龍門山斷裂脆塑性轉(zhuǎn)化帶內(nèi)花崗巖的流體特征與裂縫愈合的實(shí)驗(yàn)?zāi)M研究

韓 亮

（中國(guó)地震局地質(zhì)研究所，北京100029）

（作者電子信箱，韓亮：hanliangla＠163.com）

汶川MW7.9級(jí)大地震的發(fā)震斷層具有高角度逆沖滑動(dòng)特征。通過對(duì)高角度逆斷層滑動(dòng)的力學(xué)條件的分析表明，龍門山斷裂深部可能存在高孔隙流體壓力有利于斷層的失穩(wěn)滑動(dòng)。利用現(xiàn)有的技術(shù)手段無法獲得中地殼深度斷層內(nèi)的流體特征。龍門山斷裂帶是一條逆沖推覆的構(gòu)造帶，這使得地質(zhì)歷史早期的龍門山斷裂深部的彭灌雜巖體抬升到地表，并保留了當(dāng)時(shí)的深部流體特征和變形特征。研究地表露頭的變形花崗巖能夠推斷過去的龍門山地區(qū)的深部環(huán)境，從而了解過去該地區(qū)的深部強(qiáng)震孕育機(jī)理，這能夠幫助理解現(xiàn)今龍門山地區(qū)類似汶川地震的強(qiáng)震的發(fā)生機(jī)理。

通過對(duì)汶川地震地表破裂帶地質(zhì)調(diào)查，在映秀—北川斷裂南段和中段出露的韌性剪切帶內(nèi)采集了變形花崗巖樣品，開展了石英的變形組構(gòu)研究，確定斷層脆塑性轉(zhuǎn)化帶巖石的變形溫度，估算塑性流動(dòng)應(yīng)力。利用傅里葉變換紅外吸收光譜儀（FTIR），研究變形花崗巖中主要礦物的微量水的賦存類型、含量和分布；利用顯微冷熱臺(tái)和激光拉曼探針，測(cè)試了石英中的流體包裹體的成分、冰點(diǎn)和均一溫度，估算了深部流體的捕獲深度和孔隙流體壓力。在考慮存在流體壓力的情況下，初步建立了龍門山地區(qū)地殼流變結(jié)構(gòu)，并討論了高孔隙流體壓力對(duì)斷層滑動(dòng)的影響。采用Carrara大理巖，在熔融鹽固體介質(zhì)三軸高溫高壓實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中開展斷層帶微裂縫愈合的模擬實(shí)驗(yàn)，研究了動(dòng)態(tài)重結(jié)晶作用、水和應(yīng)變對(duì)方解石裂隙愈合的影響。結(jié)合野外樣品研究結(jié)果和大理巖微裂隙愈合的模擬實(shí)驗(yàn)，討論了脆塑性轉(zhuǎn)化帶內(nèi)石英的動(dòng)態(tài)重結(jié)晶作用對(duì)斷層帶內(nèi)裂縫的愈合的影響。

研究結(jié)果表明，映秀—北川斷裂深部存在非均勻塑性流動(dòng)，韌性剪切帶中石英和長(zhǎng)石以中溫位錯(cuò)蠕變?yōu)橹鳎冃蔚臏囟燃s400～500℃，流動(dòng)應(yīng)力約15～80MPa。斷層核部的石英因動(dòng)態(tài)重結(jié)晶而強(qiáng)烈細(xì)粒化，其變形機(jī)制轉(zhuǎn)變?yōu)閿U(kuò)散蠕變。石英和長(zhǎng)石內(nèi)的微量水以晶體缺陷水、顆粒邊界水和流體包裹體水的型式存在，其中石英的水含量約0.001 wt%～0.031 wt%，長(zhǎng)石的水含量約0.004wt%～0.103wt%，水含量隨巖石的應(yīng)變?cè)黾佣撸砻鲾鄬訋е行牧黧w含量相對(duì)較高，流體對(duì)斷層帶內(nèi)的巖石變形和斷層滑動(dòng)具有弱化作用。

根據(jù)石英中的NaCl－H2O 體系的流體包裹體研究，得到包裹體水的捕獲溫度約330～350℃，流體壓力約110～420 Mpa，這種流體可能形成于接近18～19km 深度。由此估計(jì)的深部斷層帶內(nèi)的流體壓力系數(shù)約為0.15～0.9，局部存在接近靜巖壓力的高壓流體。基于不同流體壓力系數(shù)建立的龍門山地區(qū)地殼流變結(jié)構(gòu)顯示，高壓流體能夠顯著弱化斷層強(qiáng)度，增加脆塑性轉(zhuǎn)化帶深度，導(dǎo)致在靜水壓條件下處于脆塑性轉(zhuǎn)化帶頂部的斷層，在高壓流體作用下能夠發(fā)生脆性滑動(dòng)。

Carrara大理巖微裂隙愈合實(shí)驗(yàn)表明，在室溫和高應(yīng)變速率下樣品脆性破裂產(chǎn)生微裂隙，在高溫和低應(yīng)變速率條件下通過方解石的動(dòng)態(tài)重結(jié)晶作用而愈合，水和大應(yīng)變能夠促進(jìn)微裂縫愈合。動(dòng)態(tài)重結(jié)晶作用引起裂隙愈合的機(jī)制，在映秀—北川斷裂南段的韌性剪切帶中也存在，表明這可能是脆塑性轉(zhuǎn)化域內(nèi)斷層裂隙愈合的主要機(jī)制之一。這種愈合作用有利于斷層帶內(nèi)高壓流體的形成。