斷層泥粒度特征及其與物理力學(xué)參數(shù)關(guān)系初探

張 海 峰

(甘肅省建筑設(shè)計(jì)研究院，甘肅 蘭州 730030)

斷層泥粒度特征及其與物理力學(xué)參數(shù)關(guān)系初探

張 海 峰

(甘肅省建筑設(shè)計(jì)研究院，甘肅 蘭州 730030)

斷層泥是斷層活動(dòng)的產(chǎn)物，為研究斷層的形成及環(huán)境演變提供了豐富的信息。通過(guò)統(tǒng)計(jì)已有斷層泥粒度，并按沉積物粒度分析的經(jīng)典方法繪制概率曲線，計(jì)算粒度參數(shù)，結(jié)果表明：平均粒徑MZ、分維值D和物理力學(xué)參數(shù)之間都有良好的相關(guān)關(guān)系。從而反映出斷層泥是斷層多期次性活動(dòng)的產(chǎn)物，不同的斷層活動(dòng)形式和不同程度的水巖相互作用產(chǎn)生不同性質(zhì)和粒度的斷層泥。

斷層泥，中位值，平均粒徑，眾數(shù)

1 概述

斷層泥是斷層反復(fù)運(yùn)動(dòng)時(shí)，兩盤(pán)巖石錯(cuò)動(dòng)—破碎—研磨而形成的含有一定粘土礦物的斷層巖，該過(guò)程記錄了斷層活動(dòng)的多種信息，特定的斷層活動(dòng)必然具有特定的斷層泥粒度特征及其組合。因此，研究斷層泥的特征與成因具有重要的地質(zhì)意義。斷層泥在斷層活動(dòng)中不斷地受到機(jī)械破碎、剪切研磨和擠壓等作用，其物理、力學(xué)性質(zhì)必將會(huì)發(fā)生一定程度的變化，而這些變化會(huì)在粒度參數(shù)上有所體現(xiàn)。因此，根據(jù)斷層泥的粒度參數(shù)及組合特征，可以分析斷層泥的成因，進(jìn)而獲悉斷層運(yùn)動(dòng)方式、過(guò)程等重要的環(huán)境信息。鑒于此，許多學(xué)者對(duì)斷層泥的諸多方面進(jìn)行了研究：斷層泥的裂變徑跡法測(cè)斷層活動(dòng)年代[1]；斷層泥組構(gòu)特征(特征礦物)[2,3]、石英顆粒微形貌特征[4,5]、石英碎粒表面SEM特征、摩擦強(qiáng)度[6]以及斷層顆粒的分形特征與斷層活動(dòng)方式、期次和活動(dòng)年代的關(guān)系等等。此外，斷層泥粒度的研究也比較多，自Sammis1987年將分形理論應(yīng)用到斷層泥研究領(lǐng)域后，中國(guó)不少學(xué)者將分形理論應(yīng)用到斷層泥粒度分維上。前人對(duì)斷層泥粒度的研究在不斷完善，但都未從粒度本質(zhì)上系統(tǒng)地揭示斷層的活動(dòng)性以及和物理力學(xué)性質(zhì)的關(guān)系，本文通過(guò)搜集大量資料，應(yīng)用沉積學(xué)分析方法全面探討斷層泥粒度、粒度參數(shù)及其兩者之間，以及和物理力學(xué)參數(shù)的關(guān)系，進(jìn)而解釋斷層的活動(dòng)性。

2 斷層泥粒度特征

文獻(xiàn)[4]中所述均是控制性斷裂帶，比較具有代表性，因此從中選取了71個(gè)樣品進(jìn)行計(jì)算、分析。本文選取其中最具代表性的粒度參數(shù)來(lái)說(shuō)明斷層泥的粒度分布。

2.1斷層泥粒度參數(shù)特征

2.1.1數(shù)據(jù)和計(jì)算公式的選取

圖解法是根據(jù)繪制出的布曲線圖，在圖中讀出代表性的粒徑值，然后根據(jù)選定的參數(shù)公式進(jìn)行計(jì)算。計(jì)算公式如下：

(1)

(2)

(3)

(4)

其中，MZ為平均粒徑；S0為分選系數(shù)；σ1為標(biāo)準(zhǔn)偏差；SK1為偏度；Kg為峰度(尖度)；Md為中位數(shù)值；M0為眾數(shù)；Q1為累計(jì)曲線上累計(jì)百分含量為75%的顆粒；Q3為累計(jì)曲線上累計(jì)百分含量為25%的顆粒。

2.1.2粒度參數(shù)

1)Md,MZ,M0。

Md，MZ，M0可以反映斷層泥粒度分布的規(guī)律，反映了斷層活動(dòng)的動(dòng)能趨勢(shì)。從圖1中MZ的分布可以看出，75%的樣品粒徑主要集中在0.005 mm～0.075 mm范圍，邵順妹、鄒謹(jǐn)敞認(rèn)為，斷層帶要產(chǎn)生斷層泥需同時(shí)具有蠕滑和粘滑兩個(gè)特征，驗(yàn)證了不同構(gòu)造期次的斷層帶是兩種滑動(dòng)形式的組合。根據(jù)三個(gè)粒度參數(shù)值不完全相同，表明斷層泥的粒度不遵從正態(tài)分布。

