測年的基本原理、應(yīng)用情況和存在的問題，探討解決問題的主要方法和手段，為發(fā)展和完善該測年方法提供一些工作思路。

1 基本原理

通常認為，石英是表生環(huán)境中最穩(wěn)定的礦物。與其他硅酸鹽礦物相比，石英具有簡單的元素組成(Si和O)，同時其結(jié)構(gòu)中的Si-O鍵均為橋氧鍵，在(近)地表的溫度和壓力條件下，橋氧鍵不易斷裂，因此石英不易分解。根據(jù)前人的研究，25℃條件下硅的溶解度為11 ppm[3];pH=7.5，溫度25℃條件下石英的溶解速率很慢，約為 10－16.1mol·cm－2·s－1，并且其溶解速率在 pH ＜ 9 時受溫度壓力的影響較小[4]。由此，可假設(shè)地球表生環(huán)境中的石英具有相同的溶解度和溶解速率。斷層形成或再活動過程中，會導(dǎo)致斷層帶內(nèi)的石英顆粒破碎，產(chǎn)生新鮮面，這些新鮮面會在隨后的地質(zhì)歷史中經(jīng)歷風(fēng)化作用;由于石英的風(fēng)化速率與所處環(huán)境條件無關(guān)，因此，可以認為，斷層帶內(nèi)石英顆粒表面形貌和結(jié)構(gòu)的復(fù)雜程度，僅僅為時間的函數(shù)，即新形成的表面經(jīng)歷的時間越久，其溶蝕微形貌和結(jié)構(gòu)越復(fù)雜;相應(yīng)地測定了石英顆粒的表面微形貌和結(jié)構(gòu)特征，即可反推其形成的時間。此即應(yīng)用石英形貌學(xué)進行斷層測年的基本原理。Kanaori等[1]依據(jù)掃描電鏡的結(jié)果，應(yīng)用統(tǒng)計的方法，將石英表面形貌特征分為四組共九種，按溶蝕形貌由簡單到復(fù)雜依次分為:貝殼狀、次貝殼狀、桔皮狀;魚鱗狀、苔蘚狀;鐘乳狀、蛀蝕狀;洞穴狀、珊瑚狀。不同的溶蝕形貌對應(yīng)不同的形成年齡，其中洞穴狀和珊瑚狀形貌代表的年齡可達上百萬年，因此，根據(jù)石英表面溶蝕微形貌可以反映中新世以來的斷層活動。值得注意的是，一個斷層可能經(jīng)歷多期活動，因此斷層泥中的石英會經(jīng)歷多次構(gòu)造運動的改造，每一次構(gòu)造運動均會造成其形貌發(fā)生改變或形成新的破碎面。因此，斷層泥中石英的復(fù)雜微形貌通常與多期構(gòu)造運動疊加有關(guān)，其顯微形貌特征通常反映了最后或最強一次斷裂活動[5]。

除了溶蝕形貌，斷層泥中的石英顆粒表面還可能殘留部分斷層活動過程中因機械應(yīng)力產(chǎn)生的特殊形貌如擦痕、斷口等，利用這些形貌特征，可以判定斷層的滑動方式(蠕滑和粘滑)[5-8]，如彎曲擦痕、研磨坑、晶內(nèi)微裂隙、階步狀刻痕等通常代表蠕滑運動，而撞擊碎裂痕、平直擦線等代表粘滑運動。

2 應(yīng)用進展

Kanaori等[1]于1980年首先提出應(yīng)用石英形貌學(xué)測定斷層活動時代這一思路，經(jīng)過30余年的發(fā)展，該方法已發(fā)展為成熟的測年方法。盡管不能確定斷層活動的絕對年齡，但該方法已成為ESR法和TL法的重要補充方法。在確定活動性斷層的最新活動時代研究中，利用這幾種方法的組合開展研究，獲得了許多重要進展。

