塔木素高放廢物預選區斷層泥石英表面掃描電鏡特征及斷層活動性分析

饒 崢,黎廣榮,劉曉東,3,劉平輝,劉 帥,王 超,郭 超,倪鳳娟

(1.東華理工大學地球科學學院,南昌 330013；2.核資源與環境國家重點實驗室,南昌 330013；3.九江學院,九江 332005)

斷層泥是斷層反復運動的產物[1-2],由于石英具有結構穩定、機械強度大、溶解速率低、抗溶蝕能力強等特點,因而在斷層泥中通常會保留一定量的石英碎礫,這些石英碎礫能夠很好地記錄斷層的活動信息[3]。斷層活動產生的石英表面微形貌與母巖的巖性沒有關系,主要是受到斷層活動歷史的影響[4-5]。

一般情況下石英碎礫新鮮表面會出現典型的貝殼狀斷口,另外，斷層活動過程中產生的斷層應力可能導致碎礫之間發生刻劃、撞擊、壓裂等作用,有可能在碎礫表面留下擦線、刻槽、碎裂痕、壓裂紋等應力痕跡[6]。當斷層停止活動后,斷層泥中的石英碎礫表面受到溶蝕作用,使得斷層活動過程中由應力作用形成的應力痕跡微形貌隨著時間逐漸弱化乃至消失。遭受溶蝕的時間不同,溶蝕微形貌特征明顯不同,多表現為起伏凹凸,如溶蝕坑、溝、槽等[7]。由此看來,斷層泥中最穩定且能被大量保留的石英碎礫通常具有成因完全不同的2種微形貌特征:一種是在由于斷層應力作用形成的能夠反映斷層活動期次和活動方式信息的應力痕跡微形貌[8-9]；另一種是由于溶蝕作用形成的能夠指示斷層活動年代的溶蝕微形貌[9-10]。

目前，對斷層活動性的識別很大程度上還是依據野外宏觀考察和有關資料的綜合分析[11]。近幾十年來,中外學者越來越重視斷層物質的研究。1985年,Kanaori等[12]根據電子顯微鏡掃描結果,將石英碎礫表面溶蝕形貌分為8類結構,并與斷層泥中石英顆粒的熱釋光(thermo luminescence,TL)年齡對比,建立了石英顆粒表面微形貌特征類型的相對時間標尺。1985年,楊主恩[13]又進一步將Kanaori的分類結果進一步細化。這種方法已被廣泛應用于斷層活動性的研究,如鮮水河斷裂[14]、竹英-貢達斷裂[15]、白龍江斷裂[16]、仙女山-九畹溪斷裂[4]等。

塔木素地區是高放廢物黏土巖處置庫重點預選區域,發育多條斷層,前人對于這些斷層的活動性研究較少。現通過對塔木素預選區附近塔木素斷裂(F2)和那仁哈拉斷裂(F7)斷層泥石英微形貌的掃描電鏡觀察結果,對其活動歷史及活動性進行探討,為判斷塔木素地區區域構造的穩定性以及有利地段的最終確定提供一定的理論依據。

1 研究區地質背景

1.1 研究區概況

塔木素研究區位于內蒙古自治區阿拉善右旗,靠近中蒙邊境,西臨巴丹吉林沙漠(圖1)。海拔高度為1 260～1 320 m,常年干旱少雨,使得地表大部分區域被第四紀沉積物及沙丘所覆蓋。研究區地勢總體呈現出西高東低、北高南低的趨勢。

圖1 塔木素地理位置示意圖Fig.1 Geographical location map of Tamusu

1.2 研究區構造特征

塔木素斷裂(F2)位于塔木素北部一帶(圖2),長度約40 km,走向呈北東70°,傾角70°～80°,向南東傾斜。野外踏勘發現,斷層僅其西段部分出露,中部和東段均被上覆地層覆蓋,露頭處巖石較為破碎,節理十分發育,具有壓性斷裂特征。區域地球物理資料顯示,該斷裂為一控盆斷裂,具有發育時間早、活動時間長、延伸距離遠的特點,屬研究區北部的基底斷裂,形成于侏羅紀早中期,在晚侏羅紀擠壓應力作用下,斷裂性質發生改變,轉為逆沖斷層,逆斷層包括逆沖斷層均屬于壓性斷層[17]。根據巴音戈壁組下段地層中出現的拖曳現象可以看出斷層可能發生過微弱的左行扭動。