2)標(biāo)準(zhǔn)偏差σ1、偏度SK1和峰度Kg。

表1 標(biāo)準(zhǔn)偏差、偏度和峰度分級(jí)

根據(jù)表1，標(biāo)準(zhǔn)偏差小于0.8的占53%，表明斷層泥的分選性較好；偏度均大于0.01，表明斷層泥粗細(xì)顆粒分布均勻性較差；偏度均值0.76，表明斷層泥的顆粒組成當(dāng)中，以細(xì)顆粒為主。

峰度值及其變化與物質(zhì)來(lái)源、環(huán)境、外來(lái)物的加入和沉積區(qū)的改造能力密切相關(guān)。峰度值極尖窄(>1.11)的部分占68%，表明斷層具有較強(qiáng)的改造能力。

2.2斷層泥粒度參數(shù)之間的關(guān)系

斷層泥粒度參數(shù)σ1和M0,MZ之間具有線性相關(guān)，M0,MZ和σ1呈正相關(guān)。根據(jù)圖2所示，D和MZ呈負(fù)相關(guān)，和S0呈正相關(guān)。同時(shí)從分維值D的大小可以看出，78%的樣品的D值介于2.5～2.9。這也說(shuō)明斷層泥的形成是由斷裂構(gòu)造運(yùn)動(dòng)在高頻剪切變形與低頻剪切變形反復(fù)運(yùn)動(dòng)后形成的產(chǎn)物。

3 斷層泥粒度與物理力學(xué)參數(shù)

本文選取的一些斷層泥的物理力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表2,圖3，對(duì)斷層泥粒度和物理力學(xué)參數(shù)之間進(jìn)行嘗試性探討。

斷層活動(dòng)的劇烈程度與斷層泥粒度的分布密切相關(guān)，斷層泥的粒度分布又決定了斷層泥的物理力學(xué)性質(zhì)。簡(jiǎn)言之，斷層活動(dòng)方式?jīng)Q定了斷層泥粒度的特征。

4 結(jié)語(yǔ)

根據(jù)斷層泥粒度參數(shù)分析，75%的樣品粒徑大小集中在0.005 mm～0.075 mm，具有蠕滑和粘滑兩個(gè)斷層特征，斷層泥的粒度不遵從正態(tài)分布。計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)偏差、偏度和峰度的結(jié)果顯示，斷層泥的分選性較好，顆粒組成當(dāng)中，以細(xì)顆粒為主，表明斷層具有較強(qiáng)的改造能力。斷層泥粒度參數(shù)σ1和M0,MZ之間具有的線性相關(guān)，眾數(shù)M0和平均粒徑MZ和標(biāo)準(zhǔn)偏差σ1呈正相關(guān)。斷層泥粒度和物理力學(xué)參數(shù)之間相關(guān)性顯著。

[1] 張 峰，王世杰.長(zhǎng)江三峽壩區(qū)斷層泥的裂變徑跡法年齡[J].地質(zhì)科學(xué)，2001，36(1):101-106.

[2] 張秉良，向宏發(fā)，虢順民，等.六盤(pán)山東麓斷裂斷層泥的組構(gòu)特征及其意義[J].地震地質(zhì)，2000，22(1):47-52.

[3] 胡道功,吳樹(shù)仁,殷秀蘭.仙女山斷裂帶斷層泥分維值與斷裂活動(dòng)關(guān)系[J].地球?qū)W報(bào)，1999，20(2)：137-141.

[4] 邵順妹，鄒謹(jǐn)敞.西秦嶺北緣斷裂帶和海原斷裂帶斷層泥粒度分布和分形研究[J].內(nèi)陸地震，2000，14(1)：30-31.

[5] 諶文武.斷層巖的工程性質(zhì)與環(huán)境效應(yīng)[D].蘭州:蘭州大學(xué)，2004.

[6] 易順民，唐輝明.斷層泥粒度成分的分形研究[J].地震地質(zhì)，1995，17(2):185-191.

Grainsizecharacteristicsoffaultgougeanditsrelationwithphysicalandmechanicalparameters

ZhangHaifeng

(GansuArchitecturalDesignandResearchInstitute,Lanzhou730030,China)

Fault gouge is the product of fault activity and provides abundant information for the study of fault formation and environmental evolution. According to the statistical existing fault gouge size, the classical method and according to the analysis of sediment grain size probability curve drawing, calculation of grain size parameters, the results show that the average particle size ofMZ, the fractal dimension value betweenDand physical mechanical parameters have good correlation. It shows that fault gouge is the product of multiple stages of fault activity. Different fault activity forms and different degrees of water rock interaction produce fault gouge with different properties and sizes.

fault gouge, median, average particle size, mode

1009-6825(2017)28-0062-02

2017-07-23

張海峰(1981- )，男，工程師

P694

A