國內(nèi)于20世紀80年代初即利用該方法開展了許多斷層活動時代的研究，如楊主恩等[9]率先研究了紅河斷裂帶和曲江斷裂帶活動時代與斷層泥中石英微形貌的關(guān)系，同時通過模擬實驗開展了采用石英微形貌特征判定斷層活動方式的研究[10];隨后王華林、張秉良、尹功明、張瑛杰、林傳勇等[11-15]在90年代開展了大量的相關(guān)研究，不僅發(fā)展和完善了該方法，而且實現(xiàn)了其在地震研究中的廣泛應(yīng)用。21世紀以后，該方法得到進一步發(fā)展，其應(yīng)用領(lǐng)域更加廣泛，如汪明武等[16]利用該方法對潤揚大橋的橋基斷裂活動性進行了評價;申俊峰等[8]應(yīng)用該方法對西藏那林卡斷裂的活動期次、各期次的活動類型和最新活動時代進行了綜合研究。該方法業(yè)已廣泛應(yīng)用到構(gòu)造、地震、工程地質(zhì)等諸多研究領(lǐng)域。

3 存在的問題

石英風(fēng)化速率問題:通常認為，表生條件下影響礦物風(fēng)化的因素有溫度，pH，Eh，鹽度，氧逸度等，近年的研究發(fā)現(xiàn)生物也是影響風(fēng)化速率和風(fēng)化程度的重要因素。如微生物代謝可以產(chǎn)生酸、有機絡(luò)合物等，這些物質(zhì)可以與礦物作用，顯著加速礦物的分解;微生物還可以形成生物膜，改變礦物表面的微環(huán)境，影響礦物的分解;此外，微生物的氧化還原作用，也會影響礦物的形成和分解。研究表明[17]，雖然石英是表生環(huán)境中穩(wěn)定性很好的礦物，但在微生物的作用下，其分解速率仍然會有數(shù)量級的增長。在地表以下不太深、溫度不太高的位置，往往會存在較大數(shù)量的微生物[18]，這些微生物會顯著加速圍巖中礦物的分解速率。由此可見，石英的風(fēng)化速率并非一成不變，而是受環(huán)境條件(尤其是微生物)的影響較大。

當(dāng)斷層泥由多期斷層活動產(chǎn)生時，在通過石英形貌學(xué)判定最新一期斷層活動的研究中，需特別注意樣品的采集方式。在斷層泥厚度較大的情況下，需區(qū)分斷層泥的形成順序，采集最新活動形成的斷層泥;在斷層泥厚度較小的情況下，則可以進行全序列采樣。但是，兩種采樣方法均存在較多的問題，如很難確定哪個層位的斷層泥是最新斷層活動的產(chǎn)物，盡管前人業(yè)已提供了不少判定方法，但這些方法均有其適用的條件[11，13，14];而進行全序列采樣時，則會導(dǎo)致分析和統(tǒng)計的工作量增大。

4 展望

石英形貌學(xué)測年方法業(yè)已成為活動性斷層定年的有效手段，通過該方法可以彌補ESR和TL法測年的不足，然而，如前所述，該方法尚存在較多的科學(xué)問題，因此需要開展進一步的工作將該方法從理論和應(yīng)用方面加以完善。

目前對石英形貌的分類還存在較多的問題，其中一個重要的問題是對石英形貌僅僅進行了定性分類，因此通過形貌比對獲得的構(gòu)造年齡也是定性的，即很難精確定年。除了形貌觀察外，有必要應(yīng)用其他先進的現(xiàn)代分析技術(shù)如X射線光電子能譜(XPS)、俄歇電子譜(AES)等，對具有特殊形貌的石英表面進行成分分析，發(fā)展石英形貌學(xué)定年的定量化標準。

“石英溶解速率不變”這一假設(shè)受到了近年相關(guān)研究的挑戰(zhàn)，有必要進一步開展石英溶解速率的研究，以修正石英溶解速率同其表面形貌特征的對應(yīng)關(guān)系。

樣品的采集方法通常會對石英形貌特征研究產(chǎn)生較大影響，在科研過程中，很有必要發(fā)展更方便快捷且準確的采樣方法。

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