圖2 塔木素地區構造和采樣點位置圖Fig.2 The structural diagram of the Tamusu and location of sampling points

那仁哈拉斷裂(F7)位于呼勒斯陶勒蓋呼都格-那仁哈拉山-塔布陶勒蓋一帶,總長約250 km,走向近北東75°,將因格井凹陷一分為二,是一條區域性控盆斷裂(圖2),上覆地層為上白堊統紅層和第四系地層,整體呈向南突出的弧形隱伏大斷裂。野外踏勘發現,斷裂僅在那仁哈拉晚石炭世地層中才能看見較清晰的構造形跡,造成石炭紀地層的隆起,見山前平直陡坎或山間條形洼地。北西盤發育同組小斷裂,產狀337°∠64°,小斷裂中見斷層泥,兩盤巖石破碎,各種劈理發育,而南東盤上白堊統紅層中小斷裂不發育,說明該斷裂主要活動時期應在燕山早期或印支晚期,燕山晚期那仁哈拉山已為隆起[17]。

2 樣品采集與測試

塔木素地區斷裂構造均為隱伏斷裂,露頭非常少,根據研究區范圍以及附近斷層出露情況,選擇兩條斷裂作為研究對象,分別為塔木素斷裂(F2)和那仁哈拉斷裂(F7),其中發現3處露頭。預選區位于兩條斷裂之間,斷裂構造的活動性影響著預選區區域地質的穩定性。

2.1 樣品采集

2.1.1 塔木素斷裂(F2)

該斷裂中部和東段未見明顯出露,在西段局部出露,僅發現1處露頭。從斷層出露處來看,侏羅統龍鳳山組逆沖與下白堊統巴音戈壁組上段之上,兩側巖性均以中粗砂巖為主,顏色為土黃色。圖3(a)斷層兩側局部見有片麻狀花崗閃長巖被花崗質巖脈穿切,兩側巖石較為破碎,節理十分發育。圖3(b)露頭斷裂帶內主要為土黃色斷層泥,厚度35～55 cm不等,其中含有少量角礫,未見到揉皺等現象。

圖3 F2斷裂野外露頭與采樣點Fig.3 Field outcrop and sampling point of F2

2.1.2 那仁哈拉斷裂(F7)

經過野外地質調查選取了斷裂2處露頭，如圖4所示,其中圖4(a)和圖4(c)是兩條相互穿插的次級斷裂。斷裂兩盤為砂巖,斷裂帶內主要為灰黑-灰白色斷層泥,含少量角礫,厚度超過60 cm,未見揉皺等現象。局部斷層泥中出現厚度大約5 cm的方解石脈,而且不同部位的斷層泥中黏土含量具有較大差異。圖4(b)中斷層帶兩側巖石破裂較為嚴重,節理極為發育,局部夾薄層含少量角礫的灰黑色斷層泥。

PEI的病因主要包括慢性胰腺炎、急性胰腺炎、胃切除術后、腸切除術后、胰腺切除術后、囊性纖維化、胰腺癌、乳糜瀉和糖尿病等(表1)。

圖4 F7斷裂野外露頭與采點位置Fig.4 Field observation and sample collection of F7

在F2斷裂剖面和F7斷裂剖面處采取了斷層泥樣品,采樣位置見表1。采樣前去除表層大約20 cm被風化的巖土體,采集新鮮的斷層泥樣品,裝在塑料袋中密封,盡快運回實驗室進行樣品制備和分析處理。

表1 樣品特征及采樣位置Table 1 Sample characteristics and sampling position

2.2 樣品制備

兩條斷裂的兩盤均是砂巖。由于石英具有結構穩定、機械強度大、溶解速率低、抗溶蝕能力強等特點,因此斷層泥中的石英顆粒是斷層兩盤破碎的巖石在斷層活動過程中保留下來的,后期經過了溶蝕作用的改造,其微形貌能夠指示斷裂構造的活動歷史和活動性。

樣品的制備按照俞維賢等[18-19]的方法,取300～500 g斷層泥樣品,放入燒杯中泡散,多次攪拌并去除上層溶液,最終獲得沉淀的碎屑碎礫。經過反復清洗后得到的沉淀碎屑碎礫物主要為長石、石英和碳酸鹽碎礫以及鐵質氧化物等。而后加入10%鹽酸經煮沸后在其中浸泡48 h,除去沉淀物中的碳酸鹽碎礫和鐵質氧化物,之后用蒸餾水清洗后烘干,利用實體顯微鏡隨機挑出50～100粒表面清潔且粒徑在60目(0.3 mm)～200目(0.074 mm)的石英碎礫。為避免由于靜電作用使得石英碎礫表面黏附過多黏土礦物等細粒而影響石英微形貌觀測的清晰度,可以利用超聲波清洗機去除其表面的殘余物質。

2.3 石英微形貌的研究方法

實驗在東華理工大學核資源與環境國家重點實驗室場發射掃描電鏡(Nova NanoSEM 450)完成,實驗觀察配合英國牛津儀器公司生產的X-Max50X射線能譜儀(EDS)用于區分石英和其他礦物。實驗前,將挑選出的石英碎礫分散排列用導電膠帶粘附于樣品臺上,然后噴金導電膜。在掃描電鏡樣品艙內選擇不同的放大倍數對樣品微形貌特征進行觀察,拍照后用于微形貌的統計。為了確保樣品為石英碎礫,對于存在疑問的樣品使用能譜(Si-K特征單峰)進行確認。

1981年，Kanaori等[5]提出了斷層泥石英微形貌年代學分類,諸多學者對其進行了實踐和驗證。其中,當石英碎礫表面出現大量貝殼狀斷口這種應力微形貌,說明斷裂在全新世任有活動；而斷裂活動時間越久遠其微形貌就越復雜,表現為次貝殼狀至似珊瑚狀結構[20]。1984年，Kanaori等[21]根據掃描電鏡(scanning electron microscopes,SEM)的觀察結果,對石英碎礫的溶蝕形貌進行了分類,分為Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ4種不同的類型,并對這4種溶蝕形貌特征的石英碎礫進行年代學研究。1985年，楊主恩[13]將Ⅰ類微形貌進一步細分為Ia、Ib和Ic 3個亞類,并對其形成的年代進行了更細的劃分(表2)。

表2 斷層泥中石英微形貌分類和相對年代Table 2 Classification and relative chronology of quartz micro morphology in fault gouge

3 石英碎礫表面SEM特征及其斷裂活動時代

根據前人的研究結果[12-13,22],本次實驗將塔木素2條斷層中斷層泥石英微形貌主要分為以下幾類。

(1)Ru(或Ⅰ0)類:破裂類,石英碎礫棱角尖銳,表面較光滑,主要表現為貝殼狀、次貝殼狀、楔形撞擊坑、直線或弧線擦痕等微形貌(圖5)。該類微形貌表面石英碎礫幾乎未遭受溶蝕改造,斷層活動年代距今較近,斷層活動時間多集中于晚更新世以來。

圖5 Ru類微形貌Fig.5 Micro morphology of class Ru

(2)Ⅰa類:弱溶蝕類,石英碎礫外形不規則,棱和脊較為尖銳,無明顯磨鈍的現象。石英碎礫表面見有較為明顯的溶蝕特征,可見約1 μm深的細小孔洞。表面仍可見次貝殼狀斷口,局部出現桔皮狀溶蝕微形貌(圖6)。

圖6 Ⅰa類微形貌Fig.6 Micro morphology of class Ⅰa

(4)Ⅰc類:弱溶蝕類,石英碎礫呈棱角狀,棱和脊較為尖銳,少見磨鈍現象,可見2～3 μm深的細小孔洞。石英碎礫表面幾乎無桔皮狀微形貌而出現大量的魚鱗狀微形貌(圖7)。

圖7 Ⅰc類微形貌Fig.7 Micro morphology of class Ⅰc

(5)Ⅱ類:中度溶蝕類,石英碎礫多呈次棱角狀,出現明顯的棱角磨鈍現象。可見3～5 μm深的溶蝕坑。表面凹凸不平,主要為苔蘚狀、魚鱗狀微形貌,局部見鐘乳狀微形貌(圖8)。

圖8 Ⅱ類微形貌Fig.8 Micro morphology of class Ⅱ

(6)Ⅲ類:深度溶蝕類,石英碎礫多呈似球形狀,表面凹凸明顯,凹凸程度4～10 μm,主要為蟲蛀狀和鐘乳狀微形貌,苔蘚狀微形貌占比面積較少(圖9)。

圖9 Ⅲ類微形貌Fig.9 Micro morphology of class Ⅲ

(7)Ⅳ類:深度溶蝕類,石英碎礫呈規則球狀,磨圓程度高,溶蝕孔洞大而深,深度約50～100 μm,且大部分孔洞之間已經相互貫通,其中填充少量黏土礦物。主要為渦穴狀或珊瑚狀微形貌,幾乎無蟲蛀狀溶蝕形貌(圖10)。

圖10 Ⅳ類微形貌Fig.10 Micro morphology of class Ⅳ

從上述石英微形貌特征中可以看出,隨著溶蝕作用加強,石英溶蝕微形貌出現了明顯的規律性變化,如石英碎礫尖銳棱和脊逐漸消失、較為平坦光滑的表面會變得越來越粗糙越來越凹凸不平、溶蝕孔的大小以及深度也會不斷加大加深等。

塔木素地區斷裂構造斷層泥中石英微形貌主要有6種,圖5～圖10所示為鏡下挑選出的6種SEM典型特征最具代表性的照片。根據鏡下的仔細觀察,可以看到樣品TMS01中石英碎礫多呈次棱角狀,少量石英碎礫外形呈不規則狀,表面見有明顯的溶蝕坑。石英微形貌主要為弱-中程度溶蝕微形貌,大量發育次貝殼狀、魚鱗狀微形貌。樣品TMS04中石英碎礫多呈棱角狀,溶蝕特征明顯,較TMS01桔皮狀、苔蘚狀微形貌明顯增多。樣品TMS06石英碎礫外形特征與TMS04相似,常見有苔蘚狀、魚鱗狀微形貌。樣品TMS07中石英碎礫主要表現出弱溶蝕特征,次貝殼狀斷口、直線摩擦等形貌偏多,表現出二次改造特征。

實際上,溶蝕時間越長溶蝕微形貌越發育,溶蝕時間與溶蝕微形貌的發育密切相關。因此,可以通過統計不同類型的溶蝕微形貌出現的頻率來獲得斷層的活動年代信息。通過統計,得到F2和F7斷層泥石英碎礫中不同類型微形貌的分布特征(圖11),將統計后的石英碎礫SEM特征與表2對照,可以推測其形成的相對年代(表3)[13]。

表3 斷層泥中石英碎礫表面SEM微形貌類型和形成年代Table 3 SEM micro morphology type and age of formation of quartz grains in fault gouge

圖11 斷層泥中石英碎礫表面微形貌分類與頻率Fig.11 Micro morphology classification and frequency of quartz grains in fault gouges

結合前人的研究成果,對比F2和F7斷層泥中石英碎礫的SEM特征,可以推測F2斷裂可能存在兩期活動,主要集中在早更新世和晚更新世。根據石英碎礫表面微形貌分布頻率可以看到F2斷裂處采集的TMS01樣品中石英微形貌主要為Ⅰa類、Ⅱ類和Ⅲ類,說明F2斷裂活動時間主要在晚更新世、早更新世早期和上新世,從石英微形貌頻率的整體變化中呈現出先增加后減少再增加再減少的趨勢,兩個峰值為Ⅰa類、Ⅱ類石英微形貌,其中Ⅰa類微形貌所占的比例為19%,Ⅱ類微形貌所占比例為48.6%,Ⅱ類微形貌所占比例最高,說明該斷裂在早更新世早期活動強度大于晚更新世。

從F7斷裂處采集的TMS04樣品中石英微形貌主要為Ⅰa類、Ⅰc類、Ⅱ類、Ⅲ類,其指示的活動年代為晚更新世、早更新世和上新世,其中Ⅰa類微形貌所占比例為22.9%,Ⅰc類、Ⅱ類和Ⅲ類微形貌所占比例分別為13.3%、33.3%、21.9%；TMS06樣品中石英微形貌主要為Ⅰa類、Ⅲ類,指示的活動年代為晚更新世和上新世,其中Ⅰa類微形貌所占比例為47.6%,Ⅲ類微形貌所占比例為26.8%；TMS07樣品中石英微形貌主要為Ⅰa類、Ⅰb類、Ⅰc類和Ⅱ類,所指示的活動年代為晚更新世、中更新世和早更新世,其中Ⅰa類微形貌所占的比例為55.9%,Ⅰb類、Ⅰc類和Ⅱ類微形貌所占比例分別為16.7%、8.8%、12.7%。3個斷層泥樣品石英微形貌特征所指示的活動時期各有所不同。

從F7斷裂不同的采樣點來看,F7斷裂活動較為頻繁,該斷裂可能具有分段活動的特征。總體來看,F7斷裂主要活動時期為晚更新世、早更新世和上新世,斷裂局部在中更新世也有活動,可見該斷裂上新世以來活動具有較好的連續性。從3個樣品石英微形貌整體分布來看,Ⅰa類微形貌所占比例最高,說明該斷裂晚更新世活動強度較高于其他時期。綜合F2和F7斷裂的活動時代特征來看,塔木素研究區內斷裂從全新世至今基本不活動,整體處于相對穩定的狀態。

此外,根據1949年以來的地震分布統計資料,阿拉善右旗近70年來發生17次有感地震,對比研究區位置及有利地段來看,發生地震位置分布預選區南北兩側,即筍布爾斷裂(F1)北部,巴丹吉林斷(F8)裂邊緣及其南部,與斷裂展布方向一致。塔木素斷裂(F2)和那仁哈拉斷裂(F7)沿斷裂位置均未記錄有地震活動。從研究區地震的分布特征來看,研究區地震頻率偏低,地震級數較小,預選地段位置近70年來沒有地震活動,顯示研究區遭受破壞性地震的影響非常小。

4 結論

塔木素預選區斷裂構造第四紀以來的活動性影響著區域構造環境的穩定性,對于高放廢物黏土巖預選區有利地段的最終確定具有非常重要的意義。通過對塔木素預選區斷裂(F2)和那仁哈拉斷裂(F7)斷層泥中石英微形貌的研究,得到以下結論。

(1)斷層泥中石英碎礫微形貌特征表明,塔木素斷裂(F2)和那仁哈拉斷裂(F7)曾經歷了多期次的活動過程。塔木素斷裂(F2)石英微形貌主要為Ⅰa類和Ⅱ類,說明F2斷裂活動時期主要在晚更新世和早更新世,其中Ⅱ類微形貌所占比例最高,說明其活動最強烈時期在早更新世早期；那仁哈拉斷裂(F7)石英微形貌主要為Ⅰa類、Ⅰc類、Ⅱ類、Ⅲ類,說明其活動主要在晚更新世、早更新世、上新世,其中Ⅰa類微形貌所占比例最高,說明其活動最強烈時期在晚更新世。

(2)塔木素斷裂(F2)斷層泥中Ru類微形貌非常少，那仁哈拉斷裂(F7)斷層泥中未見Ru類微形貌,說明F2和F7斷裂全新世至今活動性非常弱,研究區近70年的地震分布統計資料也很好地證明了這一點。可見塔木素地區區域構造環境較為穩定,是該研究區作為高放廢物地質處置庫場址預選區的有利因素。預選區斷裂構造對于有利地段的最終確定影響不大。